不同坡向下高寒矿区混播草地的恢复效果评估

刘青青, 赫苗花, 李 飞, 王晓丽, 邢云飞, 李思瑶, 张海蓉, 施建军*

(1. 青海大学/青海省畜牧兽医科学院, 青海 西宁 810016; 2. 广东中煤地质生态环境有限公司, 广东 广州 510440)

我国矿产资源丰富,为国家安全和经济发展提供了保障。自改革开放以来,我国矿业迅速发展,大规模开发的同时带来了严重的生态环境问题[1]。据遥感调查监测数据显示,截至2018年底,全国矿山开采占用损毁土地约3.60×104km2,其中正在开采的矿山占用损毁土地约1.33×104km2,历史遗留矿山占用损毁约2.27×104km2[2]。废弃矿山土壤中有毒物质含量急剧增加,水土流失严重,植被覆盖度严重下降,造成了严重的生态破坏和环境污染,因此对矿区生态环境的修复尤为重要[3]。目前,已有大量的学者基于不同方法对矿山生态修复进行研究。黄艳利等[4]利用SBAS-InSAR技术对西部典型矿区的植被覆盖度时序演化进行了研究,得出了植被退化的重要影响因素,为该矿区植被修复的时间提供了理论与数据支撑;郭军康等[5]通过分析矿区不同土壤重金属污染修复技术,提出了矿区地形地貌修复的理念和矿区土壤污染修复的发展方向,为矿区土壤修复技术奠定了基础;张振佳等[6]利用土壤微生物及酶活性评估了矿区生态修复后的土壤质量以及生态系统的恢复状况,以期提供更加合理的方法来提高矿区生态恢复效果。大量相关研究已经证实矿山生态修复的必要性和重要性。

草地健康一直是学者们研究的热点与前沿问题之一[7-8]。草地健康可以反映草地结构和功能等特征,是草地合理利用的基础。由于草地类型多样性和复杂性,不同生态学家使用不同的草地健康评价方法,常用的评价方法有活力-组织力-恢复力(Vitality-Organization-Resilience;VOR)指数法[9]、基况-活力-组织力-恢复力(Condition-Vitality-Organization-Resilience;CVOR)指数法[10-11]、功能评价法[12]、层次分析法[13]和聚类分析法[14]等。其中,任继周院士于2000年提出了CVOR指数评价模型,由于其综合、简单、准确和适用的特点得到了广泛的应用[15-18]。目前,草地生态系统研究多集中于服务价值评估[19]、土壤质量评价[20]和稳定性评价[21],利用CVOR指数对高寒矿区退化草地恢复效果的研究鲜有报道。

青海省木里聚乎更矿区位于青海省海北州与海西州交界处的大通河上游[22],地处黄河重要支流的发源地,生态价值极高[23]。同时,聚乎更煤矿矿区现有资源储量35.4亿t,是青海省最大的煤矿区,具有很高的经济效益[24-25]。由于过度开采,木里煤矿环境受到了严重的破坏,采煤留下的矿坑、矿渣和煤场严重影响了当地的生态环境安全[26]。因此,矿区生态环境修复刻不容缓,习近平总书记针对青海木里煤田的生态保护曾多次作出重要指示。但是,针对木里矿区不同坡向下植被恢复的研究较少,付江涛等[27]通过对木里矿区不同坡向下的植物根系的研究,发现在半阴半阳坡和阴坡,植物根系未表现出显著性差异,但是在阳坡阴坡的植物根系部分指标出现了显著差异。蒋宏宇等[28]通过对木里矿区不同坡向的高寒矿区渣山恢复的植物生物量和养分繁殖分配的研究,发现不同坡向的恢复植物生物量繁殖分配和氮、磷繁殖分配均不同。金立群等[29]通过对不同坡向下的高寒矿区排土场植被和土壤特征的研究,发现不同坡向下的植被高度、盖度、地上生物量等均具有显著差异。本研究以青海省木里矿区的人工草地为研究对象,通过分析不同坡向下混播草地的植被、土壤特征,利用CVOR指数评估不同坡向下的混播措施对高寒矿区退化草地的恢复效果,以期为高寒矿区的生态恢复提供技术指导和理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2022年8—9月在青海省海西州木里聚乎更矿区进行。试验区地处青海省木里聚乎更矿区(东经99°～100°,北纬38°～39°),海拔约4 000 m;属内陆高寒大陆性气候,低氧、气候寒冷,昼夜温差大;年平均温度约—4℃,年平均降雨量约500 mm,年平均蒸发量约1 200 mm;草地类型为高寒草甸,属于多年冻土区。

1.2 试验材料及方法

于2022年7—9月在青海省天峻县的木里煤田聚乎更矿区人工草地,依据坡向不同,选取坡度基本相同的山体为研究对象,将山体分为阴坡、阳坡和平地,共选择18块面积约为50 hm2的混播草地为实验样地,再根据混播组合的不同分为A1,A2,A3,A4,A5和A6(表1)。同时将每个坡向下的天然草地作为该坡向的对照草地。人工草地均为高寒矿区退化草地经过深翻、耙平、施肥(羊板粪+有机肥)、撒种(播量200～240 kg·hm-2)、覆土、镇压等农艺措施建植。建植期3年,各处理设5个样方为重复,每个样方面积为0.5 m×0.5 m。

表1 不同混交组合的牧草种类

1.3 样品采集及指标测定

植物生长特征监测和样品采集:用针刺法测定植被盖度,用卷尺测量植物高度。记录完植被特征后,将样方内所有植物按物种种类齐地刈割,于75℃烘箱烘干至恒重以计算各物种生物量。

土壤样品采集与测定:在清除完地表植物和凋零物的样方内进行土壤取样,在每个样方内用土钻(直径为5 cm)随机采集0～10 cm土样,每个样方取5个样点,将土样混合为1个样。去除石块等杂质后,自然风干,过1 mm的筛子用于测定土壤有机碳含量。采用重铬酸钾氧化外加热法测定土壤有机碳含量。

1.4 CVOR指标选取及计算

1.4.1基况指数(C)

C=Ci/Cck

Ci代表处理样地的土壤有机碳含量,Cck代表对照样地中的土壤有机碳含量。若是C>1,统一取C=1。

1.4.2活力指数(V)

V=Bi/Bck

Bi为处理样地的地上生物量,Bck为对照样地的地上生物量。若V>1,统一取V=1。

1.4.3组织力指数(O) 将植物种类百分数(X轴)与累计生物量(Y轴)对应,画出散点图,用平滑曲线方程拟合,求出拟合方程与直线方程Y=1-X的交点,交点处物种的百分数与累积生物量的比值即为群落稳定性的值。用各样地的交点稳定点的距离(d)定量群落稳定性的大小。

X<0.2,O=1—d/0.283
X>0.2,O=1—d/0.424
X=0.2,d=0,则O=1

1.4.4恢复力指数(R)

R=H/Hck(1-ΔF)I

H代表处理样地的多样性指数,Hck代表对照样地的多样性指数。本研究中Shannon-Wiener指数为多样性指数,ΔF代表处理样地与对照样地盖度的差值,I=1+优势种重要值。恢复力指数是指在出现外界压力的情况下,生态系统能保持其结构和功能的抵抗能力,因此,本研究选择优势种的重要值来计算恢复力。

1.4.5CVOR指数评价

VOR=WV×V+WO×O+WR×R;WV+WO+WR=1,WV,WO,WR≥0

CVOR=C×VOR

WV,WO,WR是反映各单项因素重要性的权重系数,为避免时间序列的波动性、数据背景的不确定性和自然空间的不均匀性导致的误差,本研究取值为WV=WO=WR=1/3。根据CVOR指数将草地健康分为4个等级(表2)。

表2 草地健康评价指数及等级

1.5 Shannon-Wiener指数

S代表物种数目;Pi表示第i个物种的相对多度。

1.6 数据统计及分析

采用SPSS 26.0进行数据整理及分析,采用Origin 9.1绘图。

2 结果与分析

2.1 不同坡向下混播草地的生产力及多样性

通过对草地不同坡向及混播组合的生产力及多样性分析发现,不同区域的草地盖度、地上生物量和Shannon-Wiener指数均差异显著(P<0.05)。如图1a所示,6种混播组合,3个坡向的草地盖度变化趋势一致,随着混播草种的增加均呈先上升后下降的趋势,阳坡、阴坡和平地的盖度变化范围分别为:40.50%～75.38%,37.82%～59.20%,47.97%～71.83%,最大值分别出现在A4,A3及A5,并且均在混播物种数为2种时盖度最低。

图1 不同区域草地盖度、地上生物量及香农维纳指数

如图1b所示,在6个混播组合中,阳坡与阴坡地上生物量变化趋势一致,随着混播草种的增加呈先上升后下降的趋势,阳坡、阴坡和平地的地上生物量变化范围分别为:106.81～148.4 g·m-2,91.21～122.56 g·m-2,112.68～157.4 g·m-2,阳坡、阴坡和平地分别于A3,A4和A5处达到最大值。整体来看,A3处理下,不同处理地上生物量均较高,表现为平地>阳坡>阴坡。

如图1c所示,3个处理中,Shannon-Wiener指数变化趋势与草地盖度相反,不同坡向处理均在A5处理下各处理均出现最低点,表现为阴坡<阳坡<平地,同时随着混播物种的增加,植物的多样性呈现降低的趋势。

2.2 不同坡向下混播草地植物功能群比例

随着混播组合和坡向的改变,各区域植物功能群组成发生了显著的变化(图2)。

图2 不同样地的植物功能群组成

所有混播组合中,平地的豆科类植物所占比例最低(3%～13%),阳坡的豆科类植物所占比例范围为9%～14%,阴坡的豆科类植物所占比例范围为7%～14%。除A1混播组合外,其他混播组合的禾本科功能群均显示为平地>阳坡>阴坡,平地的禾本科功能群植物所占比例范围为61%～92%,阳坡的禾本科植物所占比例范围为51%～67%,阴坡的禾本科类植物所占比例范围为52%～85%;所有坡向中,A5的禾本科功能群比例最高。除混播组合A1外,阳坡的杂类草占比最大。除混播组合A3外,其他组合均表现为平地的杂类草所占比例最低。其中,平地的杂草植物所占比例范围为5%～26%,阳坡的杂类草植物所占比例范围为25%～36%,阴坡的豆科类植物所占比例范围为8%～34%。

2.3 不同坡向下混播草地土壤有机碳含量变化

不同的混播组合土壤有机碳含量存在显著差异(图3)。不同坡向草地的土壤有机碳含量在混播种类为3种的时候最高。阳坡土壤有机碳含量随着混播草种种类的增加,呈现先上升再下降的趋势。在A3处理时,阳坡土壤有机碳含量达到最高值,为95.32 g·kg-1,较A2提高了31.27%,显著高于其他混播组合。阴坡土壤有机碳含量随着混播草种种类的增加,呈现先上升再下降的趋势。在A4时,阴坡土壤有机碳含量达到最高值,为91.13 g·kg-1,显著高于其他混播组合。在A5时,平地土壤有机碳含量达到最高值,为93.37 g·kg-1,显著高于其他混播组合。

图3 不同样地的土壤有机碳含量

2.4 评价模型的各单项测算指数

由表3可知,不同混播和坡向对样地的基况指数、活力指数和恢复力指数均不存在显著影响;不同坡向下的混播组合对组织力指数存在显著影响。阳坡条件下,混播组合A3,A4的组织力指数显著高于混播组合A2样地(P<0.05)。阴坡条件下,混播组合A4的组织力指数显著高于混播组合A1,A2和A6样地(P<0.05)。平地条件下,混播组合A3,A4的组织力指数显著高于混播组合A2样地(P<0.05)。

表3 不同样地评价模型的各单项测算指数

2.5 草地生态系统CVOR健康指数的模型评价

利用CVOR指数对不同样地进行草地健康评价(图4),研究发现阳坡草地的CVOR值范围为0.82～0.88均处于“健康”区间;混播组合A3的CVOR值最高,达0.88,显著高于混播组合A1(P<0.05)。阴坡草地的CVOR数值范围为0.71～0.87,其中混播组合A1样地的CVOR值最低,为0.71,处于“警戒”状态,其余样地均处于“健康”状态;平地的草地CVOR值范围为0.79～0.89,均处于“健康”状态;混播组合A3的CVOR值最高,达0.89,显著高于混播组合A2。综上所述,人工建植后的草地大多处于健康状态,混播组合A3,A4在不同坡向下的健康状态均优于其他样地。

图4 不同样地的健康评价结果

3 讨论

3.1 草地生产力与多样性

草地生产力是表征草地生产能力的重要指标[30],不仅决定了草地的载畜量,同时也能反映草地的生态效益。生产力高的草地,具有更高的经济价值与生态价值。植被盖度、地上生物量是反映草地生产力的基本的指标。本研究中不同混播措施均显著提高了退化草地的生产力,这与董怡玲等[31]得出的混播措施对于退化草地的修复具有明显效果的结论一致。蒋宏宇等[32]通过对青海省高寒矿区渣山恢复的植物生物量的研究,发现植被的生物量从阳坡到阴坡呈显著下降趋势。本研究中不同坡向的草地生产力不同,且阳坡植物地上生物量大多高于阴坡,与上述研究一致。关于混播组合对草地生产力的影响,刘婉婷等[33]发现混播草种为垂穗披碱草、多叶老芒麦、冷地早熟禾和扁穗冰草的4个草种组合草地生产力较好,混播组合为垂穗披碱草、多叶老芒麦和扁穗冰草的3个组合,生产力次之,说明不同混播组合对草地生产力有显著影响,本研究中不同混播组合的草地生产力也有不同的变化。因此,在建植人工草地时应考虑播种组合的选择,从而提高人工草地生产力。

物种多样性是生态学研究的热点问题之一,对于保护生物多样性和维持生态系统功能具有重要意义。刘旻霞等[34]通过对高寒草甸不同坡向植物群落物种多样性的研究,发现北坡(阴坡)的植被多样性指数高于南坡(阳坡);张小芳等[35]研究发现,不同混播草地的植物群落物种多样性存在差异。本研究中,不同混播组合及坡向的草地植物群落的Shannon-Wiener指数有明显的差异,表现为阴坡<阳坡<平地,同时随着混播物种的增加,植物的多样性呈现降低的趋势。可能是由于播种种类的增加,草地群落各物种的生态位逐渐趋于稳定,导致侵入的杂草没有足够的光、水、热等资源可利用,无法生存,从而降低了植被多样性。

3.2 草地植物功能群比例

植物功能群将具有相似特征或表现出相似行为特征的物种归为一类,能够反映植物群落结构在环境影响下的动态变化[36]。刘育红等[37]研究发现不同坡向对水热异质性的分派不同,导致草地植被功能群随着坡向也发生着变化。乔欢欢等[38]研究发现,阳坡的杂类草功能群比例高于阴坡,与本研究一致。可能是因为杂类草生长的主要影响因素是光照,杂类草会随着日照的增加而增加[39],而阳坡受光照时间多。本研究中不同的混播组合也影响着植物功能群的比例,但均以禾本科功能群为主,是因为播种物种均为禾本科。由此可见,人工混播草地是人为控制的特殊群落,其竞争、环境压力、物种入侵以及功能群比例在很大程度上受到人为调控。

3.3 土壤有机碳含量

土壤有机碳是土壤中各种正价态的含碳有机化合物,是土壤极其重要的组成部分,与土壤肥力密切相关,从而影响植物的生长发育[40]。梁德飞等[41]通过对高寒矿区渣山不同坡向的土壤有机碳含量进行了研究,发现阳坡的土壤有机碳含量高于平台,平台的土壤有机碳含量高于阴坡。本研究中,土壤有机碳的含量表现为:平地>阳坡>阴坡。均表现为阳坡土壤有机碳含量高于阴坡,是因为太阳光辐照对两坡向土壤有机碳矿化影响较大[42]。但是平地的有机碳含量与梁德飞[41]的研究不同,是因为不同类型人工草地植物群落特征不同,植被对土壤养分的汲取方式也略有差异,导致不同人工草地土壤具有较大的异质性。

3.4 草地生态系统CVOR健康指数

草地健康受植物、动物、微生物和环境因子等各种因素的影响[43],因此,人们对草地生态系统的结构与功能的认识与利用受到了极大的限制。CVOR综合指数可以全面的反映草地健康信息,为草地的可持续性利用奠定了基础[44]。本研究利用CVOR综合指数对不同坡向混播草地进行健康评价,研究发现不同坡向下混播组合的CVOR指数不同,这与李强等[45]得出的坡向影响着高寒草甸草地生产力和生物多样性的结论一致。主要原因是不同坡向获取的太阳辐射差异较大,导致植物的生长和原有的生态位发生变化,这是生态系统适应环境变化的一种方式[46]。同时,本研究中只有阴坡垂穗披碱草和中华羊茅的混播组合草地处于警戒状态,可能是由于该样地的基况指数最低。这与俞鸿千等[13]得出的草地基况与CVOR指数有极显著正相关关系结论一致。综上,混播措施对不同样地的植被和土壤都起到了一定的效果,但混播草种与坡向均会影响植被和土壤。

4 结论

高寒矿区不同坡向下的人工混播草地植被特征和土壤有机碳含量均存在差异,同一坡向下不同混播组合的草地生产力、植被生物多样性和土壤有机碳含量也都存在显著差异,说明坡向和混播草种共同影响着草地生产力和植被生物多样性。不同坡向下,平地的土壤有机碳含量最高,草地生产力最高。所有混播样地,除阴坡以垂穗披碱草和中华羊茅的混播组合草地处于“警戒”状态外,其余草地都处于“健康”状态,说明混播能有效恢复高寒矿区退化草地。