煤矿复垦区不同植被类型的土壤性质及重金属分布特征

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矿区煤矸石堆积会引发一系列生态环境问题,而矸石山植被修复是矿区生态系统修复的重要途径。针对煤矸石复垦区人工植物群落特征及其对复垦土壤质量及重金属分布特征的影响研究相对较少。本研究选取阳泉矿区煤矸石复垦区4种人工植物群落(草地、紫穗槐灌木林地、构树林地、杨树林地)及其土壤为研究对象,并以耕地(CK1)、天然灌木林地(荆条,CK2)为对照,进行了植物群落特征及其对土壤性质、重金属分布特征的影响研究,结果如下:(1)复垦区经过20年的人工植被恢复后,植物群落物种趋于多样化经调查,研究区共有植物46种,隶属于12科41属,主要分布于菊科、禾本科和豆科。Patrick丰富度指数由大到小表现为:PT>BP>AF>GL>CK2;Shannon-Wiener多样性指数由大到小表现为:BP>PT>GL>AF>CK2;Pielou均匀度指数由大到小表现为:CK2>BP>PT>GL>AF;Simpson多样性指数由大到小表现为:BP>PT>GL>CK2>AF。综合4种多样性指数来看,杨树林地和构树林地的群落物种丰富度、物种多样性和均匀度均优于其他植被类型。与天然灌木林地比较,人工植被恢复后物种丰富度和多样性均明显增加。(2)植被恢复可有效改善复垦区土壤理化性质和酶活性,但不同植被类型的改善作用具有差异在物理性质方面,和其他人工植被类型及对照比较,杨树林地在土壤容重、土壤总孔隙度、非毛管孔隙度和饱和持水量等方面都有不同程度的改善作用;在同一植被类型不同土层间,各植被类型土壤容重随土壤深度的增加逐渐升高,土壤总孔隙度、毛管孔隙度和饱和持水量随土壤深度的增加逐渐降低。化学性质方面,杨树林地、CK1和紫穗槐灌木林地土壤养分相较CK2均有一定程度增加。土壤酶活性方面,CK1的四种酶活性均高于其他植被类型;各植被类型土壤碱性磷酸酶、蔗糖酶和脲酶活性均具有一定的表聚效应。(3)煤矸石山复垦地不同植被类型的土壤重金属分布特征及污染等级存在一定差异4种植被类型和CK1、CK2对土壤重金属含量的影响有差异,但差异不显著。研究区土壤重金属Cr含量均未超过山西省土壤背景值和国家环境质量二级标准值,说明不存在Cr污染。土壤重金属Pb均超过山西省背景值,但均未超过国家二级标准值。Cd、As的含量均超过山西省土壤背景值和国家环境质量二级标准值,存在污染风险。单因子污染指数评价结果显示研究区中Cd、As和Pb含量达到重度污染等级,内梅罗综合污染指数评价得出各植被类型土壤重金属污染等级均为重度污染;综合重金属潜在生态风险指数RI评价得出各植被类型均为强潜在生态风险程度,其中,As、Cd元素潜在生态风险程度为强和极强,应将其作为煤矿复垦区重点防治对象。(4)植物群落特征影响了土壤性质特征和重金属分布特征冗余分析(RDA)和相关性分析表明,植物群落多样性对土壤物理化学生物性质均有较大影响,且对化学性质的影响大于物理性质和生物性质,对重金属含量的影响相对较小;植物群落多样性与容重、总孔隙度、非毛管孔隙度和饱和持水量显著相关,与全磷、全钾和速效钾显著相关,与过氧化氢酶显著相关。(5)不同植被类型对复垦区土壤均有不同程度的改善作用基于主成分分析得出,土壤质量评价最小数据集为总孔隙度、毛管孔隙度、速效钾、脲酶、pH值、铬和铅。基于最小数据集-土壤质量指数法的土壤质量评价结果表明,各植被类型土壤的恢复效果均达到了自然状态下土壤的水平,依据质量指数排序为:杨树林地>耕地>紫穗槐灌木林地>构树林地>草地>天然灌木林地;土壤质量随土层的加深而降低。
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