粉煤灰基質調控對天津機場地被植物群落特征的影響

張一岷 ，趙樹蘭 ，2，多立安 ，2

(1.天津師范大學生命科學學院，天津 300387；2.天津師范大學生物多樣性調控與機場鳥擊防御研究中心，天津300387)

機場是一個特殊的生態(tài)系統(tǒng)，開放的半自然狀態(tài)形成了機場特殊的植物群落[1].植物群落的異質性、植物與動物的多樣性都對機場區(qū)域的鳥類多樣性和活動模式產生重要影響，在一定程度上也決定了機場范圍內飛行器的起降安全[2]，近年來鳥類與飛機相撞成為全球民用航空面臨的重大安全問題和經(jīng)濟負擔[3-4].目前，國內外對于機場地被植物群落的調控最主要是控制植物的高度，采用低草管理策略控制鳥類數(shù)量[5-6]；其次是選擇適宜的植物物種，種植適口性低、不吸引鳥類或具有驅蟲功效的植物，如喀西茄、薰衣草等[4]；另外，也采用其他的調控方式，如種植含有獨特內生菌的草坪草進行調控[7]、對機場草地進行不同程度的火燒[8]等.利用廢棄物基質調控機場地被植物研究尚未見報道.

粉煤灰是燃煤火力電廠在生產過程中排出的大量固體廢物，國內外對其綜合利用主要在建筑工程和基礎工程等方面[9]，其次是用于改良和修復土壤[10]、涂料或填料以及污水處理等[11].本研究運用群落生態(tài)學的基礎理論，利用粉煤灰對天津機場地被植物進行基質調控研究，旨在從植物方面控制鳥類食物源頭和改變鳥類棲息、繁殖環(huán)境，降低物種多樣性，實現(xiàn)植物單一化，進而減少鳥類物種數(shù)及數(shù)量，降低鳥類對機場安全造成的隱患，為機場經(jīng)營管理植物群落提供理論依據(jù)，同時也為機場鳥擊防范工作提供科學依據(jù).

1 研究區(qū)自然概況

天津濱海國際機場(北緯 39.07°，東經(jīng) 117.20°，海拔高度為3 m)位于天津市東麗區(qū)機場大道(機場立交南側)，距天津市中心13 km，距天津港30 km，總占地面積760 hm2，裸地面積460 hm2[12].該地區(qū)屬暖溫帶半濕潤性大陸季風氣候，年平均氣溫為11.8℃，無霜期一般為188 d，全年降水量500～700 mm，降水主要集中在夏季，占全年降水量的76%左右.春季多風，干旱少雨；夏季炎熱，雨季集中；秋季晴朗干燥；冬季寒冷，干燥少雪.機場內植物資源豐富，植被覆蓋率高，主要植物種為夏至草(Lagopsis supina)、蘆葦(Phragmites australis)、虎尾草(Chloris virgata)、纖毛鵝觀草(Roegneria ciliaris)、泥胡菜(Hemistepta lyrata)、阿爾泰狗娃花(Heteropappus altaicus)、中華小苦荬(Ixeridium chinense)、灰綠藜(Chenopodium glaucum)、巴天酸模(Rumex patientia)和獨行菜(Lepidium apetalum)等[13].

2 研究方法

2.1 樣地設置

樣地設在天津濱海國際機場的實驗田中，土壤類型為沙壤土，pH為7.95，含水質量分數(shù)為11.7%，密度為1.46 g/cm3，有機質含量為28.7 g/kg，全氮含量為2.37 g/kg，速效磷含量為21.43 mg/kg.

實驗地分為粉煤灰調控區(qū)和對照區(qū)兩塊，總面積約為30 m×20 m.其中，粉煤灰調控區(qū)平分成3塊，大小為6.7 m×15.0 m.粉煤灰施加量分別為0.83、1.67和2.50 t，分別以LFA、MFA和HFA表示，以不添加粉煤灰的區(qū)域為對照區(qū)(CK).粉煤灰含有大量堿性氧化物，主要有SiO2(質量分數(shù)為40%～60%)、Fe2O3(質量分數(shù)為2%～15%)、CaO(質量分數(shù)為1%～10%)、Al2O3(質量分數(shù)為17%～35%)等，有機質含量為13.54 g/kg，全氮含量為0.24 g/kg，速效磷含量為6.89 mg/kg，pH值為8.76.整個實驗區(qū)的植被均為自然生長狀態(tài).

2.2 植物群落調查

2016年4月至9月，采用樣方法對實驗區(qū)植物進行調查，每個月調查2次.根據(jù)群落以低矮草本植物為主的特點，選取面積為1 m×1 m的樣方，分別在粉煤灰調控區(qū)的高、中、低含量以及對照區(qū)各布設3個樣方，共12個，記錄每個樣方內的植物種類、高度、株數(shù)以及蓋度.由于4月份植物剛開始返青，4、5月份植被蓋度不足50%，因此生物量從6月份開始測定，采用完全收獲法，于80℃條件下烘至恒重，稱其干重.

2.3 植物多樣性的計算方法

選用4種常用的物種多樣性指數(shù)對樣地植物群落的多樣性進行評價，即Simpson多樣性指數(shù)(Ds)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H)、Pielou均勻度(J)和Margalef豐富度(R)，計算公式如下：

式中：Pi為物種i的個體在全部個體中的比例Ni/N；Ni為物種i的個體數(shù)，N為群落中全部物種的個體數(shù)；S為物種數(shù)目.

2.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

采用SPSS 22.0軟件對實驗數(shù)據(jù)進行單因素方差分析以檢驗不同處理之間的差異；利用Microsoft Excel 2010進行圖表制作.

3 結果與分析

3.1 植物群落的季相變化

實驗區(qū)植物群落以連片的草叢植被為主體，一年之內季相變化明顯，草層最高在夏秋之間的果期.春季植物剛開始返青，季相特征呈黃、綠相間，對照區(qū)(CK)的綠色面積大于粉煤灰調控區(qū).植物在春季和夏季大部分以營養(yǎng)生長為主，表現(xiàn)為蔥綠色，低添加量的粉煤灰調控區(qū)(LFA)與對照區(qū)可見白色、紫色、黃色和粉紅色的花朵陸續(xù)開放.在秋季，由于大部分植物的葉子枯萎凋落，植被色彩逐漸呈黃色.實驗區(qū)內有藤蔓植物葎草，其枯萎后莖呈黑灰色，因此對照區(qū)與低添加量的粉煤灰調控區(qū)冬季呈黃色且少見黑灰色的季相特征，而中、高添加量的粉煤灰調控區(qū)季相呈黑灰、黃相間.

3.2 植物群落的種類組成及變化

實驗區(qū)植物種類共計36種，具體組成如表1所示.由表1可以看出，實驗區(qū)植被主要由菊科(Compositae，10種)和禾本科(Gramineae，6種)植物組成，大多是路邊和田間常見的多年生或一年生雜草，雙子葉植物種類多于單子葉植物，主要優(yōu)勢種類有菊科的刺兒菜(CirsiumsetosumWilld.MB.)和阿爾泰狗娃花(Heteropappus altaicus Willd.)、禾本科的堿茅(Puccinellia distans)、纖毛鵝觀草(Roegneria ciliaris(Trin.)Nevski)和虎尾草(Chloris virgata Sw.)等.對照區(qū)植物共有16科27種，而粉煤灰調控區(qū)植物減少到11科22種，且隨著粉煤灰添加量的增加植物種類明顯減少，其中，LFA區(qū)有植物10科19種，MFA區(qū)植物減少到5科11種，HFA區(qū)則減少到4科8種.有些物種在對照區(qū)和粉煤灰調控區(qū)均存在，如菊科(Compositae)的刺兒菜(Cirsium setosum(Willd.)MB.)和阿爾泰狗娃花(Heteropappus altaicus(Willd.)Novopokr.)、蘿藦科(Asclepiadaceae)的鵝絨藤(Cynanchum chinense R.Br.)、藜科(Chenopodiaceae)的灰綠藜(Chenopodium glaucum Linn.)、大麻科(Cannabaceae)的葎草(Humulus scandens(Lour.)Merr.)等；有些物種僅出現(xiàn)在對照區(qū)，如菊科(Compositae)的蒲公英(Taraxacum mongolicum Hand.-Mazz.)和細葉鴉蔥(Scorzonera pusilla Pall.)、廖科(Polygonaceae)的萹蓄(Polygonum aviculare Linn.)和巴天酸模(Rumex patientia Linn.)、十字花科(Cruciferae)的小花糖芥(Erysimum cheiranthoides Linn.)和獨行菜(Lepidium apetalum Willdenow)、豆科的黃香草木樨(Melilotus officinalis(Linn.)Desr.)、榆科(Ulmaceae)的榆樹(Ulmus pumila Linn.)、馬齒莧科(Portulacaceae)的馬齒莧(Portulaca oleraceaLinn.)等；有些物種在對照區(qū)正常生長，在粉煤灰調控區(qū)逐漸消失，如紫草科(Boraginaceae)的斑種草(Bothriospermum chinense Bge)、菊科(Compositae)的泥胡菜(Hemistepta lyrata(Bunge))、禾本科(Gramineae)的狗尾草(Setairaviridis(Linn.)Beauv.)和虎尾草(Chloris virgata Sw.)等；有些物種僅生長于粉煤灰調控區(qū)，如菊科的鶴虱(Carpesiumabrotanoides Linn.)和旋覆花(Inula japonica Thunb.)、禾本科的堿茅(Puccinellia distans(Linn.)Parl.)等.

表1 試驗區(qū)植物名錄Tab.1 List of plants in the experimental plots

植物群落物種數(shù)隨時間的變化如圖1所示.

圖1 植物群落物種數(shù)隨月份的變化Fig.1 Monthly variation of plant species

由圖1可以看出，整個調查期間粉煤灰調控區(qū)植物群落的物種數(shù)均顯著低于對照區(qū)(P＜0.05).其中，LFA區(qū)物種數(shù)隨時間一直呈降低的趨勢，但均高于MFA和HFA區(qū)的物種數(shù)；對照區(qū)與HFA區(qū)物種數(shù)的月變化均呈先增加后減少的趨勢，6月份達到最大值，分別為20種和8種，HFA區(qū)植物群落物種數(shù)在9月份僅有3種；MFA區(qū)物種數(shù)在5月份達到最大值，之后呈緩慢下降趨勢.

3.3 植物群落多樣性特征

對照區(qū)與粉煤灰調控區(qū)的植物群落多樣性變化如圖2所示.

圖2 機場植物群落多樣性特征變化Fig.2 Variation of plant community diversity in Airport

由圖2(a)可以看出，在整個調查期間，對照區(qū)植物群落的Margalef豐富度指數(shù)顯著高于粉煤灰調控區(qū)(P＜0.05)，隨著粉煤灰添加量的增加，植物群落的豐富度呈下降趨勢.對照區(qū)的豐富度在5月份達到最大，之后隨著觀測期的延長呈下降趨勢；LFA、MFA和HFA區(qū)的豐富度最大值分別出現(xiàn)在4月份、5月份和6月份.由圖2(b)可以看出，4—7月份，對照區(qū)與LFA區(qū)植物群落的均勻度接近(P＞0.05)，MFA區(qū)在7—9月份與對照區(qū)和LFA區(qū)接近，HFA區(qū)始終低于對照區(qū)和其他實驗區(qū).由圖2(c)和2(d)可以看出，植物群落的Shannon-Wiener指數(shù)和Simpson指數(shù)均隨著粉煤灰添加量的增加而降低，4—6月份，MFA與HFA區(qū)的數(shù)值相近，7—9月份，MFA則與LFA區(qū)的數(shù)值相近.

3.4 植物群落生物量

6—9月份對照區(qū)和粉煤灰調控區(qū)植物群落生物量如表2所示.

表2 植物群落生物量的變化Tab.2 Change of biomass of plant community g/m2

由表2可以看出，對照區(qū)和粉煤灰調控區(qū)的植物群落生物量隨調查時間均呈增加趨勢.粉煤灰調控區(qū)植物群落的生物量均低于對照區(qū)，且隨著粉煤灰添加量的增加生物量呈下降趨勢.MFA區(qū)和HFA區(qū)的生物量相近，二者均顯著低于對照區(qū)(P＜0.05).與對照區(qū)相比，HFA區(qū)的生物量在6—9月份期間分別降低了47.3%、41.4%、38.1%和38.4%.

4 討論與結論

作為機場生態(tài)系統(tǒng)的一個重要組成部分，地被植物群落在美化環(huán)境方面發(fā)揮了很大的作用，且能有效調節(jié)機場內的小生態(tài)氣候，具有吸收水分和融雪的功能.不足之處在于為昆蟲、鼠類、野兔和大量的土壤動物提供了食物和棲息場所，從而吸引各種鳥類，尤其是猛禽、鴿子、鸻鷸類、鷗類等來機場取食和停息[14]，對飛機起降造成威脅.因此，對機場地被植物進行調控具有重要意義.從天津濱海國際機場實驗區(qū)地被植物來看，該地區(qū)植物群落組成多數(shù)為禾本科和菊科，且雙子葉植物物種多于單子葉植物，這與大多數(shù)機場的植被調查結果一致[15-16].這是因為禾本科和菊科都是世界性的大科，種類多、分布廣、適應性很強.

基質是植被良好生長的物質基礎，其理化性質影響植物生長發(fā)育，進而影響植物群落的穩(wěn)定發(fā)展[17].在基質中添加粉煤灰會對植物群落產生影響.首先，粉煤灰添加對植物群落的物種組成有一定的影響，本研究結果表明，粉煤灰調控區(qū)的植物群落總物種數(shù)明顯少于未添加粉煤灰的對照區(qū)，且隨著添加量的增加物種數(shù)減少，這可能是由于粉煤灰質地松散，養(yǎng)分含量低，保水保肥能力差[18].禾本科植物中僅有堿茅在HFA區(qū)出現(xiàn)，刺兒菜始終占優(yōu)勢，由于刺兒菜葉緣有細密的針刺，會影響和阻礙鳥類及其他生物的生命活動，不利于鳥類的生長發(fā)育.其次，基質中添加粉煤灰對植物群落多樣性也有一定的影響，從豐富度和均勻度來看，粉煤灰對植物群落的物種豐富度影響較大，添加量較高時對植物群落均勻度也有顯著影響.控制植物單一化可以最大限度減少鳥類的數(shù)量，植物單一會使以植物為食的鳥類因覓食困難而離去，也將導致以植物為食的昆蟲及其他動物單一化，從而使以昆蟲等無脊椎動物為食的鳥類離開.對各個月份的物種多樣性指數(shù)進行比較發(fā)現(xiàn)，Shannon-Wiener指數(shù)和Simpson指數(shù)在全年的變化趨勢基本相同，粉煤灰調控區(qū)的植物群落多樣性顯著低于對照區(qū)，且隨粉煤灰添加量的增加而降低，這可能由于粉煤灰中含有較高的水溶性鹽和硼，隨著施用量的增加，土壤的堿性和水溶性硼含量增大，土壤全氮含量下降，從而不利于植物生長[19].

生物量作為一種生態(tài)表征，不僅可以應用于分析植被生產能力，還可以評價植物群落、種群的構建特征，是生態(tài)系統(tǒng)結構和功能的基礎，也是生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境質量的綜合體現(xiàn)[20].基質添加粉煤灰使黃香草木樨、榆樹等蓋度和生物量均較大的植物消失，從而顯著降低了植物群落的生物量，這可能是由于粉煤灰改變了植物葉片氣孔導度和飽和水氣壓虧缺，導致葉片凈光合速率和蒸騰速率降低，進而降低了地上生物量[21].

綜上所述，粉煤灰作為廢棄物添加到土壤基質中，對機場地被植物群落的物種組成、多樣性與生物量均有影響.在物種組成上，粉煤灰調控區(qū)比對照區(qū)少了5科6種，HFA區(qū)植物只有4科8種.隨著粉煤灰添加量的增加，植物群落豐富度和多樣性呈明顯下降趨勢，群落生物量也隨之降低.因此，土壤基質中添加粉煤灰對機場地被植物群落的調控效果顯著.

參考文獻：

[1]張旭，張志強，董志，等.長沙黃花國際機場植被資源特征分析[J].湖南林業(yè)科技，2015(4)：83-88.ZHANG X，ZHANG Z Q，DONG Z，et al.A survey of vegetation resourcesofChangshaHuanghuaInternationalAirport[J].HunanForestry Science ＆ Technology，2015(4)：83-88(in Chinese).

[2]王雪穎，胡劭驥，廖峻濤，等.昆明(巫家壩)國際機場植草區(qū)生態(tài)系統(tǒng)昆蟲群落研究[J].安徽大學學報(自然科學版)，2013，37(2)：103-108.WANG X Y，HU S J，LIAO J T，et al.The insect communities in the lawn ecosystem of Kunming(Wujiaba)International Airport[J].Journal of Anhui University(Natural Science Edition)，2013，37(2)：103-108(in Chinese).

[3]ATWELLN.Wildlifeinairportenvironments：Preventinganimal-aircraft collisions through science-based management[J].Animal Behaviour，2014，91：68-75.

[4]ANDERSON A，CARPENTER D S，BEGIER M J，et al.Modeling the cost of bird strikes to US civil aircraft[J].Transportation Research Part D Transport&Environment，2015，38：49-58.

[5]BLACKWELL B F，SEAMANS T W，LINNELL K，et al.Effects of vi-sual obstruction，prey resources，and satiety on bird use of simulated airport grasslands[J].Applied Animal Behaviour Science，2016，185：113-120.

[6]吳雪，杜杰，李曉娟，等.草高控制對重慶江北機場鳥類的影響[J].西華師范大學學報(自然科學版)，2015，36(2)：126-134.WU X，DU J，LI X J，et al.The effect of vegetation-height management onaviancommunityat Jiangbei Airport in Chongqing[J].Journal of China West Normal University(Natural Science Edition)，2015，36(2)：126-134(in Chinese).

[7]朱文琰，孫平，王占彬，等.機場鳥害防治的生態(tài)學措施[J].生態(tài)經(jīng)濟，2007(2)：148-149.ZHU W Y，SUN P，WANG Z B，et al.Eco-strategies in prevention and contuol of bird strike at the airport[J].Ecological Economy，2007(2)：148-149(in Chinese).

[8]祃來坤，劉建平，侯建華，等.火燒對機場草地鳥類群落的影響[J].河北大學學報(自然科學版)，2015，35(2)：177-181.MA L K，LIU J P，HOU J H，et al.Effects of fire on the bird community of the airport grassland[J].Journal of Hebei University(Natural Science Edition)，2015，35(2)：177-181(in Chinese).

[9]孫淑靜，劉學敏.我國粉煤灰資源化利用現(xiàn)狀、問題及對策分析[J].粉煤灰綜合利用，2015(3)：45-48.SUN S J，LIU X M.Recycling utilization of fly ash in China：Situations，problems and countermeasures[J].Fly Ash Comprehensive Utilization，2015(3)：45-48(in Chinese).

[10]趙吉，康振中，韓勤勤，等.粉煤灰在土壤改良及修復中的應用與展望[J].江蘇農業(yè)科學，2017，45(2)：1-6.ZHAO J，KANG Z Z，HAN Q Q，et al.Application and prospect of fly ashinsoilimprovementandrestoration[J].Jiangsu Agricultural Sciences，2017，45(2)：1-6(in Chinese).

[11]武潤平，武建國，王永紅，等.粉煤灰無機外墻防水涂料的制備及其性能研究[J].化工技術與開發(fā)，2016，45(2)：1-2.WU R P，WU J G，WANG Y H，et al.Preparation and performace study of fly ash inorganic outwall coating[J].Technology&Development of Chemical Industry，2016，45(2)：1-2(in Chinese).

[12]李士權，徐煥然，袁紅，等.天津濱海國際機場地被昆蟲的多樣性特征[J].天津師范大學學報(自然科學版)，2016，36(3)：44-49.LI S Q，XU H R，YUAN H，et al.Characteristics of insect diversity in the grassland of Tianjin Binhai International Airport[J].Journal of Tianjin Normal University(Natural Science Edition)，2016，36(3)：44-49(in Chinese).

[13]柳毅，徐煥然，袁紅，等.天津濱海國際機場鳥類群落結構及多樣性特征[J].生態(tài)學雜志，2017，36(3)：740-746.LIU Y，XU H R，YUAN H，et al.Bird community structure and diversity at Tianjin Binhai International Airport[J].Chinese Journal of Ecology，2017，36(3)：740-746(in Chinese).

[14]馬金生，孟祥海，張建生，等.飛機場植被與鳥擊防范的研究[J].齊魯師范學院學報，2012，27(5)：56-63.MA J S，MENG X H，ZHANG J S，et al.Airport vegetation and bird strike prevention on the relationship between research summary[J].Journal of Qilu Normal University，2012，27(5)：56-63(in Chinese).

[15]許遠釗，廖峻濤，甄玉明，等.昆明機場植物多樣性及鳥類適宜性評估[J].中國安全生產科學技術，2011，7(8)：135-140.XU Y Z，LIAO J T，ZHEN Y M，et al.Assessment of plant diversity and the birds’suitability in Kunming airport[J].Journal of Safety Science and Technology，2011，7(8)：135-140(in Chinese).

[16]程海濤，呂冬云，莊樹文，等.佳木斯機場植物資源及對鳥類活動規(guī)律的影響[J].內蒙古農業(yè)科技，2013(1)：34-35.CHENG H T，Lü D Y，ZHUANG S W，et al.Plant resource in Kiamusze Airport and its effect on bird activity[J].Inner Mongolia Agricultural Science And Technology，2013(1)：34-35(in Chinese).

[17]張相鋒，蘇愛蓮，董世魁，等.不同基質對護坡綠化植物群落數(shù)量特征的影響[J].水土保持學報，2008，22(6)：193-196.ZHANG X F，SU A L，DONG S K，et al.Effect of different soil matrix on performance of herbages for high way slope protecton[J].Journal of Soil and Water Conservation，2008，22(6)：193-196(in Chinese).

[18]張坤英，吳永貴，付天嶺，等.3種草本植物對粉煤灰堆場介質理化與生物學特性的影響[J].貴州農業(yè)科學，2013，41(9)：47-52.ZHANG K Y，WU Y G，F(xiàn)U T L，et al.Effect of three herb communities onphysicochemicaland biological characteristics of rhizosphere medium in coal ash dump site[J].Guizhou Agricultural Sciences，2013，41(9)：47-52(in Chinese).

[19]崔楠.粉煤灰改良鹽堿土壤理化性狀及對植物生理性狀影響研究[D].北京：北京工業(yè)大學，2012.CUIN.ThePhysicochemicalCharactersoftheSaline-AlkaliSoilImproved with Fly Ash and the Effect of the Soil on the Physiological Characters of Plants[D].Beijing：Beijing University of Technology，2012(in Chinese).

[20]李春麗，李奇，趙亮，等.環(huán)青海湖地區(qū)天然草地和退耕恢復草地植物群落生物量對氮、磷添加的響應[J].植物生態(tài)學報，2016，40(10)：1015-1027.LI C L，LI Q，ZHAO L，et al.Responses of plant community biomass to nitrogen and phosphorus additions in natural and restored grasslands around Qinghai Lake Basin[J].Chinese Journal of Plant Ecology，2016，40(10)：1015-1027(in Chinese).

[21]魏玲玲.鄂爾多斯兩個煤礦礦區(qū)土壤重金屬含量及粉煤灰對羊柴光合生理和生長的影響[D].鄭州：河南農業(yè)大學，2014.WEI L L.Contents of Heavy Metals in the Soil of Two Coal Mines and the Effect of Coal Dust on the Photosynthesis and Growth of Hedysarumleave[D].Zhengzhou：HenanAgriculturalUniversity，2014(inChinese).