不同坡向下高寒礦區混播草地的恢復效果評估

劉青青, 赫苗花, 李 飛, 王曉麗, 邢云飛, 李思瑤, 張海蓉, 施建軍*

(1. 青海大學/青海省畜牧獸醫科學院, 青海 西寧 810016; 2. 廣東中煤地質生態環境有限公司, 廣東 廣州 510440)

我國礦產資源豐富,為國家安全和經濟發展提供了保障。自改革開放以來,我國礦業迅速發展,大規模開發的同時帶來了嚴重的生態環境問題[1]。據遙感調查監測數據顯示,截至2018年底,全國礦山開采占用損毀土地約3.60×104km2,其中正在開采的礦山占用損毀土地約1.33×104km2,歷史遺留礦山占用損毀約2.27×104km2[2]。廢棄礦山土壤中有毒物質含量急劇增加,水土流失嚴重,植被覆蓋度嚴重下降,造成了嚴重的生態破壞和環境污染,因此對礦區生態環境的修復尤為重要[3]。目前,已有大量的學者基于不同方法對礦山生態修復進行研究。黃艷利等[4]利用SBAS-InSAR技術對西部典型礦區的植被覆蓋度時序演化進行了研究,得出了植被退化的重要影響因素,為該礦區植被修復的時間提供了理論與數據支撐;郭軍康等[5]通過分析礦區不同土壤重金屬污染修復技術,提出了礦區地形地貌修復的理念和礦區土壤污染修復的發展方向,為礦區土壤修復技術奠定了基礎;張振佳等[6]利用土壤微生物及酶活性評估了礦區生態修復后的土壤質量以及生態系統的恢復狀況,以期提供更加合理的方法來提高礦區生態恢復效果。大量相關研究已經證實礦山生態修復的必要性和重要性。

草地健康一直是學者們研究的熱點與前沿問題之一[7-8]。草地健康可以反映草地結構和功能等特征,是草地合理利用的基礎。由于草地類型多樣性和復雜性,不同生態學家使用不同的草地健康評價方法,常用的評價方法有活力-組織力-恢復力(Vitality-Organization-Resilience;VOR)指數法[9]、基況-活力-組織力-恢復力(Condition-Vitality-Organization-Resilience;CVOR)指數法[10-11]、功能評價法[12]、層次分析法[13]和聚類分析法[14]等。其中,任繼周院士于2000年提出了CVOR指數評價模型,由于其綜合、簡單、準確和適用的特點得到了廣泛的應用[15-18]。目前,草地生態系統研究多集中于服務價值評估[19]、土壤質量評價[20]和穩定性評價[21],利用CVOR指數對高寒礦區退化草地恢復效果的研究鮮有報道。

青海省木里聚乎更礦區位于青海省海北州與海西州交界處的大通河上游[22],地處黃河重要支流的發源地,生態價值極高[23]。同時,聚乎更煤礦礦區現有資源儲量35.4億t,是青海省最大的煤礦區,具有很高的經濟效益[24-25]。由于過度開采,木里煤礦環境受到了嚴重的破壞,采煤留下的礦坑、礦渣和煤場嚴重影響了當地的生態環境安全[26]。因此,礦區生態環境修復刻不容緩,習近平總書記針對青海木里煤田的生態保護曾多次作出重要指示。但是,針對木里礦區不同坡向下植被恢復的研究較少,付江濤等[27]通過對木里礦區不同坡向下的植物根系的研究,發現在半陰半陽坡和陰坡,植物根系未表現出顯著性差異,但是在陽坡陰坡的植物根系部分指標出現了顯著差異。蔣宏宇等[28]通過對木里礦區不同坡向的高寒礦區渣山恢復的植物生物量和養分繁殖分配的研究,發現不同坡向的恢復植物生物量繁殖分配和氮、磷繁殖分配均不同。金立群等[29]通過對不同坡向下的高寒礦區排土場植被和土壤特征的研究,發現不同坡向下的植被高度、蓋度、地上生物量等均具有顯著差異。本研究以青海省木里礦區的人工草地為研究對象,通過分析不同坡向下混播草地的植被、土壤特征,利用CVOR指數評估不同坡向下的混播措施對高寒礦區退化草地的恢復效果,以期為高寒礦區的生態恢復提供技術指導和理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2022年8—9月在青海省海西州木里聚乎更礦區進行。試驗區地處青海省木里聚乎更礦區(東經99°～100°,北緯38°～39°),海拔約4 000 m;屬內陸高寒大陸性氣候,低氧、氣候寒冷,晝夜溫差大;年平均溫度約—4℃,年平均降雨量約500 mm,年平均蒸發量約1 200 mm;草地類型為高寒草甸,屬于多年凍土區。

1.2 試驗材料及方法

于2022年7—9月在青海省天峻縣的木里煤田聚乎更礦區人工草地,依據坡向不同,選取坡度基本相同的山體為研究對象,將山體分為陰坡、陽坡和平地,共選擇18塊面積約為50 hm2的混播草地為實驗樣地,再根據混播組合的不同分為A1,A2,A3,A4,A5和A6(表1)。同時將每個坡向下的天然草地作為該坡向的對照草地。人工草地均為高寒礦區退化草地經過深翻、耙平、施肥(羊板糞+有機肥)、撒種(播量200～240 kg·hm-2)、覆土、鎮壓等農藝措施建植。建植期3年,各處理設5個樣方為重復,每個樣方面積為0.5 m×0.5 m。

表1 不同混交組合的牧草種類

1.3 樣品采集及指標測定

植物生長特征監測和樣品采集:用針刺法測定植被蓋度,用卷尺測量植物高度。記錄完植被特征后,將樣方內所有植物按物種種類齊地刈割,于75℃烘箱烘干至恒重以計算各物種生物量。

土壤樣品采集與測定:在清除完地表植物和凋零物的樣方內進行土壤取樣,在每個樣方內用土鉆(直徑為5 cm)隨機采集0～10 cm土樣,每個樣方取5個樣點,將土樣混合為1個樣。去除石塊等雜質后,自然風干,過1 mm的篩子用于測定土壤有機碳含量。采用重鉻酸鉀氧化外加熱法測定土壤有機碳含量。

1.4 CVOR指標選取及計算

1.4.1基況指數(C)

C=Ci/Cck

Ci代表處理樣地的土壤有機碳含量,Cck代表對照樣地中的土壤有機碳含量。若是C>1,統一取C=1。

1.4.2活力指數(V)

V=Bi/Bck

Bi為處理樣地的地上生物量,Bck為對照樣地的地上生物量。若V>1,統一取V=1。

1.4.3組織力指數(O) 將植物種類百分數(X軸)與累計生物量(Y軸)對應,畫出散點圖,用平滑曲線方程擬合,求出擬合方程與直線方程Y=1-X的交點,交點處物種的百分數與累積生物量的比值即為群落穩定性的值。用各樣地的交點穩定點的距離(d)定量群落穩定性的大小。

X<0.2,O=1—d/0.283
X>0.2,O=1—d/0.424
X=0.2,d=0,則O=1

1.4.4恢復力指數(R)

R=H/Hck(1-ΔF)I

H代表處理樣地的多樣性指數,Hck代表對照樣地的多樣性指數。本研究中Shannon-Wiener指數為多樣性指數,ΔF代表處理樣地與對照樣地蓋度的差值,I=1+優勢種重要值。恢復力指數是指在出現外界壓力的情況下,生態系統能保持其結構和功能的抵抗能力,因此,本研究選擇優勢種的重要值來計算恢復力。

1.4.5CVOR指數評價

VOR=WV×V+WO×O+WR×R;WV+WO+WR=1,WV,WO,WR≥0

CVOR=C×VOR

WV,WO,WR是反映各單項因素重要性的權重系數,為避免時間序列的波動性、數據背景的不確定性和自然空間的不均勻性導致的誤差,本研究取值為WV=WO=WR=1/3。根據CVOR指數將草地健康分為4個等級(表2)。

表2 草地健康評價指數及等級

1.5 Shannon-Wiener指數

S代表物種數目;Pi表示第i個物種的相對多度。

1.6 數據統計及分析

采用SPSS 26.0進行數據整理及分析,采用Origin 9.1繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同坡向下混播草地的生產力及多樣性

通過對草地不同坡向及混播組合的生產力及多樣性分析發現,不同區域的草地蓋度、地上生物量和Shannon-Wiener指數均差異顯著(P<0.05)。如圖1a所示,6種混播組合,3個坡向的草地蓋度變化趨勢一致,隨著混播草種的增加均呈先上升后下降的趨勢,陽坡、陰坡和平地的蓋度變化范圍分別為:40.50%～75.38%,37.82%～59.20%,47.97%～71.83%,最大值分別出現在A4,A3及A5,并且均在混播物種數為2種時蓋度最低。

圖1 不同區域草地蓋度、地上生物量及香農維納指數

如圖1b所示,在6個混播組合中,陽坡與陰坡地上生物量變化趨勢一致,隨著混播草種的增加呈先上升后下降的趨勢,陽坡、陰坡和平地的地上生物量變化范圍分別為:106.81～148.4 g·m-2,91.21～122.56 g·m-2,112.68～157.4 g·m-2,陽坡、陰坡和平地分別于A3,A4和A5處達到最大值。整體來看,A3處理下,不同處理地上生物量均較高,表現為平地>陽坡>陰坡。

如圖1c所示,3個處理中,Shannon-Wiener指數變化趨勢與草地蓋度相反,不同坡向處理均在A5處理下各處理均出現最低點,表現為陰坡<陽坡<平地,同時隨著混播物種的增加,植物的多樣性呈現降低的趨勢。

2.2 不同坡向下混播草地植物功能群比例

隨著混播組合和坡向的改變,各區域植物功能群組成發生了顯著的變化(圖2)。

圖2 不同樣地的植物功能群組成

所有混播組合中,平地的豆科類植物所占比例最低(3%～13%),陽坡的豆科類植物所占比例范圍為9%～14%,陰坡的豆科類植物所占比例范圍為7%～14%。除A1混播組合外,其他混播組合的禾本科功能群均顯示為平地>陽坡>陰坡,平地的禾本科功能群植物所占比例范圍為61%～92%,陽坡的禾本科植物所占比例范圍為51%～67%,陰坡的禾本科類植物所占比例范圍為52%～85%;所有坡向中,A5的禾本科功能群比例最高。除混播組合A1外,陽坡的雜類草占比最大。除混播組合A3外,其他組合均表現為平地的雜類草所占比例最低。其中,平地的雜草植物所占比例范圍為5%～26%,陽坡的雜類草植物所占比例范圍為25%～36%,陰坡的豆科類植物所占比例范圍為8%～34%。

2.3 不同坡向下混播草地土壤有機碳含量變化

不同的混播組合土壤有機碳含量存在顯著差異(圖3)。不同坡向草地的土壤有機碳含量在混播種類為3種的時候最高。陽坡土壤有機碳含量隨著混播草種種類的增加,呈現先上升再下降的趨勢。在A3處理時,陽坡土壤有機碳含量達到最高值,為95.32 g·kg-1,較A2提高了31.27%,顯著高于其他混播組合。陰坡土壤有機碳含量隨著混播草種種類的增加,呈現先上升再下降的趨勢。在A4時,陰坡土壤有機碳含量達到最高值,為91.13 g·kg-1,顯著高于其他混播組合。在A5時,平地土壤有機碳含量達到最高值,為93.37 g·kg-1,顯著高于其他混播組合。

圖3 不同樣地的土壤有機碳含量

2.4 評價模型的各單項測算指數

由表3可知,不同混播和坡向對樣地的基況指數、活力指數和恢復力指數均不存在顯著影響;不同坡向下的混播組合對組織力指數存在顯著影響。陽坡條件下,混播組合A3,A4的組織力指數顯著高于混播組合A2樣地(P<0.05)。陰坡條件下,混播組合A4的組織力指數顯著高于混播組合A1,A2和A6樣地(P<0.05)。平地條件下,混播組合A3,A4的組織力指數顯著高于混播組合A2樣地(P<0.05)。

表3 不同樣地評價模型的各單項測算指數

2.5 草地生態系統CVOR健康指數的模型評價

利用CVOR指數對不同樣地進行草地健康評價(圖4),研究發現陽坡草地的CVOR值范圍為0.82～0.88均處于“健康”區間;混播組合A3的CVOR值最高,達0.88,顯著高于混播組合A1(P<0.05)。陰坡草地的CVOR數值范圍為0.71～0.87,其中混播組合A1樣地的CVOR值最低,為0.71,處于“警戒”狀態,其余樣地均處于“健康”狀態;平地的草地CVOR值范圍為0.79～0.89,均處于“健康”狀態;混播組合A3的CVOR值最高,達0.89,顯著高于混播組合A2。綜上所述,人工建植后的草地大多處于健康狀態,混播組合A3,A4在不同坡向下的健康狀態均優于其他樣地。

圖4 不同樣地的健康評價結果

3 討論

3.1 草地生產力與多樣性

草地生產力是表征草地生產能力的重要指標[30],不僅決定了草地的載畜量,同時也能反映草地的生態效益。生產力高的草地,具有更高的經濟價值與生態價值。植被蓋度、地上生物量是反映草地生產力的基本的指標。本研究中不同混播措施均顯著提高了退化草地的生產力,這與董怡玲等[31]得出的混播措施對于退化草地的修復具有明顯效果的結論一致。蔣宏宇等[32]通過對青海省高寒礦區渣山恢復的植物生物量的研究,發現植被的生物量從陽坡到陰坡呈顯著下降趨勢。本研究中不同坡向的草地生產力不同,且陽坡植物地上生物量大多高于陰坡,與上述研究一致。關于混播組合對草地生產力的影響,劉婉婷等[33]發現混播草種為垂穗披堿草、多葉老芒麥、冷地早熟禾和扁穗冰草的4個草種組合草地生產力較好,混播組合為垂穗披堿草、多葉老芒麥和扁穗冰草的3個組合,生產力次之,說明不同混播組合對草地生產力有顯著影響,本研究中不同混播組合的草地生產力也有不同的變化。因此,在建植人工草地時應考慮播種組合的選擇,從而提高人工草地生產力。

物種多樣性是生態學研究的熱點問題之一,對于保護生物多樣性和維持生態系統功能具有重要意義。劉旻霞等[34]通過對高寒草甸不同坡向植物群落物種多樣性的研究,發現北坡(陰坡)的植被多樣性指數高于南坡(陽坡);張小芳等[35]研究發現,不同混播草地的植物群落物種多樣性存在差異。本研究中,不同混播組合及坡向的草地植物群落的Shannon-Wiener指數有明顯的差異,表現為陰坡<陽坡<平地,同時隨著混播物種的增加,植物的多樣性呈現降低的趨勢。可能是由于播種種類的增加,草地群落各物種的生態位逐漸趨于穩定,導致侵入的雜草沒有足夠的光、水、熱等資源可利用,無法生存,從而降低了植被多樣性。

3.2 草地植物功能群比例

植物功能群將具有相似特征或表現出相似行為特征的物種歸為一類,能夠反映植物群落結構在環境影響下的動態變化[36]。劉育紅等[37]研究發現不同坡向對水熱異質性的分派不同,導致草地植被功能群隨著坡向也發生著變化。喬歡歡等[38]研究發現,陽坡的雜類草功能群比例高于陰坡,與本研究一致。可能是因為雜類草生長的主要影響因素是光照,雜類草會隨著日照的增加而增加[39],而陽坡受光照時間多。本研究中不同的混播組合也影響著植物功能群的比例,但均以禾本科功能群為主,是因為播種物種均為禾本科。由此可見,人工混播草地是人為控制的特殊群落,其競爭、環境壓力、物種入侵以及功能群比例在很大程度上受到人為調控。

3.3 土壤有機碳含量

土壤有機碳是土壤中各種正價態的含碳有機化合物,是土壤極其重要的組成部分,與土壤肥力密切相關,從而影響植物的生長發育[40]。梁德飛等[41]通過對高寒礦區渣山不同坡向的土壤有機碳含量進行了研究,發現陽坡的土壤有機碳含量高于平臺,平臺的土壤有機碳含量高于陰坡。本研究中,土壤有機碳的含量表現為:平地>陽坡>陰坡。均表現為陽坡土壤有機碳含量高于陰坡,是因為太陽光輻照對兩坡向土壤有機碳礦化影響較大[42]。但是平地的有機碳含量與梁德飛[41]的研究不同,是因為不同類型人工草地植物群落特征不同,植被對土壤養分的汲取方式也略有差異,導致不同人工草地土壤具有較大的異質性。

3.4 草地生態系統CVOR健康指數

草地健康受植物、動物、微生物和環境因子等各種因素的影響[43],因此,人們對草地生態系統的結構與功能的認識與利用受到了極大的限制。CVOR綜合指數可以全面的反映草地健康信息,為草地的可持續性利用奠定了基礎[44]。本研究利用CVOR綜合指數對不同坡向混播草地進行健康評價,研究發現不同坡向下混播組合的CVOR指數不同,這與李強等[45]得出的坡向影響著高寒草甸草地生產力和生物多樣性的結論一致。主要原因是不同坡向獲取的太陽輻射差異較大,導致植物的生長和原有的生態位發生變化,這是生態系統適應環境變化的一種方式[46]。同時,本研究中只有陰坡垂穗披堿草和中華羊茅的混播組合草地處于警戒狀態,可能是由于該樣地的基況指數最低。這與俞鴻千等[13]得出的草地基況與CVOR指數有極顯著正相關關系結論一致。綜上,混播措施對不同樣地的植被和土壤都起到了一定的效果,但混播草種與坡向均會影響植被和土壤。

4 結論

高寒礦區不同坡向下的人工混播草地植被特征和土壤有機碳含量均存在差異,同一坡向下不同混播組合的草地生產力、植被生物多樣性和土壤有機碳含量也都存在顯著差異,說明坡向和混播草種共同影響著草地生產力和植被生物多樣性。不同坡向下,平地的土壤有機碳含量最高,草地生產力最高。所有混播樣地,除陰坡以垂穗披堿草和中華羊茅的混播組合草地處于“警戒”狀態外,其余草地都處于“健康”狀態,說明混播能有效恢復高寒礦區退化草地。