物種多樣性在重金屬尾礦生態(tài)恢復(fù)中的作用與機(jī)制

重金屬尾礦的治理是世界性的難題，基于植被重建的重金屬尾礦生態(tài)恢復(fù)具有經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，在世界范圍內(nèi)獲得了廣泛的認(rèn)可。該技術(shù)的核心思想通過(guò)輔助措施，在重金屬尾礦上重新建立植被，并促使它們逐步演替成為能自維持的、穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)將重金屬污染長(zhǎng)期固定在原地。但是如何在尾礦廢棄地上建立能自維持的、穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)仍然是一個(gè)亟待解決的重要科學(xué)問(wèn)題。而大量實(shí)驗(yàn)已經(jīng)反復(fù)證明：物種多樣性有利于提高生態(tài)系統(tǒng)功能（包括生產(chǎn)力、保肥持水能力等）和穩(wěn)定性，其作用機(jī)制主要是互補(bǔ)效應(yīng)，包括物種間的生態(tài)位互補(bǔ)和正相互作用。因此，本項(xiàng)目在典型重金屬尾礦廢棄地上建立了不同物種多樣性的植被群落（單種、4個(gè)物種、8個(gè)物種和16個(gè)物種），探究物種多樣性在重金屬尾礦生態(tài)恢復(fù)中的作用與機(jī)制。本項(xiàng)目獲得以下主要研究結(jié)果：（1）植物物種多樣性顯著(P < 0.05)提高了尾礦新建植物群落的蓋度和生產(chǎn)力，其主要作用機(jī)制可能是隨著植物物種多樣性的增加，隨機(jī)帶入高產(chǎn)物種的可能性隨之增加，最終使整個(gè)植物群落的生產(chǎn)力產(chǎn)值提高，說(shuō)明在植物群落建立初期物種多樣性作用機(jī)制主要由選擇效應(yīng)引起的；但隨著時(shí)間的推移多樣性的互補(bǔ)效應(yīng)顯著增加。（2）植物物種多樣性顯著(P < 0.05)降低了尾礦重金屬有效態(tài)含量及重金屬在尾礦土壤?植物系統(tǒng)中的遷移和累積。其主要作用機(jī)制可能是植物群落生產(chǎn)力增加帶來(lái)的生物量稀釋作用。（3）植物物種多樣性促進(jìn)了尾礦土壤營(yíng)養(yǎng)元素（C、N、P）的循環(huán)和累積(P < 0.05)。其主要作用機(jī)制很可能是植物多樣性不僅提高了土壤微生物的多樣性而且提高一些與土壤C、N、P循環(huán)相關(guān)的細(xì)菌和真菌的相對(duì)豐度。這些研究結(jié)果揭示物種多樣性影響重金屬尾礦生態(tài)恢復(fù)效率的內(nèi)在機(jī)理，為物種多樣性在重金屬尾礦生態(tài)恢復(fù)中的應(yīng)用提供重要的科學(xué)依據(jù)。

基于植被重建的生態(tài)恢復(fù)技術(shù)目前已經(jīng)被諸多國(guó)家和地區(qū)較廣泛地用于治理重金屬尾礦等礦業(yè)廢棄物。但有相當(dāng)多的證據(jù)表明，經(jīng)過(guò)5-10年甚至更長(zhǎng)時(shí)間的生態(tài)恢復(fù)，重金屬尾礦的植被覆蓋度（該指標(biāo)通常與生產(chǎn)力、控制水土流失等生態(tài)系統(tǒng)功能呈正相關(guān)關(guān)系）也只有50%左右。因此，重金屬尾礦生態(tài)恢復(fù)的理論還有待發(fā)展完善，從而使得該技術(shù)的效率進(jìn)一步提高。鑒于最近二十年大量研究已反復(fù)證明物種多樣性有利于提高生態(tài)系統(tǒng)的功能（包括生產(chǎn)力、保肥持水能力等），本項(xiàng)目擬選取典型的礦業(yè)廢棄物- - 重金屬尾礦作為研究對(duì)象，通過(guò)開(kāi)展野外田間試驗(yàn)，在尾礦上建立具有物種多樣性梯度的植被，分析物種多樣性對(duì)于重建生態(tài)系統(tǒng)的功能（包括植被覆蓋度、生產(chǎn)力）的影響，并在此基礎(chǔ)上探究物種多樣性如何影響重金屬遷移、營(yíng)養(yǎng)元素循環(huán)以及土壤微生物群落結(jié)構(gòu)，以揭示物種多樣性影響重金屬尾礦生態(tài)恢復(fù)的內(nèi)在機(jī)理，為物種多樣性在重金屬尾礦生態(tài)恢復(fù)中的應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

物種多樣性指數(shù)是指用簡(jiǎn)單的數(shù)值表示群落內(nèi)種類(lèi)多樣性的程度，是用來(lái)判斷群落或生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性指標(biāo)。

物種多樣性指數(shù)是豐富度和均勻性的綜合指標(biāo)。應(yīng)該指出的是，應(yīng)用物種多樣性指數(shù)時(shí)，具低豐富度和高均勻度的群落與具高豐富度與低均勻度的群落，可能得到相同的多樣性指數(shù)。

地球上的植物約有55萬(wàn)種，其中有花植物為23.5萬(wàn)種；西班牙植物園主任戴維o布拉姆韋爾（2002）估計(jì)地球的有花植物應(yīng)為419 682種。植物種類(lèi)多樣性是植物有機(jī)體與環(huán)境長(zhǎng)期的相互作用下，通過(guò)遺傳和變異，適應(yīng)和自然選擇而形成的。植物進(jìn)化仍在繼續(xù)，新的植物種類(lèi)還會(huì)出現(xiàn) 。

物種多度分布模型對(duì)群落的多樣性數(shù)據(jù)進(jìn)行了很好的描述。當(dāng)觀察到的數(shù)據(jù)較好地服從某一理論分布時(shí)，則擬合分布的參數(shù)可以作為一個(gè)多樣性指標(biāo)來(lái)描述群落的多樣化程度。例如，當(dāng)群落的物種多度服從對(duì)數(shù)級(jí)數(shù)時(shí)，它有2個(gè)參數(shù)α和x。其中X是樣本大小的函數(shù)，而另一個(gè)參數(shù)α不受樣本大小的影響，反映了群落的固有特性，因此，F(xiàn)isher等將其定義為多樣性指數(shù)。然而，通過(guò)理論分布的參數(shù)去測(cè)度群落物種多樣性的方法有很大的局限性。首先，某些理論分布的參數(shù)與樣本大小有關(guān)，不適于作為多樣性指數(shù)；第二，很多觀察數(shù)據(jù)不能較好地被任何一種理論分布擬合；第三，某些群落在進(jìn)行多樣性測(cè)度時(shí)尚不清楚其物種多度分布格局。因此，人們希望找到與物種多度分布格局獨(dú)立的多樣性測(cè)度方法，于是就產(chǎn)生了眾多的物種多樣性指數(shù)。

在群落物種多樣性研究和編目中，發(fā)現(xiàn)需要界定群落界限。Whittaker（1977）將群落物種多樣性定義為β多樣性、α多樣性、γ多樣性和ε多樣性等4個(gè)水平。最小的尺度為β多樣性，是指一個(gè)均質(zhì)生境內(nèi)微生境或樣本間的物種多樣性，強(qiáng)調(diào)群落內(nèi)物種多樣性的變化；第二個(gè)尺度為α多樣性，是指均質(zhì)生境內(nèi)的多樣性，即通常研究的某個(gè)生物群落的物種多樣性；γ多樣性是指更大的尺度，如島嶼或景觀的物種多樣性；第四個(gè)尺度為ε多樣性，是指生物地理區(qū)域的物種多樣性，即7多樣性聯(lián)合的總的物種多樣性。

物種多樣性是群落的重要特征。在比較兩個(gè)群落的物種多樣性特征時(shí)，最簡(jiǎn)單的方法是比較兩群落中的某類(lèi)群物種的數(shù)量，即物種豐富度指數(shù)或種數(shù)。但由于物種多樣性的二元特征，使用物種豐富度比較可能存在誤導(dǎo)。

物種多樣性指數(shù)是物種豐富度和均勻度的函數(shù)，不同多樣性指數(shù)的差別就在于對(duì)這兩個(gè)變量賦予的權(quán)重不同。通過(guò)這些方程式演算出來(lái)的數(shù)值可以比較系統(tǒng)而明晰地顯示出生物群落的結(jié)構(gòu)，同時(shí)也可以反映出生物群落和生態(tài)環(huán)境之間的關(guān)系。生物種群分布格式各不相同，種的分布區(qū)和分布范圍受地理?xiàng)l件和自然環(huán)境嚴(yán)格控制，個(gè)體分布的密度與環(huán)境理化因素密切相關(guān)，亦與生物之間食物網(wǎng)關(guān)系密切相關(guān)，這些情況反映出取樣的復(fù)雜性。多樣性指數(shù)值越高，區(qū)域中的生物種類(lèi)越多、生物間的關(guān)系也越密切；若該地區(qū)受到外力的干擾、而使區(qū)域內(nèi)的某種生物數(shù)量減少時(shí)，該種生物空出的生態(tài)位置，較容易由其他物種替補(bǔ)其空缺，以維持生態(tài)系的穩(wěn)定與平衡；因此，較低程度的干擾對(duì)多樣性指數(shù)值較高的區(qū)域所造成的傷害，會(huì)比指數(shù)值較低、較為單純的群集來(lái)得小。