嵯峨山采石礦山廢棄地人工植被恢復(fù)植物群落特征

王志強(qiáng)，向華浩，祁有祥

(芷蘭生態(tài)環(huán)境建設(shè)有限公司，湖南 長沙 410000)

1 引言

礦產(chǎn)資源開發(fā)是經(jīng)濟(jì)建設(shè)重要的組成部分，但也帶來了嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問題[1]。隨著人們對(duì)生態(tài)環(huán)保問題認(rèn)識(shí)的提升，礦山開采后的生態(tài)恢復(fù)越來越受到重視。植被恢復(fù)是生態(tài)環(huán)境恢復(fù)的基礎(chǔ)[2]。國內(nèi)有關(guān)采礦廢棄地、采礦排土場、尾礦庫等礦山廢棄地植被恢復(fù)和重建的研究較多。楊海裕等[3]對(duì)金礦廢棄地的人工恢復(fù)植被和自然恢復(fù)植被調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，人工建植廢棄地的植物豐富度要高于自然恢復(fù)地。翟小娟等[4]對(duì)神東礦區(qū)植被恢復(fù)研究中進(jìn)行了植物質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)型的調(diào)查，篩選出了適合該地區(qū)生態(tài)恢復(fù)的植物種類。謝斐[5]等對(duì)六盤水喀斯特煤矸石山自然恢復(fù)植物群落進(jìn)行調(diào)查研究，發(fā)現(xiàn)在自然恢復(fù)的煤矸石山上的植物有26科46屬50種，其中戟葉酸模、亮葉樺、大葉醉魚草、五節(jié)芒和斑茅為優(yōu)勢(shì)種。施翔等[6]研究認(rèn)為群落結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，多樣性指數(shù)越高生態(tài)環(huán)境也就越穩(wěn)定。張琳等[7]對(duì)人工植被恢復(fù)的內(nèi)蒙古錫林郭勒盟北電勝利露天煤礦排土場進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)植物群落的穩(wěn)定性隨著年限的增加而升高。研究礦山生態(tài)修復(fù)區(qū)的植物結(jié)構(gòu)和物種多樣性，是評(píng)估礦山生態(tài)修復(fù)效果的重要指標(biāo)。

嵯峨山位于渭北旱腰帶，該地區(qū)礦產(chǎn)資源豐富，尤以石灰石資源最優(yōu)且儲(chǔ)藏量大著稱，是關(guān)中乃至陜西全省及周邊省區(qū)水泥、石灰、石料等建材的主要來源地之一。由于無序開采，使嵯峨山的生態(tài)環(huán)境遭受了嚴(yán)重地破壞。2019年中央生態(tài)環(huán)境保護(hù)督察“回頭看”指出的渭北“旱腰帶”采石破壞生態(tài)恢復(fù)治理問題整改[8]。在該地區(qū)進(jìn)行生態(tài)修復(fù)難度大、植被恢復(fù)緩慢。對(duì)該地區(qū)生態(tài)修復(fù)的相關(guān)研究還未見報(bào)道。因此，本研究利用樣方法調(diào)查采石廢棄地的人工植被恢復(fù)，計(jì)算反映群落特征的綜合指標(biāo)，分析人工生態(tài)修復(fù)區(qū)植物群落結(jié)構(gòu)和物種多樣性，初步篩選出適合該地區(qū)礦山生態(tài)修復(fù)的植物種類，從植物群落結(jié)構(gòu)和物種多樣初步評(píng)估生態(tài)修復(fù)效果。對(duì)該地區(qū)礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)具有指導(dǎo)意義。

2 研究區(qū)概況

渭北旱腰帶地區(qū)地處關(guān)中平原和陜北丘陵之間，東起韓城，西至隴西，橫跨渭南、銅川、延安、咸陽、寶雞五市，東西長400 km，南北寬10～80 km，平均海拔700 m左右，該區(qū)域植被稀少，水資源短缺，年均降水600～700 mm，年蒸發(fā)量是降水量的3倍，是典型的大陸型半干旱氣候。年平均氣溫13 ℃，最低氣溫為-20.8 ℃，最高氣溫為41.4 ℃。土壤主要種類有褐土、紅膠土、黃土、黑壚土等。該地區(qū)主要喬木主要有櫟類、側(cè)柏、山杏、山桃等，灌木主要有酸棗、連翹、密刺等，草本植物有鐵桿蒿、馬牙草、黃白草、野生毛苕等。

該地從20世紀(jì)90年代開始，進(jìn)行了石灰石等礦產(chǎn)資源開采，生態(tài)環(huán)境遭受嚴(yán)重的破壞。2020年芷蘭生態(tài)環(huán)境建設(shè)有限公司對(duì)礦山廢棄地進(jìn)行表面平整、削坡固坡，利用客土、人工基質(zhì)創(chuàng)造植物生長環(huán)境，利用機(jī)械噴播狗牙根、高羊茅、百日菊、波斯菊、毛苕子、三葉草等混播植物種子，進(jìn)行了人工植被恢復(fù)工作。研究地點(diǎn)位于涇陽縣嵯峨山安吳鎮(zhèn)，地理坐標(biāo)：東經(jīng) 108° 48′ 23.21″；北緯 34°42′ 22.70″。

3 研究方法

3.1 樣地設(shè)置與調(diào)查

2021年9月在嵯峨山生態(tài)修復(fù)示范地中選取2020年4月和2021年4月修復(fù)完成的2種類型，并以當(dāng)?shù)刈匀坏貫閷?duì)照，每個(gè)類型選取5個(gè)樣方，每個(gè)樣方面積為2 m×2 m，其中1號(hào)樣地為修復(fù)一年，2號(hào)樣地為修復(fù)二年，3號(hào)樣地對(duì)當(dāng)?shù)刈匀坏亍Ｕ{(diào)查記錄每個(gè)樣方內(nèi)的植物種類和數(shù)量，同時(shí)測(cè)定每個(gè)樣方內(nèi)植物高度、密度和蓋度。植株高度用鋼卷尺直接測(cè)量，密度為計(jì)數(shù)樣方內(nèi)每個(gè)植物數(shù)量，蓋度采用目測(cè)法，即樣方內(nèi)植物垂直投影面積占樣方面積的比值，頻度利用實(shí)測(cè)樣方內(nèi)每種植物出現(xiàn)的次數(shù)計(jì)算。

3.2 群落綜合指標(biāo)重要值測(cè)定

物種重要值(important value，公式中用IV表示) 采用以下公式計(jì)算[9]：

IV=(Cr+Er+Hr+Rr)/4

(1)

式(1)中：Cr為相對(duì)蓋度；Er為相對(duì)密度；Hr為相對(duì)高度；Rr為相對(duì)頻度；S為每個(gè)樣方總的物種數(shù)。

3.3 物種多樣性測(cè)定

群落物種多樣性測(cè)定采用Margalef豐富度指數(shù)(R)、Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)(H)、Simpson多樣性指數(shù)(D)、Evenness均勻度指數(shù)(E)4個(gè)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定[9]：

R=(S-1)/lnN

(2)

(3)

(4)

(5)

式(2)～(5)中：N為S個(gè)全部物種的重要值之和；Ni為i第物種的重要值。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、圖表制作和分析采用Excel 2020、SPSS 19.0完成。

4 結(jié)果與分析

4.1 修復(fù)區(qū)植物種類組成

通過對(duì)嵯峨山采石礦山人工修復(fù)地和自然地的植物種類調(diào)查，發(fā)現(xiàn)所調(diào)查區(qū)的植物共有14科43屬49種(表1)。其中以菊科11屬14種、豆科5屬12種、禾本科9屬10種，藜科2屬3種為主, 這4個(gè)科植物共計(jì)39種，占本群落總種的79.59%，其他科以單屬單種為主。1號(hào)樣地共出現(xiàn)了41種植物，2號(hào)樣地為共出現(xiàn)了27種植物，3號(hào)樣地中共有21種植物，其中酸棗是自然地獨(dú)有的植物。從表2可以看出，當(dāng)年修復(fù)地的植物種類比修復(fù)2年的樣地和自然地的植物種類多。

表1 不同調(diào)查區(qū)植被科、屬、種組成

4.2 物種重要值分析

對(duì)群落結(jié)構(gòu)和群落環(huán)境的形成有明顯控制作用的植物種稱為優(yōu)勢(shì)種[10]。根據(jù)各物種的重要值計(jì)算表明(表2)：在嵯峨山生態(tài)修復(fù)區(qū)和自然地中物種重要值Ⅳ>20的物種有紫御谷(Pennisetumglaucum.)、紫穗槐(AmorphafruticosaL.)、刺槐(RobiniapseudoacaciaL.)和胡枝子(LespedezabicolorTurcz)4種，這些物種在植物群落中的重要值最大，在植被恢復(fù)過程中具有重要的作用。Ⅳ值在10～20的物種，重要值相對(duì)較大，分布比較集中，為主要伴生種，這類植物主要有百日菊(ZinniaelegansJacq.)、狗牙根(Cynodondactylon(L.) Pers.)、酸棗(ZiziphusjujubaMill.var. spinosa(Bunge) Hu ex H.F.Chow)、燕麥草(Arrhenatherumelatius(L.) Presl)和雀麥草(BromusjaponicusThunb. ex Murr.)。Ⅳ在5～10的物種有5種。Ⅳ<5的物種有很多，在各植物群落中零星分布。

表2 不同樣地植物重要值

4.3 植物生長特征

在人工植被恢復(fù)措施下，能有效促進(jìn)采礦廢棄地的植被恢復(fù)，但不同恢復(fù)年限植被生長特征變化較大(圖1)。在植被高度方面，不同恢復(fù)年限之間沒有顯著差異，人工措施與3號(hào)樣地之間的植物差異不顯著。在植物密度方面，2號(hào)樣地的植物密度顯著高于3號(hào)樣地,之間差異顯著，但1號(hào)樣地與2號(hào)和3好樣地之間差異不顯著。在植物蓋度方面，1號(hào)樣地的總蓋度顯著高于2、3號(hào)樣地，同樣2、3號(hào)樣地之間差異顯著。說明在半干旱地區(qū)，人工植被恢復(fù)措施能夠促進(jìn)采礦廢棄地的植被恢復(fù)，并且能夠超過自然地的植被，使促進(jìn)生態(tài)環(huán)境能夠正向演替。

(a)平均高度 (6)平均密度 (c)總蓋度

4.4 物種多樣性分析

對(duì)不同樣地植物多樣性研究結(jié)果表明(表3)，1號(hào)樣地的Margalef豐富度指數(shù)(R)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H)和Simpson多樣性指數(shù)(D)最高，但物種分布不均，Evenness均勻度指數(shù)(E)最低；經(jīng)過1年的恢復(fù)后，Margalef豐富度指數(shù)(R)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H)和Simpson多樣性指數(shù)(D)都有所降低，但Evenness均勻度指數(shù)(E)有所升高；在自然樣地中的Margalef豐富度指數(shù)(R)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H)和Simpson多樣性指數(shù)(D)是最低的，但Evenness均勻度指數(shù)(E)是最高。說明人工恢復(fù)措施能夠提高生物群落中的植物多樣性，但在不同植物之間的配比還需要更進(jìn)一步研究，在人工恢復(fù)建設(shè)完成之后，植物群落逐漸向自然地方向演化，形成穩(wěn)定的群落。

表3 不同樣地植物多樣性變化

5 結(jié)論與討論

嵯峨山采石礦山廢棄地經(jīng)過人工植被恢復(fù)后，生態(tài)環(huán)境明顯得到改善，物種豐富度和多樣性指數(shù)提升。在人工恢復(fù)的第一年主要植被以菊科、豆科和禾本科為主，這與施工過程中選用的植物品種有關(guān)。菊科、豆科大部分為一年生植物，生長速度快，能夠在礦山廢棄地快速建群、復(fù)綠，其種子能夠進(jìn)行下一代繁殖，在生態(tài)修復(fù)工程中應(yīng)用廣泛。選用的禾本科植物大多為多年生植物，能夠在生態(tài)修復(fù)過程中起到長期定植，減少維護(hù)等作用。在生態(tài)修復(fù)過程中，選用鄉(xiāng)土植物是生態(tài)修復(fù)工程中最重要的一環(huán)，有利于植被向近自然恢復(fù)方向發(fā)展，有利于生態(tài)破壞地的植被能夠最終建立與當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境相適應(yīng)的群落結(jié)構(gòu)，促進(jìn)生態(tài)群落的穩(wěn)定。從本研究中發(fā)現(xiàn)，在人工植被恢復(fù)初期，為了植物能夠快速建群和廢棄地快速復(fù)綠，需要多種植物配合使用，但也需要利用鄉(xiāng)土植物來穩(wěn)定植物群落，使生態(tài)修復(fù)工程能夠達(dá)到與當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境相一致，特別要避免生物入侵情況的發(fā)生。

礦山廢棄地表面裸露，原有群落生物多樣性被破壞，短期內(nèi)難以形成植被，采取人工恢復(fù)措施，能夠?qū)θ郝湮锓N組成和結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同的影響[11]。進(jìn)行人工修復(fù)后，在第一年形成了以菊科、豆科和禾本科為主的優(yōu)勢(shì)植物群落。植物群落結(jié)構(gòu)不僅能反映植物群落特征，同時(shí)也能體現(xiàn)出植物群落所在生境條件[12]。本研究區(qū)共出現(xiàn)植物種類為49種，分屬14科43屬，其中單科單屬的植物出現(xiàn)較多，物種組成也較簡單。同時(shí)，發(fā)現(xiàn)在修復(fù)地植物群落中出現(xiàn)許多在生態(tài)修復(fù)過程中沒有選用的植物，如：小藜、小篷草、飛蓬、野豌豆、大薊、牛蒡、蒲公英、地膚、蘿藦等。這可能與在噴播過程中，應(yīng)用的泥土采自附近的耕地，這些土壤中存在這些植物的種子。這些植物與張文輝[13]、李登武[14]等研究結(jié)果基本一致。

在生態(tài)修復(fù)區(qū)的恢復(fù)過程中，隨恢復(fù)年限的增長生態(tài)系統(tǒng)逐步趨向穩(wěn)定。在生態(tài)系統(tǒng)中物種組成的變化，反映了生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)過程中群落環(huán)境變化已經(jīng)該群落對(duì)這種變化的響應(yīng)[15]。研究表明在嵯峨山采石礦山廢棄地植被恢復(fù)過程中，菊科、豆科和禾本科植物的重要值較高，其原因是這些植物的適應(yīng)性強(qiáng)，且在生態(tài)恢復(fù)過程中逐漸由多年生植物代替一年生植物，這與李向磊[16]、珊丹[17]等研究結(jié)果類似。在研究中可以發(fā)現(xiàn)在修復(fù)的第二年，植物的多樣性指數(shù)下降，而且在自然地中的植物多樣性也較低，這與人工恢復(fù)的要求有關(guān)，人工恢復(fù)工程一般要求見效快，因此大量種植一、二年生植物，這種植物種子繁殖能力強(qiáng)，對(duì)環(huán)境要求低，可以作為先鋒物種[7]，為土壤改良和植被恢復(fù)奠定基礎(chǔ)[18]。隨著恢復(fù)年限的增加，植被之間的競爭與適應(yīng)[19～21]，使得多年生植物優(yōu)勢(shì)逐漸顯現(xiàn)，比如胡枝子、酸棗、燕麥草、刺槐和紫穗槐等，這些多年生植物生活周期長，具有增強(qiáng)水土保持能力[22,23]。

研究結(jié)果將對(duì)“旱腰帶”礦山廢棄地的生態(tài)修復(fù)提供指導(dǎo)意見，對(duì)當(dāng)?shù)刂脖换謴?fù)和植物群落配置模式提供依據(jù)，為改進(jìn)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)修復(fù)措施提供指導(dǎo)。由于受條件和時(shí)間的限制，本研究僅群落多樣性指數(shù)和重要值來對(duì)生態(tài)修復(fù)效果進(jìn)行研究。生態(tài)恢復(fù)是一個(gè)漫長而全面的過程，人工輔助措施能夠加快植被恢復(fù)，但對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響，對(duì)微生物、動(dòng)物和植被群落的演替還需要繼續(xù)觀察與研究。