賀蘭山采煤跡地先鋒鄉(xiāng)土物種適生性研究

王興哲，劉秉儒，高文麗，毛大串

(北方民族大學(xué) 生物科學(xué)與工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021)

1 引言

我國(guó)露天煤礦主要分布在內(nèi)蒙古、山西、陜西、新疆、青海、寧夏等省區(qū)。露天煤礦開(kāi)采會(huì)造成一定程度污染，而當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境一旦破壞很難修復(fù)[1]，汝箕溝露天煤礦地處賀蘭山腹地騰格里沙漠邊緣，屬于干旱大陸性氣候，煤礦高強(qiáng)度的開(kāi)采會(huì)導(dǎo)致排土場(chǎng)的治理與綠化跟不上維持礦區(qū)生態(tài)平衡的需求。對(duì)于露天煤礦開(kāi)采而導(dǎo)致的自然生態(tài)結(jié)構(gòu)缺損、林地功能退化等問(wèn)題[2]，根據(jù)礦區(qū)的自然條件應(yīng)選用有較強(qiáng)適應(yīng)性、抗逆性的鄉(xiāng)土植物為主要先鋒植物[3]。

鄉(xiāng)土植物是指經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的自然選擇及物種演替后，對(duì)某一特定地區(qū)有高度生態(tài)適應(yīng)性的自然植物區(qū)系成分的總稱[4]，對(duì)于露天采煤跡地這種特殊的裸巖形式鄉(xiāng)土植物可以增加植被覆蓋度的面積、降低大氣粉塵污染，同時(shí)植物的根系深深扎入土壤，能提高土地的抗剪強(qiáng)度，減少水土流失，提高邊坡穩(wěn)定性[5]。本文對(duì)賀蘭山采煤跡地周邊所生長(zhǎng)的鄉(xiāng)土物種進(jìn)行比較，優(yōu)選其中適用于礦山生境的生態(tài)恢復(fù)物種。

2 材料與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

在汝箕溝露天礦場(chǎng)周邊地區(qū)選擇生長(zhǎng)勢(shì)較好的優(yōu)勢(shì)種植物，采集優(yōu)勢(shì)種植物的同一生長(zhǎng)水平的種子留作盆栽實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)用煤渣土土壤取自汝箕溝煤礦排土場(chǎng)。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

2.2.1 種子萌發(fā)實(shí)驗(yàn)

對(duì)汝箕溝煤礦及其周圍生長(zhǎng)的沙蒿(ArtemisiadesertorumSpreng. Syst. Veg)、豬毛蒿(ArtemisiascopariaWaldst. et Kit)、中亞濱藜(AtriplexcentralasiaticaIljin)、鹽生草(Halogetonglomeratus)、灰綠藜(ChenopodiumglaucumL)、中亞紫菀木(Asterothamnuscentrali-asiaticus)6種植物成熟的種子進(jìn)行采集，用0.4%的高錳酸鉀消毒25 min，蒸餾水漂洗3～4次，將消毒后的種子每50粒整齊地置入鋪有雙層濾紙的培養(yǎng)皿中[6]，每種植物設(shè)置3個(gè)重復(fù)，加入蒸餾水至恰好潤(rùn)濕濾紙，置于溫度為22 ℃的培養(yǎng)箱中，連續(xù)培養(yǎng)10 d并每天統(tǒng)計(jì)種子發(fā)芽個(gè)數(shù)，以種子露白芽為發(fā)芽標(biāo)準(zhǔn)[7]。每天通過(guò)稱重法補(bǔ)充減少水分[8]，第10天開(kāi)始統(tǒng)計(jì)總發(fā)芽數(shù)量。

2.2.2 土壤理化性質(zhì)分析

將汝箕溝采煤跡地采集的煤渣土土樣與風(fēng)沙土土樣進(jìn)行理化性質(zhì)分析。土壤全氮采用凱氏蒸餾法測(cè)定，土壤水解性氮采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定，土壤銨態(tài)氮采用氯化鉀浸提-靛酚藍(lán)比色法(分光光度法)測(cè)定，土壤硝態(tài)氮采用紫外分光光度計(jì)法測(cè)量，土壤有效磷采用鉬銻抗比色法測(cè)量，土壤pH值采用電位法(水土比為2.5∶1)，土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法-稀釋熱法測(cè)量[9]。

2.2.3 種子盆栽實(shí)驗(yàn)

將汝箕溝煤礦排土場(chǎng)采集的煤渣土與風(fēng)沙土作為土樣，用烘箱分別對(duì)土樣在140 ℃下經(jīng)行40 min的烘烤，消除土壤種子庫(kù)。

土壤設(shè)置為3組，一組僅裝入煤渣土，另一組在裝入的煤渣土上覆蓋約2 cm厚的風(fēng)沙土，第3組僅裝入風(fēng)沙土作為對(duì)照。選取沙蒿、豬毛蒿、中亞濱藜、鹽生草、綠藜、中亞紫菀木六種植物籽粒飽滿的種子，運(yùn)用0.4%的高錳酸鉀進(jìn)行消毒25 min，蒸餾水漂洗3～4次，分別以這3種土壤環(huán)境進(jìn)行盆栽實(shí)驗(yàn)，每種環(huán)境設(shè)置3個(gè)重復(fù)組，每組均勻種植50粒種子，種子植入深約2 cm，每盆土壤厚度約10 cm，培養(yǎng)在溫度約25 ℃的大棚中，連續(xù)培養(yǎng)30 d，每24 h記錄一次數(shù)據(jù)，每5 d進(jìn)行一次補(bǔ)水，每10 d測(cè)量一次各植物的胚根長(zhǎng)，胚芽長(zhǎng)和子葉數(shù)。(每組隨機(jī)選取3株幼苗進(jìn)行測(cè)定，僅選取足夠三株幼苗的植物種類進(jìn)行測(cè)定)[8]。

2.3 實(shí)驗(yàn)指標(biāo)

2.3.1 種子萌發(fā)指標(biāo)

發(fā)芽率(germination percentage，GP)：

(1)

發(fā)芽勢(shì)(germination energy.GE):

(2)

發(fā)芽指數(shù)(germination index，GI):

(3)

發(fā)芽速度(germination speed，GS)

(4)

式(1)～(4)中:n為試驗(yàn)結(jié)束后全部發(fā)芽的種子數(shù)，N為試驗(yàn)種子總數(shù)，nd為基本發(fā)芽完畢時(shí)間的前1/3時(shí)的發(fā)芽總數(shù)，k表示發(fā)芽總天數(shù)，nt指第t天的發(fā)芽數(shù)，Dt為相對(duì)應(yīng)的發(fā)芽天數(shù)，Gt為第t天的發(fā)芽率，D為發(fā)芽總時(shí)間[8]。

2.3.2 幼苗形態(tài)指標(biāo)

每隔10 d測(cè)定一次幼苗形態(tài)指標(biāo)。運(yùn)用鋼尺測(cè)量每種植物的培根長(zhǎng)與胚芽長(zhǎng)，記錄幼苗的葉子數(shù)(每組隨機(jī)選取3株幼苗進(jìn)行測(cè)定，僅選取足夠3株幼苗的植物進(jìn)行測(cè)定)。

2.4 數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用Excel和SPSS 22.0經(jīng)行數(shù)據(jù)分析。對(duì)盆栽實(shí)驗(yàn)植物的生長(zhǎng)情況以及數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，做出每個(gè)指標(biāo)的圖表，直觀的呈現(xiàn)出鄉(xiāng)土植物在煤渣土中生長(zhǎng)的狀況，并對(duì)每一品種均進(jìn)行自然生態(tài)價(jià)值評(píng)價(jià)與人工改善礦區(qū)環(huán)境的可行性分析。

3 結(jié)果分析

3.1 煤渣土與風(fēng)沙土土壤理化性質(zhì)

風(fēng)沙土的pH值較高屬于偏堿性土壤，煤渣土pH值超過(guò)8.5達(dá)到8.6±0.10屬于強(qiáng)堿性土壤，植物能在煤渣土中有較好長(zhǎng)勢(shì)則說(shuō)明這種植物有較強(qiáng)的耐堿性能力，同時(shí)煤渣土中的全氮、水解性氮、有效磷等養(yǎng)分含量均低于風(fēng)沙土中的養(yǎng)分含量，而土壤有機(jī)質(zhì)含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于風(fēng)沙土，這與煤渣土本身的形成特性與形成機(jī)理有關(guān)。綜上所述，煤渣土的生長(zhǎng)環(huán)境相較風(fēng)沙土更不適合植物的生長(zhǎng)，土壤理化性質(zhì)的不同也是阻礙露天煤礦生態(tài)恢復(fù)的條件之一(表1)。

表1 風(fēng)沙土與煤渣土理化性質(zhì)

3.2 植物種子發(fā)芽率

在培養(yǎng)箱中經(jīng)行萌發(fā)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，發(fā)芽率最高，達(dá)到74.67%。

3.3 不同土壤環(huán)境下鄉(xiāng)土植物種子萌發(fā)

將6種植物的盆栽進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并計(jì)算發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)和發(fā)芽速度4個(gè)指標(biāo)。

發(fā)芽率反映種子發(fā)芽能力；發(fā)芽勢(shì)是判斷出苗整齊度及健壯度的一項(xiàng)指標(biāo)[10]；發(fā)芽指數(shù)一定程度上可反映發(fā)芽速度[8]；發(fā)芽速度可衡量種子發(fā)芽速度和整齊度。

圖1 各植物種子發(fā)芽率

相關(guān)分析結(jié)果(表2)表明，灰綠藜與中亞濱藜的種子表現(xiàn)出較高的發(fā)芽?jī)A向與較好的發(fā)芽率，其種子在渣土中的發(fā)芽率達(dá)到63.33%，比中亞濱藜的發(fā)芽率高出了42%，灰綠藜的發(fā)芽率，發(fā)芽指數(shù)，發(fā)芽速度等指標(biāo)相較于其他植物其優(yōu)勢(shì)均十分明顯，而中亞濱藜在渣土中的發(fā)芽率達(dá)到21.33%僅次于灰綠藜，其他植物的種子各項(xiàng)萌發(fā)指標(biāo)數(shù)據(jù)較低。

表2 不同土樣種各植物生長(zhǎng)狀況

如圖2所示，煤渣土與風(fēng)沙土中的灰綠藜在24 h之后便有大量的種子破土，而混合土中種植的灰綠藜則在48 h之后才開(kāi)始破土，但混合土中種植的灰綠藜種子的累計(jì)發(fā)芽率在第4到第6天時(shí)大幅增長(zhǎng)并在第9天超過(guò)煤渣土中的灰綠藜種子累計(jì)發(fā)芽率。3種土樣中的累計(jì)發(fā)芽率在第15天時(shí)基本穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)其風(fēng)沙土累計(jì)發(fā)芽率最高，混合土與煤渣土的累計(jì)發(fā)芽率基本相等。

圖2 不同土樣中的灰綠藜累計(jì)發(fā)芽率

由圖3所示，中亞濱藜破土?xí)r間較晚，第四天開(kāi)始破土。其破土24 h內(nèi)的累計(jì)發(fā)芽率煤渣土>風(fēng)沙土>混合土，這可能是因?yàn)槊涸恋牧较鄬?duì)于風(fēng)沙土較大，而中亞濱藜的種子也較大，其種子的萌芽更容易暴露在煤渣土的縫隙中。在3種不同的土樣中，風(fēng)沙土相對(duì)于其他兩種土樣其累計(jì)發(fā)芽率始終保持較高的增長(zhǎng)，在實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)風(fēng)沙土的累計(jì)發(fā)芽率也遠(yuǎn)高于混合土與煤渣土中的中亞濱藜累計(jì)發(fā)芽率。風(fēng)沙土中的中亞濱藜30 d累計(jì)發(fā)芽率比煤渣土高出14%比混合土高出16%。

圖3 不同土樣中的中亞濱藜累計(jì)發(fā)芽率

由圖4、圖5可知，豬毛蒿、沙蒿、鹽生草、中亞紫菀木4種植物的種子在土樣中的累計(jì)萌發(fā)率較低，在煤渣土中中亞紫菀木的累計(jì)萌發(fā)率最高僅為8%，而混合土中中亞紫菀木的累計(jì)萌發(fā)率則達(dá)到了25%(表2)，這說(shuō)明煤渣土上覆風(fēng)沙土之后再進(jìn)行播種的方式可以大幅提高中亞紫菀木的累計(jì)發(fā)芽率。沙蒿種子在培養(yǎng)箱中進(jìn)行種子萌發(fā)實(shí)驗(yàn)時(shí)的萌發(fā)率也較低，因此沙蒿萌發(fā)率始終偏低(圖1)可能是由于種子的活力本身不高所致，而鹽生草和豬毛蒿兩種植物在培養(yǎng)箱中進(jìn)行種子萌發(fā)實(shí)驗(yàn)時(shí)萌發(fā)率較高而在土樣中發(fā)芽率較低可能時(shí)由于這兩種植物的種子較小，頂土能力較差而無(wú)法發(fā)芽。

圖4 煤渣土中沙蒿、豬毛蒿、鹽生草、中亞紫菀木發(fā)芽情況

圖5 混合土中沙蒿、豬毛蒿、鹽生草、中亞紫菀木物發(fā)芽情況

6種植物除鹽生草外，發(fā)芽率普遍表現(xiàn)出風(fēng)沙土>混合土>煤渣土的特點(diǎn)，但這種特點(diǎn)在灰綠藜種子的萌發(fā)中表現(xiàn)的并不明顯，灰綠藜種子在這3種不同土制的發(fā)芽率幾乎相同，且出苗時(shí)間短，出苗速度快，出苗后生長(zhǎng)快，反映出灰綠藜具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。

3.4 不同土壤環(huán)境對(duì)不同植物種子根莖生長(zhǎng)的影響

每10 d對(duì)所種植的植物經(jīng)行一次根長(zhǎng)莖長(zhǎng)與葉子數(shù)的測(cè)量，取樣測(cè)量后計(jì)算平均值，所得數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)灰綠藜在20～30 d期間根長(zhǎng)與葉子數(shù)出現(xiàn)了明顯的增長(zhǎng)，而中亞濱藜的芽長(zhǎng)在其他植物始終保持優(yōu)勢(shì)，但根長(zhǎng)始終短于灰綠藜，在第30天的采樣測(cè)量中，風(fēng)沙土中的中灰綠藜在根長(zhǎng)和莖長(zhǎng)上明顯長(zhǎng)于混合土與煤渣土中的灰綠藜，且葉片數(shù)目與其他兩種培養(yǎng)環(huán)境下的植株葉片數(shù)目具有明顯差異(圖6)，同時(shí)，在煤渣土與混合土中培養(yǎng)的灰綠藜葉片偏紅，中亞濱藜的葉子生長(zhǎng)較為緩慢，而灰綠藜的葉子始終穩(wěn)定增長(zhǎng)(圖7)。

圖6 渣土 中亞濱藜

圖7 灰綠藜(從左至右：風(fēng)沙土3株；混合土3株；煤渣土3株)

同時(shí)，在對(duì)測(cè)量植株的觀察中發(fā)現(xiàn)，生長(zhǎng)在渣土與混合土中的植株側(cè)根普遍較少，而風(fēng)沙土中植株側(cè)根普遍較多，相較于其他植株灰綠藜幼苗具有發(fā)達(dá)的根系，可以有效礦場(chǎng)防止水土流失。

表3 灰綠藜盆栽生長(zhǎng)情況

4 討論

土壤環(huán)境的差異會(huì)影響群落演替過(guò)程中植物多樣性的變化[11，12]。煤渣土保水性差，容易板結(jié)，pH值偏高，粒徑較大，會(huì)抑制種子的萌發(fā)。6種植物種子的累計(jì)萌發(fā)率普遍表現(xiàn)出風(fēng)沙土>混合土>煤渣土的規(guī)律，這種現(xiàn)象也說(shuō)明在煤渣土上覆風(fēng)沙土可有效增加種子的累計(jì)萌發(fā)率。其原因可能與風(fēng)沙土覆土減少了種子的破土阻力，提高煤渣土保水能力，減少土樣的平均粒徑，提高土壤中有效磷，水解性氮、硝態(tài)氮、全氮、銨態(tài)氮等因素有關(guān)。

灰綠藜與中亞濱藜種子萌發(fā)過(guò)程中對(duì)溫度和水分的適應(yīng)范圍較廣均，適合在土壤瘠薄、礦質(zhì)元素含量較少， 有機(jī)質(zhì)含量低，pH值呈堿性的土壤中生長(zhǎng)[13～15]，同時(shí)，灰綠藜與中亞濱藜生長(zhǎng)迅速并具有一定水土保持能力，是本次實(shí)驗(yàn)中所篩選出的作為修復(fù)賀蘭山采煤跡地的先鋒物種各項(xiàng)指標(biāo)都較高的鄉(xiāng)土植物。在本次實(shí)驗(yàn)中沙蒿、鹽生草、豬毛蒿、中亞紫菀木的發(fā)芽率，萌發(fā)勢(shì)等參數(shù)較低，但并不代表在這些植物沒(méi)有改善賀蘭山煤礦跡地的潛力。如豬毛蒿種子較多，易于大面積擴(kuò)散，作為R選擇植物，對(duì)于采煤跡地的修復(fù)具有一定優(yōu)勢(shì)。

高強(qiáng)[16]等在鄉(xiāng)土植物在城市水土保持與生態(tài)修復(fù)中的作用及應(yīng)用前景中指出鄉(xiāng)土植物具有較強(qiáng)的適應(yīng)性和抗逆性、成活率髙、施工成本低等特點(diǎn)，符合節(jié)約型社會(huì)要求等優(yōu)勢(shì)。在本次實(shí)驗(yàn)中的六種植物中灰綠藜和中亞濱藜的幾個(gè)萌發(fā)指標(biāo)都較高，灰綠藜和中亞濱藜生長(zhǎng)迅速，較快的生長(zhǎng)速度是先鋒植物基本特點(diǎn)之一[16]，生長(zhǎng)速度較快才能快速的定植于惡劣的環(huán)境中。這種特性對(duì)采煤跡地的生態(tài)演替有一定促進(jìn)作用，可防止早期的土壤侵蝕、減少水土流失[17]。同時(shí)，這兩種植物母體植株在賀蘭山采煤跡地容易尋找，種源豐富，易于采集，方便管理，成本較低[16]，適合作為先鋒物種對(duì)賀蘭山采煤跡地進(jìn)行生態(tài)修復(fù)。灰綠藜和中亞濱藜適應(yīng)性強(qiáng)、有一定的抗逆能力[16]，并且抗干旱能強(qiáng)，本次實(shí)驗(yàn)中每五天進(jìn)行一次澆水，累計(jì)發(fā)芽率與發(fā)芽勢(shì)等各項(xiàng)指標(biāo)依然很高，靠天然降水可以良好生長(zhǎng)，減少了人工管理的成本。在對(duì)灰綠藜的根長(zhǎng)莖長(zhǎng)進(jìn)行測(cè)量后發(fā)現(xiàn)其根系發(fā)達(dá)，可在陡坡進(jìn)行大面積噴播，可減少水土流失，對(duì)陡坡地段的土壤侵蝕有一定緩解作用[18]。地下根系對(duì)土壤的加筋、錨固作用， 有利于緩解坡面侵蝕、增強(qiáng)其穩(wěn)定性[19]。在上山采樣與挑選種籽時(shí)發(fā)現(xiàn)灰綠藜每株產(chǎn)種數(shù)量大，自行播種面積廣，不需要人為播種和授粉，可以進(jìn)行自然生長(zhǎng)。

趙明國(guó)等在報(bào)道中指出一個(gè)地區(qū)生物多樣性的重要組成是鄉(xiāng)土植物[20]?；揖G藜與中亞濱藜的植株在賀蘭山采煤跡地都有發(fā)現(xiàn)，屬于鄉(xiāng)土植物，鄉(xiāng)土植物適應(yīng)當(dāng)?shù)貐^(qū)域的環(huán)境特點(diǎn)，非引入植物，不會(huì)造成物種入侵。作為鄉(xiāng)土植物，當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)也易于接受，易于維持生態(tài)平衡。

綜上所述，灰綠藜與中亞濱藜對(duì)煤渣土的適應(yīng)性極強(qiáng)，是本次實(shí)驗(yàn)種所篩選的用于改善賀蘭山采煤跡地的最佳先鋒植物，可用于大面積種植，且作為鄉(xiāng)土植物對(duì)于當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境改善與生態(tài)環(huán)境具有非同尋常的意義和一定的優(yōu)勢(shì)，可以大力推廣。