草原矿区排土场恢复重建人工植被变化

珊丹, 何京丽, 刘艳萍, 梁占岐, 荣浩



草原矿区排土场恢复重建人工植被变化

珊丹*, 何京丽, 刘艳萍, 梁占岐, 荣浩

水利部牧区水利科学研究所, 呼和浩特 010020

以典型草原大型露天煤矿排土场为研究对象, 研究不同水土保持工程措施与植物措施配置形式下排土场人工、半人工植物群落的植物种类组成、结构及物种多样性变化, 结果表明, 自然恢复的人工裸露边坡草层低矮、植物种类单一, 水土保持工程措施与植物措施相结合进行植被恢复的试验小区植物种类明显增加, 项目实施第三年试验区内共出现23种植物, 分属10科22属, 单种科和单种属占优势; “生态袋一字型布设+撒播种草”试验小区出现的植物种类最多, 植物成活率高、Shannon-wiener多样性指数、Margalef丰富度指数较大, 这一措施配置形式在草原矿区排土场边坡植物群落快速建植和水土流失防治等方面效果均显著; 抗逆性强、具有固氮功能、性状优良的豆科牧草可作为草原矿区人工扰动后植被恢复重建的先锋物种。

排土场边坡; 水土保持措施; 植物群落; 多样性

1 前言

草原不仅是我国最大的天然牧场和畜牧业生产基地, 因其富集的煤炭资源, 目前已成为国家重要的能源基地。近些年, 煤炭资源大量开发对脆弱的草原生态系统带来的负面影响备受关注, 其中以露天开采最为明显[1]。露天采煤产生的损毁土地主要为排土场[2], 排土场大量弃土弃渣的堆放, 改变了土壤原有机械组成和结构, 在强降雨、大风和重力的作用下, 很容易发生面蚀、沟蚀, 还会出现沙砾化面蚀、沉陷、崩塌、滑坡等新的水土流失, 对生态环境影响极大[3–4]。由于排土场水分条件差、土壤贫瘠、生物活性低, 排土场生态恢复和植被重建一直是矿区复垦的重点和难点, 其中土壤和植被的恢复是排土场生态恢复和重建的基础工作[5]。植物作为生态系统的一个重要组成部分, 有直接、间接及潜在的多方面使用价值, 而物种多样性是衡量一定地区生物资源丰富程度的一个客观指标, 物种多样性与生产力、生态系统之间都有密切联系, 对维护基本环境平衡和生态系统稳定具有重要意义[6–7], 因此, 在人工扰动后的草原矿区植被恢复重建过程中, 研究水土保持工程措施与植物措施不同配置形成的人工、半人工植物群落组成、结构及其物种多样性变化, 对草原露天煤矿生态恢复计划制定、项目实施和水土保持效益评估都具有重要作用。

2 材料与方法

2.1 研究区概况

内蒙古大唐国际锡林浩特矿业有限公司胜利东二号露天煤矿位于内蒙古锡林郭勒盟锡林浩特市境内, 露天矿呈北东至南西走向不规则的四边形, 面积49.88 km2。试验区位于胜利东二号露天煤矿南排土场, 南排土场位于矿区东南部, 占地面积13.66 km2, 为平台、边坡相间分布的阶梯式地貌, 相对高度100 m, 每级台阶坡面高度约20 m, 台阶坡面为煤矸石与土混排后覆土, 形成覆土坡, 坡面角32°—34°, 覆土边坡陡而松散[8]。试验区为排土场阳坡, 根据土壤理化性质试验, 试验区土壤容重为1.36 g·cm–3, 土壤粒径以>0.05 mm的细沙为主, 土壤质量较差, 养分含量较低, 0—20 cm土层的土壤全氮含量为0.18 g·kg–1、全磷0.29 g·kg–1、全钾40.43 g·kg–1、有机质6.30 g·kg–1、pH值8.96。

试验区地处内蒙古高原中部, 属中温带干旱半干旱气候, 多年平均降水量289 mm, 集中分布在6—8月份, 占全年降水量的70%以上, 多年平均蒸发量1830.8 mm, 为降水量的6倍多; 春季多风, 多年平均风速为3.5 m·s–1, 多年平均大风日数年均61.1 d, 瞬时最大风速36.6 m·s–1; 胜利东二号露天煤矿所处草原区域土壤为典型栗钙土, 隐域性土壤发育, 由于栗钙土的成土母质主要是黄土状沉积物、各种岩石风化物、河流冲积物、风沙沉积物等, 风蚀严重[9–10]。草原矿区原地表植被属典型草原植被, 以克氏针茅()、羊草()为主要建群种, 植被盖度35%—50%。

2.2 研究方法

2.2.1 水土保持措施配置

选择2009年10月排土到界并进行了覆土的排土场作为试验区, 排土场边坡坡度为33°。将排土场边坡进行平整后, 采取工程措施与植物措施相结合的水土流失防治措施恢复排土场边坡植被; 其中工程措施主要包括植生带、一字型生态袋、品字型生态袋、生物沙障; 植物措施主要为草灌结合、牧草混播; 共设置试验小区7个, 采用完全随机区组设计, 每小区面积200 m2(20 m×5 m), 小区间距0.5 m。各试验小区水土保持措施配置见表1。

表1 排土场边坡水土保持措施配置表

注: 各试验小区(除1#、7#以外)内牧草混播植物种为紫花苜蓿()、披碱草()、沙打旺()、黑麦草()、紫穗槐(), 混合比例为1:1:1:1:1, 栽植的灌木为柠条()、沙地柏。生态袋: 由聚丙烯为原材料制成的双面熨烫针刺无纺布加工而成的袋子, 具有抗紫外线、耐腐蚀性强等特点; 袋长80 cm, 宽30 cm; 将植物生长土、植物种子(紫花苜蓿、披碱草、沙打旺、黑麦草、紫穗槐)装入生态袋内后封口, 在排土场边坡按工程措施不同要求(见表1)进行布设, 并采用铁钎固定在排土场边坡;植生带: 采用自动化的机械设备将种子准确均匀的分布并定植在营养膜上, 植生带分四层, 最外为尼龙纤维网, 次外层为一定克数的无纺布, 中层为植物种子(添加种子类型同生态袋), 次内层为能在短期内自动分解的无纺棉纤维布, 植生带宽度1 m, 成卷; 在修整好的排土场边坡由上而下顺坡滚动铺平、固定, 两块植生带结合处有5-10 cm重叠。沙障: 设置沙柳沙障, 沙障所用插条为1—2年生的健壮枝条, 沙障设置垂直于主风向, 沙障内撒播牧草。

2.2.2 植物群落学特征调查

采用样方法, 于水土保持措施布设第三年植物生长旺盛期(8月初), 在各个水土保持措施配置试验小区的坡上、坡中、坡下随机选取3个样方(1 m×1 m), 统计样方内出现植物种类, 测定每个样方内的各种植物个体高度、密度和盖度。

2.2.3 物种多样性统计分析

α物种多样性指数选用3类指数, 即综合多样性指数—Shannon-Wiener多样性指数、Margalef丰富度指数、Pielou均匀度指数, 计算公式如下[11–12]:

Shannon-Wiener多样性指数()

式中,为调查样方内物种数目,为调查样方内所有物种个体总数,可代表相对盖度、相对密度等, 为了使计算的各种指数更具代表性, 同时便于不同群落间的比较, 本研究中用综合特征量植物的重要值与样地总的重要值的比值代替, 计算α多样性指数。

重要值是评价某一种植物在植物群落中作用的综合性数量指标, 是植物种的相对盖度、相对频度、相对密度(或相对高度)的总和。由于群落中任何植物单项相对数量值都不会超过100%, 所以, 群落中任何一个种的重要值都不会超过300%[13]。

重要值()的计算公式为:＝＋＋

式中:为相对盖度, 是样方内某一种植物的盖度占群落中总盖度的百分比、为相对频度, 是样方内某一种植物的频度占所有植物种总频度的百分比、为相对密度, 是样方内某一种植物的密度占群落总密度的百分比。

采用Excel 2010 进行数据统计和图表构建, SAS 9.0 统计软件进行数据的统计分析。

3 结果与分析

3.1 不同水土保持措施配置植物群落组成

对试验区出现植物种类及植物重要值()(表2)进行统计分析, 未进行任何治理措施(对照样地 1#)的排土场边坡植物种类组成单一, 主要为一年生杂类草, 草层低矮, 层次分化不明显, 仅为单层结构。在工程措施与植物措施不同配置作用下, 各试验小区植物种类都有明显增加, 项目实施第三年试验区内共出现23种植物, 分属10科22属, 10个科中, 单种科7个, 22个属中, 单种属为21个, 单种科和单种属占优势。

表2 各试验小区出现植物的重要值(IV)

*注: 说明试验小区的调查样方内未出现该植物。

根据群落的植物生活型组成, 将植物生活型功能群划分为4类, 即: (1)灌木、半灌木、小半灌木; (2)多年生禾草; (3)多年生杂类草; (4)一、二年生植物。试验区内出现23种植物中, 多年生禾草3种, 多年生杂类草7种、一、二年生植物8种, 半灌木、小半灌木5种。各个试验小区中, 2#(生态袋一字型布设+撒播种草)试验小区出现的植物种类最多, 为14种, 其次为3#(生态袋品字型布设+草灌结合)、7#(沙地柏()+绣线菊())。1#(对照样地)试验小区出现的植物种最少, 仅为5种, 并且有4种为一、二年植物, 除对照样地以外, 其他试验小区内植物种类组成基本相似。对主要植物的重要值()分析发现(表2), 人工种植的紫花苜蓿()、沙打旺()、披碱草()重要值()相对较高, 平均值分别达到162.46、124.75、123.59, 蒙古虫实()虽然在各个试验区内均有分布, 但并未表现出较高的重要值()(94.57), 一、二年生植物虽然种类较多, 但重要值()均较低。根据植物群落重要值()变化, 排土场边坡人工植被恢复初期, 人工植物群落的优势种主要为人工种植的豆科植物紫花苜蓿、沙打旺、禾本科的披碱草, 主要伴生种有多年生杂类草蒙古虫实、一、二年生植物狗尾草()、画眉草()、刺藜()等。

3.2 不同水土保持措施配置植物群落物种多样性

作为群落水平的生态学特征之一, 物种多样性是生境中物种丰富度及分布均匀性的一个综合数量指标, 表征生物群落和生态系统结构的复杂性, 可较好地反映群落的结构[14–15]。根据物种多样性指数计算结果(表3), Shannon-wiener多样性指数最高的是2#, 其次为3#、7#, 对照样地(1#)的多样性指数最低, Shannon-wiener多样性指数的变化规律与群落植物组成的种类数目成正相关关系; Margalef丰富度指数最大的为7#, 其次为2#、3#, 而3#的Pielou均匀度指数最大, 2#、4#的Pielou均匀度指数相对较低。Pielou均匀度指数反映的是群落中全部物种个体数目的分配状况, 不足是以群落中样本的生物数量代替群落中所有的实际物种数目, 物种丰富度通过表明一个生物群落中物种数目的多少来衡量该群落物种丰富程度, Margalef物种丰富度指数的不足是没有考虑物种在群落中分布的均匀性, 并且常常是少数种占优势[16], Shannon-wiener多样性指数是植物群落结构的重要参数, 它能客观的反映植物群落内物种组成的变化情况, 综合考虑物种丰富度和均匀度, 更能反映不同群落间的多样性特点[16], 因此, 在表3中, 2#、3#、7# Shannon-wiener多样性指数较高, 这几种水土保持措施配置下的人工植物群落表现出较高的物种多样性; 而2#、4#的Pielou均匀度指数较低, 除了样本数量没有反映出群落中实际物种数目外, 可能原因是这两个试验区虽然出现的一、二年生植物种类较多, 但由于一、二年生植物数量少、频度低, 故Pielou均匀度指数较低。

植物生活型构成是表征群落结构和功能的重要指标, 从功能群的来看(表4), 除对照样地(1#)以外, 各水土保持措施配置试验区内多年生杂类草的Shannon-wiener多样性指数几乎都高于灌木、半灌木、小半灌木、多年生禾草和一、二年生植物的Shannon- wiener多样性指数, 试验区主要的杂类草为人工种植的豆科植物紫花苜蓿、沙打旺。比较不同水土保持工程措施与植物措施配置形式, 试验小区各功能群组物种多样性的变化, 3#灌木、半灌木、小半灌木的Shannon-wiener多样性指数最高, 多年生杂类草在5#(铺设植生带)具有较高的物种多样性, 2#多年生杂类草的Shannon-wiener多样性指数较高, 由于对照样地(1#)未出现灌木、半灌木、小半灌木和多年生禾草, 因此一、二年生植物在对照样地具有较高的Shannon-wiener多样性指数。

表3 各试验小区植物群落多样性、丰富度及均匀度指数比较

表4 试验小区各功能群Shannon-Wiener多样性指数比较

4 讨论

草原露天煤矿排土场基质主要为采矿剥离物、采矿废弃物和灰渣等, 岩土混排后覆土, 形成覆土坡, 由于表土不足、土壤肥效低、水资源短缺等限制因素造成排土场地表原生植被极度匮乏。露天煤矿排土场生态恢复重建的主要方式是通过直接种植植被, 演替后期的植物种来加速原始植被演替进程[17], 由于建植的主要植物种类受到人为因素控制, 植物群落的多样性与自然生态系统中的植物群落的多样性存在一定差异, 在人为干预、控制和管理下, 通过生态系统本身的自我调节能力、加以人工调控, 可以建立一个稳定的、正向演替的人工、半人工植物群落, 达到保护与可持续利用的目的。根据牛星[18]的研究, 呼伦贝尔草原伊敏露天煤矿废弃地人工恢复5年后, 多年生草本植物9种、一、二年生植物11种, 自然恢复5年后, 多年生草本植物3种、一、二年生植物15种, 与之相比, 本研究区植被恢复重建初期(项目实施第三年)试验区内共出现23种植物, 分属10科22属, 在人工措施和自然恢复的双重作用下, 排土场边坡植物种类还是较为丰富的。在不同水土保持措施配置的试验区, 植物群落组成中一、二年生植物种类较多, 分属3科8属, 出现的一、二年生植物种类占出现总植物种的34.7%, 说明在草原露天矿排土场边坡植被恢复的最初阶段, 除人工种植的草本植物和灌木以外, 狗尾草、画眉草、刺藜等等传播能力强且耐旱的一、二年生物种是主要的先锋植物。牛星[17]研究也表明, 猪毛菜()、蒺藜()、灰绿藜()、地肤()、碱蓬()、西伯利亚虫实()、狗尾草等作为先锋植物占据了露天煤矿废弃地植物群落的主要地位。

选择适宜的水土保持植物, 是草原矿区人工再塑地貌生态恢复的关键, 所选植物种应具有耐旱、耐寒、耐贫瘠、耐盐、抗污染、速生、根系发达及改土作用强等特点。草原矿区植被恢复重建一般是以过渡性的先锋植物、性状优良的乡土物种为首选植物, 条件适宜时引进外来速生品种, 综合考虑培肥土壤、稳定土壤、控制侵蚀、减少污染等因素。李晋川等[19]在山西省安太堡露天煤矿植被恢复研究中从90余种植物中选出20余种适合在黄土高原脆弱生态区复垦使用的适宜植物, 发现豆科牧草适合做复垦的先锋植物, 沙棘()、柠条()等少数灌木生长优势明显; 李楠[20]在山西省沁水煤田煤矸石山植被恢复物种多样性研究中也发现, 种植固氮植物是经济效益与生态效益俱佳的土壤基质改良方法。本研究中排土场边坡种植的紫花苜蓿、沙打旺均为豆科植物, 在条件相对恶劣的环境下生长状况良好, 适应能力较强。因此, 在草原露天开采等生产建设活动形成的排土场、废弃地等土壤环境相对较差的区域, 植被恢复重建初期可以将性状优良的豆科牧草作为植物群落建群的先锋物种, 通过豆科植物固氮作用改良土壤结构、增加土壤肥力, 为其他植物的生长繁殖创造优良的土壤环境, 逐步实现植物群落的自然演替, 最终达到群落的稳定状态。

生态袋是一种由聚丙烯为原材料制成的袋子, 近些年主要运用于边坡防护绿化, 是荒山、矿山修复、高速公路边坡绿化、河岸护坡中重要的施工方法之一, 草原矿区排土场植被恢复重建中还是首次应用。本研究中“生态袋一字型布设+撒播种草”措施配置试验小区, 植物成活率相对较高, 并表现出较高物种多样性。根据郭建英等[21]研究发现, 典型草原露天煤矿排土场边坡治理采用的不同水土流失治理措施中, 生态袋一字型措施试验小区的年土壤侵蚀量最小, 说明草原矿区排土场边坡植被恢复重建初期, 相比他水土保持措施, “生态袋一字型布设+撒播种草”措施配置形式在植物群落的快速建植和水土流失防治方面效果都比较明显。在我国北方干旱半干旱地区, 将生态袋这种工程措施与适宜的人工种草措施相结合进行矿区排土场、废弃地等人工扰动区的生态修复具有广阔的应用前景。

5 结论

通过对典型草原区露天矿排土场边坡的人工、半人工植物群落的研究, 与自然恢复的裸露边坡相比, 植被恢复重建中水土保持工程措施与植物措施相结合的形式使植物群落物种数量明显增加, 项目实施第三年试验区内共出现23种植物, 分属10科22属, 并且单种科和单种属占优势。豆科牧草因其抗逆性强、具有固氮功能等优良性状可作为草原矿区植被恢复重建的先锋物种。在不同水土保持工程措施与植物措施配合恢复重建草原矿区排土场边坡植被中, “生态袋一字型布设+撒播种草”的配置形式在提高植物成活率、增加植物群落多样性、防治水土流失方面效果明显, 这一配置模式在生态环境较差、植被恢复难度较大的人工扰动区域的生态修复重建中具有较高的推广应用价值。

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Artificial vegetation changes on vegetation restoration in coal mine dump slope of typical steppe

SHAN Dan*, HE Jingli, LIU yanping, LIANG Zhanqi, RONG Hao

Institute of Water Resources for Pastoral Area of the Ministry of Water Resources of China, Hohhot 010020, China

The influences of the different remaining measures of soil and water and plant measures on vegetation composition and plant diversity of artificial and semi-artificial plant community were investigated in coal mine dump slope of typical steppe. The results indicated that plant species in exposed slopes under natural restoration were relatively poor due to fragile ecological environment. Plant species increased significantly under remaining measures of soil and water with combination of engineering measures and plant measures. There were 23 species belonging to 22 genera and 10 families observed in the investigated areas after three years. Monotypic genus and single family were in dominant position. There were abundant species, higher survival rate, Shannon-wiener diversity and Margalef richness indices designed with the measure of bag a font and broadcast sowing, which showed the high vegetation construction efficiency for controlled soil and water loss in coal mine dump slope. Leguminous plants with strong resistance, wide adaptability and nitrogen fixation might be taken as a pioneer plant for restoration and reconstruction of vegetation in coal mine dump slope of typical steppe.

dump slope; remaining measures of soil and water; plant community; diversity

10.14108/j.cnki.1008-8873.2017.02.008

S157.2

A

1008-8873(2017)02-057-06

2015-10-12;

2015-12-02

内蒙古自治区科技计划项目(20140713); 水利部公益性行业科研专项经费项目(201301049); 国家自然科学基金—青年科学基金项目(31400482)

珊丹(1978—), 女, 内蒙古赤峰市人, 博士, 主要从事草地生态与水土保持方面的研究, E-mail: mksshd@126.com

珊丹, 何京丽, 刘艳萍, 等. 草原矿区排土场恢复重建人工植被变化[J]. 生态科学, 2017, 36(2): 57-62.

SHAN Dan, HE Jingli, GUO Jianying, et al. Artificial vegetation changes on vegetation restoration in coal mine dump slope of typical steppe[J]. Ecological Science, 2017, 36(2): 57-62.