矿山废弃地生态修复区土壤特性与物种多样性分析*

苏军德，李国霞

(甘肃有色冶金职业技术学院，甘肃 金昌 737100)

我国作为世界上矿产资源较为丰富的国家，随着社会经济的快速发展和人类对矿产资源的不断开采，使矿区土地资源和植被遭到严重破坏，造成了水土流失、滑坡、泥石流等众多不良影响[1]，加之矿山废弃地土壤贫瘠，重金属元素含量较高，严重限制着植物的生长发育。近年来，矿山废弃地的生态恢复与重建已引起了众多学者[2-4]的高度关注，其中，植物群落和土壤作为生态系统的重要组成部分，是矿山废弃地生态恢复的基础[5]，因此，对矿山废弃地土壤理化性质和植被多样性的演替规律进行深入研究就显得尤为重要。

甘肃省金昌市金川矿山作为我国重要的镍钴生产基地，经过多年的开采，现已形成由尾矿和矸石堆积而成的矿山废弃地约3.1 km2[6]，这不仅改变了区域内土壤的理化性质，还致使水体和植被遭到了重金属的污染，加之干旱的气候环境，使植物种群演替十分缓慢。近年来，众多学者[7-8]对矿山废弃地生态恢复过程中物种选取进行了一定的研究，但对矿山废弃地土壤及植被的演替规律及其二者的响应分析还鲜有报道。本文就以金川矿山废弃地生态恢复区为研究对象，通过对区域内土壤理化特性及物种多样性进行深入调查分析研究，探讨土壤理化性质及植物多样性的演替变化规律，进而分析植物多样性与土壤理化性质的响应关系，为矿山废弃地的生态恢复和重建提供一定的科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

金川矿山废弃地生态修复区位于祁连山中部，河西走廊西段的龙首山脉北坡，海拔1 620 m，属温带大陆性干旱气候，年均气温为9.2 ℃，年均降水量为210 mm，年辐射量138.0 J/m2，蒸发量是降水量的21倍[9]。植被多为温带荒漠型植被，土壤以灰钙土、灰棕漠土及栗钙土为主，尾矿多沙粒和粉粒，土壤含量和有机质极少，透气性较差，且含有Ni、Cu、Cd等重金属元素。

1.2 实验设计与测定方法

1.2.1 实验材料采集与处理

选择修复区内林木立地条件良好，具有代表性的地段按照对角线法布设20个(10 m×10 m)乔木样方、20个(3 m×3 m)灌木样方和20个(1 m×1 m)草本样方，记录样方内植被的数量、胸径、基径、高度、数量、覆盖度等指标。同时在每个样方内设置2个取样点，挖取土壤剖面，取0～10 cm、10～20 cm的土壤样品，装入封口保鲜袋带回实验室分析其理化性质。

1.2.2 土壤理化性质测定

土壤电导率和pH值用电位法测定；含水率用烘干法测定；有机质含量用重铬酸钾稀释法测定[10]；速效磷用碳酸氢钠-钼锑抗比色法测定；速效钾用乙酸铵浸提-火焰光度法测定；硝态氮用酚二磺酸比色法测定；铵态氮用2 mol/L KCl浸提-靛酚蓝比色法测定；全氮用开氏蒸馏法测定；全磷用NaOH熔融-钼锑抗比色法测定；全钾用NaOH熔融-火焰光度法测定[11]。

1.2.3 植物多样性计算

1.3 数据处理

用Microsoft Excel 2019、SPSS 18.0及Origin 9.1软件对所得数据进行平均值、Pearson相关系数、变异系数等统计分析。

2 结果与分析

2.1 矿山废弃地生态修复区植物群落的变化

2.1.1 植被种类特征分析

金川矿山废弃地生态修复区样方植被调查发现，如表1所示，研究区植物群落共计20种，隶属15个科，其中乔木6科7种，以杨柳科的旱柳(Salix matsudana Koidz)和杨树(Populus L.)为主；灌木4科4种，柽柳科中的红柳(Tamarix ramosissima Lcdcb)较多；草本植物5科9种，以禾本科的早熟禾(Poa annua L.)和冰草(Agropyron cristatum (L.) Gaertn.)为主。

表1 金川矿山废弃地生态修复区植被种类特征值

植物种群多度是指单位样地上某种植物的全部个体数，反映了各物种在群落中的分布情况[13]。研究区乔木层植物类型较为丰富，由落叶阔叶植物与常绿针叶植物构成，其中，旱柳的多度值较大，为29.67%，按Clement多度等级划分，属于常见，在乔木层中占据重要的位置，其相对显著度和重要值分别为34.87%和28.83%。除榆树外，其它植物多度值在5%～25%之间，在Clement多度等级划分中属偶见。通常来说，植物种类的多少能够直接反应群落的丰富度[14]，榆树虽在样方调查中仅有4棵，但对矿山恢复区植物群落的多样性和稳定性具有重要的意义。灌木层植物种类较少，多样性较差，丰富度较低，按Drude多级等级划分，红柳和柠条多度值在25%～50%之间，属多类，但红柳由于树冠幅度大于柠条，在灌木层中占据更重要的位置，沙木蓼和驼绒藜多度值在5%～25%之间，属尚多类。值得一提的是，灌木层各物种具有相同的相对频度，这说明灌木层各物种在群落中分布相对均匀。草本层植物种类繁多，丰富度较好，尤其是早熟禾，其多度和重要值远远高于其他植物，分别为46.66%和24.88%，在草本层中占据主导地位，为优势种。臭蒿虽多度值较小，仅为3.53%，按Braun-Blanquet等级划分属于稀少，但其相对高度值较大，为30.57%，重要性超过了多度值较大的冰草。

2.1.2 不同林分物种多样性分析

金川矿山废弃地生态修复区不同林分丰富度指数、均匀度指数、多样性指数和优势度指数存在明显的差异，如图1所示，灌木层由于物种相对单一，丰富度、多样性和优势度明显低于乔木层和草本层，但其具有较高的均匀度，这是由于金川矿山废弃地生态修复区植物多为人工种植，在植物群落初建时灌木层物种分布的相对均匀所致。乔木层和草本层在丰富度、均匀度、多样性和优势度上均未表现出明显的差异。彭少麟[15]等的研究结果也同样表明，在亚热带植物群落中，较大的乔木树冠层下能够容纳较多的低矮植物，进而增加物种的多样性。同时也说明，适当的选择乔木和增加物种种类能够有效的提高人工植被恢复的效果。

图1 金川矿山废弃地生态修复区不同林分多样性特征

2.2 不同林分土壤理化性质的变化

2.2.1 土壤pH值和有机质含量变化

土壤pH值作为影响土壤肥力的重要因子，对土壤碳氮的累积以及微生物的活动具有重要的影响[16]。土壤有机质作为土壤肥力高低的重要指标，对土壤缓冲能力、颗粒结构、矿质养分等理化性质都有较大的影响[17]。金川矿山废弃地生态修复区不同林分和不同深度土壤pH值均没有显著的变化，如图2(a)所示，但相比对照点土壤pH值均有不同程度的下降，且未出现酸化现象，这主要是因为研究区地处干旱地区，年降水量较少，土壤温湿度较低，微生物活动较慢，进而致使凋落物分解速度减缓，所以土壤并未演化为酸性。草地的下降幅度最大，乔木最小，下降后的值分别为：草地(7.83、7.94)，乔木(7.98、8.02)。不同林分的pH值都低于对照点，这充分说明植被的恢复可有效的改善土壤水、气、热等状况，进而促进养分转化与吸收的同时有利于土壤pH值的降低。不同林分不同深度土壤有机质含量表现出一致的变化，均随深度的增加而减小，且都显著高于对照点，如图2(d)所示，具有明显的表聚效应。草地土壤有机质含量最高，为(19.12 g/kg、8.75 g/kg)，灌木最低，为(14.06 g/kg、7.71 g/kg)，具体表现为草地>乔木>灌木。

2.2.2 土壤含水率和电导率的变化

土壤电导率作为土壤重要的物理参数，是土壤盐渍化的重要标志。如图2(b)所示，相比对照点，研究区不同林分电导率都有显著的下降，这充分说明植被恢复能够有效的降低土壤中重金属离子和改善土壤的盐渍化程度，促进植物生长。不同林分土壤含水率都随深度的增加而增大，如图2(c)所示，其中，草地的土壤含水率最大，0～10 cm和10～20 cm土壤含水率分别为13.88%和16.97%；灌木的土壤含水率最小，0～10 cm和10～20 cm土壤含水率分别为10.05%和10.66%。不同林分土壤含水率都显著高于对照点，这说明合理的配置草种和林种，能够有效的改善土壤水分含量，进而对废弃地生态环境进行恢复重建[18]。

图2 金川矿山废弃地生态修复区土壤理化性质

2.2.3 不同林分土壤养分含量的变化

通过对金川矿山废弃地生态恢复区不同林分土壤养分分析可知，如表2所示，相比对照点，不同林分的全氮、全磷和全钾含量都显著提高，但不同林分间全氮、全磷和全钾的增长量有所差异，其中，草地全氮含量增长较快，约是对照点的2.89倍，但所有林分氮含量均低于1.0 g/kg，表明目前研究区氮含量贮备不足；灌木全钾含量增长最快，约是对照点的2.43倍，且所有林分全钾含量都高于25 g/kg，表明目前废弃地生态修复区钾能够完全满足植物生长；乔木和草地全磷含量的增长基本一致，分别为0.65 g/kg和0.64 g/kg，约是对照点的3.42倍。

表2 不同林分土壤养分变化(A表示极显著差异；a表示显著差异)

土壤中的速效钾、速效磷、硝态氮和氨态氮容易被植物吸收利用，是表征土壤肥力的重要因素。金川矿山废弃地生态修复区不同林分速效钾、速效磷、氨态氮和硝态氮含量都有大幅度提升，但不同林分间各速效养分上升速度有明显的差异，其中，氨态氮的提升速率最快，约为对照点的9.74～10.91倍，速效钾的提升速率最慢，约为对照点的2.51～3.92倍。草地速效钾和硝态氮含量显著高于乔木和灌木，其值分别为59.74 mg/kg和97.89 mg/kg，乔木速效磷的含量却明显高于灌木和草地，为14.35 mg/kg，这充分表明在金川矿山废弃地生态修复区草地能够提供较多的K和N元素供植物生长，而乔木能够为植物生长提供较多的P元素，同时也说明合理的配置植物能够有效的改善土壤结构和养分，更有利于废弃地的修复和重建。

2.3 土壤理化指标与群落物种多样性的相关性

金川矿山废弃地生态修复区土壤理化因子与植物多样性相关分析表明，如表3所示，植被均匀度指数、丰富度指数、优势度指数、多样性指数均与土壤pH值呈显著负相关，与电导率呈极显著负相关；除速效磷含量和全磷含量外，各指数与其它理化因子都呈显著或极显著正相关，这也充分表明，土壤和植被是一个相互作用、协调发展的共同体，土壤改良能够促进植被的恢复，而植被的改善又能够有效的促进土壤理化性质的变化。

表3 土壤理化因子与植物多样性相关系数(＊，＊＊分别表示r=0.05和r=0.01水平上的显著性)

3 结论与讨论

植被的恢复与重建是改良退化生态系统的重要手段，矿山废弃地的改良实质上是重建生态系统，使之从简单到复杂、低级向高级演变的过程[19]。物种多样性作为植物群落的基本特征，能够很好的反映群落的稳定程度、发展阶段以及生境差异[20]。金川矿山废弃地经过10余年的人工治理，物种多样性逐年增加，现已有物种20余种，隶属15个科，由于开采过程中废弃地破坏程度以及恢复时间不同，整个区域内灌木种类较少，但草本和乔木的丰富度和多样性都较好，彭东海[12]等在金尾矿废弃地不同植被恢复阶段物种多样性研究中也发现了类似的结果，这也说明不同矿山废弃地生物群落的演替和演化具有较为一致的变化。

金川矿山废弃地地处祁连山中部，区域内生境恶劣，土层较薄且含有大量的重金属元素，土壤的理化性质对植物生长具有重要的影响，是决定植被恢复和维持的重要因子。研究结果表明，选择适宜的物种进行合理的配置，土壤养分明显改善，土壤电导率和pH值显著下降，土壤水分和有机质含量显著增加。土壤理化因子与植物多样性相关分析也同样表明，研究区植物多样性与土壤pH值和电导率显著负相关，与土壤含水率和有机质含量极显著正相关。刘其蕾[21]在废弃宕口研究中表明，植物群落多样性的增加，能够有效的改善土壤结构，增加土壤养分，与本文研究结果一致，表明土壤和植被作为生态系统的重要组成部分，是相互影响、相互制约的统一体，植物群落的良性发展有利于土壤的改良，而土壤结构的改善又能促进植物群落的进一步演替。

相比自然恢复，人工植被恢复能够较快增加植物的多样性，进而加快生态系统的演替。本文研究表明，金川矿山废弃地生态修复区不同植被类型在丰富度、均匀度、多样性和优势度上表现出一定的差异，这与许丽[22]等的研究结果较为一致，同时也表明在矿山废弃地生态修复过程中应将乔木、草本和灌木相结合，深根系植物与浅根系植物相结合，根据不同的立地条件和植物生长特性进行合理搭配，上植下挂，充分利用种植空间，合理配置植物，创造丰富的植物群落结构，进而有效的加快土壤结构和理化性质的改良，促进废弃地生态恢复。