高寒地區煤礦排土場植被恢復研究
——以內蒙古扎哈淖爾煤礦為例

吳翊平,周國馳,楊 卓,*,馮嘉懿,江新奇,付合英,朱宴南,佟佳慶,李文海,趙 亮,張涵羽,王志超,田 野

1 華東師范大學生態與環境科學學院,上海 200241 2 中煤科工集團沈陽設計研究院有限公司,沈陽 110015 3 中國科學院大學,北京 100049 4 扎魯特旗扎哈淖爾煤業有限公司, 通遼 029114 5 中國科學院城市環境研究所,廈門 361021

煤炭資源的開發與利用對我國經濟發展都有著舉足輕重的作用,其中露天開采因其采掘方式經濟、礦層利用率高且安全等持點為各煤礦所廣泛采用[1]。但是,隨著露天煤礦的大量開采,礦區土地資源、地下水資源和生態環境均遭到嚴重破壞[2—4]。排土場是礦區專設的用來排棄露天開采過程中礦床上部及周圍產生的表土和巖石等廢棄物的大型場地,這些廢棄地已成為目前最為典型、退化最為嚴重的生態系統。因此排土場,尤其高寒地區排土場植被恢復,如何通過人工生態恢復措施短期恢復到原自然環境的狀態？這是制約我國礦區綠色可持續發展亟待解決的熱點問題之一。

高寒礦區氣候寒冷,年積溫低,極端的氣候條件導致植物生長受限,生態恢復難度大。扎哈淖爾露天煤礦位于內蒙古自治區通遼市西北部,處于高寒、干旱、沙化嚴重的草原區。半干旱的氣候特征,降水量年度變率較大,風力強勁且持續時間長,大面積分布的機械組成和物理性沙粒為主的風沙土,使該區植被一旦遭到破壞,流沙將迅速生起,造成嚴重的風蝕與水蝕,該地區極易形成水土流失,環境自我恢復能力差,生態環境具有明顯的脆弱性。由于其特殊的地理位置及氣候條件,運輸客土成本較大,生態恢復倍加困難。一般來說,植被自然演替需要幾十年甚至幾個世紀的時間[5],目前采取的人工促進恢復措施,可加速排土場植被短期內恢復,是礦區生態綜合治理和環境保護的最佳途徑[6—9]。礦區生態修復需根據地域性、生態演替及生態位原理篩選適宜的先鋒植物,營建種群和生態系統,為微生物、植被和動物提供一個適宜生境,使修復后的景觀與周邊相協調,最大限度保蓄水土,修復后的生態系統能夠自我維護、自我維持、功能逐漸增強[10]。植被的生長變化及恢復狀況可以表征礦區土地復墾的程度與質量。植物群落的組成和結構動態變化,對揭示植被恢復過程中的物種共存和生物多樣性維持機制具有重要意義[11—12]。

圖1 扎哈淖爾露天煤礦排土場空間分布 Fig.1 The distribution of dump sites of alpine open pit mine in Zhahanaoer

本研究通過樣地野外調查的方法,對內蒙古典型草原扎哈淖爾露天煤礦排土場植被恢復過程不同恢復時間、地形因子以及人工措施下植物群落組成、植被蓋度、群落物種多樣性進行分析,探討影響草原礦區排土場生境的植物群落恢復的主要因素,為完善草原露天煤礦生態恢復模式與植被恢復技術提供科學依據。本研究的科學問題是：排土場采取的不同生態措施(不同地形、土壤施肥、灌溉方式、播種方式)是否顯著影響植被群落多樣性？

1 材料與方法

1.1 研究區概況

扎哈淖爾露天煤礦(45°10′—45°40′N, 119°08′—119°46′E)位于內蒙古自治區通遼市西北部,呈東北西南的狹長形條帶狀,總面積31.4km2；礦區排土場總占地面積17.5km2,包括南、北、東三個排土場(圖1)。礦區海拔870—940m,四周環山,盆地內部地勢較為平坦,東北、西南段為丘陵,中間段為開闊平原。礦區多年平均氣溫0.1℃,年日照時數3237h,氣溫年較差43.0℃；多年平均降水量為358.98mm,主要集中在5—9月,約占全年降水量的81.7%,多年平均蒸發量為1556.00mm；多年平均風速4.6m/s,易形成風沙。礦區位于草原區,植被屬于蒙古草原區系,植被類型為地帶性草甸草原,具有向森林草原過渡性質,植被有51科,183屬,300多種；礦區主要草原植被群落有貝加爾針茅(StipabaicalensisRoshev.)、線葉菊(Filifoliumsibiricum(Linn.) Kitam.)、羊草(Leymuschinensis(Trin.) Tzvel.)群落。地帶性土壤為黑鈣土,非地帶性土壤為草甸土和沙土。本研究位于扎哈淖爾露天煤礦2019年起進行生態修復的區域。

1.2 研究方法

在生態修復工程區選擇在不同復墾時間2020年和2021年、以及不同生態恢復措施的22個地塊,涵蓋南、北、東三個排土場。在每個地塊中設置地形不同的1—5塊樣地,共設置75個樣地,包括平面和田字格44塊,坡面31塊；坡面的坡度在2°—35°之間,坡向包括陰坡、陽坡和半陽坡3個方向；不同人工恢復措施包括播種方式、土壤改良方式以及灌溉方式等。其中播種方式包括條播和撒播。條播播種行距約15cm,溝深3—5cm,覆土厚度2cm左右；撒播為單位面積均勻播種,然后覆土厚度2cm左右。條播和撒播每公頃種子投入量為均為210kg。灌木栽植株距2m,行距2m,每2行間隔10m,栽植后株高不低于20cm,冠幅不小于10cm。土壤改良方式主要是土壤肥力的改良,根據排土場土壤采樣檢測結果,待治理區域氮、磷、鉀以及有機質缺乏,因而分別選取雞糞熟肥、牛羊糞肥、牛羊雞糞肥、高氮有機肥(總有機質含量≥50%、氮含量≥30%、磷含量≥10%、鉀含量≥10%)等4種改良方式提高土壤肥力。肥料的使用量參照下面計算公式：

土壤的供肥量=土壤養分測試值×土壤養分利用系數×0.15

植物生長季進行樣地的植物群落特征調查,調查時間為2020年6—10月與2021年6—8月。根據樣方內植物類型設置1m×1m的草本樣方,或者5m×5m的灌木樣方。在調查的過程中記錄樣地內植物種類、每種植物的數量,用數碼相機拍攝樣方,計算植被蓋度。

1.3 數據處理

在研究中選擇植被蓋度表征植物生長狀況,計算方式如下：

植被蓋度=植物群落地上部分的垂直投影面積/樣方面積×100%

選擇常見的Shannon-Wiener多樣性指數和Simpson優勢度指數等指標來描述植物群落的物種多樣性,衡量植物群落的恢復效果,計算方法如下：

式中,S為樣方中的植物物種數,Pi為第i種植物的個體數占樣方中總個體數的比例。

數據在Excel中進行整理并繪制圖表,在SPSS中進行數據分析及顯著性檢驗。利用最小顯著差異檢驗(LSD)進行單因素方差分析,比較不同生態恢復措施下植被差異。利用主成分分析(PCA),基于特征值判斷主成分,并判斷每個主成分中載荷量大的因子。為篩選主要影響因子,降低多因子共線性,使用逐步回歸前向選擇來篩選模型。

2 結果與分析

2.1植物物種數

2020年和2021年分別對扎魯特旗露天煤礦排土場植物生長季的調查發現,排土場植物物種數隨著復墾時間增加而不斷增多。2020年,總物種數約為13種,其中來自周圍原生草原的非人工種植物為5種；2021年總物種數達到21種,非人工種植物為12種。2021年比2020年植物物種數顯著增加,是由于原生草原非人工種植的物種進入排土場導致調查樣地物種總數顯著增加(P<0.05)(圖2)。

進一步比較植物群落中的物種組成。研究發現2020年共監測到44種植物,2021年6月、7月到8月,分別監測到53種、62種和71種,這些植物所屬的科也從2020年的13科,增加到2021年8月的24科(圖3)。

圖2 排土場植物物種總數年際變化 Fig.2 The annual variations of plant species numbers at dump sites

圖3 排土場植物物種組成年際變化 Fig.3 The annual variation of plant community composition at dump sites

分析2021年6—8月期間植物物種數季節變化(表1),發現菊科(Compositae)物種數7月份比6月份增加了3種,8月份比7月份增加了1種；禾本科(Gramineae)物種數8月份比6月份增加了4種；薔薇科(Rosaceae)物種數8月份比6月份增加了2種。菊科和禾本科是物種數相對較多的科。此外,7月份比6月份新增加的物種來自香蒲科(Typha)、毛茛科(Delphinium)、白花丹科(Limonium)、百合科(Allium)；8月份比7月份新增加了錦葵科(Malvaceae)和桔?？?Campanulaceae)。這些新增加的植物物種是外圍草原進入的非人工種植物種,它們以各種方式逐漸進入礦區排土場復墾區。

表1 2021年植物物種數季節變化

2.2 植被蓋度

由圖3 可知,植被蓋度在生長季呈現出先增大后減小的趨勢變化,最小值在6月上旬,蓋度為40%左右,隨后植被蓋度增加至9月下旬,最大值出現在9月下旬,蓋度為82%,然后下降至10月。其中6月上旬到6月下旬和8月上旬到8月下旬的增長速度較快。

在不同的地形條件下,平面和坡面的植被蓋度沒有顯著的差異,但是,平面和坡面的植被蓋度均大于田字格的植被蓋度,并且具有顯著性(P<0.05)。其中平面的植被蓋度為(69.33±1.90)%,坡面的植被蓋度為(69.54±1.72)%,田字格的植被蓋度為(63±2.10)%(圖4)。

圖4 植被蓋度在不同地形季節變化Fig.4 The seasonal variations of plant cover under different terrains

2.3 植物群落多樣性

Shannon-Wiener多樣性指數和Simpson優勢度指數是常見的反映物種多樣性的重要指標,Shannon-Wiener多樣性指數越高,表明群落物種不確定性越大,群落多樣性越高；Simpson優勢度指數越大,表明植物群落內不同種類生物數量分布越不均勻,優勢生物的生態功能越突出。

2.3.1植物群落多樣性季節變化

樣地植物群落多樣性呈現明顯的季節變化規律。生長季不同時期對Shannon-Wiener多樣性指數和Simpson優勢度指數的影響均顯著(P<0.01)。Shannon-Wiener多樣性指數的季節變化表現為6月<7月<8月,在6月、7月、8月的取值分別為1.30±0.05、1.38±0.04、1.68±0.04；Simpson優勢度指數的季節變化表現為6月>7月>8月,在6月、7月、8月的取值分別為0.41±0.02、0.38±0.01、0.29±0.01 (圖5)。

2.3.2地形對植物群落多樣性影響

由圖6可知,平面、坡面、田字格的Shannon-Wiener多樣性指數分別為1.39±0.07、1.32±0.06、1.04±0.08,平面和坡面的Shannon-Wiener多樣性指數不存在顯著差異,但平面和坡面的Shannon-Wiener多樣性指數均顯著大于田字格的Shannon-Wiener多樣性指數(P<0.05)；平面、坡面、田字格的Simpson優勢度指數分別為0.81±0.13、0.59±0.08、0.78±0.16,平面、坡面、田字格的Simpson優勢度指數不存在顯著的差異,可見地形不是影響Simpson優勢度的主要因素。

當樣地為坡面時,分別比較不同坡向與坡度的樣地的多樣性指數,結果表明坡向對植物多樣性的影響不顯著,坡度對植物多樣性的影響顯著。陰坡、陽坡、半陰坡的Shannon-Wiener多樣性指數分別為1.52±0.07、1.47±0.06、1.40±0.08；Simpson優勢度指數分別為0.33±0.02、0.34±0.02、0.38±0.03。Shannon-Wiener多樣性指數與Simpson優勢度指數,陰坡、陽坡、半陰坡的取值均不存在顯著差異(圖6)。

坡度對多樣性具有顯著影響。坡度≤20°樣地的Shannon-Wiener多樣性指數顯著低于坡度>20°樣地的Shannon-Wiener多樣性指數(P<0.01)；坡度≤20°樣地的Simpson優勢度指數顯著高于坡度>20°樣地的Simpson優勢度指數(P<0.05)(數據未顯示)。同時,不同季節坡度對多樣性的影響也有差異(圖6)。6月份和7月份坡度對多樣性的影響最顯著,8月份差異不顯著,其中6月和7月的Shannon-Wiener多樣性指數在11°<坡度≤20°顯著低于另外的三個梯度,Simpson優勢度指數則正好相反。

圖5 植物群落多樣性季節變化Fig.5 The seasonal variations of plant biodiversity

圖6 地形因子對植物群落多樣性影響Fig.6 The effects of topographic factors on plant biodiversity

2.3.3不同播種、施肥和灌溉方式對植物群落多樣性影響

在栽植灌木的條件下,比較不同播種方式的樣地植物多樣性之間的差異(圖7)。研究結果表明：噴播加灌木栽植樣地的Shannon-Wiener多樣性指數最高,為1.67±0.11,高于條播加灌木栽植樣,以及條播和條播加撒播的播種方式。噴播加灌木栽植樣地的Simpson優勢度指數低于條播加灌木栽植樣地的Simpson優勢度指數,二者分別為0.29±0.04與0.36±0.01。

不同土壤施肥方式下植物群落多樣性沒有顯著差異,但是復合有機肥的土壤施肥方式下植物群落多樣性最高,最均勻(圖7)。同樣,不同灌溉方式對植物群落多樣性的影響差異也不顯著(圖7)。

圖7 恢復措施對植物群落多樣性影響Fig.7 The effects of planting methods on plant biodiversity

3 討論

通常情況植物群落組成越豐富,結構越復雜,越穩定。排土場的植物群落物種數、植被蓋度和群落多樣性隨復墾時間增加而顯著增加的趨勢。其中物種數增加主要是由于非人工種植植物增加導致,總物種數從2021年6月的21種增加到8月的30種,非人工種植物種數從6月的10種增加到8月的18種,分別增長42.86%和80%(data not shown)。排土場植被復墾不僅顯著增加了物種的數量,也增加了來自其他不同科屬的植物物種。在所有調查的植物群落中,不同季節都是菊科、豆科、禾本科占據優勢地位(表1)。這幾個科的植物絕大部分都是先鋒物種,特別是豆科植物,本研究中的紫花苜蓿(Medicagosativa),沙打旺或紅豆草(拉丁名),草木犀(Melilotusofficinalis),為優勢物種,它們能夠通過根瘤菌等生物固氮機制,促進植物在土壤貧瘠的地方生存生長,提高生物量。李木楠[13]對人工植物群落類型、種間關系進行研究發現,豆科植物由于其固氮能力高在礦區恢復中作用突出,人工植物群落的不同配置模式生態效應差異明顯。植物生長的生理過程,例如根系分泌不斷向土壤中輸入物有機和無機物質,通過植物凋落物歸還,改良土壤的物理、化學和生物性質,進一步促進植物的生長和更新。金立群等[14]通過對高寒地區礦區植被恢復研究,發現恢復3年和5年的植被地上生物量顯著增加,并且土壤理化性質隨恢復時間的增加逐漸改善。郝容等[15]通過對安太堡礦區多年的植被恢復動態研究表明,人工植被可由單一物種發展為復雜物種組成并逐漸趨于動態平衡。

排土場植被蓋度具有季節變化規律,同時受到地形因子的影響。植被蓋度是表征植物生長狀況的一個重要指標,研究結果表明在田字格種植的植物蓋度顯著小于平面和坡。田字格是在平地加上“十”字的整地方式,平地種植草本,“十”字上種植灌木。田字格植物群落Shannon-Wiener多樣性指數顯著小于平面和坡面。主要原因可能是田字格雖然有利于截留降雨,但由于排土場土壤在整地過程中反復碾壓使土壤堅硬緊實而干燥,入滲差,在夏季短時急降雨事件易導致季節性積水。因此田字格在高寒露天煤礦排土場初期植被恢復是否適合還有待進一步深入研究。坡面的Simpson優勢度指數小于平面和田字格,但平面、坡面、田字格的Simpson優勢度指數不存在顯著差異,表明這三種整地方式對植物群落不同種類生物數量分布較均勻,優勢物種的生態功能不突出。

調查樣地中外排土場排棄物料主要為深層地下沙土、砂巖、頁巖,物料自然安歇角33—35°,為改善施工條件、提高土壤壓實度,扎哈淖爾露天煤礦采用履帶推土機將排土場臺階坡面角降緩至20°左右。目前可以看到削坡工程措施有利于植被恢復,因為2021年的調查樣地大于20°坡面顯著少于2020年樣地,這也是2021年監測的植物物種數、蓋度、群落多樣性高于2020年主要因素之一。但同時,也可能是我們研究中沒有發現坡度顯著影響植物群落多樣性的原因之一。由此可見,工程措施在植被恢復過程中的作用顯著,適當削坡有利于植物生長、蓋度增加以及物種多樣性提高。另外,本研究中坡向對植物群落多樣性的影響不顯著,多樣性指數沒有受到坡向的影響。這可能與施工過程中不同坡向種子種類與播量完全相同有關。一般來說不同坡向水熱條件具有一定差異[16]。金立群等[17]對青海江倉礦區4個坡面(南坡、北坡、東南坡與東坡)研究發現不同坡向植被高度、蓋度、地上生物量、生殖枝數量具有顯著差異,東南坡與南坡(陽坡)長勢較好,因此需要在人工建植初期應加大陰坡的種子播量。這對扎哈淖爾礦區的植被恢復也有一定參考價值。

大量的以植被建設為主的生態恢復研究表明,生物多樣性的恢復是區域生態健康和實現可持續發展的重要指征[18—19]。生物多樣性不僅影響著生態系統生產力,同時也關系著生態系統的穩定性[20]。因此,探討人工恢復過程中植物物種多樣性的變化,有利于正確認識人工植被恢復的生態學規律。不同播種方式也影響植物群落多樣性,噴播加灌木種植方式下植物群落多樣性指數高于條播加灌木栽植方式,可見選擇不同人工種植方式對排土場植被恢復效果具有重要影響。排土場的植被恢復在初期是人工恢復為主,生態修復方案以及人工管理措施決定了植被恢復的程度和效果。植被恢復是一個長期的過程,隨著復墾時間的增加,先鋒植物通過生長不斷改變土壤物理、化學和生物學性質,這些土壤性質的改變反過來又會影響地上植被的生長和群落組成。但是,不同植被類型對土壤物理性質[21—23]、土壤酶活性[24—26]、土壤微生物群落組成和多樣性[27—28],都存在顯著差異,這種地上生態系統和地下生態系統緊密相關的植物-土壤反饋作用機理仍需要未來長期監測和進一步研究。

主成分分析法可以通過降維的方式將影響植被恢復效果的因子總結歸納。研究結果由表2可知,研究區植被恢復的物種數、蓋度和多樣性指數等變量的95.93%的信息可由前3個特征值的主成分反映(表2),即對前3個主成分進行分析已經能夠反映數據的大部分信息。根據絕對值最大化原則進行元素歸類,主成分I 的方差貢獻率為57.3%,其中灌溉方式、施肥方式和年際變化具有較高的正載荷,反映了生態恢復的具體人工措施(表3)；主成分Ⅱ的方差貢獻率為24.52%,坡向和坡度在該主成分中具有較高的正載荷,反映了生態恢復樣地的地形條件；主成分Ⅲ的方差貢獻率為14.11%,季節變化在該主成分中具有較高的正載荷,反映了實地調查生態恢復效果的時間因素(表3)。

表2 影響因素主成分分析的特征值和貢獻率

表3 影響因素主成分分析的因子載荷值

經過長期自然恢復的植物群落,物種豐富,群落具有較高穩定性。已有研究表明人工恢復雖然短時間內能改善礦區環境,但從長遠來看人工恢復植物種類少,抵抗外界干擾能力差,長期的人工恢復也可能會造成植被退化[29—30]。但是排土場如果僅依賴自然恢復會需要很長的時間恢復為穩定的群落,因此需要人工促進的措施加快植被恢復進程。本研究發現原生草本植被群落的物種正逐漸進入人工恢復為主的排土場,增加了植物群落多樣性和穩定性。由此可見,排土場的植物群落在人工措施的基礎上沿著正向演替的方向發展。但是礦區環境惡劣,植被自然恢復效果差,恢復需要更長的時間[31]。通過逐步回歸分析,季節變化顯著(P<0.05)影響植被恢復,其他因素沒有達到顯著性水平。不同恢復時間,即年際變化,顯著影響群落物種數,而季節變化(月變化)是影響植被恢復的主要因素。地形顯著影響植被蓋度,與坡向相比,坡度對植被恢復的影響更大,礦區的削坡整地措施非常有效。另外噴播加灌木栽植的播種方式有利于提高植物群落多樣性。因此,扎哈淖爾高寒露天煤礦的排土場植被恢復初期,不同生態恢復措施的選擇具有重要的意義。首先應遵循植物生長規律和物候變化,坡度不宜超過20°,多采用噴播和灌木相結合的播種方式進行人工植被恢復。還要考慮如何人工與自然恢復相結合,近期與遠期恢復目標相結合,探索更適宜的恢復措施,加速礦區生態恢復。