贺兰山采煤迹地先锋乡土物种适生性研究

王兴哲，刘秉儒，高文丽，毛大串

(北方民族大学 生物科学与工程学院，宁夏 银川 750021)

1 引言

我国露天煤矿主要分布在内蒙古、山西、陕西、新疆、青海、宁夏等省区。露天煤矿开采会造成一定程度污染，而当地生态环境一旦破坏很难修复[1]，汝箕沟露天煤矿地处贺兰山腹地腾格里沙漠边缘，属于干旱大陆性气候，煤矿高强度的开采会导致排土场的治理与绿化跟不上维持矿区生态平衡的需求。对于露天煤矿开采而导致的自然生态结构缺损、林地功能退化等问题[2]，根据矿区的自然条件应选用有较强适应性、抗逆性的乡土植物为主要先锋植物[3]。

乡土植物是指经过长期的自然选择及物种演替后，对某一特定地区有高度生态适应性的自然植物区系成分的总称[4]，对于露天采煤迹地这种特殊的裸岩形式乡土植物可以增加植被覆盖度的面积、降低大气粉尘污染，同时植物的根系深深扎入土壤，能提高土地的抗剪强度，减少水土流失，提高边坡稳定性[5]。本文对贺兰山采煤迹地周边所生长的乡土物种进行比较，优选其中适用于矿山生境的生态恢复物种。

2 材料与方法

2.1 实验材料

在汝箕沟露天矿场周边地区选择生长势较好的优势种植物，采集优势种植物的同一生长水平的种子留作盆栽实验，实验用煤渣土土壤取自汝箕沟煤矿排土场。

2.2 实验方法

2.2.1 种子萌发实验

对汝箕沟煤矿及其周围生长的沙蒿(ArtemisiadesertorumSpreng. Syst. Veg)、猪毛蒿(ArtemisiascopariaWaldst. et Kit)、中亚滨藜(AtriplexcentralasiaticaIljin)、盐生草(Halogetonglomeratus)、灰绿藜(ChenopodiumglaucumL)、中亚紫菀木(Asterothamnuscentrali-asiaticus)6种植物成熟的种子进行采集，用0.4%的高锰酸钾消毒25 min，蒸馏水漂洗3～4次，将消毒后的种子每50粒整齐地置入铺有双层滤纸的培养皿中[6]，每种植物设置3个重复，加入蒸馏水至恰好润湿滤纸，置于温度为22 ℃的培养箱中，连续培养10 d并每天统计种子发芽个数，以种子露白芽为发芽标准[7]。每天通过称重法补充减少水分[8]，第10天开始统计总发芽数量。

2.2.2 土壤理化性质分析

将汝箕沟采煤迹地采集的煤渣土土样与风沙土土样进行理化性质分析。土壤全氮采用凯氏蒸馏法测定，土壤水解性氮采用碱解扩散法测定，土壤铵态氮采用氯化钾浸提-靛酚蓝比色法(分光光度法)测定，土壤硝态氮采用紫外分光光度计法测量，土壤有效磷采用钼锑抗比色法测量，土壤pH值采用电位法(水土比为2.5∶1)，土壤有机质采用重铬酸钾容量法-稀释热法测量[9]。

2.2.3 种子盆栽实验

将汝箕沟煤矿排土场采集的煤渣土与风沙土作为土样，用烘箱分别对土样在140 ℃下经行40 min的烘烤，消除土壤种子库。

土壤设置为3组，一组仅装入煤渣土，另一组在装入的煤渣土上覆盖约2 cm厚的风沙土，第3组仅装入风沙土作为对照。选取沙蒿、猪毛蒿、中亚滨藜、盐生草、绿藜、中亚紫菀木六种植物籽粒饱满的种子，运用0.4%的高锰酸钾进行消毒25 min，蒸馏水漂洗3～4次，分别以这3种土壤环境进行盆栽实验，每种环境设置3个重复组，每组均匀种植50粒种子，种子植入深约2 cm，每盆土壤厚度约10 cm，培养在温度约25 ℃的大棚中，连续培养30 d，每24 h记录一次数据，每5 d进行一次补水，每10 d测量一次各植物的胚根长，胚芽长和子叶数。(每组随机选取3株幼苗进行测定，仅选取足够三株幼苗的植物种类进行测定)[8]。

2.3 实验指标

2.3.1 种子萌发指标

发芽率(germination percentage，GP)：

(1)

发芽势(germination energy.GE):

(2)

发芽指数(germination index，GI):

(3)

发芽速度(germination speed，GS)

(4)

式(1)～(4)中:n为试验结束后全部发芽的种子数，N为试验种子总数，nd为基本发芽完毕时间的前1/3时的发芽总数，k表示发芽总天数，nt指第t天的发芽数，Dt为相对应的发芽天数，Gt为第t天的发芽率，D为发芽总时间[8]。

2.3.2 幼苗形态指标

每隔10 d测定一次幼苗形态指标。运用钢尺测量每种植物的培根长与胚芽长，记录幼苗的叶子数(每组随机选取3株幼苗进行测定，仅选取足够3株幼苗的植物进行测定)。

2.4 数据处理

运用Excel和SPSS 22.0经行数据分析。对盆栽实验植物的生长情况以及数据进行统计，做出每个指标的图表，直观的呈现出乡土植物在煤渣土中生长的状况，并对每一品种均进行自然生态价值评价与人工改善矿区环境的可行性分析。

3 结果分析

3.1 煤渣土与风沙土土壤理化性质

风沙土的pH值较高属于偏碱性土壤，煤渣土pH值超过8.5达到8.6±0.10属于强碱性土壤，植物能在煤渣土中有较好长势则说明这种植物有较强的耐碱性能力，同时煤渣土中的全氮、水解性氮、有效磷等养分含量均低于风沙土中的养分含量，而土壤有机质含量远远高于风沙土，这与煤渣土本身的形成特性与形成机理有关。综上所述，煤渣土的生长环境相较风沙土更不适合植物的生长，土壤理化性质的不同也是阻碍露天煤矿生态恢复的条件之一(表1)。

表1 风沙土与煤渣土理化性质

3.2 植物种子发芽率

在培养箱中经行萌发实验结果显示，发芽率最高，达到74.67%。

3.3 不同土壤环境下乡土植物种子萌发

将6种植物的盆栽进行统计，并计算发芽率、发芽势、发芽指数和发芽速度4个指标。

发芽率反映种子发芽能力；发芽势是判断出苗整齐度及健壮度的一项指标[10]；发芽指数一定程度上可反映发芽速度[8]；发芽速度可衡量种子发芽速度和整齐度。

图1 各植物种子发芽率

相关分析结果(表2)表明，灰绿藜与中亚滨藜的种子表现出较高的发芽倾向与较好的发芽率，其种子在渣土中的发芽率达到63.33%，比中亚滨藜的发芽率高出了42%，灰绿藜的发芽率，发芽指数，发芽速度等指标相较于其他植物其优势均十分明显，而中亚滨藜在渣土中的发芽率达到21.33%仅次于灰绿藜，其他植物的种子各项萌发指标数据较低。

表2 不同土样种各植物生长状况

如图2所示，煤渣土与风沙土中的灰绿藜在24 h之后便有大量的种子破土，而混合土中种植的灰绿藜则在48 h之后才开始破土，但混合土中种植的灰绿藜种子的累计发芽率在第4到第6天时大幅增长并在第9天超过煤渣土中的灰绿藜种子累计发芽率。3种土样中的累计发芽率在第15天时基本稳定，实验结束时其风沙土累计发芽率最高，混合土与煤渣土的累计发芽率基本相等。

图2 不同土样中的灰绿藜累计发芽率

由图3所示，中亚滨藜破土时间较晚，第四天开始破土。其破土24 h内的累计发芽率煤渣土>风沙土>混合土，这可能是因为煤渣土的粒径相对于风沙土较大，而中亚滨藜的种子也较大，其种子的萌芽更容易暴露在煤渣土的缝隙中。在3种不同的土样中，风沙土相对于其他两种土样其累计发芽率始终保持较高的增长，在实验结束时风沙土的累计发芽率也远高于混合土与煤渣土中的中亚滨藜累计发芽率。风沙土中的中亚滨藜30 d累计发芽率比煤渣土高出14%比混合土高出16%。

图3 不同土样中的中亚滨藜累计发芽率

由图4、图5可知，猪毛蒿、沙蒿、盐生草、中亚紫菀木4种植物的种子在土样中的累计萌发率较低，在煤渣土中中亚紫菀木的累计萌发率最高仅为8%，而混合土中中亚紫菀木的累计萌发率则达到了25%(表2)，这说明煤渣土上覆风沙土之后再进行播种的方式可以大幅提高中亚紫菀木的累计发芽率。沙蒿种子在培养箱中进行种子萌发实验时的萌发率也较低，因此沙蒿萌发率始终偏低(图1)可能是由于种子的活力本身不高所致，而盐生草和猪毛蒿两种植物在培养箱中进行种子萌发实验时萌发率较高而在土样中发芽率较低可能时由于这两种植物的种子较小，顶土能力较差而无法发芽。

图4 煤渣土中沙蒿、猪毛蒿、盐生草、中亚紫菀木发芽情况

图5 混合土中沙蒿、猪毛蒿、盐生草、中亚紫菀木物发芽情况

6种植物除盐生草外，发芽率普遍表现出风沙土>混合土>煤渣土的特点，但这种特点在灰绿藜种子的萌发中表现的并不明显，灰绿藜种子在这3种不同土制的发芽率几乎相同，且出苗时间短，出苗速度快，出苗后生长快，反映出灰绿藜具有较强的适应性。

3.4 不同土壤环境对不同植物种子根茎生长的影响

每10 d对所种植的植物经行一次根长茎长与叶子数的测量，取样测量后计算平均值，所得数据发现灰绿藜在20～30 d期间根长与叶子数出现了明显的增长，而中亚滨藜的芽长在其他植物始终保持优势，但根长始终短于灰绿藜，在第30天的采样测量中，风沙土中的中灰绿藜在根长和茎长上明显长于混合土与煤渣土中的灰绿藜，且叶片数目与其他两种培养环境下的植株叶片数目具有明显差异(图6)，同时，在煤渣土与混合土中培养的灰绿藜叶片偏红，中亚滨藜的叶子生长较为缓慢，而灰绿藜的叶子始终稳定增长(图7)。

图6 渣土 中亚滨藜

图7 灰绿藜(从左至右：风沙土3株；混合土3株；煤渣土3株)

同时，在对测量植株的观察中发现，生长在渣土与混合土中的植株侧根普遍较少，而风沙土中植株侧根普遍较多，相较于其他植株灰绿藜幼苗具有发达的根系，可以有效矿场防止水土流失。

表3 灰绿藜盆栽生长情况

4 讨论

土壤环境的差异会影响群落演替过程中植物多样性的变化[11，12]。煤渣土保水性差，容易板结，pH值偏高，粒径较大，会抑制种子的萌发。6种植物种子的累计萌发率普遍表现出风沙土>混合土>煤渣土的规律，这种现象也说明在煤渣土上覆风沙土可有效增加种子的累计萌发率。其原因可能与风沙土覆土减少了种子的破土阻力，提高煤渣土保水能力，减少土样的平均粒径，提高土壤中有效磷，水解性氮、硝态氮、全氮、铵态氮等因素有关。

灰绿藜与中亚滨藜种子萌发过程中对温度和水分的适应范围较广均，适合在土壤瘠薄、矿质元素含量较少， 有机质含量低，pH值呈碱性的土壤中生长[13～15]，同时，灰绿藜与中亚滨藜生长迅速并具有一定水土保持能力，是本次实验中所筛选出的作为修复贺兰山采煤迹地的先锋物种各项指标都较高的乡土植物。在本次实验中沙蒿、盐生草、猪毛蒿、中亚紫菀木的发芽率，萌发势等参数较低，但并不代表在这些植物没有改善贺兰山煤矿迹地的潜力。如猪毛蒿种子较多，易于大面积扩散，作为R选择植物，对于采煤迹地的修复具有一定优势。

高强[16]等在乡土植物在城市水土保持与生态修复中的作用及应用前景中指出乡土植物具有较强的适应性和抗逆性、成活率髙、施工成本低等特点，符合节约型社会要求等优势。在本次实验中的六种植物中灰绿藜和中亚滨藜的几个萌发指标都较高，灰绿藜和中亚滨藜生长迅速，较快的生长速度是先锋植物基本特点之一[16]，生长速度较快才能快速的定植于恶劣的环境中。这种特性对采煤迹地的生态演替有一定促进作用，可防止早期的土壤侵蚀、减少水土流失[17]。同时，这两种植物母体植株在贺兰山采煤迹地容易寻找，种源丰富，易于采集，方便管理，成本较低[16]，适合作为先锋物种对贺兰山采煤迹地进行生态修复。灰绿藜和中亚滨藜适应性强、有一定的抗逆能力[16]，并且抗干旱能强，本次实验中每五天进行一次浇水，累计发芽率与发芽势等各项指标依然很高，靠天然降水可以良好生长，减少了人工管理的成本。在对灰绿藜的根长茎长进行测量后发现其根系发达，可在陡坡进行大面积喷播，可减少水土流失，对陡坡地段的土壤侵蚀有一定缓解作用[18]。地下根系对土壤的加筋、锚固作用， 有利于缓解坡面侵蚀、增强其稳定性[19]。在上山采样与挑选种籽时发现灰绿藜每株产种数量大，自行播种面积广，不需要人为播种和授粉，可以进行自然生长。

赵明国等在报道中指出一个地区生物多样性的重要组成是乡土植物[20]。灰绿藜与中亚滨藜的植株在贺兰山采煤迹地都有发现，属于乡土植物，乡土植物适应当地区域的环境特点，非引入植物，不会造成物种入侵。作为乡土植物，当地生态也易于接受，易于维持生态平衡。

综上所述，灰绿藜与中亚滨藜对煤渣土的适应性极强，是本次实验种所筛选的用于改善贺兰山采煤迹地的最佳先锋植物，可用于大面积种植，且作为乡土植物对于当地的生态环境改善与生态环境具有非同寻常的意义和一定的优势，可以大力推广。