喀斯特煤矸石山自然恢复植物群落研究

谢 斐，杨再超，李 芳，田华松，匡其羽

(六盘水师范学院 生物科学与技术学院，贵州 六盘水 553000)

1 引言

煤矸石山是煤炭在开采过程中形成的固体废弃物煤矸石堆积而成，其不仅侵占大量土地、破坏矿区自然环境，而且会引发矿区水土流失，造成生态系统恶化[1，2]。据不完全统计，我国每年排放煤矸石约1.5～2.0亿t，历年堆积量有35亿t以上[2]。素有“江南煤都”“江南煤海”之称的六盘水市，已探明煤炭储量近200亿t，远景储量844亿t。按照丁伟等相关报道[4]，可估算现在六盘水市煤矸石排放量至少1000万t。煤矸石堆积已对六盘水煤炭开采地区造成不可忽视的生态问题。目前，对六盘水煤矸石山的研究包括煤矸石的成分特征、资源化利用途径、香根草在煤矸石山中作用等[4～7]，而对煤矸石山自然植被群落组成尚未见报道。煤矸石山生态条件恶劣，部分学者开展了煤矸石山生态复垦相关研究工作，如李鹏波等在分析了煤矸石山植被恢复的研究现状和煤矸石山植被恢复存在的困难基础上，提出了由立地条件分析与评价、矸石山基质改良技术、树种选择和规划、抗旱造林栽植技术、植被抚育管理技术和植被恢复的监测与评价等组成的矸石山的植被恢复“六阶段”技术模式[8]。

由于植物存在很大的地域差异，生态修复如果不基于立地条件，尤其是植物组成和适应性，修复效果往往达不到恢复生态系统稳定性的效果。为此，本研究对六盘水市5个排放3年以上典型煤矿区堆积的煤矸石山自然植物群落多样性进行了野外调查和生态特征分析，旨在探明六盘水煤矸石山上的优势本土植物群落组成，对煤矸石山筛选耐性植物与矿山生态重建提供树种选择依据，为喀斯特地区煤矸石山生态修复提供理论参考和数据支撑。

2 研究区概况

本研究通过对六盘水市煤矿开采分布区文献资料查阅和调查，结合煤矸石堆积情况，选取5个排放3年以上典型煤矿(松河煤矿、红旗煤矿、大河煤矿、四角田煤矿、凉水井煤矿)煤矸石山，研究区地理位置见表1。

3 研究方法

3.1 野外实地考察

对六盘水市5个排放3年以上(煤矸石山排矸年限通过访问矿区员工或当地常住居民获取)典型煤矿(松河煤矿、红旗煤矿、大河煤矿、四角田煤矿、凉水井煤矿)堆积的煤矸石山进行野外实地考察，根据煤矸石山植物群落类型、地理环境、地形等条件，在野外布设5 m×5 m的标准灌木层样方和1 m×1 m的标准草本层样方。每个煤矸石山设置草本层样方和灌木层样方5个，共计总样方数50个。在每个样方里记录每个样方的海拔高度、经纬度、坡度等因子。并记录各样方的植物多样性组成、测量各种植被群落组成物种的生态指标(包括株丛数、一般高度、最高高度、株丛所占盖度等)，且拍照和采集野外疑难标本。

表1 研究区域地理位置统计

3.2 数据分析

以物种重要值作为优势指标量化煤矸石山自然定居植被在样方群落中的优势地位与作用，并作为确定优势种标准。借助Excel 2010办公软件统计分析样方群落内植物种群的相对密度、相对频度、相对高度、相对盖度，其中重要值的计算采用牛翠娟等在《基础生态学》中主要种群重要值的计算公式[9]：

重要值I.V.( Importance Value) = (相对高度 + 相对频度 + 相对显著度或盖度)/3。

其中相对密度、相对频度、相对高度、相对盖度的计算借助廖成浩等人采用物种重要值衡量野生物种在覆土煤矸石山上生长适应性的方法[10]。

4 结果及分析

4.1 煤矸石山植物种类组成分析

通过野外调查和统计分析，发现所调查的六盘水煤矸石山自然恢复定居的植物共有26科46属50种(表2)。其中所调查的煤矸石山乔木层植物有4种，占总种数的8%；灌木层植物有6种，占总种数的12%；草本层植物30种，占总种数的60%；地被层植物10种，占总种数的20%。

表2 六盘水煤矸石山自然植被科属种组成

续表2

4.2 煤矸石山优势种分析

对群落结构和群落环境的形成有明显控制作用的植物种称为优势种[9]。本文借助物种重要值作为优势指标量化煤矸石山自然定居植被在样方群落中的优势地位与作用，并作为确定优势种标准。

结合煤矸石山植被分布情况，煤矸石山乔木或灌木层植物重要值大于15的物种为优势种。从表3可知，六盘水煤矸石山优势的小乔木为亮叶桦(Betulaluminifera)(重要值21.92)，灌木层优势植物为戟叶酸模(Rumexhastatus)(重要值23.81)和大叶醉鱼草Buddlejadavidi(重要值18.32)。

表3 六盘水煤矸石山乔木和灌木层植物重要值

另外，根据六盘水煤矸石山草本层植被分布情况，选取草本层重要值排名前五位的植物重要值(表4)，草本层植物重要值大于10的物种为优势种，发现六盘水煤矸石山草本层植物优势种为五节芒(Miscanthusfloridulus)(重要值12.30)和斑茅(Saccharumarundinaceum)(重要值11.18)。

表4 六盘水煤矸石山草本层重要值排前五的植物重要值

4.3 煤矸石山优势群落分析

根据样方内植物种类组成，结合样方内建群种的特点，可以看出六盘水煤矸石山乔木层、灌木层和草本层植物群落组成结构都比较简单，每种群落建群种只有1～2种。以群落建群种命名，根据出现的频度发现六盘水煤矸石山的优势群落主要有3种类型：

I：戟叶酸模群落(RumexhastatusCom.)，建群种戟叶酸模在煤矸石山样方数中出现的频度最高，为80%，平均盖度最高，为90%，重要值最高，为23.81。伴生种为大叶醉鱼草、鬼针草等。

Ⅱ：亮叶桦群落+戟叶酸模(Betulaluminifera+RumexhastatusCom.)，建群种亮叶桦在松河煤矿煤矸石山的平均盖度为75%，戟叶酸模的相对盖度为56.8%，亮叶桦的重要值为21.92。伴生种为鬼针草、千里光等。

Ⅲ：五节芒+斑茅群落(Miscanthusfloridulus+SaccharumarundinaceumCom.)，建群种五节芒在凉水井煤矸石山的频度最高，为68%，平均盖度最高，为70%，重要值最高，为12.30。伴生种为何首乌、蕨、小蓬草、蛇莓等。

5 结论与展望

5.1 结论

(1)煤矸石山自然定居植物共有26科46属50种。根据植物的生长型，所调查煤矸石山乔木层植物有4种，占总种数的8%；灌木层植物有6种，占总种数的12%；草本层植物30种，占总种数的60%；地被层植物10种，占总种数的20%。在各调查矿区植物种类有交叉分布，特别是优势植物的交叉分布最为明显。说明该植物群落适应六盘水多个煤矸石山的生境。

(2)不论是从种群生态学分析，还是从群落生态学分析，都可以得出从株丛数、物种优势度、盖度及生长状况等各观测指标来考察六盘水煤矸石山自然植物群落占主体地位物种为戟叶酸模、亮叶桦、大叶醉鱼草、五节芒和斑茅。说明这些植物较为适宜六盘水煤矸石山的环境条件，对六盘水煤矸石山自然植被修复具有潜力，人工修复煤矸石山植被时可优先考虑。

5.2 展望

六盘水煤矿区煤矸石山的生态恢复对城市的自然经济和可持续发展有着十分复杂的影响。通过本次调查分析，发现六盘水煤矸石山自然植被恢复是一个缓慢的过程，且效果不明显。因此，对于煤矸石山的生态恢复采用人工恢复的方法是比较好的选择。本研究已经基本弄清六盘水地区煤矸石山的优势植物群落，对选择适宜于煤矸石山生长的植被、进行煤矸石山生态系统修复具有一定意义。下一步将深入探究煤矸石山优势植物种群对煤矸石山的生态适应性机制、优势群落中建群种之间的关联性及土壤生物活力，旨在为喀斯特地区煤矸石山生态修复提供数据支撑。