北京西山廢棄采石場(chǎng)生態(tài)恢復(fù)研究：自然恢復(fù)的過(guò)程、特征與機(jī)制.pdf

1、隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和現(xiàn)代化程度的提高，人類(lèi)對(duì)礦產(chǎn)資源的開(kāi)發(fā)利用也與日俱增，開(kāi)山采石一方面極大地滿足了人們物質(zhì)生產(chǎn)的需求，另一方面造成對(duì)景觀和自然生態(tài)系統(tǒng)的嚴(yán)重破壞，加強(qiáng)對(duì)廢棄礦區(qū)受損生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)與重建，已經(jīng)成為生態(tài)學(xué)的重要研究課題。 本研究以北京市西山(門(mén)頭溝區(qū))廢棄采石場(chǎng)為例，運(yùn)用空間代替時(shí)間的方法，在前期調(diào)查的基礎(chǔ)上，選擇了4個(gè)代表不同自然恢復(fù)時(shí)期的典型樣地及1個(gè)未受采石影響對(duì)照樣地，對(duì)自然生態(tài)恢復(fù)過(guò)程中土壤特性、植被變化規(guī)

2、律、土壤種子庫(kù)以及群落演替過(guò)程中早期物種的消退原因等進(jìn)行了研究，以豐富恢復(fù)生態(tài)學(xué)的理論和指導(dǎo)生態(tài)恢復(fù)的實(shí)踐。 通過(guò)對(duì)廢棄采石場(chǎng)自然生態(tài)恢復(fù)過(guò)程中土壤特征和植被特征研究發(fā)現(xiàn)：隨著生態(tài)恢復(fù)的進(jìn)行，土壤厚度、土壤有機(jī)質(zhì)不斷積累，土壤粒徑、土壤容重、土壤pH值逐漸變小，土壤含水量、土壤全N、土壤全P、土壤全K以及速效N、速效P、速效K的含量逐漸增加，土壤理化性狀逐漸得到改善。Pearson相關(guān)分析結(jié)果顯示，群落的物種多樣性、物種豐富度

3、和地上生物量分別與其生境中土壤的含水量、容重、粉粒含量、粘粒含量、pH、有機(jī)質(zhì)、全N、全P、全K、速效N、速效K之間存在顯著相關(guān)(p＜0.05)，其中，與土壤容重、pH分別呈負(fù)相關(guān)，其余為正的相關(guān)。該結(jié)果表明，土壤性狀的變化與群落結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)相對(duì)應(yīng)。土壤與植被的相互作用，共同推動(dòng)著群落的演替。 在生態(tài)恢復(fù)的不同階段，組成群落的優(yōu)勢(shì)物種發(fā)生變化，在恢復(fù)1年、5年、15年和32年的樣地中，優(yōu)勢(shì)植物分別為牛筋草(Eleusine ind

4、ica)、狗尾草(Setariaviridis)、虎尾草(Chloris virgata)和狗尾草、荊條(Vitex negundo var.heterophylla)。隨著群落演替的進(jìn)行，植物群落物種組成、分科及生活型功能群結(jié)構(gòu)也在改變。組成群落的物種數(shù)量總體呈增大趨勢(shì)，在生態(tài)恢復(fù)過(guò)程中科的數(shù)目在不斷增加，群落組成更加復(fù)雜化和多樣化。隨著生態(tài)恢復(fù)的進(jìn)行，一年生植物的重要值逐漸減小，多年生植物和灌木的重要值逐漸增大。喬木在生態(tài)恢復(fù)的后期

5、雖有零星出現(xiàn)，但所占的比重始終很小，這說(shuō)明在當(dāng)?shù)氐V區(qū)進(jìn)行生態(tài)恢復(fù)時(shí)僅憑自然力幾十年內(nèi)難以恢復(fù)成森林生態(tài)系統(tǒng)，要想恢復(fù)成生態(tài)功能更強(qiáng)的森林生態(tài)系統(tǒng)，一定的人工措施是必要的。群落物種多樣性、物種豐富度隨著演替時(shí)間的延長(zhǎng)先增加而后保持相對(duì)穩(wěn)定，而植被總蓋度和地上生物量呈不斷增大趨勢(shì)。相關(guān)分析表明，在不同恢復(fù)階段的樣地中，地上凈初級(jí)生產(chǎn)力與Shannon-Wiener多樣性指數(shù)及Margalef豐富度指數(shù)顯著相關(guān)(p＜0.01)，在恢復(fù)1年的樣

6、地中，地上凈初級(jí)生產(chǎn)力和生物多樣性的關(guān)系呈線性負(fù)相關(guān)，恢復(fù)5年、15年的樣地，地上凈初級(jí)生產(chǎn)力隨著生物多樣性的增加呈現(xiàn)出線性遞增的關(guān)系，到恢復(fù)的后期(大于32年)，地上凈初級(jí)生產(chǎn)力和物種多樣性之間的關(guān)系為單峰曲線。這說(shuō)明，在生態(tài)系統(tǒng)中，一定物種數(shù)量對(duì)生產(chǎn)力是必要的，但生態(tài)系統(tǒng)功能的維持，即初級(jí)生產(chǎn)力，主要是由群落中的優(yōu)勢(shì)種或功能群所決定的。 研究樣地自然生態(tài)恢復(fù)的狀況表明：(1)北京西山采石廢棄地在初期可以借助自然力實(shí)現(xiàn)初步的

7、恢復(fù)，在自然恢復(fù)過(guò)程中，草本植物和灌木對(duì)采石場(chǎng)裸露廢棄地表土的穩(wěn)固和生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的維持起著重要的作用，但在整個(gè)自然生態(tài)恢復(fù)過(guò)程中(包括大于50年的未受采礦影響的對(duì)照樣地)喬木所占的比重始終很小，說(shuō)明在當(dāng)?shù)氐纳降仃?yáng)坡單靠自然力恢復(fù)很難形成森林群落，必須適當(dāng)進(jìn)行人工輔助。(2)一定數(shù)量的物種對(duì)維持態(tài)系統(tǒng)的功能是必要的，但對(duì)生態(tài)系統(tǒng)功能起關(guān)鍵作用的是功能群及優(yōu)勢(shì)物種，在生態(tài)恢復(fù)的實(shí)踐中，要更加注重群落中植物功能群的組成和構(gòu)建以及優(yōu)勢(shì)物種

8、的選擇和應(yīng)用。 通過(guò)對(duì)不同恢復(fù)階段采石場(chǎng)廢棄地種子庫(kù)的研究，得到以下結(jié)果：從物種組成來(lái)看，本研究的土壤種子庫(kù)共記錄了35種植物，分屬11個(gè)科，其中禾本科、菊科、馬鞭草科和豆科占到總科數(shù)的69.23％-92.86％。在恢復(fù)1年的樣地中，一年生草本占76.9％，隨著恢復(fù)的進(jìn)行，一年生草本的種數(shù)逐漸減少，多年生草本、半灌木灌木的種數(shù)逐漸增加。在所研究的不同恢復(fù)階段的樣地中，均未在種子庫(kù)中發(fā)現(xiàn)喬木的種子。 土壤種子庫(kù)的密度隨

9、恢復(fù)時(shí)間的變化而變化，變動(dòng)范圍為269-5002粒.m-2。隨著生態(tài)恢復(fù)地進(jìn)行，種子密度在恢復(fù)15年的樣地中達(dá)到最大，然后呈減小趨勢(shì)。 土壤種子庫(kù)的垂直分布特點(diǎn)是種子數(shù)隨著土層深度的增加而降低，表現(xiàn)為0-3cm＞3-6cm＞6-10cm。土壤種子庫(kù)物種多樣性的變化表現(xiàn)為，隨著演替的進(jìn)行，優(yōu)勢(shì)度指數(shù)逐漸減小，而豐富度指數(shù)、均勻性指數(shù)和Shannon-Wiener多樣性指數(shù)逐漸增大，恢復(fù)到32年時(shí)達(dá)到最大。土壤種子庫(kù)和地上植被之間

10、具有較大相似性。地上植被密度73％的變異可歸結(jié)為土壤種子庫(kù)密度的變異。在生態(tài)恢復(fù)過(guò)程中，土壤種子庫(kù)和地上植被的3種相似性系數(shù)(Ochiai、Dice和Jaccard)具有相同的變化規(guī)律，3種相似性系數(shù)的變化范圍分別為0.5-0.73、0.49-0.73和0.33-0.57。在恢復(fù)1年的樣地中最小，恢復(fù)到15年時(shí)達(dá)到最大，以后隨著恢復(fù)時(shí)間的延長(zhǎng)又呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。這說(shuō)明在采石礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)的過(guò)程中，土壤種子庫(kù)對(duì)地上植被具有重要影響，在恢復(fù)的后

11、期，植被成分主要受群落之間物種的相互作用決定，受種子庫(kù)的影響降低。 對(duì)不同恢復(fù)階段樣地的土壤種子庫(kù)研究表明：(1)北京門(mén)頭溝不同恢復(fù)階段的采石場(chǎng)廢棄地中含有相當(dāng)數(shù)量的種子，并且在適宜的條件下能夠萌發(fā)，可以為采石場(chǎng)廢棄地初步的生態(tài)恢復(fù)提供的種源。(2)土壤種子庫(kù)和地上植被在物種組成、密度、生物多樣性以及相似性系數(shù)方面均具有較高的相似性。通過(guò)土壤種子庫(kù)可以形成相對(duì)穩(wěn)定的草本及灌叢群落，因此，在廢棄采石場(chǎng)的生態(tài)恢復(fù)的初期，可以考慮利

12、用土壤種子庫(kù)的自然恢復(fù)力，如保留表土，這是一種經(jīng)濟(jì)而且有效的生態(tài)恢復(fù)措施。(3)土壤種子庫(kù)中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)喬木物種，說(shuō)明單純依靠種子庫(kù)難以在采石場(chǎng)廢棄地上形成森林群落，采石場(chǎng)廢棄地要想進(jìn)一步恢復(fù)形成當(dāng)?shù)貪撛诘姆€(wěn)定森林群落，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)借助人力。 對(duì)不同恢復(fù)階段狗尾草(Setaria viridis（L.)Beauv.)生物量分配策略研究的研究結(jié)果表明：隨著恢復(fù)時(shí)間的延長(zhǎng)，莖、葉生物量及總生物量均增加，其中，莖的增加幅度最大，超過(guò)30％。

13、而根、穗的生物量隨著生態(tài)恢復(fù)的進(jìn)行逐漸變小，其中穗的減幅最大，從恢復(fù)15年的樣地，到恢復(fù)32年的樣地，穗的生物量降低了37.6％。 隨著群落演替的進(jìn)行，狗尾草顯著提高了對(duì)莖的生物量分配，顯著降低了對(duì)生殖構(gòu)件和根的分配比率，對(duì)葉的分配雖有增加，但變化幅度較小。隨著生態(tài)恢復(fù)的進(jìn)程，狗尾草的地下/地上比值及根莖比逐漸減小，而莖葉比逐漸增大，并且各比值在不同樣地間呈現(xiàn)出顯著差異。相關(guān)分析結(jié)果顯示，狗尾草莖生物量分配與根、葉、穗構(gòu)件生物

14、量分配間存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，表明莖生物量分配與其他構(gòu)件生物量分配間存在協(xié)調(diào)關(guān)系。通過(guò)狗尾草的生物量配置研究發(fā)現(xiàn)：在群落演替的后期，狗尾草為爭(zhēng)奪光照而加大了對(duì)莖的生物量投資，減少了對(duì)生殖器官的投資比例，并最終造成狗尾草種子的減少，這可能是導(dǎo)致狗尾草退出演替序列的內(nèi)在原因。 總之，通過(guò)本研究發(fā)現(xiàn)，北京門(mén)頭溝不同恢復(fù)階段的采石場(chǎng)廢棄地中含有相當(dāng)數(shù)量的草本和灌木種子，并且在適宜的條件下能夠萌發(fā)，可以為礦區(qū)的初步生態(tài)恢復(fù)提供種源，但要想進(jìn)一