《Ecological Engineering》：The influence of abiotic (snow fences) and biotic (hedgerows) vertical structures on natural plant recolonization in subarctic mine site reclamation
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亚寒带露天矿生态修复中，垂直结构（雪 fence 与 Alnus viridis、Dryas integrifolia 生物 hedge）对自然植被恢复的影响有限，短期（3年）内结构类型和高度对物种覆盖、均匀度等指标作用不显著，但背风侧1倍结构高度处土壤水分（VWC）较高，植被覆盖和均匀度更优。土壤湿度、温度及地形微异质性显著影响植物群落组成，自然恢复仍以 ruderal物种为主，需结合土壤改良和微地形调控。
本杰明·F·布兹伊（Benjamin F. Budzey）| 西蒙·M·兰德豪瑟（Simon M. Landh?usser）| 凯瑟琳·J·斯图尔特（Katherine J. Stewart）
加拿大萨斯喀彻温大学农业与生物资源学院土壤科学系，萨斯卡通，SK省
摘要
亚北极地区北方矿区的植被恢复常常受到土壤湿度和极端气候条件的限制，这凸显了需要成本效益高、可扩展的策略来改善受干扰地区的生长条件，从而促进北方植物物种的自然重新定殖。本研究旨在：i) 评估垂直结构类型（即非生物性雪篱与生物性Alnus viridis和Dryas integrifolia树篱）、其高度以及与结构之间的距离对早期自然重新定殖物种的影响；ii) 探究场地条件（如土壤体积含水量（VWC）、土壤温度、容重、土壤质地、土壤有机质和养分）以及微地形对加拿大育空地区中部矿区表土上早期植物群落组成的影响。自然植物对垂直结构的早期响应较为有限；然而，在距离结构高度为一倍的区域内，非生物结构后的覆盖度和均匀度较高，这与检测到的较高VWC值一致。覆盖度、多样性、丰富度和均匀度在研究区域内存在差异，植物群落组成受VWC、温度以及表土质地和养分梯度的影响。微地形也对北方物种的分布有显著影响。恢复三年后，自然重新定殖的植被仅实现了部分恢复，杂草物种（如Elymus trachycaulus、Crepis tectorum、Hordeum jubatum和Boechera spp.）在群落中占主导地位。我们的研究结果强调了精心设计垂直结构（包括高度、孔隙率和方向）的必要性，并指出考虑表土特性和微地形的重要性，这些因素似乎比垂直结构本身对半干旱亚北极矿区植被恢复的初期过程具有更强的影响。
引言
随着矿物需求的增加，采矿活动扩展到了偏远的北部地区，这些地区环境恶劣，给北方森林的恢复带来了挑战（Aerts和Honnay，2011；Jacobs等人，2015；Sandlos和Keeling，2015），因此迫切需要开展关于半干旱亚北极矿区植被恢复的研究。恢复效果受到多种因素的影响，包括非生物条件、生物相互作用（如促进作用和竞争）以及恢复时间（Aasberg，2023；Veiga，2025），其中非生物因素如土壤质地、养分和持水能力对早期植物群落的发展起着关键作用（Dhar等人，2020a）。露天采矿会通过完全移除表层土壤造成严重干扰（Melnik等人，2018），在许多亚北极矿区，幼年土壤的形成和自然表土的浅层限制了其作为覆盖材料的可用性（Dhar等人，2022；Duk-Rodkin等人，2004）。因此，植被恢复通常必须在未开发的土壤母质或覆盖在矿石上的表土上进行，这需要采取替代策略来支持在严酷的亚北极气候条件下植物群落的自然重新定殖。
在半干旱的北部环境中，生长季节的土壤湿度受降雪量和地形的影响显著，尤其在融雪后地形效应最为明显，但随着生长季节的推进和蒸散作用的增加，这种影响会减弱（Jordan等人，2020；Kemppinen等人，2023；Zhang等人，2022）。在持水能力低且侵蚀潜力高的粗质地表土上，先锋植物的建立受到进一步限制（Frouz，2021；Miller和Naeth，2021）。因此，增加土壤湿度的恢复和植被恢复策略对于促进自然植物重新定殖至关重要，因为幼苗在恢复后的覆盖土壤上的存活率变化较大，且依赖于狭窄的萌发时间和空间窗口（Landh?usser等人，2019；Pinno等人，2017；Romme等人，2005），这突显了适时性和适宜场地条件的重要性。
垂直结构可以为提高土壤湿度和改善微小土壤表面的萌发条件提供一种补充或替代策略，因为先锋植物的建立往往依赖于恢复场地良好的微气候（Aasberg，2023；Budzey等人，2025；Veiga，2025）。在暴露且水分有限的场地，或者适合植物建立的微地形较少的情况下，使用垂直结构可能最为有效。虽然非生物性垂直结构（如雪篱）在亚北极地区有效增加了融雪水的滞留（Budzey等人，2025；Stuefer和Kane，2016），但生物性结构（如灌木篱）除了具有类似的截雪效率外，还能带来额外的生态效益（Heavey和Volk，2014）。灌木篱通过风引起的积雪作用有助于土壤和水分的保持，其效果受结构高度和孔隙率的影响（Budzey等人，2025；Heavey和Volk，2014；M. M. Smith等人，2021）。除了截雪作用外，灌木篱还能增强土壤稳定性、养分循环、生物多样性以及长期生态系统韧性（Blanken，2009；Podhrázská等人，2021），尽管它们的高蒸腾速率可能会改变土壤水分平衡（Thomas等人，2008）。灌木篱主要在气候较为温和的农业景观中进行了研究，研究表明它们能影响植物群落组成、增加物种丰富度和功能多样性，并抑制外来物种（Boinot和Alignier，2022；Deckers等人，2004；Rey-Benayas等人，2025；Wilkerson，2014）。尽管有这些潜在的好处，但灌木篱在亚北极矿区对植物群落发展的影响和作用仍需进一步研究。
本研究的目标是评估：i) 垂直结构类型（非生物性与生物性）、其高度以及与结构之间的距离对早期自然重新定殖物种群落组成的影响；ii) 探究场地条件（如土壤体积含水量（VWC）、土壤温度（Tsoil）、容重、土壤质地、土壤有机质和养分）以及微地形对早期自然重新定殖物种群落组成的影响。我们假设无论垂直结构类型如何，较高高度的垂直结构和距离结构较近的位置会有更高的自然重新定殖物种的覆盖度、丰富度和多样性，这反映了由于土壤水分保持能力提高而导致的VWC增加。本研究基于之前关于垂直结构如何影响土壤湿度、土壤温度和种植幼苗的研究（Budzey等人，2025），进一步探讨了垂直结构、场地条件和微地形如何影响半干旱亚北极环境中自然重新定殖物种的建立和组成。
研究区域
Minto矿区（62.620097°N，137.276705°W，海拔980米）位于育空地区怀特霍斯以北约240公里处，属于Selkirk第一民族的A类定居土地，属于北方山脉生态区的育空高原-中部生态区（Duk-Rodkin等人，2004；育空生态区工作组，2004）。该生态区的土壤为石灰质冰碛土形成的碱性土壤。
自然重新定殖与垂直结构
在安装垂直结构三年后，现场自然重新定殖植被的总体覆盖率和丰富度仍然较低。整个研究区域的平均物种覆盖率为18%，平均每个平方米有5种物种，最多可达10种。自然植物对垂直结构的早期响应较为有限；然而，在非生物结构距离结构一倍的位置，物种覆盖率和均匀度较高。
垂直结构与距离对自然重新定殖的影响
与我们的假设相反，垂直结构类型（非生物性雪篱与生物性灌木篱）和高度在短期内（即恢复后三年）对植物重新定殖的影响有限。这一相对较短的研究期限是一个重要限制，因为 emerging trends 表明需要更长期的研究来全面了解垂直结构对自然重新定殖植被的影响。然而，我们确实检测到了结构类型之间的显著差异
结论
恢复三年后，垂直结构类型和与结构之间的距离对自然重新定殖的影响有限。虽然垂直结构对群落组成的影响不明显，但在非生物结构距离结构一倍的位置，植被覆盖度和均匀度较高。这一距离在夏季高温和降雨后的时间段内也表现出较高的VWC值（Budzey等人，2025），表明少量的水分增加有助于自然重新定殖。
CRediT作者贡献声明
本杰明·F·布兹伊（Benjamin F. Budzey）： 起草初稿、可视化处理、软件使用、资源获取、方法设计、调查实施、数据分析、数据管理。
西蒙·M·兰德豪瑟（Simon M. Landh?usser）： 审稿与编辑、方法设计、概念构思。
凯瑟琳·J·斯图尔特（Katherine J. Stewart）： 审稿与编辑、验证结果、监督工作、资源协调、项目管理、方法设计、调查实施、资金争取、数据管理。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的研究工作。
