王東麗,張 野,錢曉彤,王 東,趙曉亮,*

1 遼寧工程技術(shù)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,阜新 123000 2 遼寧工程技術(shù)大學(xué)礦業(yè)學(xué)院,阜新 123000

露天采礦不僅導(dǎo)致地表景觀破壞、環(huán)境污染、生物多樣性下降,而且形成的排土場占壓大量土地資源,邊坡多為高陡坡,極易發(fā)生水土流失、滑坡、崩塌、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害,進而限制生態(tài)恢復(fù)甚至導(dǎo)致生態(tài)退化[1—2]。黃土高原區(qū)煤炭資源豐富,我國7個煤炭基地分布在該區(qū),形成大量的排土場由于采用黃土客土復(fù)墾,邊坡水土流失嚴(yán)重、植被恢復(fù)困難,成為黃河流域生態(tài)保持和高質(zhì)量發(fā)展的主要制約因素,探究有效的植被恢復(fù)模式一直是該領(lǐng)域?qū)嵺`與研究的重點[3]。而土壤種子庫作為植被群落的重要組成部分,是一個潛在的群落體系,可以為植被的恢復(fù)提供重要的物質(zhì)基礎(chǔ)[4],對于評價與預(yù)測植被恢復(fù)的潛力與方向具有重要意義。

特殊的地質(zhì)、氣候條件、植被狀況等與外營力相互作用會形成一系列特殊的微地貌,這些微地貌可導(dǎo)致坡面水土資源、生物質(zhì)等格局重新分配,進而改變受其影響的生物化學(xué)過程,形成影響植物定居、生長與發(fā)展的不同微生境[5—8]。不同的微地貌因其粗糙度和形態(tài)不同,會影響風(fēng)力、水力等外營力的作用強度,可能緩沖或加劇土壤侵蝕[9—10]。研究表明,微地貌可影響水力侵蝕的時間和空間分布,同時也會影響植被恢復(fù)[11—12],不僅由于其改變植物生長的微生境,還在于微地貌在攔截徑流泥沙的同時能夠攔截它們攜帶的植株、凋落物、種子等生物體[13—14],故微地貌在脆弱生態(tài)系統(tǒng)植被恢復(fù)中的作用一直備受關(guān)注,研究發(fā)現(xiàn)一些特殊的微地貌在沙漠、冰川跡地、高寒山地等生態(tài)系統(tǒng)對植物定居與發(fā)展起關(guān)鍵作用[7,15—20],黃土區(qū)有少量研究關(guān)注不同微地貌的土壤差異與幼苗更新[21—22]。然而,微地形的差異會對土壤種子庫的分布產(chǎn)生影響[23—24],進而影響植被的定居與發(fā)展。黃土區(qū)露天礦排土場邊坡由于采取不同的植被恢復(fù)模式,形成的微地貌是否通過影響土壤種子庫分布而影響植被恢復(fù)急需明確。

因此,本研究以黃土區(qū)武家塔露天煤礦排土場邊坡不同植被恢復(fù)模式下的細(xì)溝、叢島、草帶為研究對象,通過測定其土壤種子庫特征,研究黃土區(qū)排土場邊坡不同微地貌對種子的攔截效應(yīng),為評價不同植被恢復(fù)模式效益和發(fā)展?jié)摿μ峁┛茖W(xué)依據(jù),進而指導(dǎo)黃土區(qū)礦區(qū)排土場高效植被恢復(fù)模式的優(yōu)選,確保黃河流域生態(tài)保持和高質(zhì)量發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究選取鄂爾多斯武家塔露天礦排土場為研究區(qū)(圖1),位于北緯39°15′16″—39°17′50″,東經(jīng)110°05′55″—110°10′48″,地處鄂爾多斯高原腹地,處于黃土高原和毛烏素沙地間的過渡帶,地形為西北高、東南低,基本呈斜坡狀,其露天煤礦井田總面積9.182 km2。研究區(qū)所屬伊金霍洛旗地貌類型豐富多樣,其東南部以黃土丘陵地貌為主,西北部以風(fēng)沙地貌為主。氣候?qū)儆跍貛Т箨懶詺夂?冬季嚴(yán)寒,夏季炎熱干燥,春季多風(fēng),全年少雨；年平均氣溫6.2℃,無霜期127—138 d,年平均降水量340—400 mm,多集中在6—8月,且多以暴雨形式出現(xiàn)。研究區(qū)地帶性土壤類型為黃土和風(fēng)沙土,零星分布著草甸土和栗鈣土型沙土。地帶性植被類型主要為溫帶草原植被[25—26]。

研究區(qū)屬于內(nèi)排土場,于2010年開始排土堆放,由東向西發(fā)展,現(xiàn)有四個排土臺階,海拔高程為1160—1270 m,邊坡均較陡,坡度變化在25°—39°之間。土地復(fù)墾采取邊堆放邊復(fù)墾的方式,采用周邊沙化黃土進行客土,覆土厚度約為1 m,復(fù)墾面積約2.67 km2。

圖1 研究區(qū)位置與樣地分布圖Fig.1 Location of the study area and distribution of sample plots

1.2 樣地與微地貌的選取

在研究區(qū)選取采用不同植被恢復(fù)模式的邊坡作為試驗樣地,由于不同植被恢復(fù)模式構(gòu)建方式有別,對坡面水流產(chǎn)生的影響各異,水力作用與地上植物耦合形成不同的微地貌,樣地與微地貌的具體選取方法如下：

(1)邊坡不同恢復(fù)模式的樣地選取

通過全面踏查排土場邊坡,選取以沙柳格、沙蒿叢和豆科草帶3種植被恢復(fù)模式的邊坡為研究樣地,3種植被恢復(fù)年限為1—2 a,具體信息見表1。

表1 樣地的基本情況

(2)不同恢復(fù)模式下微地貌的選取

在上述所選3個樣地內(nèi),按平行等高線方向均勻選取3個樣帶,樣帶間間距大于10 m,在每個樣帶內(nèi)選取微地貌。由于不同恢復(fù)模式構(gòu)建的差異,各恢復(fù)模式所形成的微地貌各異,依其形成的地貌形態(tài)分為細(xì)溝、叢島和草帶,以各類微地貌的極點與坡面高差超過10 cm為微地貌界定標(biāo)準(zhǔn),各微地貌的形態(tài)與其恢復(fù)模式樣地信息見表1和圖2。對于沙柳格恢復(fù)模式,在遍布坡面的侵蝕溝中選取典型細(xì)溝作為研究的微地貌,記為XG；在沙蒿恢復(fù)模式的邊坡上選取沙蒿根部上方的堆積體作為叢島微地貌,記為SCD；對于豆科草帶恢復(fù)模式,選取草帶的上部堆積體作為草帶微地貌,記為DCD。

圖2 邊坡不同植被恢復(fù)模式及微地貌Fig.2 Different vegetation restoration patterns and micro-topography on slopes

1.3 土壤種子庫取樣與測定

1.3.1土壤種子庫的取樣

土壤種子庫取樣采用多點采樣法,在上述所選微地貌內(nèi)按上、中、下三個坡位隨機各選取8—12個樣點,每個樣點均采用直徑6 cm的專用采樣器進行土樣采集,采后的樣品進行多點混合并分為0—2 cm、2—5 cm和5—10 cm三個土層分別裝袋備用,其中0—2 cm和2—5 cm的樣品采集于12個樣點,而5—10 cm的樣品采集于8個樣點。

1.3.2土壤種子庫萌發(fā)實驗

2020年9月,將采集的土樣干燥后過孔徑大小為2 mm的土篩,以去除雜物,濃縮土樣。為了保證萌發(fā)盤的透水透氣性,在萌發(fā)盤的底部鉆輸水孔,并鋪一層3—5 cm厚且經(jīng)試驗檢驗不含任何植物種子的珍珠巖。取過篩后的土樣以每份土樣作為一個萌發(fā)單位,將土樣均勻平攤在萌發(fā)盤內(nèi),在溫室進行萌發(fā)實驗,土樣厚度保持在2 cm左右。萌發(fā)實驗期間,每日定時澆水；種子萌發(fā)出苗后,觀察并判斷其種屬,計數(shù)后去除,對于短期不能判斷的幼苗,將其編號移栽至培養(yǎng)盆直至生長到能夠識別出為止,當(dāng)萌發(fā)盤內(nèi)初次不再出苗,對土壤進行松翻,繼續(xù)萌發(fā),直至完全不出苗終止實驗。根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)和樣品數(shù),換算土壤種子庫密度。

1.4 數(shù)據(jù)處理

本研究中采用土壤種子庫的相對密度計算重要值,以物種重要值為基礎(chǔ),計算多樣性指數(shù)。計算公式如下：

Simpson優(yōu)勢度指數(shù)：

(1)

Shannon-Wiener多樣性指數(shù)：

(2)

Pielous均勻度指數(shù)：

(3)

式中,pi為物種i的相對重要值,即第i個物種的重要值占所有種重要值之和的比例；S為物種i所在樣方的物種總數(shù)。

種子攔截指數(shù)：

(4)

式中,ρ為微地貌中土壤種子庫密度,ρ′為對應(yīng)坡面上裸坡處的土壤種子庫密度。

采用Excel 2018進行數(shù)據(jù)處理,采用SigmaPlot 14.0制作結(jié)果圖,不同微地貌間土壤種子庫密度的差異采用SPSS 20.0進行單因素方差分析(one-way ANOVA)和最小顯著差異法LSD進行分析比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同微地貌下土壤種子庫的物種組成

由表2可知,細(xì)溝的土壤種子庫共統(tǒng)計有6種物種,隸屬于3科5屬；叢島的土壤種子庫共統(tǒng)計有9種物種,隸屬于5科7屬；草帶的土壤種子庫共統(tǒng)計有8種物種,隸屬于5科7屬。細(xì)溝土壤種子庫中占比最大的是藜科,達到79%；叢島中禾本科占比最高,為33%,藜科和菊科次之,分別占25%和23%；草帶中占比最高的是禾本科,達到60%,其次為藜科,占比為28%?？梢?三種微地貌的土壤種子庫均以禾本科和藜科植物最多,以一年生植物為主。沙蒿叢島土壤種子庫物種數(shù)量最多,細(xì)溝內(nèi)物種數(shù)量最少。

表2 邊坡不同微地貌土壤種子庫的物種組成及密度

2.2 不同微地貌下土壤種子庫的物種多樣性

不同微地貌土壤種子庫的物種多樣性在土層垂直剖面具有一定的差異性(圖3)。細(xì)溝和叢島內(nèi)土壤種子庫的物種數(shù)均隨著土層加深而減少；草帶則在2—5 cm土層處物種數(shù)量最多,為7種。細(xì)溝的0—2 cm和5—10 cm土層的Simpson優(yōu)勢度指數(shù)較高；叢島內(nèi)的Simpson優(yōu)勢度指數(shù)均大于其他微地貌各土層,其中2—5 cm土層的最大,為0.81；草帶內(nèi)Simpson優(yōu)勢度指數(shù)隨土層加深而增大。Shannon-Wiener多樣性指數(shù)在0—2 cm和2—5 cm土層為叢島內(nèi)較大,在5—10 cm土層為草帶內(nèi)較大。Pielous均勻度指數(shù)在細(xì)溝和叢島內(nèi)均表現(xiàn)出隨土層加深而增加的趨勢；在草帶內(nèi)則在0—2 cm土層處最大,在2—5 cm土層處最小。

圖3 不同微地貌下不同土層土壤種子庫的物種多樣性Fig.3 Species diversity of soil seed banks in different soil layers in different micro-topography

不同微地貌土壤種子庫的物種多樣性在不同坡位具有一定的差異性(圖4)。在三種微地貌內(nèi)豐富度指數(shù)的變化在坡位間沒有一致性規(guī)律,且在不同坡位上變化不大。細(xì)溝內(nèi)的Simpson優(yōu)勢度指數(shù)在上、中坡位相近,在下坡位升高；叢島內(nèi)的Simpson優(yōu)勢度指數(shù)在上、中、下三個坡位變化均不大,且相對最高；草帶內(nèi)在上、中坡位變化不大,在下坡位降低；整體來看,叢島內(nèi)Simpson優(yōu)勢度指數(shù)最大,為0.76,細(xì)溝和草帶內(nèi)則相差不多,分別為0.58和0.60。不同微地貌內(nèi)Shannon-Wiener多樣性指數(shù)在各個坡位間變化不大；整體上看,Shannon-Wiener多樣性指數(shù)表現(xiàn)為叢島>草帶>細(xì)溝。Pielous均勻度指數(shù)在細(xì)溝內(nèi)的上、下坡位最高,在中坡位較低；在叢島和草帶內(nèi)的上、中、下坡位間變化均不大；整體來看,Pielous均勻度指數(shù)表現(xiàn)為細(xì)溝>草帶>叢島。

圖4 不同微地貌下不同坡位土壤種子庫的物種多樣性Fig.4 Species diversity of soil seed banks at different slope positions in different micro-topography

2.3 不同微地貌下土壤種子庫的密度

由表2可知,不同微地貌的土壤種子庫總密度表現(xiàn)為,草帶>細(xì)溝>叢島?？梢姴輲У耐寥婪N子庫儲量較大,而且不同物種間的變化幅度較大。不同微地貌土壤種子庫密度存在物種差異,細(xì)溝內(nèi)灰綠藜密度最大；叢島內(nèi)狗尾草密度最大；草帶內(nèi)狗尾草密度最大,且明顯高于其他植物種。另外,同一植物種在不同微地貌下密度存在不同程度的差異,狗尾草在草帶下土壤種子庫密度明顯高于其他兩種微地貌,灰綠藜在細(xì)溝中的密度高于叢島和草帶,豬毛蒿在叢島的土壤種子庫中密度最大。

圖5 不同微地貌下不同土層的土壤種子庫密度 Fig.5 Soil seed bank density in different soil layers in different micro-topography

不同微地貌的土壤種子庫密度在土層垂直剖面均表現(xiàn)為隨著土層加深而下降的趨勢(圖5),但微地貌間存在一定的差異,細(xì)溝與叢島的土壤種子庫在垂直剖面變化幅度較小,而草帶變化較大,而且表現(xiàn)為在0—2 cm土層的土壤種子庫密度最大,達到1265.25粒/m2；在2—5 cm土層,三種微地貌內(nèi)的土壤種子庫密度相差較小,在354.22粒/m2到421.83粒/m2；在5—10 cm土層,細(xì)溝內(nèi)土壤種子庫密度最小,為158.75粒/m2。

圖6 不同微地貌下不同坡位的土壤種子庫密度 Fig.6 Soil seed bank density at different slope positions in different micro-topography不同大寫字母代表相同坡位下不同微地貌內(nèi)的土壤種子庫密度達到顯著性差異(P<0.05);不同小寫字母代表相同微地貌內(nèi)不同坡位間的土壤種子庫密度的達到顯著性差異(P<0.05)；全坡為整個坡面土壤種子庫密度的平均值

三種微地貌在不同坡位的土壤種子庫密度各有不同(圖6),在下坡位草帶的土壤種子庫密度顯著高于其他微地貌(P<0.05),也顯著高于草帶微地貌內(nèi)的中坡位(P<0.05),高達3381.5粒/m2。在細(xì)溝內(nèi),土壤種子庫密度在上坡位和中坡位相差不多,分別是1199.7粒/m2和1182.1粒/m2,在下坡位稍有減少；在叢島內(nèi),土壤種子庫密度在中坡位高達1447.7粒/m2,但在下坡位減少至697.4粒/m2。

2.4 不同微地貌的種子攔截指數(shù)

不同微地貌下種子攔截指數(shù)存在坡位差異(圖7)。對于細(xì)溝和叢島,種子攔截指數(shù)隨著坡位由上至下而降低,細(xì)溝的種子攔截指數(shù)在下坡位降至 - 0.23,叢島的種子攔截指數(shù)更是在中坡位已降為負(fù)值,在下坡位降至-0.38；而草帶的種子攔截指數(shù)則在上、中坡位為負(fù)值,在下坡位升為正值,且高達0.60。另外,同一坡位不同微地貌的攔截效應(yīng)各異。在上坡位細(xì)溝對種子的攔截效果最好,叢島次之,草帶已低于裸坡,在中坡位細(xì)溝對種子的攔截效果較好,其余兩種微地貌均低于裸坡,在下坡位草帶對種子的攔截效果最好,其余兩種微生境則較差。

3 討論

土壤種子庫作為植被恢復(fù)重要的物質(zhì)來源,其物種多樣性一直備受關(guān)注[27]。本研究發(fā)現(xiàn)不同植被恢復(fù)模式形成的微地貌對土壤種子庫物種多樣性和豐富度具有影響,這與Jia等研究古爾班通古特沙漠縱向沙丘不同地貌位置土壤種子庫特征得出的結(jié)論相一致[28]。在垂直土層剖面,細(xì)溝和叢島隨土層加深土壤種子庫物種數(shù)逐漸減少,這與李國旗等對荒漠草原區(qū)4種植物群落土壤種子庫中物種數(shù)隨土層加深呈遞減趨勢的研究結(jié)論相一致[29]；Simpson優(yōu)勢度指數(shù)在草帶內(nèi)隨土層加深而增大,這是由于草帶內(nèi)0—2 cm土層物種豐富度較差且各物種的密度并不均勻,2—5 cm土層物種豐富度最好且密度分布較均勻,5—10 cm土層物種豐富度較好且密度分布最均勻；叢島內(nèi)豐富度和多樣性指數(shù)相較于其他微地貌稍大,這是由于沙蒿灌木的冠幅較大,對風(fēng)媒或鳥媒種子的攔截較其他植被多[30—31]；草帶內(nèi)不同土層間Pielous均勻度指數(shù)的變化相對較平穩(wěn),這說明在草帶內(nèi)物種數(shù)和各物種土壤種子庫密度在垂直土層剖面的分布更均勻,而細(xì)溝和叢島則隨土層加深Pielous均勻度指數(shù)增大,這說明在細(xì)溝和叢島內(nèi)不同物種間的土壤種子庫密度相差較大；綜合來看,研究區(qū)不同恢復(fù)模式的樣地土壤種子庫以一年生禾本科和藜科植物為主；叢島微地貌內(nèi)土壤種子庫的物種更豐富,而細(xì)溝微地貌內(nèi)各物種的種子庫密度更均勻。

圖7 不同微地貌的種子攔截指數(shù)Fig.7 Seed interception index in different micro-topography

排土場誘發(fā)各種環(huán)境問題和地質(zhì)災(zāi)害時,會導(dǎo)致原地形地貌、植被和土壤被破壞甚至消失[32—33]。如果土壤種子庫儲量足夠多,就有利于在這種不利條件下進行植被恢復(fù)[34—35]。然而不同微地貌中土壤種子庫的儲量有差異,研究微地貌與土壤種子庫儲量間的關(guān)系有利于促進和調(diào)控植被恢復(fù)和定居[36—37]。本研究發(fā)現(xiàn)土壤種子庫儲量和攔截效應(yīng)在不同恢復(fù)模式下存在差異。在垂直土層剖面,三種微地貌內(nèi)土壤種子庫密度都有隨著土層加深而減小的趨勢,這與以往土壤種子庫具有表層聚集現(xiàn)象的研究結(jié)果一致[38—39],0—2 cm表層土壤中的土壤種子庫密度相對較大,這是由于種子隨著侵蝕到微地貌內(nèi)首先被截留在表層土中；草帶內(nèi)0—2 cm土層土壤種子庫密度最高且草帶內(nèi)土壤種子庫儲量最大,這說明豆科草帶恢復(fù)模式對種子的截留效果較好。細(xì)溝和叢島內(nèi)的土壤種子庫密度在不同坡位間的差異不大,草帶內(nèi)下坡位的土壤種子庫密度顯著高于上、中坡位(P<0.05),也顯著高于下坡位其他微地貌內(nèi)的土壤種子庫密度(P<0.05),這是由于草帶作為沿坡面等高線分布的微地貌能更好的減少侵蝕并截留種子,這與于順利等得出的幼苗密度分布基本上具有顯著的微地貌差異結(jié)果一致[40]。細(xì)溝在上坡位的攔截指數(shù)為正值且最大,在下坡位降為負(fù)值,這說明細(xì)溝微地貌隨坡位下降對種子的攔截能力逐漸下降,在下坡位的種子截留效率不如在同一坡面上裸坡的種子截留效率,這是由于水力侵蝕在坡面上的細(xì)溝內(nèi)由上到下逐漸變大,并且坡下沒有利于沉積的微地貌[41—42],導(dǎo)致種子隨侵蝕流失；叢島與細(xì)溝表現(xiàn)出一致的趨勢,并且在中坡位種子攔截指數(shù)已經(jīng)為負(fù)值；草帶內(nèi)在上坡位和中坡位的種子攔截指數(shù)為負(fù)值,但在下坡位增加為正值,這是由于草帶沿坡面等高線方向分布的特征,能更好的攔截坡面徑流和其攜帶的種子,使土壤和種子在坡下得以沉積下來,而且越接近坡腳沉積越多,使得坡度變緩,越容易攔截較多的種子[43]。攔截指數(shù)的變化說明恢復(fù)模式不同可能會影響風(fēng)速和泥沙運動,改變徑流和泥沙沿坡面的分布,進而改變坡面和植被周圍土壤種子庫的積累情況[17]。綜合考慮,草帶對種子的攔截力強,叢島可以提高物種豐富度,在今后排土場邊坡植被恢復(fù)的工作中,可以考慮將不同的恢復(fù)模式相結(jié)合,比如在草帶間設(shè)置可形成叢島的植被恢復(fù)模式,以達到更好的恢復(fù)效果。

4 結(jié)論

黃土區(qū)排土場不同植被恢復(fù)模式產(chǎn)生的不同微地貌對土壤種子庫的攔截效應(yīng)各異,影響著植被恢復(fù)的潛力與方向。在不同微地貌中土壤種子庫物種數(shù)表現(xiàn)為叢島>草帶>細(xì)溝,土壤種子庫總儲量表現(xiàn)為草帶>細(xì)溝>叢島。三種微地貌的土壤種子庫密度均具有隨土層加深而減小的趨勢,草帶內(nèi)土壤種子庫密度在0—2 cm土層顯著高于其他微地貌和土層；細(xì)溝和叢島在上坡位對種子的攔截效果更好,草帶在下坡位對種子的攔截效果更好。綜上所述,叢島能攔截更豐富的物種,而草帶能攔截更充足的種子,在對該區(qū)邊坡進行植被恢復(fù)時,可以根據(jù)不同微地貌對土壤種子庫儲量和多樣性的影響而選擇復(fù)合植被恢復(fù)措施,以達到更好的恢復(fù)效果。