Using soil seed bank in summer and previous autumn to restore vegetation in arid mining area
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摘要:目的
针对西部干旱矿区实际情况，探究该地区表土资源中土壤种子库的可利用性以及制约因素，筛选出有效的利用模式，为矿区植被恢复提供理论依据和技术参考。
方法对内蒙古自治区乌海市新星矿区周边低扰动区域的表土在上年度10月（秋季）和当年6月（夏季）进行剥离，采用覆土厚度、补种量和每日灌溉量3因素3水平的正交试验对不同季节表土中土壤种子库萌发效果影响进行研究，并结合生态和经济效益，评选出适宜干旱矿区植被恢复的技术组合。
结果（1）10月土壤种子库萌发植物数量为（83.72 ± 10.88）株/m2，物种共出现20种，6月土壤种子库萌发植物数量为（44.83 ± 8.96）株/m2，物种共出现13种。秋季土壤种子库密度和物种丰富度均高于夏季土壤种子库。（2）灌溉对秋季土壤种子库萌发影响最重要，其次是覆土厚度，最后是补种。3种因素对夏季土壤种子库萌发影响程度基本相同。（3）覆土厚度因素对两组土壤种子库的植被覆盖度、群落高度物种丰富度的影响显著（P < 0.05）。灌溉量对两组土壤种子库萌发植物数量、植被覆盖度和群落高度的影响显著（P < 0.05）。补种因素未对两组任何相同指标产生显著影响。
结论干旱矿区排土场植被恢复最优实施方案组合：利用秋季剥离的表土，覆土厚度2 cm，补种量50粒/m2，每日灌溉量2 L/m2。该结论可为今后矿区植被恢复提供技术参考。
Abstract:ObjectiveBased on the actual situation of arid mining area in western China, this study explored the availability and constraints of soil seed bank in topsoil resources in the area, selected effective utilization models, and provided theoretical basis and technical reference for vegetation restoration in mining area.
MethodThe topsoil in the low-disturbance area around the Xinxing Mining Area in Wuhai City, Inner Mongolia of northern China was stripped in October of the previous year (autumn) and June of the current year (summer), and three factors including soil thickness, reseeding amount and daily irrigation amount were used, three horizontal orthogonal experiments were conducted to study the effects of soil seed bank germination in topsoil in different seasons, and combined with ecological and economic benefits, a combination of technologies suitable for vegetation restoration in arid mining area was selected.
Result(1) The number of plants germinated in the soil seed bank in October was (83.72 ± 10.88) plant/m2, and a total of 20 species appeared. The number of plants germinated in the soil seed bank in June was (44.83 ± 8.96) plant/m2, and a total of 13 species appeared. The soil seed bank density and species richness in autumn were higher than those in summer soil seed bank. (2) Irrigation had the most important impact on soil seed bank germination in autumn, followed by soil covering thickness, and finally reseeding. The three factors had basically the same impact on soil seed bank germination in summer. (3) The soil thickness factor had a significant impact on vegetation coverage and community height species richness of the two groups of soil seed bank (P < 0.05). The amount of irrigation had a significant impact on the number of plants germinated in two groups of soil seed bank, vegetation coverage and community height (P < 0.05). In both sets of trials, the reseeding factors did not simultaneously produce significantly different indicators.
ConclusionThe optimal combination of implementation plans for vegetation restoration in dumpsites in arid mining areas is: using topsoil stripped off in autumn, with a covering soil thickness of 2 cm, a reseeding amount of 50 grain/m2, and a daily irrigation volume of 2 L/m2. This conclusion can provide technical reference for future vegetation restoration in mining area.
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Keywords:
- arid mining area /
- soil seed bank /
- orthogonal test /
- vegetation restoration
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我国西部地区煤炭资源丰富[1]，但长期的煤炭开采对生态环境造成扰动和破坏[2−3]，导致土地挖损、占压、植被破坏和水土流失等一系列生态问题[4−6]，加速该区域的生态环境退化[7]。近年西部露天煤矿的产量在逐步扩大[8]，开采时产生的废石堆积形成排土场，大量土地资源被占压[9]，同时排土场边坡水土流失严重，植被生长困难，因此排土场边坡的修复问题一直是矿山生态修复的研究热点[10−11]。在排土场实施有效的植被恢复，对矿区的生态恢复和生态稳定有着重要意义[12]。
土壤种子库作为表土资源和植被群落的重要组成部分，是植被恢复演替的重要物质基础，具有十分重要的生态作用[13−14]。种子库按照种子存活年限可分为短暂种子库和持久种子库。短暂种子库是指在土壤中存活时间不超过一年的种子；而在土壤里存活时间超过一年的种子形成持久种子库[15]。学者们通过研究植物生长周期总结出9—10月是种子成熟散落的高峰期，土壤种子库含量最大，若研究总体种子库，需要在该时间段进行采样；5—6月是种子大量萌发的季节，土壤种子库含量最低，此时的土壤种子库为持久种子库；总体土壤种子库和持久种子库二者差值可近似认为是短暂种子库[16]。利用土壤种子库进行生态修复在最大程度上保证了遗传多样性，有利于生态环境稳定[17]。近年来，土壤种子库在生态修复领域已得到广泛应用[18−20]。而土壤种子库的有效利用取决于水分、温度、光照、土壤环境和种子物种组成等多重因素的影响[21]。在干旱地区，水分作为影响植物生长的重要因素，对激活土壤种子库意义重大[22]。不同的水分处理对土壤种子库种子的萌发具有显著影响[23]，徐海量等[24]的研究表明适宜的水分梯度才能保证种子的充分萌发，水分过多或过少都会影响幼苗数量以及物种的丰富度。利用表土资源进行土壤回覆是矿山生态修复过程中非常重要的环节，覆土厚度对土壤的持水性、植物生长以及经济成本都有重要影响[25]。研究表明覆土厚度对幼苗的数量和物种起直接作用[18]。覆土太薄土壤所含的种子较少，并且会影响植物根系的生长[26−27]。覆土太厚则会导致种子的拱土能力不足，影响出苗，同时增加经济成本。补种作为植被恢复过程中主要的人工措施之一[28]，选择适宜的植物种进行播种，可以有效加快植被恢复进程[29]，提高植物群落的密度、盖度以及物种丰富度，对生态恢复有着积极影响[30]。
先前研究集中在矿区土壤种子库基本特征、与地上植被的关系或者单一因素对土壤种子库的影响，表土利用的研究方向也主要针对生产建设中占用的耕地或林地。为系统探究土壤种子库应用于矿区植被恢复效果，结合西部干旱矿区自然情况，设计三因素三水平的正交试验。选取覆土厚度、补种量以及每日灌溉量3种因素，研究3种因素在不同水平下对土壤种子库萌发效果的影响。结合生态和经济效益考量，寻求最优配比组合，为干旱矿区排土场的植被生态恢复提供有益的实践参考。
1. 研究区概况与方法
1.1 研究区概况
研究区位于内蒙古自治区乌海市（106°52′50″ ~ 106°54′17″E，39°42′03″ ~ 39°42′36″N）。研究区平均气温7.8 ~ 8.2 ℃。年均降水量为160 mm，降水主要集中在夏季，属于暖温带大陆性气候。地形北高南低，东高西低，平均海拔1 345 m。土壤类型以沙壤土、棕钙土、灰漠土为主。主要植被类型为旱生植被、沙生植被植被和盐生植被，主要植物物种有红砂（Reaumuria songarica）、白刺（Nitraria tangutorum）、霸王（Sarcozygium xanthoxylon）等灌木以及珍珠猪毛菜（Salsola passerina）、芨芨草（Achnatherum splendens）、雾冰藜（Bassia dasyphylla）等草本植物[31]。研究区主要群落结构是“半日花（Helianthemum songaricum） + 猫头刺（Oxytropis aciphylla） + 沙生针茅（Stipa caucasica subsp. glareosa）群丛”和“红砂 + 猫头刺 + 沙生针茅群丛”。试验小区位于乌海市新星矿区联合排土场，排土场整体呈南北走向，共有6级台阶，每级台阶坡度在36° ~ 38°之间。排土场植被恢复工程是采用了一般种植土覆盖，并采用人工撒播种子的方式进行坡面建植。
1.2 取样方法
对矿区表土资源调查后本研究选择矿区周边生产扰动较少的区域进行表土剥离取样。分别于2019年10月和2020年6月进行两次表土剥离，在样地内随机选择36个样方（样方大小2 m × 2 m），样方间至少间隔3 m，以保证取样尽可能均匀。取样前清除地上植被，以便采集表土，在选定样方内按照“五点法”进行取样，利用环刀剥离0 ~ 10 cm表土。剔除杂质后将土样混合、装袋，10月剥离的表土储存在集装袋中，放置在阴凉通风区域并保持干燥，尽可能减少储存过程中的种子损耗，堆存至第2年等待采集6月表土后同时开展试验。
1.3 正交试验设计
本研究采用L9正交表设置三因素三水平试验，由表1所示，选取覆土厚度（A）、补种量（B）和每日灌溉量（C） 3种因素，因素A设置3个水平分别为2、3和5 cm；因素B设置3个水平分别为50、25和0粒/m2；因素C设置水平为2、1.5和1 L/m2。试验开始阶段覆土后补种，补充的种子是灌木沙冬青（Ammopiptanthus mongolicus）和多年生草本直立黄耆（Astragalus membranaceus），每组试验补种沙冬青90粒，直立黄耆360粒，二者配比为1∶4，具体设计见表1。评价指标有萌发植物数量、植被覆盖度、群落平均高度、萌发灌木种类比例、物种丰富度、Shannon-Wiener多样性指数、Simpson优势度指数和Pielou均匀度指数。经济成本有表土剥离和储存费用、种子费用和灌溉费用。
表 1 正交试验因素与水平Table 1. Orthogonal test factors and levels试验组序
Sequence of experimental group覆土厚度
Covering soil thickness (A)/cm补种量/（粒·m−2）
Reseeding amount (B)/(grain·m−2)每日灌溉量
Daily irrigation (C)/(L·m−2)1 2 (A1) 50 (B1) 2.0 (C1) 2 2 (A1) 25 (B2) 1.5 (C2) 3 2 (A1) 0 (B3) 1.0 (C3) 4 3 (A2) 50 (B1) 1.5 (C2) 5 3 (A2) 25 (B2) 1.0 (C3) 6 3 (A2) 0 (B3) 2.0 (C1) 7 5 (A3) 50 (B1) 1.0 (C3) 8 5 (A3) 25 (B2) 2.0 (C1) 9 5 (A3) 0 (B3) 1.5 (C2) 1.4 布置萌发试验
本试验布设在内蒙古自治区乌海市新星矿区联合排土场砌石拱形护坡中。将前一年10月剥离的表土（M组）和6月剥离的表土（N组）进行两组土壤种子库正交试验，每组9个处理，分别计为M1 ~ M9和N1 ~ N9并以此划分样地，每个处理重复3次，每个处理试验面积约为2 m2，试验时间从2020年7月1日开始，至2020年10月1日结束，总计3个月。按照表1设计组别开展萌发试验，具体为：（1）试验前清除样地中植物和杂质，将土样充分混合均匀后进行覆土；（2）用撒播方式补种至覆土后的样地表面并与土壤进行适当混合；（3）按照每日灌溉量进行人工喷灌，同时备有防水覆盖物，控制降雨对试验的影响。幼苗出土后开始观察并记录，待植物生长稳定后调查群落高度。在9月底使用无人机对恢复区域进行图像采集，计算植被覆盖度。
1.5 数据处理与分析
土壤种子库与地上植被物种多样性采用Shannon-Wiener多样性指数（H）、Simpson优势度指数（D）和Pielou均匀度指数（E）计算，土壤种子库与地上植被的物种相似性采用Sorensen相似系数（Sc）计算[31−32]。数据采用SPSS 24.0进行极差分析、方差分析和主成分分析。植物生长参数以及群落多样性指标数据采用Excel 2019统计，用origin软件制图。
Shannon-Wiener多样性指数：H=−∑(PilnPi) (1) Simpson优势度指数：D=1−∑P2i (2) Pielou均匀度指数：E=H/lnS (3) Sorensen相似系数：Sc=2a/(b+c) (4) 式中：Pi为物种i的相对丰度，即i个物种个体数占所有个体总数的比例；S为土壤种子库或地上植被物种总数。b和c分别为土壤种子库或地上植被中出现的物种数；a为土壤种子库之间或与其地上植被的共有物种数。
2. 结果与分析
2.1 恢复植被与原生植被特征的比较
前期试验结果显示10月总体种子库0 ~ 10 cm密度为（846.68 ± 79.25）粒/m2，6月持久种子库0 ~ 10 cm密度为（178.35 ± 49.97）粒/m2。正交试验中M组萌发植物数量为（83.72 ± 10.88）株/m2，共萌发20种植物。N组萌发植物数量平均为（44.83 ± 8.96）株/m2，共萌发植物13种。排土场原生植被植物数量平均38株/m2，共有8种植物。M组萌发的植物主要有沙蒿（Artemisia desertorum）、直立黄耆和小画眉草（Eragrostis minor）；N组萌发的主要植物有直立黄耆、小画眉草和冷蒿（Artemisia frigida）；矿区原生植被主要有狗尾草（Setaria viridis）、直立黄耆和紫苜蓿（Medicago sativa）。恢复植被与原生植被Sorenson相似性在0.35 ~ 0.48。两组恢复植被的植物数量和物种数均高于矿区排土场原生植被。
M组试验中多年生草本植物占萌发植物总数的77.11%；其次是一年生草本植物，占总数的19.71%；灌木植物占萌发总数的3.19%。植物种类占比依次为菊科、禾本科和豆科。补种的直立黄耆萌发率为57.77%，补种的沙冬青萌发率为50.01%。N组试验中多年生草本植物占幼苗萌发总数的67.53%；一年生草本植物占幼苗萌发总数的26.77%；灌木植物占萌发总数的5.20%。植物种类占比依次为禾本科、菊科和豆科。补种的直立黄耆萌发率为55.00%，补种的沙冬青萌发率为44.44%。
两组试验对比显示，M组植物株数平均比N组多39株/m2，M组植被覆盖度平均比N组高6.9%，M组群落高度平均比N组高1.2 cm，M组物种数比N组多7种，M组Shannon-Wiener多样性指数范围在1.42 ~ 1.96，N组Shannon-Wiener多样性指数范围在1.15 ~ 1.78。
2.2 极差分析法评估试验结果
由表2所示，M组试验中以萌发植物数量和萌发灌木种类比例为参考指标时，因素主次顺序为灌溉量、补种量和覆土厚度；以植被覆盖度和群落平均高度为参考指标时，因素主次顺序为灌溉量、覆土厚度和补种量；以种丰富度和Pielou均匀度为参考指标时，因素主次顺序为覆土厚度、补种量和灌溉量；以Shannon-Wiener多样性指数为参考指标时，因素主次顺序为覆土厚度、灌溉量和补种量；以优势度指数为参考指标时，因素主次顺序为补种量、覆土厚度和灌溉量。在4个指标中，灌溉量的极差值均为最大，覆土厚度在3个指标中极差值最大，而补种量仅在一个指标中极差值最大。据此可判断3因素重要程度为灌溉量 > 覆土厚度 > 补种量。
表 2 正交试验极差结果Table 2. Orthogonal test range results指标
IndexM组 Group M N组 Group N 极差
Range最优组合
Optimal combination极差
Range最优组合
Optimal combination萌发植物数量 Number of germination plant RC > RB > RA A3B1C1 RC > RB > RA A3B1C1 植被覆盖度 Vegetation coverage RC > RA > RB A3B1C1 RA > RC > RB A3B3C1 群落平均高度 Average community height RC > RA > RB A3B3C1 RC > RA > RB A3B3C1 萌发灌木种类比例 Proportion of budding shrub species RC > RB > RA A3B2C1 RB > RC > RA A3B2C1 物种丰富度 Species richness RA > RB > RC A3B1C1 RA > RB > RC A3B1C1 多样性指数 Shannon-Wiener diversity index RA > RC > RB A1B3C1 RB > RC > RA A2B2C3 优势度指数 Dominance index RB > RA > RC A1B2C2 RA > RB > RC A2B2C1 Pielou均匀度指数 Pielou evenness index RA > RB > RC A1B3C1 RB > RC > RA A2B3C3 注：M表示10月土壤种子库的试验，N表示6月土壤种子库的试验，RA表示因素A的极差，其他符号同理。Notes: M represents soil seed bank test in October and N represents soil seed bank test in June, RA denotes the extreme variance of factor A, the same applies to other symbols. N组试验中以萌发植物数量为参考指标时，因素主次顺序为灌溉量、补种量和覆土厚度；以植被覆盖度为参考指标时，因素主次顺序为覆土厚度、灌溉量和补种量；以群落平均高度为考察指标时，因素主次顺序为灌溉量、覆土厚度和补种量；以萌发灌木种类比例、Shannon-Wiener多样性指数和Pielou均匀度指数为考察指标时，因素主次顺序为补种量、灌溉量和覆土厚度；以种丰富度和优势度指数为考察指标时，因素主次顺序为覆土厚度、补种量和灌溉量。N组试验中，补种量在3个指标中极差值均为最大，覆土厚度也在3个指标中极差值均为最大，灌水量在2个指标中极差值均为最大。
2.3 方差分析法评估试验结果
由表3所示，M组试验中覆土厚度和植被覆盖度、群落平均高度以及Shannon-Wiener多样性3个指标呈显著相关（P < 0.05），和物种丰富度呈极显著相关（P < 0.01）。萌发植物数量、植被覆盖度以及灌木萌发比例3个指标与灌溉因素呈显著相关（P < 0.05），群落平均高度与灌溉极显著相关（P < 0.01）。而补种只对物种丰富度有显著影响（P < 0.05）。N组试验中覆土厚度对群落平均高度和物种丰富度有显著影响（P < 0.05），对植被覆盖度有极显著影响（P < 0.01）。萌发植物数量、植被覆盖度和群落平均高度3个指标与灌溉因素显著相关（P < 0.05）。3因素对两组的优势度指标和Pielou均匀度指标无显著影响（P > 0.05）。
表 3 正交试验方差结果Table 3. Variance results of orthogonal experiment指标
Index因素
FactorM组 Group M N组 Group N F P F P 萌发植物数量
Number of germination plantA 3.300 0.233 3.019 0.249 B 4.746 0.174 12.383 0.075 C 20.908 0.046 31.044 0.031 植被覆盖度
Vegetation coverageA 24.180 0.040 188.357 0.005 B 0.664 0.601 5.847 0.146 C 53.478 0.018 96.204 0.010 群落平均高度
Average community heightA 89.721 0.011 23.596 0.041 B 9.923 0.092 0.793 0.558 C 144.891 0.007 38.118 0.026 萌发灌木种类比例
Proportion of budding shrub speciesA 11.199 0.082 0.719 0.582 B 18.716 0.051 7.092 0.124 C 23.958 0.040 3.327 0.231 物种丰富度
Species richnessA 127 0.008 76 0.013 B 43 0.023 13 0.071 C 7 0.125 4 0.200 多样性指数
Shannon-Wiener
diversity indexA 28.289 0.034 0.549 0.646 B 0.923 0.520 0.718 0.582 C 3.733 0.211 0.614 0.619 优势度指数
Dominance indexA 1.797 0.358 5.914 0.145 B 2.810 0.262 2.639 0.275 C 1.046 0.489 0.390 0.720 Pielou均匀度指数
Pielou evenness indexA 5.074 0.165 1.135 0.468 B 0.337 0.748 3.197 0.238 C 0.200 0.833 2.418 0.293 由表4所示，M组试验中不同水平的覆土厚度对群落高度和物种丰富度均有显著影响，不同水平的灌溉量对植被覆盖度和群落高度均有显著影响。N组试验中不同水平的覆土厚度对植被覆盖度和物种丰富度均存在显著影响，不同水平的灌溉量对植被覆盖度均显著影响。
表 4 各因素不同水平之间的多重比较分析结果Table 4. Multiple comparison analysis results between different levels of each factor因素水平
Factor level萌发植物数量
Number of
germination
plant植被覆盖度
Vegetation
coverage群落平均高度
Average
community
height萌发灌木
种类比例
Proportion of
budding shrub
species物种丰
富度
Species
richness多样性
指数
Diversity
index优势度
指数
Dominance
index均匀度
指数
Evenness
indexM组（秋季）土壤种子库
Group M (autumn)
soil seed bank覆土厚度
Covering soil
thickness1 149.67 a 23.36 b 10.39 c 4.31 b 14.67 c 1.90 a 0.77 a 0.67 a 2 181.67 b 34.48 a 12.15 b 6.00 ab 16.67 b 1.46 b 0.78 a 0.51 a 3 197.67 b 38.83 a 14.37 a 6.96 a 19.00 a 1.59 b 0.80 a 0.55 a 补种量
Amount of
replanting1 209.33 a 33.51 a 12.76 a 7.52 a 17.67 a 1.64 a 0.80 a 0.60 a 2 166.33 a 32.29 a 12.60 a 5.71 ab 17.33 a 1.69 a 0.79 a 0.58 a 3 153.33 a 30.87 a 11.54 a 4.04 a 15.33 b 1.66 a 0.76 a 0.55 a 每日灌溉量
Daily irrigation1 238.67 a 44.02 a 14.95 a 7.50 a 17.33 a 1.72 a 0.79 a 0.58 a 2 174.67 ab 32.34 b 12.07 b 6.14 a 16.67 a 1.66 b 0.80 a 0.60 a 3 115.67 b 20.31 c 9.89 c 3.62 b 16.33 a 1.56 b 0.77 a 0.56 a N组（夏季）土壤种子库
Group N (summer)
soil seed bank覆土厚度
Covering soil
thickness1 80.00 a 15.44 c 9.05 a 6.73 a 8.33 c 1.30 a 0.76 a 0.60 a 2 102.00 a 25.14 b 11.25 ab 9.70 a 10.33 b 1.48 a 0.83 a 0.63 a 3 102.00 a 30.05 a 13.10 b 8.33 a 11.67 a 1.36 a 0.82 a 0.55 a 补种量
Amount of
replanting1 121.33 a 22.29 a 11.17 a 8.84 a 10.67 a 1.26 a 0.80 a 0.52 a 2 92.67 ab 23.44 a 10.74 a 12.59 a 10.33 ab 1.46 a 0.82 a 0.63 a 3 70.00 b 24.91 a 11.49 a 3.33 a 9.33 b 1.43 a 0.78 a 0.65 a 每日灌溉量
Daily irrigation1 136.67 a 29.15 a 13.58 a 11.92 a 10.33 a 1.36 a 0.82 a 0.57 a 2 92.00 b 22.90 b 11.37 a 6.73 a 10.33 a 1.30 a 0.80 a 0.56 a 3 55.33 b 18.58 c 8.45 b 6.11 a 9.67 a 1.49 a 0.79 a 0.67 a 注：不同小写字母表示处理间差异显著（P < 0.05）。Note: different lowercase letters denote statistically significant differences among the processes (P < 0.05). 2.4 主成分分析法评估试验结果
主成分分析结果显示前4个特征值分别为2.104、1.719、1.362和1.210，累计贡献率达到89.22%，提取前4个因素进行分析统计。由图1所示，相同的处理措施下M组得分大部分高于N组，且从分数可以看出，两类表土对措施的响应保持着较高一致性。M组中M1的分数最高，组合是覆土厚度为2 cm，补种量50粒/m2，每日灌溉量为2 L/m2；N组中N8的分数最高，组合是覆土厚度为5 cm，补种量25粒/m2，每日灌溉量为2 L/m2。两组中分数最低的组合都是覆土厚度为2 cm，补种量0粒/m2，每日灌溉量为1 L/m2。该组合的3种因素皆处于最低水平。
3. 讨 论
3.1 两类表土土壤种子库基本特征
两组恢复植被的植株萌发数量和物种数均高于矿区排土场原生植被物种数，证明利用表土中土壤种子库进行植被恢复有着良好效果[33]。上年度秋季剥离的表土在堆放过程中虽然会造成部分种子丧失活力，但秋季土壤种子库的植株萌发数量、植被覆盖度、群落平均高、物种丰富度和多样性指数等指标均高于夏季土壤种子库，种子库动态呈现明显的季节性变化[34]。秋季是许多植物种子的成熟期，种子雨散落至土壤中，促进土壤种子库的密度显著上升[35]。总体种子库与持久种子库相比，前者含有更多的种子数量和物种。这一特性使得秋季剥离的表土生态修复成效更加显著，具有更高的生态修复价值。
两组土壤种子库萌发植物均以菊科、禾本科和豆科为主，与以往的露天煤矿土壤种子库研究一致[36]，季节变化并没有明显改变土壤种子库的科属特征，菊科、禾本科和豆科植物在生态环境恶劣的矿区适应度更高[37]，因此在矿区进行植被修复时应优选以上物种植物。试验中萌发的多年生草本和一年生草本在数量和物种数上占据绝对优势，草本植物种子产量大，传播能力强且易出苗，在环境恶劣的地区能更快适应[38]。试验中补种的草本种子萌发率高于灌木种子，一部分种子没有萌发可能是受到灌溉量和覆土厚度因素的影响，水分太少以及覆土厚度薄导致播撒的种子不能全部萌发亦或者是种子与土壤混合过程中埋藏太深，导致萌发阻力加大未出现萌发情况。两组试验中萌发的灌木仅有红砂和沙冬青，灌木物种的缺少可能与植物种的繁殖策略有关，造成土壤种子库中灌木种子含量较低[39]。
3.2 3种因素对土壤种子库萌发的影响
3种因素对土壤种子库萌发效果有着显著影响，同时对不同季节的土壤种子库影响程度存在差异。结果显示灌溉量是影响秋季土壤种子库萌发最重要的因素，其次是覆土厚度，最后是补种。这可能因为在降雨稀少的西部干旱地区水分是限制植物生长的主要因素，水分对土壤种子库的激活效应远比其他环境因子的作用力强[40]，因此充足的灌溉对土壤种子库萌发和植物生长有着重要作用[41]。补种对秋季土壤种子库萌发的影响因素最小，但试验中萌发的灌木基本都是依靠补种，补种可以促进土壤种子库的丰富度和多样性，提升植物群落的稳定性。
灌溉对夏季土壤种子库的影响较秋季低，而覆土和补种对夏季土壤种子库的影响比秋季高。春夏季作为植物生长期，大量种子萌发以至于土壤中种子含量减少，因此即使在水分条件充足，也无法增加幼苗数量。覆土因素重要性提升，其原因是覆土厚度的增加会使土壤中含有更多种子，覆土厚度直接影响着土壤种子密度和植物物种，土层越厚所含有的土壤种子数量就有可能越多[42−43]。但覆土厚度并不是越厚越好，过高的覆土厚度不仅增加大量成本，而且会增加种子萌发阻力，尤其是当种子埋藏深度超过5 cm时，会导致种子萌发和出土困难[44]，出苗率可能随着覆土厚度增加而下降[45]，因此选择适宜的厚度，才能帮助种子顺利萌发，促进植物生长。补种作为直接补充种子数量的措施，在土壤种子库密度较低的情况下，其对于植被恢复的重要性愈发凸显，所以对夏季土壤种子库产生了更大影响。以此为鉴补种措施在自然条件恶劣，植被稀疏的地区实施植被恢复效果会更显著[46]。
方差分析结果显示两组在萌发植物数量和多样性指数指标上存在显著差异，在物种丰富度上两组存在极显著差异，先前的研究中也有相同的结果[33]。物种数的差异是土壤种子库时间异质性最直接的体现，同时因为物种和种子数量的变化，对多样性指数也产生了影响。在植被覆盖度方面没有造成差异的原因可能是本研究在干旱矿区，在采集盖度数据时，由于植被幼苗生长缓慢且个头较小，导致植被覆盖度普遍较低，没有形成显著差异。
主成分分析结果显示，M组分数大部分高于N组，证明秋季剥离的表土利用价值更高，也证明表土剥离时间的重要性比添加辅助措施更加重要。但在第5个措施中夏季土壤种子库得分超过秋季土壤种子库，该组措施为覆土厚度3 cm，补种量25粒/m2，每日灌溉量1 L/m2。此现象进一步证实了秋季土壤种子库对灌溉条件的依赖性。即便具备适宜的覆土厚度和补种量，在一定程度上增加种子库的数量，但如果灌溉量不足，将无法有效激活充足数量的种子。夏季土壤种子库在该措施下得分更高，可能是因为持久种子库中部分种子在春夏季降水过后短暂解除休眠，但并未萌发，随后在持续干旱中再次进入休眠[47]，这些经历了2次休眠但未失去活性的种子，对萌发需水量的要求低于短暂种子库[48]。M组试验中M1的分数最高，其组合是覆土厚度为2 cm，补种量50粒/m2，每日灌溉量为2 L/m2；N组试验中N8的分数最高，其组合是覆土厚度为5 cm，补种量25粒/m2，每日灌溉量为2 L/m2。由此可见，两组土壤种子库的关键需求是充足的水分。然而，夏季土壤种子库含量相对较低，因此需要更厚的覆土以弥补土壤中种子含量不足的问题。
3.3 今后的研究方向
本研究为解决合理利用干旱矿区表土资源的科学问题，采用正交试验的方法探究覆土厚度、每日灌溉量和补种量因素对不同季节土壤种子库的影响程度。采用“实地恢复试验”，真实还原植被恢复环境，使研究结果更加准确可靠。并且在生态恢复效果的基础上考虑经济可行性，探究恢复效果好且经济可行的最优方案，为今后的植被恢复提供借鉴。不同灌溉梯度和覆土厚度对土壤种子库物种组成和群落结构差异显著[49]，在本次研究中，尚未对灌溉及覆土对土壤种子库中各类种子所导致的差异性进行探讨。在未来的研究中，可针对土壤种子库中主导种子的生态特性，设定适宜的灌溉梯度和覆土厚度。
4. 结 论
秋季剥离的表土比夏季剥离的表土可利用性更高，植被恢复效果更好。灌溉是影响秋季土壤种子库萌发的最重要因素；灌溉对夏季土壤种子库萌发影响减少，覆土和补种因素的影响显著提升。结合生态效益和经济成本考虑，矿区排土场生态修复利用秋季剥离的表土，覆土厚度2 cm，补种量50粒/m2，每日灌溉量2 L/m2的组合是最优的实施方案，为今后矿区植被恢复提供理论参考。
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表 1 正交试验因素与水平
Table 1 Orthogonal test factors and levels
试验组序
Sequence of experimental group覆土厚度
Covering soil thickness (A)/cm补种量/（粒·m−2）
Reseeding amount (B)/(grain·m−2)每日灌溉量
Daily irrigation (C)/(L·m−2)1 2 (A1) 50 (B1) 2.0 (C1) 2 2 (A1) 25 (B2) 1.5 (C2) 3 2 (A1) 0 (B3) 1.0 (C3) 4 3 (A2) 50 (B1) 1.5 (C2) 5 3 (A2) 25 (B2) 1.0 (C3) 6 3 (A2) 0 (B3) 2.0 (C1) 7 5 (A3) 50 (B1) 1.0 (C3) 8 5 (A3) 25 (B2) 2.0 (C1) 9 5 (A3) 0 (B3) 1.5 (C2) 
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表 2 正交试验极差结果
Table 2 Orthogonal test range results
指标
IndexM组 Group M N组 Group N 极差
Range最优组合
Optimal combination极差
Range最优组合
Optimal combination萌发植物数量 Number of germination plant RC > RB > RA A3B1C1 RC > RB > RA A3B1C1 植被覆盖度 Vegetation coverage RC > RA > RB A3B1C1 RA > RC > RB A3B3C1 群落平均高度 Average community height RC > RA > RB A3B3C1 RC > RA > RB A3B3C1 萌发灌木种类比例 Proportion of budding shrub species RC > RB > RA A3B2C1 RB > RC > RA A3B2C1 物种丰富度 Species richness RA > RB > RC A3B1C1 RA > RB > RC A3B1C1 多样性指数 Shannon-Wiener diversity index RA > RC > RB A1B3C1 RB > RC > RA A2B2C3 优势度指数 Dominance index RB > RA > RC A1B2C2 RA > RB > RC A2B2C1 Pielou均匀度指数 Pielou evenness index RA > RB > RC A1B3C1 RB > RC > RA A2B3C3 注：M表示10月土壤种子库的试验，N表示6月土壤种子库的试验，RA表示因素A的极差，其他符号同理。Notes: M represents soil seed bank test in October and N represents soil seed bank test in June, RA denotes the extreme variance of factor A, the same applies to other symbols.
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表 3 正交试验方差结果
Table 3 Variance results of orthogonal experiment
指标
Index因素
FactorM组 Group M N组 Group N F P F P 萌发植物数量
Number of germination plantA 3.300 0.233 3.019 0.249 B 4.746 0.174 12.383 0.075 C 20.908 0.046 31.044 0.031 植被覆盖度
Vegetation coverageA 24.180 0.040 188.357 0.005 B 0.664 0.601 5.847 0.146 C 53.478 0.018 96.204 0.010 群落平均高度
Average community heightA 89.721 0.011 23.596 0.041 B 9.923 0.092 0.793 0.558 C 144.891 0.007 38.118 0.026 萌发灌木种类比例
Proportion of budding shrub speciesA 11.199 0.082 0.719 0.582 B 18.716 0.051 7.092 0.124 C 23.958 0.040 3.327 0.231 物种丰富度
Species richnessA 127 0.008 76 0.013 B 43 0.023 13 0.071 C 7 0.125 4 0.200 多样性指数
Shannon-Wiener
diversity indexA 28.289 0.034 0.549 0.646 B 0.923 0.520 0.718 0.582 C 3.733 0.211 0.614 0.619 优势度指数
Dominance indexA 1.797 0.358 5.914 0.145 B 2.810 0.262 2.639 0.275 C 1.046 0.489 0.390 0.720 Pielou均匀度指数
Pielou evenness indexA 5.074 0.165 1.135 0.468 B 0.337 0.748 3.197 0.238 C 0.200 0.833 2.418 0.293
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表 4 各因素不同水平之间的多重比较分析结果
Table 4 Multiple comparison analysis results between different levels of each factor
因素水平
Factor level萌发植物数量
Number of
germination
plant植被覆盖度
Vegetation
coverage群落平均高度
Average
community
height萌发灌木
种类比例
Proportion of
budding shrub
species物种丰
富度
Species
richness多样性
指数
Diversity
index优势度
指数
Dominance
index均匀度
指数
Evenness
indexM组（秋季）土壤种子库
Group M (autumn)
soil seed bank覆土厚度
Covering soil
thickness1 149.67 a 23.36 b 10.39 c 4.31 b 14.67 c 1.90 a 0.77 a 0.67 a 2 181.67 b 34.48 a 12.15 b 6.00 ab 16.67 b 1.46 b 0.78 a 0.51 a 3 197.67 b 38.83 a 14.37 a 6.96 a 19.00 a 1.59 b 0.80 a 0.55 a 补种量
Amount of
replanting1 209.33 a 33.51 a 12.76 a 7.52 a 17.67 a 1.64 a 0.80 a 0.60 a 2 166.33 a 32.29 a 12.60 a 5.71 ab 17.33 a 1.69 a 0.79 a 0.58 a 3 153.33 a 30.87 a 11.54 a 4.04 a 15.33 b 1.66 a 0.76 a 0.55 a 每日灌溉量
Daily irrigation1 238.67 a 44.02 a 14.95 a 7.50 a 17.33 a 1.72 a 0.79 a 0.58 a 2 174.67 ab 32.34 b 12.07 b 6.14 a 16.67 a 1.66 b 0.80 a 0.60 a 3 115.67 b 20.31 c 9.89 c 3.62 b 16.33 a 1.56 b 0.77 a 0.56 a N组（夏季）土壤种子库
Group N (summer)
soil seed bank覆土厚度
Covering soil
thickness1 80.00 a 15.44 c 9.05 a 6.73 a 8.33 c 1.30 a 0.76 a 0.60 a 2 102.00 a 25.14 b 11.25 ab 9.70 a 10.33 b 1.48 a 0.83 a 0.63 a 3 102.00 a 30.05 a 13.10 b 8.33 a 11.67 a 1.36 a 0.82 a 0.55 a 补种量
Amount of
replanting1 121.33 a 22.29 a 11.17 a 8.84 a 10.67 a 1.26 a 0.80 a 0.52 a 2 92.67 ab 23.44 a 10.74 a 12.59 a 10.33 ab 1.46 a 0.82 a 0.63 a 3 70.00 b 24.91 a 11.49 a 3.33 a 9.33 b 1.43 a 0.78 a 0.65 a 每日灌溉量
Daily irrigation1 136.67 a 29.15 a 13.58 a 11.92 a 10.33 a 1.36 a 0.82 a 0.57 a 2 92.00 b 22.90 b 11.37 a 6.73 a 10.33 a 1.30 a 0.80 a 0.56 a 3 55.33 b 18.58 c 8.45 b 6.11 a 9.67 a 1.49 a 0.79 a 0.67 a 注：不同小写字母表示处理间差异显著（P < 0.05）。Note: different lowercase letters denote statistically significant differences among the processes (P < 0.05).
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