礦山邊坡生態(tài)建設(shè)的植被特征與群落動態(tài)變化

易揚，王越，辜再元，祁有祥，高甲榮?

(1.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，100083，北京;2.北京北林綠源生態(tài)技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，100083，北京;3.江蘇綠源生態(tài)技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，214000，江蘇無錫)

改革開放以來，我國采礦業(yè)迅猛發(fā)展，95%以上的能源、80%以上的工業(yè)原料以及70%以上的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料均來自于礦產(chǎn)資源［1］。采礦對于我國的國民經(jīng)濟發(fā)展起到了巨大支撐作用;然而礦山的大規(guī)模開采和固體廢棄物填埋破壞、占用了大量土地，礦山開采之后的很長一段時間以內(nèi)還會通過粉塵、潛在的酸性廢水排放、地表徑流、滑坡、塌陷等過程在此污染及破壞土地，并使周邊的環(huán)境不斷惡化。據(jù)統(tǒng)計，中國因采礦破壞的各類土地超過400 萬hm2，并以1.3 萬hm2/a 的速度增長，這使礦區(qū)成為資源、環(huán)境與人口矛盾相對集中顯現(xiàn)的區(qū)域之一［2-6］。目前國內(nèi)外大量學(xué)者就礦山植被建設(shè)展開了大量的研究:李保杰等［7］利用GIS 和景觀生態(tài)學(xué)方法分析了江蘇省徐州市九里礦區(qū)的景觀格局變化和土地利用結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)土地復(fù)墾對該區(qū)的生態(tài)環(huán)境起到了一定的改善作用;Tian Dalun 等［8］研究了廢棄礦山植被建設(shè)下的生物循環(huán)，發(fā)現(xiàn)人工植被修復(fù)能明顯提高礦渣廢棄地土壤微生物數(shù)量和酶活性;許小娟等［9］對海島礦山生態(tài)修復(fù)邊坡植物進行了調(diào)查，分析了植被恢復(fù)前后物種多樣性的變化，提出了適宜當?shù)氐男迯?fù)配置模式。但是，國內(nèi)對于礦區(qū)土地修復(fù)后，一段時間以內(nèi)的植被建設(shè)效果和生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的跟蹤調(diào)查相對較少。

江蘇省礦產(chǎn)資源發(fā)展迅速，開發(fā)利用程度較高，大面積閑置礦山廢棄地是揚塵污染的元兇，不僅對生態(tài)城市的建設(shè)造成威脅，同時也造成大面積的土地閑置［10-11］。近年來政府針對這一現(xiàn)象開展了大量的礦山邊坡綠化工程，部分項目已進入中后期階段，迫切需要進行監(jiān)測與評價，客觀定量評估工程對礦山邊坡植被恢復(fù)的影響，可為生態(tài)建設(shè)政策制訂和管理提供科學(xué)依據(jù)。筆者以江蘇省無錫市惠山區(qū)陽山鎮(zhèn)廢棄礦山為研究區(qū)，基于植被恢復(fù)指數(shù)、根系發(fā)育狀況和植株越冬能力，定量評估實施植生基質(zhì)噴射技術(shù)綠化工程后研究區(qū)植被建設(shè)的各種指數(shù)與根系發(fā)育狀況，分析植被建設(shè)5 年內(nèi)生態(tài)景觀的變化，以期為當?shù)厣鷳B(tài)植被建設(shè)規(guī)劃等提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

工程研究區(qū)位于江蘇省無錫市陽山鎮(zhèn)，緊鄰錫宜高速公路，為原采石廢棄宕口，地理坐標為E 120°6＇～120°7＇，N 31°34＇～31°35＇。海拔5 ～90 m，屬北亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，無霜期長，熱量充足，降水豐沛，雨熱同季。年平均氣溫15.6 ℃，最高氣溫38.9 ℃(7 月)，最低氣溫-12.5 ℃(1 月)。年均日照時間1 983.8 h，年均降水量1 079.3 mm，年均降雨時間126 d，最大降雨強度100 mm/min，年均無霜期230 d。

2 研究方法

2.1 樣地選擇

長腰山緊鄰錫宜高速公路，占地面積0.14 km2，由于長期的無序開采，山體大半被采掉，為改變采石宕口的不良環(huán)境，讓土地得到充分的利用，無錫市國土資源局開展了采石礦區(qū)環(huán)境綜合整治，工程耗時2 a，由2005 年10 月至2007 年10 月，工期約300 d。整治期工程步驟如圖1，其中植生基材主要由有機質(zhì)、無機礦物質(zhì)、黏合劑、保水劑、穩(wěn)定劑、土壤改良劑、生物菌肥、植物纖維等多種材料構(gòu)成。噴灑物種主要選用適應(yīng)當?shù)丨h(huán)境且有較強適應(yīng)力的植物，喬灌木物種為胡枝子(Lespedeza bicolor)、紫穗槐(Amorpha fruticosa)、山桃(Amygdalus davidiana)、傘房決明(Cassia tora)、臭椿(Ailanthus altissima)、刺槐(Robinia pseucdoacacia)、鹽膚木(Rhus chinensis)，輔助種為馬棘(Indigofera pseudotinctoria)、火棘(Pyracantha fortuneana)，草本植物主要為紫花苜蓿(Medicago sativa)、高羊茅(Festuca elata)、狗牙根(Cynodon dactylon)、波斯菊(Cosmos bipinnata)和野菊花(Opisthopappus taihangensis)。

本研究于2008 年、2010 年和2012 年在選定的3 個樣坡(1 號坡，坡向EW45°，坡度50°，平均土壤厚度12 cm;2 號坡，坡向SN40°，坡度55°，平均土壤厚度13 cm;3 號坡，坡向NW30°，坡度60°，平均土壤厚度11 cm)進行，每個樣坡均勻選擇5 個2 m×2 m 草本樣方和5 個4 m×4 m 灌叢喬木樣方作為定點研究，共30 個樣方。每個樣方內(nèi)進行植被、地理信息和土壤調(diào)查。植被因子包括植物的密度、頻度、高度、蓋度及根系的長度和數(shù)量，地理信息包括坡度、坡向、平均土壤厚度。

圖1 PMS 植生基質(zhì)噴射技術(shù)體系Fig.1 PMS vegetative matrix jet technology system

2.2 植被生長狀況指標計算

重要值

豐富度Margalef 指數(shù)

多樣性Shannon-Wiener 指數(shù)

均勻度Pielou 指數(shù)

生態(tài)優(yōu)勢度Simpson 指數(shù)

式中:A 為相對多度;B 為相對顯著度;C 為相對頻度;N 為個體總數(shù);S 為物種的數(shù)量;Pi=ni/N，為第i 個物種個體占物種總數(shù)的比例［12-13］。

3 結(jié)果與分析

3.1 植物恢復(fù)特征

3.1.1 群落物種的多樣性 種群在群落內(nèi)的作用各不相同，表現(xiàn)為種群在群落中的分布出現(xiàn)頻率不同，多樣性指數(shù)是單一統(tǒng)計量，是均勻度與物種的綜合表現(xiàn)［14-15］。由表1 發(fā)現(xiàn)，邊坡植被恢復(fù)3 年后，礦山內(nèi)物種多樣性得到了大幅的提高，并初步形成較為穩(wěn)定的人工群落，群落層次結(jié)構(gòu)分明，草本、灌木的搭配密度較合理，植被群落的生態(tài)功能逐漸趨于穩(wěn)定。植被建設(shè)5 年后，物種數(shù)基本穩(wěn)定在喬木8種，灌木6 種，草本7 種，共21 種，其中侵入喬木4種，灌木1 種，草本2 種。部分區(qū)域出現(xiàn)土壤生物結(jié)皮，此種結(jié)皮能夠保持土壤穩(wěn)定，減少風(fēng)蝕和水蝕，固定大氣中氮，積累土壤養(yǎng)分。還發(fā)現(xiàn)土壤中出現(xiàn)蚯蚓和螞蟻的活動蹤跡，這不僅能夠促進有機殘落物的機械破碎與消化分解，更能提高土壤肥力水平，對研究區(qū)生態(tài)恢復(fù)具有良好的促進作用［16-17］。植物群落的物種生態(tài)優(yōu)勢度呈現(xiàn)減少趨勢，而均勻度指數(shù)、豐富度指數(shù)、多樣性指數(shù)則均呈增加趨勢。此外，對群落植物根系指標觀測結(jié)果(質(zhì)量、蓋度、高度)說明:選取植物的適應(yīng)性較強，抗逆性好，長勢優(yōu)良，灌木層植物以胡枝子優(yōu)勢明顯，總排序為2，喬木層植物以刺槐為主，總排序為1，草本層植物則以狗牙根和紫花苜蓿優(yōu)勢度最大。

表1 礦山修復(fù)邊坡植物群落物種多樣性指數(shù)Tab.1 Diversity indices of restoration communities for the abandoned mine

3.1.2 幾種主要植物根系特征 植物根系作為植物吸收水分及養(yǎng)分的重要器官，可以從土壤中吸收植物生長所必須的水分和養(yǎng)分，對增強土壤的抗侵蝕能力及抗剪切能力、改良土壤的結(jié)構(gòu)和成分發(fā)揮著顯著的作用［18-19］。對研究區(qū)30 個樣方內(nèi)最為常見的10 種植物，每種植物抽取10 ～15 株植物的根系進行調(diào)查(圖2)，發(fā)現(xiàn)喬灌木根系主根較長，可以穿過基質(zhì)層并伸入里層的沙質(zhì)土壤，具有一定的深層錨固作用，能起到良好的固土護坡效果。草本植物的根須則發(fā)揮了淺層的保護作用。調(diào)查中發(fā)現(xiàn)礦山邊坡植被修復(fù)的3 年內(nèi)，隨著恢復(fù)年限增加，植物的根系長度和數(shù)量也在增加，隨后，部分草本植物的根系數(shù)量基本達到穩(wěn)定。喬灌木中，刺槐的根系發(fā)育最好，而草本植物中，紫花苜蓿根系數(shù)量最多。總體而言，喬灌草植株的根系發(fā)展都較為良好，研究區(qū)配置的植物種類和組合搭配良好，已基本形成與區(qū)域環(huán)境、周圍景觀相協(xié)調(diào)的植物群落，展現(xiàn)立體的喬、灌、草、花層次，能取得良好的生態(tài)效益。

圖2 喬灌草植物根系長度及數(shù)量Fig.2 Length and number of plant roots

3.1.3 植物個體越冬越夏表現(xiàn) 研究區(qū)常年冬季平均氣溫4.9 ℃，少有積雪，無積雪霜凍危害，且人工選用的植被中大部分植物耐寒耐旱適應(yīng)性極強，表現(xiàn)良好。植被恢復(fù)3 年時，全年平均氣溫12.4℃，平均降水843.6 mm，長勢優(yōu)于其他年份，其中，喬灌木比草本強，刺槐、胡枝子和狗牙根表現(xiàn)突出。研究區(qū)夏季最熱時月平均氣溫28.0 ℃，月平均降水量157.7 mm，少部分植物出現(xiàn)葉片萎縮，莖稈失水的現(xiàn)象，胡枝子和刺槐有少量落葉，出現(xiàn)季相適應(yīng)性變化，大部分草本能較好地適應(yīng)研究區(qū)溫度;但其中多年生禾本科高羊茅及多年生草本波斯菊在夏季高溫環(huán)境下越夏顯得比較困難，高羊茅出現(xiàn)部分倒伏現(xiàn)象，波斯菊相較于其他禾本科和豆科植物而言，死亡植株更多?？偟膩碚f，大部分植株抗逆能力較強，能克服極端天氣，邊坡恢復(fù)效果良好。

3.2 植被群落動態(tài)特征

3.2.1 群落物種組成及重要值 不同恢復(fù)年限的邊坡植被群落物種變化明顯(表2)。最初1 年內(nèi)，邊坡植物物種組成較為簡單，恢復(fù)1 年后，植被群落組成為7 科14 種，喬木以刺槐為主，均勻分布在坡面，其重要值為15.40%，灌木類植被以胡枝子長勢最優(yōu)，而最先出現(xiàn)的草本類植物主要為狗牙根、高羊茅和紫花苜蓿，三者的重要值之和為39.75%?；謴?fù)3 年后，植物群落逐漸豐富增加至9 科18 種，出現(xiàn)了鄉(xiāng)土入侵植物，主要有桑樹、火炬樹、構(gòu)樹和冬青，它們的重要值之和為12.07%，所占比例不大。5 年后植被物種已經(jīng)趨于穩(wěn)定，共10 科21 種。人工播種的草本植物逐漸形成規(guī)模，入侵的鄉(xiāng)土植物，尤其是其中的草本植物，也逐漸趨于穩(wěn)定。入侵的灌木和草本主要有薔薇科的月季、葡萄科的五葉地錦和野葡萄，通常分布在坡腳臨近公路的地方，三者的重要值之和為9.13%，草本植物主要以多年生禾本科與豆科的狗牙根和紫花苜蓿居多，其重要值分別為11.11%和10.82%。它們的特點是種子小，數(shù)量眾多且根系發(fā)達抗逆性強，其快速生長發(fā)育能夠良好地固土保水，使研究區(qū)的植被恢復(fù)達到良好效果。播種的喬木、灌木與草本植物中主要優(yōu)勢物種分別為刺槐、胡枝子、高羊茅、狗牙根和紫花苜蓿，四者的重要值之和為49.14%。總體而言，研究區(qū)植被建設(shè)效果良好，與周圍環(huán)境基本融為一體，并初步形成有較強固土護坡效果和較好景觀效果雛形的以喬灌木為主、草坪地被植物為輔且基本上能達到免養(yǎng)護的植物群落。

3.2.2 植被恢復(fù)群落的空間層次分布 無錫陽山長腰山邊坡綠化恢復(fù)的最初1 年內(nèi)，植物群落中喬灌草各層的種群個體水平分布較為均勻，垂直分層不明顯，喬木、灌木、草本高度差別不明顯。礦山邊坡植被恢復(fù)3 年后，開始逐漸有鄉(xiāng)土植被入侵，主要表現(xiàn)為喬木種類增多，開始出現(xiàn)此處較為常見的桑樹、火炬樹、構(gòu)樹和冬青的幼苗，灌木層和喬木層區(qū)分不大，以胡枝子和刺槐長勢最優(yōu)，喬木層的優(yōu)勢樹種刺槐平均胸徑5.1 cm，平均高度1.5 m，胡枝子平均高度0.8 m，草本以紫花苜蓿、狗牙根和高羊茅占據(jù)較大優(yōu)勢且生長迅速，此時邊坡植物群落的空間異質(zhì)性相對增強，土壤中開始出現(xiàn)蚯蚓等土壤生物，邊坡治理初見成效，形成了能在坡面存活并有一定護坡復(fù)綠效果的、物種搭配合理的先鋒植物群落，靠近坡腳的植被群落發(fā)育較好，這可能與坡腳處水分較為充分有關(guān)。5 年后，植物群落中各種群的水平分布常表現(xiàn)為集群分布，草本層從較為均勻的狀態(tài)逐漸形成鑲嵌性的空間格局。

表2 礦山坡面植被恢復(fù)植物群落組成及重要值Tab.2 Composition and importance value of restoration community for the abandoned mine

4 結(jié)論與討論

邊坡人工植被建植5 年內(nèi)群落物種、蓋度和高度均有明顯的規(guī)律性變化，恢復(fù)1 年內(nèi)，群落垂直結(jié)果也不明顯，組成簡單，群落結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。喬灌木中，刺槐和胡枝子的長勢優(yōu)于其他物種。植被恢復(fù)3 年后，植被群落組成相對復(fù)雜，物種多樣性豐富，開始有鄉(xiāng)土入侵植物出現(xiàn)，但喬灌木層還是以刺槐和胡枝子為主，草本層中，高羊茅的數(shù)量銳減，以狗牙根和紫花苜蓿為主，此時草本層垂直分層較為明顯。研究區(qū)邊坡復(fù)綠恢復(fù)5 年后，植被建設(shè)效果良好，與周圍環(huán)境基本融為一體，初步形成有較強固土護坡效果和較好景觀效果的以狗牙根和紫花苜蓿+胡枝子+刺槐的免養(yǎng)護穩(wěn)定植物群落。而且鄉(xiāng)土物種桑樹、構(gòu)樹、火炬樹和葡萄科藤本植物的出現(xiàn)也進一步鞏固了邊坡植被群落的穩(wěn)定性。

隨恢復(fù)時段增長，研究區(qū)內(nèi)出現(xiàn)小型昆蟲，生物多樣性提高。草本植物的根系發(fā)育逐漸穩(wěn)定，植被恢復(fù)基本達到穩(wěn)定。植株越冬越夏時，刺槐出現(xiàn)少量植株枯死和葉片萎縮，高羊茅出現(xiàn)部分倒伏現(xiàn)象，相較于其他物種波斯菊死亡數(shù)量較多，抗旱抗暑能力最弱;但總體上來講，大部分植物能順利越冬越夏，發(fā)育良好。植被恢復(fù)梯度上的優(yōu)勢種在群落中的地位和作用對整個群落的發(fā)育演替及環(huán)境演變起主導(dǎo)作用，豆科落葉喬木刺槐、豆科灌木胡枝子及多年生禾本科狗牙根和多年生豆科紫花苜蓿等優(yōu)勢種的生態(tài)功能對群落的作用是不可替代的。4 種優(yōu)勢種中，3 種植物均屬豆科，這也說明了豆科類植物能更好適應(yīng)研究區(qū)的環(huán)境，無論是在早期或中后期的發(fā)育中，豆科植物都具有很好的耐干旱耐寒冷適應(yīng)性極的特性。如今研究區(qū)內(nèi)物種數(shù)基本穩(wěn)定在喬木8 種、灌木6 種、草本7 種，共21 種，其中侵入喬木4種、灌木1 種、草本2 種，并初步形成有較強固土護坡效果和較好景觀效果雛形的以喬灌木為主、草本植物為輔且基本上能達到免養(yǎng)護的植物群落。