隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和現(xiàn)代化程度的提高,人類(lèi)對(duì)礦產(chǎn)資源的開(kāi)發(fā)利用也與日俱增,開(kāi)山采石一方面極大地滿(mǎn)足了人們物質(zhì)生產(chǎn)的需求,另一方面造成對(duì)景觀和自然生態(tài)系統(tǒng)的嚴(yán)重破壞,加強(qiáng)對(duì)廢棄礦區(qū)受損生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)與重建,已經(jīng)成為生態(tài)學(xué)的重要研究課題。 本研究以北京市西山(門(mén)頭溝區(qū))廢棄采石場(chǎng)為例,運(yùn)用空間代替時(shí)間的方法,在前期調(diào)查的基礎(chǔ)上,選擇了4個(gè)代表不同自然恢復(fù)時(shí)期的典型樣地及1個(gè)未受采石影響對(duì)照樣地,對(duì)自然生態(tài)恢復(fù)過(guò)程中土壤特性、植被變化規(guī)律、土壤種子庫(kù)以及群落演替過(guò)程中早期物種的消退原因等進(jìn)行了研究,以豐富恢復(fù)生態(tài)學(xué)的理論和指導(dǎo)生態(tài)恢復(fù)的實(shí)踐。 通過(guò)對(duì)廢棄采石場(chǎng)自然生態(tài)恢復(fù)過(guò)程中土壤特征和植被特征研究發(fā)現(xiàn):隨著生態(tài)恢復(fù)的進(jìn)行,土壤厚度、土壤有機(jī)質(zhì)不斷積累,土壤粒徑、土壤容重、土壤pH值逐漸變小,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的含量逐漸增加,土壤理化性狀逐漸得到改善。Pearson相關(guān)分析結(jié)果顯示,群落的物種多樣性、物種豐富度和地上生物量分別與其生境中土壤的含水量、容重、粉粒含量、粘粒含量、pH、有機(jī)質(zhì)、全N、全P、全K、速效N、速效K之間存在顯著相關(guān)(p＜0.05),其中,與土壤容重、pH分別呈負(fù)相關(guān),其余為正的相關(guān)。該結(jié)果表明,土壤性狀的變化與群落結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)相對(duì)應(yīng)。土壤與植被的相互作用,共同推動(dòng)著群落的演替。 在生態(tài)恢復(fù)的不同階段,組成群落的優(yōu)勢(shì)物種發(fā)生變化,在恢復(fù)1年、5年、15年和32年的樣地中,優(yōu)勢(shì)植物分別為牛筋草(Eleusine indica)、狗尾草(Setariaviridis)、虎尾草(Chloris virgata)和狗尾草、荊條(Vitex negundo var.heterophylla)。隨著群落演替的進(jìn)行,植物群落物種組成、分科及生活型功能群結(jié)構(gòu)也在改變。組成群落的物種數(shù)量總體呈增大趨勢(shì),在生態(tài)恢復(fù)過(guò)程中科的數(shù)目在不斷增加,群落組成更加復(fù)雜化和多樣化。隨著生態(tài)恢復(fù)的進(jìn)行,一年生植物的重要值逐漸減小,多年生植物和灌木的重要值逐漸增大。喬木在生態(tài)恢復(fù)的后期雖有零星出現(xiàn),但所占的比重始終很小,這說(shuō)明在當(dāng)?shù)氐V區(qū)進(jìn)行生態(tài)恢復(fù)時(shí)僅憑自然力幾十年內(nèi)難以恢復(fù)成森林生態(tài)系統(tǒng),要想恢復(fù)成生態(tài)功能更強(qiáng)的森林生態(tài)系統(tǒng),一定的人工措施是必要的。 群落物種多樣性、物種豐富度隨著演替時(shí)間的延長(zhǎng)先增加而后保持相對(duì)穩(wěn)定,而植被總蓋度和地上生物量呈不斷增大趨勢(shì)。相關(guān)分析表明,在不同恢復(fù)階段的樣地中,地上凈初級(jí)生產(chǎn)力與Shannon-Wiener多樣性指數(shù)及Margalef豐富度指數(shù)顯著相關(guān)(p＜0.01),在恢復(fù)1年的樣地中,地上凈初級(jí)生產(chǎn)力和生物多樣性的關(guān)系呈線(xiàn)性負(fù)相關(guān),恢復(fù)5年、15年的樣地,地上凈初級(jí)生產(chǎn)力隨著生物多樣性的增加呈現(xiàn)出線(xiàn)性遞增的關(guān)系,到恢復(fù)的后期(大于32年),地上凈初級(jí)生產(chǎn)力和物種多樣性之間的關(guān)系為單峰曲線(xiàn)。這說(shuō)明,在生態(tài)系統(tǒng)中,一定物種數(shù)量對(duì)生產(chǎn)力是必要的,但生態(tài)系統(tǒng)功能的維持,即初級(jí)生產(chǎn)力,主要是由群落中的優(yōu)勢(shì)種或功能群所決定的。 研究樣地自然生態(tài)恢復(fù)的狀況表明:(1)北京西山采石廢棄地在初期可以借助自然力實(shí)現(xiàn)初步的恢復(fù),在自然恢復(fù)過(guò)程中,草本植物和灌木對(duì)采石場(chǎng)裸露廢棄地表土的穩(wěn)固和生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的維持起著重要的作用,但在整個(gè)自然生態(tài)恢復(fù)過(guò)程中(包括大于50年的未受采礦影響的對(duì)照樣地)喬木所占的比重始終很小,說(shuō)明在當(dāng)?shù)氐纳降仃?yáng)坡單靠自然力恢復(fù)很難形成森林群落,必須適當(dāng)進(jìn)行人工輔助。(2)一定數(shù)量的物種對(duì)維持態(tài)系統(tǒng)的功能是必要的,但對(duì)生態(tài)系統(tǒng)功能起關(guān)鍵作用的是功能群及優(yōu)勢(shì)物種,在生態(tài)恢復(fù)的實(shí)踐中,要更加注重群落中植物功能群的組成和構(gòu)建以及優(yōu)勢(shì)物種的選擇和應(yīng)用。 通過(guò)對(duì)不同恢復(fù)階段采石場(chǎng)廢棄地種子庫(kù)的研究,得到以下結(jié)果:從物種組成來(lái)看,本研究的土壤種子庫(kù)共記錄了35種植物,分屬11個(gè)科,其中禾本科、菊科、馬鞭草科和豆科占到總科數(shù)的69.23%-92.86%。在恢復(fù)1年的樣地中,一年生草本占76.9%,隨著恢復(fù)的進(jìn)行,一年生草本的種數(shù)逐漸減少,多年生草本、半灌木灌木的種數(shù)逐漸增加。在所研究的不同恢復(fù)階段的樣地中,均未在種子庫(kù)中發(fā)現(xiàn)喬木的種子。 土壤種子庫(kù)的密度隨恢復(fù)時(shí)間的變化而變化,變動(dòng)范圍為269-5002粒.m~(-2)。隨著生態(tài)恢復(fù)地進(jìn)行,種子密度在恢復(fù)15年的樣地中達(dá)到最大,然后呈減小趨勢(shì)。土壤種子庫(kù)的垂直分布特點(diǎn)是種子數(shù)隨著土層深度的增加而降低,表現(xiàn)為0-3cm＞3-6cm＞6-10cm。 土壤種子庫(kù)物種多樣性的變化表現(xiàn)為,隨著演替的進(jìn)行,優(yōu)勢(shì)度指數(shù)逐漸減小,而豐富度指數(shù)、均勻性指數(shù)和Shannon-Wiener多樣性指數(shù)逐漸增大,恢復(fù)到32年時(shí)達(dá)到最大。土壤種子庫(kù)和地上植被之間具有較大相似性。地上植被密度73%的變異可歸結(jié)為土壤種子庫(kù)密度的變異。在生態(tài)恢復(fù)過(guò)程中,土壤種子庫(kù)和地上植被的3種相似性系數(shù)(Ochiai、Dice和Jaccard)具有相同的變化規(guī)律,3種相似性系數(shù)的變化范圍分別為0.5-0.73、0.49-0.73和0.33-0.57。在恢復(fù)1年的樣地中最小,恢復(fù)到15年時(shí)達(dá)到最大,以后隨著恢復(fù)時(shí)間的延長(zhǎng)又呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。這說(shuō)明在采石礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)的過(guò)程中,土壤種子庫(kù)對(duì)地上植被具有重要影響,在恢復(fù)的后期,植被成分主要受群落之間物種的相互作用決定,受種子庫(kù)的影響降低。 對(duì)不同恢復(fù)階段樣地的土壤種子庫(kù)研究表明:(1)北京門(mén)頭溝不同恢復(fù)階段的采石場(chǎng)廢棄地中含有相當(dāng)數(shù)量的種子,并且在適宜的條件下能夠萌發(fā),可以為采石場(chǎng)廢棄地初步的生態(tài)恢復(fù)提供的種源。(2)土壤種子庫(kù)和地上植被在物種組成、密度、生物多樣性以及相似性系數(shù)方面均具有較高的相似性。通過(guò)土壤種子庫(kù)可以形成相對(duì)穩(wěn)定的草本及灌叢群落,因此,在廢棄采石場(chǎng)的生態(tài)恢復(fù)的初期,可以考慮利用土壤種子庫(kù)的自然恢復(fù)力,如保留表土,這是一種經(jīng)濟(jì)而且有效的生態(tài)恢復(fù)措施。(3)土壤種子庫(kù)中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)喬木物種,說(shuō)明單純依靠種子庫(kù)難以在采石場(chǎng)廢棄地上形成森林群落,采石場(chǎng)廢棄地要想進(jìn)一步恢復(fù)形成當(dāng)?shù)貪撛诘姆�(wěn)定森林群落,應(yīng)當(dāng)適當(dāng)借助人力。 對(duì)不同恢復(fù)階段狗尾草(Setaria viridis(L.)Beauv.)生物量分配策略研究的研究結(jié)果表明:隨著恢復(fù)時(shí)間的延長(zhǎng),莖、葉生物量及總生物量均增加,其中,莖的增加幅度最大,超過(guò)30%。而根、穗的生物量隨著生態(tài)恢復(fù)的進(jìn)行逐漸變小,其中穗的減幅最大,從恢復(fù)15年的樣地,到恢復(fù)32年的樣地,穗的生物量降低了37.6%。 隨著群落演替的進(jìn)行,狗尾草顯著提高了對(duì)莖的生物量分配,顯著降低了對(duì)生殖構(gòu)件和根的分配比率,對(duì)葉的分配雖有增加,但變化幅度較小。隨著生態(tài)恢復(fù)的進(jìn)程,狗尾草的地下/地上比值及根莖比逐漸減小,而莖葉比逐漸增大,并且各比值在不同樣地間呈現(xiàn)出顯著差異。相關(guān)分析結(jié)果顯示,狗尾草莖生物量分配與根、葉、穗構(gòu)件生物量分配間存在負(fù)相關(guān)關(guān)系,表明莖生物量分配與其他構(gòu)件生物量分配間存在協(xié)調(diào)關(guān)系。 通過(guò)狗尾草的生物量配置研究發(fā)現(xiàn):在群落演替的后期,狗尾草為爭(zhēng)奪光照而加大了對(duì)莖的生物量投資,減少了對(duì)生殖器官的投資比例,并最終造成狗尾草種子的減少,這可能是導(dǎo)致狗尾草退出演替序列的內(nèi)在原因。 總之,通過(guò)本研究發(fā)現(xiàn),北京門(mén)頭溝不同恢復(fù)階段的采石場(chǎng)廢棄地中含有相當(dāng)數(shù)量的草本和灌木種子,并且在適宜的條件下能夠萌發(fā),可以為礦區(qū)的初步生態(tài)恢復(fù)提供種源,但要想進(jìn)一步恢復(fù)形成當(dāng)?shù)貪撛诘姆�(wěn)定森林群落,必須采取適當(dāng)?shù)娜斯ぽo助措施。
【學(xué)位單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2008
【中圖分類(lèi)】：X171.4
【文章目錄】：
摘要
Abstract
第一章 前言
    1.1 廢棄采石場(chǎng)生態(tài)恢復(fù)
    1.2 土壤、植被與生態(tài)恢復(fù)
    1.3 土壤種子庫(kù)與生態(tài)恢復(fù)
    1.4 生物量分配與生態(tài)恢復(fù)
    1.5 前期預(yù)備實(shí)驗(yàn)
    1.6 研究目標(biāo)和研究?jī)?nèi)容
第二章 研究區(qū)域概況、實(shí)驗(yàn)樣地的設(shè)置、研究方法及技術(shù)路線(xiàn)
    2.1 研究區(qū)域概況
    2.2 實(shí)驗(yàn)樣地的設(shè)置
    2.3 研究方法
    2.4 技術(shù)路線(xiàn)
第三章 廢棄采石場(chǎng)生態(tài)恢復(fù)過(guò)程中土壤及植被特征
    3.1 不同恢復(fù)階段土壤物理化學(xué)性質(zhì)的變化
    3.2 不同恢復(fù)階段植物群落物種組成、分科及生活型功能群結(jié)構(gòu)的變化
    3.3 物種多樣性、物種豐富度、群落蓋度、地上生物量等群落學(xué)特征值的變化
    3.4 群落相似性分析
    3.5 土壤性狀與植物群落特征值之間的關(guān)系
    3.6 討論
第四章 土壤種子庫(kù)對(duì)采石場(chǎng)廢棄地生態(tài)恢復(fù)的貢獻(xiàn)
    4.1 土壤種子庫(kù)的組成
    4.2 土壤種子庫(kù)的密度
    4.3 土壤種子庫(kù)的物種多樣性
    4.4 不同恢復(fù)階段土壤種子庫(kù)的相似性
    4.5 土壤種子庫(kù)與地上植被的關(guān)系
    4.6 討論
第五章 廢棄采石場(chǎng)生態(tài)恢復(fù)過(guò)程中狗尾草(Setaria Viridis(L.)Beauv)生物量配置策略
    5.1 不同演替階段狗尾草構(gòu)件生物量及總生物量變化
    5.2 不同演替階段狗尾草生物量分配格局的變化
    5.3 討論
第六章 結(jié)論及建議
    6.1 主要結(jié)論
    6.2 建議
參考文獻(xiàn)
致謝
攻讀博士學(xué)位期間撰寫(xiě)的學(xué)術(shù)論文目錄
附錄Ⅰ 已經(jīng)發(fā)表的SCI論文復(fù)印件
附錄Ⅱ 學(xué)位論文評(píng)閱及答辯情況表

【參考文獻(xiàn)】

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