北京西山废弃采石场生态恢复研究：自然恢复的过程、特征与机制

论文摘要

随着经济的发展和现代化程度的提高,人类对矿产资源的开发利用也与日俱增,开山采石一方面极大地满足了人们物质生产的需求,另一方面造成对景观和自然生态系统的严重破坏,加强对废弃矿区受损生态系统的恢复与重建,已经成为生态学的重要研究课题。本研究以北京市西山（门头沟区）废弃采石场为例,运用空间代替时间的方法,在前期调查的基础上,选择了4个代表不同自然恢复时期的典型样地及1个未受采石影响对照样地,对自然生态恢复过程中土壤特性、植被变化规律、土壤种子库以及群落演替过程中早期物种的消退原因等进行了研究,以丰富恢复生态学的理论和指导生态恢复的实践。通过对废弃采石场自然生态恢复过程中土壤特征和植被特征研究发现:随着生态恢复的进行,土壤厚度、土壤有机质不断积累,土壤粒径、土壤容重、土壤pH值逐渐变小,土壤含水量、土壤全N、土壤全P、土壤全K以及速效N、速效P、速效K的含量逐渐增加,土壤理化性状逐渐得到改善。Pearson相关分析结果显示,群落的物种多样性、物种丰富度和地上生物量分别与其生境中土壤的含水量、容重、粉粒含量、粘粒含量、pH、有机质、全N、全P、全K、速效N、速效K之间存在显著相关（p＜0.05）,其中,与土壤容重、pH分别呈负相关,其余为正的相关。该结果表明,土壤性状的变化与群落结构动态相对应。土壤与植被的相互作用,共同推动着群落的演替。在生态恢复的不同阶段,组成群落的优势物种发生变化,在恢复1年、5年、15年和32年的样地中,优势植物分别为牛筋草（Eleusine indica）、狗尾草（Setariaviridis）、虎尾草（Chloris virgata）和狗尾草、荆条（Vitex negundo var.heterophylla）。随着群落演替的进行,植物群落物种组成、分科及生活型功能群结构也在改变。组成群落的物种数量总体呈增大趋势,在生态恢复过程中科的数目在不断增加,群落组成更加复杂化和多样化。随着生态恢复的进行,一年生植物的重要值逐渐减小,多年生植物和灌木的重要值逐渐增大。乔木在生态恢复的后期虽有零星出现,但所占的比重始终很小,这说明在当地矿区进行生态恢复时仅凭自然力几十年内难以恢复成森林生态系统,要想恢复成生态功能更强的森林生态系统,一定的人工措施是必要的。群落物种多样性、物种丰富度随着演替时间的延长先增加而后保持相对稳定,而植被总盖度和地上生物量呈不断增大趋势。相关分析表明,在不同恢复阶段的样地中,地上净初级生产力与Shannon-Wiener多样性指数及Margalef丰富度指数显著相关（p＜0.01）,在恢复1年的样地中,地上净初级生产力和生物多样性的关系呈线性负相关,恢复5年、15年的样地,地上净初级生产力随着生物多样性的增加呈现出线性递增的关系,到恢复的后期（大于32年）,地上净初级生产力和物种多样性之间的关系为单峰曲线。这说明,在生态系统中,一定物种数量对生产力是必要的,但生态系统功能的维持,即初级生产力,主要是由群落中的优势种或功能群所决定的。研究样地自然生态恢复的状况表明:（1）北京西山采石废弃地在初期可以借助自然力实现初步的恢复,在自然恢复过程中,草本植物和灌木对采石场裸露废弃地表土的稳固和生态系统结构与功能的维持起着重要的作用,但在整个自然生态恢复过程中（包括大于50年的未受采矿影响的对照样地）乔木所占的比重始终很小,说明在当地的山地阳坡单靠自然力恢复很难形成森林群落,必须适当进行人工辅助。（2）一定数量的物种对维持态系统的功能是必要的,但对生态系统功能起关键作用的是功能群及优势物种,在生态恢复的实践中,要更加注重群落中植物功能群的组成和构建以及优势物种的选择和应用。通过对不同恢复阶段采石场废弃地种子库的研究,得到以下结果:从物种组成来看,本研究的土壤种子库共记录了35种植物,分属11个科,其中禾本科、菊科、马鞭草科和豆科占到总科数的69.23%-92.86%。在恢复1年的样地中,一年生草本占76.9%,随着恢复的进行,一年生草本的种数逐渐减少,多年生草本、半灌木灌木的种数逐渐增加。在所研究的不同恢复阶段的样地中,均未在种子库中发现乔木的种子。土壤种子库的密度随恢复时间的变化而变化,变动范围为269-5002粒.m-2。随着生态恢复地进行,种子密度在恢复15年的样地中达到最大,然后呈减小趋势。土壤种子库的垂直分布特点是种子数随着土层深度的增加而降低,表现为0-3cm＞3-6cm＞6-10cm。土壤种子库物种多样性的变化表现为,随着演替的进行,优势度指数逐渐减小,而丰富度指数、均匀性指数和Shannon-Wiener多样性指数逐渐增大,恢复到32年时达到最大。土壤种子库和地上植被之间具有较大相似性。地上植被密度73%的变异可归结为土壤种子库密度的变异。在生态恢复过程中,土壤种子库和地上植被的3种相似性系数（Ochiai、Dice和Jaccard）具有相同的变化规律,3种相似性系数的变化范围分别为0.5-0.73、0.49-0.73和0.33-0.57。在恢复1年的样地中最小,恢复到15年时达到最大,以后随着恢复时间的延长又呈现下降的趋势。这说明在采石矿区生态恢复的过程中,土壤种子库对地上植被具有重要影响,在恢复的后期,植被成分主要受群落之间物种的相互作用决定,受种子库的影响降低。对不同恢复阶段样地的土壤种子库研究表明:（1）北京门头沟不同恢复阶段的采石场废弃地中含有相当数量的种子,并且在适宜的条件下能够萌发,可以为采石场废弃地初步的生态恢复提供的种源。（2）土壤种子库和地上植被在物种组成、密度、生物多样性以及相似性系数方面均具有较高的相似性。通过土壤种子库可以形成相对稳定的草本及灌丛群落,因此,在废弃采石场的生态恢复的初期,可以考虑利用土壤种子库的自然恢复力,如保留表土,这是一种经济而且有效的生态恢复措施。（3）土壤种子库中没有发现乔木物种,说明单纯依靠种子库难以在采石场废弃地上形成森林群落,采石场废弃地要想进一步恢复形成当地潜在的稳定森林群落,应当适当借助人力。对不同恢复阶段狗尾草（Setaria viridis（L.）Beauv.）生物量分配策略研究的研究结果表明:随着恢复时间的延长,茎、叶生物量及总生物量均增加,其中,茎的增加幅度最大,超过30%。而根、穗的生物量随着生态恢复的进行逐渐变小,其中穗的减幅最大,从恢复15年的样地,到恢复32年的样地,穗的生物量降低了37.6%。随着群落演替的进行,狗尾草显著提高了对茎的生物量分配,显著降低了对生殖构件和根的分配比率,对叶的分配虽有增加,但变化幅度较小。随着生态恢复的进程,狗尾草的地下/地上比值及根茎比逐渐减小,而茎叶比逐渐增大,并且各比值在不同样地间呈现出显著差异。相关分析结果显示,狗尾草茎生物量分配与根、叶、穗构件生物量分配间存在负相关关系,表明茎生物量分配与其他构件生物量分配间存在协调关系。通过狗尾草的生物量配置研究发现:在群落演替的后期,狗尾草为争夺光照而加大了对茎的生物量投资,减少了对生殖器官的投资比例,并最终造成狗尾草种子的减少,这可能是导致狗尾草退出演替序列的内在原因。总之,通过本研究发现,北京门头沟不同恢复阶段的采石场废弃地中含有相当数量的草本和灌木种子,并且在适宜的条件下能够萌发,可以为矿区的初步生态恢复提供种源,但要想进一步恢复形成当地潜在的稳定森林群落,必须采取适当的人工辅助措施。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 前言
• 1.1 废弃采石场生态恢复
• 1.2 土壤、植被与生态恢复
• 1.3 土壤种子库与生态恢复
• 1.4 生物量分配与生态恢复
• 1.5 前期预备实验
• 1.6 研究目标和研究内容
• 第二章 研究区域概况、实验样地的设置、研究方法及技术路线
• 2.1 研究区域概况
• 2.2 实验样地的设置
• 2.3 研究方法
• 2.4 技术路线
• 第三章 废弃采石场生态恢复过程中土壤及植被特征
• 3.1 不同恢复阶段土壤物理化学性质的变化
• 3.2 不同恢复阶段植物群落物种组成、分科及生活型功能群结构的变化
• 3.3 物种多样性、物种丰富度、群落盖度、地上生物量等群落学特征值的变化
• 3.4 群落相似性分析
• 3.5 土壤性状与植物群落特征值之间的关系
• 3.6 讨论
• 第四章 土壤种子库对采石场废弃地生态恢复的贡献
• 4.1 土壤种子库的组成
• 4.2 土壤种子库的密度
• 4.3 土壤种子库的物种多样性
• 4.4 不同恢复阶段土壤种子库的相似性
• 4.5 土壤种子库与地上植被的关系
• 4.6 讨论
• 第五章 废弃采石场生态恢复过程中狗尾草（Setaria Viridis（L.）Beauv）生物量配置策略
• 5.1 不同演替阶段狗尾草构件生物量及总生物量变化
• 5.2 不同演替阶段狗尾草生物量分配格局的变化
• 5.3 讨论
• 第六章 结论及建议
• 6.1 主要结论
• 6.2 建议
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间撰写的学术论文目录
• 附录Ⅰ 已经发表的SCI论文复印件
• 附录Ⅱ 学位论文评阅及答辩情况表