锑矿区修复的不同植被类型植物多样性及生物量特征

2023-10-31刘书洪谢伟东

合肥工业大学学报（自然科学版） 2023年10期

关键词：楸树女贞大叶

胡萧, 王栋, 张轩, 刘书洪, 谢伟东

(1.广西大学林学院,广西南宁 530004; 2.湖南省环境治理行业协会,湖南长沙 410003; 3.湖南艾布鲁环保科技股份有限公司,湖南长沙 410004; 4.湖南省林业科学院,湖南长沙 410004)

0 引言

矿山开采造成大规模生态环境破坏,废弃矿山的生态恢复技术和成效监测成为研究热点问题。恢复生态学的研究起始于20世纪上半叶对矿山生态问题的关注,采矿迹地一直是当前国际生态恢复关注的重要对象,主要关注矿山环境影响的缓解、生态功能的恢复等[1]。

我国矿山生态恢复经历了一个从关注耕地复垦利用到生态环境可持续性发展的过程[2]。然而,人工措施始终面临成本与效益的权衡,而且人工干预的效果并非始终优于自发修复[3-4]。

自然生态系统的恢复总是以植被重建为前提条件,因此植被重建是矿山生态恢复的重要环节之一。

目前,以工程措施为基础,结合植被重建是矿山生态修复的主要途径,植物可以促进土壤结构和肥力的恢复,增强土壤微生物的数量和活性,从而促进整个生态系统结构与功能的恢复和重建[5]。在矿山修复过程中,应该关注生态系统的物种多样性修复,物种多样性逐渐成为矿山修复目标之一[6]。

矿山环境治理与恢复的方式有多种,但植物修复是最根本、最经济、最可行的途径。此外,对矿山植被进行调查和规划是实现矿山环境恢复的关键[7]。因此,植被重建对于废弃矿山的生态修复具有重要的意义,这就需要根据不同的生态修复方式、方法和不同植物的生物特性来合理规划和设计修复地的植物群落,最终建立一个稳定的生态环境[8]。

植物种类是否符合当地立地条件、植物配置关系是否合理对于生态修复的成功至关重要。如果选择的植物种类没有适应当地的立地条件或者配置关系不合理,就会影响植物的生长和成活,从而影响生态修复的效果[9]。

因此,对于矿山的生态修复,研究植被生物量和物种多样性的变化具有非常重要的现实意义,并能为更加科学地制定修复方案提供理论基础。

冷水江锑矿山在长期开采锑矿的过程中,造成了诸多环境问题[10]。文献[11]研究表明,选取耐受性植物,采用多种修复方案,对锑矿区进行生态环境修复,不仅能获得良好的修复效果,更能产生良好的经济效益。

另外,文献[8]对锑矿区的植被恢复和可持续景观营造进行研究,提出了结合生态学构建自然群落,以增强物种多样性的理念。然而,锑矿修复区不同植被类型下的物种多样性和生物量仍需进行探索和研究[12]。

本文对比分析了冷水江矿山修复区大叶女贞林、楸树林和自然恢复植被(对照)类型的生物量以及林下植被的物种多样性特征,从而为矿山修复时生态环境的恢复提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 样地概况

研究区域位于冷水江锑矿区(27°45′13″N,111°29′54″E),地处锡矿山街道境内,离市区较近,相隔10 km左右。

矿区地貌类型属剥蚀构造,低山丘陵沟谷地貌,原始的地形起伏比较大。矿区最高海拔1 072 m,最低海拔162 m,地势高差910 m。矿区以山坡地为主,且山坡较陡,陡坡坡度一般在25°～45°之间,坡底与坡顶相对高差在50 m左右。

研究区域各种金属元素质量比见表1所列,试验区布局图如图1所示。

表1 研究区域各种金属元素质量比单位:mg/kg

图1 试验区布局图

1.2 样地调查与样品采集

2022年7月中旬对冷水江锑矿修复区进行全面调查,在林分因子(海拔、坡向、坡度和土壤特性等)基本一致、造林年限相同的前提下,以不同的2种人工植被和1种自然恢复植被作为研究对象,2种人工植被分别为8年生大叶女贞林(C1)和8年生楸树林(C2),并设置1个多年生五节芒自然恢复植被作为对照(CK)。在上、中、下3个坡位各设置3个标准样地,并将每个标准样地分为4个10 m×10 m乔木样方;在每个标准样地内按对角线法布设5个5 m×5 m灌木样方和5个1 m×1 m的草本样方,共布设乔木样方36个,灌木样方和草本样方各45个。对样方内的林木进行逐一检尺,记录乔灌木的高度、枝下高度、胸径 (地径) 以及冠幅,同时测量灌木层、草本层植物的株高、数量、盖度和分布状况等重要指标,并对每块样地进行经纬度、海拔和坡位等地形参数的记录。样地林木平均胸径、平均树高、平均枝下高与平均冠幅见表2所列。

表2 样地林木基本情况

为了准确测量乔木层、灌木层和草本层植物的生物量,在每种植被类型中,根据2种人工植被的每木检尺结果计算乔木的平均高和平均胸径;在每个标准样地中选取3株平均标准木,伐倒后分别收集根、干、皮、枝、叶,称重后分别采集250 g样品用于生物量测定和计算;在3种植被类型每个调查样方内的灌木层和草本层采用全株收获法称重,并各按地上、地下部分各取250 g(不足250 g则全部收集)用于测定地上、地下生物量;在草本样方内按对角线设置5个2 m×2 m的小样方,在每个样地内按对角线交叉点确定3个土壤采样点,每个采样点用10 cm土钻钻取3个0～20 cm的表土层样品并混合为1个样品,带回实验室经风干、去杂、碾碎,过100筛后用四分法缩为100 g左右的样品备用,测得3种植被类型土壤样品化学性质,结果见表3所列。

表3 样地土壤化学成分单位:mg/kg

1.3 植被群落物种多样性测定方法

两树种林下无灌木,草本层仅有3种灌木,灌木层多样性差异较小,因此,本文着重分析草本层的多样性,通过公式计算不同群落草本层物种丰富度S、Simpson多样性指数D、 Shannon-Wiener 多样性指数H′和Pielou均匀度指数E来表征林下植被的多样性特征,并计算林下植被的生物量。计算公式[13-15]如下:

(1)

(2)

(3)

物种丰富度=样方中的物种总数

(4)

Shannon-Wiener指数H′为:

(5)

其中,Pi为该物种个体数占总物种个体数之比。

Simpson指数D为:

(6)

Pielou均匀度指数E为:

(7)

其中:H′为实际观察的Shannon-Wiener物种多样性指数;Hmax为最大的Shannon-Wiener物种多样性指数,Hmax=lnS。

2 结果与分析

2.1 不同植被类型物种组成及重要值分析

3种植被类型的主要物种组成见表4所列。

表4 不同植被类型植被物种组成

大叶女贞林和楸树林均无灌木层植物,自然恢复植被无乔木层;3种植被类型的总盖度分别为56.33%、65.57%、85.96%。

大叶女贞林乔木层有2个种,分别为大叶女贞和棕榈,分属2 科2 属;草本层共有9种,隶属6科9属。

楸树林乔木层仅有楸树1种;草本层植物共有7种,隶属5科7属。自然恢复植被的灌木层有2种,分属2科2属,分别为胡颓子和扁担杆,呈零星分布;草本层共有11种,隶属7科12属。3种植被类型表现出群落结构简单,物种数量较少,均以草本层的五节芒占绝对优势。

在3种植被类型的草本层中,大叶女贞的禾本科占数量优势,有3属3种,数量占比为73.83%,其次是菊科3属3种,数量占比为10.28%;楸树林同样以禾本科占数量优势,有2属2种,数量占比为83.61%,其次是菊科3属3种,呈零散分布,数量占比为4.92%;自然恢复植被的禾本科占数量优势,分属2属2种,数量占比为75.20%,而菊科占种类优势,有5 属5种,数量占比为16.80%。

大叶女贞林植被物种重要值见表5所列。大叶女贞为该植被类型的林乔木层优势种,重要值为43.76%,无灌木层。

楸树林植被物种重要值见表6所列。楸树为该植被类型的林乔木层优势种,重要值为48.16%,也无灌木层。

表6 楸树林植被物种重要值

自然恢复植被物种重要值见表7所列。自然恢复植被的优势种为五节芒,重要值为51.01%;其次是艾蒿、乌蔹莓,重要值分别为11.62%、7.51%;其灌木层较为单一,优势种为胡颓子和扁担杆,重要值分别为3.00%、2.34%,无乔木层。

表7 自然恢复植被物种重要值

3种植被类型重要值大于5%的植物种类较少,反映出在矿山植被修复初期,不管是人工植被还是自然恢复植被,五节芒、黄茅、小蓬草、一年蓬等禾本科和菊科草本植物作为土著先锋植物首先进入裸露的地表并快速生长,但由于五节芒占绝对优势,草本层的植物种类和数量基本差别不大。根据表4统计,大叶女贞、楸树、自然植被的草本层种类数分别为9、7、11种,数量分别为107、183、131株(丛),其中从高到低依次为自然恢复植被的草本种类、大叶女贞林、楸树林。在不同植被类型中,除五节芒外其他草本植物重要值较高的植物各不相同,大叶女贞林的前胡和狗牙根的重要值相对较高,分别为8.64%和10.69%;楸树林的一年蓬、鸭拓草、小蓬草的重要值分别为12.51%、12.47%、7.57%;自然恢复植物的艾蒿、乌蔹莓、一年蓬、苎麻的重要值分别为11.62%、7.51%、5.83%、5.17%。

由重要值大小可知,3种植被类型组成的群系分别为:① 大叶女贞-五节芒+前胡+狗牙根;② 楸树-五节芒+一年蓬+鸭拓草;③ 五节芒+艾蒿+乌蔹莓。

2.2 不同植被类型物种多样性分析

不同植被类型的物种多样性见表8所列。从表8可以看出,大叶女贞林、楸树林无灌木层,自然恢复植被无乔木层。在3种植被类型中,乔木层多样性指数均表现为大叶女贞林高于楸树林高于自然恢复植被;灌木层多样性指数均表现为自然恢复植被高于大叶女贞林和楸树林,且后两者相同,草本层多样性指数在3种植被类型中表现为最高。

表8 不同植被类型的物种多样性

大叶女贞林乔木层的物种多样性指数H′、D、E分别为0.32、0.23、0.55;其次是楸树林乔木层,其多样性指数分别为0.11、0.06、0.19;自然恢复植被区无乔木层。自然恢复植被草本层的物种多样性指数S、H′、D、E分别为11、1.33、0.54、0.52;其次是大叶女贞林草本层,其Shannon-Wiener指数为0.87,Simpson指数为0.34;物种多样性指数最低的为楸树林草本层,其Shannon-Wiener指数和Simpson指数分别为0.56、0.23。Pielou均匀度指数除自然恢复植被较高以外,其余大叶女贞林和楸树林均比较低。不同植被类型草本植物的物种多样性指数存在显著差异,其中,大叶女贞林、楸树林和自然恢复植被之间的Shannon-Wiener指数和Simpson指数均存在显著性差异(P<0.05);楸树林和自然恢复植被之间的Pielou均匀度指数存在显著差异(P<0.05)。由此可见,人工林的引入会使群落物种单一化。

2.3 不同植被类型生物量

不同植被类型生物量如图2所示,其中不同小写字母表示总生物量与不同类型间差异显著,P<0.05。

图2 不同植被类型生物量

由图2可知:各类型样地之间乔木层的总生物量表现为楸树林(582.16 g/m2)高于大叶女贞林(239.93 g/m2),且存在显著性差异(P<0.05);各类型样地间草本层植物的总生物量表现为楸树林(1 342.7 g/m2)高于自然恢复植被(1 314.90 g/m2)高于大叶女贞林(969.00 g/m2);草本层地上生物量表现为自然恢复植被(594.47 g/m2)高于楸树林(429.66 g/m2)高于大叶女贞林(300.39 g/m2);草本层地下生物量表现为楸树林(913.04 g/m2)高于自然恢复植被(720.43 g/m2)高于大叶女贞林(668.61 g/m2);对于总生物量,大叶女贞林与自然恢复植被、楸树林与自然恢复植被均存在显著性差异,且P<0.05,而楸树林与自然恢复植被不存在显著性差异。相较于自然恢复植被,大叶女贞和楸树人工林的引入改变了林下植被生物量的空间分布。

3 讨论

3.1 不同植被类型的物种组成与重要值

矿区生态系统中的物种多样性遭到破坏,将会影响生态系统的结构、功能和过程。相反,物种多样性得到保护和提高,则对生态系统的平衡和发展有利[16-17]。植物物种多样性变化反映了环境变化和人类活动对植被修复的影响[18]。研究发现,不同植被类型对植物物种组成和物种多样性有显著影响,本文2种人工植被及自然恢复植被的群落结构均比较单一,在植物种类和数量上均以草本层占优势;草本层植物共有18种,隶属9科18属,以禾本科和菊科植物为主,说明在矿区植被修复中,禾本科和菊科等耐旱、耐贫瘠和对重金属抗性强的植物成为先锋植物。物种数对比表现为自然恢复植被高于大叶女贞林高于楸树林,与文献[19]的研究一致。草本类植物可以在矿山修复初期引入,从而改善土壤的重金属污染,这与文献[20]的研究结果基本相同。

3.2 不同植被类型的多样性特征

不同植被类型的乔木层和灌木层多样性均较低,林下草本层的多样性相对较高。草本层的物种组成与多样性存在显著差异,自然恢复植被、大叶女贞林下植被物种数量和多样性均高于楸树林。总体上,本文2种人工林分的林下植被物种数量、多样性均低于自然恢复植被,这与文献[21]的研究结果一致。也有研究表明,矿山的植被修复过程中,人工恢复植被的物种多样性会高于自然恢复植被[22],可能与矿山类型和地域、人工恢复的植物配置、乔木层的郁闭度等因素有关。自然恢复植被与大叶女贞林、楸树林相比,自然恢复植被显著提高了矿山群落的物种多样性。文献[23]的研究也证实了以上结论,矿渣堆优势草本植物种群中,生态位宽度较大的多为禾本科植物,表明禾本科植物在矿渣堆这一特殊生境中具有较强的环境适应能力。禾本科和艾蒿等菊科植物在铅锌矿区分布相对广泛且具有较强的适应能力,在土壤修复及生态恢复中具有明显优势[24]。因此,草本植物在提高锑矿山群落生物多样性方面具有更大的优势。禾本科和菊科植物均能适应锑矿区恶劣的生长环境,说明该物种具有较强的重金属迁移能力,这与文献[25-26]的研究结果一致。五节芒虽不是典型的超富集植物,但作为重金属土壤污染的修复植物具有较好的应用前景[27]。此外,2种植被类型下的林下植被物种多样性和物种丰富度均低于自然恢复植被,可能是由于人工植被乔木层的遮荫作用限制了阳性灌木、草本植物的迁入和生长,从而降低了林下物种的丰富程度[28-29]。植物群落存在竞争和促进等复杂关系,对植物类型和层次关系研究,不仅是探讨植物对环境适应能力的多样性评价,而且有助于认识植物群落特征、结构以及植物与环境之间的关系;同时,也能表征群落发育过程中种群之间的关系和优势种的地位[30-31]。因此,在冷水江锑矿山植被修复的过程中,为缓解种间和种内竞争,应采用合理的抚育措施,并且选取正联结较强的树种。

综合考虑乔木树种对环境的适应性和林下植被的多样性,可以根据矿山的土壤、气候等特点采用乔、灌、草的本地物种综合配置的模式或采用撒播草种促进自然恢复的模式进行矿山修复,快速提高矿山修复植被的多样性和覆盖率,减缓水土流失,并通过自然演替有效地对矿山的生态环境进行修复。

3.3 不同植被类型的生物量特征

在不同植被类型下,乔木层中大叶女贞和楸树的生长情况表现出显著差异,主要表现在生物量、适应性和生长速度等方面。关于生物量方面,楸树的地上和地下的生物量明显高于大叶女贞,这与文献[32]的研究结果一致,表明楸树在相同的生态环境下能够更好地利用生态资源,同时对生态环境有更好的影响力。在冷水江锑矿区的恶劣环境下,楸树更能够适应这种环境,生长速度更加稳定,而大叶女贞的生长速度可能受到一定的限制[33]。在不同植被类型中,草本层的菊科与禾本科呈优势种特征,文献[34-36]的研究表明,菊科、禾本科植物是矿山植被恢复的先锋物种的较好选择,具有很强的适应性。因此草本层的菊科和禾本科能为今后开展矿区植被物种选配、确定限制性因子、改良土壤理化性质以及生态效益评价等研究工作提供一定的对比和参考。

在林分结构优化与调控上,人工林对现有植被群落存在一定的干扰,加之研究区域内3种不同植被恢复模式时间不长,植被覆盖度不高,生态系统稳定性较低,物种多样性相对单一。要营造异龄复层混交林,在垂直结构上形成乔木、灌木和草本的多层次组合,加强区域抚育,对维持研究区退化生境养分与生态系统稳定性有重要作用。因此,在冷水江的矿山修复过程中,选择生长适应性好的树种与本土先锋植物混合栽植作为矿山修复的主要植物将会更加有利。

研究结果显示,大叶女贞和楸树人工林的引入会使林下植被生物量的空间分布发生改变,相较于自然恢复植被,人工林的林下植被生物量更倾向于地下部分。这是因为人工林通常采用高密度造林技术,使得树木之间的空地较少,导致林下植被缺乏生长空间,进而影响其生长和生物量的积累[37]。研究结果还显示,人工林的引入会导致林下植被物种多样性减少,从而使其生物量分布更加集中。然而,人工林也可以为林下植被提供一定的保护和支撑,如减少恶劣环境的影响,增加土壤水分和养分等。总之,这些因素均会改善林下植被的生长和生物量积累,因此人工林的引入会改变林下植被生物量的空间分布。

矿山植被恢复中,植被物种的选配和对应的种植技术是矿山植被恢复的研究重点和难点。不同立地条件对应适宜植物种类选配已有很多研究,但修复后的效果效益评价体系尚未有统一标准,同时缺乏协同性。本文的数据收集可为矿区植被恢复提供研究基础,为今后相关工作的开展提高理论基础和工程实践的锲合度。