黄土区露天煤矿排土场不同微地貌土壤种子库特征

王东丽,张 野,钱晓彤,王 东,赵晓亮,*

1 辽宁工程技术大学环境科学与工程学院,阜新 123000 2 辽宁工程技术大学矿业学院,阜新 123000

露天采矿不仅导致地表景观破坏、环境污染、生物多样性下降,而且形成的排土场占压大量土地资源,边坡多为高陡坡,极易发生水土流失、滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害,进而限制生态恢复甚至导致生态退化[1—2]。黄土高原区煤炭资源丰富,我国7个煤炭基地分布在该区,形成大量的排土场由于采用黄土客土复垦,边坡水土流失严重、植被恢复困难,成为黄河流域生态保持和高质量发展的主要制约因素,探究有效的植被恢复模式一直是该领域实践与研究的重点[3]。而土壤种子库作为植被群落的重要组成部分,是一个潜在的群落体系,可以为植被的恢复提供重要的物质基础[4],对于评价与预测植被恢复的潜力与方向具有重要意义。

特殊的地质、气候条件、植被状况等与外营力相互作用会形成一系列特殊的微地貌,这些微地貌可导致坡面水土资源、生物质等格局重新分配,进而改变受其影响的生物化学过程,形成影响植物定居、生长与发展的不同微生境[5—8]。不同的微地貌因其粗糙度和形态不同,会影响风力、水力等外营力的作用强度,可能缓冲或加剧土壤侵蚀[9—10]。研究表明,微地貌可影响水力侵蚀的时间和空间分布,同时也会影响植被恢复[11—12],不仅由于其改变植物生长的微生境,还在于微地貌在拦截径流泥沙的同时能够拦截它们携带的植株、凋落物、种子等生物体[13—14],故微地貌在脆弱生态系统植被恢复中的作用一直备受关注,研究发现一些特殊的微地貌在沙漠、冰川迹地、高寒山地等生态系统对植物定居与发展起关键作用[7,15—20],黄土区有少量研究关注不同微地貌的土壤差异与幼苗更新[21—22]。然而,微地形的差异会对土壤种子库的分布产生影响[23—24],进而影响植被的定居与发展。黄土区露天矿排土场边坡由于采取不同的植被恢复模式,形成的微地貌是否通过影响土壤种子库分布而影响植被恢复急需明确。

因此,本研究以黄土区武家塔露天煤矿排土场边坡不同植被恢复模式下的细沟、丛岛、草带为研究对象,通过测定其土壤种子库特征,研究黄土区排土场边坡不同微地貌对种子的拦截效应,为评价不同植被恢复模式效益和发展潜力提供科学依据,进而指导黄土区矿区排土场高效植被恢复模式的优选,确保黄河流域生态保持和高质量发展。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本研究选取鄂尔多斯武家塔露天矿排土场为研究区(图1),位于北纬39°15′16″—39°17′50″,东经110°05′55″—110°10′48″,地处鄂尔多斯高原腹地,处于黄土高原和毛乌素沙地间的过渡带,地形为西北高、东南低,基本呈斜坡状,其露天煤矿井田总面积9.182 km2。研究区所属伊金霍洛旗地貌类型丰富多样,其东南部以黄土丘陵地貌为主,西北部以风沙地貌为主。气候属于温带大陆性气候,冬季严寒,夏季炎热干燥,春季多风,全年少雨；年平均气温6.2℃,无霜期127—138 d,年平均降水量340—400 mm,多集中在6—8月,且多以暴雨形式出现。研究区地带性土壤类型为黄土和风沙土,零星分布着草甸土和栗钙土型沙土。地带性植被类型主要为温带草原植被[25—26]。

研究区属于内排土场,于2010年开始排土堆放,由东向西发展,现有四个排土台阶,海拔高程为1160—1270 m,边坡均较陡,坡度变化在25°—39°之间。土地复垦采取边堆放边复垦的方式,采用周边沙化黄土进行客土,覆土厚度约为1 m,复垦面积约2.67 km2。

图1 研究区位置与样地分布图Fig.1 Location of the study area and distribution of sample plots

1.2 样地与微地貌的选取

在研究区选取采用不同植被恢复模式的边坡作为试验样地,由于不同植被恢复模式构建方式有别,对坡面水流产生的影响各异,水力作用与地上植物耦合形成不同的微地貌,样地与微地貌的具体选取方法如下：

(1)边坡不同恢复模式的样地选取

通过全面踏查排土场边坡,选取以沙柳格、沙蒿丛和豆科草带3种植被恢复模式的边坡为研究样地,3种植被恢复年限为1—2 a,具体信息见表1。

表1 样地的基本情况

(2)不同恢复模式下微地貌的选取

在上述所选3个样地内,按平行等高线方向均匀选取3个样带,样带间间距大于10 m,在每个样带内选取微地貌。由于不同恢复模式构建的差异,各恢复模式所形成的微地貌各异,依其形成的地貌形态分为细沟、丛岛和草带,以各类微地貌的极点与坡面高差超过10 cm为微地貌界定标准,各微地貌的形态与其恢复模式样地信息见表1和图2。对于沙柳格恢复模式,在遍布坡面的侵蚀沟中选取典型细沟作为研究的微地貌,记为XG；在沙蒿恢复模式的边坡上选取沙蒿根部上方的堆积体作为丛岛微地貌,记为SCD；对于豆科草带恢复模式,选取草带的上部堆积体作为草带微地貌,记为DCD。

图2 边坡不同植被恢复模式及微地貌Fig.2 Different vegetation restoration patterns and micro-topography on slopes

1.3 土壤种子库取样与测定

1.3.1土壤种子库的取样

土壤种子库取样采用多点采样法,在上述所选微地貌内按上、中、下三个坡位随机各选取8—12个样点,每个样点均采用直径6 cm的专用采样器进行土样采集,采后的样品进行多点混合并分为0—2 cm、2—5 cm和5—10 cm三个土层分别装袋备用,其中0—2 cm和2—5 cm的样品采集于12个样点,而5—10 cm的样品采集于8个样点。

1.3.2土壤种子库萌发实验

2020年9月,将采集的土样干燥后过孔径大小为2 mm的土筛,以去除杂物,浓缩土样。为了保证萌发盘的透水透气性,在萌发盘的底部钻输水孔,并铺一层3—5 cm厚且经试验检验不含任何植物种子的珍珠岩。取过筛后的土样以每份土样作为一个萌发单位,将土样均匀平摊在萌发盘内,在温室进行萌发实验,土样厚度保持在2 cm左右。萌发实验期间,每日定时浇水；种子萌发出苗后,观察并判断其种属,计数后去除,对于短期不能判断的幼苗,将其编号移栽至培养盆直至生长到能够识别出为止,当萌发盘内初次不再出苗,对土壤进行松翻,继续萌发,直至完全不出苗终止实验。根据统计数据和样品数,换算土壤种子库密度。

1.4 数据处理

本研究中采用土壤种子库的相对密度计算重要值,以物种重要值为基础,计算多样性指数。计算公式如下：

Simpson优势度指数：

(1)

Shannon-Wiener多样性指数：

(2)

Pielous均匀度指数：

(3)

式中,pi为物种i的相对重要值,即第i个物种的重要值占所有种重要值之和的比例；S为物种i所在样方的物种总数。

种子拦截指数：

(4)

式中,ρ为微地貌中土壤种子库密度,ρ′为对应坡面上裸坡处的土壤种子库密度。

采用Excel 2018进行数据处理,采用SigmaPlot 14.0制作结果图,不同微地貌间土壤种子库密度的差异采用SPSS 20.0进行单因素方差分析(one-way ANOVA)和最小显著差异法LSD进行分析比较。

2 结果与分析

2.1 不同微地貌下土壤种子库的物种组成

由表2可知,细沟的土壤种子库共统计有6种物种,隶属于3科5属；丛岛的土壤种子库共统计有9种物种,隶属于5科7属；草带的土壤种子库共统计有8种物种,隶属于5科7属。细沟土壤种子库中占比最大的是藜科,达到79%；丛岛中禾本科占比最高,为33%,藜科和菊科次之,分别占25%和23%；草带中占比最高的是禾本科,达到60%,其次为藜科,占比为28%。可见,三种微地貌的土壤种子库均以禾本科和藜科植物最多,以一年生植物为主。沙蒿丛岛土壤种子库物种数量最多,细沟内物种数量最少。

表2 边坡不同微地貌土壤种子库的物种组成及密度

2.2 不同微地貌下土壤种子库的物种多样性

不同微地貌土壤种子库的物种多样性在土层垂直剖面具有一定的差异性(图3)。细沟和丛岛内土壤种子库的物种数均随着土层加深而减少；草带则在2—5 cm土层处物种数量最多,为7种。细沟的0—2 cm和5—10 cm土层的Simpson优势度指数较高；丛岛内的Simpson优势度指数均大于其他微地貌各土层,其中2—5 cm土层的最大,为0.81；草带内Simpson优势度指数随土层加深而增大。Shannon-Wiener多样性指数在0—2 cm和2—5 cm土层为丛岛内较大,在5—10 cm土层为草带内较大。Pielous均匀度指数在细沟和丛岛内均表现出随土层加深而增加的趋势；在草带内则在0—2 cm土层处最大,在2—5 cm土层处最小。

图3 不同微地貌下不同土层土壤种子库的物种多样性Fig.3 Species diversity of soil seed banks in different soil layers in different micro-topography

不同微地貌土壤种子库的物种多样性在不同坡位具有一定的差异性(图4)。在三种微地貌内丰富度指数的变化在坡位间没有一致性规律,且在不同坡位上变化不大。细沟内的Simpson优势度指数在上、中坡位相近,在下坡位升高；丛岛内的Simpson优势度指数在上、中、下三个坡位变化均不大,且相对最高；草带内在上、中坡位变化不大,在下坡位降低；整体来看,丛岛内Simpson优势度指数最大,为0.76,细沟和草带内则相差不多,分别为0.58和0.60。不同微地貌内Shannon-Wiener多样性指数在各个坡位间变化不大；整体上看,Shannon-Wiener多样性指数表现为丛岛>草带>细沟。Pielous均匀度指数在细沟内的上、下坡位最高,在中坡位较低；在丛岛和草带内的上、中、下坡位间变化均不大；整体来看,Pielous均匀度指数表现为细沟>草带>丛岛。

图4 不同微地貌下不同坡位土壤种子库的物种多样性Fig.4 Species diversity of soil seed banks at different slope positions in different micro-topography

2.3 不同微地貌下土壤种子库的密度

由表2可知,不同微地貌的土壤种子库总密度表现为,草带>细沟>丛岛。可见草带的土壤种子库储量较大,而且不同物种间的变化幅度较大。不同微地貌土壤种子库密度存在物种差异,细沟内灰绿藜密度最大；丛岛内狗尾草密度最大；草带内狗尾草密度最大,且明显高于其他植物种。另外,同一植物种在不同微地貌下密度存在不同程度的差异,狗尾草在草带下土壤种子库密度明显高于其他两种微地貌,灰绿藜在细沟中的密度高于丛岛和草带,猪毛蒿在丛岛的土壤种子库中密度最大。

图5 不同微地貌下不同土层的土壤种子库密度 Fig.5 Soil seed bank density in different soil layers in different micro-topography

不同微地貌的土壤种子库密度在土层垂直剖面均表现为随着土层加深而下降的趋势(图5),但微地貌间存在一定的差异,细沟与丛岛的土壤种子库在垂直剖面变化幅度较小,而草带变化较大,而且表现为在0—2 cm土层的土壤种子库密度最大,达到1265.25粒/m2；在2—5 cm土层,三种微地貌内的土壤种子库密度相差较小,在354.22粒/m2到421.83粒/m2；在5—10 cm土层,细沟内土壤种子库密度最小,为158.75粒/m2。

图6 不同微地貌下不同坡位的土壤种子库密度 Fig.6 Soil seed bank density at different slope positions in different micro-topography不同大写字母代表相同坡位下不同微地貌内的土壤种子库密度达到显著性差异(P<0.05);不同小写字母代表相同微地貌内不同坡位间的土壤种子库密度的达到显著性差异(P<0.05)；全坡为整个坡面土壤种子库密度的平均值

三种微地貌在不同坡位的土壤种子库密度各有不同(图6),在下坡位草带的土壤种子库密度显著高于其他微地貌(P<0.05),也显著高于草带微地貌内的中坡位(P<0.05),高达3381.5粒/m2。在细沟内,土壤种子库密度在上坡位和中坡位相差不多,分别是1199.7粒/m2和1182.1粒/m2,在下坡位稍有减少；在丛岛内,土壤种子库密度在中坡位高达1447.7粒/m2,但在下坡位减少至697.4粒/m2。

2.4 不同微地貌的种子拦截指数

不同微地貌下种子拦截指数存在坡位差异(图7)。对于细沟和丛岛,种子拦截指数随着坡位由上至下而降低,细沟的种子拦截指数在下坡位降至 - 0.23,丛岛的种子拦截指数更是在中坡位已降为负值,在下坡位降至-0.38；而草带的种子拦截指数则在上、中坡位为负值,在下坡位升为正值,且高达0.60。另外,同一坡位不同微地貌的拦截效应各异。在上坡位细沟对种子的拦截效果最好,丛岛次之,草带已低于裸坡,在中坡位细沟对种子的拦截效果较好,其余两种微地貌均低于裸坡,在下坡位草带对种子的拦截效果最好,其余两种微生境则较差。

3 讨论

土壤种子库作为植被恢复重要的物质来源,其物种多样性一直备受关注[27]。本研究发现不同植被恢复模式形成的微地貌对土壤种子库物种多样性和丰富度具有影响,这与Jia等研究古尔班通古特沙漠纵向沙丘不同地貌位置土壤种子库特征得出的结论相一致[28]。在垂直土层剖面,细沟和丛岛随土层加深土壤种子库物种数逐渐减少,这与李国旗等对荒漠草原区4种植物群落土壤种子库中物种数随土层加深呈递减趋势的研究结论相一致[29]；Simpson优势度指数在草带内随土层加深而增大,这是由于草带内0—2 cm土层物种丰富度较差且各物种的密度并不均匀,2—5 cm土层物种丰富度最好且密度分布较均匀,5—10 cm土层物种丰富度较好且密度分布最均匀；丛岛内丰富度和多样性指数相较于其他微地貌稍大,这是由于沙蒿灌木的冠幅较大,对风媒或鸟媒种子的拦截较其他植被多[30—31]；草带内不同土层间Pielous均匀度指数的变化相对较平稳,这说明在草带内物种数和各物种土壤种子库密度在垂直土层剖面的分布更均匀,而细沟和丛岛则随土层加深Pielous均匀度指数增大,这说明在细沟和丛岛内不同物种间的土壤种子库密度相差较大；综合来看,研究区不同恢复模式的样地土壤种子库以一年生禾本科和藜科植物为主；丛岛微地貌内土壤种子库的物种更丰富,而细沟微地貌内各物种的种子库密度更均匀。

图7 不同微地貌的种子拦截指数Fig.7 Seed interception index in different micro-topography

排土场诱发各种环境问题和地质灾害时,会导致原地形地貌、植被和土壤被破坏甚至消失[32—33]。如果土壤种子库储量足够多,就有利于在这种不利条件下进行植被恢复[34—35]。然而不同微地貌中土壤种子库的储量有差异,研究微地貌与土壤种子库储量间的关系有利于促进和调控植被恢复和定居[36—37]。本研究发现土壤种子库储量和拦截效应在不同恢复模式下存在差异。在垂直土层剖面,三种微地貌内土壤种子库密度都有随着土层加深而减小的趋势,这与以往土壤种子库具有表层聚集现象的研究结果一致[38—39],0—2 cm表层土壤中的土壤种子库密度相对较大,这是由于种子随着侵蚀到微地貌内首先被截留在表层土中；草带内0—2 cm土层土壤种子库密度最高且草带内土壤种子库储量最大,这说明豆科草带恢复模式对种子的截留效果较好。细沟和丛岛内的土壤种子库密度在不同坡位间的差异不大,草带内下坡位的土壤种子库密度显著高于上、中坡位(P<0.05),也显著高于下坡位其他微地貌内的土壤种子库密度(P<0.05),这是由于草带作为沿坡面等高线分布的微地貌能更好的减少侵蚀并截留种子,这与于顺利等得出的幼苗密度分布基本上具有显著的微地貌差异结果一致[40]。细沟在上坡位的拦截指数为正值且最大,在下坡位降为负值,这说明细沟微地貌随坡位下降对种子的拦截能力逐渐下降,在下坡位的种子截留效率不如在同一坡面上裸坡的种子截留效率,这是由于水力侵蚀在坡面上的细沟内由上到下逐渐变大,并且坡下没有利于沉积的微地貌[41—42],导致种子随侵蚀流失；丛岛与细沟表现出一致的趋势,并且在中坡位种子拦截指数已经为负值；草带内在上坡位和中坡位的种子拦截指数为负值,但在下坡位增加为正值,这是由于草带沿坡面等高线方向分布的特征,能更好的拦截坡面径流和其携带的种子,使土壤和种子在坡下得以沉积下来,而且越接近坡脚沉积越多,使得坡度变缓,越容易拦截较多的种子[43]。拦截指数的变化说明恢复模式不同可能会影响风速和泥沙运动,改变径流和泥沙沿坡面的分布,进而改变坡面和植被周围土壤种子库的积累情况[17]。综合考虑,草带对种子的拦截力强,丛岛可以提高物种丰富度,在今后排土场边坡植被恢复的工作中,可以考虑将不同的恢复模式相结合,比如在草带间设置可形成丛岛的植被恢复模式,以达到更好的恢复效果。

4 结论

黄土区排土场不同植被恢复模式产生的不同微地貌对土壤种子库的拦截效应各异,影响着植被恢复的潜力与方向。在不同微地貌中土壤种子库物种数表现为丛岛>草带>细沟,土壤种子库总储量表现为草带>细沟>丛岛。三种微地貌的土壤种子库密度均具有随土层加深而减小的趋势,草带内土壤种子库密度在0—2 cm土层显著高于其他微地貌和土层；细沟和丛岛在上坡位对种子的拦截效果更好,草带在下坡位对种子的拦截效果更好。综上所述,丛岛能拦截更丰富的物种,而草带能拦截更充足的种子,在对该区边坡进行植被恢复时,可以根据不同微地貌对土壤种子库储量和多样性的影响而选择复合植被恢复措施,以达到更好的恢复效果。