Characteristics of plant communities in different industrial sites in Nandan Antimony Mining Area
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摘要:
研究锑矿区不同工业场地植被群落特征及其影响因素,对于锑矿区的生态恢复和植被重建具有重要意义。以南丹县五一锑矿各工业场地植物群落为研究对象,并选择锑矿区周边未被破坏的植物群落作为对照区,探究锑矿区不同工业场地(采矿区、冶炼区、尾矿区)植物群落物种组成与多样性及其与土壤因子的关系。结果显示:锑矿区各工业场地群落组成以菊科(Compositae)、禾本科(Poaceae)为主,2科植物在锑矿区工业场地内为群落建群种和优势种。对照区与各工业场地植物群落组成差异显著(P<0.05),冶炼区植物群落组成与采矿区和尾矿区差异显著(P<0.05)。各工业场地优势种的重要值及Margalef指数、Shannon指数均表现为对照区>采矿区>尾矿区>冶炼区(P<0.05),表明冶炼区群落复杂程度最低,群落结构最为简单,生态退化形势较为严重。矿区植物多样性与土壤含水率、pH及有机质、总钾、总氮含量呈正相关,与总磷含量、锑砷含量呈负相关,总锑、总砷和土壤含水率是影响锑矿各工业场地物种多样性的重要限制因子;重金属含量对尾矿区和采矿区植物群落多样性影响最强,土壤含水率对冶炼区影响最强。研究表明,工业场地植物物种数量下降,植被多样性指数降低,采矿等工业活动对矿区生态环境构成一定破坏和干扰,矿区植被恢复方案应考虑矿区场地类型和关键环境变量。
Abstract:It is of great significance to study the characteristics of vegetation communities and their influencing factors in different industrial sites in antimony mining areas for ecological restoration and vegetation reconstruction. The plant communities of various industrial sites of Wuyi antimony mine in Nandan County were taken as the research object, and the undamaged plant communities around the antimony mining area were selected as the control area, to explore the species composition and diversity of plant communities in different industrial sites (mining area, smelting area and tailings area) in the antimony mining area and their relationship with soil factors. The results showed that the community composition of each industrial site of antimony ore was dominated by Compositae and Poaceae, and the two families of plants were the community-building species and dominant species in the industrial site of the antimony mining area. There were significant differences in plant community composition between the control area and each industrial site (P<0.05), and the plant community composition in the smelting area was significantly different from that in the mining area and tailings area (P<0.05). The important values of dominant species, Margalef index and Shannon index of each industrial site were shown as control area > mining area> tailings area > smelting area (P<0.05), indicating that the smelting area had the lowest community complexity and the simplest community structure, and the ecological degradation situation was more serious. Plant diversity in the mining area was positively correlated with organic matter, soil moisture content, pH, total potassium and total nitrogen content, and negatively correlated with total phosphorus, and antimony and arsenic concentrations. Total antimony, total arsenic and soil moisture content were important limiting factors affecting the species diversity of various industrial sites in antimony mines. Heavy metal concentration had the strongest effect on plant community diversity in tailings area and mining area, and soil moisture content had the strongest effect on smelting area. The results show that the number of plant species in industrial sites is decreasing, the vegetation diversity index is decreasing, and industrial activities such as mining have caused great damage and interference to the ecological environment of mining areas. The type of mining site and key environmental variables should be considered in the vegetation restoration plan for mining areas.
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锑(Sb)作为最常用的金属元素之一,用途广泛。我国锑储量相对集中,主要分布在西南地区[1-3]。长期的锑矿开采活动导致矿区生态环境受到破坏,表现在土壤有机质减少、水分保持能力下降、地表植被景观破碎化、生物多样性降低以及植物群落结构单一化等问题[4]。锑可以通过多种方式进入到土壤环境,其中矿业采矿和冶炼过程是土壤中锑/砷污染最重要的来源方式[5-8]。采矿活动产生的固体废物以及锑冶炼过程中产生的尾矿矿渣积累后,通过淋溶和风化作用,会导致锑及其他有毒元素异常释放[4],经过地表水、地下水渗流以及大气沉降等方式传播,进一步扩大污染范围,甚至在植物体内富集,威胁区域生态环境质量和生态安全[9-10]。
锑矿区内工业活动直接或间接地阻碍了矿区植被的生长,其直接影响是使景观破碎化、森林和耕地面积减少,间接影响包括空气污染、土壤侵蚀和生物毒性等,这些影响导致土壤有机质含量降低,重金属含量升高,从而限制了植被的发展[11-13]。学者们对矿区植物群落开展了诸多研究,如李斌等[14]研究发现冷水江采矿废弃地植被以草本为主,草本层明显为优势层,整个废弃地仅有零星的灌木分布,无乔木群落。雷冬梅等[15]认为金属矿区影响植物定居的主要限制因子有土壤贫瘩、重金属污染、土壤物理结构不良、持水能力差。许喆等[16]发现重金属污染使土壤养分发生改变,影响了群落敏感植物的正常生长,造成植物组成单一、植物群落不稳定。因此,对锑矿区的植物群落进行修复亟待解决。
目前,有关锑矿区的植物研究主要集中在单一工业场地,针对矿区整体不同工业场地植被特征的对比及其土壤影响因素研究较为有限。因此,本研究以广西南丹县五一锑矿的3个工业场地(采矿区、冶炼区、尾矿区)为研究区,分析和比较不同工业场地植物群落组成、生物多样性等特征,以及不同土壤环境因子对矿区植物多样性的影响,以期为矿区的植被恢复和环境改善提供理论依据。
1. 材料与方法
1.1 研究区概况
五一锑矿位于广西壮族自治区河池市南丹县境内(110°37'E~111°29'E,25°29'N~26°23'N ),属于亚热带山地气候区,境内多年平均气温16.9 ℃,平均海拔600 m,年均降水量为1 497.9 mm,主要地带性土壤为红壤、水稻土、石灰岩土等[17]。该矿区采用地下开采方式,于2005年停止生产。根据矿山工业类型,将整个矿区分为采矿区、冶炼区、尾矿区3个工业场地,其中冶炼区地表大部分被生产厂房覆盖,尾矿区由锑矿石精选后的矿渣和冶炼后的废渣堆积形成,于2015年在地表覆盖过一层土。在距矿区12 km处选择自然植物群落作为对照区。各工业场地概况如表1所示。
表 1 不同工业场地区域概况Table 1. Overview of different industrial site areas工业场地 经纬度 样地面积/m2 植被类型 采矿区 107°36′48″E,
24°49′53″N15 630 以草本植物为主,常见植物为五节芒(Miscanthus floridulus)、
鬼针草(Bidens pilosa)、葛(Pueraria lobata)冶炼区 107°40′07″E,24°51′08″N 246 016 由人工种植的绿化乔灌和自然生长的草本植物组成,乔灌主要为高山榕(Ficus altissima)、羊蹄甲(Bauhinia purpurea)、夹竹桃(Nerium indicum)、鹅掌柴(Schefflera heptaphylla),
草本植物主要为鬼针草、狗牙根(Cynodon dactylon)尾矿区 107°38′05″E,24°53′34″N 75 605 以草本为主,仅有山黄麻(Trema tomentosa)、盐麸木(Rhus chinensis var. chinensis)、马桑(Coriaria nepalensis)等少量乔灌木,主要草本为五节芒、凤尾蕨(Pteris cretica var. nervosa)、
节节草(Equisetum ramosissimum)对照区 107°37′57″E,
24°58′49″N为自然植被,主要以枫香树(Liquidambar formosana)、苦楝(Melia azedarach)、
盐麸木等乔木为主,草本多为蕨类植物1.2 样地设置与采样
采用样方调查法,以南丹县五一锑矿为研究区,2022年7月对其3个工业场地以及对照区共4个样地进行野外调查,按照网格均匀布点法设置调查点位,并且通过实地调查加以修正,最大限度地包含研究区植物种类(具体调查样点见图1)。在每个调查样点布设1个10 m×10 m的乔木样方,每个乔木样方在其中心位置设置1个5 m×5 m的灌木样方,乔木样方内采用对角线法布设3个1 m×1 m的草本样方。若设置的样点不存在乔灌群落结构,则忽略该层次的调查。根据群落调查要求,分别调查样方内植被种类、盖度、高度、密度、胸径(基径)、冠幅等指标[18]。采用五点采样法采集0~20 cm土层的土样,分别装入自封袋,将土样带回室内测定土壤性质。
1.3 数据处理与分析
1.3.1 重要值计算
采用重要值[19]来衡量物种在群落的优势程度,计算公式如下:
$$ \mathrm{IV}=\left(D_{\mathrm{r}}+H_{\mathrm{r}}+C_{\mathrm{r}}\right) / 3$$ (1) 式中:IV为各物种重要值;Dr为相对多度(相对密度);Hr为相对高度;Cr为相对盖度。
1.3.2 α多样性指数计算
采用Margalef丰富度指数(R)、Shannon-Weiner多样性指数(H)、Simpson 优势度指数(D)、Pielous均匀度指数(J)4个指标来衡量不同样地群落多样性特征[19],计算公式如下:
$$ R=(S-1)/\mathrm{ln}\ N $$ (2) $$ H=-\sum_{ }^{ }P_i\mathrm{ln}\ P_i $$ (3) $$ D= 1- \sum P_{i}^{2 } $$ (4) $$ J=\left(-\sum_{ }^{ }P_i\mathrm{ln}\ P_i\right)/\mathrm{ln\ }S $$ (5) 式中:S为群落中的物种总数目;Pi为属于种i的相对重要值;N为样方物种总个体数。
1.3.3 土壤样品测定
参考《土壤农化分析》(第3版)[20]中的土壤分析方法,测定土壤指标包括土壤pH、含水率(SMC)、有机质(SOM)、总氮(TN)、总磷(TP)、总钾(TK)。其中,土壤pH采用酸度计法测定;土壤含水率采用烘干法;有机质采用铬酸氧还滴定法测定;全氮采用半微量开氏法测定;全磷采用酸溶-钼锑抗比色法测定;全钾采用碱溶-火焰光度法进行测定。
土壤中重金属锑、砷含量测定:称取100 g经预处理后过10目筛的土壤混合样,将样品放入2 L锥形瓶中,按照液固比为10∶1(L/kg)的比例加入萃取剂振荡8 h,之后静置16 h,过0.45 μm微孔膜,收集上清液。采用电感耦合等离子体质谱法(安捷伦7800ICP-MS,日本)对浸出液中重金属浓度进行测定。使用HNO3和HF对样品进行消解后,以土壤成分分析标准物质——石灰岩土(GSS-4)为标准样品进行质量控制,使用ICP-MS测定消解后样品中重金属锑、砷总量 [21]。
1.3.4 统计分析
采用Excel 2019和R软件对数据进行整理和统计分析。对于不满足正态性分布的指标采用对数转化方法,选择单因素方差分析(one-way ANOVA)和LSD多重比较法(α=0.05)分析指标间差异性,若不满足方差齐性的指标采用Kruskal-Wallis 秩和检验。使用vegan程序包进行基于Bray-curtis距离的非度量多维尺度分析(NMDS)和相似性分析(ANOSIM),比较不同工业场地植物群落物种组成。采用R软件和Canoco5.0软件对物种多样性和土壤性质进行Pearson 相关性分析及冗余分析(RDA)。
2. 结果与分析
2.1 不同工业场地植物群落物种组成及分布特征
调查发现,4个样地共有植物78种,隶属51科76属。采矿区共有29种植物,属于18科29属(图2),其中乔木仅有盐麸木1种,菊科禾本科植物种类占所有植物种类的27.6%。冶炼区发现8科10属11种植物,以人工种植的观赏性乔木和小灌木为主。尾矿区共14科17属18种植物,其中乔木有4种,灌木仅有马桑和夹竹桃,草本植物共12种。对照区共43种植物,隶属35科40属,草本以蕨类植物为主,植物种类较多,科属种水平上均高于锑矿区各工业场地。
通过重要值分析(表2)发现,不同工业场地的物种重要值具有差异性。采矿区的优势种为五节芒、鬼针草、葛,其重要值分别为28.72、19.78、11.63。冶炼区内草本仅有4种植物,重要值较大的为鬼针草(53.2)和狗牙根(40.10),乔灌木数量较多,这类现象为人工干预的结果。尾矿区草本五节芒重要值(44.01)最大,相比于凤尾蕨(13.54)差异较大,重要程度远高于其他物种,在群落占据很大优势,为该样地优势种。对照区草本优势种为芒萁和海金沙,重要值分别为15.81、13.39。从各区域物种重要值来看,冶炼区>尾矿区>采矿区>对照区,说明对照区的群落复杂程度最高,冶炼区的最低。
表 2 不同工业场地各层次重要值排名前5的物种Table 2. Top 5 species with important values at different levels in different industrial sites分层 采矿区 冶炼区 尾矿区 对照区 物种 IV 物种 IV 物种 IV 物种 IV 乔木层 盐麸木 100 高山榕 38.11 山黄麻 33.33 枫香树 36.83 羊蹄甲 26.13 盐麸木 25.51 苦楝 13.06 印度榕 22.84 泡桐 21.86 盐麸木 11.19 柳杉 12.91 苦楝 19.29 栓皮栎 11.15 山黄麻 10.48 灌木层 醉鱼草 50 夹竹桃 53.20 马桑 89.66 野蔷薇 27.49 马桑 50 鹅掌柴 36.83 夹竹桃 10.34 鹅掌柴 23.67 红花檵木 9.97 天竺桂 14.21 山茶 12.51 桂花 11.30 草本层 五节芒 28.72 鬼针草 53.28 五节芒 44.01 芒萁 15.81 鬼针草 19.78 狗牙根 40.10 凤尾蕨 13.54 海金沙 13.39 葛 11.63 五节芒 4.68 节节草 11.23 肾蕨 9.08 小蓬草 6.21 钻叶紫菀 1.94 类芦 6.69 金星蕨 8.36 薹草 5.18 粽叶芦 5.96 鳞毛蕨 8.26 注:植物物种对应的拉丁名为印度榕(Ficus elastica)、柳杉(Cryptomeria fortunei)、泡桐(Paulownia fortunei)、栓皮栎(Quercus variabilis)、醉鱼草(Buddleja lindleyana)、红花檵木(Loropetalum chinense f. rubrum)、野蔷薇(Rosa multiflora var. multiflora)、山茶(Camellia japonica)、桂花(Osmanthus fragrans)、天竺桂(Cinnamomum japonicum)、小蓬草(Conyza canadensis)、薹草(Carex Retz.)、钻叶紫菀(Aster subulatus)、类芦(Neyraudia reynaudiana)、粽叶芦(Thysanolaena agrostis)、芒萁(Dicranopteris dichotoma)、海金沙(Lygodium japonicum)、肾蕨(Nephrolepis auriculata)、金星蕨(Parathelypteris glanduligera)、鳞毛蕨(Dryopteris polylepis)。 NMDS结果显示(图3),工业场地内各区域植物群落与对照区植物群落明显分离,分布区基本无重叠,表明工业场地与对照区的物种组成差异较大;采矿区域与尾矿区域的排序椭圆(由ggplot2中stat_ellip95%的置信水平计算得出)相互重叠,表明采矿区与尾矿区无明显差异;在各工业场地植物群落中,采矿区和冶炼区的样点分布较分散,表明其群落具有一定的空间异质性。通过ANOSIM整体相似性分析检验,4个不同区域的植物群落结构组成在整体上存在显著差异(R=0.645,P=0.001),由表3和图3可知,采矿区与尾矿区的植物群落组成相似性最大,无显著性差异(R=0.17,P=0.127);采矿、尾矿区与冶炼区相比,植被组成存在显著差异(P<0.05)。表明矿区植被群落在经过人为扰动后均受到一定程度的破坏。
表 3 组间差异分析Table 3. Analysis of differences between groups样地类型 距离计算方式 R P 采矿区/冶炼区 Bray-Curtis 0.41 0.025 采矿区/尾矿区 Bray-Curtis 0.17 0.127 采矿区/对照区 Bray-Curtis 0.96 0.041 冶炼区/尾矿区 Bray-Curtis 0.76 0.003 冶炼区/对照区 Bray-Curtis 0.94 0.032 尾矿区/对照区 Bray-Curtis 0.78 0.005 注:R可以反映组间与组内比较的差异程度,其取值为(−1,1);R>0,说明组间差异大于组内差异,即组间差异显著;R<0,说明组内差异大于组间差异;R的绝对值越大表明相对差异越大。P越低表明这种差异检验结果越显著,一般以0.05为显著性水平界限。 总体来看,锑矿区植物群落结构与对照区的物种组成差异较大,主要以一年生和多年生草本为主,乔灌木在矿区内零星分布。从科水平上发现不同工业场地的草本优势科组成种类均是以禾本科和菊科植物为主,表明这2科植物在锑矿区工业场地内为群落建群种和优势种,在该环境内生存能力更强。
2.2 不同工业场地下的草本物种多样性
由于锑矿区内植物群落结构主要以草本为主,乔灌木种类较少仅有几株,且草本植物相对于乔灌木对周边环境改变表现得更加敏感,因此分析锑矿区各工业场地草本植物群落物种多样性特征。不同工业场地的草本层物种多样性指数如图4所示。矿区内的工业活动破坏导致草本层中采矿区、冶炼区和尾矿区与对照区相比Margalef指数分别显著下降了50.6%、91.7%、71.5%(P<0.05)。采矿区Shannon指数、Simpson指数与对照区之间差异不显著(P<0.05),说明采矿区通过自然恢复,草本植物群落Shannon指数、Simpson指数恢复到与对照区草本群落接近,但冶炼区和尾矿区与对照区相比,Shannon指数分别显著下降了64.1%、44%(P<0.05)、Simpson指数分别显著下降了47%、29.8%(P<0.05)。不同区域的Pielou指数均值在对照区最大(0.83),高于其他区域,但并未达到显著性差异(P<0.05)。
矿区不同类型的工业活动对草本植物群落的破坏具有差异,冶炼区与采矿区相比,Margalef指数和Shannon指数分别显著下降了83.3%、56.4%(P<0.05)。虽然冶炼区和采矿区相比Margalef指数、Shannon指数和Simpson指数下降,但并未达到显著水平(P>0.05)。综上所述,与对照区相比,不同的工业场地内冶炼区的植被破坏程度最大,其次为尾矿区,采矿区最小。
2.3 不同工业场地土壤性质
通过将土壤中锑、砷含量进行ln转换后,对4个区域的土壤指标进行分析可以看出,矿区工业活动不同,工业场地的土壤性质也随之发生改变,如图5所示。与对照区相比,各工业场地pH和总磷含量无显著性差异(P>0.05),除尾矿区总磷含量偏高外,各工业场地其他土壤养分含量均有所下降,这是因为尾矿区曾经覆过一层土,导致该区域总磷含量有所恢复。其中,采矿区、冶炼区和尾矿区相比于对照区土壤的有机质含量分别显著下降78.02%、76.43%和65.24%(P<0.05),对照区的土壤含水率、总钾和总氮含量显著高于采矿区、冶炼区和尾矿区土壤层(P<0.05)。锑矿区各工业场地之间,除采矿区与尾矿区和冶炼区总钾存在显著差异、尾矿区与采矿区和冶炼区总磷存在显著差异外,其他土壤理化因子在各工业场地间无显著差异(P>0.05)。采矿区和尾矿区的总锑含量相比于对照区分别显著上升94.12%和98.94%(P<0.05)。可见,工业场地的活动会使矿区土壤含水率下降,土壤有机质和总氮含量低于对照区,重金属含量远大于对照区,不同工业场地的锑、砷含量表现为尾矿区>采矿区>冶炼区(P<0.05),呈显著下降趋势。
2.4 草本植物多样性和土壤因子的相关分析
为研究锑矿区植物多样性与土壤因子之间的关系,将各土壤因子与植物多样性分别进行Pearson相关性分析,结果如图6所示。物种多样性4个指数之间呈正相关,Shannon指数、Simpson指数、Margalef指数均与有机质、土壤含水率、pH、总钾和总氮含量呈正相关,与总磷含量、锑砷含量呈负相关。
通过Pearson相关性分析结果可以看出,土壤含水率和重金属浓度与植物物种多样性的关系密切,为了更深入了解植物物种多样性与土壤因子之间的相互作用关系,采用冗余分析(RDA)方法,将2个变量组进行RDA排序分析。结果如图7所示,2个排序轴对草本层植物物种多样性的累计解释率为61.9%。4个多样性指数之间呈正相关关系,沿着排序轴,随着土壤含水率、总氮、总钾和有机质的上升,Margalef指数、Shannon指数和Simpson指数逐渐增加,随着锑、砷含量以及总磷含量降低,植物群落多样性指数增加,这与上述Pearson相关分析的结果基本一致,表明锑矿区不同工业场地植物多样性与土壤环境因子存在明显的相互影响的关系,土壤含水率和重金属含量是影响不同工业场地植物群落物种多样性的主要土壤因子,并且随着土壤性质的变化,不同土壤因子对不同工业场地植物群落多样性的影响程度也会有所不同,重金属含量对尾矿区和采矿区植物群落多样性影响最强,土壤含水率对冶炼区影响最强。
3. 讨论
3.1 不同工业场地植物群落物种组成特征
矿区的开采活动通常伴随着产生大量的污染物,这些污染物会通过沉降等方式进入土壤环境中,造成土壤质量下降、重金属污染等一系列问题[22-25],从而限制矿区植物的生长,导致矿区植物群落受到破坏,植物物种数低于对照区。NMDS结果表明,矿区植被组成存在明显差异,矿区内各工业场地植物群落主要以一年生和多年生草本植物为主,其中采矿区、尾矿区草本植物物种数分别占总物种数的89.66%、66.67%,乔灌木相比于对照区比例减小,这主要是由于锑矿的开采等工业活动导致土层较浅,在重金属毒害以及缺水条件下,幼树苗很难生存[6]。通过大量种子繁殖的一年生草本和多年生草本就有了在锑矿区生长发育的机会,其中多年生草本具有克隆器官,在扰动环境条件下具有较强的耐受性[26]。同工业场地的植物组成主要以禾本科和菊科植物为主,其他科的植物则较为稀少且多为单一种类。Anawar等[27]对黄铁矿废弃地的调查显示,禾本科和菊科植物是废弃地植被的主要构成部分,尤其是禾本科植物。另外,李贵等[28]对铅锌尾矿库的研究结果也证实了这一观点,即禾本科和菊科植物在尾矿库中占据主导地位。此外,周涛等[29]研究发现,草本植物对环境变化有着更强的抵抗力,可能在矿区植物群落中扮演着主导作用,禾本科和菊科植物以其易于存活、耐受性强、适应能力好等特点,在适应土壤质量较差、金属含量较高的生境中表现出较强的生存能力。
南丹锑矿区已经弃置超10年,矿区内的物种是植物与土壤环境长期相互作用的结果[30]。在重金属长期污染下,对重金属污染耐受性强的物种才能存活下来并随着时间的推移成为矿区植物群落的优势种[31]。这些植物特有的耐受性以及生理形态可以使其在重金属污染的矿区内生长发育[32]。通过重要值分析结果,不同工业场地中五节芒、鬼针草、狗牙根、凤尾蕨等草本植物为锑矿区内的优势草本。这与以往报道的锑富集植物主要有白玉凤尾蕨、狗牙根、芒、苎麻等现象一致[33-35]。芒类植物具有生长快、产量高、易繁殖等特点,对水土保持、改善环境具有一定的促进作用[33],库文珍等[36]对冷水江锑矿区的研究表明,芒草的根部以及地上部对锑均有较强的富集能力,且地上部的富集能力大于根部。常香玲[37]对河南某矿区的优势植物富集特征研究发现,五节芒可以作为以生态修复为目的的矿区修复植物。这些耐受性强的本地物种对于锑矿区来说是适宜的植被恢复先锋物种,既能降低土壤中重金属含量,又能提高矿区生物多样性,为其他植物的生长繁殖奠定基础[35,38]。鬼针草作为外来入侵物种,会通过影响养分循环和减少本地植物群落的生物多样性来入侵生态系统并改变其功能和过程[39],因此在今后的修复工作中应当避免。
3.2 不同工业场地物种多样性特征
物种多样性作为植物群落重要的特征之一,是反映植物群落物种的丰富程度和物种组成复杂程度及群落稳定性的重要指标[6,40]。与对照区相比,锑矿区各工业场地的多样性指数均显著下降,这与Liu等[41]研究发现的锰矿尾矿区草本层的Shannon指数和Margalef指数低于对照区的研究结果一致,主要原因是矿区人类活动对生态系统造成较大的干扰[42],锑矿的地下开采、冶炼和尾矿堆渣等活动会导致土壤重金属浓度较高,沉积在土壤中的污染物容易被植物吸附在根部,影响植物的生长发育[16]。研究表明,土壤中重金属不仅可以直接进入植物体内,对植物造成毒害作用,使其死亡,还可以通过降低土壤养分来影响植物正常的生长发育[43]。加之研究区处于喀斯特地貌,土壤结构不稳定,持水能力弱,土壤养分易流失[44]。在环境的胁迫下尤其是重金属的污染,使得锑矿区的原生植被受到严重破坏,矿区内敏感物种数量逐渐减少,仅有能够耐受土壤污染的物种存活下来,造成矿区植物群落物种组成较为简单,植物群落的不稳定,进而降低了植物群落物种多样性。本研究中,Shannon指数、Margalef指数和Simpson指数变化趋势表现为对照区>采矿区>尾矿区>冶炼区,结合植物群落重要值的变化可以看出冶炼区的植物群落破坏程度最大,这与冶炼区冶炼历史较长有关,而且作为锑产品的生产作业区,其土壤缺失,导致该区域的自然植物种类很少,物种多样性指数较低。
3.3 土壤因子对植物多样性的影响
根据RDA和Pearson相关分析结果,可以发现土壤含水率、有机质、总氮和总钾与植物物种多样性指数呈正相关。乔欧盟等[45]对太原市西山矿区进行研究,结果表明,植物多样性指数与土壤含水率、有机质呈显著正相关;金立群等[46]认为在植物生长发育中,氮是不可或缺的重要元素,而氮含量的高低与植被特征密切相关,以上结果与本研究结果一致。土壤中锑、砷含量与物种多样性指数之间呈负相关,随着重金属含量下降,植被开始恢复,土壤理化性质得到改善,植物死亡后形成枯落物,枯落物在土壤中积累、腐解,产生大量的养分,使土壤肥力不断提高,而土壤理化性质得到改善后又促进了植物群落的发育和恢复发展,使群落物种丰富度、多样性得到提高[47-48]。在不同工业场地,土壤因子对植物多样性具有不同程度的影响[49],在尾矿区重金属含量最高,但由于该区域覆过一层土,土壤中总磷含量高于其他2个工业场地,同时相对于采矿区,总钾的含量也较高,此时,植物生长受到重金属含量的限制,五节芒等对重金属具有耐性和抗性的植物成为尾矿区的优势物种长期生存[16]。采矿区的Shannon指数与对照区无显著性差异,但物种组成仍有较大差异,群落组成以草本为主。营养元素和重金属含量对采矿区植物多样性影响最大,成为主要的土壤限制因子,此时植被对养分的需求随着多样性的增加而增加[27]。冶炼区人类扰动程度最大,尽管土壤中重金属含量相对其他2个工业场地较低,但由于土壤含水率较低、土壤缺失等因素,限制了植物的生长发育,导致冶炼区的植物多样性显著降低。土壤含水率与植物群落有着密切关联,含水率降低会造成植物群落物种组成减少、稳定性下降[50]。综上所述,工业场地的植物多样性与土壤环境因子之间关系密切,受到土壤含水率、营养元素含量和重金属含量等土壤因子的共同影响,而土壤因子随着工业场地的不同会对植物群落产生不同程度的影响。土壤含水率和重金属锑、砷含量是限制锑矿区植物群落发展的主要影响因素。
4. 结论
(1)南丹锑矿区不同工业场地的植物群落以草本为主导地位,其中禾本科、菊科植物为矿区内的优势种。锑矿区后续的植被恢复可以在本地植物中适当选择特定的植物物种,如五节芒、狗牙根、凤尾蕨等优势植物作为先锋物种进行修复。根据各区域重要值特征变化情况,可以发现群落复杂程度表现为对照区>采矿区>尾矿区>冶炼区。
(2)与对照区相比,各工业场地Margalef指数、Shannon指数和Simpson指数均显著下降(P<0.05),且表现为采矿区>尾矿区>冶炼区。不同工业场地植物群落物种组成与对照区具有显著的差异,从物种多样性指数可以看出,冶炼区植被破坏程度最大。
(3)矿区草本植物多样性指数与土壤含水率及有机质、总氮、总钾含量呈正相关,锑、砷含量与植物群落多样性指数呈负相关,重金属锑、砷含量和土壤含水率是植物群落重要的限制因子。不同工业场地,土壤性质对植物多样性的影响具有一定的差异,重金属含量对尾矿区和采矿区影响最强,土壤含水率对冶炼区影响最强。
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表 1 不同工业场地区域概况
Table 1 Overview of different industrial site areas
工业场地 经纬度 样地面积/m2 植被类型 采矿区 107°36′48″E,
24°49′53″N15 630 以草本植物为主,常见植物为五节芒(Miscanthus floridulus)、
鬼针草(Bidens pilosa)、葛(Pueraria lobata)冶炼区 107°40′07″E,24°51′08″N 246 016 由人工种植的绿化乔灌和自然生长的草本植物组成,乔灌主要为高山榕(Ficus altissima)、羊蹄甲(Bauhinia purpurea)、夹竹桃(Nerium indicum)、鹅掌柴(Schefflera heptaphylla),
草本植物主要为鬼针草、狗牙根(Cynodon dactylon)尾矿区 107°38′05″E,24°53′34″N 75 605 以草本为主,仅有山黄麻(Trema tomentosa)、盐麸木(Rhus chinensis var. chinensis)、马桑(Coriaria nepalensis)等少量乔灌木,主要草本为五节芒、凤尾蕨(Pteris cretica var. nervosa)、
节节草(Equisetum ramosissimum)对照区 107°37′57″E,
24°58′49″N为自然植被,主要以枫香树(Liquidambar formosana)、苦楝(Melia azedarach)、
盐麸木等乔木为主,草本多为蕨类植物表 2 不同工业场地各层次重要值排名前5的物种
Table 2 Top 5 species with important values at different levels in different industrial sites
分层 采矿区 冶炼区 尾矿区 对照区 物种 IV 物种 IV 物种 IV 物种 IV 乔木层 盐麸木 100 高山榕 38.11 山黄麻 33.33 枫香树 36.83 羊蹄甲 26.13 盐麸木 25.51 苦楝 13.06 印度榕 22.84 泡桐 21.86 盐麸木 11.19 柳杉 12.91 苦楝 19.29 栓皮栎 11.15 山黄麻 10.48 灌木层 醉鱼草 50 夹竹桃 53.20 马桑 89.66 野蔷薇 27.49 马桑 50 鹅掌柴 36.83 夹竹桃 10.34 鹅掌柴 23.67 红花檵木 9.97 天竺桂 14.21 山茶 12.51 桂花 11.30 草本层 五节芒 28.72 鬼针草 53.28 五节芒 44.01 芒萁 15.81 鬼针草 19.78 狗牙根 40.10 凤尾蕨 13.54 海金沙 13.39 葛 11.63 五节芒 4.68 节节草 11.23 肾蕨 9.08 小蓬草 6.21 钻叶紫菀 1.94 类芦 6.69 金星蕨 8.36 薹草 5.18 粽叶芦 5.96 鳞毛蕨 8.26 注:植物物种对应的拉丁名为印度榕(Ficus elastica)、柳杉(Cryptomeria fortunei)、泡桐(Paulownia fortunei)、栓皮栎(Quercus variabilis)、醉鱼草(Buddleja lindleyana)、红花檵木(Loropetalum chinense f. rubrum)、野蔷薇(Rosa multiflora var. multiflora)、山茶(Camellia japonica)、桂花(Osmanthus fragrans)、天竺桂(Cinnamomum japonicum)、小蓬草(Conyza canadensis)、薹草(Carex Retz.)、钻叶紫菀(Aster subulatus)、类芦(Neyraudia reynaudiana)、粽叶芦(Thysanolaena agrostis)、芒萁(Dicranopteris dichotoma)、海金沙(Lygodium japonicum)、肾蕨(Nephrolepis auriculata)、金星蕨(Parathelypteris glanduligera)、鳞毛蕨(Dryopteris polylepis)。 表 3 组间差异分析
Table 3 Analysis of differences between groups
样地类型 距离计算方式 R P 采矿区/冶炼区 Bray-Curtis 0.41 0.025 采矿区/尾矿区 Bray-Curtis 0.17 0.127 采矿区/对照区 Bray-Curtis 0.96 0.041 冶炼区/尾矿区 Bray-Curtis 0.76 0.003 冶炼区/对照区 Bray-Curtis 0.94 0.032 尾矿区/对照区 Bray-Curtis 0.78 0.005 注:R可以反映组间与组内比较的差异程度,其取值为(−1,1);R>0,说明组间差异大于组内差异,即组间差异显著;R<0,说明组内差异大于组间差异;R的绝对值越大表明相对差异越大。P越低表明这种差异检验结果越显著,一般以0.05为显著性水平界限。 -
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