撫順西露天礦區(qū)植物群落多樣性與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系研究

肖 平，陳 皓，馮 萍，李海福，顏 旭，許玉鳳

（1.撫順礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 西露天礦，遼寧 撫順 113004；2.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)，遼寧 沈陽 110866）

礦業(yè)的快速發(fā)展給我國帶來經(jīng)濟(jì)效益的同時，對生態(tài)環(huán)境也造成了巨大的破壞[1-2]。煤礦的露天開采導(dǎo)致土壤肥力嚴(yán)重下降，使植物群落結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生改變，植被衰退，生物多樣性下降，同時還會引起土壤重金屬污染[3-4]。礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)迫在眉睫[5]。植被恢復(fù)是礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。植被恢復(fù)不僅可以美化環(huán)境，同時還能改良土壤，對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)與重建具有促進(jìn)作用[6-7]。撫順西露天煤礦經(jīng)過百年的露天開采，在礦區(qū)內(nèi)形成了大面積的排土場，形成了水土流失、土壤和大氣污染等許多環(huán)境問題[7]。秉承“綠水青山，就是金山銀山”的生態(tài)理念，撫順西露天礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境恢復(fù)工作刻不容緩。為此，通過對撫順西露天礦區(qū)植物與土壤理化特性進(jìn)行調(diào)查，分析了影響礦山植被恢復(fù)的關(guān)鍵性因子，為其生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)提供借鑒。

1 試驗(yàn)方案

1）試驗(yàn)樣地。根據(jù)西露天礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)現(xiàn)狀，選取4 塊典型樣地和1 塊對照樣地，分別為：①西端幫樣地WS：自然恢復(fù)1～5 年；②東端幫樣地ES：自然恢復(fù)5～10 年；③南幫樣地NS：人工和自然恢復(fù)相結(jié)合30～40 年；④北幫樣地SS：自然恢復(fù)30～40 年；⑤千臺山樣地CK：對照樣地。

2）植被調(diào)查。調(diào)查于2020 年8 月進(jìn)行。在每一個樣地，設(shè)1 個規(guī)格為10 m×10 m 喬木樣方，2 個規(guī)格為5 m×5 m 灌木樣方，5 個規(guī)格為1 m×1 m 草本樣方；分別記錄樣方中植物種類、數(shù)量、高度、胸徑(基徑)、冠幅、蓋度等，以及樣方海拔、經(jīng)緯度等。

3）土壤樣品的采集與測定。與植被調(diào)查同時進(jìn)行。用環(huán)刀（d=5 cm）采集樣方內(nèi)0～30 cm 土壤3 份，其中2 份裝入自封袋中保存，1 份保存在環(huán)刀中，做好標(biāo)記。帶回實(shí)驗(yàn)室后，采用環(huán)刀法測定土壤含水量、密度、總孔隙度；采用電位法測定土壤pH；采用重鉻酸鉀－稀釋熱法測定有機(jī)質(zhì)含量；分別采用凱氏定氮法、堿熔－鉬銻抗比色法、堿熔－火焰光度計法測定全N、全P、全K；采用堿解－擴(kuò)散法測定有效N，采用NaHCO3浸提－鉬銻抗比色法測定有效P，采用CH3COONH4浸提－火焰光度計法測定速效K，重金屬Ni、Zn、Cu、Cr、Cd 含量采用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀ICP－AES（IRISIntrepidII）測定。

2 生態(tài)恢復(fù)對植物群落α 多樣性的影響

采用Simpson 多樣性指數(shù)、Shannon－wiener 多樣性指數(shù)、Pielou 均勻度指數(shù)和Margalef 豐富度指數(shù)這4 個指標(biāo)來衡量不同樣地群落多樣性變化特征。不同恢復(fù)年限和恢復(fù)方式對礦區(qū)植物群落α 多樣性指數(shù)的影響如圖1。（圖中不同字母表示存在顯著差異（p＜0.05））。

圖1 不同恢復(fù)年限和恢復(fù)方式對礦區(qū)植物群落α 多樣性指數(shù)的影響

千臺山的Margalef 和Simpson 多樣性指數(shù)高于礦區(qū)4 個樣地，差異顯著（p ＜0.05），Pielou 和Shannon－wiener 多樣性指數(shù)比礦區(qū)4 個樣地低（p＜0.05），說明千臺山的優(yōu)勢種具有更加突出的主導(dǎo)地位。隨著恢復(fù)年限的增加，Simpson 和Shannonwiener 指數(shù)有逐漸增大的趨勢，而Margalef 豐富度指數(shù)和Pielou 均勻度指數(shù)的變化呈波動，說明群落在恢復(fù)初期，隨著時間的延長，植物種類逐漸增多，到后期時，由于競爭產(chǎn)生了淘汰。與自然恢復(fù)比，在人工恢復(fù)與自然恢復(fù)相結(jié)合的恢復(fù)方式下，4 種植物群落多樣性指數(shù)均較高。

3 生態(tài)恢復(fù)對礦區(qū)土壤理化特性的影響

不同恢復(fù)年限和恢復(fù)方式對礦區(qū)土壤理化特性的影響見表1。

由表1 可知，礦區(qū)南幫土壤密度最小，與對照樣地千臺山比差異不顯著（p＞0.05）。千臺山的土壤總孔隙度與西端幫、東端幫和北幫相比差異顯著（p＜0.05）。礦區(qū)南幫土壤孔隙度最高。土壤含水量表現(xiàn)為南幫最高，其次是對照樣地千臺山，與礦區(qū)其他3個樣地比差異顯著（p＜0.05）。

表1 不同恢復(fù)年限和恢復(fù)方式對礦區(qū)土壤理化特性的影響

土壤pH 值為7.0～7.7，說明礦區(qū)土壤顯弱堿性或中性，且pH 隨恢復(fù)年限的延長逐漸降低。隨著恢復(fù)年限的增加，各樣地土壤有機(jī)質(zhì)含量逐漸增大（除西端幫外），對照樣地千臺山最高，與其他樣地比差異顯著（p＜0.05），有機(jī)質(zhì)含量比較豐富，達(dá)到了全國土壤養(yǎng)分二級標(biāo)準(zhǔn)。隨著恢復(fù)年限的增加，各樣地土壤全N 和有效N 含量逐漸升高，且千臺山顯著高于礦區(qū)4 個樣地（p＜0.05），但礦區(qū)4 個樣地土壤全N含量差異不顯著（p＞0.05），西端幫土壤有效N 含量與其他3 個樣地比差異顯著（p＜0.05）。礦區(qū)P 與K的含量隨著恢復(fù)時間的變化無明顯規(guī)律，東端幫和北幫土壤全P 含量達(dá)到全國土壤養(yǎng)分一級，含量豐富，但有效P 缺乏。土壤總孔隙度、含水量、有機(jī)質(zhì)和速效K 含量，自然與人工相結(jié)合的恢復(fù)方式比自然恢復(fù)方式高。p 為概率值，反映某一事件發(fā)生的可能性大小。統(tǒng)計學(xué)根據(jù)顯著性檢驗(yàn)方法所得到的p值，一般以p＜0.05 為有統(tǒng)計學(xué)差異。

4 對礦區(qū)土壤重金屬含量的影響

各樣地土壤重金屬的含量見表2。

表2 各樣地土壤重金屬的含量

土壤重金屬含量與恢復(fù)年限和恢復(fù)方式之間規(guī)律不明顯。參考遼寧省土壤的背景值和風(fēng)險篩選值，可知礦區(qū)各樣地內(nèi)無鉻污染（背景值51.1 mg/kg）；北幫具有一定程度的鋅污染（背景值70 mg/kg）；南幫和西端幫有一定程度的鎳污染（背景值23.3 mg/kg）；礦區(qū)內(nèi)有明顯的銅污染（背景值19.8 mg/kg）；各個樣地中，鎘含量均已超過遼寧省土壤背景值和風(fēng)險篩選值，說明存在比較嚴(yán)重的鎘污染（背景值0.12 mg/kg）。

5 群落植物多樣性與土壤因子的相關(guān)性分析

采用CANOCO 5.0 軟件對礦區(qū)植被群落與土壤因子之間的關(guān)系進(jìn)行冗余分析（RDA），土壤因子與植被變量的RDA 排序如圖2。

圖2 土壤因子與群落植物多樣性RDA 排序

圖2 中實(shí)線箭線箭頭代表土壤因子，虛線箭線實(shí)心箭頭代表植被群落數(shù)據(jù)；土壤因子箭線的長短可以代表土壤因子對于植被數(shù)據(jù)解釋量（影響程度）的大?。煌寥酪蜃优c植被數(shù)據(jù)夾角的余弦值代表他們之間的相關(guān)性，即夾角小于90°為正向相關(guān)關(guān)系，夾角大于90°為負(fù)向相關(guān)關(guān)系，夾角等于90°則無相關(guān)性;DS為Simpson 指數(shù)；H′為Shannon－wiener 指數(shù)；S 為Margalef 指數(shù)；JP為Pielou 指數(shù)；其他變量同表1。

由圖2 可以看出，第1 排序軸和第2 排序軸的解釋量分別為61.02%和8.94%，兩軸共解釋了69.96%的信息，說明RDA 分析在一定程度上可以解釋土壤因子與植被群落的關(guān)系。對比不同土壤因子對物種多樣性的影響，土壤有機(jī)質(zhì)對物種多樣性的影響最高（箭頭連線最長），其次是土壤重金屬Cd，土壤全鉀、全磷和重金屬Ni 對物種多樣性的影響較弱（箭頭連線較短）。各樣地土壤因子與群落植物多樣性的相關(guān)性分析見表3。

表3 各樣地土壤因子與群落植物多樣性的相關(guān)性分析

由表3 可知，不同土壤因子對物種多樣性的影響不同，其中土壤化學(xué)性質(zhì)與物種多樣性的影響程度高于土壤物理性質(zhì)，具體表現(xiàn)為：Simpson 指數(shù)與土壤含水量（r=0.68，p＜0.01）呈顯著的正向相關(guān)關(guān)系，與土壤速效鉀（r=－0.83，p＜0.01）和土壤重金屬Cd（r=－0.55，p＜0.05）呈顯著負(fù)向相關(guān)關(guān)系；Shannonwiener 指數(shù)與土壤含水量（r=0.54，p＜0.05）和土壤有效磷（r=0.49，p＜0.05）呈顯著的正向相關(guān)關(guān)系，與土壤速效鉀（r=－0.84，p＜0.01）和土壤重金屬Cd（r=－0.48，p＜0.05）呈顯著的負(fù)向相關(guān)關(guān)系；Pielou 指數(shù)與土壤pH 值（r=0.63，p＜0.01）、土壤全氮（r=0.59，p＜0.01）、土壤有效氮（r=0.61，p＜0.01）和土壤重金屬Ni（r=0.39，p＜0.05）表現(xiàn)顯著的正向相關(guān)關(guān)系，與重金屬Cd（r=－0.52，p＜0.05）、Cu（r=－0.65，p＜0.01）和Zn（r=－0.63，p＜0.01）；Margalef 指數(shù)與土壤孔隙度（r=0.67，p＜0.01）、土壤有效磷（r=0.81，p＜0.01）、土壤含水量（r=0.47，p＜0.05）呈顯著的正向相關(guān)關(guān)系，與土壤速效鉀（r=－0.77，p＜0.01）呈負(fù)向相關(guān)關(guān)系。r 為相關(guān)系數(shù)，是衡量變量之間線性相關(guān)程度的指標(biāo)。樣本相關(guān)系數(shù)用r 表示總體相關(guān)系數(shù)，r 的絕對值越大，誤差越小，變量之間的線性相關(guān)程度越高；r 的絕對值越接近0，誤差越大，變量之間的線性相關(guān)程度則越低。

6 結(jié)論

1）千臺山的Margalef 和Simpson 多樣性指數(shù)顯著高于礦區(qū)4 個樣地（p ＜0.05），Pielou 和Shannonwiener 指數(shù)卻比礦區(qū)4 個樣地低（p＜0.05），說明千臺山優(yōu)勢種的主導(dǎo)地位比礦區(qū)4 個樣地更為突出。自然與人工恢復(fù)相結(jié)合的恢復(fù)方式，更有利于礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境建設(shè)。

2）礦區(qū)土壤呈中性至弱堿性，pH 為6.8～7.7。當(dāng)恢復(fù)年限逐漸增加時，pH 逐漸降低。西端幫土壤中含有油頁巖和凝灰?guī)r，含有較高的有機(jī)質(zhì)和鉀元素。隨著恢復(fù)時間的延長，礦區(qū)土壤性質(zhì)會逐漸得到改善和恢復(fù)。在植被恢復(fù)過程中，隨著時間的延長，礦區(qū)土壤養(yǎng)分指標(biāo)基本上保持逐漸增加的趨勢。因采煤活動的干擾，各樣地出現(xiàn)了重金屬污染，其中較多是Cd 和Cu 污染。對照樣地中的重金屬污染，推測因冶煉導(dǎo)致空氣污染所致。

3）與土壤物理特性比，撫順西露天礦植物多樣性受土壤化學(xué)特性的影響較大。植被恢復(fù)在短時間內(nèi)可能對土壤物理特性具有較大的影響，而對土壤化學(xué)特性的改變應(yīng)該是緩慢的過程。RDA（冗余分析）表明，土壤中有機(jī)質(zhì)的含量對群落植物多樣性的影響最大，鎘次之。土壤有機(jī)質(zhì)能被微生物分解，為植物生長發(fā)育提供營養(yǎng)，并且可以改善土壤的物理特性，利于礦山的植被恢復(fù)。礦區(qū)的鎘污染對植物的生長具有一定的抑制作用。