嵯峨山采石矿山废弃地人工植被恢复植物群落特征

王志强，向华浩，祁有祥

(芷兰生态环境建设有限公司，湖南 长沙 410000)

1 引言

矿产资源开发是经济建设重要的组成部分，但也带来了严重的生态环境问题[1]。随着人们对生态环保问题认识的提升，矿山开采后的生态恢复越来越受到重视。植被恢复是生态环境恢复的基础[2]。国内有关采矿废弃地、采矿排土场、尾矿库等矿山废弃地植被恢复和重建的研究较多。杨海裕等[3]对金矿废弃地的人工恢复植被和自然恢复植被调查研究发现，人工建植废弃地的植物丰富度要高于自然恢复地。翟小娟等[4]对神东矿区植被恢复研究中进行了植物质量和经济型的调查，筛选出了适合该地区生态恢复的植物种类。谢斐[5]等对六盘水喀斯特煤矸石山自然恢复植物群落进行调查研究，发现在自然恢复的煤矸石山上的植物有26科46属50种，其中戟叶酸模、亮叶桦、大叶醉鱼草、五节芒和斑茅为优势种。施翔等[6]研究认为群落结构越复杂，多样性指数越高生态环境也就越稳定。张琳等[7]对人工植被恢复的内蒙古锡林郭勒盟北电胜利露天煤矿排土场进行调查，发现植物群落的稳定性随着年限的增加而升高。研究矿山生态修复区的植物结构和物种多样性，是评估矿山生态修复效果的重要指标。

嵯峨山位于渭北旱腰带，该地区矿产资源丰富，尤以石灰石资源最优且储藏量大著称，是关中乃至陕西全省及周边省区水泥、石灰、石料等建材的主要来源地之一。由于无序开采，使嵯峨山的生态环境遭受了严重地破坏。2019年中央生态环境保护督察“回头看”指出的渭北“旱腰带”采石破坏生态恢复治理问题整改[8]。在该地区进行生态修复难度大、植被恢复缓慢。对该地区生态修复的相关研究还未见报道。因此，本研究利用样方法调查采石废弃地的人工植被恢复，计算反映群落特征的综合指标，分析人工生态修复区植物群落结构和物种多样性，初步筛选出适合该地区矿山生态修复的植物种类，从植物群落结构和物种多样初步评估生态修复效果。对该地区矿山废弃地生态修复具有指导意义。

2 研究区概况

渭北旱腰带地区地处关中平原和陕北丘陵之间，东起韩城，西至陇西，横跨渭南、铜川、延安、咸阳、宝鸡五市，东西长400 km，南北宽10～80 km，平均海拔700 m左右，该区域植被稀少，水资源短缺，年均降水600～700 mm，年蒸发量是降水量的3倍，是典型的大陆型半干旱气候。年平均气温13 ℃，最低气温为-20.8 ℃，最高气温为41.4 ℃。土壤主要种类有褐土、红胶土、黄土、黑垆土等。该地区主要乔木主要有栎类、侧柏、山杏、山桃等，灌木主要有酸枣、连翘、密刺等，草本植物有铁杆蒿、马牙草、黄白草、野生毛苕等。

该地从20世纪90年代开始，进行了石灰石等矿产资源开采，生态环境遭受严重的破坏。2020年芷兰生态环境建设有限公司对矿山废弃地进行表面平整、削坡固坡，利用客土、人工基质创造植物生长环境，利用机械喷播狗牙根、高羊茅、百日菊、波斯菊、毛苕子、三叶草等混播植物种子，进行了人工植被恢复工作。研究地点位于泾阳县嵯峨山安吴镇，地理坐标：东经 108° 48′ 23.21″；北纬 34°42′ 22.70″。

3 研究方法

3.1 样地设置与调查

2021年9月在嵯峨山生态修复示范地中选取2020年4月和2021年4月修复完成的2种类型，并以当地自然地为对照，每个类型选取5个样方，每个样方面积为2 m×2 m，其中1号样地为修复一年，2号样地为修复二年，3号样地对当地自然地。调查记录每个样方内的植物种类和数量，同时测定每个样方内植物高度、密度和盖度。植株高度用钢卷尺直接测量，密度为计数样方内每个植物数量，盖度采用目测法，即样方内植物垂直投影面积占样方面积的比值，频度利用实测样方内每种植物出现的次数计算。

3.2 群落综合指标重要值测定

物种重要值(important value，公式中用IV表示) 采用以下公式计算[9]：

IV=(Cr+Er+Hr+Rr)/4

(1)

式(1)中：Cr为相对盖度；Er为相对密度；Hr为相对高度；Rr为相对频度；S为每个样方总的物种数。

3.3 物种多样性测定

群落物种多样性测定采用Margalef丰富度指数(R)、Shannon-Wiener 多样性指数(H)、Simpson多样性指数(D)、Evenness均匀度指数(E)4个指标进行测定[9]：

R=(S-1)/lnN

(2)

(3)

(4)

(5)

式(2)～(5)中：N为S个全部物种的重要值之和；Ni为i第物种的重要值。数据统计、图表制作和分析采用Excel 2020、SPSS 19.0完成。

4 结果与分析

4.1 修复区植物种类组成

通过对嵯峨山采石矿山人工修复地和自然地的植物种类调查，发现所调查区的植物共有14科43属49种(表1)。其中以菊科11属14种、豆科5属12种、禾本科9属10种，藜科2属3种为主, 这4个科植物共计39种，占本群落总种的79.59%，其他科以单属单种为主。1号样地共出现了41种植物，2号样地为共出现了27种植物，3号样地中共有21种植物，其中酸枣是自然地独有的植物。从表2可以看出，当年修复地的植物种类比修复2年的样地和自然地的植物种类多。

表1 不同调查区植被科、属、种组成

4.2 物种重要值分析

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[10]。根据各物种的重要值计算表明(表2)：在嵯峨山生态修复区和自然地中物种重要值Ⅳ>20的物种有紫御谷(Pennisetumglaucum.)、紫穗槐(AmorphafruticosaL.)、刺槐(RobiniapseudoacaciaL.)和胡枝子(LespedezabicolorTurcz)4种，这些物种在植物群落中的重要值最大，在植被恢复过程中具有重要的作用。Ⅳ值在10～20的物种，重要值相对较大，分布比较集中，为主要伴生种，这类植物主要有百日菊(ZinniaelegansJacq.)、狗牙根(Cynodondactylon(L.) Pers.)、酸枣(ZiziphusjujubaMill.var. spinosa(Bunge) Hu ex H.F.Chow)、燕麦草(Arrhenatherumelatius(L.) Presl)和雀麦草(BromusjaponicusThunb. ex Murr.)。Ⅳ在5～10的物种有5种。Ⅳ<5的物种有很多，在各植物群落中零星分布。

表2 不同样地植物重要值

4.3 植物生长特征

在人工植被恢复措施下，能有效促进采矿废弃地的植被恢复，但不同恢复年限植被生长特征变化较大(图1)。在植被高度方面，不同恢复年限之间没有显著差异，人工措施与3号样地之间的植物差异不显著。在植物密度方面，2号样地的植物密度显著高于3号样地,之间差异显著，但1号样地与2号和3好样地之间差异不显著。在植物盖度方面，1号样地的总盖度显著高于2、3号样地，同样2、3号样地之间差异显著。说明在半干旱地区，人工植被恢复措施能够促进采矿废弃地的植被恢复，并且能够超过自然地的植被，使促进生态环境能够正向演替。

(a)平均高度 (6)平均密度 (c)总盖度

4.4 物种多样性分析

对不同样地植物多样性研究结果表明(表3)，1号样地的Margalef丰富度指数(R)、Shannon-Wiener多样性指数(H)和Simpson多样性指数(D)最高，但物种分布不均，Evenness均匀度指数(E)最低；经过1年的恢复后，Margalef丰富度指数(R)、Shannon-Wiener多样性指数(H)和Simpson多样性指数(D)都有所降低，但Evenness均匀度指数(E)有所升高；在自然样地中的Margalef丰富度指数(R)、Shannon-Wiener多样性指数(H)和Simpson多样性指数(D)是最低的，但Evenness均匀度指数(E)是最高。说明人工恢复措施能够提高生物群落中的植物多样性，但在不同植物之间的配比还需要更进一步研究，在人工恢复建设完成之后，植物群落逐渐向自然地方向演化，形成稳定的群落。

表3 不同样地植物多样性变化

5 结论与讨论

嵯峨山采石矿山废弃地经过人工植被恢复后，生态环境明显得到改善，物种丰富度和多样性指数提升。在人工恢复的第一年主要植被以菊科、豆科和禾本科为主，这与施工过程中选用的植物品种有关。菊科、豆科大部分为一年生植物，生长速度快，能够在矿山废弃地快速建群、复绿，其种子能够进行下一代繁殖，在生态修复工程中应用广泛。选用的禾本科植物大多为多年生植物，能够在生态修复过程中起到长期定植，减少维护等作用。在生态修复过程中，选用乡土植物是生态修复工程中最重要的一环，有利于植被向近自然恢复方向发展，有利于生态破坏地的植被能够最终建立与当地生态环境相适应的群落结构，促进生态群落的稳定。从本研究中发现，在人工植被恢复初期，为了植物能够快速建群和废弃地快速复绿，需要多种植物配合使用，但也需要利用乡土植物来稳定植物群落，使生态修复工程能够达到与当地生态环境相一致，特别要避免生物入侵情况的发生。

矿山废弃地表面裸露，原有群落生物多样性被破坏，短期内难以形成植被，采取人工恢复措施，能够对群落物种组成和结构产生不同的影响[11]。进行人工修复后，在第一年形成了以菊科、豆科和禾本科为主的优势植物群落。植物群落结构不仅能反映植物群落特征，同时也能体现出植物群落所在生境条件[12]。本研究区共出现植物种类为49种，分属14科43属，其中单科单属的植物出现较多，物种组成也较简单。同时，发现在修复地植物群落中出现许多在生态修复过程中没有选用的植物，如：小藜、小篷草、飞蓬、野豌豆、大蓟、牛蒡、蒲公英、地肤、萝藦等。这可能与在喷播过程中，应用的泥土采自附近的耕地，这些土壤中存在这些植物的种子。这些植物与张文辉[13]、李登武[14]等研究结果基本一致。

在生态修复区的恢复过程中，随恢复年限的增长生态系统逐步趋向稳定。在生态系统中物种组成的变化，反映了生态系统恢复过程中群落环境变化已经该群落对这种变化的响应[15]。研究表明在嵯峨山采石矿山废弃地植被恢复过程中，菊科、豆科和禾本科植物的重要值较高，其原因是这些植物的适应性强，且在生态恢复过程中逐渐由多年生植物代替一年生植物，这与李向磊[16]、珊丹[17]等研究结果类似。在研究中可以发现在修复的第二年，植物的多样性指数下降，而且在自然地中的植物多样性也较低，这与人工恢复的要求有关，人工恢复工程一般要求见效快，因此大量种植一、二年生植物，这种植物种子繁殖能力强，对环境要求低，可以作为先锋物种[7]，为土壤改良和植被恢复奠定基础[18]。随着恢复年限的增加，植被之间的竞争与适应[19～21]，使得多年生植物优势逐渐显现，比如胡枝子、酸枣、燕麦草、刺槐和紫穗槐等，这些多年生植物生活周期长，具有增强水土保持能力[22,23]。

研究结果将对“旱腰带”矿山废弃地的生态修复提供指导意见，对当地植被恢复和植物群落配置模式提供依据，为改进当地生态修复措施提供指导。由于受条件和时间的限制，本研究仅群落多样性指数和重要值来对生态修复效果进行研究。生态恢复是一个漫长而全面的过程，人工辅助措施能够加快植被恢复，但对土壤理化性质的影响，对微生物、动物和植被群落的演替还需要继续观察与研究。