全 文 ：
摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
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摇 摇 第 猿源卷 第 员员期摇 摇 圆园员源年 远月摇 渊半月刊冤
目摇 摇 次
前沿理论与学科综述
土壤大孔隙流研究现状与发展趋势 高朝侠袁徐学选袁赵娇娜袁等 渊圆愿园员冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
能源基地生态修复
我国大型煤炭基地建设的生态恢复技术研究综述 吴摇 钢袁魏摇 东袁周政达袁等 渊圆愿员圆冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
国家大型煤电基地生态环境监测技术体系研究要要要以内蒙古锡林郭勒盟煤电基地为例
魏摇 东袁全摇 元袁王辰星袁等 渊圆愿圆员冤
噎噎噎噎噎噎噎噎噎
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基于 阅孕杂陨砸模型的国家大型煤电基地生态效应评估指标体系 周政达袁王辰星袁付摇 晓袁等 渊圆愿猿园冤噎噎噎噎
西部干旱区煤炭开采环境影响研究 雷少刚袁卞正富 渊圆愿猿苑冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
露天煤矿区生态风险受体分析要要要以内蒙古平庄西露天煤矿为例 高摇 雅袁陆兆华袁魏振宽袁等 渊圆愿源源冤噎噎噎
草原区矿产开发对景观格局和初级生产力的影响要要要以黑岱沟露天煤矿为例
康萨如拉袁牛建明袁张摇 庆袁等 渊圆愿缘缘冤
噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
三七对土壤中镉尧铬尧铜尧铅的累积特征及健康风险评价 林龙勇袁阎秀兰袁廖晓勇袁等 渊圆愿远愿冤噎噎噎噎噎噎噎
某焦化场地土壤中多环芳烃分布的三维空间插值研究 刘摇 庚袁毕如田袁权摇 腾袁等 渊圆愿苑远冤噎噎噎噎噎噎噎噎
个体与基础生态
杉木人工混交林对土壤铝毒害的缓解作用 雷摇 波袁刘 摇 彬袁罗承德袁等 渊圆愿愿源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
基于 啄员缘晕稳定同位素分析的人工防护林大型土壤动物营养级研究 张淑花袁张雪萍 渊圆愿怨圆冤噎噎噎噎噎噎噎
铅镉抗性菌株 允月员员强化植物对污染土壤中铅镉的吸收 金忠民袁沙摇 伟袁刘丽杰袁等 渊圆怨园园冤噎噎噎噎噎噎噎
陕北地区石油污染土壤中不动杆菌属的筛选尧鉴定及降解性能 王摇 虎袁吴玲玲袁周立辉袁等 渊圆怨园苑冤噎噎噎噎
祁连山高山植物根际土放线菌生物多样性 马爱爱袁徐世健袁敏玉霞袁等 渊圆怨员远冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
新疆沙冬青 粤酝和 阅杂耘真菌的空间分布 姜摇 桥袁贺学礼袁陈伟燕袁等 渊圆怨圆怨冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
聚糠萘水剂对不同积温带玉米花后叶片氮同化的影响 高摇 娇袁董志强袁徐田军袁等 渊圆怨猿愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎
内蒙古河套灌区玉米与向日葵霜冻的关键温度 王海梅袁侯摇 琼袁云文丽袁等 渊圆怨源愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
四种类型栓皮栎栲胶含量 尹艺凝袁张文辉袁何景峰袁等 渊圆怨缘源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
食物胁迫对翅二型丽斗蟋飞行肌和繁殖发育的影响 吴红军袁赵吕权袁曾摇 杨袁等 渊圆怨远猿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎
颜色对梨小食心虫产卵选择性的影响 杨小凡袁马春森袁范摇 凡袁等 渊圆怨苑员冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
缓释单萜类挥发物对落叶松毛虫行为及落叶松主要防御蛋白的影响 林摇 健袁刘文波袁孟昭军袁等 渊圆怨苑愿冤噎噎
种群尧群落和生态系统
黄土丘陵沟壑区不同植被恢复格局下土壤微生物群落结构 胡婵娟 袁郭摇 雷 袁刘国华 渊圆怨愿远冤噎噎噎噎噎噎
刺参池塘底质微生物群落功能多样性的季节变化 闫法军袁田相利袁董双林袁等 渊圆怨怨远冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
基于 阅郧郧耘技术的茯砖茶发花过程细菌群变化分析 刘石泉袁胡治远袁赵运林 渊猿园园苑冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
景观尧区域和全球生态
中国区域间隐含碳排放转移 刘红光袁范晓梅 渊猿园员远冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
西南地区退耕还林工程主要林分 缘园年碳汇潜力 姚摇 平袁 陈先刚袁周永锋袁等 渊猿园圆缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
青海湖流域草地植被动态变化趋势下的物候时空特征 李广泳袁李小雁袁赵国琴袁等 渊猿园猿愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎
黑龙江省温带森林火灾碳排放的计量估算 魏书精袁罗碧珍袁孙摇 龙袁等 渊猿园源愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
三峡库区森林植被气候生产力模拟 潘摇 磊袁肖文发袁唐万鹏袁等 渊猿园远源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
三峡水库支流拟多甲藻水华的形成机制 朱爱民袁李嗣新袁胡摇 俊袁等 渊猿园苑员冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
流域库坝工程开发的生物多样性敏感度分区 李亦秋袁鲁春霞袁邓摇 欧袁等 渊猿园愿员冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
城乡与社会生态
基于集对分析的京津冀区域可持续发展协调能力评价 檀菲菲袁张摇 萌袁李浩然袁等 渊猿园怨园冤噎噎噎噎噎噎噎噎
江西省自然保护区发展布局空缺分析 黄志强袁陆摇 林袁 戴年华袁等 渊猿园怨怨冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
鄱阳湖生态经济区生态经济指数评价 黄和平袁彭小琳 袁孔凡斌袁等 渊猿员园苑冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
基于有害干扰的中国省域森林生态安全评价 刘心竹袁米摇 锋袁张摇 爽袁等 渊猿员员缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
期刊基本参数院悦晕 员员鄄圆园猿员 辕 匝鄢员怨愿员鄢皂鄢员远鄢猿圆愿鄢扎澡鄢孕鄢 预 怨园郾 园园鄢员缘员园鄢猿缘鄢圆园员源鄄园远
室室室室室室室室室室室室室室
封面图说院 三峡库区森林植被要要要三峡地区属亚热带区域袁山高坡陡尧地形复杂尧物种丰富袁森林是其最重要的自然资源之一袁
其面积占到库区总面积的 猿苑豫左右袁库区内现有森林可初步分为 圆 个植被型组袁愿 个植被型袁员愿 个群系组袁源源 个群
系袁员园圆个群丛袁主要树种有马尾松尧杉树尧柏树等袁低海拔处多为落叶阔叶林尧常绿阔叶林袁较高海拔分布有针阔混交
林尧针叶混交林尧灌木林等袁人工林主要有经济林尧竹林等遥 对三峡库区森林气候生产力进行模拟袁分析库区森林植
被的生产力并进行预测袁可以为三峡库区的生态建设决策提供科学依据遥
彩图及图说提供院 陈建伟教授摇 北京林业大学摇 耘鄄皂葬蚤造院 糟蚤贼藻泽援糟澡藻灶躁憎岳 员远猿援糟燥皂
第 34 卷第 11 期
2014年 6月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.34,No.11
Jun.,2014
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:国家科技支撑计划课题(2012BAC10B01)
收稿日期:2013鄄11鄄06; 摇 摇 网络出版日期:2014鄄02鄄24
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: xiaofu@ rcees.ac.cn
DOI: 10.5846 / stxb201311062684
高雅,陆兆华,魏振宽,付晓,吴钢.露天煤矿区生态风险受体分析———以内蒙古平庄西露天煤矿为例.生态学报,2014,34(11):2844鄄2854.
Gao Y, Lu Z H,Wei Z K,Fu X,Wu G.Ecological risk receptors analysis of pingzhuang western open鄄cut coal mining area in inner mongolia.Acta Ecologica
Sinica,2014,34(11):2844鄄2854.
露天煤矿区生态风险受体分析
———以内蒙古平庄西露天煤矿为例
高摇 雅1,4,陆兆华2,魏振宽3,付摇 晓1,*,吴摇 钢1
(1. 中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室,北京摇 100085;
2. 中国矿业大学化学与环境工程学院,北京摇 100083; 3. 国家安全生产监督管理总局研究中心,北京摇 100713;
4. 中国科学院大学,北京摇 100049)
摘要:煤矿露天开采行为导致矿区岩体剥离、植被破坏和土壤物理化学性质的巨大改变,对采矿区土壤生态系统造成剧烈扰动,
使其成为水土流失、滑坡等矿区潜在生态风险的主要受体。 以内蒙古平庄西露天煤矿区土壤生态系统为研究对象,通过分析矿
区主要景观单元的土壤理化性质、植被演替规律与土壤线虫群落结构特征,研究其生态脆弱性分布与变化规律。 结果表明矿区
土壤系统的成熟度与稳定度与其形成年限具有相关性,但与农田生态系统和未受扰动的自然生态系统相比,煤矿开采区与排弃
物堆放区的土壤结构较差、土壤肥力偏低、动、植物群落成熟度和稳定性较差。 受土壤养分条件及土壤微生物数量等因素的限
制,其植被自然恢复速度慢,生态系统脆弱,需通过土壤改良、合理选种适生植物、改善土壤养分条件,促进植被重建。
关键词:生态风险; 土壤线虫; 露天煤矿区; 生态恢复
Ecological risk receptors analysis of pingzhuang western open鄄cut coal mining
area in inner mongolia
GAO Ya1,4, LU Zhaohua2,WEI Zhenkuan3,FU Xiao1,*,WU Gang1
1 State Key Lab of Urban and Regional Ecology, Research Center for Eco鄄Environment Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, China
2 School of Chemical and Environmental Engineering, China University of Mining and Technology, Beijing 100083, China
3 National Research Center of State Administration of Work Safety, Beijing 100713, China
4 University of Chinise Academy of Sciences, Beijing 100049, China
Abstract: Open鄄pit coal mining causes rock mass peeling, vegetation damage and of phy鄄chemical properties change of soil.
Severe disturbance makes soil system in mining area the main receptor of soil erosion, landslide and other potential
ecological risks. In this study,soil ecosystem of Pingzhuang western open鄄pit coal mining area in Inner Mongolia was the
research object. To find the distribution and changes of ecological fragility,the main phy鄄chemical properties of soil,the
vegetation succession and the characteristics of soil nematode community structure in mining area were analyzed on
landscape units. The results indicate the relevance between maturity and stability of soil systems and their lives. Compared
with the agro鄄ecosystem and natural ecosystem undisturbed, however, mining areas and dumping sites have poor soil
structure, low soil fertility and less maturity and stability of animal and plant communities. Due to the restriction factors
such as soil nutrient condition and microbial quantity,natural recovery of vegetation in mining area is slow and the ecosystem
is fragile. Soil reformation,plants selection and nutrient conditions improvement should be suitable to reconstruct vegetation.
Key Words: ecological risk;soil nematode;open cast coal mine area;ecological restoration
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摇 摇 自 19世纪 80 年代以来,生态风险评价研究经
历了从环境风险到区域生态风险评价的发展历
史[1],风险受体作为反应生态系统结构和功能的各
种物理、化学、生物因素的影响的重要指标也由单一
受体发展到多受体,评价范围由局地扩展到景观
水平[2]。
露天煤矿对生态环境的严重影响已引起人们的
高度关注, 在研究区煤炭露天开采的行为中,由于
岩体剥离、植被破坏、矸石堆放等原因造成开采区域
内土壤物理化学性质、植被类型以及土壤动物群落
结构的显著变化,由此产生的水土流失、滑坡、重金
属污染等形成区域环境的潜在生态风险[3]。 在生态
风险评价中,人们往往采用 1 个或少数几个物种作
为受体进行评价和研究,但风险受体通常是整个生
态系统。 准确界定风险受体的边界,深入认识和研
究受体的各种属性,包括受体对风险源的响应属性、
受体的自然演替属性等,对生态风险受体空间尺度
的扩展具有重要意义。
本研究在内蒙古平庄西露天煤矿区开展研究工
作,将露天煤矿采场、排矸场、排土场以及周围的村
庄和农田作为研究区域,以煤矿开采行为破坏最严
重的土壤系统作为矿区生态风险受体分析的研究对
象。 该露天矿区土壤属于富钾土壤,土壤相对较高
的钾含量掩盖其它营养元素的相对缺乏,因此本研
究选取土壤总氮、总磷、速效氮、速效磷、自然含水量
及容重为综合评价土壤肥力的受体因子。 露天煤矿
区因采掘活动,导致土壤动物种类、数量急剧减少,
严重缺乏大、中型土壤动物,因此本研究以土壤线虫
为土壤动物的受体因子,对矿区土壤的理化性质、植
物群落演替以及土壤动物群落的分布与变化情况展
开研究,以揭示矿区潜在生态损失,矿区生态恢复提
供科学依据和指导建议。
1摇 研究区域概况
平庄西露天煤矿位于内蒙古自治区东部赤峰市
元宝山区,赤峰中心城区东南 50km,平庄城区西南
4km处,坐落在哈尔脑山下,平庄镇境内,1958 年 8
月开工建设,是我国自行设计的第一座露天矿,最终
开采至 2013 年,露天开采生产能力为商品煤 150
万 t / a。 摇
开采范围,走向长 3.8km,采场宽度 0.7—1.2km,
露煤长度 2.8km,最大降深+311.4m。 现有剥离台阶
5个,采煤台阶 5 个,平均台阶高度 18.10m,三家子
和太平地 2个排土场和一个土杂煤处理场。 两个排
土场占地 13.72km2,其中太平地排土场容量最大,服
务始终,2条排土线,各条排土线均采用电铲排弃方
式。 由于开采时间较早,排土场主要采用自然恢复
的方式,未采取严格的复垦措施,各采样场不同层次
的土壤物质相同。
2摇 研究方法
2.1摇 实地调查
本研究的调查采样时间为 2011 年 7 月,按照景
观生态学的均一性原则,将露天煤矿区内的采场、排
土场、排矸场、矿区内农田和居民区等作为不同的景
观斑块,其中采场、排土场和排矸场形成平台、边坡
相间分布的阶梯式地形。 采场梯田由上至下的形成
时间递减,排矸场和排土场梯田由上到下的形成时
间递增,以不同年代的平台 /边坡的土壤生态系统为
研究对象,测定和分析排矸场、排土场、采场内的风
险分布状况与潜在生态损失。
2.2摇 采样方法
采场北边从底层向顶层选取不同年限 7 个梯田
层,南边排土场由底层到顶层选取不同年限的 5 个
梯田层;排矸场由顶到底选取不同年限的 3 个梯田
层。 用编号 A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7 分别代表采
场北边从底层向顶层年限为 7、10、15、20、25、30、40a
梯田层;B1、B2、B3、B4、B5 代表排土场由底层到顶
层 40、20、10、8、4a限的梯田层;C1、C2、C3 是排矸场
由顶到底 5、12、18a限的梯田层;D、E、F 分别选取了
受人为扰动逐渐递减的矿区农田、村庄周围和远郊
山坡土壤,其中远郊山坡土壤采用距离研究区域
100km以外自然景观未受干扰的山坡土壤作为未受
扰动的自然生态系统土壤。
在样地采集 5 个复合土样,抽样的地点在梯田
层有代表性植被地段随意挑选,每个土样包括 10 个
子样,子样在主取样地点直径 25m以内随机选择[4],
分两层采集土壤(0—5cm,5—10cm),在村庄周围和
远郊山坡随机布点,在农田采用 S 形布点,分层采集
5个复合土壤样本,分别装入布袋中,室内风干进行
理化分析。
其中,土壤含水量采用烘干法,土壤容重采用环
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刀法(一般土层)、挖坑填沙法(土石混合层和矸石
层)测定。 pH 值、有机质、全氮、速效氮、全磷、有效
磷、 全 钾 和 速 效 钾 与 全 钠 分 别 采 用 电 位 法
(GB7859—87)、重铬酸钾氧化鄄外加热法、半微量开
氏法、氯化钾浸提鄄流动分析仪法、酸溶鄄钼锑抗比色
法、碳酸氢钠浸提鄄钼锑抗比色法、氢氟酸鄄高氯酸鄄硝
酸消煮鄄原子吸收分光光度法和乙酸铵浸提鄄火焰光
度法测定[5]。
在每个选定样地全场探查,选定有代表性植被
类型的地段采样调查,随机调查 25 个 1m伊1m样方,
记录每个样方内植物种类、多度、高度、盖度。 其中
植被盖度测定中不分种,采用盖度框法进行测定。
一般采用采样针刺法,如样方框为一个平方米,借助
于钢卷尺和样方框绳上每隔 2.5cm 的标记,用粗约
2mm的细针(针越细结果越准确),按顺序在样方内
上下左右间隔 62.5px的点(共 100 个点)上,从植被
的上方垂直下插,如果针与植物接触,即算作 1 次
“有冶、如没有接触则算“无冶不划记。 最后计算划记
的数次,用百分数表示即为盖度。
类比土壤采集的方法采集分析土壤生物的土
样,装入密封的塑料袋,带回实验室进行鉴别。
2.3摇 数据分析
各年龄段梯田层的土壤质量指标值按照各样地
取平均值,土壤肥力综合评价从土壤物理、化学指标
出发,将所选择指标标准化,并计算主成分的贡献率
和累计贡献率,以各主成分的特征贡献率为权重,加
权计算不同年限层次土壤的综合肥力值[6]。
物种多样性指数采用 Shannon鄄Weiner指数
H = - 移
n
i = 1
pi 伊 lnpi
式中, pi = ni / N ,是第 i物种的个数占物种个体总数
的百分比。
物种均匀度采用 Pielou均匀性指数
E = H / Hmax
式中,H 是 Shannon鄄Weiner 指数, Hmax = log2S ,S 是
物种数目。
物种重要值=(相对密度+相对出现频率+相对
盖度+相对植株平均高度) / 4
线虫群落分析:
线虫属 Shannon鄄Wiener多样性指数
H =- 移
n
i = 1
pi 伊 lnpi
式中, pi 是第 i 个线虫属的个体数占线虫总个体数
百分比[7]。
Bongers提出的成熟性指数(MI),是基于线虫生
活史特征对线虫进行分类,定义为一个样品中线虫
的平均 cp值[8]。 cp值从 1 到 5,线虫的世代时间延
长,繁殖率和产卵数量降低,抗干扰和耐污染能力下
降。 cp鄄1的线虫在食物丰富条件下可以急剧增长,
而杂食、捕食和植食性线虫多属于 cp鄄5的类别。
MI =移
n
i = 1
v( i) 伊 f( i)
式中,v( i)是 i分类的 c鄄p值, f( i)是样本中 i分类的
数量比例。
低 MI的线虫群落中开拓者占优势,出现在高度
变化生境中,高 MI的线虫群落有相对高比例的维持
者,出现在相对稳定生境中。
3摇 结果与分析
3.1摇 矿区土壤物理化学性质
3.1.1摇 矿区土壤容重、含水量与酸碱度
对不同采样斑块土壤 pH 值与土壤容重的分析
结果如图1所示,分析结果表明,在平庄西露天矿
图 1摇 露天煤矿区不同斑块土壤 pH、容重
Fig.1摇 The pH、density of soil in different fragments in open cast coalmine
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区,农田(C)和排土场顶层( B5)土壤容重都低于
1郾 25。 除顶层外,排土场平台土壤容重随年限的增
加逐渐降低,年限最高的底层为 1.65g / cm3,排土场
采用推土犁和推土机平整排土层面,在平台基地上
往复运行作业过程中,大型履带推土机的碾压使得
表土容重增高,导致土壤持水能力下降,地表径流增
大,土壤侵蚀加重,具有高水土流失风险,影响排土
场地基的稳固性,此外,过大的土壤容重,不利于作
物的种植和植物根系发育。
采场和排矸场的容重偏高,都在 1.7 以上,采场
采煤后露出的不同岩土层有砂质页岩、砂岩、泥质和
炭质页岩、砾岩、冲积物和玄武岩,采场平台岩土容
重与本身风化难易程度及采煤后露出表面的年限有
关,岩土易风化、年限长的平台容重较低。
土壤酸碱性对微生物活性、矿物质和有机质转
化有重要作用,同时决定和影响着土壤元素和养分
存在状态、转化和有效性[9]。 土壤 pH值在 6.5 左右
时,各种营养元素的有效性都较高,当 pH>7 时易形
成磷酸钙沉淀,在 pH6.5—8.5 的土壤中钙和镁的有
效性高。 平庄西露天煤矿区除了 A6、B5 层土壤 pH
值略低于 7 外,其它梯田层土壤 pH 值都在 7 以上。
由此可以推测,因燃煤释放的二氧化硫通过气体扩
散和降雨进入土壤使其酸化的影响较小,同时,土壤
pH值与梯田层年限没有明显递变趋势。
3.1.2摇 土壤氮磷钾含量
平庄西露天煤矿区总氮、磷和速效氮、磷含量分
别如表 1 所示。 采场、排矸场和排土场全氮含量在
0.3—0. 6g / kg,按全国土壤分级标准属于第六级
(<0郾 5g / kg)和第五级标准(0.5—0.75g / kg),为缺氮
和极缺氮土壤。 其中采场全部为缺氮土壤,排矸场
所有平台属于极缺氮土壤,农田含氮量中等。
采场土壤速效氮含量从低向高层呈递增趋势,
含量与梯田年限呈正线性相关(R2 = 0.9145),年限
最高梯田层受人类耕作影响作用大,含量最高,为
22.01mg / kg,采场土壤速效氮含量远低于背景和村
庄周围土壤中含量;排土场土壤速效氮除 B4 为表层
覆土外,速效氮含量随梯田年限增加而提高,可能是
由于年限长的梯田层中植物种类多、植被盖度相对
高,氮素主要来源于根瘤菌固定和植物的凋落物。
排矸场 5、12、18a 层土壤速效氮含量分别为 16.91、
21.28、21.98mg / kg,矸石风化前几年速效氮变化较
大,后期几乎没有改变。 农田速效氮属全国土壤养
分分级标准的第三级,肥力中上。
露天煤矿区土壤总磷含量变化不大,范围在
0郾 5—0.6g / kg,属于全国土壤磷元素分级的第四级。
采场土壤速效磷含量为 2.97—5.81mg / kg,速效磷含
量与梯田年限呈线性正相关(R2 = 0.9145);排矸场
速效磷含量与梯田年限呈线性正相关 ( R2 =
0郾 9995);排土场平台土壤速效磷含量表现为不规则
变化。 农田速效磷含量 13.32mg / kg,属全国土壤养
分分级标准的第三级,肥力中上。
钾主要来源于土壤母质。 矿区土壤总钾含量为
8—12g / kg,平均值与农田、远郊土壤总钾含量相差
不大。 其中排矸场梯田层土壤总钾含量与梯田层年
限成反比,可能与降雨淋溶作用有关。 我国土壤速
效钾含量范围在 20—400mg / kg,按照我国养分含量
分级标准,露天矿区土壤属富钾土壤。
3.1.3摇 矿区土壤肥力综合评价
氮、磷、钾是植物生长发育的三要素[10],由于平
庄西露天矿区土壤属于富钾土壤,钾含量对矿区的
生态恢复没有制约作用,另外速效钾变化范围大,为
避免综合评价土壤肥力的过程中,土壤相对较高的
钾含量掩盖其它营养元素的相对缺乏,因此综合评
价未选取钾含量指标。 土壤渗透量与土的孔隙比密
切相关,同种土质的土壤是以在最佳含水量时的土
壤最密实,孔隙比最小,渗透系数也最小。 所以本研
究采用自然含水量作为指标反映土壤空隙状况及性
能,土壤容重反映土壤疏松程度、板结程度、植物扎
根难易程度的指标来反应土壤结构性状况[11]。
各项指标值采用公式 X忆i =
X i - Xmin
Xmax - Xmin
进行无量
纲化,对于适度指标的选取,如容重等的处理,假设
最适值为 a,偏离 a 越大越不好,采用公式 x忆 =
1
0.5 +| a - x |
处理后再进行分析,容重的最适值取
a= 1.2。 运用主成分分析法评价矿区土壤肥力,计算
各层土壤肥力综合指数值。 土壤肥力是土壤的基本
属性和质量特征,它不仅反映了动植物群落与土壤
协调作用的结果,同时也为后续植物群落的演替创
造条件[12]。
农田总氮磷、速效氮磷含量最高,容重为 1,表明
其营养元素、物理结构适合作物的生长,因此肥力指
7482摇 11期 摇 摇 摇 高雅摇 等:露天煤矿区生态风险受体分析———以内蒙古平庄西露天煤矿为例 摇
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数最高;其次是远郊山坡,肥力指数为 1.297。 露天
煤矿区采场各梯田层综合肥力指数由底层向顶层呈
递增趋势,表明岩体剥离后露出的岩土随着年限增
加而日趋变熟,土壤肥力逐渐增加;排土场除第四层
为排弃表土复田用外,年轻的梯田平台表现出很低
的肥力;排矸场土壤肥力指数较低,由底层向顶层综
合肥力指数递减,主要由矸石风化程度及风化物矿
物质含量决定。 与农田、远郊山坡比较,矿区干扰地
肥力指数很低。
表 1摇 煤矿区土壤综合肥力指数值
Table 1摇 Soil integrated fertility index in coalmine
斑块
Patch
总氮
Total nitrogen
总磷
Total
phosphorus
速效氮
Available
nitrogen
速效磷
Available
phosphorus
含水量
Moisture
content
容重
Density
土壤肥力
Soil fertility
A1 0.395 0.455 0.000 0.038 0.000 0.118 0.398
A2 0.426 0.473 0.015 0.000 0.318 0.242 0.561
A3 0.452 0.567 0.071 0.072 0.072 0.191 0.565
A4 0.505 0.553 0.092 0.105 0.301 0.171 0.693
A5 0.505 0.533 0.105 0.159 0.019 0.079 0.588
A6 0.354 0.592 0.149 0.289 0.077 0.159 0.674
A7 0.458 0.589 0.155 0.302 0.491 0.193 0.895
B1 0.446 0.619 0.180 0.078 0.756 0.280 0.924
B2 0.273 0.694 0.155 0.165 1.000 0.238 0.991
B3 0.129 0.653 0.049 0.039 0.445 0.109 0.550
B4 0.385 0.748 0.161 0.059 0.913 0.088 0.939
B5 0.000 0.721 0.039 0.038 0.104 0.895 0.585
C1 0.199 0.711 0.100 0.184 0.008 0.060 0.521
C2 0.284 0.877 0.147 0.228 0.007 0.001 0.653
C3 0.268 0.717 0.154 0.269 0.753 0.170 0.938
D 1.000 1.000 1.000 1.000 0.836 1.001 2.402
E 0.145 0.000 0.327 0.158 0.520 0.489 0.631
F 0.524 0.494 0.451 0.546 0.724 0.389 1.297
3.2摇 矿区植被组成及动态
3.2.1摇 植被组成
表 2至表 5 分别表现了露天煤矿区采场、排土
场、矸石山不同年限的梯田层及周围农田、村庄和背
景的植被组成与演替规律。 其中,露天煤矿区采场
多年 生 植 物 25 种, 占 总 数 的 29. 76%; 菊 科
(Asteraceae)、豆科(Fabaceae)、禾本科(Poaceae),三
科合计占总数的 52.38%。 随着梯田年限的增加,入
侵定居植物种总数从 26 种逐渐增加到 48 种,植物
群落组成趋于复杂。 与采场植物相比较,排土场植
物群落中多年生植物种数比例较高。
表 2摇 采场不同年限梯田层中植被组成变化
Table 2摇 The change of plant composition in different aged terraces in open鄄pit
梯田层年限 / a
Terraced layers life
科
Familia
种
Species
1年生植物
Therophyte
多年生植物
Perennial
主要科的物种数 Number of species
菊科
Asteraceae
禾本科
Poaceae
豆科
Fabaceae
7 12 26 19 7 5 4 6
10 14 27 21 6 8 5 5
15 10 26 19 7 8 6 4
20 10 30 19 11 9 6 6
25 10 32 20 12 5 5 6
30 14 38 26 12 12 7 5
40 17 48 35 13 10 7 6
合计 Total 23 84 59 25 21 10 13
8482 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
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表 3摇 排土场不同年限梯田层中植被组成的变化
Table 3摇 The change of plant composition in different aged terraces in waste dump
梯田层年限 / a
Terraced layers life
科
Familia
种
Species
1年生植物
Therophyte
多年生植物
Perennial
主要科的物种数 Number of species
菊科
Asteraceae
禾本科
Poaceae
豆科
Fabaceae
4 13 17 13 4 2 3 0
8 8 19 13 6 4 4 2
10 10 31 20 11 8 7 4
20 19 40 25 15 8 5 7
40 17 48 27 21 12 8 8
合 计 23 63 37 26 15 8 11
表 4摇 不同年限排矸场梯田层中植被组成的变化
Table 4摇 The change of plant composition in different aged terraces in gangue hill
梯田层年限 / a
Terraced layers life
科
Familia
种
Species
1年生植物
Therophyte
多年生植物
Perennial
主要科的物种数 Number of species
菊科
Asteraceae
禾本科
Poaceae
藜科
Chenopodiaceae
5 12 27 21 6 8 5 3
12 13 25 16 9 7 4 3
18 11 27 19 8 7 6 3
合计 Total 18 40 27 13 10 7 3
表 5摇 农田、村庄周围、背景植被组成
Table 5摇 The plant composition in farmland, village and background
地点
Location
科
Familia
种
Species
1年生植物
Therophyte
多年生植物
Perennial
主要科的物种数 Number of species
菊科
Asteraceae
禾本科
Poaceae
豆科
Fabaceae
农田 Farmland 16 34 24 10 6 5 3
村庄边 Village side 14 32 21 11 9 5 3
背景 Background 20 61 40 21 15 12 13
摇 摇 露天煤矿采场和排土场随着梯田平台年限的增
加,植物物种数明显增加,植物群落组成趋于复杂。
其中排土场低年限到高年限平台中多年生植物占总
物种数的比例依次为 23.5%、31.6%、35.5%、37.5%、
43.8%,一般地说,多年生植物比例高的群落相对 1、
2年生植物占主体的群落更稳定。
采场和排土场植物群落形成这种规律的可能原
因是,采场和排土场表层的组成物质是采场地表下
数十米和上百米深处的土状物质与岩石,不利于生
物生长或生存,在这种恶劣条件下 1 年生植物占优
势,随着时间推移,表层生土在生物及非生物作用下
逐渐熟化,土壤理化性质得到改善,入侵植物种数相
应增多,有利于竞争力和存活力高的多年生植物种
类定居。
排矸场自然定居植物与排土场植物相比较,物
种数量低,且变化不大,这是因为矸石风化物颗粒粗
且养分含量少,夏季高温度易于灼伤植物根系,这些
都是限制植物生长的主要因子。
农田、村庄周围及远郊山坡与采场、排土场、排
矸场植被相比较,其植物群落中豆科类相对优势度
较高,豆科植物的固氮作用能有效地提高土壤中氮
素的含量,改善土壤营养条件,促进植被演替。 其中
不同的是, 远郊山坡植被中多年生植物芦苇
(Phragmites communis)为占绝对优势的物种,芦苇草
群落是湿生演替系列的重要组成部分,生境中土壤
水分优越的条件适合芦苇的繁衍。
3.2.2摇 矿区植物群落演替
根据矿区各研究样地的植被调查结果,计算各
样地主要物种重要值,研究结果表明:采场 7、10a 梯
田层水稗草(Echinochloa ispidula)重要值远高于其
它物种; 15a 到 30a 梯田层植物群落以狗尾草
(Setaria viridis)占优势;40a 梯田中多年生披硷草
9482摇 11期 摇 摇 摇 高雅摇 等:露天煤矿区生态风险受体分析———以内蒙古平庄西露天煤矿为例 摇
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(Clinelymus dahuricus)为优势度最高的物种(表 6)。
尽管采场始终受到人类密集而频繁的活动影响,但
植被仍表现出从 1年生优势群落向多年生植物群落
方向演替。
排土场相对受干扰较少,其不同梯田植被是由
先锋种入侵、定居、群聚、竞争而形成,具有原生演替
的特征,根据群落建群种的不同,分为 3 种演替植物
群落类型:蒺藜群落、水稗草群落、披硷草群落。 由
于排土场年限 8a 层是矿区为复田而覆盖表土的梯
田层,其土壤内部可能含有相对丰富的种子库,且土
壤理化性质与其它年限梯田层的混排岩土差异很
大,不能够表现出土壤和植被的原生演替,将其作为
对照层。
表 6摇 排土场不同年限梯田层植物种的重要值
Table 6摇 The key values of plant species in deferent aged terraces in waste dump
梯田层年限 Terraced layers life
摇 摇 4a 摇 摇 10a 摇 摇 20a 摇 摇 40a 摇 摇 对照 8
蒺藜 37.12
猪毛菜 22.80
水稗草 22.00
马齿苋 6.91
披硷草 3.04
狗尾草 2.05
野燕麦 1.79
苋菜 0.68
水稗草 20.68
大籽蒿 8.66
黄蒿 8.58
狗尾草 7.48
披硷草 6.21
野燕麦 5.94
蒺藜 4.96
猪毛菜 3.32
山黧豆 3.22
苍耳 2.32
黄花草木犀 2.13
水棘针 2.08
地梢瓜 2.02
地瓜儿苗 1.63
地肤 1.45
萝摩 1.36
鸡眼草 1.26
鹅不食 1.19
水稗草 16.19
披硷草 12.54
狗尾草 10.38
黄蒿 9.13
大籽蒿 6.01
家榆 4.91
野燕麦 4.51
山黧豆 4.45
地肤 4.36
大丁草 2.91
黄花草木犀 2.58
鸡眼草 2.48
猪毛菜 2.29
水棘针 1.68
鹅不食 1.42
胡枝子 1.32
地瓜儿苗 0.93
苍耳 0.80
蒺藜 0.26
披硷草 23.81
芦苇 12.66
水稗草 7.46
狗尾草 6.81
黄蒿 5.28
鸡眼草 4.12
家榆 3.78
水棘针 3.43
大籽蒿 2.80
平车前 3.08
野燕麦 2.72
地梢瓜 2.71
蒙古蒿 2.08
黄花草木犀 1.61
野大麦 1.03
苦买菜 0.78
萝摩 0.56
狗尾草 19.32
水稗草 18.39
大籽蒿 13.10
黄花草木犀 8.46
黄蒿 7.58
披硷草 5.43
大丁草 3.64
地瓜儿苗 3.47
地梢瓜 3.09
蒺藜 2.62
山黧豆 1.41
萝摩 0.84
家榆 0.66
地肤 0.54
水棘针 0.53
香薷 0.45
鹅不食 0.39
摇 摇 排土场 4年梯田层中只有 17 种植物(表 4),优
势种大多是低小、耐旱和生活力强的 1 年生草本植
物,群落物种种类少,结构简单,群落具有很大不稳
定性,蒺藜(Tribulus terrestris)优势度极为突出,其余
植物种类的定居和生长受到抑制。 在其它梯田层中
蒺藜重要值很快降低,可见蒺藜可作为平庄西露天
矿排土场生态恢复的先锋种,以迅速提高排土层的
盖度。
10a梯田层中植物种类迅速增长,菊科、豆科和
禾本科种数比例从 29.4%升到 61.3%,与 4a 层植物
相比较,优势度最高物种的重要值有所下降,而亚优
势种重要值的均匀性增加,群落组成与结构稍微复
杂一些。
20a梯田层优势种的重要值比较接近,表明群落
中植物种类通过竞争达到了一定平衡。 几种物种共
为建群种,植物种类分布相对均匀,高物种多样性,
对于外界的干扰有相对高稳定性。
40a梯田层中,优势种由 1年生草本演替为多年
生植物,其中披硷草重要值占绝对优势,表明该层植
物群落有向单优势种群落演替的趋势。
3.3摇 矿区土壤动物
3.3.1摇 矿区土壤线虫群落组成
根据线虫的头部形态学特征和取食生境,将土
壤线虫分成 4 个营养类群:食细菌类(Bacterivores)、
食真 菌 类 ( Fungivores )、 植 物 寄 生 类 ( Plant
parasites)、捕食类 /杂食类 ( Omnivores鄄predators) 线
虫[13]。 露天煤矿区土壤共分离鉴定出土壤线虫 5
目 16 科 28 属,其中植物寄生类群占总数量的
77郾 8%,食细菌类群占 16.64%,食真菌类群与捕食 /
杂食性营养类群分别占 5.80%和 0.39%。
0582 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
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不同年限梯田层以及农田、远郊山坡土壤中线
虫数量及类群构成,如图 2 所示。 采场梯田平台土
壤线虫总数、植物寄生类群线虫数量随着年限而增
加,在 A6和 A7平台线虫数量降低,而食细菌类群和
食真菌类群数量明显的升高。
排土场 B4为排弃表土用以复田层,土壤动物群
落没有被破坏,因此线虫数量较高。 除 B4 层外,排
土场土壤线虫数量随着梯田年限降低而减少,在顶
层平台每千克干土仅 83条,食细菌类群取代植物寄
生类群线虫在数量上占优势。 排矸场土壤线虫总
数、植物寄生类群线虫数量随着梯田平台年限的增
长而增加。 与采场、排土场土壤比较,排矸场土壤线
虫总数最低,其次是农田。
平庄西露天煤矿区不同类群的土壤线虫中,植
物寄生类群的数量占绝对地位,其变化与线虫总数
变化的趋势一致。 其次是食细菌类群数量较多,这
是以细菌为食物的一类线虫,可对土壤中细菌的数
量和活性起指示作用。 微生物行为增加是食细菌组
数量增加的原因,而微生物行为增加是由诸如施肥
或其它导致分解加速的干扰引起的[14]。
食真菌类线虫除在 A3、A5、A7 有较高数量外,
在其它平台都比食细菌类线虫数量低。 在 C / N高的
环境下真菌数量高,真菌降解路线占优势,相应地食
真菌线虫数量多。
图 2摇 露天煤矿矿区土壤中线虫各营养类群数量
Fig.2摇 Abundance of nematode trophic groups in opencast coalmine
1582摇 11期 摇 摇 摇 高雅摇 等:露天煤矿区生态风险受体分析———以内蒙古平庄西露天煤矿为例 摇
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摇 摇 矿区土壤中捕食 /杂食类线虫数量最低。 采场
平台每千克干土只有几条,排矸场土壤中没有发现
捕食 /杂食类线虫,排土场除 B4平台层外,其它梯田
层没有鉴别到捕食 /杂食类线虫,远郊山坡土壤中此
类线虫数量最高,每千克干土达 67条。
捕食 /杂食类群属于次级消费者,主要以原生动
物、线虫等为食,它们被认为在土壤动物群落中行使
了调节功能。 当这类高等线虫首先消失后,系统的
缓冲能力和稳定性可能会下降,此类线虫对污染和
其他干扰最敏感,在受干扰环境中,其密度和多样性
较低。
在远郊山坡土壤中,线虫总数比采场、排土场都
低,但是数量低并不代表线虫群落对土壤过程的影
响降低,因为顶级捕食线虫在远郊山坡含量最高,这
可能使得通过线虫区系和微植物系的物质能量通量
更高。
3.3.2摇 线虫群落指数及其变化
如图 3所示,矿区采场的年轻梯田层线虫成熟
指数较低,随着梯田年限增加逐渐升高,在 A6、A7
层由于受到人类干扰而降低。 排土场生土层(除 B4
外)土壤线虫成熟指数从最年轻梯田层的 1.52 升高
到年限最高梯田层的 1.98,因为高年限的土壤环境
得到了改善,K鄄策略属线虫的数量相应增加。 排土
场 B4层土壤捕食性线虫含量 6 条 / kg 干土,其它生
土平台层没有发现 cp值高的捕食性线虫,说明排土
场土壤环境不稳定或者有其它胁迫因子(如重金
属),这种环境下多存在 cp值为 1和 2线虫。
图 3摇 矿区线虫 shannon指数和成熟指数
Fig.3摇 Shannon diversity index and maturity index of soil nematode in opencast mine
摇 摇 排矸场 C2层 MI 最小,其次是顶层 C1,底层 MI
最大。 原因是煤矸石矿物组成、化学成分各不相同,
其风化物程度、物理、化学性质也不同。 相比较而
言,C2层土壤容重和 pH值较高,抑制了线虫活动。
采场、排土场和排矸场最年轻梯田土壤线虫属
多样性都略高于亚年轻梯田的线虫多样性,这是由
于 C3、C2层线虫数量分别是 C1层数量的 2.8 和 2.4
倍,高数量掩盖了多样性。
农田 MI 值最低,为 1.439,施用农药、化肥以及
每年翻耕,导致了高 cp 线虫的消失。 远郊山坡土壤
中捕食 /杂食类线虫含量高,MI最高,为 2.187。
4摇 讨论
平庄西露天煤矿区采场、排土场及排矸场土壤
结构较差,氮磷含量偏低,生境脆弱,不利于植物生
长,系统抵御生态风险的能力较低。 由于氮元素的
增加仅依赖天然入侵植物的积累作用,因此,增加速
度很慢。 露天煤矿区土壤速效磷含量低,其原因可
2582 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
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能是土壤偏碱性,使得土壤中铁、钙、镁和铝对磷有
强烈的固定作用,尤其矿区土壤铁含量高,磷酸盐大
量地被无定形氢氧化铁吸收,降低了磷有效性[15]。
而排土场平台土壤速效磷含量变化没有趋势,可能
与成土母质有关。
矿区土壤营养元素含量的分布呈现一定规律,
随着梯田年限增加,采场、排土场和排矸场平台的土
壤熟化程度提高,相应地植被结构和土壤生物群落
结构趋于复杂和稳定,采场和排土场年轻平台植物
群落中 1、2年生和多年生植物物种都比年老平台物
种数少,土壤系统生态脆弱程度呈下降趋势,由此推
测,物种总数和多年生物种数的增加与梯田土壤的
熟化程度有关。 但由于仅依赖自然风化作用和天然
入侵植物的积累作用,土壤肥力增长缓慢,需采用相
应的生态恢复手段与土地复垦技术,促进土壤改良
与熟化[16],并在复垦种植中重视氮、磷肥的施用。
排土场不同年限的梯田植被呈现出明显的原生
演替特征,物种重要值的相对大小显示出物种在群
落演替过程中生态位宽度[17],这对于矿区生态恢复
中物种筛选有重要指导意义。 在排土场植被演替过
程中,蒺藜在 4年生梯田层中优势度突出,而在其它
梯田层中的重要值迅速降低,由此可见,在平庄西露
天矿排土场生态恢复中,可将其作为先锋种,以迅速
提高排土层的盖度。 水稗草和狗尾草作为顽固性杂
草,在不同年限梯田中一直保持较高的优势度,刘志
民研究发现,水稗草和狗尾草属于典型的风险分摊
型禾本科植物,在高度干扰的环境中对其后代延续
具有积极作用[18]。 露天煤矿采场、排土场和排矸场
土壤水分、土壤厚度及光照等环境因子对水稗草、狗
尾草种子萌发的共同调节,增大了两物种幼苗在贫
瘠土壤上的生存几率,两者在矿区植物群落演替中
表现出重要的作用,占据重要的功能地位,有助于保
持群落的稳定性。
土壤动物对土壤有机物质分解、养分循环和能
量转化等生态学过程起着重要作用,是土壤肥力形
成和保持的活跃因子,对矿区土壤动物群落的研究
结果表明,从低年限的梯田到高年限的梯田层,土壤
线虫群落的成熟度与多样性增加。 但露天煤矿区土
壤微生物的缺少抑制了营养成分的转化、植物生长
和生态演替,因此自然恢复是很慢的过程,相关研究
结果表明,由于植物种类少,土壤氮、磷等营养物质
贫乏,排土场 40a 梯田层中土壤线虫的总数仍远远
低于荒草地和林地中线虫数量[19]。 从长远看来,矿
区生态恢复的成功依赖于土壤的生物活性,对于排
土场、排矸场等干扰地的生态恢复,不仅仅要恢复地
上部分的植被,还要注重地下部分土壤微生物群落
的恢复,提高土壤生物肥力,增强干扰地土壤中 C、N
等营养元素循环及能量流动。
露天煤矿区表土和原有植被受到彻底破坏,在
矿区特定自然环境下,通过自然恢复来实现生态恢
复是非常漫长的过程,生态系统长期处于脆弱的高
生态风险状态,需通过筛选及合理配置本地耐贫瘠
的先锋植物和适生植物,进行植被重建,加强抚育管
理,缩短演替进程。
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愿圆员猿 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 猿源卷摇
叶生态学报曳圆园员源年征订启事
叶生态学报曳是由中国科学技术协会主管袁中国生态学学会尧中国科学院生态环境研究中心主办的生态学
高级专业学术期刊袁创刊于 员怨愿员年袁报道生态学领域前沿理论和原始创新性研究成果遥 坚持野百花齐放袁百家
争鸣冶的方针袁依靠和团结广大生态学科研工作者袁探索生态学奥秘袁为生态学基础理论研究搭建交流平台袁
促进生态学研究深入发展袁为我国培养和造就生态学科研人才和知识创新服务尧为国民经济建设和发展服务遥
叶生态学报曳主要报道生态学及各分支学科的重要基础理论和应用研究的原始创新性科研成果遥 特别欢
迎能反映现代生态学发展方向的优秀综述性文章曰研究简报曰生态学新理论尧新方法尧新技术介绍曰新书评价和
学术尧科研动态及开放实验室介绍等遥
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编辑部主任摇 孔红梅摇 摇 摇 执行编辑摇 刘天星摇 段摇 靖
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主摇 摇 编摇 王如松
主摇 摇 管摇 中国科学技术协会
主摇 摇 办摇 中国生态学学会
中国科学院生态环境研究中心
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