滇池流域富磷区磷流失特征及控磷植物群落恢复研究

来源 :云南大学 | 被引量 : 9次 | 上传用户:wenjun456852
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在富营养化水体中,磷被普遍认为是浮游植物季节性增长形成蓝藻水华的限制因子。富磷区磷素雨季流失将对周边水系环境构成严重威胁。然而,在富磷区,针对磷分布特征、磷流失特征、植被分布特征以及有效控磷植被群落的研究方面,研究工作还较少。而这方面的研究是当前恢复富磷区植被、控制水土流失和磷流失的急需解决的重要问题。为此,我们以滇池东南部上蒜镇柴河汇水区内的富磷区域作为研究对象,对磷及其它土壤养分元素空间分布特征,以及相应植被分布特征进行了分析,设置3个汇水断面监测雨季径流输出状况;并选择区域内典型地被,建设马桑群落、野古草群落、蔗茅群落、云南松群落、华山松群落、旱冬瓜群落、云南松-旱冬瓜针阔混交林群落、蓝桉群落和黑荆群落等9个径流小区,对径流小区植被覆盖率、物种多样性、土壤肥力、凋落物层覆盖率、单位面积草本植物分蘖数等进行调查分析,结合产流量、污染物输出状况等,确定控磷植物群落关键指标;依据富磷区植被分布特征,确定植被恢复的理论。通过调查研究,得出以下主要结果与结论:(1)富磷区土壤环境变化复杂,植被分布受限于土壤环境滇池流域东南富磷区,土壤磷浓度以磷矿区为中心,向四周呈现递减式扩散。研究区内土壤全磷浓度范围在1.15~80.2g/kg,变化梯度较大。土壤N:P比变化幅度也大,范围为0.006~0.98。土壤pH值、土壤有机质、全氮、全磷以及碱解氮和速效磷,在空间上具有强烈的变动性。土壤各养分元素的比值中,土壤N:P比值基本低于1,最小值为0.006。富磷区土壤特殊的肥力特征,影响着区域内植被的分布。(2)富磷区的高磷浓度的土壤地段,植物具有低氮需求下的高固碳能力特征高磷浓度的土壤地段的植物组分中,戟叶酸模的C:N:P的比值为104:4.7:1,蔗茅的为132:4.3:1,紫茎泽兰的为106:6:1,刺芒野古草群落的为189:6.4:1,马桑群落的为118:6.2:1,白健杆的为193:6.5:1。相比Redfield比值系数,这些植物体现出氮的比值相对较低的特征。表明这些植物在仅需要少量N素的补给下,具有对C的高效固定能力,这也是这类先锋植物重要的适应性特征。(3)依据富磷区土壤肥力与群落物种数分析,土壤全氮是群落植被覆盖率及物种丰富度指数的限制因子各植物群落的各结构特征指数与土壤全磷、土壤最高磷浓度及土壤pH值均呈现显著负相关关系。植被覆盖率与这3个指标间相关系数分别为-0.793、-0.786和-0.714。植被覆盖率与土壤全氮、土壤有机质和土壤碱解氮呈现显著的正相关关系,相关系数分别为0.786、0.736和0.727。这些肥力指标与植被覆盖率的相关性均为显著相关。高浓度磷和低背景氮是影响植被覆盖率的主要土壤因素。各植物群落的物种丰富度指数与土壤全氮、土壤有机质和土壤碱解氮呈现显著的正相关关系,相关系数分别为0.904、0.893和0.724。各植物群落的物种丰富度指数与土壤pH值、土壤全磷呈现负相关关系,相关系数分别为-0.805、-0.635。植物群落物种丰富度指数最大限度受限于土壤全氮,其次为土壤有机质,并与土壤pH值呈现显著的负相关关系。主成分分析中,第一主成分贡献率达70.7%,主要包含土壤有效氮、土壤全氮,土壤有机质,土壤全磷和土壤pH值信息,它们具有的载荷分别为0.925,0.894,0.859,-0.870和-0.840。富磷区植被及群落特征分布的首要影响因素是土壤氮素水平。(4)磷矿开采区及周边裸露区域是富磷区磷流失的关键区域研究区水土流失强度最大的区域为戟叶酸模群落,水土流失强度为330t/ha2.a,其次为磷矿开采区区域,为149t/ha2.a。研究区农田面积相对最大,水土流失量也最大,土壤流失量为988t/a裸露地区域,土壤流失量为957t/a。根据表层土壤全磷含量测算,则土壤全磷年流失量最高的区域为磷矿区及周边裸露地区域,磷的年流失量达57.8t,占年总流失量65.3t的88.5%。农田土壤磷流失也相对较严重,年流失量为4.98t。戟叶酸模群落,面积仅为0.1ha,但磷年流失量达1.15t。磷矿区及周边裸露区域面积为研究区的5.6%,但潜在磷流失量占了研究区年流失量的88.5%,本区域是富磷区磷流失的关键区域。(5)雨季径流输出与植物群落覆盖率、凋落物覆盖率相关联径流系数与植被覆盖率为显著负相关关系,相关系数为-0.837,显著度p<0.005,;群落径流系数与凋落物覆盖率之间也呈现极其显著的负相关关系,相关系数为-0.810,显著度p<0.008。群落径流系数与乔木层盖度、灌木层盖度、草本层盖度、物种丰富度指数、草本层分蘖数、单位面积凋落物质量等相关性不显著。径流系数(y)和植被覆盖率(x%)之间的回归方程为:y=4.29*10-7X3-0.011x+0.810。径流系数(y)和群落凋落物覆盖率(x%)之间的回归方程为:y=e(b0+b1)/x=e11.342/x。(6)控磷植物群落恢复策略在富磷区关键区域(磷矿区及周边裸露地区域)土壤因子中,与植被覆盖率相关系数最高的是土壤全氮,相关系数为0.990,p<0.0005;其次,为土壤有机质,为极其显著正相关关系,相关系数均为0.959;在时间进程上,植被覆盖率(y%)的回归方程为回归方程为:y=-0.2304x2+9.3781x-7.5858, R2=0.9586。利用径流系数(y)和植被覆盖率(x%)之间的回归方程计算,如果把磷矿开采区植被从0恢复到75%,则径流量理论上则削减了80%。植被覆盖率达75%时,土壤全氮含量限值为0.890g/kg,依据磷矿区土壤发育进程,当土壤全氮从0.361g/kg提高到0.871g/kg时,需要自然发育的年限是15.5年。在富磷区雨季水土流失和污染物流失严重的关键区域,短期内迅速恢复植被覆盖率,是有效削减水土流失和径流的最有效途径。在富磷区的植被退化区域,影响植被恢复的首要限制因子为土壤氮素。此外,土壤机械组成、pH值、有机质含量等也对植被恢复具有重要的影响作用。建议在新开采的矿区,保存发育较为完好的表层土壤,阶段性利用储存的表土逐步恢复地段植被。其次,在已经遭受破坏的地段,氮素养分过低,可选择戟叶酸模、蔗茅、野古草等先锋植物,该类植物具有在低氮需求下,高固碳的能力,可逐步提高裸露地段的植被覆盖率,并逐年有效改善土壤环境。
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