粉煤灰基质调控对天津机场地被植物群落特征的影响

张一岷 ，赵树兰 ，2，多立安 ，2

(1.天津师范大学生命科学学院，天津 300387；2.天津师范大学生物多样性调控与机场鸟击防御研究中心，天津300387)

机场是一个特殊的生态系统，开放的半自然状态形成了机场特殊的植物群落[1].植物群落的异质性、植物与动物的多样性都对机场区域的鸟类多样性和活动模式产生重要影响，在一定程度上也决定了机场范围内飞行器的起降安全[2]，近年来鸟类与飞机相撞成为全球民用航空面临的重大安全问题和经济负担[3-4].目前，国内外对于机场地被植物群落的调控最主要是控制植物的高度，采用低草管理策略控制鸟类数量[5-6]；其次是选择适宜的植物物种，种植适口性低、不吸引鸟类或具有驱虫功效的植物，如喀西茄、薰衣草等[4]；另外，也采用其他的调控方式，如种植含有独特内生菌的草坪草进行调控[7]、对机场草地进行不同程度的火烧[8]等.利用废弃物基质调控机场地被植物研究尚未见报道.

粉煤灰是燃煤火力电厂在生产过程中排出的大量固体废物，国内外对其综合利用主要在建筑工程和基础工程等方面[9]，其次是用于改良和修复土壤[10]、涂料或填料以及污水处理等[11].本研究运用群落生态学的基础理论，利用粉煤灰对天津机场地被植物进行基质调控研究，旨在从植物方面控制鸟类食物源头和改变鸟类栖息、繁殖环境，降低物种多样性，实现植物单一化，进而减少鸟类物种数及数量，降低鸟类对机场安全造成的隐患，为机场经营管理植物群落提供理论依据，同时也为机场鸟击防范工作提供科学依据.

1 研究区自然概况

天津滨海国际机场(北纬 39.07°，东经 117.20°，海拔高度为3 m)位于天津市东丽区机场大道(机场立交南侧)，距天津市中心13 km，距天津港30 km，总占地面积760 hm2，裸地面积460 hm2[12].该地区属暖温带半湿润性大陆季风气候，年平均气温为11.8℃，无霜期一般为188 d，全年降水量500～700 mm，降水主要集中在夏季，占全年降水量的76%左右.春季多风，干旱少雨；夏季炎热，雨季集中；秋季晴朗干燥；冬季寒冷，干燥少雪.机场内植物资源丰富，植被覆盖率高，主要植物种为夏至草(Lagopsis supina)、芦苇(Phragmites australis)、虎尾草(Chloris virgata)、纤毛鹅观草(Roegneria ciliaris)、泥胡菜(Hemistepta lyrata)、阿尔泰狗娃花(Heteropappus altaicus)、中华小苦荬(Ixeridium chinense)、灰绿藜(Chenopodium glaucum)、巴天酸模(Rumex patientia)和独行菜(Lepidium apetalum)等[13].

2 研究方法

2.1 样地设置

样地设在天津滨海国际机场的实验田中，土壤类型为沙壤土，pH为7.95，含水质量分数为11.7%，密度为1.46 g/cm3，有机质含量为28.7 g/kg，全氮含量为2.37 g/kg，速效磷含量为21.43 mg/kg.

实验地分为粉煤灰调控区和对照区两块，总面积约为30 m×20 m.其中，粉煤灰调控区平分成3块，大小为6.7 m×15.0 m.粉煤灰施加量分别为0.83、1.67和2.50 t，分别以LFA、MFA和HFA表示，以不添加粉煤灰的区域为对照区(CK).粉煤灰含有大量碱性氧化物，主要有SiO2(质量分数为40%～60%)、Fe2O3(质量分数为2%～15%)、CaO(质量分数为1%～10%)、Al2O3(质量分数为17%～35%)等，有机质含量为13.54 g/kg，全氮含量为0.24 g/kg，速效磷含量为6.89 mg/kg，pH值为8.76.整个实验区的植被均为自然生长状态.

2.2 植物群落调查

2016年4月至9月，采用样方法对实验区植物进行调查，每个月调查2次.根据群落以低矮草本植物为主的特点，选取面积为1 m×1 m的样方，分别在粉煤灰调控区的高、中、低含量以及对照区各布设3个样方，共12个，记录每个样方内的植物种类、高度、株数以及盖度.由于4月份植物刚开始返青，4、5月份植被盖度不足50%，因此生物量从6月份开始测定，采用完全收获法，于80℃条件下烘至恒重，称其干重.

2.3 植物多样性的计算方法

选用4种常用的物种多样性指数对样地植物群落的多样性进行评价，即Simpson多样性指数(Ds)、Shannon-Wiener多样性指数(H)、Pielou均匀度(J)和Margalef丰富度(R)，计算公式如下：

式中：Pi为物种i的个体在全部个体中的比例Ni/N；Ni为物种i的个体数，N为群落中全部物种的个体数；S为物种数目.

2.4 数据统计分析

采用SPSS 22.0软件对实验数据进行单因素方差分析以检验不同处理之间的差异；利用Microsoft Excel 2010进行图表制作.

3 结果与分析

3.1 植物群落的季相变化

实验区植物群落以连片的草丛植被为主体，一年之内季相变化明显，草层最高在夏秋之间的果期.春季植物刚开始返青，季相特征呈黄、绿相间，对照区(CK)的绿色面积大于粉煤灰调控区.植物在春季和夏季大部分以营养生长为主，表现为葱绿色，低添加量的粉煤灰调控区(LFA)与对照区可见白色、紫色、黄色和粉红色的花朵陆续开放.在秋季，由于大部分植物的叶子枯萎凋落，植被色彩逐渐呈黄色.实验区内有藤蔓植物葎草，其枯萎后茎呈黑灰色，因此对照区与低添加量的粉煤灰调控区冬季呈黄色且少见黑灰色的季相特征，而中、高添加量的粉煤灰调控区季相呈黑灰、黄相间.

3.2 植物群落的种类组成及变化

实验区植物种类共计36种，具体组成如表1所示.由表1可以看出，实验区植被主要由菊科(Compositae，10种)和禾本科(Gramineae，6种)植物组成，大多是路边和田间常见的多年生或一年生杂草，双子叶植物种类多于单子叶植物，主要优势种类有菊科的刺儿菜(CirsiumsetosumWilld.MB.)和阿尔泰狗娃花(Heteropappus altaicus Willd.)、禾本科的碱茅(Puccinellia distans)、纤毛鹅观草(Roegneria ciliaris(Trin.)Nevski)和虎尾草(Chloris virgata Sw.)等.对照区植物共有16科27种，而粉煤灰调控区植物减少到11科22种，且随着粉煤灰添加量的增加植物种类明显减少，其中，LFA区有植物10科19种，MFA区植物减少到5科11种，HFA区则减少到4科8种.有些物种在对照区和粉煤灰调控区均存在，如菊科(Compositae)的刺儿菜(Cirsium setosum(Willd.)MB.)和阿尔泰狗娃花(Heteropappus altaicus(Willd.)Novopokr.)、萝藦科(Asclepiadaceae)的鹅绒藤(Cynanchum chinense R.Br.)、藜科(Chenopodiaceae)的灰绿藜(Chenopodium glaucum Linn.)、大麻科(Cannabaceae)的葎草(Humulus scandens(Lour.)Merr.)等；有些物种仅出现在对照区，如菊科(Compositae)的蒲公英(Taraxacum mongolicum Hand.-Mazz.)和细叶鸦葱(Scorzonera pusilla Pall.)、廖科(Polygonaceae)的萹蓄(Polygonum aviculare Linn.)和巴天酸模(Rumex patientia Linn.)、十字花科(Cruciferae)的小花糖芥(Erysimum cheiranthoides Linn.)和独行菜(Lepidium apetalum Willdenow)、豆科的黄香草木樨(Melilotus officinalis(Linn.)Desr.)、榆科(Ulmaceae)的榆树(Ulmus pumila Linn.)、马齿苋科(Portulacaceae)的马齿苋(Portulaca oleraceaLinn.)等；有些物种在对照区正常生长，在粉煤灰调控区逐渐消失，如紫草科(Boraginaceae)的斑种草(Bothriospermum chinense Bge)、菊科(Compositae)的泥胡菜(Hemistepta lyrata(Bunge))、禾本科(Gramineae)的狗尾草(Setairaviridis(Linn.)Beauv.)和虎尾草(Chloris virgata Sw.)等；有些物种仅生长于粉煤灰调控区，如菊科的鹤虱(Carpesiumabrotanoides Linn.)和旋覆花(Inula japonica Thunb.)、禾本科的碱茅(Puccinellia distans(Linn.)Parl.)等.

表1 试验区植物名录Tab.1 List of plants in the experimental plots

植物群落物种数随时间的变化如图1所示.

图1 植物群落物种数随月份的变化Fig.1 Monthly variation of plant species

由图1可以看出，整个调查期间粉煤灰调控区植物群落的物种数均显著低于对照区(P＜0.05).其中，LFA区物种数随时间一直呈降低的趋势，但均高于MFA和HFA区的物种数；对照区与HFA区物种数的月变化均呈先增加后减少的趋势，6月份达到最大值，分别为20种和8种，HFA区植物群落物种数在9月份仅有3种；MFA区物种数在5月份达到最大值，之后呈缓慢下降趋势.

3.3 植物群落多样性特征

对照区与粉煤灰调控区的植物群落多样性变化如图2所示.

图2 机场植物群落多样性特征变化Fig.2 Variation of plant community diversity in Airport

由图2(a)可以看出，在整个调查期间，对照区植物群落的Margalef丰富度指数显著高于粉煤灰调控区(P＜0.05)，随着粉煤灰添加量的增加，植物群落的丰富度呈下降趋势.对照区的丰富度在5月份达到最大，之后随着观测期的延长呈下降趋势；LFA、MFA和HFA区的丰富度最大值分别出现在4月份、5月份和6月份.由图2(b)可以看出，4—7月份，对照区与LFA区植物群落的均匀度接近(P＞0.05)，MFA区在7—9月份与对照区和LFA区接近，HFA区始终低于对照区和其他实验区.由图2(c)和2(d)可以看出，植物群落的Shannon-Wiener指数和Simpson指数均随着粉煤灰添加量的增加而降低，4—6月份，MFA与HFA区的数值相近，7—9月份，MFA则与LFA区的数值相近.

3.4 植物群落生物量

6—9月份对照区和粉煤灰调控区植物群落生物量如表2所示.

表2 植物群落生物量的变化Tab.2 Change of biomass of plant community g/m2

由表2可以看出，对照区和粉煤灰调控区的植物群落生物量随调查时间均呈增加趋势.粉煤灰调控区植物群落的生物量均低于对照区，且随着粉煤灰添加量的增加生物量呈下降趋势.MFA区和HFA区的生物量相近，二者均显著低于对照区(P＜0.05).与对照区相比，HFA区的生物量在6—9月份期间分别降低了47.3%、41.4%、38.1%和38.4%.

4 讨论与结论

作为机场生态系统的一个重要组成部分，地被植物群落在美化环境方面发挥了很大的作用，且能有效调节机场内的小生态气候，具有吸收水分和融雪的功能.不足之处在于为昆虫、鼠类、野兔和大量的土壤动物提供了食物和栖息场所，从而吸引各种鸟类，尤其是猛禽、鸽子、鸻鹬类、鸥类等来机场取食和停息[14]，对飞机起降造成威胁.因此，对机场地被植物进行调控具有重要意义.从天津滨海国际机场实验区地被植物来看，该地区植物群落组成多数为禾本科和菊科，且双子叶植物物种多于单子叶植物，这与大多数机场的植被调查结果一致[15-16].这是因为禾本科和菊科都是世界性的大科，种类多、分布广、适应性很强.

基质是植被良好生长的物质基础，其理化性质影响植物生长发育，进而影响植物群落的稳定发展[17].在基质中添加粉煤灰会对植物群落产生影响.首先，粉煤灰添加对植物群落的物种组成有一定的影响，本研究结果表明，粉煤灰调控区的植物群落总物种数明显少于未添加粉煤灰的对照区，且随着添加量的增加物种数减少，这可能是由于粉煤灰质地松散，养分含量低，保水保肥能力差[18].禾本科植物中仅有碱茅在HFA区出现，刺儿菜始终占优势，由于刺儿菜叶缘有细密的针刺，会影响和阻碍鸟类及其他生物的生命活动，不利于鸟类的生长发育.其次，基质中添加粉煤灰对植物群落多样性也有一定的影响，从丰富度和均匀度来看，粉煤灰对植物群落的物种丰富度影响较大，添加量较高时对植物群落均匀度也有显著影响.控制植物单一化可以最大限度减少鸟类的数量，植物单一会使以植物为食的鸟类因觅食困难而离去，也将导致以植物为食的昆虫及其他动物单一化，从而使以昆虫等无脊椎动物为食的鸟类离开.对各个月份的物种多样性指数进行比较发现，Shannon-Wiener指数和Simpson指数在全年的变化趋势基本相同，粉煤灰调控区的植物群落多样性显著低于对照区，且随粉煤灰添加量的增加而降低，这可能由于粉煤灰中含有较高的水溶性盐和硼，随着施用量的增加，土壤的碱性和水溶性硼含量增大，土壤全氮含量下降，从而不利于植物生长[19].

生物量作为一种生态表征，不仅可以应用于分析植被生产能力，还可以评价植物群落、种群的构建特征，是生态系统结构和功能的基础，也是生态系统环境质量的综合体现[20].基质添加粉煤灰使黄香草木樨、榆树等盖度和生物量均较大的植物消失，从而显著降低了植物群落的生物量，这可能是由于粉煤灰改变了植物叶片气孔导度和饱和水气压亏缺，导致叶片净光合速率和蒸腾速率降低，进而降低了地上生物量[21].

综上所述，粉煤灰作为废弃物添加到土壤基质中，对机场地被植物群落的物种组成、多样性与生物量均有影响.在物种组成上，粉煤灰调控区比对照区少了5科6种，HFA区植物只有4科8种.随着粉煤灰添加量的增加，植物群落丰富度和多样性呈明显下降趋势，群落生物量也随之降低.因此，土壤基质中添加粉煤灰对机场地被植物群落的调控效果显著.

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