干旱复水对几种矿山生态修复植物群落构建的影响

孙 伟，李 昊，杨越晴，高文谦

(矿冶科技集团有限公司，北京 100160)

目前国内矿山废弃地的治理方式多采用生态修复施工，已有研究多集中在土壤改良、植物配置模式、施工工艺等方面，而后续的灌溉养护是维持修复效果的关键因素[1-2]。一些历史遗留小规模矿山通常分布分散，地区经济落后且水源、交通不便，导致养护困难。因此，研究干旱状态下的工程植物生长状况，筛选一些适合矿山废弃地耐干旱植物品种及搭配模式成为必然。本研究选取8种常用的华北地区矿山生态修复植物品种[3-4]，观察评价自然干旱一定天数复水的生长状况和群落构建情况,旨在为矿山生态修复工程耐性植物选择提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 实验材料

实验于2019年5月在矿冶科技集团研发中心温室内进行，以避免自然降水对土壤含水率影响。在定制的37°角安置的1 m×1 m×0.3 m规格PVC容器底层铺10 cm厚废石粒，以模拟矿山自然基面，下部留孔用于浇水饱和时排出。废石粒上方覆盖15 cm厚基于前期研究[5]配比的植生土层(详见表1)，以模拟喷播工程应用的植物生长基材。选用的8种工程植物品种及特性见表2，种子选用前一年新种。

表1 植生基材成分配比表成分配比

表2 选种植物特性表

1.2 实验设计

用电子天平(精确度0.01 g)称取每种植物种子各2.5 g，混合均匀后撒播在植生土层上，即每种植物播种规格2.5 g/m2。播种后控制浇水维持土壤水分适宜水平[6](土壤含水率15%～20%)10 d待种子萌发。之后在温室内自然干旱，参照北方园林绿化灌溉养护需水[7]，对照组(CK)7 d一次补水至饱和，胁迫处理组(D)21 d一次补水至饱和。依据选用植物种的生长周期，本实验设计D组循环干旱胁迫4次(约90 d)作为观测时长，同期观测CK组，每组处理6个重复。播种后每7 d一次测定植物株高、覆盖度，同时测定土壤含水率，即CK组每次浇水后3 d。观测生长周期内是否有繁殖器官发育。

1.3 测定项目和方法

土壤相对含水量：用土壤水分速测仪(TIME-PICO Portable)测定和计算。

植物株高：精度1 mm卷尺测量，枯死植株不计。

覆盖度：数码相机和Photoshop软件非破坏性测定，枯死植株记为0。

可繁殖情况：通过观测完整周期是否开花、结籽判断是否来年可再生。

1.4 数据处理分析

Excel数据处理和作图。

2 结果与分析

2.1 土壤含水率

依据对两组处理的植生土干旱程度观测记录，统计土壤水率变化如图1。

图1 不同处理的土壤含水率时间分布Fig.1 Distribution of soil water content with time

由图1可见，CK组的土壤含水率均一，维持在适宜植物生长的水平。D组土壤含水率随时间变化较大，在每次断水后的第2周、3周分别达到中旱、重旱[6]程度，补水后达到适宜程度又再次干旱。

2.2 植株生长状况

通过记录各时期两组处理的植物株高增长(图2、图3)，分析比对不同植物品种在干旱胁迫下的生长情况。同时记录植物的繁殖器官形成情况，分析其在干旱生境中繁殖的可能性。

由图2、图3可见，干旱处理(D)的黑麦草、早熟禾在断水后第一周后对比CK组株高差异显著，是由于禾本科的草本植物水分充足条件下发育前期着重叶片发育，干旱胁迫导致发育明显延缓。每次复水后黑麦草均明显增长(5～6 cm)，在第四次重旱时枯死，相较CK组存活时间偏短，但已有结籽，可繁殖。早熟禾复水后增长程度不大，在第3次重旱时枯死，最终株高仅为10.15 cm，相较CK组差别达到19 cm，发育受干旱影响极大，没有结籽，说明早熟禾无法在持续干旱条件下存活和繁殖。

干旱处理(D)的紫花苜蓿和多花木兰整个实验期内增长缓慢，最大株高相较CK：多花木兰相差3.44倍(29.86、8.68 cm)，紫花苜蓿最大株高相差1.91倍(48.29、25.26 cm)，但始终没有枯萎。并且紫花苜蓿在最后一次复水后增长值(4.55 cm)大于前两次(1～1.5 cm)，可能由于缺水环境中紫花苜蓿先期注重地下部分生长[8]。实验周期内紫花苜蓿记录到开花和结籽，可以繁殖；多花木兰没有结籽，但作为多年生灌木，可能在本实验干旱条件下的生长周期内着重营养器官累积[9-10]。

图2 黑麦草、早熟禾、紫花苜蓿、多花木兰株高增长情况Fig.2 Growth of plant height of Loliumperenne L.、Poaannua L.、Medicago sativa L.、Magnolia multiflora

图3 刺槐、臭椿、波斯菊、蓝色矢车菊株高增长情况Fig.3 Growth of plant height of Robiniapseudoacacia L.、Cosmos bipinnata Cav.、Centaureacyanus ‘blue’、Ailanthus altissima (Mill.) Swingle

刺槐在水分充足时生长迅速，CK组最高达到93.44 cm，D组缓慢生长，最高仅为14.91 cm，但作为乔木的幼苗成功存活。臭椿萌芽很晚(CK组第35 d，D组第42 d)，但D组每次复水后株高有所增加(3～5 cm)，说明它是对干旱适应性较好的木本。

波斯菊和蓝色矢车菊成活率呈现不同。CK组波斯菊生长旺盛，在第56 d就基本达到了最大株高(120 cm)，D组则生长缓慢，最高仅为30 cm左右，但成活率高，均记录到开花和结籽，作为观赏草本可以实现它的景观意义。D组的蓝色矢车菊则没有存活至开花，在第3次干旱胁迫时全部枯死，最高株高13.45 cm，相较CK组56.17 cm差别很大。

2.3 覆盖度变化

依据对D组覆盖度观测统计，各种植物在实验期间覆盖度变化情况见图4。

图4 植被覆盖度变化情况Fig.4 Variation of coverage with time

从图4可以看出，各种植物的覆盖度随时间呈现不同的变化规律。1)在实验的前35 d，黑麦草覆盖度最高，之后随干旱有所降低但在复水后回升，原因是黑麦草叶片在失水时叶片明显内卷，第77 d以后黑麦草退化消失；早熟禾在前期短时间里也形成了一定的覆盖度(7.8%)，但在第二次干旱胁迫(第49 d)后就开始退化，且没有因复水改善，直至第70 d后归0消失。2)紫花苜蓿在第一次复水(第35 d)后覆盖度呈现增加并且受干旱胁迫影响不大，最终成为优势种覆盖度达45.98%；多花木兰出现后覆盖度不大但始终增长(从3.94%至13.75%)，在群落中稳定。3)刺槐覆盖度很低(1%～3%)，但始终稳定，受干旱影响较小；臭椿出现很晚，但覆盖度也低而稳定(2%)，受干旱影响不大，两种乔木都能在群落中稳定发展。4)波斯菊在第14 d出现后覆盖度稳定在4%～7%，受干旱影响较小，并且开花结籽，是群落中存活稳定的花卉草本；蓝色矢车菊最大仅为4.2%，且在第70 d后消失，无法适宜持续干旱的生长环境。

分节点统计实验周期内D组各个干旱时段的优势植物，选取第28 d、49 d、70 d、91 d结果，分析各种植物的覆盖度分布情况，见图5。

图5 不同时段各植物覆盖度分布情况Fig.5 Distribution of coverage of different period

图5显示，在第1次重旱(第28 d)时，植物正处于苗期，总覆盖度较低(51.35%)，其中黑麦草最高(22.79%)，占总覆盖度的44%；多花木兰(9.35%)和早熟禾(6.41%)次之，分别占总覆盖度18%和12%；说明黑麦草、早熟禾和多花木兰在前期出苗快，能在短时间形成一定植被盖度。第2次重旱(第49 d)时，紫花苜蓿覆盖度显著提升达到20.04%，占总覆盖度28%；黑麦草有所退化降低到17.50%，占总覆盖度26%；多花木兰(11.39%)、波斯菊(5.61%)、蓝色矢车菊(4.20%)、刺槐(1.92%)覆盖度变化不大，臭椿开始出现(0.03%)；总覆盖度增加至68.57%，原因是植物茎叶数量的增加。第3次重旱(第70 d)时，紫花苜蓿覆盖度进一步增加达到35.92%，占总覆盖度45%，成为优势种；黑麦草(17.60%)变化不大略有升高，原因是叶片数量增多；早熟禾(2.10%)进一步褪化仅占总覆盖度的3%；总覆盖度进一步增加至79.84%，增幅主要来自紫花苜蓿(增加15.88%)。第4次重旱(第91 d)时，黑麦草、早熟禾、蓝色矢车菊消失，紫花苜蓿覆盖度达到48.23%，占总覆盖度(71.90%)的64%，成为绝对优势种；多花木兰、刺槐、臭椿、波斯菊稳定而略有增加，分别为13.75%、2.71%、2.60%和6.86%；总覆盖度较上一周期减少7.96%，原因是黑麦草结籽后在这一周期枯萎(消失17.60%)。

总体上，经历4次干旱复水循环后，在91 d的生长周期里逐步形成以紫花苜蓿为优势种，多花木兰、波斯菊、刺槐、臭椿稳定发育的植被群落。

通过本实验的研究可以得出：

1)黑麦草适宜在干旱环境中迅速复绿，可以作为矿山生态修复前期草种；

2)紫花苜蓿对干旱适应性强，发育稳定，是群落构建的优势草本；

3)多花木兰虽然生长缓慢，但受干旱影响小，是耐旱群落的优势灌木种；

4)波斯菊生长受干旱影响但发育至可繁殖，是具备景观性的伴生种；

5)刺槐、臭椿零星存活，但作为乔木稳定发育，是乔木层的优势种；

6)早熟禾、蓝色矢车菊无法发育至繁殖状态，不适宜在连续干旱条件生存。

3 结论和建议

1)在干旱、半干旱地区难以养护的矿山生态修复实施中，可以选择黑麦草、紫花苜蓿、多花木兰、波斯菊、刺槐、臭椿，构建黑麦草先锋复绿、豆科灌草逐步演替、乔木层稳定发育且兼具一定景观性的植被群落。

2)本实验针对植物在自然干旱条件下的生长状况做了观测，但对植物在持续固定干旱环境中的生理变化研究有限，今后需要重点研究不同干旱梯度、持续不同时长的条件下植物生理、形态变化。