贺兰山露天煤矿生态修复前后植物群落差异及地境结构研究

韩 旭，周建伟，冯海波

(1.中国地质大学(武汉)地质调查研究院，湖北 武汉 430074；2.中国地质大学(武汉)环境学院，湖北 武汉 430078)

贺兰山是中国西北地区乃至全国重要的生态安全屏障，在防风固沙、涵养水源、生物多样性维护等方面发挥着举足轻重的作用[1]。贺兰山因富藏煤炭资源，自20世纪50年代起便一直存在大规模的煤矿开采活动[2]。1988年贺兰山被列为国家级自然保护区，但违规采矿的行为仍然屡禁不止。为了解决贺兰山突出的生态环境问题，自2017年起有关部门关停了贺兰山自然保护区内所有煤矿、非煤矿山、洗煤储煤厂等，并于2019年基本完成填埋渣坑、削坡覆土、播散草籽、恢复植被等矿山生态修复治理工程。

生态修复是使受损、退化的生态系统恢复其结构与功能的过程。在中国西北干旱、半干旱地区，作为生态环境基本成分的植物群落对整个生态系统的功能特点具有特殊的重要性，它不仅决定着动物的分布、迁移规律，更决定着人类生存环境的优劣。因此，对贺兰山自然保护区的矿山生态修复过程实际上是植被建设和恢复的过程。目前大多数学者主要研究了地表环境因子对植物种群、群落的影响[3-5]。而实际上，真正对植被分布及其质量具有决定作用的是其地下生境。徐恒力等[6]和杨允菲等[7]的研究认为，植物根系所占据的地下空间是陆地生态系统的一个重要子系统，并将植物的地下环境称为地下生境，简称“地境”。地境作为一个生态子系统，具有耗散结构的鲜明特征,即存在上下边界、结构复杂并具有多样性与协同性，刘昌明等[8]根据太阳热辐射、水土势、植物生长碳、氮平衡深度以及植物根重和根冠等条件综合考虑后认为地境底界应该在地表下1.0 m左右。

对植物地境的研究离不开植物根系与其周围环境之间的联系及相互作用[9]。植物根系最密集的区域是植物吸收养分的主要区间，也是探索植物根系对植物生长发育的影响以及根系与周围环境内在关系的主要研究部位，有学者将该部位称为“根群”，并提出根群具有“层片”结构，即不同物种的根群具有不同的深度范围，在地下呈层状分布[10-11]。

本研究以贺兰山自然保护区东麓露天煤矿采区作为研究对象，通过野外调查和取样分析等方法，对修复区与背景区植物群落进行了对比研究，探究了修复区生态修复治理后的植物群落结构及其地下生境与背景区的差异，并进一步探究了导致两者之间存在差异的主要土壤因子，以为中国西北部干旱、半干旱地区露天煤矿的生态修复治理工程提供依据。

1 研究区概况

研究区为贺兰山自然保护区露天开采煤矿区，位于宁夏贺兰山国家级自然保护区东麓北部，地理坐标为东经105°49′～106°41′、北纬38°19′～39°22′，海拔为1 400 m～3 556 m。研究区地理位置见图1。

图1 研究区地理位置图

该地区属中温带干旱气候区，年均气温为-0.7℃，极端最高气温为25.4℃，极端最低气温为-32.6℃，气温年较差为 26.0℃，无霜期为117.7 d；年平均降水量为426 mm，降雨多集中在6～9月份。研究区土壤主要为棕钙土、灰褐土和高山灌丛草甸土。

2 研究方法

2.1 样地设置与调查方法

2.1.1 样地设置

研究样地选择采用了类似生态修复措施的煤矿，包括红果子沟煤矿、王泉沟煤矿、沙巴台煤矿和石炭井煤矿共4处样地；每处样地分背景区与修复区，修复区为开展并完成生态修复工作的区域，背景区为矿区周围未遭到矿业活动破坏的区域。对两处研究区域分别进行调查和采样，根据实际情况共设置23个样方(具体样方布设点分布见表1)，调查样方内植物群落物种种类、每个物种的盖度、高度和多度，并在样方对应区域开挖样坑，调查植物群落根群分布特征，最后对0～20 cm深度范围内的土壤取样，分析其化学性质。

表1 研究区样方布设点分布

2.1.2 调查方法

(1) 植物群落样方调查。选定能够较为全面反映研究区内植物种类和生长情况的样点，在样点内根据实际情况圈定植物群落调查样方。样方大小规格初步定为：草本植物的规格为1 m×1 m；灌木植物的规格为5 m×5 m；乔木植物的规格为10 m×10 m。根据现场植被生长情况和地形地貌，以样方能够代表样点植被特征、便于观察采样为原则，可适当调整样方大小规格，并调查统计样方内植物种类、优势种、生长情况、盖度、多度等指标。

(2) 植物群落根群调查。在野外踏勘过程中选定能够较为全面反映研究区内植物种类和植物生长情况的样点采用开挖样坑方法进行植物群落根系分布特征调查，调查内容包括土壤剖面上植物根系分布并对土壤进行取样。样坑为垂向剖面宽1 m、垂向深度1 m(可根据实际情况调整垂向深度)的矩形(见图2)。开挖样坑后，将1 m2的土壤垂向剖面划分为10 cm×10 cm的网格，对植被根系进行计数，本次仅对植物细根(根径<2 mm)数进行了统计。

图2 研究区样坑开挖示意图

2.2 数据处理方法

利用Excel、Origin等软件对获取的相关数据进行分析处理并制作图件，对比分析了背景区与修复区的植被群落结构和土壤化学性质的差异。

本次选取Shannon多样性指数、Simpson优势度指数、Pielou均匀度指数等指数来研究植物群落多样性特征，各指数的计算公式如下[12]：

(1) Shannon多样性指数。其计算公式为

(1)

式中：H′表示Shannon多样性指数；Pi表示第i个物种占总数的比例；S表示总的物种个数(个)[12]。

在Shannon多样性指数中，个体分配越均匀，H′值就越大。如果每一个体都属于不同的种，则其多样性指数最大；如果每一个体都属于同一种，则其多样性指数最小。

(2) Simpson优势度指数。Simpson优势度指数是在群落的类群组成基础上进一步推算出的以表达群落组成状况的指标，其计算公式为

(2)

式中：D表示Simpson多样性指数。

Simpson优势度指数越大，表明生物群落内不同种类生物数量分布越不均匀，优势生物的生态功能越突出。

(3) Pielou均匀度指数。物种均匀度也称为物种相对多度，是某个地区内各个物种在数量上的一致程度。当一个地区所有物种都有同样数量的个体时，可以说该地区的物种均匀度高；相反，如果一个地区某些物种的个体很多，另一些物种的个体却非常少，那么该地区的物种均匀度就低。一个地区物种的均匀度可用Pielou均匀度指数来表示，其计算公式为

(3)

式中：E表示Pielou均匀度指数；Hmax表示Shannon多样性指数最大值(当群落中有两个以上的族群存在，且每一个族群的个体数量相等)。

3 研究结果与分析

3.1 植物群落组成分析

研究区植物群落物种组成的统计结果，见表2。

表2 研究区植物群落物种组成统计结果

由表2可知：

(1) 研究区主要植物群落类型为6种，其中背景区的植物群落主要为针茅群落和白莲蒿群落；修复区的植物群落类型较多，不仅有针茅群落和白莲蒿群落，还新出现了华北米蒿群落、寸草苔群落、火炬树群落和香蒲群落。

(2) 背景区和修复区虽然都存在针茅群落和白莲蒿群落，但在不同区域植物群落中伴生种和物种数有所不同：针茅群落在背景区内共有10种植物，而在修复区仅有6种植物，其中白莲蒿和凹叶雀梅藤是在背景区和修复区都存在的伴生种；白莲蒿群落在背景区内共有7种植物，而在修复区内为6种植物，其中针茅和小画眉草是同时存在于背景区和修复区的伴生种。

3.2 植物群落多样性分析

针茅群落和白莲蒿群落作为同时存在于背景区和修复区的植物群落，通过对其在不同区域的植物多样性指数进行比较，能够反映两者之间的差异。研究区植物群落多样性指数的计算结果,见表3。

表3 研究区植物群落多样性指数的计算结果

由表3可知：

(1) 针茅群落和白莲蒿群落的Shannon多样性指数在修复区明显低于背景区，说明背景区植物群落多样性好于修复区，而背景区的植物物种数多于修复区也印证了这一结果；而Simpson优势度指数和Pielou均匀度指数在修复区均高于背景区，表明修复区植物群落优势种的优势程度高于背景区，且修复区植物物种在群落中的分布比较均匀。

(2) 华北米蒿群落、火炬树群落、寸草苔群落、香蒲群落仅存在于修复区，相较于针茅群落和白莲蒿群落，其植物物种数总量少，Shannon多样性指数较低，说明植物群落多样性差；而Simpson优势度指数较高，说明植物群落优势种较为明显；Pielou均匀度指数较低，说明个体在植物群落中的分布不均。由此推断这4个植物群落的结构较不稳定。

3.3 植物群落根群结构分析

由于植物主要吸收养分的功能集中在细根，所以本文分别对研究区背景区和修复区各类植物群落的细根数进行了统计，其统计结果见表4和表5。

表4 研究区背景区植物群落细根数统计结果

表5 研究区修复区植物群落细根数统计结果

根据野外调查结果，对研究区背景区和修复区不同植物群落的细根分布频率进行了计算，其计算结果见图3和图4。

图3 研究区背景区不同植物群落的细根分布频率

图4 研究区修复区不同植物群落的细根分布频率

由图3和图4可知：研究区背景区植物群落的细根分布最深可达地表以下70～100 cm，修复区植物群落对新环境需要较缓慢的适应过程，目前植物群落根系在地表以下30～70 cm土壤深度范围内分布；背景区和修复区植物群落的细根最为发育的区域均为地表以下0～20 cm土壤深度范围内，20 cm以下随着深度的增加，植物群落的细根数量整体逐渐减少。该部分土壤空间为研究区植物吸收养分最主要的空间，即植物群落主要的植物根系功能区。经计算可知，研究区背景区和修复区植物群落主要的植物根系功能区均为地表以下0～20 cm土壤深度范围内。

3.4 土壤因子分析

由于地表以下0～20 cm土壤深度范围是研究区植物群落主要的植物根系功能区，也即植物群落的地下生境范围，因此本文进一步探究了该区域的土壤化学性质对植被恢复的影响。

3.4.1 土壤有机碳含量

土壤有机碳泛指土壤中来源于生命的物质，包括土壤微生物和土壤动物及其分泌物以及土体中植物残体和植物分泌物，是衡量土壤肥力的核心物质。研究区背景区和修复区0～20 cm土壤深度范围内土壤中有机碳含量，见图5。

图5 研究区0～20 cm土壤深度范围内土壤中有机碳含量

由图5可见，研究区背景区0～20 cm土壤深度范围内土壤中有机碳含量平均值为1.48 g/kg，修复区土壤中有机碳含量平均值为10.03 g/kg，修复区土壤中有机碳含量是背景区的6.78倍。

3.4.2 土壤酸碱度

土壤酸碱度主要表征土壤酸碱反应的强弱，以pH值表示[13]。土壤酸碱度直接影响土壤各养分元素的存在形态及有效性，同时也是重金属迁移转化、微生物活性和植物生长的重要条件。此外，土壤中如有机碳降解、呼吸作用、氮循环等重要生化反应过程都与土壤酸碱度密不可分[14-15]。研究区背景区和修复区0～20 cm土壤深度范围内土壤的pH值，见图6。

图6 研究区0～20 cm土壤深度范围内土壤的pH值

由图6可见，研究区背景区0～20 cm土壤深度范围内土壤的pH值平均值为8.44，土壤偏弱碱性，修复区土壤的pH值平均值为6.56，其中红果子沟煤矿、王泉沟煤矿两处矿区土壤呈弱酸-酸性。

3.4.3 土壤全氮含量

土壤全氮含量是指土壤中各种形态氮素含量之和，包括有机态氮和无机态氮，土壤中全氮含量与土壤有机碳含量成正相关关系。土壤中全氮含量是限制植物生长发育的主要因素之一[16-17]。研究区背景区和修复区0～20 cm土壤深度范围内土壤中全氮含量，见图7。

图7 研究区0～20 cm土壤深度范围内土壤中全氮含量

由图7可见，研究区背景区土壤中全氮含量平均值为0.68 g/kg，修复区土壤中全氮含量平均值为1.51 g/kg，修复区土壤中全氮含量是背景区的2.21倍。

3.4.4 土壤总磷含量

磷与其他元素相结合构成植物内部的重要化合物，可为植物内部碳水化合物的合成运输、脂肪的合成、氮的代谢以及植物结构对外部环境的响应机制等提供帮助[18]。研究区背景区和修复区0～20 cm土壤深度范围内土壤中总磷含量，见图8。

图8 研究区0～20 cm土壤深度范围内土壤中总磷含量

由图8可见，研究区背景区0～20 cm土壤深度范围内土壤中总磷含量平均值为0.51 g/kg，修复区土壤中总磷含量平均值为0.47 g/kg，修复区土壤中总磷含量低于背景区，为背景区的92%。

3.4.5 土壤总钾含量

钾对植物生长发育的影响主要体现在两方面：一方面钾对植物叶绿素合成、光合作用产物运输和一些酶活性等有直接的影响，缺钾会直接导致植物光合作用速率下降；另一方面钾对植物碳氮代谢的协同过程起着至关重要的作用，缺钾会导致碳代谢和氮同化进程减缓，严重影响植物的生长发育进程。研究区背景区和修复区0～20 cm土壤深度范围内土壤中总钾含量，见图9。

图9 研究区0～20 cm土壤深度范围内土壤中总钾含量

由图9可见，研究区背景区0～20 cm土壤深度范围内土壤中总钾含量平均值为21.50 g/kg，修复区土壤中总钾含量平均值为20.90 g/kg，背景区与修复区土壤中总钾含量相近。

3.4.6 土壤阳离子交换量

土壤阳离子交换量是指土壤胶体所能吸附各种阳离子的总量。土壤中阳离子交换量的大小，基本代表土壤可能保持的养分数量，即保肥性的高低，可以作为评价土壤保肥能力的指标。研究区背景区和修复区0～20 cm土壤深度范围内土壤中阳离子交换量，见图10。

图10 研究区0～20 cm土壤深度范围内土壤中阳离子交换量

由图10可见，研究区背景区0～20 cm土壤深度范围内土壤中阳离子交换量平均值为7.04 mol/kg，修复区土壤中阳离子交换量平均值为7.94 mol/kg，两者整体相差不大，但修复区土壤中阳离子交换量稍高于背景区。

4 讨 论

贺兰山自然保护区露天开采煤矿植物群落调查研究结果表明，修复区和背景区的主要植物群落均为针茅群落和白莲蒿群落，且伴生植物相似。相较于背景区，修复区的针茅群落、白莲蒿群落的Shannon多样性指数较低，Simpson优势度指数和Pielou均匀度指数较高，说明背景区的针茅群落和白莲蒿群落内植物种类更丰富，优势种的优势程度较低，个体分布较为平均。综合植物群落结构调查结果和植物多样性分析，认为修复区的针茅群落和白莲蒿群落存在向背景区演化的趋势，研究区的生态修复可以达到使植被逐渐恢复至天然状态的目的。

研究区背景区和修复区的植物群落细根最为发育的区域均为地表以下0～20 cm左右，该部分土壤空间为研究区植物吸收养分最主要的空间，即植物群落主要的植物根系功能区。研究区背景区和修复区植物群落主要的植物根系功能区均为地表以下0～20 cm土壤深度范围内[19-20]。

在植物群落主要的植物根系功能区范围内，研究区修复区土壤中全钾含量、阳离子交换量与背景区相近，土壤中有机碳含量和全氮含量均高于背景区，而土壤中全磷含量低于背景区，导致其C/TP、TN/TP值均远高于背景区，说明土壤中的磷元素无论是在短期内还是从长远来看，都是制约研究区植被恢复的主要元素。此外，红果子沟煤矿、王泉沟煤矿矿区在植物群落主要的植物根系功能区范围内的土壤酸性污染未得到有效治理，严重影响了植物的生长。

5 结 论

(1) 贺兰山自然保护区露天开采煤矿主要存在6种植物群落，分别是针茅群落、白莲蒿群落、华北米蒿群落、寸草苔群落、火炬树群落和香蒲群落。其中，针茅群落和白莲蒿群落在研究区背景区和修复区均有出现，且修复区的植物群落存在向背景区演化的可能。

(2) 相较于背景区，修复区针茅群落和白莲蒿群落的植物种类更丰富，且优势种的优势程度较低，个体分布较为均匀，进一步证明修复区的植物群落存在向背景区演化的趋势。

(3) 地表以下0～20 cm土壤深度范围内是研究区植物群落主要的植物根系功能区，也即为植物群落的地下生境范围，在该范围内，修复区土壤中有机碳含量和全氮含量远高于背景区，而土壤中全磷含量低于背景区，碳、氮、磷含量明显失衡，因此土壤中磷成为制约研究区植被恢复的主要元素。此外，在该植物群落主要的植物根系功能区范围内，部分矿区仍存在土壤酸性污染，影响了植被生长，应引起足够重视。