采矿废弃地自然定居植物的群落特征——以新疆维吾尔自治区青河县阿苇戈壁矿区为例

赵晓英，朱成林，海鹰，成鹏，王伍，帕如扎·哈力木拉提

（1.新疆师范大学 生命科学学院，新疆 乌鲁木齐 830054；2.新疆师范大学 地理科学与旅游学院，新疆 乌鲁木齐 830054；3.乌鲁木齐市气象局，新疆 乌鲁木齐 830002；4.新疆青河县自然资源局，新疆 青河 836200）

近年来，矿产资源的开发为当地经济的快速增长做出了贡献，但也带来了生态系统受损、植被完全被破坏、环境失衡等问题。在矿产资源丰富的新疆阿勒泰地区，采矿造成的废弃地面积非常大，仅青河县阿苇戈壁的砂铁矿废弃地面积就达5万多亩，2012年全县形成的开采点近300处，成为新疆破坏面积最大、土地受损最严重的矿区之一［1］，已影响到当地社会经济的可持续发展，急需尽快修复。

荒漠草地具有涵养水源、防风固沙、维持生物多样性和固碳的功能［2］，但荒漠草地是较为脆弱的草地类型，一旦被破坏很难修复。在干旱且无灌溉条件的采矿废弃地，能够定居的植物是适应这种极恶劣生境得以存活下来的植物，是矿区植被修复乃至生态修复的基础［3-4］。有关森林带矿区自然修复植物的研究较多［5-9］。在草原带，山西省北部平朔矿区复垦地自然定居的植物达95种以上［10］，内蒙古鄂尔多斯黑岱沟露天煤矿复垦区自然定居的植物达115种［11］，甘肃金昌龙首山矿区自然定居的植物有22种［12］。新疆阿尔泰山两河源保护区采金废弃矿区出现了羊茅、蒲公英等36种植物［13］。在荒漠区，新疆卡拉麦里自然保护区采矿废弃地经工程措施和补种措施后，修复地出现了梭梭（Haloxylon ammodendron）、针茅（Stipa capillata）、沙葱（Allium mongolicum）等十几种植物［14］。哈萨克斯坦雅库特矿区在20年的演替中初期发生的植物有8种，以藜、禾草、柳、桦为主［15］。而在以干旱、冷凉为气候特点的阿苇戈壁荒漠草地采矿废弃地，自然定居植物的组成等群落特征不得而知。

一般来说，采矿废弃地土壤中有各种植物的繁殖体，停止干扰后，一旦条件适宜，土壤种子库中的种子或无性繁殖体会萌发成苗，继而有可能存活并定居，为植物群落的构建奠定基础。文章以新疆阿勒泰地区青河县阿苇戈壁砂铁矿废弃地为研究区，通过野外群落调查，回答以下问题：（1）荒漠草地采矿废弃地在演替初期自然定居植物的群落特性；（2）自然定居植物的主要微生境。以探寻干旱地区采矿废弃地演替初期植被自然组建的规律，为深入研究干旱冷凉地区受损荒漠草地的演替提供案例，也为同类地区植被修复植物种的选择提供依据。

1 研究方法

1.1 研究区概况

青河县阿苇灌渠渠首片区砂铁矿青河县阿苇渠首砂铁矿位于青河县阿苇戈壁，地理位置在46°20′58.4″N，90°09′15.6″E，为阿尔泰山前冲积洪积扇，位于额尔齐斯河以南，乌伦古河以北，海拔1163 m。该地区为干旱冷凉地区，年均降雨量177.1 mm，年均温0.9℃，无霜期平均为161天（表1）。该矿区于2012年停产，区内土地支离破碎，采坑一般深2～18 m，最深的达28 m，采坑周边为采挖堆放的废料堆，堆高一般4～16 m，最高的达34米，相关部门对其进行了一定程度的环境治理［1］。该区原生土壤为荒漠淡棕钙土［16］，当初开采时深层土被上翻，现有表土为生土，据测定，土壤质地为砂质粘壤土，有机质含量约为1 g/kg，pH值为8.19，盐分含量为0.077%，有机碳为0.48%，有机氮为476μg/g，除了铝含量略高外，土壤中其他重金属均不超标［17］。原生植被为蒿属荒漠，以纤细绢蒿为优势种［18］，矿区暂无用于植被恢复的灌溉用水。

表1 研究区水热条件及与其他典型地区比较（1961—2019年，乌鲁木齐气象局）

1.2 调查方法

在2017年秋末及2018年4月全面踏查的基础上，于2018年7月对采矿废弃地及原生植被进行植物群落调查，并于2018年9月和2019年4、6月进行了补充调查。调查方法参考植物群落调查国标方法［19］进行。在采矿废弃地视地形、植被稀疏程度、组成植物的生活型，每隔一定距离（10～100 m）设置相应样方，草本植物的为1m*1m的样方，灌木的为5m*5m.原生植被相对比较均匀，视植被情况每隔50～100 m设置一个1m*1m或5m*5m的样方［18］。记录样方中出现的每种植物并采集标本，后期根据《新疆植物志》鉴定命名。根据国标［19］测量样方中每种植物的相对密度、相对盖度和相对频度，计算重要值，重要值=（相对密度+相对盖度+相对频度）/3.废弃地共测样方81个，原生植被共测44个。植物生活型依据《中国植被》［20］确定。观察每种植物的物候和结种情况、自然定居植物中密度和盖度最大并成片分布的植物发生的微生境。

2 结果与分析

2.1 自然定居植物的群落特点

对群落调查中所采集植物标本的鉴定结果表明，该废弃地自然定居的植物共有56种，隶属于19科45属。从科的组成来看，菊科、藜科、豆科、禾本科、麻黄科、紫草科、唇形科的居多，分别占总种数的26.3%、21.1%、8.8%、7.0%、5.3%、5.3%、5.3%，其他科植物均不超过2种（表2）。这些植物中，重要值最大的5个种是雾冰藜、盐生草、新疆猪毛菜、大籽蒿、粗喙虫实，重要值分别为14.9、8.17、5.95、4.93、4.70，其次为纤细绢蒿，为4.39（附录1）。

从生活型组成来看，废弃地的一年生或两年生植物种数最多，为23种，占总种数的41.1%，主要有雾冰藜、盐生草、新疆猪毛菜、大籽蒿、粗喙虫实等。两年生草本植物只有大籽蒿和小甘菊2种。多年生草本植物为22种，占39.3%，主要有纤细绢蒿、大花霸王、戈壁针茅、地肤、钝叶黄耆、镰芒针茅、新疆亚菊、阿尔泰狗娃花等。灌木占17.9%，主要有蛇麻黄、灌木亚菊、驼绒藜、喀什菊、细子麻黄、木地肤等。乔木和藤本植物各有1种，分别为苦杨和戟叶鹅绒藤，二者共占3.6%（表3）。原生境占比最高的是多年生草本植物。

表2 砂铁矿自然定居植物科的组成及与原生植被的比较

表3 砂铁矿自然定居植物的生活型组成及与原生植被的比较

停产以来，废弃地自然定居植物的群落平均总盖度约为1%，总的来说植被极为稀疏，绝大多数植物为零星分布，平均每100 m2只有1～2株植物，只有个别地段的几种一年生植物群落的盖度较大，达到约20%.

自然定居植物中，有24种为非原生植被组成植物，占42.9%，其余均为原生植物群落的组成植物。从植物物候来看，采矿废弃地自然定居的绝大部分植物均可开花结种，完成生活史。

2.2 自然定居植物的主要微生境

种群密度和盖度最大、成片分布的植物有一年生植物雾冰藜、盐生草和两年生植物大籽蒿。成片生长的雾冰藜的生境主要为高大排土堆顶部的平坦地段、小排土包背风面或低洼处，以及复垦时推平的地段，盖度可达10～20%，株高平均约为30 cm，有些地段最高的可达60 cm.在水分条件不佳的生境，雾冰藜长势较弱，干旱来临后成为立枯体。盐生草成片分布的生境为复垦推平的地段，盖度达10～15%，成片的大籽蒿主要分布在排土堆顶部的平坦地段，每100m2有4～5株。

粗喙虫实发生在高大排土堆的中下部，呈条带状分布。新疆猪毛菜和角果藜往往伴雾冰藜而生，广泛分布在各种生境。纤细绢蒿仅在高大排土堆的阳坡零星出现，在排土堆顶部较低洼的积水处出现了1株苦杨，丛生成片的柄囊苔草出现在土质疏松、相连的小土包群，球果群心菜分布在小土包半阳坡迎风面的中、上部。

3 讨论

3.1 自然定居植物的群落特点

植被覆盖是景观稳定和防止水土流失的关键［21］，本研究中的阿苇戈壁采矿废弃地停产7年来虽有植物发生，但平均总盖度极低，仅为1%左右，远比降雨不多但年均温较高、地势较平坦的卡拉麦里荒漠采矿废弃地的低［14］，也比同为阿尔泰山，年均温低、雨水充沛的两河源采矿废弃地［13］的低。可能是因为：第一，阿苇戈壁采矿废弃地位于阿尔泰山山脚，气候干旱且年均温低（表1），两个关键生态因子——水和热同时缺乏限制了植物萌生和繁殖更新扩展。第二，废弃地主要为高大排土场，坡面很陡，不利于水土保持，使植物难以存活。第三，曾经的采矿活动使原表土不复存在，土壤极为瘠薄。这些因素都不利于很多植物的生长、更新扩展和定居。若要加快荒漠草地修复，必须辅以人工措施。

该采矿废弃地所在的阿苇戈壁，水热条件恶劣，但即使在如此干旱、冷凉、风大的极端条件下，仍有56种植物自然定居，远多于水热条件相对比较好的卡拉麦里［14］和阿尔泰山两河源［13］以及哈萨克斯坦废弃地［12］的植物种数。可能是因为：阿苇戈壁原生植被为荒漠草地，较为平坦，采矿活动虽破坏了土表，却营造出各种微地形，为耐扰动植物和外来植物的发生定居创造了特殊的条件，例如，某些径流冲沟和低洼地出现了湿地蒿、多枝柽柳和苦杨，土壤疏松的某些地方出现了柄囊苔草和戟叶鹅绒藤。生态学演替理论认为，中度干扰下植物群落物种数多于演替顶级阶段稳定植物群落的［22-23］。本研究中的阿苇矿区停产以来，虽然没有了开矿作业的高强度频繁干扰，但废弃地仍面临一定程度的自然扰动，例如，长年大风、排土堆陡坡的雨水冲蚀以及一定量的家畜采食践踏等，这些干扰有利于多样植物的发生定居。

本研究中的采矿废弃地自然定居植物中，对植被覆盖贡献最大的是雾冰藜等一年生植物（附录1）。一年生植物是全球荒漠植物区系的重要组成部分，在荒漠生态系统中具有重要的生态功能，在长期进化和自然选择中形成了适应荒漠区不确定性降雨［24-25］及耐盐［24-25］机制。这些一年生植物在干旱来临前开花结果，完成生活史，实现了种群的更新扩展。在干旱年份即便不能结种，也可形成立枯体。这些植物是植物生活史对策类型中的R对策植物，即耐扰动植物［26-27］。其优势在于可充分利用扰动后虽贫瘠但较疏松的土壤，种子萌发后很快生长，占据裸地，成为先锋植物，其发生很大程度上依赖于稀少且不可预测的降水，因此不能形成稳定的植物群落。但这些先锋植物所形成的植被斑块有利于种子截留，同时增加了地表粗糙度，减小了风蚀，为改善了土壤环境、促进种子萌发、营建动物栖息地奠定了基础。其功能正如温带沙丘演替中的沙米（Agriophyllum squarrosum）［28-29］以及印度尼西亚采矿废弃地的先锋植物［9］。干旱冷凉地区采矿废弃地植被修复可以考虑选用雾冰藜、盐生草等一年生植物和两年生植物大籽蒿作为先锋植物，以加速植被修复进程。

自然定居植物中，占比最多的是多年生植物。多年生植物是植物群落构建的关键，也是群落稳定发展的基础。原生植被的优势种纤细绢蒿，主要组成植物戈壁针茅、镰芒针茅、驼绒藜在废弃地已经出现，密度和盖度虽不高，但频度较高，说明该废弃地自然植物群落在向顺行演替方向发展。当然，多年生植物只有当其密度和盖度达到一定程度，才标志着稳定群落的形成。因此，需要采取人为促进措施，补充并加快多年生植物的定居和繁殖更新，以加速废弃植被修复。锐枝木蓼、木蓼、细子麻黄等灌木也已侵入废弃地并定居，这都预示着该废弃地植被是可以修复的。近些年，生态修复趋于近自然修复［30］，“自然”包括自然演替过程中不同演替阶段定居植物的生活型组成，体现了群落构成中植物生态位的组配。在植被恢复规划中，植物种的选择可效仿自然修复中对群落稳定有重要意义的多年生植物种子，以提高干旱区植被修复的成效。

3.2 自然定居植物发生的微生境

在采矿废弃地自然定居植物中，可成片生长，重要值最大的雾冰藜、盐生草等一年生植物的生境为高大排土堆平坦的顶部、小排土包背风面及低洼处，在风的作用下这些微地形可汇集雪、雨，具较高土壤水分含量，从而有利于先锋植物的发生。由此可见，在采矿废弃地复垦治理时，地面并非越平坦越好，建议在治理施工时保留凹凸不平以及自然形成的垅和沟等微地形，以利于种子萌发和建苗，减小植被恢复成本，提高无灌溉条件下的植被修复成效。

该废弃地为干旱冷凉地区（表1），生长季较短，4月中下旬植物才萌发返青，10月中旬生长季即结束。从植物发生的年际变化来看，并非每种植物在每年都出现，如多年生植物钝叶黄耆和粗毛黄耆于2018年和2020年在采矿废弃地未见任何踪迹，但在2019年有一定量的分布，这可能与2019年降雨量大，温度较高有关，具体机制还有待进一步研究。

4 结论

阿苇戈壁砂铁矿停产7年来自然修复的植被盖度约为1%，对植被覆盖贡献最大的有雾冰藜、盐生草、大籽蒿、粗喙虫实、新疆猪毛菜。废弃地自然定居的植物共有56种，其中，一年生和两年生草本植物占比最高，为41.1%，体现了演替初期耐扰动先锋植物占优势的特点。多年生草本植物和灌木分别占39.3%和16.1%，预示该采矿废弃地的顺行演替趋势。成片分布，种群密度最大的雾冰藜、盐生草等植物发生的微生境为高大排土堆的顶部、背风低洼处以及复垦推平地。建议植被恢复时可以考虑选用对群落构建和稳定发展有重要意义的多年生草本植物和灌木，配以一年生和两年生先锋植物，同时辅以营造可集雪、集雨微地形的人工措施，以提高植被修复成效。

附录1 废弃地自然定居植物及其重要值

注：-为无该植物