京津冀地区矿山排渣场植被演替规律

吴丽品,任立皇,许晓嵩,赵文廷,2,3,4

(1 河北农业大学 国土资源学院，河北 保定 071000；2 矿山生态环境-河北保定野外基地，河北 保定 071000；3 河北保定生态文明研究院，河北 保定 071000；4 河北省农田生态环境重点实验室，河北 保定 071000)

矿山的开采与加工活动所形成的裸岩、排渣场等严重破坏了矿山生态环境，矿山土地占用与生态问题突出，制约和限制了矿业健康和生态发展，矿山土地复垦与生态修复逐渐成为各界广泛关注的焦点。排渣场是矿山废弃地的主要类型之一，其植被恢复演替规律的研究为绿色矿山建设的重要课题，国内外开展了较广泛的研究，如Zhang等通过不同演替阶段土壤和植被的动态变化研究与分析，认为在复垦初期，植物群落物种组成较为单一，随着植被的演替，植物种类越来越丰富，经过峰值后，逐步进入较稳定阶段[1]。赵方莹等以物种丰富度、均匀度指数、多样性指数为测度指标，对门头沟采石废弃地各演替阶段的物种多样性进行了对比，结果表明矿区生态恢复有利于植物群落结构和土壤性质的恢复[2]。Chen等通过实地调查和实验室分析，阐明了四川攀枝花的金属矿场恢复初期的植被格局和自然演替对土壤修复的影响[3]。张栓堂等对不同恢复年限采石场废弃地植物群落特征、物种组成、物种多样性进行分析[4]。李启艳等选取植被恢复5年、8年、11年废弃地，通过物种种类、数量固定监测，结果表明植被群落丰富度及多样性总体呈增加趋势[5]。张卓对阜新矿区煤矸石山在植被演替过程中物种多样性变化进行研究，发现阴、阳坡水分条件的差别导致阴坡的植物种数及其盖度、高度与生物多样性指数均高于阳坡[6]。此外，还有不少学者针对矿山排渣场植被恢复过程物种多样性变化、微生物特性等进行研究[7-11]。文献研究结果表明，关于矿山排渣场植被恢复与演替研究，多集中于长期恢复和稳定年限等方面，对恢复阶段划分以及初期植被自然演替规律和特征等问题研究较少。为此，对京津冀地区典型矿山排渣场进行植被自然恢复调查和长期观测，着重于植被演替过程当年植物多样性与变化特征，完善植被演替初期过程所表现特征的相关研究。

1 研究区概况

京津地区的保定西部山区、京西山地、津北山地因矿山开采与加工而形成的排渣场较多，有近600多座。分别选取保定涞源县白石山镇2处排渣场、北京房山区周口店地区3处排渣场、唐山迁安市马兰庄镇3处排渣场作为研究区域。3地基本处同一纬度区，气候类型区均属暖温带大陆性季风气候，气温、降水、积温、无霜期等基本一致。在植物区系组成上以华北成分为主，华北地区由松属数种、栎属多种组成暖温性针叶林或落叶阔叶林[12]。

2 材料与方法

2.1 典型矿山排渣场样地及其植被观测与调查处理

从保定西部山区、京西山地、津北山地选择典型矿山排渣场样地8个，不同植被恢复年限排渣场具体情况见表1。

表1 不同植被恢复年限排渣场基本情况Table 1 Basic situation of slag discharge field in different vegetation restoration years

由表1可知，其中恢复年限为0年的排渣场2个，进行当年内植物自然演替试验与观察；通过调研与资料查询选择植被恢复年限分别满1年、5年、10年、20年、30年、50年的矿山排渣场各1处，主要进行植被群落和植物多样性调查。

在每个不同恢复年限排渣场内分别设置3个乔木、灌木和草本样方，乔木样方面积为 20 m ×20 m,灌木样方面积为5 m×5 m,草本样方面积为1 m×1 m 。每个乔木样方的中央及对角线位置设置1个2 m ×2 m 灌木样方和5个1 m ×1 m 的草本样方。在每个乔木样方内各设1个4 m×4 m的灌木样方和5个1 m×1 m草本样方。分别调查草本植物和灌木的种类、盖度、密度和高度等指标与乔木的种类、树高、冠幅、株数、胸径、密度等指标。

选择涞源县白石山镇1月份刚关闭的矿山排渣场作为恢复年限为0年的排渣场进行一整年的长期观察，目的在于观察各样地植物种类及其生长发育随季节的变化情况。利用对角线法共设置6块样地，样地规格1 m×2 m，分别标作1号样地、2号样地、3号样地、4号样地、5号样地和6号样地。从第1棵植物出土开始，观察和记录植物种类、盖度和密度等指标，每2个月对植物种类和生长情况进行一次分析汇总。

2.2 植物多样性指标

植物种重要值(Pi)[13]：

Pi=(相对密度+相对盖度+相对频度)/3

(1)

(2)植物多样性指数(Simpson指数)(Hs)：

(2)

(3)均匀度指数(Pielou指数)(Jsws)：

(3)

式中，N为群落中物种的个体总数，ni为第i个种的个数，s为植物种数，β为N被s整除以外的余数，参数α=(N-β)/s。

3 结果与分析

3.1 当年内植物自然恢复群落组成与变化特征

3.1.1 当年内植物种类变化 通过各排渣场当年内植物种类及其变化统计成果可知，当年内优势植物种类随季节呈现明显和规律性的消长变化，见图2。

图1 当年内植物种类随季节的变化情况Figure 1 Change of species number in different recovery time of plots in one year

注：(a)为1号样地物种重要值变化；(b)为2号样地物种重要值变化；(c)为3号样地物种重要值变化；(d)为4号样地物种重要值变化；(e)为5号样地物种重要值变化；(f)为6号样地物种重要值变化。图2 当年内样地不同恢复年限植被群落组成变化Figure 2 Change of vegetation community composition in the experimental pond with different restoration years

由图1可知，从3月份第1次汇总植物信息开始，各个样地的物种数平均从0种增加到7种。样地总共出现14科20种，其中菊科5种，禾木科2种和藜科2种所占比例较大。

关于当年内样地不同恢复年限植被群落组成变化见图2。

由图2可知，恢复时间2个月时，传播能力强且耐旱草本植物狗尾巴草(Setariaviridis)、茼麻(Abutilontheophrasti)作为先锋植物占据了植物群落的主要地位。恢复时间4个月的优势物种为狗尾巴草、反枝苋(Amaranthusretroflexus)、打碗花(Calystegiahederacea)，恢复期间新增物种：打碗花、葎草(Humulusscandens)、马唐(Digitariasanguinalis)、紫斑大戟(Euphorbiahyssopifolia)、萹蓄(Polygonumaviculare)、反枝苋。恢复时间6个月的优势物种依旧为狗尾巴草、反枝苋、打碗花。恢复时间8个月的优势物种为藜(Chenopodiumalbum)。恢复时间10个月的优势物种为青蒿(Artemisiacarvifolia)和泥胡菜(HemisteptalyrataBunge)。植物恢复时间为1年时，出现很多新的植物，优势物种为泥胡菜、山苦荬(IxerisdenticulateStebb)。试验样地恢复1年的时间里，物种多为一年生的草本植物。优势物种变化规律为茼麻-狗尾巴草-反枝苋-藜-青蒿-泥胡菜。

3.1.2 当年内植物多样性分析 当年内植物多样性指数变化情况见图3与图4。

图3 当年内样地不同恢复时间植被Simpon指数变化Figure 3 Changes of simpon index of vegetation at different restoration times in one year注：图中不同小写字母表示同一样地内不同时间的多样性指数差异显著(P<0.05)，下同。

图4 当年内样地不同恢复时间植被Pielou指数变化Figure 4 Changes of pielou index of vegetation at different restoration times in one year

由图3、图4可知，随着季节变化，植物多样性变化较复杂，在恢复10个月情况下，植被Simpson指数和Pielou指数均下降，来年春天植物种类和数量开始增加，同时，植被Simpson指数和Pielou指数也开始有增大趋势。1号样地中，植物Simpson指数由0.12 逐渐增至0.83再减少为0.31；Pielou指数由0.58增加到0.67减少到0.43再增大为0.68。其中，从恢复6个月到8个月的排渣场中，Simpson指数涨幅最明显；而Pielou指数则是从恢复8个月到10个月期间涨幅最大。 2号样地中，植物Simpson指数恢复8个月时达到最大值为0.67； Pielou指数在恢复时间为10个月时达到最大值为0.72。3号样地中，植物Simpson指数恢复8个月时达到最大值为0.73，并且与其他恢复时间下的Simpson指数有显著差异；Pielou指数在恢复时间为10个月时达到最大值为0.88。4号样地中，植物Simpson指数恢复8个月时达到最大值为0.54，并且与其他恢复时间下的Simpson指数有显著差异；Pielou指数在恢复时间为8个月与10个月时均达到最大为0.89。5号样地中，植物Simpson指数在恢复2个月时达到最大值为0.55；Pielou指数在恢复时间为10个月为0.96。6号样地中，植物Simpson指数同样在恢复2个月时达到最大值，Simpson指数为0.50；Pielou指数也在恢复时间为10个月达到最大值0.92。

3.2 不同恢复年限排渣场植物群落特征及其变化

3.2.1 植物群落重要值变化 排渣场不同恢复年限植被群落重要值变化见表2。

表2 排渣场不同恢复年限植被群落重要值变化Table 2 Changes of important values of vegetation communities in different restoration years in dump

表2(续)

由表2可知，其中菊科和豆科植物所占比例较大，恢复年限不同，植物群落及其优势植物明显不同：在恢复1年的排渣场内，传播能力较强的青蒿(重要值0.188 9)、泥胡菜(重要值0.310 8)、苜蓿(重要值0.200 2)等一年生草本植物成为优势物种，其他植物还有狗尾巴草、地肤，植被组成较简单。植物恢复5年的排渣场，植物种类逐渐丰富，泥胡菜、苜蓿逐渐退化，青蒿(重要值0.224 0)、苍耳(重要值0.148 2)逐渐成为优势种，灌木荆条开始侵入，形成青蒿-苍耳群落。植物恢复10年的排渣场，多年生草本植物青蒿、黄花蒿、兴安胡枝子数量不断增加，为荆条的生长创造了有利条件，荆条(重要值0.223 1)迅速成为优势物种，逐渐形成荆条-兴安胡枝子群落。植物恢复20年的排渣场，臭椿(重要值0.152 6)等林木开始出现，逐渐成为优势物种，形成荆条-臭椿-兴安胡枝子群落。恢复时间为30年时，大量草本植物退化，酸枣(重要值0.162 7)和荆条(重要值0.112 4)构成稳定群落，刺槐开始出现，优势物种为酸枣(0.162 7)、臭椿(0.124 5)以及草本层的披针苔草(0.136 0)。恢复时间达到50年时，草本植物进一步退化，易生长于林下和林缘草地的披针苔草(重要值0.185 5)和大油芒(重要值0.090 6)成为草本层优势物种，物种群落逐渐稳定为本区域乡土植物油松-刺槐的木本植物群落。

3.2.2 植物多样性变化与分析 植物多样性的恢复是植被恢复过程中最重要的特征之一[14]。排渣场不同恢复时间植被多样性指数变化见图5与图6。

图5 排渣场不同恢复时间植被Simpon指数变化Figure 5 Changes of vegetation Simpon index at different restoration time in slag discharge yard

图6 排渣场不同恢复时间植被Pielou指数变化Figure 6 Variation of Pielou index of vegetation at different restoration time in slag discharge yard

由图5和图6可知，排渣场内不同阶段群落特征呈现出的变化规律为：在自然恢复1年内，植物种类较少，Simpon多样性和Pielou均匀度也较低；恢复5年时，群落的植物种类增加，Simpon指数、Pielou指数迅速增大；当恢复到10年时，Simpon指数和Pielou指数增幅较大；当自然恢复到20年时，Simpon指数变大达到峰值。同时，多年生草本植物的数量增多，群落内的植物分布更均匀，Pielou指数也增大；自然恢复30年时，在植物种类和数量迅速增加的同时，群落的Simpon多样性指数相对恢复20年时略有下降。多年生草本植物和灌木的数量增多，群落内的植被分布更均匀，Pielou指数达到最大峰值；恢复时间50年时，植被数量逐步提高，植物Simpon多样性指数与Pielou均匀度指数均有所下降。这是由于物种间的竞争致使一些物种逐渐退出，优势种逐渐转变为本地乡土木本植物，更趋向于集中稳定的状态，这说明植被群落结构渐趋稳定。

4 讨论

4.1 自然恢复首年内植物种类与优势种群

排渣场自然植被恢复通常在排渣场废弃后立即开始，并遵循自然演替趋势[15]。在演替的早期阶段(先锋期)，即废弃的0-6年，只能观察到零星的植被，几乎没有乔木和灌木层，只有少数先锋植物以及一些草本植物能够定居、盛行和覆盖[16]。陈芳清等发现矿山废弃地自然修复植物群落是通过先锋植物的入侵、定居与竞争形成的[17]。随着植被恢复年内时间的增加，植被群落组成物种数增加，出现蒿类植物及一年生草本植物。本研究样地总共出现14科20种，菊科5种，禾木科2种和藜科2种所占比例较大，其中禾本科、菊科植物为优势物种。因其多为矮小丛生的植被，其耐性好，生命力顽强，能长时间适应矿区恶劣的生境条件，具有良好的生长优势，在矿区群落演替首年内占据重要位置[18]。同时禾本科、菊科植物的定居能改善土壤微环境，促使自身生长。早期可选用当地禾本科、菊科、藜科等适应性强的植物进行矿区排渣场快速覆绿，为其他物种提供宜居的环境条件[19]。晋松等对铜陵狮子山铜尾矿场进行植被调查研究发现，禾本科、菊科、藜科等植物为矿场优势物种[20]。陈振峰等对永平矿山废弃地的植被调查结果显示，禾本科植物大量存在于不同植被恢复阶段群落内，且优势度程度不同[21]。这都与作者当年内植被恢复中群落先锋植物调查结果一致。通过对当年内植物群落进行调查，植被结构发生了改变，出现了不同程度的植物替代现象，主要为藜、青蒿、泥胡菜等一年生草本植物。当年内恢复中植物多样性指数也有先增大再减小再增大的趋势。李启艳等指出若矿山废弃地贫瘠的土壤条件不能供给植被生长对土壤养分的需求，植被出现退化死亡[22]。Pielou指数随时间的推移而呈现降低趋势，以及后期由于植被自身的演替及不利环境的限制，植被生长受限制或死亡导致Pielou指数偏低[23]。这与本研究发现年内植物生长因为受季节限制因素导致pielou指数有下降趋势一致。在京津冀地区年内植物恢复中，植物多样性规律与季节导致的植物退化因素有显著关联性。

4.2 矿山排渣场植被自然恢复演替规律

目前研究主要侧重于不同演替阶段或者不同恢复年限下物种的多样性规律。而本研究对一年内演替规律的调查是在前人进行植被演替规律探索的下一个细致发现。在研究区域内，每种类型的地貌表面都有一个狗尾巴草群落，主要是因为在演替的第1阶段几乎没有的水和养分以及有利的土壤化学和物理性质，从而影响了植被动态[24-25]。在一年生植物区系建立的早期阶段(7-12年)，首先是多年生草本植物，然后是更迫切的物种开始在该地区定居，增加了种间竞争[26]。自然环境中的本土木本和灌木物种占据了空间。而随着废弃时间的延长，出现后期阶段(废弃42-58年)，许多灌木和一些木本植物成为优势种[27]。随着演替的进行，土壤的发育也不断增加，植物种类开始增多，物种多样性升高。这与其他植物群落演替过程中物种多样性的变化规律一致，即物种的多样性随演替进行而升高，但最高值常出现在演替中后期，随后略有下降[28]。演替后期时物种丰富度达到最大，但是该阶段植物群落演替并未达到稳定阶段。通过对京津冀地区排渣场的调查，根据不同恢复年限群落植被种类的组成特征和植物多样性指数，大致将研究区排渣场植被自然恢复过程划分为6个演替阶段。(1)一年生草本植物阶段：自然恢复开始期，物种组成很简单，一年生耐旱耐贫瘠草本先锋植物最先侵入，最终形成了青蒿和泥胡菜群落。(2)多年生草本植物阶段：其间出现了大量葎草、苍耳等多年生草本植物，随着多年生草本植物取代一年生草本植物，最终形成了苍耳等多年生草本植物群落。(3)灌草混合阶段：期间多年生草本植物数量不断增加，灌木进入，形成了以荆条为优势种，兴安胡枝子、三裂绣线菊等为伴生种的灌草群落。(4)灌木阶段：群落中出现了荆条、臭椿等乡土树种，排渣场的环境条件不断改善，为营造更高层次的群落类型提供了条件。(5)灌木与林木混合阶段：期间植物种类和数量迅速增加并达到了峰值，出现刺槐、酸枣等林本植物。(6)稳定林木阶段：植被群落基本达到稳定状态。

5 结论

通过对不同恢复时间内排渣场的植被调查，结果表明，排渣场植物恢复当年内，共出现14科20种，其中菊科5种，禾木科2种和藜科2种。菊科、禾木科和藜科占所有种数的45%。先锋植物主要以一年生草本植物为主。随着恢复时间的延长，物种数增多, 物种多样性增加，均匀程度提高，在恢复 20年时物种多样性指数与恢复30年时均匀度指数达到峰值。物种多样性指数和均匀度指数有先增大再减小的趋势。并且根据不同恢复年限群落物种组成的演替特征和物种多样性指数的变化规律, 可大致将排土场自然恢复分为6个阶段：一年生草本植物阶段；多年生草本植物阶段；灌草混合阶段；灌木阶段；灌木与林木混合阶段；稳定林木阶段。综上所述，在排渣场恢复过程中要因地制宜进行先锋植物种类选择，并结合演替阶段的发展，人工种植恢复过程中的先锋植物，创造丰富的植物群落，加速矿区的植被恢复。