發布時間：2022-01-13所屬分類：農業論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要: 用空間代替時間的生態學研究方法，對北京市門頭溝區妙峰山鎮自然恢復 1、5、15、32 年等 4 個不同演替階段的廢棄采石場和一個未受采石影響且自然恢復大于 50 年的對照樣地的土壤理化性質、植物群落物種組成、群落特征及其與土壤性狀之間的關系進行了分析。結果表
摘要: 用空間代替時間的生態學研究方法，對北京市門頭溝區妙峰山鎮自然恢復 1、5、15、32 年等 4 個不同演替階段的廢棄采石場和一個未受采石影響且自然恢復大于 50 年的對照樣地的土壤理化性質、植物群落物種組成、群落特征及其與土壤性狀之間的關系進行了分析。結果表明，在自然恢復初期，土壤肥力極低，嚴重缺乏氮素和有機質; 植物物種組成簡單，主要為牛筋草( Eleusine indica) 和畫眉草( Eragrostis pilosa) 。隨著生態恢復的進行，土壤有機質不斷積累，土壤養分呈增多趨勢，土壤粒徑、土壤容重逐漸減小，土壤物理化學性狀逐漸得到改善。自然恢復過程中，群落優勢物種演替緩慢，在自然恢復 5、15 年的樣地中，優勢物種都是虎尾草( Chloris virgata) 和狗尾草( Setaria viridis) ，直到 32 年時，優勢物種才被灌木荊條( Vitex negundo var. heterophylla) 、藎草( Arthraxon hispidus) 和多年生中華隱子草( Cleistogenes chinensis) 所代替，這與自然恢復大于 50 年對照樣地中的優勢物種情況基本一致。Jaccard 系數表明，恢復 32 年的樣地與對照樣地相比已達到中等相似水平。自然恢復過程中，植被總蓋度和地上生物量總體呈增大趨勢，物種多樣性、物種豐富度先逐漸增加，到 32 年后才保持相對穩定。在生態恢復過程中，土壤理化性狀的變化與群落結構動態相對應。本研究表明，自然生態恢復的過程是土壤-植被系統協同演化的過程，北京西山廢棄采石場可以依靠自然力恢復到對照樣地狀態，但過程較為緩慢，要加快生態恢復的進程，需適當予以人工輔助。
關鍵詞: 自然恢復; 土壤理化性質; 植被特征; 廢棄采石場
0 引言
礦石開采為城市發展和現代化建設做出了積極貢獻，但同時也帶來嚴重的環境破壞和生態退化[1-3]，加強采石礦區的生態恢復與重建工作，已成為擺在各礦石開采國家政府和科研工作者面前的重大課題[4-6]。生態恢復的經驗表明，掌握自然植被的演替特點及土壤發生發展規律是成功進行礦區生態恢復的前提和基礎[7]。Ruiz-Jaen 等[8]在對有關生態恢復的論文進行系統總結、分析后，認為生態恢復衡量的指標主要體現在土壤、植被上，具體表現在物種多樣性、植被結構( 植被的蓋度、密度、生物量等) 和生態過程等方面。自然生態恢復的程度主要是通過不同恢復階段的土壤和植被特征來表示[9-10]。因為土壤-植被系統是維持生態系統生產力和生態系統結構、功能的基礎[11]，所以只有弄清并遵從自然生態恢復過程中土壤、植被之間的特征關系及變化規律，才能有效地指導礦區生態恢復的實踐。
北京西山是首都的生態屏障，對阻擋和減緩風沙侵襲、調節氣候起著至關重要的作用。門頭溝區是北京西山的主體部分，作為北京市的生態涵養區，擔負著北京市生態環境可持續發展的重任，然而，該區內采石礦山較多，礦石開采不僅帶來環境污染、水土流失和景觀破壞，而且已影響到當地生態、社會和經濟的可持續發展，并將在更大尺度上影響北京市及周邊地區的生態安全�；謴驮摰V區的生態環境已成為當地生態建設的重要任務。
本研究運用空間代替時間的方法，以北京市門頭溝區自然生態恢復 1、5、15、32 年等 4 個不同恢復階段的廢棄采石場和一個在采石場外未受采石影響自然恢復大于 50 年的對照樣地為研究樣地，分析實驗樣地在自然恢復過程中的土壤理化性質、植被特征狀況以及土壤理化性質與植被特征之間的關系。
1 研究區域概況
研究區位于北京市門頭溝區妙峰山鎮，該鎮位于門頭溝區的東北部，地理位置為 115°15'—116°06'02″E， 39°29'02″—40°06'12″N( 圖 1) 。
該區氣候屬于中緯度大陸性季風氣候，春季干旱多風，夏季炎熱多雨，秋季秋高氣爽，冬季寒冷干燥，最低溫度在-15 ℃左右，最大凍土深度約為 56～80 cm。7—8 月份最高溫度在 35 ℃以上。年平均無霜期 170～ 200 d 左右。年平均降水量約 600～700 mm，主要集中于 6—8 月份，相對濕度最高的季節在 7—9 月份，而 5 月份日照最為充足但相對干旱。
研究區土壤主要為碳酸巖褐土、山地淋溶褐土和山地棕壤，土壤分布的垂直性地帶變化明顯。碳酸巖褐土主要分布在低山及河谷地帶的黃土母質、洪積沖積物母質以及巖石坡積物上，山地淋溶褐土主要分布在海拔 140～900 m 以下的山坡或山麓階地緩坡處，山地棕壤分布在海拔 900 m 以上的山地。
研究區原始植被屬于暖溫帶落葉闊葉林，并混有針葉林。歷史上這里是北京的重要木材和薪柴基地，到了近代，人為因素導致海拔 1 000 m 以下的原始森林已經不復存在，取而代之的是大面積的落葉灌叢和草本植物。
海拔 900 m 以下的低山丘陵，陽坡廣泛分布荊條( Vitex negundo var. heterophylla) 灌叢，另有酸棗( Ziziphus jujuba var. spinosa) 、黃櫨( Cotinus coggygria var. cinerea) 等; 陰坡主要是三裂繡線菊( Spiraea trilobata) 、螞蚱腿子( Myripnois dioica) 等灌叢，與陽坡荊條灌叢共同構成低山主要植被類型。草本植物主要有狗尾草 ( Setaria viridis) 、虎尾草( Chloris virgata) 、三芒草( Aristida adscensionis) 、白蓮蒿( Artemisia gmelinii) 、藎草 ( Arthraxon hispidus) 、白羊草( Bothriochloa ischaemum) 、黃背草( Themeda japonica) 及中華隱子草( Cleistogenes chinensis) [12]。
2 數據來源與研究方法
2.1 實驗設計
在對采石場的史料記載分析和對當地百姓的訪談、調查后，選擇了 4 個按時間序列分別關閉 1、5、15、32 年的廢棄采石場，分別代表自然恢復 1、5、15、32 年的 4 個不同恢復階段的采石場廢棄地作為實驗樣地。
為了與采石活動對生態恢復的影響作對照，在采石場以外，又設置了一個未受采石影響的對照樣地，對照樣地的植被發育時間大于 50 年，因此本研究共有 5 塊實驗樣地。為研究方便，文章中將這 5 塊實驗樣地分別用 LFL1、LFL2、LFL3、LFL4 和 CS( compare sample) 表示，分別代表龍鳳嶺自然生態恢復進行了 1、5、 15、32 年的采石場廢棄地和未受采石影響的對照樣地( >50 年) 。這 5 塊實驗樣地的氣候條件、海拔等一致，且均位于龍鳳嶺的陽坡，其基本情況如表 1 所示。
5 塊樣地自然生態恢復程度的差異主要受土壤理化狀況以及恢復時間的不同所影響，空間因素對時間因素的干擾較小，適合運用空間代替時間的方法來推斷群落演替的趨勢和速率，分析和探討群落演替和生態恢復的內在機制。
在選定的 4 個不同恢復階段的樣地和一個對照樣地內，選擇地勢相對平坦，有代表性的地塊，分別設定 3 個 30 m×30 m 的大樣方，然后在每個大樣方內，根據研究目的的不同，再分別設置不同的小樣方進行實驗。
2.2 植物群落調查取樣
8 月下旬，于植物生物量達最大值時，在事先設定的每個 30 m×30 m 的大樣方內，分別設置 6 個小樣方，草本小樣方面積為 1 m×1 m，灌木小樣方面積為 5 m×5 m，分別測定每個小樣方內物種的種類、數量、蓋度以及各物種的出現頻度等群落學指標; 然后用收獲法收獲樣方內每種植物的地上生物量并做好標記，分類放置，于 70 ℃烘箱內烘干至恒重。對于荊條( Vitex negundo var. heterophylla) 和酸棗( Ziziphus jujuba var. spinosa) 等灌木以及喬木，則用 1 年內最大生物量和最小生物量的差值來計算其 1 年內的生物產量[13]。
2.3 土壤樣品的采集與分析
地上植物收獲完畢后，在植物群落調查的樣方內，先測量土壤厚度，然后隨機挖取 2 個土壤剖面( 以便于取土) ，在 0～20 cm 的深度范圍內，按照土壤理化性質測定的要求，采集土壤樣品，土壤理化性質的測定指標包括土壤含水量、土壤質地、土壤容重和土壤 pH 值、土壤有機質、土壤全氮、土壤全磷、土壤全鉀，土壤速效氮、土壤速效磷、土壤速效鉀。土壤理化性質采用常規分析進行[14]。
2.4 植物群落特征值及計算公式
描述群落特征的參數主要為植株密度( plant density) 、蓋度( coverage) 、頻度( frequence) 、重要值( dominance) ( 表 3) 、物種豐富度( margalef species richness index，DM) 和 Shannon-Wiener 多樣性指數( Shannon- Wiener index，H) 。各指標參數采用生態學常規計算公式獲得[15-16]。
2.5 數據處理
不同恢復階段采石場廢棄地土壤理化性狀之間的差異，以及植被特征值之間的差異運用單因素方差分析( ANOVA) 來確定，通過 Duncan 統計分析進行差異程度的顯著性檢驗; 生態恢復過程中土壤理化性狀與植物群落特征值之間的相互作用關系運用 Pearson 相關分析系數表示。所有的統計分析都借助 SPSS( 22.0) 分析軟件完成。
3 結果與討論
3.1 不同恢復階段樣地的土壤物理化學性質
土壤厚度、土壤質地、土壤含水量、土壤容重等物理性狀在氣候、母質、植被、地形等因素的共同作用下，隨著時間( 生態恢復) 進程而逐漸形成、發育和改善( 表 2) 。
恢復初期的采石場廢棄地主要是碎石和剝離表土的混合物，以石礫和砂粒為主，占 85.8%，土壤黏粒含量很低，僅占 3.6%，土壤容重大，土層薄，厚度平均不足 1 cm，而且分布不均勻，隨著群落的演替，土壤成土作用的進行，土壤厚度逐漸增大，到演替至 32 年時，土壤厚度已達 7.15 cm，明顯高于恢復初期的廢棄地。
4 個不同恢復階段樣地的土壤機械組成以石礫和砂粒為主，占 68% ～ 86%，土壤黏粒含量很低，僅占 4% ～7%，這種土壤質地導致土壤的通透性良好，但持水能力較弱。對照樣地中大于 2 mm 的顆粒較少，占 3.23%，但土壤黏粒成分同樣較低，占 10.23%。
在 0～20 cm 土層中，不同恢復階段土壤質量含水量總的變化趨勢是隨演替時間的延長而增大。自然生態恢復到 32 年時，0～20 cm 表層土壤含水量已達 9.4%，顯著高于恢復初期的樣地，這是由于生態恢復改善了土壤的墑情，植被的覆蓋以及土壤表層凋落物等同時增強了土壤的保水性。
土壤容重作為土壤的基本物理性質，直接受生態恢復進程的影響。演替初期的廢棄地，在采石作業時各種機械裝置的壓榨下，結實堅硬，土壤容重大，隨著自然恢復的進行，植物的枯枝落葉以及一年生植物的逐年死亡，土壤的有機質逐漸增多，土壤成分改善后土壤微生物的活躍以及各種成土因素的聯合作用會使得表層土壤的容重逐漸變小( 表 2) 。
本研究樣地屬石灰石采石場，因此，土壤呈堿性，隨著生態恢復的進行，土壤堿性狀況逐漸得到了改善，在對照樣地中，pH 值基本呈中性( 表 2) 。
已有的研究結果顯示，在采石場生態恢復的初期，土壤環境惡化，植物群落結構和物種組成簡單，隨著演替的進行，土壤有機質的不斷積累，土壤容重、孔隙度、含水量和滲透性等物理性狀得到改善，土壤全氮、全磷含量逐漸增加[17-18]，本研究與前人研究結果一致，同時，通過方差分析表明，各樣地間差異顯著，該結果與全國土壤標準指標[19]相比嚴重偏低，特別是氮素和有機質。
3.2 不同恢復階段的植物群落物種組成
隨著群落演替的進行，組成群落的物種數量總體呈增多趨勢，當恢復到 15 年時，由初期的 8 種變為 22 種。在 5 個研究樣地中，共出現植物 37 種( 表 3) 。從重要值可見，在不同演替階段，群落的優勢物種在不斷發生變化，且優勢物種更替明顯。在演替 1 年的樣地中，牛筋草( Eleusine indica) 等率先侵入定居占據優勢，經過 4 年的群落演替后，盡管原有的物種畫眉草( Eragrostis pilosa) 、藜( Chenopodium album) 、馬齒莧( Portulaca oleracea) 、牛筋草( Eleusine indica) 已退出演替序列，但群落的總物種數量增加迅速，達到了 18 種，并顯著提高了狗尾草( Setaria viridis) 的比重，使之與虎尾草( Chloris virgata) 一起成為該立地條件下的優勢物種。自然恢復過程中，群落優勢物種演替緩慢，到自然恢復至 15 年時，優勢物種依然是虎尾草( Chloris virgata) 和狗尾草( Setaria viridis) ，直到恢復至 32 年時，群落的優勢物種才被灌木荊條( Vitex negundo var. heterophylla) 、藎草( Arthraxon hispidus) 和多年生中華隱子草( Cleistogenes chinensis) 所代替，這與大于 50 年對照樣地中的優勢物種多年生中華隱子草( Cleistogenes chinensis) 、灌木荊條( Vitex negundo var. heterophylla) 和藎草( Arthraxon hispidus) 的情況基本一致。
狗尾草雖在剛形成的裸露廢棄地中出現，但不是優勢物種，而主要在演替到 5、15 年的樣地上才發展成為優勢物種。狗尾草作為一種機會物種[20]，在環境條件適宜時能迅速地侵入，依靠大量的種子進行繁殖，并在群落演替的過程中逐漸成為優勢物種( 表 3) 。隨著演替的進行，植物間對有限資源的競爭，特別是對光的競爭變得越來越激烈，狗尾草最終因不能很好地適應環境而退出演替序列。畫眉草、藜、馬齒莧和牛筋草等只在演替 1 年的廢棄地上出現，而后消失，其機理尚不清楚，或許是采礦的人為因素促進了這些物種在裸露地的擴散，以后由于它們不能很好地適應此種土壤狀況，特別是氮、磷等限制性養分的匱乏會嚴重影響著它們的生長、繁殖和競爭[21-23]，因此導致在群落演替中被淘汰。
植物個體的大小及其生活史的變化可導致土壤資源的空間異質性土壤資源的空間異質性可引起灌木的侵入[24]。本研究表明，在恢復 5 年的樣地中，開始有灌木荊條的侵入，而侵入的灌木能夠在其灌叢下聚集土壤養分，形成土壤“肥力島”( fertile island) 效應[25]。由于灌木在對地下資源( 水分、養分) 和地上資源( 光照) 的競爭中，比草本植物占有明顯的優勢，因此逐漸成為群落的優勢物種。在對照樣地中灌木的種類增加并出現了臭椿( Ailanthus altissima) 和山桃樹( Prunus davidiana) 等喬木樹種，昭示著生態恢復正沿著群落演替的正向進行。
3.3 不同恢復階段的群落蓋度、地上生物量、物種多樣性和物種豐富度
在自然生態恢復過程中，與未受采石影響的對照樣地相比，采石場廢棄地的植被總蓋度和地上生物量呈不斷增大趨勢( 圖 2A、圖 2B) ，而群落物種多樣性、物種豐富度隨著演替時間的延長先增加而后保持相對穩定( 圖 2C、圖 2D) ，根據這一變化趨勢，我們將恢復過程大致劃分為 3 個階段: 恢復初期( 樣地 1，演替 1 年的廢棄地) 、恢復中期( 樣地 2 和樣地 3，即演替 5、15 年的廢棄地) 和恢復后期( 樣地 4，演替 32 年的廢棄地) 。
1) 恢復初期: 物種數目少，物種豐富度及物種多樣性低，分別為 0.95 和 0.75，蓋度和地上生物量小，平均只有 6.6%和 7.8 g /m2 ，群落極不穩定。
2) 恢復中期: 物種數目猛增，物種多樣性、物種豐富度增大，群落蓋度、地上生物量顯著提高。
3) 恢復后期: 經過 32 年的自然恢復，群落蓋度和地上生產力進一步增大，但物種多樣性和物種豐富度到達一定程度后開始降低，群落處于相對穩定狀態。
已有的研究表明，隨著生態恢復的進行，地上生物量、物種豐富度和多樣性總體上呈增大的趨勢[26]，本研究支持上述觀點。同時，生物量的增加意味著植物通過光合作用從大氣中吸收 CO2 的能力增強，也就是碳匯能力的增強[27]; 土壤有機質的增加，即增加土壤的碳儲量[28]，因此，廢棄采石場生態恢復的過程還是碳匯增加的過程，退化生態系統的恢復和重建在應對氣候變化方面具有重要意義。
3.4 群落相似性
群落相似性系數客觀地反映了生態恢復過程中不同植被演替序列上物種組成的動態變化。群落相似性系數 Jaccard 和 Ochiai 的大小在一定程度上度量不同立地條件下群落時空結構上的相似性指標，由表 4 可知，Jaccard 和 Ochiai 這 2 種群落的相似性系數的最大值分別為 0.75 和 0.86，出現在恢復 32 年的樣地和未受采礦影響的對照樣地之間。根據 Jaccard 相似性原理，Jaccard 系數在恢復 1 年的樣地與其他樣地之間為0～ 0.18，說明各樣地處于極不相似水平; Jaccard 系數在恢復 15 年的樣地與其他恢復時間更長的樣地之間為 0.30～0.42，說明這些樣地群落之間處于中等不相似水平; 最大值 0.75 出現在恢復 32 年的樣地與對照樣地之間，說明二者群落已經處于中等相似水平[29]。表 4 同時表明，每一群落類型總是與其最鄰近的群落具有最高的相似性，群落演替時間間隔越長，群落間相似性系數越低，最小值為 0，出現在恢復 1 年的樣地與未受采礦影響的對照樣地之間，表明二者之間群落物種組成上沒有相似性; 隨著生態恢復過程中年份的增加，演替群落與對照樣地群落的相似度在不斷的提高( 表 4) ，表明門頭溝區廢棄采石場自然恢復過程中植物群落的演替是沿著正向演替進行的。——論文作者：宋百敏1，2 ，劉建3 ，張玉虎4 ，王仁卿2，5*
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