露天煤礦排土場邊坡植被組成特征及其群落穩定性評價

張 琳,陸兆華,2,*,唐思易,張 萌,張潤廷,黃玉凱,尚 志

1 中國礦業大學(北京)恢復生態學研究所,北京 100083 2 濱州學院 山東省黃河三角洲生態環境重點實驗室,濱州 256603 3 神華寶日希勒能源有限公司,呼倫貝爾 021025 4 神華北電勝利能源有限公司,錫林浩特 026000

隨著我國社會經濟的快速發展,露天煤礦的采礦規模正逐年增加,在滿足我國經濟建設需要的同時,對地區原有的自然生態系統造成嚴重的破壞[1]。煤礦開采產生的損毀土地主要為露天礦排土場,由采礦廢棄物等大量廢土、廢渣堆積而成的排土場侵占了露天煤礦用地的一半以上,不僅嚴重破壞了原有的自然景觀,對土壤、地下水、大氣及生物群落也造成嚴重損害[2],同時由于排土場邊坡結構松散、植被覆蓋率低、水土流失嚴重,也極易發生地表塌陷、邊坡滑移等地質災害[3],因此對露天礦排土場進行生態修復已迫在眉睫。植被的恢復與重建一直是礦區排土場生態恢復的重要手段之一[4],不僅可以改善土壤結構,提升土壤肥力,同時對重金屬也起到一定去除作用[2],從而促進植物群落回到穩定狀態。目前,對于礦區植被恢復的研究大多集中在植被恢復技術的提升[5- 6]、植被及土壤恢復效果[7]、植被對土壤的改良效果[8]及植被配置模式[9]等,但是在長時間序列上,有關植物群落結構和穩定性變化的研究卻較為少見。

群落的穩定性是衡量一個生態系統對外界的抗干擾能力和受到干擾后回到穩定狀態的恢復能力,是保證生態系統可持續發展的重要指標。研究植物群落穩定性可以較為直接地了解到植被本身穩定性的特征和規律[10],為礦區人工植被恢復提供科學依據。M.Godron指數法是經典的群落穩定性評價方法,是對植物群落穩定性進行測定和比較的一種實用方法[11]。M.Godron指數法的局限性是僅能判斷群落是否穩定,沒有考慮到群落結構的變化,因此綜合分析群落穩定性與群落組成特征,可以進一步了解到礦區植物群落的生態特征及恢復進程,對礦區生態恢復具有重要意義。本研究以北電勝利礦區為例,通過對露天煤礦排土場邊坡不同人工恢復年限植被組成特征、物種多樣性以及群落穩定性的調查、計算和分析,研究排土場邊坡在不同恢復階段的植被恢復效果及群落穩定性,探討排土場群落演替過程及規律,篩選適合露天煤礦排土場邊坡生境的優勢種植物,為該區域露天煤礦植被恢復及重建提供一定借鑒依據。

1 材料和方法

1.1 研究區域

北電勝利礦區(115°30′—116°20′E,43°57′—44°14′N)位于內蒙古自治區錫林郭勒盟錫林浩特市北部,是勝利煤田的主要礦區之一。該地區屬半干旱草原性氣候,全年風沙大,年溫差在35—43℃之間,降水多集中在7—9月份,年均降水量約為295 mm[12]。地域性土壤為典型栗鈣土、暗栗鈣土、草甸栗鈣土及草甸土[12]。植被類型主要為典型草原和荒漠草原植被,植物組成主要有針茅(Stipacapillata)、糙隱子草(Cleistogenessquarrosa)、冷蒿(Artemisiafrigida)、羊草(Leymuschinensis)、冰草(Agropyroncristatum)、錦雞兒(Caraganasinica)等。

本次調查以神華北電勝利礦區四個排土場(內排土場、沿幫排土場、南排土場、北排土場)為研究對象,該礦區排土場植被恢復始于2008年,截止2014年排土場全部完成綠化復墾,綠化面積864萬m2。研究區域土壤鹽堿化嚴重,大部分為采礦過程中產生的廢石和廢渣。四個排土場均選取小葉錦雞兒(Caraganamicrophylla)、羊草、冰草、櫛葉蒿(Neopallasiapectinata)、紫苜蓿(Medicagosativa)作為主要恢復物種進行人工植被恢復,采用“排-覆-障-種-灌-護”六步綠化法進行綠化復墾[13],經簡單恢復后,恢復群落已初具規模,但因為恢復時間存在差異,群落組成及恢復效果存在差別。

1.2 野外植被調查與取樣

通過對露天煤礦進行資料收集并結合實地調查,采用空間代時間的方法[14],于2019年7—8月對露天煤礦各排土場進行野外植被調查。為減少樣地選擇存在的主觀因素干擾或現實條件限制所產生的誤差,對不同恢復年限排土場進行多點重復調查,以增加樣本數,同時嚴格控制樣地的坡向、坡度、高度等地形條件,盡量使地形因素趨于一致。

在對人工修復年限分別為2a、6a、7a、10a的內排土場、沿幫排土場、南排土場、北排土場進行現場踏查后,結合各排土場的地形及植被分布特點,分別在各排土場的南坡、北坡選一塊具有代表性的樣地進行群落調查,每個樣地設置3個間距為3 m的5 m×5 m的等距樣方,在每個樣方內采用“五點取樣法”設置五個1 m×1 m的小樣方,共計120個小樣方,記錄各樣方內出現植物的種類、株數、高度、蓋度、頻度等指標。

1.3 數據處理

1.3.1群落多樣性

群落多樣性是描述群落功能和穩定性的重要指標,在一定程度上反映了群落的結構和特征[15]。群落內多樣性多用α多樣性來描述[15],但α多樣性表征指標眾多,且各指標測度的指數、模型和適用范圍各不相同,單一的α多樣性指數不能對物種多樣性進行準確而全面的評價[16]。本研究選取目前最為通用的幾種α多樣性指數：Shannon-Wiener多樣性指數、Margalef豐富度指數、Pielou均勻度指數、Simpson生態優勢度指數來進行計算[16- 20],通過4種不同測度的指數提供更多的有關群落多樣性的信息,避免單一公式選取引起的不足。計算公式如下：

Shannon-Wiener多樣性指數(H)：

(1)

Margalef豐富度指數(R)：

R=(S-1)/lnN

(2)

Pielou均勻度指數(E)：

E=H/lnS

(3)

Simpson優勢度指數(D)：

(4)

式中,Pi為群落中i物種的數量占群落中物種總數的比例；S為群落中植物種數；N為群落中所有物種的個體總數。

1.3.2 群落穩定性

采取M.Godron貢獻定律法[11]對群落穩定性進行分析。其原理是將目標群落中所有植物物種按頻度大小進行排序,并計算其相對頻度,將總種數的倒數和相對頻度進行累積,用百分數表示,以植物種倒數的累積百分數為x軸,以相對頻度的累積百分數為y軸,建立曲線圖,使之與直線y=100-x相交,其交點(x,y)即為穩定性參考點,交點坐標與點(20,80)的距離稱為歐式距離,該距離越小說明植物群落越穩定,越大則越不穩定[11]。鄭元潤[21]和王鮮鮮[10]對M.Godron法進行改進,認為在計算時用蓋度代替頻度更能體現群落空間穩定性[10],同時采用一元三次方程進行擬合更能提高擬合精度[21]。因此,在本研究中采用優化后的M.Godron法來計算群落穩定性。計算方程如下：

種累積百分數(X)：

X=m/S

(5)

種累積蓋度(Y)：

(6)

平滑曲線擬合方程：

y=ax3+bx2+cx+d

(7)

直線方程：

y=100-x

(8)

式中,m為第m個物種；S為群落中植物種數；Ci為第i個物種的相對蓋度；根據實際情況,求得平滑曲線與直線的交點,舍棄無效值,得到交點坐標(x,y)。

2 結果

2.1 排土場邊坡植物群落特征

2.1.1排土場邊坡植物群落物種組成

物種組成是植物群落的基本特征之一[22]。如表1所示,調查區內共出現56種植物,分屬于16科,44屬,其中禾本科14種,豆科8種,菊科6種,分別占物種總數的25.00%、14.29%、10.71%,共占物種總數50.00%。排土場邊坡植物以草本植物為主,共計52種。灌木及半灌木植物僅出現小葉錦雞兒、興安胡枝子(Lespedezadavurica)、木地膚(Kochiaprostrata)、細枝山竹子(Corethrodendronscoparium)4種。

表1 不同恢復年限物種重要值

隨著恢復年限的增加,植物科、屬組成隨演替而變化,其中蓼科、藜科、蕓香科逐漸消失,新增牻牛兒苗科、莎草科、車前科。在演替過程中,禾本科、豆科、菊科植物一直占優勢地位,其中禾本科植物占比最高,是群落組成的主體和群落功能的主導者。對不同坡向植物科、屬組成進行分析發現,隨著恢復年限的增加,科、屬組成數目由南坡>北坡轉變為北坡>南坡。

隨著恢復年限的增加,各樣地物種數量略有上升,物種組成趨于豐富,優勢種更替明顯,人工種植的羊草和紫苜蓿有退化趨勢,同時大籽蒿、櫛葉蒿等本土植物出現,且重要值呈上升趨勢,逐漸成為優勢種。同一年限不同坡向排土場植物群落組成也有差異,南坡主要以豬毛菜、狗尾草、櫛葉蒿為優勢種；北坡主要以虎尾草、豬毛菜、紫苜蓿、櫛葉蒿為優勢種。

2.1.2排土場邊坡植物群落物種生活型結構

從物種生活型分布來看(圖1),人工恢復前期,豬毛菜、狗尾菜、虎尾草、華蟲實等一、二年生植物重要值占比較高,是坡面植物的主要構成物種；隨著恢復年限的增加,櫛葉蒿、小葉錦雞兒、銀灰旋花等多年生本土植物重要值顯著增加,邊坡植物生活型由以一、二年生植物為主轉變為以多年生植物為主。由圖1可知,隨著恢復年限的增加,同一恢復年限排土場不同坡向的植物組成變化程度不同,多年生植物重要值占比在人工恢復10a時南、北坡分別達77.14%、74.44%,較人工恢復2a分別增加了46.90%、60.80%。整體來看,多年生植物依靠更強的侵入性和抗逆性,以及維持群落穩定的能力[15],逐漸在演替過程中占據主導地位,使排土場邊坡生態功能越來越強,生態系統結構向穩定的方向發展。

圖1 不同恢復年限邊坡植被物種組成變化Fig.1 Species composition changes of slope vegetation in different restoration years

2.2 排土場邊坡物種多樣性及群落穩定性變化

2.2.1排土場邊坡物種多樣性變化

群落的物種多樣性可在一定程度上反映植物群落功能的復雜性和穩定性[23]。由圖2可知,在人工恢復初期,多樣性指數均較高,隨著恢復年限的增加,多樣性指數略有波動但整體呈下降趨勢。其中Shannon-Wiener多樣性指數和Margalef豐富度指數在7a時有所回升,10a時又下降,但變化不顯著(P>0.05),Simpson優勢度指數和Pielou均勻度指數隨年限增加呈下降趨勢。對比同一年限不同坡向的物種多樣性指數,Shannon-Wiener多樣性指數和Simpson優勢度指數為南坡>北坡,Pielou均勻度指數在人工恢復前期為南坡>北坡,后期無明顯區別,Margalef豐富度指數為北坡>南坡。

圖2 不同恢復年限邊坡多樣性指數Fig.2 Slope diversity of species in different restoration years

對不同恢復年限多樣性指數進行相關性分析,結果表明(表2),Shannon-Wiener多樣性指數、Simpson優勢度指數和Pielou均勻度指數之間均呈極顯著正相關性(P<0.05),其中Shannon-Wiener多樣性指數與Simpson優勢度指數相關性系數最高(0.953),Simpson優勢度指數與Pielou均勻度指數相關性系數次之(0.875)。Margalef豐富度指數與Shannon-Wiener多樣性指數、Simpson優勢度指數和Pielou均勻度指數之間相關性均不顯著(P>0.05),說明群落多樣性更多地受Shannon-Wiener多樣性、Simpson優勢度、Pielou均勻度的影響,受Margalef豐富度影響較小。

表2 不同恢復年限邊坡物種多樣性之間相關性

2.2.2排土場邊坡群落穩定性變化

根據改進后的M.Godron穩定性測定方法,作排土場邊坡植物群落M.Godron穩定性擬合曲線(圖3),穩定性系數的變化可以較清楚地表明植被恢復和演替過程中植物的種間競爭,并在一定程度上體現群落抵抗自然環境壓力和人為擾動的能力[24]。

圖3 排土場邊坡M.Godron群落穩定性擬合曲線Fig.3 M.Godron stability simulated curves of dump slopes

由表3可知,北坡在人工恢復2a時,歐氏距離最大,達13.20,隨著恢復年限的增加,歐氏距離逐漸減小,穩定性越來越高。南坡歐氏距離為7a>10a>2a>6a,在人工恢復7a時出現波動,隨后再次呈減小趨勢。對比同一恢復年限不同坡向的歐式距離,人工恢復2a時為南坡<北坡,人工恢復6a以后,歐氏距離轉變為北坡<南坡。

表3 排土場邊坡群落穩定性

3 討論

3.1 排土場邊坡植物群落特征變化

時間梯度上的物種組成變化,一定程度上反應了該生態系統恢復過程中群落環境變化以及該群落穩定性對這種變化的響應過程[25]。研究表明北電勝利露天煤礦排土場邊坡植被在恢復過程中以草本群落為主,禾本科、菊科、豆科植物重要值較高,其原因是禾本科、菊科、豆科植物適應性強,是我國礦區廢棄地恢復的優勢植物,這些植被生長快速,在短期內可實現較大的植被覆蓋,同時這些植被還可以改善邊坡微環境促進自身生長,從而適應惡劣的環境[26]。此結論與珊丹[27]、李向磊[28]等對北電勝利礦區進行植被調查得出的結果一致。隨著恢復年限增加,多年生植物快速生長逐漸替代淺根系的一、二年生植物,本土物種逐漸替代人工種植物種成為優勢種,物種多樣性指數大體呈下降趨勢。其原因是在人工恢復初期,人工種植的一、二年生植物靠種子繁殖的能力較強,具有較強的侵入性和抗逆性,對土壤環境及能量的要求較低,能適應惡劣的生存環境,從而在排土場修復初期成為先鋒物種,為土壤理化性質和植被的恢復奠定基礎[29]。隨著恢復年限增加,植物在與環境的長期相互作用中產生了適應性[30- 31],櫛葉蒿、小葉錦雞兒、銀灰旋花、糙隱子草等多年生本土植物具有較強耐受性的克隆器官,生活周期較長[32],在擾動環境下具有生長和繁殖的優勢[33],并在一定程度上改變了邊坡微環境,增強了邊坡土壤固持的生態功能[34],從而在演替過程中逐漸占據優勢地位,促進排土場群落正向演替進程[25],此結論與周濤[35]、江沙沙[33]等人關于不同恢復年限植物群落特征的研究中得到的結論一致。

群落演替是在物種間的不斷競爭和植物對環境的不斷適應過程中進行的,礦區排土場貧瘠的土壤環境限制了理想的演替進程。隨著恢復年限的增加,植物群落組成發生較大變化,優勢種的更替反映了礦區植被恢復過程中群落生態系統結構與功能的變化特征,恢復群落逐漸向礦區特有群落類型進行演替[32],說明群落向更穩定的方向發展。研究表明,采用植被演替后期的植物對礦區進行植被恢復會大大加速植被演替的進程,因此在進行礦區人工植被恢復時可考慮選取能快速生長的禾本科、菊科、豆科植物作為建群種,并輔以櫛葉蒿、小葉錦雞兒、糙隱子草、銀灰旋花等適應性較強的本土植物作為伴生種進行植被恢復。

3.2 排土場邊坡植物群落穩定性變化

隨著恢復年限的增加,露天煤礦排土場邊坡植物群落穩定性整體呈上升趨勢,穩定性由南坡>北坡轉變為北坡>南坡。排土場北坡M.Godron穩定性的歐式距離呈減小趨勢,群落向更加穩定方向發展；南坡歐氏距離在人工恢復7a時略有增加,但整體呈減小趨勢,穩定性上升。M.Godron穩定性主要由群落中優勢種的比重決定,植物群落功能的變化通常也由優勢種主導[36],人工恢復7a時本土植物逐漸替代人工種植植物成為優勢種,群落組成的變化在一定程度上影響其群落的穩定性[37],而南、北坡面自然環境條件有較大差異,群落組成的變化對不同坡面群落的穩定性、演替速度及方向的影響也有較大不同[38]。水分作為養分流動、循環的載體是影響干旱和半干旱地區植物群落組成和演替的關鍵因素[39],對該地區生態恢復有很大影響,南坡由于太陽輻射較強,土壤表層溫度較高,蒸發量大,同時立地環境較差,風化嚴重且土壤表層孔隙度較大,水分更容易蒸發和流失,導致土壤含水量較小,而北坡水分相對充足,溫度適宜,營養物質也較充足,更適宜物種進行生存繁衍[38]。不同坡向植物群落恢復效果及演替進程有差異,因此進行人工恢復時不僅要選取符合當地生境條件且具有相容性生態特征的本地物種進行恢復[40],同時應對不同坡向選取不同植被配置模式進行植被恢復及重建,從而達到更好的恢復效果[41]。

整體來看,隨著恢復年限的增加,優勢種更替明顯,群落發生明顯演替,物種多樣性下降,穩定性上升。可見人工植被恢復已成為礦區植被恢復的有效手段。群落演替是一個長期、動態的過程,本研究采用空間代時間的方法進行分析討論,對礦區排土場植物群落組成特征及穩定性的評價只是一個初步結果,對于長時間序列上的礦區植物群落組成特征及穩定性評價有待進一步研究。

4 結論

1)露天煤礦排土場邊坡植被在人工恢復過程中以草本植物為主,其中禾本科植物占據主要地位。隨著恢復年限的增加,多年生植物比例增加,本土物種在植被恢復與演替的過程中逐漸成為優勢種,群落進入進展演替。

2)隨著恢復年限的增加,排土場邊坡植物物種多樣性整體呈下降趨勢,穩定性呈上升趨勢。

3)由于排土場南、北坡土壤等環境因子的差異性,南、北坡植被恢復效果略有差異：植被恢復前期南坡植物物種組成及多樣性均高于北坡,隨著恢復年限的增加,轉變為北坡高于南坡；在恢復過程中,穩定性整體呈上升趨勢,北坡穩定性增長速率大于南坡。

4)研究表明,人工植被恢復是礦區植被恢復與重建的有效措施,且植被恢復時間越長,植被恢復效果及穩定性越好。在人工植被恢復時選取能快速生長的禾本科、菊科、豆科植物作為建群種,并輔以櫛葉蒿、小葉錦雞兒、糙隱子草、銀灰旋花等適應性較強的本土植物作為伴生種進行植被恢復會在一定程度上促進群落演替進程,提高群落穩定性,達到更好的恢復效果。