干旱礦區(qū)廢棄地重金屬生境土壤種子庫(kù)時(shí)空動(dòng)態(tài)

張 濤，何明珠，陳智平，車克鈞，胡天光，程斌讓

礦區(qū)廢棄地是指在采礦過(guò)程中所破壞的，不經(jīng)一定處理無(wú)法使用的土地，其缺少植被生長(zhǎng)所必須的有機(jī)質(zhì)和氮、磷、鉀等物質(zhì)。土壤種子庫(kù)時(shí)期是植物生活史的一個(gè)階段，Harper［1］把它稱為潛在種群，它的存在將為植物群落的演替、群落遭受干擾和破壞后的恢復(fù)提供繁殖體［2－4］。土壤種子庫(kù)的大小、組成、結(jié)構(gòu)以及動(dòng)態(tài)變化過(guò)程是群落更新與生態(tài)恢復(fù)的重要決定因子。近年來(lái)，土壤種子庫(kù)研究得到了很大發(fā)展，研究?jī)?nèi)容主要集中在沙地［5－9］、山地［10－12］、耕地［13］、濕地［14－15］等區(qū)域的土壤種子庫(kù)特征，而對(duì)礦區(qū)廢棄地土壤種子庫(kù)研究少有報(bào)道。土壤種子庫(kù)的組成和大小隨時(shí)間呈現(xiàn)有規(guī)律的變化，尤其是其物種組成和數(shù)量具有季節(jié)、年際動(dòng)態(tài)變化。本研究對(duì)礦業(yè)廢棄地重金屬環(huán)境中早期土壤種子庫(kù)時(shí)空分布特征進(jìn)行研究，以期為礦區(qū)廢棄地植被恢復(fù)提供理論依據(jù)。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)選在甘肅省金昌市鎳礦區(qū)的礦業(yè)廢棄地。該市是我國(guó)著名的“鎳都”，其鎳礦儲(chǔ)量豐富，規(guī)模居全國(guó)第一位，銅、鈷等礦產(chǎn)儲(chǔ)量居全國(guó)第二位。該市地處東經(jīng)101°04′—102°43′和北緯37°47′—39°0′之間，位于祁連山北麓，河西走廊東部，以大陸性沙漠干旱氣候?yàn)橹?，暖溫帶荒漠區(qū)植被。年均降水量141～352mm，年均蒸發(fā)2 000mm左右，無(wú)霜期98～144 d，年均風(fēng)沙日數(shù)33d，春季8級(jí)以上大風(fēng)年均7.5次，每次持續(xù)1～3d。年平均氣溫9.3℃，最高氣溫42.4℃，最低氣溫－28.3℃。

1.2 野外采樣方法

野外采樣于2008年的3—11月中旬進(jìn)行，共采樣4次，分別在3，5，7，10月中旬進(jìn)行。取樣地點(diǎn)選擇在金昌公司礦區(qū)較為典型的3個(gè)樣點(diǎn)：（1）老尾礦庫(kù)：① 礫石土覆蓋層；② 預(yù)試驗(yàn)地；③供暖公司檉柳林地；（2）龍首礦山區(qū)：④ 龍首礦開(kāi)采廢棄地；⑤ 龍首礦自然植被區(qū)；⑥ 龍首礦綠化區(qū)；（3）戈壁灘：⑦ 新尾礦周邊自然植被區(qū)。分別在上述7個(gè)典型區(qū)域設(shè)置3個(gè)10m×10m的固定樣地，調(diào)查植被情況。在固定樣地的四角及中心設(shè)5個(gè)1m×1m小樣方，調(diào)查樣方內(nèi)草本情況。分別在小樣方附近采取土樣，土樣面積為20cm×20cm，取樣深度為10cm，分0—5cm和5—10cm兩層。將各層土樣編號(hào)帶回實(shí)驗(yàn)室萌發(fā)。4次共取樣560個(gè)土樣。樣地情況詳見(jiàn)表1。

表1 樣地概況

1.3 室內(nèi)土壤種子萌發(fā)

通過(guò)萌發(fā)土樣中種子，鑒定統(tǒng)計(jì)土壤中種子的組成及數(shù)量。在室內(nèi)對(duì)采集的土樣人工研碎，過(guò)5mm篩以除去石塊和草根，分別放入直徑30cm，高5cm的花盤中，花盤內(nèi)先鋪設(shè)一層1cm厚的潔凈細(xì)沙，貼標(biāo)簽，擺放在塑料大棚溫室，適時(shí)澆水，每天觀測(cè)記錄種子萌發(fā)情況，對(duì)已萌發(fā)并經(jīng)種類鑒定后的幼苗進(jìn)行記數(shù)，然后清除。將暫時(shí)無(wú)法鑒定的幼苗移栽到花盆并掛牌標(biāo)記，直至植株形態(tài)能夠鑒定。萌發(fā)實(shí)驗(yàn)持續(xù)100d左右，直到不出現(xiàn)新的幼苗為止。

1.4 數(shù)據(jù)處理

將萌發(fā)試驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果按參試篩選土樣占原篩選土樣的比例及取樣面積大小換算成1m2種子數(shù)量，即為樣地土壤種子庫(kù)的種子密度。土壤種子庫(kù)種子儲(chǔ)量＝種子數(shù)量／m2。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同廢棄地土壤種子庫(kù)時(shí)間動(dòng)態(tài)

2.1.1 不同廢棄地土壤種子庫(kù)儲(chǔ)量的時(shí)間變化 不同廢棄地土壤種子庫(kù)儲(chǔ)量隨季節(jié)變化趨勢(shì)大致相似。老尾礦礫石區(qū)、供暖公司檉柳林地、龍首礦綠化區(qū)、龍首礦開(kāi)采廢棄地、龍首礦自然植被區(qū)和新尾礦戈壁自然植被區(qū)土壤種子庫(kù)儲(chǔ)量10月最高，隨后開(kāi)始減小，5月份減小至最低，隨后開(kāi)始增加。這與地上植被生長(zhǎng)結(jié)實(shí)規(guī)律基本一致，10月份大部分植物種子成熟，土壤接受種子雨輸入，土壤種子庫(kù)儲(chǔ)量增加且達(dá)到峰值，隨著時(shí)間推移，土壤種子開(kāi)始衰老、腐爛、被動(dòng)物取食、萌發(fā)等輸出，土壤種子庫(kù)儲(chǔ)量開(kāi)始減小，到了5月，土壤種子庫(kù)儲(chǔ)量降到最低，隨后，隨著新的種子雨的輸入，土壤種子庫(kù)儲(chǔ)量又開(kāi)始增加。試驗(yàn)地土壤種子庫(kù)儲(chǔ)量隨季節(jié)變化趨勢(shì)稍有不同，3月份最高，7月次之，5月最低，這可能是由于試驗(yàn)地人工澆水增加了植物生長(zhǎng)期。7月份部分一年生草本（如灰綠藜、刺藜等）迅速完成生命期，大量種子輸入土壤，使土壤種子庫(kù)儲(chǔ)量達(dá)到較大值，隨后由于土壤水分、溫度等條件適宜，有些植物種子開(kāi)始萌發(fā)，土壤種子庫(kù)儲(chǔ)量有所下降，10月過(guò)后，大部分植物種子成熟，大量的種子輸入土壤種子庫(kù)，在11月下旬達(dá)到最大值（圖1—2）。

對(duì)不同樣地土壤種子庫(kù)季節(jié)變化幅度分析表明，礦區(qū)廢棄地變化幅度較大，自然植被區(qū)變化幅度較小。這是由于礦區(qū)廢棄地一年生草本占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，其種子小而多，且一年生草本生長(zhǎng)期較短，從開(kāi)始結(jié)實(shí)到種子成熟需要時(shí)間較短，因而在較短的時(shí)間能夠?qū)ν寥垒斎胼^多的種子。自然植被區(qū)則多年生草本和灌木相對(duì)較多，但它們種子相對(duì)大而少，輸入種子雨也不太集中，因而變化比較平緩。

圖1 不同廢棄地土壤種子庫(kù)季節(jié)動(dòng)態(tài)變化

圖2 不同廢棄地土壤種子庫(kù)季節(jié)動(dòng)態(tài)變化

2.1.2 不同廢棄地土壤種子庫(kù)物種種類時(shí)間變化由表2可以看出，不同廢棄地土壤種子庫(kù)物種種類隨季節(jié)變化具有一定的差異，其時(shí)間變化與土壤種子庫(kù)儲(chǔ)量基本一致。老尾礦礫石區(qū)、供暖公司檉柳林地、龍首礦開(kāi)采廢棄地和新尾礦戈壁自然植被區(qū)土壤種子庫(kù)物種種類10月份較為豐富，7月次之，5月份最?。积埵椎V綠化區(qū)和龍首礦自然植被區(qū)7月份物種最多，10月次之。

3月份研究區(qū)還沒(méi)有解凍，大多數(shù)植物種子沒(méi)有萌發(fā)。隨著溫度不斷升高，到5月份，土壤中種子萌發(fā)，數(shù)量不斷減少，植物進(jìn)入生長(zhǎng)期。隨之，一些旱生、超旱生植物適應(yīng)干旱生境，縮短生命周期，開(kāi)始結(jié)實(shí)，土壤中開(kāi)始輸入種子雨，種子數(shù)量及種類開(kāi)始增加，到10月份達(dá)到高峰。

表2 不同季節(jié)土壤種子庫(kù)種子種類的變化

2.2 土壤種子庫(kù)垂直分布特征

種子經(jīng)過(guò)種子雨灑落到土壤表皮，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，在重力、風(fēng)力作用和下滲水分的帶動(dòng)下，一部分種子下移，進(jìn)入土壤較深層中。對(duì)不同廢棄地各層土壤種子庫(kù)儲(chǔ)量分析表明（圖3—4），土壤中種子主要分布在0—5cm土層中，該層種子比例平均占到種子庫(kù)全部種子數(shù)量的76.5%，隨著土壤深度的增加，種子數(shù)量逐漸減少，5—10cm土層中種子比例平均只占到種子庫(kù)全部種子數(shù)量的23.5%，10cm以下幾乎沒(méi)有種子分布。

圖3 不同廢棄地土壤種子庫(kù)儲(chǔ)量垂直變化

3 結(jié)果討論

3.1 土壤種子庫(kù)時(shí)間變化

土壤種子庫(kù)的組成和大小隨時(shí)間呈現(xiàn)有規(guī)律的變化，尤其是其物種組成和數(shù)量具有季節(jié)動(dòng)態(tài)［16－18］。季節(jié)的變化所引起的溫度、光照、水分等非生物因素的變化直接影響了種子雨、種子的散布情況以及種子的萌發(fā)和腐爛，從而影響種子庫(kù)大小的輸入和輸出情況。Russi等［19］對(duì)地中海草地的研究發(fā)現(xiàn)，土壤中的種子庫(kù)最大在5—6月，即牧場(chǎng)上植物種子成熟并散布后；翌年的3—4月，即在新種子散布之前下降到最低點(diǎn)。李寧等［20］對(duì)塔克拉瑪干沙漠北緣土壤種子庫(kù)研究表明，土壤種子數(shù)在11月份最高，而在8月份降至最小值。本研究結(jié)果表明，該區(qū)域土壤種子庫(kù)最小出現(xiàn)在5月，最大出現(xiàn)在10月，這與上述研究結(jié)果有一定的出入，分析認(rèn)為，這可能與研究區(qū)的植被條件和本研究取樣時(shí)間有關(guān)。一方面，本試驗(yàn)區(qū)屬于干旱典型重金屬?gòu)U棄地，植被組成簡(jiǎn)單，為演替初期，以一年生草本為主，且多為旱生、超旱生先鋒物種，其長(zhǎng)期適應(yīng)干旱等嚴(yán)酷環(huán)境，表現(xiàn)為在適宜條件下快速完成生命周期，因而在短時(shí)間內(nèi)使土壤種子的大量輸入成為可能；另一方面，本次取樣時(shí)間設(shè)計(jì)為3，5，7和10月中旬，間隔較長(zhǎng)，可能沒(méi)有在土壤種子庫(kù)實(shí)際極小或極大值時(shí)取樣，造成一定的誤差。

3.2 土壤種子庫(kù)垂直分布

種子的垂直運(yùn)動(dòng)和在上層的最終分布主要由種子形狀、土壤結(jié)構(gòu)和大小、動(dòng)物干擾或其他物理過(guò)程決定。某一特定深度含有特定大小的種子，因?yàn)榇蠓N子很難進(jìn)入土壤深處，而小種子易進(jìn)入土壤深處。落到地表的種子可以通過(guò)不同途經(jīng)向下移動(dòng)：（1）雨水的沖刷；（2）動(dòng)物的活動(dòng)；（3）土壤裂隙的存在。Kemp［21］研究認(rèn)為，沙漠中土壤種子大部分分布在土壤的表面，這些種子大約有80%～90%分布在土壤上層2cm處，這2cm處的種子大多數(shù)又分布在凋落物層或土壤上層的幾毫米處。隨著土壤深度的增加，單位面積種子數(shù)目下降［22］。本試驗(yàn)中，土壤中的種子主要是分布在0—5cm土層中，該層種子比例平均占到種子庫(kù)全部種子數(shù)量的76.5%，隨著土壤深度的增加，種子數(shù)量逐漸減少，5—10cm土層中種子比例平均只占到種子庫(kù)全部種子數(shù)量的23.5%，10cm以下幾乎沒(méi)有種子分布。本研究在5—10cm還有一定比例的種子出現(xiàn)，可能由于試驗(yàn)區(qū)土壤主要為礫石，土壤裂隙較大，有利于種子向下運(yùn)動(dòng)。

李寧等［20］對(duì)塔克拉瑪干沙漠北緣荒漠區(qū)土壤種子庫(kù)研究表明，土壤種子庫(kù)主要分布在0—6cm的土壤層中，其中以0—3cm土壤層中為最多。這可能是由于大多數(shù)荒漠植物的種子較輕，主要是依靠風(fēng)力傳播，重力較小不利于種子向深層的下滲。

4 結(jié)論

（1）不同區(qū)域土壤種子庫(kù)儲(chǔ)量隨季節(jié)變化趨勢(shì)大致相似。老尾礦礫石區(qū)、供暖公司檉柳林地、龍首礦綠化區(qū)、龍首礦開(kāi)采廢棄地、龍首礦自然植被區(qū)和新尾礦戈壁自然植被區(qū)土壤種子庫(kù)儲(chǔ)量10月最高，隨后開(kāi)始減小，5月份減小至最低，隨后開(kāi)始增加。土壤種子庫(kù)物種種類時(shí)間變化與土壤種子庫(kù)儲(chǔ)量相似。這與地上植被生長(zhǎng)結(jié)實(shí)規(guī)律基本一致。

（2）不同廢棄地土壤中種子主要分布在0—5cm土層中，該層種子比例平均占到種子庫(kù)全部種子數(shù)量的76.5%，隨著土壤深度的增加，種子數(shù)量逐漸減少，5—10cm土層中種子比例平均只占到種子庫(kù)全部種子數(shù)量的23.5%，10cm以下幾乎沒(méi)有種子分布。

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