【摘 要】
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近年来,干旱荒漠矿区的生态恢复工作愈发受到重视。然而,干旱荒漠区土壤资源稀缺,矿区复垦土源不足,但表土剥离、保护和利用工作一直没有得到重视,导致大量的土壤和种子资源被浪费。本文以西北干旱荒漠区典型煤炭城市乌海为研究区,通过野外调查分析,研究了土壤种子库特征及其影响机理;通过实地模拟不同降雨和人工水肥赤霉素施加下的表土持久种子库萌发和幼苗生长情况,探究干旱荒漠区土壤种子库激活条件和效应。旨在为干旱荒
【基金项目】
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国家重点研发计划“西北干旱荒漠区煤炭基地生态安全保障技术”项目(2017YFC0504400); “矿区生态修复与生态安全保障技术集成示范研究”课题(2017YFC0504406);
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近年来,干旱荒漠矿区的生态恢复工作愈发受到重视。然而,干旱荒漠区土壤资源稀缺,矿区复垦土源不足,但表土剥离、保护和利用工作一直没有得到重视,导致大量的土壤和种子资源被浪费。本文以西北干旱荒漠区典型煤炭城市乌海为研究区,通过野外调查分析,研究了土壤种子库特征及其影响机理;通过实地模拟不同降雨和人工水肥赤霉素施加下的表土持久种子库萌发和幼苗生长情况,探究干旱荒漠区土壤种子库激活条件和效应。旨在为干旱荒漠矿区表土的保护和植被恢复提供理论依据和支撑。主要研究结果如下:(1)乌海周边土壤种子库密度为217~1547粒·m-2,物种以多年生草本为主,其中持久种子库密度占比为17.34~64.22%,且种子库密度随土壤深度增加呈下降趋势。在物种组成和群落结构上,土壤种子库与地上植被有较大差异。影响持久和短暂土壤种子库的主要土壤因子分别为有机质、粉粒含量、粘粒含量、砾石含量和全磷、粘粒含量、容重、有机质。总体来说,中低干扰程度的砾石质草原化荒漠中的红砂(四合木)+珍珠猪毛菜+克氏针茅群丛和砂质草原化荒漠中的红砂(四合木)+猫头刺+沙生针茅群丛的土壤种子库可利用性较大。(2)在植被盖度和生长较好的四合木(红砂)+珍珠猪毛菜+克氏针茅群丛,灌木和Ⅰ类草本(地上地下均出现物种)种子库的空间变异较高,且在盛行风向上的空间异质性低于其他方向。随着尺度增加,灌木和Ⅱ类草本(仅地下出现物种)种子库空间自相关性增加。在植被覆盖和生长状况较差的红砂+猫头刺+沙生针茅群丛,灌木和Ⅰ类草本种子库的空间变异小于Ⅱ类草本,随尺度增加,各类种子库空间自相关性均呈现增减交替趋势。土壤种子库空间分布主要和灌木存在空间关联性,呈现在灌木的冠下或周边聚集分布,和草本植被无显著空间关联性。(3)边缘梯度对土壤种子库密度(特别是Ⅱ层土壤中一年生草本)有显著正效应(p=0.0001),对Ⅱ层土壤种子库丰富度有显著负效应(p<0.0001)。斑块面积对土壤种子库密度有显著正效应(p=0.004),对种子库丰富度无显著影响。矿区干扰会对土壤种子库的垂直分布产生直接影响,也会通过改变土壤结构或影响土壤水分、有机质、p H等影响植被生长,间接影响土壤种子库,这些影响途径是交叉进行的。持久和短暂土壤种子库对干扰的响应也不同,矿区干扰对持久种子库密度基本无影响,但一定程度上增加了短暂种子密度。(4)不同降雨量对激活土壤种子库物种组成和数量存在显著差异,在平水年和丰水年土壤平均含水率达到8.2~18.8%,能激活Ⅰ层持久种子库88%的物种和63.47~83.83%的种子数量。若辅以人工灌溉,并施加适量的氮磷肥和赤霉素,能够激活100%的物种和94.61%的种子数量。各因素对土壤种子库影响大小顺序为:水分>磷>赤霉素>氮,其中水分影响最为显著,氮对土壤种子库萌发和幼苗生长影响不显著,土壤种子库激活的较优处理为氮11.93 g·m-3、磷11.06 g·m-3、水分28.35%、赤霉素0.09%。(5)矿区周边土壤种子库共出现33种物种,平均密度为720粒·m-2,达到了区域平均水平,且具有较好的缓冲和抗干扰能力,利用土壤种子库恢复矿区退化地具有可行性;但种子库萌发的物种与地上植被的相似度小于0.4,且灌木种子数少,其植被恢复潜力有限,需辅以不同梯度水分灌溉、施肥、补种等人工措施,达到近自然恢复的目标。
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