露天礦排土場邊坡自然恢復規(guī)律及其環(huán)境解釋

王凱，王道涵，劉鋒，祝暢，劉志斌

1. 遼寧工程技術大學 環(huán)境科學與工程學院，遼寧 阜新 123000；2. 煤科集團沈陽研究院有限公司，沈陽 110016

長期以來，煤炭在我國能源生產(chǎn)與消費結構中一直占主導地位。煤炭產(chǎn)量在滿足經(jīng)濟發(fā)展需求的同時，也影響了礦區(qū)生態(tài)環(huán)境，其中以露天開采表現(xiàn)得尤其明顯（白中科等，2001）。采煤過程中，采區(qū)內(nèi)外分層堆置剝離的巖土、矸石、尾礦等廢棄物形成了排土場，在人為干擾下形成極度退化的生態(tài)系統(tǒng)（Jackson和Hobbs，2009）。我國煤炭工業(yè)50多年來，累計排放廢棄物5×1010t，形成排土場（矸石山）2800余座，占地6.5×104hm2（王勇民，2011）。排土場破壞自然景觀，造成土壤、地下水和大氣的嚴重污染，特別是邊坡水土流失嚴重，易發(fā)生地質災害（Suding和Hobbs，2009）。近年來，關于排土場生態(tài)恢復和環(huán)境治理方面的研究越來越受到重視（牛星等, 2011），而排土場自然植被恢復規(guī)律及其與環(huán)境因子的關系是開展排土場生態(tài)恢復的基礎和前提（王曉春等，2007）。以往研究多集中在排土場的平臺（平面）（Cheng和Lu，2005），而對于面積更大、恢復更困難的邊坡研究報道較少?；诖?，本研究以阜新露天礦不同恢復年限的排土場邊坡為研究對象，采用TWINSPAN分類和DCCA排序的分析方法，對排土場邊坡自然恢復植被進行數(shù)量分類和排序，分析影響植物分布的主要環(huán)境因子，以期為排土場邊坡植被恢復與生態(tài)重建提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于海州露天礦排土場，地處遼寧省阜新市（121°38'33″E，41°57'16″N），屬于溫帶半干旱大陸性季風氣候區(qū)。年均降水量539 mm，蒸發(fā)量1800 mm，年平均氣溫7～10 ℃，平均相對濕度50%～60%。海州露天礦始建于1950年8月，1953年7月投產(chǎn)，核定年產(chǎn)量420×104t·a-1。目前，形成排土場總占地面積1.3×104hm2，分為東部和西部，東排土場最高標高為+290 m，以近年新排剝離土壤為主；西排最高標高為+200 m，排放歷史較長，部分土地已進行了復墾工作。排土場土壤主要是在各種巖石風化物殘積母質上以及黃土、紅土母質上發(fā)育形成的淋溶褐色土、褐土性土；排土場基質除地帶性土壤外，還夾雜著大量不同地層的粉沙巖、礫巖、煤頁巖等巖石成分以及采煤廢棄物。植被屬華北與蒙古植物區(qū)系的過度地帶，分布著較為旱生的草本和灌木，如荊條（Vitex chinensisvar.heterophylla）、虎榛子（Ostryopsis davidiana）、鐵桿蒿（Artemisia sacrorum）、狗尾草（Setaira viridis）等（許麗等，2005）。

2 研究方法

2.1 植物調(diào)查

2012年7～8月，根據(jù)礦務局資料記載和實地勘查，在排土場植被自然恢復區(qū)域，選擇5個典型坡面為研究對象，即自然恢復3 a、5 a和10 a的陰坡及5 a和10 a的陽坡（陽坡植被演替緩慢，在5 a以內(nèi)植被變化較?。８髌旅骈L約60 m，坡度均在35°左右（出于節(jié)約土地考慮，排土場構建的邊坡立面較高，坡度較陡，該坡長與坡度為排土場的常見狀態(tài)）。根據(jù)坡面長度，將每個坡面平均分成3段，劃分出不同坡位（即上坡、中坡和下坡）作為研究樣地，共設置15個樣地。在每個樣地內(nèi)設置3個20 m×20 m的大樣方，在每個大樣方內(nèi)隨機取3個小樣方（5 m×5 m和 1 m×1 m）進行灌木和草本調(diào)查（樣地內(nèi)無高大喬木），共設 135個小樣方。調(diào)查小樣方內(nèi)的植物組成、數(shù)量、高度、蓋度等指標，同時記錄恢復年限、坡向和坡位因子。

2.2 土壤因子測定

在每個小樣方內(nèi)挖取0～10 cm（邊坡土層較?。┑耐翗樱盟芰洗占竺芊?，及時帶回實驗室。將土樣分為兩份，一份為鮮樣，保存于4 ℃的冰箱中，用于土壤酶活性分析及物理性質的測定；另一份為風干樣品，用于分析土壤化學性質。土壤物理性質包括土壤含水量、容重、總孔隙度、毛管孔隙度和水穩(wěn)性團聚體；土壤化學性質包括土壤pH值、有機質、堿解氮和速效磷；土壤酶活性包括土壤脲酶、堿性磷酸酶、蔗糖酶和過氧化氫酶。土壤含水量采用烘干法，容重采用環(huán)刀法，團聚體含量用濕篩法分析。土壤pH值采用電位法，有機質采用重鉻酸鉀-外加熱法，堿解氮采用堿解擴散法，速效磷采用鉬銻抗比色法分析（鮑士旦， 2005）。土壤脲酶采用茶酚次氯酸鈉比色法，堿性磷酸酶采用苯磷酸二鈉比色法，蔗糖酶采用3, 5-二硝基水楊酸比色法，過氧化氫酶采用KMnO4滴定法分析（姚槐應，2006）。排土場邊坡土壤性狀見表1。

2.3 數(shù)據(jù)處理

首先計算每個樣方的灌木和草本植物重要值，公式為：重要值=（相對高度+相對密度+相對蓋度）/3。在15個樣地中，共有27種植物，組成15×27的樣地-物種矩陣；選擇16個環(huán)境因子（恢復年限、坡向、坡位、土壤含水量、容重、總孔隙度、毛管孔隙度、水穩(wěn)性團聚體、pH值、有機質、堿解氮、速效磷、脲酶、堿性磷酸酶、蔗糖酶和過氧化氫酶），組成15×16樣地-環(huán)境因子矩陣。應用雙向指示種法（TWINSPAN，Two-Way Indicator Species Analysis）對植物群落進行分類，劃分出排土場邊坡的植物群落類型；采用去趨勢典范對應分析（DCCA，Detrended Canonical Correspondence Analysis）方法對群落進行排序，分析群落分布格局與環(huán)境因子的關系（Zhang等，2011）。TWINSPAN使用WinTwins3.2軟件包實現(xiàn)（Hill，1979），DCCA排序采用CANOCO 4.5軟件實現(xiàn)（Ter Braak，1986）。

表1 排土場邊坡土壤性狀Table 1 Soil Properties in the Slope of Dumps

3 結果與分析

3.1 TWINSPAN分類及植被恢復規(guī)律

TWINSPAN數(shù)量分類方法通過將樣方與物種進行雙向聚類分析，能夠客觀地劃分植物群落，是目前使用最多的數(shù)量分類方法（吳昊等，2012）。由于排土場坡度較陡，立地條件較差，僅生長了27種植物（圖1），物種數(shù)量小于排土場平臺（Cheng和Lu，2005；牛星等，2011）?；跇臃絻?nèi)各物種重要值，對15個樣地進行TWINSPAN等級分類，結合調(diào)查區(qū)實際生態(tài)意義，將排土場邊坡物種劃分為6個主要植物群叢類型（圖1）。圖中右邊數(shù)字代表物種聚類，最下方數(shù)字代表樣地聚類。

群叢Ⅰ為鐵桿蒿+狗尾草，包含樣地5、6和9，分布于恢復10 a陰坡的中、上坡位及恢復5 a陰坡的上坡位。該區(qū)域主要植物群落為旱生灌木，植被蓋度為60%左右，低于其它植物群落，物種數(shù)量較少。鐵桿蒿在群落中占有優(yōu)勢地位，高1 m左右，重要值高于60%；同時伴生有少量的興安胡枝子（Lespedeza davurica）、榆樹（Ulmus pumila）、草木犀（Melilotus officinalis）等。

圖1 排土場邊坡植物群落TWINSPAN聚類矩陣Fig.1 Two-way Table of Species and Samples Classification Produced by TWINSPAN of Plant Communities in the Slope of Dumps

群叢Ⅱ為狗尾草+茵陳蒿（Artemisiacapillaries）+鐵桿蒿，包含樣地1、2和3，分布于恢復3 a陰坡的上、中和下坡位。該區(qū)域主要植物群落為旱生草本，植被蓋度在90%以上，物種數(shù)量較多。主要伴生有白蒿（Artemisia anethoides）、抱莖苦荬菜（Ixeridium sonchifolium）、阿爾泰狗娃花（Heteropappus altaicus）、小薊（Cirsium setosum）、蘿藦（Metaplexis japonica）、豬毛菜（Salsola collina）等。

群叢Ⅲ為狗尾草+鐵桿蒿+白蒿（Artemisia anethoides），包含樣地4、7和8，分布于恢復5 a陰坡的中、下坡位及恢復10 a陰坡的下坡位。該區(qū)域主要植物群落為旱生灌木和草本，蓋度較高，物種較多。主要伴生有榆樹幼苗、細葉胡枝子（Lespedeza hedysaroides）、茵陳蒿、阿爾泰狗娃花、蒲公英（Taraxacum officnala）、蘿藦、草木犀、山苦荬（Ixerisdenticulata）等。

群叢Ⅳ為狗尾草+頁蒿（Carum carvi）+白蒿，包含樣地10、11和12，分布于恢復10 a陽坡的上、中和下坡位。該區(qū)域主要植物群落為多年生草本，蓋度為80%左右，伴生有茵陳蒿、雙蕊蘭（Diplandrorchis sinica）、蘿藦、草木犀、蒼耳（Xanthium sibiricum）等，開始出現(xiàn)少量榆樹幼苗。

群叢Ⅴ為蒺藜（Tribulus terrestris）+旱稗（Echinochloa hispidula）+狗尾草，包含樣地14和15，分布于恢復5 a陽坡的中、上坡位。該區(qū)域主要植物群落為旱生1年生草本植物，蓋度較低，物種較少，伴生有早熟禾（Poa annua）、豬毛菜、蘿藦等。

群叢Ⅵ為狗尾草+蒺藜+白蒿，包含樣地13，分布于恢復5 a陽坡的下坡位。該區(qū)域主要植物群落為1、2年生草本植物，植被蓋度和物種數(shù)量高于中坡和上坡，伴生有抱莖苦荬菜、反枝莧（Amaranthus retroflexus）、藜（Chenopodium album）等。

排土場陰坡和陽坡呈現(xiàn)出不同演替格局，陰坡演替順序為狗尾草+茵陳蒿+鐵桿蒿→狗尾草+鐵桿蒿+白蒿→鐵桿蒿+狗尾草，從草本植物逐漸過度到灌木，但植被蓋度和物種數(shù)量均逐漸降低。這主要由于排土場演替初期，從井下排出的土壤或矸石較潮濕，到地面后沒有完全蒸干就傾瀉到排土場，土壤水分含量較高；同時矸石中摻雜少量土壤和碎煤灰，為植物生長提供一定養(yǎng)分。在演替初期，如果土壤中含有植物種子，或者通過風、動物等媒介落到排土場的植物種子會萌發(fā)生長。隨著演替繼續(xù)，原有土壤養(yǎng)分消耗殆盡，而矸石風化程度低，枯落物又少，土壤保水保肥能力差，物種開始競爭有限的養(yǎng)分和水分資源。在競爭中，鐵桿蒿在群落中逐步占據(jù)優(yōu)勢地位，周邊其它灌木和草本植物逐漸消失，地表蓋度下降；由此導致排土場中、上坡位水土流失嚴重，土壤開始退化，其它物種更難以定居，群落生存環(huán)境逐步惡化，群落呈逆向演替。因此，排土場陰坡無法實現(xiàn)自然恢復，必須采取人工恢復措施。排土場陽坡演替順序為蒺藜+旱稗+狗尾草→狗尾草+蒺藜+白蒿→狗尾草+頁蒿+白蒿，從1年生草本植物逐漸過度到多年生草本植物，但土壤肥力逐漸下降。雖然群落呈正向演替，但演替速度緩慢，10年恢復僅出現(xiàn)少量榆樹幼苗和灌木，這樣的速度在土地資源比較緊缺的情況下是難以被接受的，必須人為加速恢復進程。

3.2 DCCA排序及其環(huán)境解釋

DCCA是分析植被-環(huán)境關系最先進的多元分析技術，是一種限定性排序，可以有效地消除“弓形效應”（Ter Braak，1986），且能結合植被與環(huán)境數(shù)據(jù)計算排序值，更利于解釋排序軸的生態(tài)意義，成為現(xiàn)代植被梯度分析與環(huán)境解釋的最常用方法（朱軍濤等，2011）。對排土場邊坡 16個環(huán)境因子進行DCCA排序發(fā)現(xiàn)，第一軸與坡位、脲酶呈極顯著負相關（p<0.01），與堿解氮、土壤含水量呈極顯著正相關（p<0.01），與恢復年限呈顯著負相關（p<0.05），與土壤水穩(wěn)性團聚體和有機質呈顯著正相關（p<0.05）（表 2）；主要反映植物群落隨著坡位、土壤水分、氮元素有效性和周轉的變化趨勢。第二軸與恢復年限和土壤速效磷呈極顯著負相關（p<0.01），與坡位、土壤容重呈顯著負相關（p<0.05），與總孔隙度和有機質呈顯著正相關（p<0.05）（表2）；主要反映植物群落隨著恢復年限和土壤磷素有效性的梯度變化。第三軸與坡向和水穩(wěn)性團聚體分別呈極顯著負相關和極顯著正相關（p<0.01），與堿性磷酸酶呈顯著正相關（p<0.05）（表2）；主要反映排土場的坡位和水穩(wěn)性團聚體對群落和物種分布的影響。

表2 環(huán)境因子與DCCA排序軸的相關系數(shù)Table 2 Correlation Coefficient of Environmental Factors and the First 3 Axes of DCCA Ordination

DCCA排序圖中第一、二軸分別可以解釋排土場環(huán)境變異的35.9%和23.9%（p<0.01，Monte Carlo測驗），可以代表59.8%的信息量。植被與環(huán)境因子的DCCA二維排序如圖2所示，帶箭頭線段為環(huán)境因子，箭頭線段長度表示該環(huán)境因子與植物群落分布的相關性，箭頭連線在排序圖中的斜率表示該環(huán)境因子與排序軸的相關性（Ter Braak，1986）。由圖2可知，第一軸與土壤pH值和脲酶的夾角較小，第二軸與土壤容重、總孔隙度、毛管孔隙度、速效磷、蔗糖酶和堿性磷酸酶的夾角較小，說明排土場邊坡植物群落分布受土壤酶活性影響較大，是群落物種及類型變化的主要原因。土壤酶參與土壤的生物化學過程和物質循環(huán)，推動著土壤的代謝過程，影響著植被生長，其活性高低直接反映土壤養(yǎng)分轉化強弱（李江遐等，2010）。排土場邊坡立地條件差，土壤水分含量低，枯落物殘留少，造成養(yǎng)分周轉緩慢，抑制植物生長，延緩演替進程。

圖2 排土場邊坡植被物種的DCCA二維排序Fig. 2 Detrended Canonical Correspondence Analysis Ordination Diagram of Plant Species in the Slope of Dumps

4 結論

（1）排土場自然植被恢復在陰坡和陽坡呈現(xiàn)出不同的演替格局，陰坡演替順序為狗尾草+茵陳蒿+鐵桿蒿→狗尾草+鐵桿蒿+白蒿→鐵桿蒿+狗尾草，陽坡演替順序為蒺藜+旱稗+狗尾草→狗尾草+蒺藜+白蒿→狗尾草+頁蒿+白蒿。陰坡恢復10 a后，鐵桿蒿占據(jù)優(yōu)勢地位，中上坡位水土流失嚴重，土壤開始退化，其它物種難以定居，群落生存環(huán)境逐步惡化。陽坡恢復10 a后，僅出現(xiàn)少量的榆樹幼苗和灌木，演替速度緩慢。因此，排土場邊坡植被必須采取人工恢復措施。

（2）DCCA排序表明，第一軸主要反映植物群落隨坡位、土壤水分、氮元素有效性和周轉的變化規(guī)律，其與土壤pH值和脲酶緊密相關；第二軸主要反映植物群落隨著恢復年限和土壤磷素有效性的梯度變化，其與土壤容重、速效磷、蔗糖酶和堿性磷酸酶緊密相關。說明排土場邊坡植物群落分布受土壤酶活性影響較大，是群落物種及類型變化的主要原因。

致謝：本文英文摘要經(jīng)過中國科學院植物研究所陳全勝副研究員修改，在此表示感謝。

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