賀蘭山采煤跡地先鋒鄉土物種適生性研究

王興哲，劉秉儒，高文麗，毛大串

(北方民族大學 生物科學與工程學院，寧夏 銀川 750021)

1 引言

我國露天煤礦主要分布在內蒙古、山西、陜西、新疆、青海、寧夏等省區。露天煤礦開采會造成一定程度污染，而當地生態環境一旦破壞很難修復[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，煤礦高強度的開采會導致排土場的治理與綠化跟不上維持礦區生態平衡的需求。對于露天煤礦開采而導致的自然生態結構缺損、林地功能退化等問題[2]，根據礦區的自然條件應選用有較強適應性、抗逆性的鄉土植物為主要先鋒植物[3]。

鄉土植物是指經過長期的自然選擇及物種演替后，對某一特定地區有高度生態適應性的自然植物區系成分的總稱[4]，對于露天采煤跡地這種特殊的裸巖形式鄉土植物可以增加植被覆蓋度的面積、降低大氣粉塵污染，同時植物的根系深深扎入土壤，能提高土地的抗剪強度，減少水土流失，提高邊坡穩定性[5]。本文對賀蘭山采煤跡地周邊所生長的鄉土物種進行比較，優選其中適用于礦山生境的生態恢復物種。

2 材料與方法

2.1 實驗材料

在汝箕溝露天礦場周邊地區選擇生長勢較好的優勢種植物，采集優勢種植物的同一生長水平的種子留作盆栽實驗，實驗用煤渣土土壤取自汝箕溝煤礦排土場。

2.2 實驗方法

2.2.1 種子萌發實驗

對汝箕溝煤礦及其周圍生長的沙蒿(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皿中[6]，每種植物設置3個重復，加入蒸餾水至恰好潤濕濾紙，置于溫度為22 ℃的培養箱中，連續培養10 d并每天統計種子發芽個數，以種子露白芽為發芽標準[7]。每天通過稱重法補充減少水分[8]，第10天開始統計總發芽數量。

2.2.2 土壤理化性質分析

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

2.2.3 種子盆栽實驗

將汝箕溝煤礦排土場采集的煤渣土與風沙土作為土樣，用烘箱分別對土樣在140 ℃下經行40 min的烘烤，消除土壤種子庫。

土壤設置為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厚的風沙土，第3組僅裝入風沙土作為對照。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，運用0.4%的高錳酸鉀進行消毒25 min，蒸餾水漂洗3～4次，分別以這3種土壤環境進行盆栽實驗，每種環境設置3個重復組，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，培養在溫度約25 ℃的大棚中，連續培養30 d，每24 h記錄一次數據，每5 d進行一次補水，每10 d測量一次各植物的胚根長，胚芽長和子葉數。(每組隨機選取3株幼苗進行測定，僅選取足夠三株幼苗的植物種類進行測定)[8]。

2.3 實驗指標

2.3.1 種子萌發指標

發芽率(germination percentage，GP)：

(1)

發芽勢(germination energy.GE):

(2)

發芽指數(germination index，GI):

(3)

發芽速度(germination speed，GS)

(4)

式(1)～(4)中:n為試驗結束后全部發芽的種子數，N為試驗種子總數，nd為基本發芽完畢時間的前1/3時的發芽總數，k表示發芽總天數，nt指第t天的發芽數，Dt為相對應的發芽天數，Gt為第t天的發芽率，D為發芽總時間[8]。

2.3.2 幼苗形態指標

每隔10 d測定一次幼苗形態指標。運用鋼尺測量每種植物的培根長與胚芽長，記錄幼苗的葉子數(每組隨機選取3株幼苗進行測定，僅選取足夠3株幼苗的植物進行測定)。

2.4 數據處理

運用Excel和SPSS 22.0經行數據分析。對盆栽實驗植物的生長情況以及數據進行統計，做出每個指標的圖表，直觀的呈現出鄉土植物在煤渣土中生長的狀況，并對每一品種均進行自然生態價值評價與人工改善礦區環境的可行性分析。

3 結果分析

3.1 煤渣土與風沙土土壤理化性質

風沙土的pH值較高屬于偏堿性土壤，煤渣土pH值超過8.5達到8.6±0.10屬于強堿性土壤，植物能在煤渣土中有較好長勢則說明這種植物有較強的耐堿性能力，同時煤渣土中的全氮、水解性氮、有效磷等養分含量均低于風沙土中的養分含量，而土壤有機質含量遠遠高于風沙土，這與煤渣土本身的形成特性與形成機理有關。綜上所述，煤渣土的生長環境相較風沙土更不適合植物的生長，土壤理化性質的不同也是阻礙露天煤礦生態恢復的條件之一(表1)。

表1 風沙土與煤渣土理化性質

3.2 植物種子發芽率

在培養箱中經行萌發實驗結果顯示，發芽率最高，達到74.67%。

3.3 不同土壤環境下鄉土植物種子萌發

將6種植物的盆栽進行統計，并計算發芽率、發芽勢、發芽指數和發芽速度4個指標。

發芽率反映種子發芽能力；發芽勢是判斷出苗整齊度及健壯度的一項指標[10]；發芽指數一定程度上可反映發芽速度[8]；發芽速度可衡量種子發芽速度和整齊度。

圖1 各植物種子發芽率

相關分析結果(表2)表明，灰綠藜與中亞濱藜的種子表現出較高的發芽傾向與較好的發芽率，其種子在渣土中的發芽率達到63.33%，比中亞濱藜的發芽率高出了42%，灰綠藜的發芽率，發芽指數，發芽速度等指標相較于其他植物其優勢均十分明顯，而中亞濱藜在渣土中的發芽率達到21.33%僅次于灰綠藜，其他植物的種子各項萌發指標數據較低。

表2 不同土樣種各植物生長狀況

如圖2所示，煤渣土與風沙土中的灰綠藜在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之后才開始破土，但混合土中種植的灰綠藜種子的累計發芽率在第4到第6天時大幅增長并在第9天超過煤渣土中的灰綠藜種子累計發芽率。3種土樣中的累計發芽率在第15天時基本穩定，實驗結束時其風沙土累計發芽率最高，混合土與煤渣土的累計發芽率基本相等。

圖2 不同土樣中的灰綠藜累計發芽率

由圖3所示，中亞濱藜破土時間較晚，第四天開始破土。其破土24 h內的累計發芽率煤渣土>風沙土>混合土，這可能是因為煤渣土的粒徑相對于風沙土較大，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，風沙土相對于其他兩種土樣其累計發芽率始終保持較高的增長，在實驗結束時風沙土的累計發芽率也遠高于混合土與煤渣土中的中亞濱藜累計發芽率。風沙土中的中亞濱藜30 d累計發芽率比煤渣土高出14%比混合土高出16%。

圖3 不同土樣中的中亞濱藜累計發芽率

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萌發率較低，在煤渣土中中亞紫菀木的累計萌發率最高僅為8%，而混合土中中亞紫菀木的累計萌發率則達到了25%(表2)，這說明煤渣土上覆風沙土之后再進行播種的方式可以大幅提高中亞紫菀木的累計發芽率。沙蒿種子在培養箱中進行種子萌發實驗時的萌發率也較低，因此沙蒿萌發率始終偏低(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箱中進行種子萌發實驗時萌發率較高而在土樣中發芽率較低可能時由于這兩種植物的種子較小，頂土能力較差而無法發芽。

圖4 煤渣土中沙蒿、豬毛蒿、鹽生草、中亞紫菀木發芽情況

圖5 混合土中沙蒿、豬毛蒿、鹽生草、中亞紫菀木物發芽情況

6種植物除鹽生草外，發芽率普遍表現出風沙土>混合土>煤渣土的特點，但這種特點在灰綠藜種子的萌發中表現的并不明顯，灰綠藜種子在這3種不同土制的發芽率幾乎相同，且出苗時間短，出苗速度快，出苗后生長快，反映出灰綠藜具有較強的適應性。

3.4 不同土壤環境對不同植物種子根莖生長的影響

每10 d對所種植的植物經行一次根長莖長與葉子數的測量，取樣測量后計算平均值，所得數據發現灰綠藜在20～30 d期間根長與葉子數出現了明顯的增長，而中亞濱藜的芽長在其他植物始終保持優勢，但根長始終短于灰綠藜，在第30天的采樣測量中，風沙土中的中灰綠藜在根長和莖長上明顯長于混合土與煤渣土中的灰綠藜，且葉片數目與其他兩種培養環境下的植株葉片數目具有明顯差異(圖6)，同時，在煤渣土與混合土中培養的灰綠藜葉片偏紅，中亞濱藜的葉子生長較為緩慢，而灰綠藜的葉子始終穩定增長(圖7)。

圖6 渣土 中亞濱藜

圖7 灰綠藜(從左至右：風沙土3株；混合土3株；煤渣土3株)

同時，在對測量植株的觀察中發現，生長在渣土與混合土中的植株側根普遍較少，而風沙土中植株側根普遍較多，相較于其他植株灰綠藜幼苗具有發達的根系，可以有效礦場防止水土流失。

表3 灰綠藜盆栽生長情況

4 討論

土壤環境的差異會影響群落演替過程中植物多樣性的變化[11，12]。煤渣土保水性差，容易板結，pH值偏高，粒徑較大，會抑制種子的萌發。6種植物種子的累計萌發率普遍表現出風沙土>混合土>煤渣土的規律，這種現象也說明在煤渣土上覆風沙土可有效增加種子的累計萌發率。其原因可能與風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、硝態氮、全氮、銨態氮等因素有關。

灰綠藜與中亞濱藜種子萌發過程中對溫度和水分的適應范圍較廣均，適合在土壤瘠薄、礦質元素含量較少， 有機質含量低，pH值呈堿性的土壤中生長[13～15]，同時，灰綠藜與中亞濱藜生長迅速并具有一定水土保持能力，是本次實驗中所篩選出的作為修復賀蘭山采煤跡地的先鋒物種各項指標都較高的鄉土植物。在本次實驗中沙蒿、鹽生草、豬毛蒿、中亞紫菀木的發芽率，萌發勢等參數較低，但并不代表在這些植物沒有改善賀蘭山煤礦跡地的潛力。如豬毛蒿種子較多，易于大面積擴散，作為R選擇植物，對于采煤跡地的修復具有一定優勢。

高強[16]等在鄉土植物在城市水土保持與生態修復中的作用及應用前景中指出鄉土植物具有較強的適應性和抗逆性、成活率髙、施工成本低等特點，符合節約型社會要求等優勢。在本次實驗中的六種植物中灰綠藜和中亞濱藜的幾個萌發指標都較高，灰綠藜和中亞濱藜生長迅速，較快的生長速度是先鋒植物基本特點之一[16]，生長速度較快才能快速的定植于惡劣的環境中。這種特性對采煤跡地的生態演替有一定促進作用，可防止早期的土壤侵蝕、減少水土流失[17]。同時，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賀蘭山采煤跡地進行生態修復。灰綠藜和中亞濱藜適應性強、有一定的抗逆能力[16]，并且抗干旱能強，本次實驗中每五天進行一次澆水，累計發芽率與發芽勢等各項指標依然很高，靠天然降水可以良好生長，減少了人工管理的成本。在對灰綠藜的根長莖長進行測量后發現其根系發達，可在陡坡進行大面積噴播，可減少水土流失，對陡坡地段的土壤侵蝕有一定緩解作用[18]。地下根系對土壤的加筋、錨固作用， 有利于緩解坡面侵蝕、增強其穩定性[19]。在上山采樣與挑選種籽時發現灰綠藜每株產種數量大，自行播種面積廣，不需要人為播種和授粉，可以進行自然生長。

趙明國等在報道中指出一個地區生物多樣性的重要組成是鄉土植物[20]。灰綠藜與中亞濱藜的植株在賀蘭山采煤跡地都有發現，屬于鄉土植物，鄉土植物適應當地區域的環境特點，非引入植物，不會造成物種入侵。作為鄉土植物，當地生態也易于接受，易于維持生態平衡。

綜上所述，灰綠藜與中亞濱藜對煤渣土的適應性極強，是本次實驗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，且作為鄉土植物對于當地的生態環境改善與生態環境具有非同尋常的意義和一定的優勢，可以大力推廣。