基于景观功能评价法(LFA)的5种恢复模式景观功能综合评价： 以乌海市典型露天煤矿排土场为例

张 昕，郭小平，李鹏飞，冯昶栋，郭 光

(北京林业大学水土保持学院，北京 100083)

我国煤炭资源丰富，主要集中分布在西北干旱、半干旱荒漠区，内蒙古乌海市作为其代表之一，煤田面积达403.5 km2，占土地面积的23%[1-2]。由于长期开采煤炭而忽略环境保护与治理，导致一系列生态环境问题，特别是露天煤矿开采，在开采过程中造成大气粉尘污染、生物多样性锐减、土体结构破坏[3-4]。同时，由于大量弃渣弃石以排土场形式排放，占压了矿区至周边大面积土地资源，加之土壤结构稳定性差，排土场边坡极易受降雨径流冲刷破坏，加速了土壤侵蚀，加剧了水土流失和土地沙化[5]，因此亟需对该区露天煤矿排土场进行生态恢复和重建。生态修复方式包括自然和人工两种[6]。由于该区降水少，风沙大，生态系统脆弱敏感[7]，仅依靠生态演替难以在短期内恢复到开采前的生态环境，因此多采取人工恢复方式[8]。近年来，从景观结构和功能角度评价矿区恢复效果得到了越来越多的关注[9]。然而，以往研究多从植被配置结构、土壤质量改善效果等单一方面进行评价[10-11]，而结合景观结构特征、土壤稳定状况、土壤渗透性能及土壤养分循环活跃程度，综合评价不同恢复模式下矿区排土场景观功能修复效果的相关研究较少。此外，尚缺少统一的评价指标体系，常采用层次分析、模糊评价等[12-13]受主观因素影响较大的定性评价方法。因此，为了使矿区景观功能的评价结果更准确合理，笔者采用景观功能评价法(landscape function analysis，LFA)[14]解决这一问题。该方法是一种操作简单、受主观因素影响小的半定量化评价方法，以地表水文过程为理论框架，以坡面为尺度，通过研究斑块长度、面积及土壤性能综合评价景观功能。国外关于LFA方法的应用研究较多，主要集中于恢复退化草牧场及矿区废弃地的景观功能评价[15-17]，国内关于该方法的研究和应用尚鲜见，主要集中于黄土区[18-19]，而西北干旱、半干旱荒漠区的相关研究严重缺乏。因此，有必要利用LFA方法评价该区不同恢复模式排土场景观功能修复现状并优选模式以促进当地矿区生态环境的可持续发展。

鉴于此，该文在优化LFA方法评价指标的基础上，以乌海市境内典型露天煤矿为研究区域，以天然灌草群落为对照，揭示矿区内不同生态恢复模式排土场的景观功能，以期为今后该区露天煤矿排土场生态恢复和重建制定合理的人工恢复模式提供重要理论依据。

1 研究区概况

研究区位于内蒙古自治区乌海市境内，地理坐标为39°23′08.95″～ 39°42′42.34″ N，106°49′37.61″～106°54′33.26″ E，海拔为1 183～1 396 m，该区为中国典型干旱、半干旱荒漠区，自然条件恶劣，生态系统脆弱。气候类型属温带干旱半干旱大陆性气候。年均降水量为159.8 mm，年均蒸发量为3 289 mm，降水多集中在6—9月。土壤类型主要为棕钙土、风沙土。植被多具耐旱性、抗风性，主要植物种为四合木(Tetraenamongolica)、霸王(Sarcozygiumxanthoxylon)和油蒿(Artemisiaordosica)等，植被稀疏，以灌-草结构为主要植物群落特征。

研究区内露天煤矿数量多，但由于生态恢复和重建工作开展较晚，已经治理的排土场数量有限，普遍采取撒播草籽结合工程护坡措施的生态恢复模式并辅以人工灌水养护措施。因此，选取复垦3 a的5个典型露天煤矿排土场进行调查研究：新星煤矿排土场(1#)、齐峰煤矿排土场(2#)、老石旦煤矿排土场(3#)、广纳煤矿排土场(4#)和温明煤矿排土场(5#)。矿区排土场呈3～7级阶梯状，覆表土厚度为15～30 cm，土壤质地为砂质壤土，养分含量低。坡面人工建植植被以乡土草本居多，例如沙打旺(Astragalusadsurgens)、披碱草(Elymusdahuricus)和油蒿(Elymusdahuricus)等。

2 研究方法

2.1 样地选取

调查研究于2018年7月开展，在5个露天煤矿排土场同一平台内，根据现有措施选取人工撒播草籽+植物网格护坡(模式Ⅰ)、人工撒播草籽+草帘覆盖(模式Ⅱ)、人工撒播草籽(模式Ⅲ)、人工撒播草籽+砖砌框格护坡(模式Ⅳ)以及人工撒播草籽+砖砌框格护坡+土工网(模式Ⅴ)5种有代表性的人工生态恢复模式。由于自然条件下植被、土壤特征是适应当地生态环境的产物，是最稳定且可持续发展的[20]，因此矿区排土场生态恢复应以当地原有景观功能为恢复目标，故选取四合木自然保护区、甘德尔山两处远离矿区受人类活动扰动较轻的天然灌草群落坡面作为对照。不同排土场及采取的恢复模式见表1。

表1 排土场恢复措施基本情况

2.2 LFA评价方法

2.2.1数据获取

LFA方法的评价内容包括景观结构特征和土壤表层性能2个方面。每种人工生态恢复模式及自然对照组分别选择6个坡面作为调查点，采用样线法在每个调查坡面沿垂直于等高线方向随机布设3条30 m长的样线，记录样线所截斑块数量、长度、宽度及斑块间距离，用于评价景观结构特征。与此同时，从每条样线起点开始，每隔5 m在其两侧各布设1个5 m×5 m样方，共5个，在样方内对土壤表层性能进行评价。同时在每条样线起点和终点处分别用GPS定位仪和激光测距仪记录海拔、坡向和坡度。共计布设126条样线和630个样方。

2.2.2景观结构特征指标的计算

通过斑块面积和景观结构2个指标衡量坡面景观格局特征，其计算公式为

A1=Ap/Am。

(1)

式(1)中，A1为斑块面积指标，0

A2=lp/l1。

(2)

式(2)中，A2为景观结构指标，0

A1、A2越大，表明斑块面积和长度占样线的比例越大，拦蓄储存地表水土、有机质等资源的能力越强，景观结构越好。

2.2.3表层土壤性能指标的优化与计算

表层土壤评价指标是土壤稳定性指数(Sa)、土壤渗透性指数(If)和土壤养分循环指数(Ne)的综合体现，评价内容共有11项(表2)。

表2 表层土壤性能评价指标体系

Sa与雨滴溅蚀防护、枯落物状况、隐花植被盖度、结皮破碎性、土壤侵蚀类型及程度、沉积物、抗干扰能力和崩解系数相关，反映了土壤抵抗径流冲刷和破坏的能力；If与多年生植被覆盖度、枯落物状况、地表粗糙度、抗干扰能力、崩解系数和土壤质地相关，反映了土壤的入渗能力；Ne与多年生植被盖度、枯落物状况、隐花植被盖度和地表粗糙度相关，反映了土壤与植被间的养分交换和利用能力。

基于对研究区内自然植被群落及排土场坡面的实际调查与对比分析，由于研究区自然条件恶劣，植被整体盖度较低，枯落物和隐花植被盖度仅为28%和15%，而原始指标[21]中高达50%和100%，因此为了使评价结果更具实际意义，对枯落物状况和隐花植被盖度2个指标的分级赋分标准进行优化调整。各指数计算公式如下：

假设某条样线上斑块和斑块间共有n种类型，首先计算第j(1≤j≤n)种斑块(或斑块间)被样线所截长度之和lj及占样线长度的比例Pj=lj/li。

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

式(3)～(8)中，i为第i组实例，取值范围为1～5；分母数字为分子各变量最大理论值之和；分子字母为各项评价内容。

Sa、If和Ne取值范围均为0～100，各项指数得分越高，表明土壤性能越优良，土壤养分循环效率越快，入渗能力越高，抵抗降雨径流侵蚀的能力越强。

2.3 数据分析

采用Excel 2010软件统计坡面调查数据并计算评价结果，采用SPSS 21软件对数据进行平均数检验及方差分析，对比分析不同生态恢复模式与景观结构及土壤性能各项指标的关系。

3 结果与分析

各调查点景观功能各项指标评价结果见表3。进一步对评价结果做多因素方差分析的结果(表4)表明，仅生态恢复模式这一因素对各评价指标的影响达显著水平(P<0.05)，海拔、坡度和坡向立地条件因子对各评价指标的影响未达显著水平(P>0.05)，说明该区露天煤矿排土场的景观结构及土壤性能受生态恢复模式影响大，需进一步做具体分析。

3.1 不同生态恢复模式景观结构特征

各生态恢复模式排土场的景观结构特征存在差异(表5)。各模式A1由大到小依次为模式Ⅴ、Ⅰ、Ⅳ、Ⅱ和Ⅲ。其中，模式Ⅲ最低，模式Ⅴ最高，模式Ⅴ为其他生态恢复模式的1.6～3.2倍。模式Ⅱ、Ⅳ之间差异不显著(P>0.05)。各模式A2由大到小依次为模式Ⅴ、Ⅰ、Ⅳ、Ⅱ和Ⅲ，模式Ⅴ为其他生态恢复模式的1.1～1.8倍。5种生态恢复模式的A1和A2分别为对照组的1.1～3.5倍和1.0～1.9倍，其中，对照组A1、A2显著低于模式Ⅴ(P<0.05)，平均低71.1%和46.4%，而模式Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ景观格局特征与自然群落较接近(P>0.05)，说明5种生态恢复模式均有助于该区排土场景观结构的恢复与重建，模式Ⅴ的恢复效果最优。

3.2 不同生态恢复模式表层土壤性能特征

土壤抵抗径流冲刷破坏的能力与土壤稳定性、土壤渗透性及土壤养分循环状况密切相关。由表6可知，各生态恢复模式中，模式Ⅴ的Sa、If和Ne显著高于模式Ⅲ(P<0.05)，分别为其1.8、1.7和2.4倍。各模式Sa由大到小依次为模式Ⅴ、Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ和Ⅲ，模式Ⅲ显著低于其他恢复模式(P<0.05)，模式Ⅰ、Ⅱ和Ⅳ之间无显著差异(P>0.05)。各模式If由大到小依次为模式Ⅴ、Ⅰ、Ⅳ、Ⅱ和Ⅲ，除模式Ⅱ和Ⅲ较接近外(P>0.05)，其他恢复模式之间均存在显著差异(P<0.05)。各模式Ne由大到小依次为模式Ⅴ、Ⅳ、Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ，模式Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ之间均无显著差异(P>0.05)。对比自然条件下表层土壤性能可知，5种生态恢复模式均对Sa、If和Ne有不同程度的影响，其中，模式Ⅴ对改善矿区排土场土壤性能作用显著(P<0.05)，其Sa、If和Ne分别是其他模式的1.2～1.8、1.2～1.7和1.5～2.4倍，且比对照组高58.2%、55.7%和82.0%。

表3 景观功能各项指标评价结果

表4 不同影响因子与评价指标的方差分析结果

表5 不同生态恢复模式景观结构特征指标

表6 不同恢复模式土壤性能指标

3.3 不同生态恢复模式景观功能综合评价

为了综合分析评价结果，运用最大方差法进行主成分分析，计算A1、A2、Sa、If和Ne的权重(表7)并用景观功能指标(Fl)表示(表8)。可以看出，5种生态恢复模式下排土场Fl由大到小依次为模式Ⅴ、Ⅰ、Ⅳ、Ⅱ和Ⅲ，其中，模式Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ、Ⅴ均高于对照组，尤以模式Ⅴ最显著，为对照组的1.6倍。尽管模式Ⅲ的Fl低于对照组，但差异未达显著水平(P>0.05)，说明仅通过人工撒播草籽的方式已经能实现以原有生态环境特征为标准的生态恢复目标。因此，5种生态恢复模式均有助于改善和恢复该地区露天煤矿排土场的景观功能。其中，以人工撒播草籽+砖砌框格护坡+土工网模式的恢复效果最突出，是其他恢复模式的1.3～1.9倍，为对照组的1.6倍，可优先考虑。

4 讨论

笔者研究中不同恢复模式Fl由大到小依次为模式Ⅴ、Ⅰ、Ⅳ、Ⅱ和Ⅲ。除模式Ⅲ外，其他恢复模式Fl均高于对照组，说明生物与工程措施相结合的生态恢复模式优于单一生物措施，更能有效促进并提高矿区受损生态系统的景观功能，这一研究结果与魏忠义等[20]、赵新风等[22]的结论一致。一方面，这是因为排土场坡面撒播草籽增加了斑块数量、种类与面积，同时植物根系增加了土壤孔隙度，增强了土壤渗透性，根系分泌物又促进土壤团聚体的形成，提高了土壤稳定性[23]；此外，豆科植物增强了土壤固氮能力，枯落物分解后产生的有机质又重新回到土壤[24]，两者促进了土壤养分循环。另一方面，布设砖砌框格等工程防护措施在增强坡面稳定性、减轻土壤侵蚀的同时，能够作为斑块有效拦截降水等自然资源，为植被生长创造良好生境。因此，恢复矿区排土场景观功能，兼顾生物与工程措施的恢复模式比单一植物措施效果更佳。

表7 主成分分析因子得分系数及指标权重

表8 不同恢复模式景观功能评价结果

笔者研究中共有4种生物与工程措施相结合的生态恢复模式：人工撒播草籽+植物网格护坡(模式Ⅰ)、人工撒播草籽+草帘覆盖(模式Ⅱ)、人工撒播草籽+砖砌框格护坡(模式Ⅳ)、人工撒播草籽+砖砌框格护坡+土工网(模式Ⅴ)。其中，模式Ⅴ的Fl最突出，其次为模式Ⅰ和Ⅳ，两者差异不显著(P>0.05)，模式Ⅱ的Fl最低。分析原因发现，4种恢复模式采取的生物措施均为人工撒播草籽，植被类型主要为草本，灌木较少，无乔木，且各排土场植物种类接近，以乡土植物居多，因此需进一步分析工程措施。模式Ⅰ和Ⅳ分别采用植物网格、砖砌框格进行坡面防护，本质均为格状框条护坡，旨在防治坡面侵蚀。而利用砖石材料的生态恢复模式Fl低于植物材料，原因是排土场在自然沉降过程中引起边坡失稳变形，挤压砖砌框格致其变形和破损[25]，而植物材料受其影响较小。模式Ⅱ覆盖草帘的主要目的是保水保土，为坡面植物萌发提供适宜环境，但由于缺乏对草帘的有效固定，大面积草帘受降雨径流冲刷破坏并滑落，防护效果大幅度降低。模式Ⅴ在砖砌框格护坡的基础上用土工网代替草帘，能够在蓄水保土的同时增加坡面稳定性，因此该种生态恢复模式下的排土场景观功能最高。

人工撒播草籽+砖砌框格护坡+土工网生态恢复模式下的排土场景观功能高于自然条件下的灌草群落，且其恢复效果明显高于其他恢复模式，能够有效改善景观结构及表层土壤性能，恢复矿区生态环境。因此，LFA方法可以较好且较全面地对乌海市不同恢复模式露天煤矿排土场景观功能进行评价，为筛选矿区适宜生态恢复模式提供理论支持。

5 结论

基于LFA评价方法，优化了评价指标体系，揭示了乌海市典型露天煤矿5种生态恢复模式下的景观功能，并以天然植物群落为恢复目标分析了排土场生态修复效果。结果表明，与单一植被模式相比，生物与工程措施相结合的生态恢复模式景观功能更高，修复效果更好。与砖砌框格护坡相比，植物网格措施受排土场沉降挤压变形的影响小，采用土工网代替草帘能较好地解决难固定易下滑的问题。5种生态恢复模式均有助于改善并提升矿区景观功能，以人工撒播草籽+砖砌框格护坡+土工网模式最为突出。因此，应用LFA方法评价我国西北干旱荒漠区矿区生态恢复效果对于筛选适宜生态修复模式、实现矿区生态环境的可持续发展具有重要意义。