管道工程迹地土壤修复效果及植物多样性特征

Soil remediation effect and plant characteristics of pipeline project site

摘要

以天然气地下管道工程竣工后的砒砂岩及沙地为研究对象，探讨经4年封育及人工种草恢复后的土壤修复效果及植物多样性特征。结果表明：（1）砒砂岩及沙地土地类型上共有29个植物种，以多年生草本植物为主。封育恢复4年后，砒砂岩及沙地的植物群落均处于进展演替的初级阶段。相比人工种草恢复，封育恢复可更好地增加沙地植物丰富度及多样性。（2）砒砂岩土壤全氮及有机碳含量仅在封育恢复后高于天然草地，而沙地经封育及人工种草恢复方式后，土壤全氮及有机碳含量均高于天然草地。封育及人工种草恢复方式有助于改善管道工程迹地土壤养分状况及提升植物多样性。

Abstract

In order to investigate plant diversity and soil remediation of feldspathic sandstone （FS） and sandy land （SL） after the completion of natural gas underground pipeline project， 4⁃year fenced restoration （FR） and artificial restoration （AR） were carried out， and natural grassland was taken as the control （CK）. Results showed that： （1） there was a progressive succession after 4⁃year restoration reflected by 29 species and mainly perennial herbaceous species in FS and SL land types， and compared with AR， FR was better to promote plant diversity and richness of SL； （2） soil organic carbon （SOC） and total nitrogen （TN） of SL were higher than those of CK after FR and AR， but SOC and TN of FS were higher than those of CK only after FR. This study helps to improve soil nutrients and plant diversity in pipeline project sites.

Graphical abstract

关键词

管道工程 / 植物多样性 / 土地类型 / 恢复方式 / 土壤修复

Key words

pipeline project / plant diversity / land type / restoration / soil remediation

0 引 言

天然气管道施工将改变地表形态、增加水土流失风险、降低植物及生物多样性等^［1，2］。对砒砂岩地区及毛乌素沙地的生态环境保护及恢复是减少泥沙入黄及弱化区域风沙活动的关键^［3］，而明确管道工程迹地植被恢复效果并探讨不同恢复方式对恢复效果的影响可为保护上述地区生态环境奠定基础并提供依据，对于掌握地区生态环境恢复状况颇具指示意义。碳（C）、氮（N）状况是表征土壤生产力及可利用程度的重要指标，可作为土壤肥力状况及土地沙化、退化的主要体现因子^［4］。鉴于此，本文研究经两种恢复方式后的砒砂岩及沙地植物组成、多样性、重要值等生态特征值，配以相应的表层土壤C、N状况，探讨工程迹地植被恢复效果及土壤养分特征，为当地管道施工后的植被恢复、土壤状况改善及经济可持续发展提供参考和依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于内蒙古鄂尔多斯市伊金霍洛旗的输气管道沿线，地理坐标39°32'45.93'' N，109°36'2.30'' E，属中温带干旱大陆性气候区，年均降水量为342.8 mm，年均蒸发量为2 471.0 mm；典型植被类型为温带草原植被。管道沿线土地类型主要为沙地与砒砂岩，研究区内生态脆弱，风蚀沙化与水土流失复合侵蚀明显。

1.2 实验设计及调查方法

1.2.1 样地选择及群落特征调查

2015年7至8月，选择管道施工路线上经4年人工种草恢复（artificial restoration， AR）及封育恢复（fenced restoration， FR）方式复垦后的砒砂岩（feldspathic sandstone， FS）及沙地（sandy land， SL）进行调查，以未扰动草地（natural grassland）为对照（CK），采用常规生态学方法^［5］，分别在3个区域内随机设置3个20 m ×20 m的无交叉调查样地，在每个调查样地内随机布设3个5 m ×5 m的样方，每个样方内随机设置3个1 m × 1 m的子样方，3个调查区域内各设置子样方27个，共计81个，2种土地类型下总计162个，调查样方内植物群落组成与结构，记录植物的种名、高度（cm）、密度（每平方米株数）、盖度（%），确定每种植物的生活型、生态型。人工种草、封育恢复及对照相距小于3 km，人工种草及封育恢复方式均采用原位土壤回填复垦，认为二者与对照土壤养分本底值无明显差异。

1.2.2 生物量调查及土壤样品采集

群落的地上生物量测定采用全部收获法^［6］，在样方植物群落数量特征调查结束后，刈割样方内所有植物种的地上生物量，装入袋中编号，现场称重记录为鲜生物量（fresh biomass， FB），带回实验室，置于80 ℃的烘箱烘干至恒重，用精度0.1 g天平称重记录即干生物量，用于计算其单位面积的平均干生物量（dry biomass， DB）。在刈割结束后，采用环刀法测定子样方内土壤容重，每个子样方测定一次，并配合铝盒测定土壤含水率，土壤容重共取样162个，含水率共取样486个；另取200 g左右0~20 cm表层土壤样品用作土壤有机碳（SOC）及全氮（TN）含量测定^［7］。

1.3 数据处理

根据所调查群落的特征数据，计算其重要值，以重要值确定群落主要成分，并以优势植物种区分群落，分析其变化^［8］。具体公式：

相对密度R_w =种i的个体数目/全部植物的个体数目× 100%

相对盖度R_c =种i的盖度/全部种的盖度之和×100%

相对高度R_h =种i的平均高度/全部种的平均高度之和×100%

重要值I_V =（相对密度R_w +相对盖度R_c +相对高度R_h） / 3

群落的物种多样性指数选用α⁃多样性常用测度指数，即Margalef丰富度指数（M_a ）、Shannon⁃Wiener多样性指数（H）、Pielou均匀度指数（J_sw ）^［8］，公式分别为：M_a=(S-\mathrm{1})/\mathrm{l}\mathrm{g}N，H=-\sum P_i\mathrm{l}\mathrm{n}{P}_i，J_{sw}=H/\mathrm{l}\mathrm{n}S；式中，S为群落中的总物种数，N为所有物种个体总数，P_i =N_i /N，P_i 为第i种的相对密度，N_i 为第i个物种的个体总数。

2 结果与分析

2.1 不同恢复方式对植被恢复效果的影响

2.1.1 植被种类与数量

由表1可知，砒砂岩土地类型的封育恢复方式下，多年生植物种数少于天然草地，一年生、两年生植物种类与天然草地相同，群落处于进展演替初级阶段，封育4年仍未恢复到天然草地水平。沙地土地类型的封育恢复方式下，多年生植物种为9种，多于天然草地，群落进展演替较为明显。但人工种草恢复方式下，多年生植物种数为3，少于天然草地，也少于砒砂岩土地类型的2种恢复方式及对照。针对沙地土地类型的特殊环境条件^［9］，应采取封育恢复方式，使植物种类稳步恢复到天然草地水平。

2.1.2 重要值及地上生物量

重要值作为种群优势度指标可以比较全面地反映不同发育时期种群在群落中的功能地位及分布格局，也可以反映植物对环境的适应状况^［6］。由表2可知，不同土地类型下植物种类有29种。优势种有赖草（Leymus secalinus （Georgi）Tzvel.）、碱蒿（Artemisia anethifolia Web. ex Stechm.）、油蒿（Artemisia ordosica Krasch.），偶见种有细叶韭（Allium tenuissimum L.）、北丝石竹（Gypsophila davurica Turcz. ex Fenzl.）、轮叶委陵菜（Potentilla verticillaris Steph. ex Willd.）。优势种及偶见种各占总种数的10.30%，常见种占总种数的79.40%。砒砂岩土地类型的天然草地中碱蒿、赖草的重要值均为0.30；封育恢复方式中，赖草重要值为1.24，居于各植物种首位，为单一优势种；人工种草恢复方式中，赖草、碱蒿的重要值分别0.36及0.51。沙地土地类型的封育恢复方式中，油蒿的重要值为1.38，更适应沙地环境，可成为该土地类型中的优势种，这与程晓莉等^［9］研究结果一致。人工种草恢复方式中，因沙地条件的特殊性供选植物种类较少，但所选草种因具有耐旱、耐瘠薄等特征均对沙地环境表现出极强的适应性，赖草、油蒿及沙打旺（Astragalus adsurgens Pall.cv.‘Shadawang’）的重要值分别为0.91、0.83及0.84。

2种土地类型不同恢复方式的地上生物量如图1所示，砒砂岩土地类中天然草地的FB为43.39 g/m²，高于封育恢复方式25.48%（P<0.05），低于人工种草恢复38.05%（P<0.05）；同一土地类型中天然草地的DB为32.46 g/m²，高于封育恢复方式17.96%（P<0.05），低于人工种草恢复31.96%（P<0.05）。沙地土地类型中天然草地的FB为35.85 g/m²，低于封育恢复方式20.48%，低于人工种草恢复35.35%（P<0.05）；同一土地类型中天然草地的DB为33.05 g/m²，高于封育恢复方式17.96%（P<0.05），低于人工种草恢复方式31.96%（P<0.05）。

2.1.3 α⁃多样性

物种多样性是度量一个群落结构和功能复杂性的指标，研究物种多样性可以更好地认识群落的组成、变化和发展^［8］。2种土地类型下植物群落的α⁃多样性变化见表3。砒砂岩土地类型的不同恢复方式间M_a 和H差异显著（P<0.05），均以人工种草恢复方式最大，封育恢复方式最小（P<0.05）。人工种草恢复与天然草地间J_sw 差异不显著，但二者均大于封育恢复（P<0.05），即相比天然草地，砒砂岩经人工种草恢复后的植物种分布更均匀、种类与数量较多，而封育恢复方式的植物种较少、分布较为集中。

沙地土地类型的不同恢复方式间M_a 、H和J_sw 变化趋势一致，均为封育恢复方式最大，人工种草恢复方式最小（P<0.05），封育恢复与天然草地间的J_sw 差异不显著，但二者均与人工种草恢复差异显著（P<0.05）。结果表明，封育恢复是增加沙地植物多样性的较好方式，可同时增加群落物种丰富度及物种多样性，使得各物种均匀分布。

2.2 不同恢复方式对土壤理化特征的影响

2.2.1 容重、含水量特征

不同恢复方式砒砂岩及沙地表层土壤容重及含水率见图2a、2b。砒砂岩土地类型封育、人工种草及对照的表层土壤容重及含水率分别为1.61 g/cm³、1.77 g/cm³、1.46 g/cm³及7.32%，7.53%、5.78%，沙地土地类型3种恢复方式的表层土壤容重、含水量分别为1.70 g/cm³、1.74 g/cm³、1.61 g/cm³及3.42%， 3.87% 2.32%，2种土地类型表层土壤容重及含水率均在人工种草时取得最大值，对照取得最小值。

2.2.2 C、N特征

由图2c、2d可知，不同恢复方式砒砂岩及沙地表层土壤SOC及TN含量变化趋势与容重及含水率变化趋势相反，SOC及TN均在封育恢复取得最大值，砒砂岩表土SOC及TN最小值出现在人工种草恢复方式，分别为2.17 g/kg及0.29 g/kg，沙地表土SOC及TN最小值则出现在对照，分别为3.26 g/kg及0.35 g/kg。由表4可知，砒砂岩及沙地表层土壤C/N最大值均出现在封育恢复方式，分别为10.56及10.85，最小值均出现在人工种草恢复方式，分别为7.40及8.44。

3 讨 论

长期自然选择形成稳固的植物群落，达到相对稳定的自然状态，但由于社会及经济发展的需要，大量人为活动如天然气开发、石矿开采等使得植物群落相对稳定的自然状态被严重破坏^［1，5］，人工种草可选择适应性较强的优势种针对性种植，目的性增加植物种类与数量。封育恢复与人工种草均能使植被得到较快恢复，但在不同土地类型下二者演替趋势区别较大，在砒砂岩地区，后者植物群落进展演替进度明显快于前者。优势种中，油蒿十分适合在沙地生长，在天然草地、封育恢复及人工种草条件下均表现出高重要值，已成为典型建群种。砒砂岩土地类型中，人工种草能更快地恢复植被，增加生物多样性；而沙地土地类型环境特殊，封育恢复是促进沙地植物多样性和加快植被恢复的更好方法（表1），这与重要值所体现的结果一致（表2）。

C/N用以判断土壤氮素矿化能力，受土壤有机质腐殖化程度影响。C/N越小，有机质在矿化作用中释放的有效氮（AN）越多，植物根系可获得N的有效供给就越多；C/N越大，在有机质矿化最初阶段可用作植物生长的AN就越少，植物缺N就越严重^［10］。复垦土壤的C/N一般位于7~13之间^［11］，有学者将此区间定义为我国耕地土壤的标准C/N范围^［12］，依此标准，本研究中管道工程迹地表层土壤C/N均已符合耕种标准（表4），土壤修复效果明显。封育及人工种草恢复方式下，沙地表层土壤TN及SOC含量均高于天然草地，砒砂岩土地类型仅人工种草恢复方式的SOC及TN略低于天然草地（图2c、d），表明采取植被恢复措施后，项目区土壤的C、N状况有所改善，且改善效果较好，即本研究中采取的植被恢复措施有助于改善管道工程迹地土壤养分状况，这与张耿杰等研究结果一致^［12］。

4 结 论

（1）砒砂岩及沙地土地类型下共有29个植物种，赖草及油蒿的重要值占优，封育和人工种草恢复方式均以多年生草本植物为主。封育恢复4年后，砒砂岩及沙地土地类型的植物群落均处于进展演替的初级阶段。

（2）相比天然草地，砒砂岩经人工种草恢复后的植物种分布更均匀、种类与数量较多，而封育恢复方式的植物种较少、分布较为集中。封育恢复是增加沙地植物多样性的较好方式，可同时增加群落物种丰富度及物种多样性，使得各物种均匀分布。

（3）砒砂岩土地类型仅封育恢复后SOC及TN高于天然草地，而沙地经封育及人工种草恢复后，表层土壤TN及SOC含量均高于天然草地，本研究中采取的植被恢复措施有助于改善管道工程迹地土壤养分状况。

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