全 文 ：铅锌矿渣场植被自然演替与基质的交互效应*
刘鸿雁1,2**摇 邢摇 丹3 摇 肖玖军3 摇 刘摇 方1
( 1 贵州大学资源与环境工程学院, 贵阳 550003; 2 中国科学院南京土壤研究所土壤环境与污染修复重点实验室, 南京
210008; 3 贵州大学农学院, 贵阳 550025)
摘摇 要摇 矿业废弃地生态系统自然恢复的植被演替过程与机理是生态恢复研究的重要内容
之一.以空间代替时间的方法,选择立地条件基本一致的 4 个不同自然恢复年限铅锌矿区为
对象,研究黔西北土法炼锌渣场废弃地植被自然演替与矿渣基质理化性质的交互效应.结果
表明: 随着堆置时间的增加,矿渣基质的营养条件明显得到改善,全氮、全磷和全钾含量极显
著增加, pH上升,电导率下降,容重降低,有效铅和镉显著降低. 同时,随着恢复时间的增长,
植物群落的物种丰富度、多样性指数和均匀度也相应提高.植物群落组成以多年生草本植物
为主,植物群落演替在前 20 年较为缓慢,30 年后植被群落盖度可达到 53% ,超过 40 年盖度
可达 87% .矿渣理化性质与物种多样性显著相关,典型变量分别是全氮、全磷和全钾;物种多
样性指数与有效铅和镉呈显著负相关.土法炼锌渣场废弃地植被自然演替过程在 30 年后速
度加快,植被生长的限制因子是营养供给不足和重金属的有效性高.
关键词摇 铅锌矿渣场摇 基质摇 理化性质摇 植被自然演替摇 物种多样性
*贵州省自然科学基金项目(20072016)和贵州大学引进人才基金项目(700322301)资助.
**通讯作者. E鄄mail: re. hyliu@ gzu. edu. cn
2010鄄04鄄13 收稿,2010鄄09鄄14 接受.
文章编号摇 1001-9332(2010)12-3217-08摇 中图分类号摇 X53摇 文献标识码摇 A
Interactions between natural vegetation succession and waste residue in lead鄄zinc tailings de鄄
posited sites. LIU Hong鄄yan1,2, XING Dan3, XIAO Jiu鄄jun3, LIU Fang1 ( 1College of Resources
and Environmental Engineering, Guizhou University, Guiyang 550003, China; 2Key Laboratory of
Soil and Environmental Bioremediation, Institute of Soil Science Chinese Academy of Sciences, Nan鄄
jing 210008, China; 3College of Agronomy, Guizhou University, Guiyang 550025, China) . 鄄Chin.
J. Appl. Ecol. ,2010,21(12): 3217-3224.
Abstract: Natural vegetation succession process and related mechanism is one of the important re鄄
search contents in ecological restoration of abandoned mining land. Taking 4 lead鄄zinc tailings deposi鄄
ted sites with the recovery time being about 10 years, 20 years, 30 years, and over 40 years under
similar site conditions in northwest Guizhou Province as study areas, this paper studied the interac鄄
tions between the natural vegetation succession and the physicochemical properties of waste residue.
The results showed that with the increasing dumping time of the waste residue, the nutritional condi鄄
tions of base material improved significantly, the total N, P, and K contents and the pH value in鄄
creased, while the EC, bulk density, and especially, available lead and cadmium contents de鄄
creased. Meanwhile, the plant community species richness (S), diversity index (H), and evenness
(J) increased correspondingly with increasing recovery time. The composition of plant communities
was dominated by perennial herbaceous. In the first 20 years of recovery, the vegetation succession
process was very slow, but after 30鄄 and 40鄄year recovery, the vegetation coverage reached 53% and
87%, respectively. Canonical correlation analysis showed that there were significant correlations be鄄
tween base material properties and species diversity, and the canonical variables were the total N, P,
and K contents of base material. The species diversity index was significantly negatively correlated
with the available Pb and Cd contents of base material. The natural vegetation succession process in
the study areas accelerated after 30 years of recovery, and the limiting factors of vegetation recovery
were the nutrient deficiency and the high availability of Pb and Cd in base material.
Key words: lead鄄zinc tailings deposited site; base material; physicochemical property; natural
vegetation succession; species diversity.
应 用 生 态 学 报摇 2010 年 12 月摇 第 21 卷摇 第 12 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Dec. 2010,21(12): 3217-3224
摇 摇 矿山废弃地不仅破坏和占用大量土地资源,还
日益加剧我国人多地少的矛盾. 矿山废弃物的排放
和堆存也带来了一系列影响深远的环境问题. 矿山
废弃地是指采矿剥离土、废矿坑、尾矿、研石和洗矿
废水沉淀物等占用的土地;此外,还包括采矿作业
面、机械设施、矿山辅助建筑物和矿山道路等先占用
后废弃的土地[1] . 据估计,1976—2000 年世界采矿
活动累计占地面积达 37000 km2,相当于整个地球
陆地面积的 0郾 2% ,而矿山的污染范围一般为其占
地面积的 10 倍,即矿山的环境污染面积占地球陆地
面积的 2% [2] .
黔西北土法炼锌具有 300 多年的冶炼历史,盛
行于 20 世纪 80 年代,至 2000 年才基本制止,现有
2000 万 t 废渣,1200 hm2 的渣场废弃地,以及约
10000 hm2 被严重污染的农田土壤[3] . 土法炼锌的
回收率低,其他伴矿重金属 Pb、Cu、Cd 等全部变成
冶炼废渣堆存,冶炼过程中产生大量的有害烟尘,造
成矿区周围土壤、植物、水体的重金属污染[4],铅锌
矿的开采和冶炼会导致地下水污染和水生生态系统
的破坏[5],特别是 Cd的迁移,可通过食物链危害居
民身体健康[6-7] .研究证明,高重金属的铅锌矿污染
区域不适宜于农业生产[8] .众多研究者从重金属的
地球化学行为、渣场基质理化性状和生态恢复等方
面,对土法炼锌污染区进行了全面的调查和研究,取
得了大量的成果.但是,对矿山废弃地的污染治理和
生态修复多数处于研究和实验示范水平,绝大部分
冶炼矿渣、尾矿仍然是野外堆置,其生态恢复处于自
然状态,在不以农用为目的的植物修复中,植被覆盖
能有效减少有害重金属污染土壤、淋失污染水体和
扬尘污染空气[9] .矿山废弃地环境污染的长期和有
效控制必须依赖于自维持生态系统的建立,需要对
废弃地生态系统自然演替过程与机理进行研究. 黔
西北属于海拔较高的高寒山区,本文以空间代替时
间的方法,选择立地条件基本一致的 4 个不同恢复
年限铅锌矿区为研究对象,探索土法炼锌渣场植被
自然演替过程,以及植被与基质环境的交互效应,为
环境风险的评价和预测、环境污染控制和生态系统
恢复提供依据.
1摇 研究地区与研究方法
1郾 1摇 研究区域概况
黔西北是贵州省铅锌矿分布较为集中的区域,
根据当地铅锌矿渣堆置时间的长短选择了立地条件
基本一致的4个矿区,矿区位置见图1 . 4个矿区分
图 1摇 试验采样点示意图
Fig. 1摇 Schematic map of sampling sites.
K1:水城县大湾镇红花岭 Honghualing, Dawan Town of Shuicheng
County; K2:赫章县野马川龙场坝 Longchangba, Yemachuan of
Hezhang County; K3:威宁县金钟镇冒水井 Maoshuijing, Jinzhong
Town of Weining County; K4:赫章县妈姑镇水塘 Shuitang, Magu Town
of Hezhang County.
别是水城县大湾镇红花岭(K1):土法炼锌矿渣堆置
时间为 10 年左右;赫章县野马川龙场坝(K2):废渣
堆置时间为 20 年左右;威宁县金钟镇冒水井(K3):
废渣堆置时间为 30 年左右;赫章县妈姑镇水塘村
(K4):废渣堆置时间大于 40 年. 试验区域地势较
高,夏季温凉,冬季寒冷,均属亚热带季风气候带,4
个矿区都是无人管理荒地,处于自然恢复状态.试验
区域年平均气温 10 益 ~ 13 益,年平均降雨量 1000
~ 1400 mm,海拔 2000 m左右.
摇 摇 4 个矿区均属氧化型铅锌矿山,容矿岩石为白
云岩、白云质灰岩,矿石的组成矿物主要有白铅矿、
铅矾、水锌矿、菱锌矿、异极矿、铅铁矾,常夹少量原
生矿石中的金属矿物残余. 矿石中铅加锌的平均品
位为 14% [10] .土法炼锌采用传统的“马槽炉冶法,将
铅锌矿石和煤混合后装入炮筒状陶罐中进行焙烧,
根据熔点的不同将锌提炼出来. 锌提炼后的残渣即
为渣场的主体废弃物,包括矿渣、煤渣、陶片等,矿渣
中残留大量的重金属如 Pb、Zn、Cu、Cd 等. 据研究,
矿渣中 Pb主要以短柱状的金属 Pb 形式存在,除金
属锌外,Zn 多呈硅锌矿 Zn2 [SiO4]、锰硅锌矿(Zn,
Mn) 2[SiO4 ]、纤维状的丝锌铝石 Zn8Al4 [(OH) 8 |
(SiO4) 5]·7H2O等矿物形式存在,以及含锌的 Fe、
Al玻璃体形式存在[11] .
1郾 2摇 样品采集与测定方法
样品采集于 2009 年 5 月进行,样点采用蛇形布
点法,采集渣场不同位置的 6 个混合样品,取样面积
8123 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 21 卷
约 300 m伊300 m,用 GPS精确定位,所取样品为 0 ~
20 cm的表层基质样品,每个混合样品包括 5 个样
点.样品风干、研磨、过筛. 测定全量的样品磨细过
100 目筛. 基质理化性质包括容重、 pH、电导率
(EC)、阳离子交换量(CEC)、全碳(C)、全量和有效
N、P、K等 11 个理化指标采用《土壤农化分析》 [12]
的常规方法;有效重金属用 DTPA浸提,铅、锌、镉测
定用 AA800 型原子吸收分析仪.
1郾 3摇 植被调查方法与生物多样性统计
根据渣场植物群落结构和分布特点,确定群落
调查所需要的最小样方面积为 1 m伊1 m. 每个矿区
随机选取 10 个样方,分别记录各样方中植物的种
类、各物种的个体数及其盖度,用 DPS 数据处理系
统对调查资料进行统计,得到各群落的物种多样性
指数和物种优势度等参数.
物种丰富度(S)为群落中出现的物种数.
物种多样性指数(H):是综合反映群落物种丰
富度和均匀度的指标,如 Brillouin 指数(H),定义
为:
H = 1N·lb
N!
n1! n2! n3! …
式中:lb是以 2为底的对数;n1 是抽样中第 1个物种
的个体数量;n2 是抽样中第 2个物种的个体数量,以
此类推,N为抽样中所有的个体总和.
Pielou均匀度指数( J):为群落的实测多样性
(H)与最大多样性[Hmax,即在给定物种数(S)下的
完全均匀群落的多样性]之比率.
J=H / Hmax =H / lnS
盖度:统计法(指植物群落总体或各个体的地
上部分的垂直投影面积与样方面积之比的百分
数).
1郾 4摇 数据处理
用 DPS数据处理系统进行生物多样性统计、多
元方差分析和典型相关分析[13] .
2摇 结果与分析
2郾 1摇 不同堆置年限渣场矿渣基质理化性质变化趋势
测定了矿渣的 11 个基本理化指标(表 1),从数
值上看,矿渣的全氮、全磷和全钾含量都极低,全氮
含量仅为 0郾 22 ~ 0郾 82 g·kg-1,其生物有效性也相
应很低,在测定的样品中有超出 80%的速效磷未检
出,因此没有列入统计,说明矿渣供磷能力极差,碱
解氮和速效钾含量也极低. 矿渣是完全不同于土壤
的基质环境,是一种高度不均匀的复杂集合体,主要
由石英、长石、碳酸盐矿物、铁质和铝质的非晶质玻
璃体以及少量风化次生矿物相组成[10],因此供应植
物养分的能力很差.
有机质是衡量土壤养分性状的重要指标.土壤
有机质一般采用重铬酸钾外加热法,测定的是全 C
量,就土法炼锌矿渣来说,新渣中含煤渣,残余较多
C,因此不能按常规方法换算成有机质的量,在堆置
过程中这一指标呈下降趋势,堆置 40 年后全 C 为
11郾 92 g·kg-1,较 10 年矿渣减少了一半,但流失的
是煤渣中的 C.研究区域属高寒山区,有机质的积累
量应大于分解量. 从表 1 可看出,矿渣中全 N、全 P
和全 K都随堆置时间的增长极显著增加,速效 K也
增加,矿渣的养分条件总体呈上升趋势.方差分析表
明,碱解氮差异不显著,容重在不同年限间差异达到
显著水平,其他指标都达到了极显著差异水平.
表 1摇 渣场废弃地矿渣理化指标的多元方差分析
Tab. 1摇 Multivariate variance analysis for properties of waste residue in lead鄄zinc tailings deposited sites (mean依SD, n=24)
指 标
Properties
采样点 Sampling site
K1 K2 K3 K4
F P
容重 Bulk density (g·ml-1) 1郾 20依0郾 06 1郾 09依0郾 11 1郾 05依0郾 11 0郾 95依0郾 20 3郾 84* 0郾 025
pH 7郾 09依0郾 77 7郾 11依1郾 09 8郾 40依0郾 14 8郾 48依0郾 11 7郾 99** 0郾 001
电导率 EC (mS·cm-1) 1郾 58依1郾 04 0郾 75依0郾 56 0郾 26依0郾 03 0郾 23依0郾 02 6郾 79** 0郾 002
阳离子交换量 CEC (cmol·kg-1) 6郾 41依2郾 27 5郾 68依0郾 45 4郾 53依0郾 88 12郾 18依2郾 05 26郾 97** 0郾 000
全碳 Total C (g·kg-1) 24郾 25依1郾 59 22郾 88依0郾 84 22郾 33依0郾 87 11郾 92依0郾 92 159郾 64** 0郾 000
全氮 Total N (g·kg-1) 0郾 22依0郾 02 0郾 24依0郾 05 0郾 27依0郾 04 0郾 82依0郾 15 72郾 39** 0郾 000
碱解氮 Available N (mg·kg-1) 48郾 27依16郾 51 33郾 62依19郾 24 40郾 55依13郾 36 35郾 23依12郾 25 1郾 08 0郾 381
全磷 Total P (g·kg-1) 0郾 26依0郾 11 0郾 24依0郾 17 0郾 52依0郾 16 0郾 91依0郾 09 29郾 58** 0郾 000
全钾 Total K (g·kg-1) 2郾 44依0郾 85 2郾 62依1郾 81 3郾 08依0郾 51 10郾 48依1郾 70 51郾 05** 0郾 000
速效钾 Available K (mg·kg-1) 32郾 88依16郾 78 32郾 28依13郾 59 55郾 50依6郾 86 45郾 15依3郾 65 5郾 60** 0郾 006
* P<0郾 05; ** P<0郾 01郾 K1: 水城县大湾镇红花岭 Honghualing,Dawan Town of Shuicheng County; K2: 赫章县野马川龙场坝 Longchangba,
Yemachuan of Hezhang County; K3: 威宁县金钟镇冒水井 Maoshuijing, Jinzhong Town of Weining County; K4: 赫章县妈姑镇水塘 Shuitang, Magu
Town of Hezhang County. 下同 The same below.
912312 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 刘鸿雁等: 铅锌矿渣场植被自然演替与基质的交互效应摇 摇 摇 摇 摇 摇
摇 摇 随着恢复年限的增加,矿渣容重显著降低,pH
上升趋势明显,电导率降低.矿渣容重降低,从 10 年
的 1郾 20 g·ml-1降至 40 年的 0郾 95 g·ml-1,是由于
在自然恢复过程中有机成分增加,金属矿渣所占比
例下降所致. pH 在恢复过程中增高,这与张汉波
等[14]、Wong等[15]的研究结果不同,其原因是他们
的研究对象是以硫化锌为主要成分的闪锌矿,其尾
矿和矿渣含硫较多,易氧化为酸,而本研究的对象是
氧化型铅锌矿矿渣,主要成分是金属铅锌和锌的硅
氧化物,在堆置过程中没有硫的氧化,相反是碱金属
增加,pH升高.
2郾 2摇 不同堆置年限渣场废弃地基质重金属含量及
其有效性变化
重金属不同形态及分布是评价植物修复效率的
重要指标[16] .据研究,铅锌矿区重金属含量高、污染
严重、迁移性强的典型重金属有 Pb、Zn 和 Cd[17-18] .
研究测定了不同恢复年限矿渣的 Pb、Zn 和 Cd 总量
及其有效形态含量,除有效锌外,其他指标的差异分
别达到显著和极显著水平(表 2).从堆置 10 年的红
花岭到堆置 30 年的冒水井,全量 Pb、Zn 和 Cd 含量
下降,这与其他研究较一致[14-15];但在堆置 40 年的
水塘村重金属含量却最高,全 Pb、Zn 和 Cd 含量分
别达到 13611、7019 和 95郾 18 mg·kg-1,分析其原因
可能有两个:一是水塘村所在的妈姑镇土法炼锌历
史较长,当时炼矿所用的矿石品位较高;二是近 30
年“马槽炉冶炼锌工艺有所改善,金属提取率提高,
残余重金属量降低.从表 2 还可看出,Pb 和 Cd 在堆
置过程中有效性降低,有效 Pb从 232郾 5 mg·kg-1下
降至 27郾 5 mg·kg-1 .铅是较难移动的金属元素,其
有效性与环境 pH、CEC 等因素密切相关[19] . 有效
Cd从 7郾 27 mg·kg-1下降到 2郾 40 mg·kg-1 . Pb 和
Cd有效性降低与两个因素有关:pH 上升,金属有效
性降低;基质中有效态重金属被植物吸附的速率大
于其转化速率.
2郾 3摇 不同恢复年限渣场废弃地植物群落演替状况
2郾 3郾 1 植物群落物种多样性摇 物种多样性是反映植
物群落物种丰富程度及其分布均匀性的综合指标.
全面衡量植物群落物种多样性需要从群落的物种丰
富度、物种多样性指数、均匀度等方面进行探讨. 从
表 3 可以看出,群落总体物种丰富度的变化为水塘
村>龙场坝、冒水井>红花岭,说明随着恢复年限的
增加,植物所处的生境条件得到改善,有利于不同种
类植物的生长.多样性指数也随着恢复年限的增加
而上升,从 2郾 560 增加到 3郾 100,同时均匀度也逐渐
增高.
摇 摇 草本层的变化趋势与群落总体水平相一致,随
着恢复年限的增长,物种丰富度、多样性指数和均匀
度都相应提高.灌木层物种丰富度和均匀度的最高
值出现在龙场坝,可能与渣场中央堆置的矿渣层薄,
有部分土壤裸露有关.
植被群落的盖度能够总体反映不同恢复年限植
被自然恢复的外貌特征. 在自然恢复的前 20 年,植
被恢复的速度较慢,大部分矿渣呈粗骨状裸露,植物
无法生存,渣场的盖度仅为 22% . 随着恢复年限的
增加,矿渣被外来物混合,植被恢复的速度加快,30
年盖度为 53% ,40 年后植被覆盖程度达 87% .谢永
等[20]研究徽县洛坝铅锌矿废渣地植被时发现,11
年废渣地植被总覆盖度不足 20% ,由于立地条件大
体一致,该区域植被恢复状态与本研究区域基本相
似.
摇 摇 植物群落的演进可促进土壤的发育和土壤肥力
的提高,同时,土壤肥力的提高又为生态系统的发育
和演替提供了基础[21] . 在矿渣废弃地,植被群落的
生长促进了矿渣基质环境条件的改善,同时条件改
善又为群落的演替提供基础. 从表 1 可知,40 年后
矿渣的基本理化性质已接近土壤理化性质,与林文
杰[22]在相同区域的研究结果接近. 容重 0郾 95 g·
ml-1可为植物生长提供较好的孔隙环境,CEC达到
表 2摇 铅锌冶炼渣场废弃地重金属的多元方差分析
Tab. 2摇 Multivariate variance analysis for heavy metals (Zn, Pb, Cd) in lead鄄zinc tailing deposited sites (mg·kg-1, mean
依SD, n=24)
指 标
Index
采样点 Sampling site
K1 K2 K3 K4
F P
全锌 Total Zn 5277依1128 4997依2258 4020依2006 7019依574郾 5 3郾 49* 0郾 034
全铅 Total Pb 8751依6500 7866依2567 7164依509 13611依3705 3郾 25* 0郾 043
全镉 Total Cd 67郾 87依33郾 6 65郾 53依37郾 8 31郾 47依8郾 7 95郾 18依22郾 6 5郾 19** 0郾 008
有效锌 Available Zn 113郾 5依4郾 1 112郾 2依45郾 4 101郾 2依26郾 6 107郾 6依14郾 1 0郾 25 0郾 862
有效铅 Available Pb 232郾 5依166郾 0 71郾 58依57郾 2 49郾 92依26郾 2 27郾 50依5郾 0 6郾 60** 0郾 002
有效镉 Available Cd 7郾 27依4郾 9 3郾 58依3郾 3 1郾 80依0郾 4 2郾 40依0郾 2 4郾 07* 0郾 020
0223 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 21 卷
表 3摇 铅锌冶炼渣场废弃地植物物种多样性
Tab. 3摇 Species diversity index of plant community in lead鄄
zinc tailing deposited sites
多样性指数
Species diversity
层 次
Layer
采样点 Sampling site
K1 K2 K3 K4
物种丰富度 玉 10 11 11 14
S 域 8 9 9 11
芋 2 2 2 3
Brillouin指数 玉 2郾 560 2郾 723 2郾 730 3郾 100
H 域 2郾 202 2郾 250 2郾 433 2郾 846
芋 0郾 414 0郾 956 0郾 395 0郾 546
均匀度 玉 0郾 787 0郾 814 0郾 816 0郾 845
J 域 0郾 750 0郾 738 0郾 795 0郾 854
芋 0郾 439 0郾 998 0郾 439 0郾 389
盖度 Coverage (% ) 玉 18 22 53 87
玉:群落 Community;域:草本层 Herbaceous; 芋:灌木层 Shrub.
12郾 18 cmol·kg-1,基质涵养水分和养分的能力提
高,同时 N、P、K的供应也能够基本满足植物生长的
需要,因此植被覆盖率高,植被恢复效果好.
2郾 3郾 2 植被恢复过程中群落物种的组成摇 植被调查
结果显示,土法炼锌渣场共有高等植物 22 种,分属
13 科 21 属(表 4).其中,蕨类植物 2 科 2 属 2 种,即
蕨科蕨属的毛轴蕨(Pteridium revolutum)和木贼科
木贼属的节节草(Equisetum ramosissimum),被子植
物中单子叶植物 1 科 3 属 3 种,即禾本科的甘蔗属
甜根子草(Saccharum spontaneum)、蔗茅属蔗茅(Eri鄄
anthus rufipilus)和狼尾草属长序狼尾草(Pennisetum
longissimum);其余植物均为双子叶植物,共 10 科 16
属 17 种.
在植被恢复过程中,植物群落物种组成随恢复
阶段和群落演替时间的变化而变化.植被恢复初期,
演替时间为 10 年的红花岭群落中有 10 种植物,隶
属 8 科 10 属,恢复时间最长的水塘村植物群落,物
种增加到 9 科 13 属 14 种.
摇 摇 在植被恢复过程中,群落种类组成中多年生草
本植物占绝对优势,共有 12 种,占整个植物种的
54. 55% . 2 年生草本植物种类最少,仅有苦苣菜
(Sonchus oleraceu)、楔叶独行菜 ( Lepidium cunei鄄
forme)两种植物,占整个植物种的 9郾 09% ,多年生草
本植物比 1、2 年生植物具有较强的抵抗环境变化的
能力.对铅锌矿废弃地重金属耐性植物和超积累植
物的研究有一些相关报道,在本研究区域中也调查
到超积累植物南黄堇(Corydalis davidii) [22]和耐性
植物小飞蓬(Conyza canadensis) [23]等.
2郾 4摇 植被自然演替与基质理化性质的交互效应
植被演替受基质环境的影响,同时,又反作用于
环境.典型相关分析方法可从两组变量中筛选出相
关程度高的不同变量线性组合.利用典型相关分析,
分析矿渣基质的容重、pH、EC、CEC、C 和 N、P、K 等
10 个理化指标与植物群落多样性指数 S、H、J 之间
的典型相关关系.
表 5 显示,在矿渣理化性质与物种多样性两组
变量的典型相关关系中,典型相关系数分别是
0郾 988、0郾 836 和 0郾 693,其中,0郾 988 达到极显著相
关水平,0郾 836 在置信度为 93郾 6%水平上显著相关,
说明植被演替与基质理化性质之间存在相关性.
表 6 显示了矿渣理化性质与物种多样性两组变
量在典型相关系数 0郾 988 和 0郾 836 水平上的典型变
表 4摇 铅锌冶炼渣场废弃地植被种类组成
Tab. 4摇 Species composition of plant community in lead鄄zinc tailing deposited sites
采样点
Sampling site
1 年生草本
Annuals
2 年生草本
Biennuals
多年生草本
Perennials
灌 木
Shrubs
K1 小蓬草 Conyza canadensis、土
荆 Chenopodium ambrosioides、
通泉草 Mazus japonicus
楔叶独行菜 Lepidi鄄
um cuneiforme
甜根子草 S. spontaneum、野艾蒿 Artemisia la鄄
vandulaefolia、珠光香青 Anaphalis margarita鄄
cea、毛轴蕨 P. revolutum
大叶醉鱼草 Buddleja
davidii、海桐叶白英
Solanum pittosporifolium
K2 小蓬草 C. canadensis、繁缕
Stellaria media
苦苣菜 Sonchus oler鄄
aceus
甜根子草 S. spontaneum、蔗茅 E. rufipilus、野
艾蒿 A. lavandulaefolia、菊状千里光 Senecio
laetus、蒲公英 Taraxacum mongolicum、毛轴蕨
P. revolutum
大叶醉鱼草 B. davi鄄
dii、三花悬钩子 Ru鄄
bus trianthus
K3 繁缕 S. media 楔叶独行菜 L. cune鄄
iforme
野艾蒿 A. lavandulaefolia、南黄堇 C. davidii、
节节草 E. ramosissimum、甜根子草 S. sponta鄄
neum、黄花蒿 Artemisia annua、珠光香青 A.
margaritacea、长序狼尾草 P. longissimum
大叶醉鱼草 B. davi鄄
dii、接骨草 Sambucus
chinensis
K4 繁缕 S. media 苦苣菜 S. oleraceus、
楔叶独行菜 L. cune鄄
iforme
甜根子草 S. spontaneum、长序狼尾草 P. lon鄄
gissionum、马刺蓟 Cirsium monocephalum、野
艾蒿 A. lavandulaefolia、黄花蒿 A. annua、珠
光香青 A. margaritacea、南黄堇 C. davidii、
毛轴蕨 P. revolutum
大叶醉鱼草 B. davi鄄
dii、海桐叶白英 S.
pittosporifolium、接骨
草 S. chinensis
122312 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 刘鸿雁等: 铅锌矿渣场植被自然演替与基质的交互效应摇 摇 摇 摇 摇 摇
表 5摇 矿渣理化性质与物种多样性典型相关系数的卡方检
验
Tab. 5摇 Chi鄄square test of canonical correlation coefficients
between properties of waste residue and species diversity
典型相关系数
Canonical correlation
coefficient
卡方值
Chi鄄square
value
自由度
df
P
0郾 988** 89郾 1 30 0郾 000
0郾 836* 27郾 8 18 0郾 064
0郾 693 9郾 16 8 0郾 329
表 6摇 矿渣理化性质与物种多样性典型相关分析的典型变
量负荷
Tab. 6 摇 Load value of canonical correlation analysis be鄄
tween properties of waste residue and species diversity
组别
Group
指标
Index
典型相关系数
Canonical correlation coefficient
0郾 988 0郾 836
第 1 组 容重 Bulk density 0郾 024 -0郾 088
pH 0郾 074 0郾 289
EC -0郾 105 -0郾 046
CEC 0郾 008 -0郾 454
全碳 Total C -0郾 969 0郾 202
全氮 Total N 0郾 163 -0郾 455
碱解氮 Available N -0郾 070 0郾 170
全磷 Total P 0郾 084 0郾 338
全钾 Total K 0郾 068 0郾 482
速效钾 Available K -0郾 039 0郾 278
第 2 组 S -0郾 564 -0郾 602
H 0郾 800 0郾 777
J -0郾 206 -0郾 182
量负荷值.在 0郾 988 典型相关的水平上,矿渣基质理
化性质中典型变量负荷值最高的典型变量是全 C
(-0郾 969),其次是全 N(0郾 163),植被群落多样性指
数中负荷最高的是多样性指数 H;在 0郾 836 的水平
上,基质中与植被群落多样性指数呈典型正相关的
变量为全 P和全 K,负荷分别是 0郾 338 和 0郾 482.统
计结果表明,矿渣基质中全 N、P、K与植物群落物种
多样性指数之间呈显著正相关关系,可见营养状况
是影响植被演替的第一要素.
2郾 5摇 植被自然演替与基质重金属的交互效应
矿山废弃地生态恢复受到营养供给的影响,同
时也受到重金属形态和分布的影响. 表 7 是矿渣重
金属与物种多样性指数 S、H、J之间的相关系数.
以往的研究表明,重金属 Cd 对植物生长的影
响较小,主要通过食物链危害人体健康[4,24],植物一
般能够表现出大量积累铅的能力,一定量的铅积累
对植物生长几乎没有负面影响[25] . 从表 7 可知,全
量重金属 Pb、Zn和 Cd与物种多样性的 S、H和 J 之
间普遍呈正相关关系,说明重金属 Pb、Zn 和 Cd 大
部分以矿物态存在,不具备生物有效性,全量重金属
的高含量并不是植物群落生态恢复的限制因子. 但
研究区域的有效 Zn 最高为 113郾 5 mg·kg-1,有效
Cd最高为 7郾 27 mg·kg-1,有效 Pb 最高可达 232郾 5
mg·kg-1,有效 Zn、有效 Pb 和有效 Cd 与 S、H、J 之
间普遍呈负相关关系. 其中有效 Pb 与 H 和 J 的相
关系数分别为-0郾 553 和-0郾 628,达极显著负相关水
平;有效 Cd 与 H、J 的相关系数分别是-0郾 403 和
-0郾 497,达显著负相关水平.
镉胁迫至一定程度可抑制植物酶活性,从而影
响植物正常的生长;铅胁迫至一定程度,可以对植物
的形态、生长和光合作用产生严重的负面影响,导致
酶活性受到抑制,植物失水,细胞膜渗透性改变,扰
乱植物对矿质营养元素的吸收[26-28] . 本研究中,重
金属 Pb和 Cd的有效含量过高,并与物种多样性各
指标之间普遍呈显著负相关关系,研究区域内基质
有效态 Pb和 Cd已影响了植物的正常生长和发育,
进而影响到植物群落的恢复和演替.
3摇 结摇 摇 论
在自然演替过程中,植物群落组成以多年生草
本植物为主,植物生长在前 20 年较为缓慢,30 年后
演替速度加快,矿渣堆置 40 年后基本被植被覆盖.
随着植被的覆盖度增加,植被又反作用于基质,可加
速基质理化性质的改善和降低重金属的生物有效
性,减少重金属对环境的污染.土法炼锌渣场废弃地
植被群落自然演替的限制因子是养分的匮乏和重金
属 Pb和 Cd的高有效性.研究结果为认识矿区植被
自然恢复机制,掌握植物演替的限制因子和恢复阈
值提供了科学依据.矿山废弃地的生态恢复是在自
表 7摇 矿渣重金属浓度与物种多样性的相关系数
Tab. 7摇 Correlation coefficients between heavy metals concentration of waste residue and species diversity (n=24)
指数
Index
全锌
Total Zn
全铅
Total Pb
全镉
Total Cd
有效锌
Available Zn
有效铅
Available Pb
有效镉
Available Cd
S 0郾 462* 0郾 505** 0郾 427* -0郾 052 -0郾 496* -0郾 367
H 0郾 435* 0郾 483* 0郾 394 -0郾 061 -0郾 533** -0郾 403*
J 0郾 337 0郾 397* 0郾 282 -0郾 085 -0郾 628** -0郾 497*
2223 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 21 卷
然恢复的过程与机理等理论研究基础上,建立相关
技术体系,用以指导和恢复因采矿活动所破坏的生
态系统,最终达到环境污染控制、社会经济利用等
目标.
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作者简介 摇 刘鸿雁,女,1969 年生,博士,教授. 主要从事土
壤污染与生态修复研究,发表论文 20 余篇. E鄄mail: re. hyliu
@ gzu. edu. cn
责任编辑摇 肖摇 红
4223 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 21 卷