卡拉麥里山有蹄類野生動物自然保護區金礦生態恢復區的土壤理化性質和植被群落特征

田燕菲， 劉冬志， 初紅軍,,4， 石攀基， 馬 偉

(1.新疆大學 資源與環境科學學院, 新疆 烏魯木齊 830046;2.新疆環疆綠源環保科技有限公司 新疆 烏魯木齊830000; 3.新疆大學 生命科學與技術學院, 新疆 烏魯木齊 830046;4.新疆林業科學院, 新疆 烏魯木齊830000; 5.卡拉麥里山有蹄類野生動物自然保護區管理中心, 新疆 烏魯木齊830000)

采金等礦業活動導致整個礦區生態環境的破壞，改變了礦區地形地貌、土壤、水文、植被等生態系統狀況[1]。新疆卡拉麥里山有蹄類野生動物自然保護區(以下簡稱卡山保護區)是以保護多種珍稀瀕危有蹄類野生動物及其生存環境為主的保護區，有重大的科研價值和自然保護價值[2]。自1990年開始，金礦等礦產資源的開發利用，較大規模的露天開采導致卡山保護區地貌景觀破碎，造成土層裸露、水土流失以及土壤沙化等嚴重問題，對分布在該保護區的荒漠有蹄類野生動物的棲息繁殖產生了影響，威脅到了瀕危野生動植物的生存。卡山保護區荒漠植被的破壞，將加劇土地荒漠化和沙化，影響區域氣候，進而影響整個區域的生態安全。

土壤的質量和涵養水源的能力不僅與土壤理化性質有關，而且也反映在植被的生長發育，因為土壤質量影響植物的生長發育，并且影響物種多樣性[3-4]。相關研究已經發現，表土修復在礦山修復中的效果較好，能更快地恢復生態系統及生物多樣性[5]。其中王夢等[6]、田佳榕等[7]、金立群等[8]對煤礦、鐵礦、排土場進行土壤理化性質的研究，但目前尚未有關于卡山保護區金礦修復區土壤和植物修復的研究。因而，本研究以卡山保護區6處金礦生態恢復區為研究對象，分析土壤理化性質和植物群落特征及兩者間的相關性，并計算其恢復效果得分，旨在為卡山保護區礦區治理和植被恢復提供科學依據，便于更好地恢復和維護卡山保護區的生態環境。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

卡山保護區(88°30′—90°03′E, 44°36′—46°00′ N)位于新疆準噶爾盆地的東部，屬低山荒漠、半荒漠景觀，從東部到西部海拔逐漸降低，海拔高度為800～1 467 m。自南向北呈垂直地帶性分布，南部為古爾班通古特沙漠和卡拉麥里山山前戈壁，中部為卡拉麥里低山地，北部為荒漠丘陵帶。以卡拉麥里山為核心，屬中溫帶大陸性干旱氣候，有寒冷漫長的冬季、炎熱短暫的夏季。年平均溫度在 2.5～8 ℃，降水量 159.1 mm。土壤以棕鈣土和灰棕漠土為主，是典型的荒漠、半荒漠干旱地區。卡山保護區內植被組成簡單，分布稀疏，主要由超旱生、旱生植物組成，以藜科(Chenopodiaceae)、菊科(Asteraceae)、豆科(Fabaceae)、蓼科(Polygonaceae)等為主[9-10]。

1.2 恢復措施

(1) 基礎設施拆除。對采礦企業的采礦設備和生活設施予以拆除，切斷污染源。并撤出人類活動，恢復野生動物生境和遷徙路徑，并拒絕因此產生二次破壞。

(2) 地貌恢復。治理區主要采用削高填低、回填壓實、場地平整的治理方案。原則上就近、就地推方，就近拉運，不產生新的環境問題。礦區采用分層填埋處理，在大型機械的作業下，將礦渣堆或尾礦堆填埋到采礦坑中，回填次序總體上按照由深坑到淺坑、由大坑到小坑，自上而下、逐層回填的順序展開。表層覆蓋20 cm左右厚土層，以便后期植被恢復。

(3) 植被恢復。植被的恢復措施是平地植被恢復為主：在平地或坡度小于15%的緩坡地采用播種機進行草種和小灌木種混合條播。播種時采用種子+有機肥+保水劑+沙土混合播種，播種時間最后在3—4月或10月，以便充分利用卡拉麥里地區春季的融雪水。撒播草種主要為鹽生草等藜科植物，灌木種植為梭梭。

1.3 調查樣地設置

選擇卡山保護區中南部的卡姆斯特北金礦、清水西金礦、卡拉麥里1號金礦、科仍爾1號金礦、富蘊大沙溝金礦、青河大沙溝金礦為研究對象，于2020年9月進行植物樣方的布設和土壤樣品的采集。并以金礦所在區域附近為原生樣地，在礦區周圍500 m處設置原生對照，用于比較生態恢復區與自然環境之間的差異。樣地編號依次為JK1，JK2，JK3，JK4，JK5，JK6。

6處金礦生態恢復區和原生對照均位于卡山保護區中部的卡拉麥里低山地地貌，周邊土地利用類型為荒漠草原，以荒漠草本植物為主，土壤以棕鈣土和灰棕漠土為主。整體生態環境脆弱，屬于類似地質環境。采樣點基本情況見表1。

表1 卡山保護區不同金礦樣地基本情況

1.4 樣品采集

2020年9月期間，在每個金礦生態恢復區設置3個條件相近的10 m×10 m的樣地，每個樣地中沿對角線設置3個1 m×1 m的小樣方，記錄每個小樣方內植物的長、寬、高、種類、蓋度、株數等相關信息，用于估算樣地總體植物特征信息，用GPS記錄經緯度、海拔等。選恢復區毗鄰原生生境500 m范圍左右設置10 m×10 m的對照樣地，每個樣地內沿對角線選取3個1 m×1 m的樣方進行植被調查，調查內容同恢復區一致。金礦生態恢復區共設置樣地36個，對照設置36個。金礦生態恢復區樣地編號依次為JK1，JK2，JK3，JK4，JK5，JK6。

土樣采集選用對角線取樣法采集3個1 m×1 m小樣方的0—10，10—20 cm兩層土壤。取樣時用土鉆采集，并去除石頭、植物等地表覆蓋物，分層次多次采樣，按照四分法混勻后裝入塑封袋，標明信息，帶回。使用凱式法測定土壤總氮；電位法測定土壤pH和電導率；K2Cr2O7—外加熱法測定土壤有機質；HF消解法—火焰原子吸收分光光度法測定土壤全鉀；H8M0N2O4分光光度法測定土壤總磷；堿解擴散法測定土壤堿解氮；0.5 mol/L NaHCO3浸提—鉬銻抗分光光度法測定土壤有效磷；CH3COONH4—火焰原子吸收分光光度法測定土壤速效鉀[11]。

1.5 植物群落計算

重要值(Ⅳ)=(相對蓋度+相對高度+

相對多度+相對頻度)/4

(1)

因為卡山保護區植物群落以草本和灌木為主，結合韓軼等[12]的研究方法，選取相對高度，計算重要值。采用相對蓋度、相對高度、相對多度、相對頻度作為評價指標。

Margalef豐富度指數Dm[13]

(2)

Simpson優勢度指數D[14]

(3)

Shannon-Wiener多樣性指數H[15]

(4)

Pielou均勻度指數J[16]

(5)

式中：S為物種數目;N為所有物種的個體數之和;ni為第i個種個體數;P為i個種的個體數占所有種個體數的比例;H為Shannon-Wiener多樣性指數。

1.6 數據處理與分析

運用Microsoft Excel 2010進行數據處理和統計作圖，計算植物重要值。通過SPSS 25軟件的單因素方差 (one-way ANOVA)和顯著性檢驗分析土壤理化性質；運用Pearson進行植物群落多樣性與土壤理化性質間的相關關系分析；運用主成分分析法計算各金礦生態恢復區恢復效果綜合得分。

2 結果與分析

2.1 不同金礦土壤物理性質

卡山保護區金礦生態恢復區土壤pH值呈弱堿性。在0—10 cm土層中，與原生對照相比，除JK6外，其余金礦土壤pH值均有所下降，變化范圍為8.08～8.38，其中JK1土壤pH值下降最明顯，與原生對照顯著性差異(p<0.05)。6處金礦生態恢復區電導率遠小于原生對照(15.75 μS/cm)，變化范圍為2.61～6.59 μS/cm，含量下降都超過100%，各樣地土壤電導率間無顯著性差異(p>0.05)。

在10—20 cm土層中，JK3，JK6的土壤pH值高于原生對照 (8.34)，JK1土壤pH值最小 (8.00)，且與原生對照顯著性差異(p<0.05)。6處金礦生態恢復區土壤電導率含量與表層類似，均小于原生對照 (13.42 μS/cm)，變化范圍為2.42～5.77 μS/cm，各樣地土壤電導率間無顯著性差異(p>0.05)(表2)。

表2 卡山保護區不同金礦土壤物理性質

2.2 不同金礦土壤化學性質

土壤化學性質方面，在0—10 cm土層中，相比原生對照，6處金礦生態恢復區的土壤養分含量不同程度有所降低，土壤有機質、總氮、總磷、全鉀、速效鉀含量均值分別降低了31.66%，16.97%，8.47%，17.18%，9.79%。JK5，JK6土壤有機質含量遠小于原生對照 (4.68 g/kg)，僅為0.82，0.34 g/kg，與原生對照顯著性差異(p<0.05)。JK2土壤總氮含量顯著低于原生對照(p<0.05)，JK6最低為0.91 g/kg。土壤總磷含量變化范圍為0.87～1.50 g/kg，其中JK1，JK3，JK4顯著低于原生對照(p<0.05)。各恢復區土壤全鉀與原生對照相比差異不顯著(p>0.05)，在10.77～16.09 g/kg范圍變化，含量均低于原生對照 (16.28 g/kg)。JK2，JK3，JK5的土壤堿解氮含量顯著高于原生對照(p<0.05)。6處金礦生態恢復區的土壤有效磷含量出現增加的現象，變化范圍為2.78～6.39 mg/kg，均高于原生對照 (2.04 mg/kg)，其中JK1，JK2，JK5與原生對照差異顯著(p<0.05)。土壤速效鉀的含量排序為：JK1

在10—20 cm土層中，6處金礦生態恢復區的土壤養分含量和表層情況類似，有機質、總氮含量同樣出現了下降的情況，含量均值分別降低了29.27%，25.27%。土壤有機質含量在JK5，JK6顯著低于原生對照(p<0.05)，為0.63，0.34 g/kg，與表層含量類似。JK2，JK3，JK4土壤總氮含量顯著低于原生對照(p<0.05)，JK4最低為1.11 g/kg。土壤總磷變化范圍與表層接近，為0.88～1.48 g/kg，JK1顯著低于原生對照(p<0.05)。各恢復區土壤全鉀與原生對照相比，除JK1，JK2外差異不顯著(p>0.05)，含量為8.19～17.20 g/kg。各恢復區土壤堿解氮含量均值相比原生對照增加12.67%，且JK2，JK3土壤堿解氮含量顯著高于原生對照(p<0.05)。6處金礦生態恢復區的土壤有效磷含量與表層變化特征一樣，均出現增加的情況，變化范圍3.79～5.63 mg/kg，高于原生對照 (1.47 mg/kg)，JK1，JK2，JK5與原生對照顯著性差異(p<0.05)。土壤速效鉀含量在46.30～530.39 mg/kg之間變化，浮動范圍較大，且JK5與原生對照顯著性差異(p<0.05)。6處金礦生態恢復區土壤表層 (0—10 cm)與深層(10—20 cm)之間，整體表現為差異不顯著(p>0.05)，且同一礦區分層土壤間土壤理化性質含量無明顯垂直變化規律。

綜上所述，在金礦開采以后的后期生態修復過程中，將在一定范圍內導致土壤養分含量的損失，尤其降低土壤有機質、總氮、全鉀的含量，其中對有機質的影響最大，會影響到土壤肥力以及植物的生長與演替(表3)。

2.3 不同金礦植被特征

研究發現，金礦生態恢復區和原生對照的植物群落組成差異較明顯，其中原生對照植物種類較為豐富，共調查植物25種23屬11科，重要值排在前3的有沙漠絹蒿(Seriphidiumsantolinum)、梭梭(Haloxylonammodendron)、駝絨藜(Ceratoideslatens)，分別為0.236 2，0.223 6，0.214 1，在群落中處于優勢地位，且各物種重要值間差距較小。所有樣地中鹽生草(Halogetonglomeratus)、刺沙蓬(Salsolaruthenica)、沙漠絹蒿(Seriphidiumsantolinum)出現頻次最高，分別為22，20，13次。

金礦生態恢復區共調查植物5種3屬3科，植物組成差異不明顯。其中JK5，JK6植物種類最少，僅為2種，共有種為鹽生草。恢復區植物以藜科為主，常見的有鹽生草、刺沙蓬、梭梭，與原生對照相比植物種簡單、科屬單一。

重要值是以綜合數值表示植物物種在群落中的地位和作用，優勢種對群落的結構和群落環境的形成有明顯控制作用。各恢復區優勢種有一定共性，其中JK1，JK3，JK4金礦優勢種為梭梭，重要值分別為0.631 7，0.822 4，0.451 0；JK2，JK5，JK6優勢種為鹽生草，重要值分別為0.647 4，0.772 9，0.735 1。恢復區優勢種與原生對照有明顯區別，均高于原生對照植物重要值，說明不同礦區之間形成群落復雜水平不同，表明工程措施對群落的復雜程度具有一定得影響，金礦生態恢復區的植物現處于撒播草種的藜科植物為主階段，尚處于向原生生境方向進行進化的階段(表4)。

表3 卡山保護區不同金礦土壤化學性質

表4 卡山保護區不同金礦物種組成及重要值

2.4 植物群落多樣性

由圖1可知，JK5的多樣性指數整體最低，表明JK5的植物群落物種最少，穩定性差。

注：圖中不同小寫字母表示不同金礦植物群落多樣性指數的差異顯著(p<0.05)。

6處金礦生態恢復區的Simpson指數和Shannon指數在所有樣方中出現相同的變化趨勢，為：JK50.05)。結合多樣性指數來看，金礦在恢復過程中，由于時間較短，導致植物群落的多樣性指數低，群落穩定性差。

2.5 土壤理化性質與植物的關系

植物多樣性指數與土壤理化性質間聯系密切。表現為Margalefe指數與土壤電導率、堿解氮間呈極顯著相關關系(p<0.01)，與有效磷間呈顯著負相關關系(p<0.05)。Simpson指數與土壤有機質、有效磷呈極顯著相關關系(p<0.01)，與速效鉀間呈顯著負相關關系(p<0.05)。Shannon指數與有機質、堿解氮間呈極顯著相關關系(p<0.01)，與堿解氮、速效鉀間呈顯著負相關關系(p<0.05)。Pielou指數與有機質、速效鉀間呈極顯著相關關系(p<0.01)。綜上所述，卡山保護區6處金礦生態恢復區的植物群落多樣性指數主要受土壤有機質、有效磷、速效鉀含量的影響，彼此之間聯系緊密(表5)。

表5 卡山保護區金礦恢復區土壤理化性質與植物群落多樣性指數關系

2.6 主成分分析

對于各金礦恢復區進行植物群落多樣性分析、土壤理化性質分析和相關性分析，不能系統地表現金礦修復區的植物群落結構和土壤特性間的不同，利用主成分分析法，運用以上指標進行了綜合評價，篩選出恢復效果較好的金礦生態恢復區，為今后卡山保護區礦區恢復區土壤及植被的恢復提供理論依據(表6)。

表6 卡山保護區金礦恢復區相關性分析總方差解釋

根據表中提取的4個主成分。第一主成分F1，第二主成分F2，第三主成分F3，第四主成分F4分別解釋總數據變異的43.625%，33.081%，13.206%，7.9%。共解釋97.844%的數據變異，較好的解釋了大多數指標的信息。結合4個主成分的系數得分矩陣，對提取到的主成分進行計算得到綜合得分F：

F=(43.625%×F1+33.081%×F2+

13.206%×F3+7.9%×F4)/100%

由表7可知，各金礦生態恢復區的主成分分析綜合得分結果排序依次為：JK6>JK5>JK3>JK1>JK4>JK2。由此可見，JK6(0.542 03)的土壤理化性質和植物群落多樣性得分最高，恢復效果最好，與原生對照最為接近(0.779 13)，其次是JK5(0.280 12)。其余金礦生態修復區的F值較低，說明其植被和土壤的修復效果還需要更長時間來恢復。

表7 卡山保護區各金礦生態恢復區主成分綜合得分

3 討 論

本文通過對卡山保護區6處金礦生態恢復區進行調查，在對土壤理化性質的分析中表明，金礦生態恢復區的土壤pH值>8，為堿性，在5處金礦生態恢復區均有所下降，低于原生對照。研究結果符合保護區地理位置，土壤偏堿性是新疆鹽漬土的一個重要特征，因為新疆是中國鹽漬土集中分布的大區，鹽漬土分布區土壤pH值在8.5以上，鹽基飽和度為100%[17]。土壤電導率在金礦生態恢復區均呈現變小的趨勢。各金礦生態修復區的土壤有機質、總氮含量降低最為明顯，與韓煜等[18]研究結果類似。土壤養分含量減少的情況在各金礦生態恢復區表現不同，例如JK6的土壤總氮的含量下降明顯，JK5的土壤有機質下降明顯，說明進行生態修復措施后，金礦生態恢復區的土壤理化性質受到地理位置等因素的影響，空間差異性較大，彼此間有不同的變化趨勢。礦區生態修復工作通過改良土壤質量來提高土壤養分。在恢復治理時，因伴有肥料的添加等措施，使得檢測出的土壤有效磷、速效鉀等含量較為豐富。土壤理化性質的含量在各金礦生態恢復區中的表現有差距，這也與前期地貌恢復過程中覆土土壤的選擇有關。

本研究中，金礦在進行植被恢復措施后，植物物種數量整體較少，植物組成趨于簡單化，主要以撒播草種的藜科植物占有優勢。原因是藜科植物具有很強的耐鹽堿氮能力，是干旱和養分匱乏的礦區廢棄地進行植被恢復最有效的植物[19]。植物群落物種數的匱乏影響植物多樣性指數，導致Margalef指數、Simpson指數和Shannon指數值較小，與前人結論類似[20]。在對金礦生態恢復區植物群落調查與土壤理化性質測定后發現，植被群落特征與土壤理化特征間關系緊密，植物的生長狀況受土壤有機質、有效磷、速效鉀含量的影響較大，植被與土壤之間是相互影響的。這一結果與李曉娜等[21]在延慶區荒灘地土壤碳氮含量對植物群落多樣性影響的研究結果類似，與韓煜等[18]在勝利煤田得出土壤全鉀和速效鉀的含量是影響群落結構的關鍵因子結論相似。與龔艷賓等[22]研究表明草本植物多樣性受到土壤全鉀、pH值、速效磷的影響接近。

綜上所述，卡山保護區的金礦生態修復工作還需要后期的維護和進一步的完善，在后期繼續關注土壤肥力的提升與土壤結構的改善，及時有效的補充肥料，確保覆土的深度和土壤質量，提高土壤養分含量，繼續選擇耐旱生命力頑強的藜科植物，以利于加速植被恢復的進程與進一步的演替，促進金礦生態恢復區的逐步恢復與可持續發展。

4 結 論

(1) 與原生對照相比，金礦生態恢復區的土壤pH值、電導率、有機質、總氮、全鉀等含量較低。

(2) 與原生對照相比，金礦生態恢復區的植物物種較少，以人為撒播草種的藜科植物占優勢，群落穩定性低。

(3) 與原生對照相比，金礦生態恢復區的植物群落多樣性指數低，與原生對照聯系緊密，植物群落主要受與土壤有機質、有效磷、速效鉀等含量影響。

(4) 通過主成分分析得出，青河大沙溝和富蘊大沙溝的綜合得分較高，恢復效果明顯。