賀蘭山露天煤礦生態(tài)修復(fù)前后植物群落差異及地境結(jié)構(gòu)研究

韓 旭，周建偉，馮海波

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)地質(zhì)調(diào)查研究院，湖北 武漢 430074；2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430078)

賀蘭山是中國西北地區(qū)乃至全國重要的生態(tài)安全屏障，在防風(fēng)固沙、涵養(yǎng)水源、生物多樣性維護等方面發(fā)揮著舉足輕重的作用[1]。賀蘭山因富藏煤炭資源，自20世紀(jì)50年代起便一直存在大規(guī)模的煤礦開采活動[2]。1988年賀蘭山被列為國家級自然保護區(qū)，但違規(guī)采礦的行為仍然屢禁不止。為了解決賀蘭山突出的生態(tài)環(huán)境問題，自2017年起有關(guān)部門關(guān)停了賀蘭山自然保護區(qū)內(nèi)所有煤礦、非煤礦山、洗煤儲煤廠等，并于2019年基本完成填埋渣坑、削坡覆土、播散草籽、恢復(fù)植被等礦山生態(tài)修復(fù)治理工程。

生態(tài)修復(fù)是使受損、退化的生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)其結(jié)構(gòu)與功能的過程。在中國西北干旱、半干旱地區(qū)，作為生態(tài)環(huán)境基本成分的植物群落對整個生態(tài)系統(tǒng)的功能特點具有特殊的重要性，它不僅決定著動物的分布、遷移規(guī)律，更決定著人類生存環(huán)境的優(yōu)劣。因此，對賀蘭山自然保護區(qū)的礦山生態(tài)修復(fù)過程實際上是植被建設(shè)和恢復(fù)的過程。目前大多數(shù)學(xué)者主要研究了地表環(huán)境因子對植物種群、群落的影響[3-5]。而實際上，真正對植被分布及其質(zhì)量具有決定作用的是其地下生境。徐恒力等[6]和楊允菲等[7]的研究認(rèn)為，植物根系所占據(jù)的地下空間是陸地生態(tài)系統(tǒng)的一個重要子系統(tǒng)，并將植物的地下環(huán)境稱為地下生境，簡稱“地境”。地境作為一個生態(tài)子系統(tǒng)，具有耗散結(jié)構(gòu)的鮮明特征,即存在上下邊界、結(jié)構(gòu)復(fù)雜并具有多樣性與協(xié)同性，劉昌明等[8]根據(jù)太陽熱輻射、水土勢、植物生長碳、氮平衡深度以及植物根重和根冠等條件綜合考慮后認(rèn)為地境底界應(yīng)該在地表下1.0 m左右。

對植物地境的研究離不開植物根系與其周圍環(huán)境之間的聯(lián)系及相互作用[9]。植物根系最密集的區(qū)域是植物吸收養(yǎng)分的主要區(qū)間，也是探索植物根系對植物生長發(fā)育的影響以及根系與周圍環(huán)境內(nèi)在關(guān)系的主要研究部位，有學(xué)者將該部位稱為“根群”，并提出根群具有“層片”結(jié)構(gòu)，即不同物種的根群具有不同的深度范圍，在地下呈層狀分布[10-11]。

本研究以賀蘭山自然保護區(qū)東麓露天煤礦采區(qū)作為研究對象，通過野外調(diào)查和取樣分析等方法，對修復(fù)區(qū)與背景區(qū)植物群落進行了對比研究，探究了修復(fù)區(qū)生態(tài)修復(fù)治理后的植物群落結(jié)構(gòu)及其地下生境與背景區(qū)的差異，并進一步探究了導(dǎo)致兩者之間存在差異的主要土壤因子，以為中國西北部干旱、半干旱地區(qū)露天煤礦的生態(tài)修復(fù)治理工程提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為賀蘭山自然保護區(qū)露天開采煤礦區(qū)，位于寧夏賀蘭山國家級自然保護區(qū)東麓北部，地理坐標(biāo)為東經(jīng)105°49′～106°41′、北緯38°19′～39°22′，海拔為1 400 m～3 556 m。研究區(qū)地理位置見圖1。

圖1 研究區(qū)地理位置圖

該地區(qū)屬中溫帶干旱氣候區(qū)，年均氣溫為-0.7℃，極端最高氣溫為25.4℃，極端最低氣溫為-32.6℃，氣溫年較差為 26.0℃，無霜期為117.7 d；年平均降水量為426 mm，降雨多集中在6～9月份。研究區(qū)土壤主要為棕鈣土、灰褐土和高山灌叢草甸土。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置與調(diào)查方法

2.1.1 樣地設(shè)置

研究樣地選擇采用了類似生態(tài)修復(fù)措施的煤礦，包括紅果子溝煤礦、王泉溝煤礦、沙巴臺煤礦和石炭井煤礦共4處樣地；每處樣地分背景區(qū)與修復(fù)區(qū)，修復(fù)區(qū)為開展并完成生態(tài)修復(fù)工作的區(qū)域，背景區(qū)為礦區(qū)周圍未遭到礦業(yè)活動破壞的區(qū)域。對兩處研究區(qū)域分別進行調(diào)查和采樣，根據(jù)實際情況共設(shè)置23個樣方(具體樣方布設(shè)點分布見表1)，調(diào)查樣方內(nèi)植物群落物種種類、每個物種的蓋度、高度和多度，并在樣方對應(yīng)區(qū)域開挖樣坑，調(diào)查植物群落根群分布特征，最后對0～20 cm深度范圍內(nèi)的土壤取樣，分析其化學(xué)性質(zhì)。

表1 研究區(qū)樣方布設(shè)點分布

2.1.2 調(diào)查方法

(1) 植物群落樣方調(diào)查。選定能夠較為全面反映研究區(qū)內(nèi)植物種類和生長情況的樣點，在樣點內(nèi)根據(jù)實際情況圈定植物群落調(diào)查樣方。樣方大小規(guī)格初步定為：草本植物的規(guī)格為1 m×1 m；灌木植物的規(guī)格為5 m×5 m；喬木植物的規(guī)格為10 m×10 m。根據(jù)現(xiàn)場植被生長情況和地形地貌，以樣方能夠代表樣點植被特征、便于觀察采樣為原則，可適當(dāng)調(diào)整樣方大小規(guī)格，并調(diào)查統(tǒng)計樣方內(nèi)植物種類、優(yōu)勢種、生長情況、蓋度、多度等指標(biāo)。

(2) 植物群落根群調(diào)查。在野外踏勘過程中選定能夠較為全面反映研究區(qū)內(nèi)植物種類和植物生長情況的樣點采用開挖樣坑方法進行植物群落根系分布特征調(diào)查，調(diào)查內(nèi)容包括土壤剖面上植物根系分布并對土壤進行取樣。樣坑為垂向剖面寬1 m、垂向深度1 m(可根據(jù)實際情況調(diào)整垂向深度)的矩形(見圖2)。開挖樣坑后，將1 m2的土壤垂向剖面劃分為10 cm×10 cm的網(wǎng)格，對植被根系進行計數(shù)，本次僅對植物細根(根徑<2 mm)數(shù)進行了統(tǒng)計。

圖2 研究區(qū)樣坑開挖示意圖

2.2 數(shù)據(jù)處理方法

利用Excel、Origin等軟件對獲取的相關(guān)數(shù)據(jù)進行分析處理并制作圖件，對比分析了背景區(qū)與修復(fù)區(qū)的植被群落結(jié)構(gòu)和土壤化學(xué)性質(zhì)的差異。

本次選取Shannon多樣性指數(shù)、Simpson優(yōu)勢度指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)等指數(shù)來研究植物群落多樣性特征，各指數(shù)的計算公式如下[12]：

(1) Shannon多樣性指數(shù)。其計算公式為

(1)

式中：H′表示Shannon多樣性指數(shù)；Pi表示第i個物種占總數(shù)的比例；S表示總的物種個數(shù)(個)[12]。

在Shannon多樣性指數(shù)中，個體分配越均勻，H′值就越大。如果每一個體都屬于不同的種，則其多樣性指數(shù)最大；如果每一個體都屬于同一種，則其多樣性指數(shù)最小。

(2) Simpson優(yōu)勢度指數(shù)。Simpson優(yōu)勢度指數(shù)是在群落的類群組成基礎(chǔ)上進一步推算出的以表達群落組成狀況的指標(biāo)，其計算公式為

(2)

式中：D表示Simpson多樣性指數(shù)。

Simpson優(yōu)勢度指數(shù)越大，表明生物群落內(nèi)不同種類生物數(shù)量分布越不均勻，優(yōu)勢生物的生態(tài)功能越突出。

(3) Pielou均勻度指數(shù)。物種均勻度也稱為物種相對多度，是某個地區(qū)內(nèi)各個物種在數(shù)量上的一致程度。當(dāng)一個地區(qū)所有物種都有同樣數(shù)量的個體時，可以說該地區(qū)的物種均勻度高；相反，如果一個地區(qū)某些物種的個體很多，另一些物種的個體卻非常少，那么該地區(qū)的物種均勻度就低。一個地區(qū)物種的均勻度可用Pielou均勻度指數(shù)來表示，其計算公式為

(3)

式中：E表示Pielou均勻度指數(shù)；Hmax表示Shannon多樣性指數(shù)最大值(當(dāng)群落中有兩個以上的族群存在，且每一個族群的個體數(shù)量相等)。

3 研究結(jié)果與分析

3.1 植物群落組成分析

研究區(qū)植物群落物種組成的統(tǒng)計結(jié)果，見表2。

表2 研究區(qū)植物群落物種組成統(tǒng)計結(jié)果

由表2可知：

(1) 研究區(qū)主要植物群落類型為6種，其中背景區(qū)的植物群落主要為針茅群落和白蓮蒿群落；修復(fù)區(qū)的植物群落類型較多，不僅有針茅群落和白蓮蒿群落，還新出現(xiàn)了華北米蒿群落、寸草苔群落、火炬樹群落和香蒲群落。

(2) 背景區(qū)和修復(fù)區(qū)雖然都存在針茅群落和白蓮蒿群落，但在不同區(qū)域植物群落中伴生種和物種數(shù)有所不同：針茅群落在背景區(qū)內(nèi)共有10種植物，而在修復(fù)區(qū)僅有6種植物，其中白蓮蒿和凹葉雀梅藤是在背景區(qū)和修復(fù)區(qū)都存在的伴生種；白蓮蒿群落在背景區(qū)內(nèi)共有7種植物，而在修復(fù)區(qū)內(nèi)為6種植物，其中針茅和小畫眉草是同時存在于背景區(qū)和修復(fù)區(qū)的伴生種。

3.2 植物群落多樣性分析

針茅群落和白蓮蒿群落作為同時存在于背景區(qū)和修復(fù)區(qū)的植物群落，通過對其在不同區(qū)域的植物多樣性指數(shù)進行比較，能夠反映兩者之間的差異。研究區(qū)植物群落多樣性指數(shù)的計算結(jié)果,見表3。

表3 研究區(qū)植物群落多樣性指數(shù)的計算結(jié)果

由表3可知：

(1) 針茅群落和白蓮蒿群落的Shannon多樣性指數(shù)在修復(fù)區(qū)明顯低于背景區(qū)，說明背景區(qū)植物群落多樣性好于修復(fù)區(qū)，而背景區(qū)的植物物種數(shù)多于修復(fù)區(qū)也印證了這一結(jié)果；而Simpson優(yōu)勢度指數(shù)和Pielou均勻度指數(shù)在修復(fù)區(qū)均高于背景區(qū)，表明修復(fù)區(qū)植物群落優(yōu)勢種的優(yōu)勢程度高于背景區(qū)，且修復(fù)區(qū)植物物種在群落中的分布比較均勻。

(2) 華北米蒿群落、火炬樹群落、寸草苔群落、香蒲群落僅存在于修復(fù)區(qū)，相較于針茅群落和白蓮蒿群落，其植物物種數(shù)總量少，Shannon多樣性指數(shù)較低，說明植物群落多樣性差；而Simpson優(yōu)勢度指數(shù)較高，說明植物群落優(yōu)勢種較為明顯；Pielou均勻度指數(shù)較低，說明個體在植物群落中的分布不均。由此推斷這4個植物群落的結(jié)構(gòu)較不穩(wěn)定。

3.3 植物群落根群結(jié)構(gòu)分析

由于植物主要吸收養(yǎng)分的功能集中在細根，所以本文分別對研究區(qū)背景區(qū)和修復(fù)區(qū)各類植物群落的細根數(shù)進行了統(tǒng)計，其統(tǒng)計結(jié)果見表4和表5。

表4 研究區(qū)背景區(qū)植物群落細根數(shù)統(tǒng)計結(jié)果

表5 研究區(qū)修復(fù)區(qū)植物群落細根數(shù)統(tǒng)計結(jié)果

根據(jù)野外調(diào)查結(jié)果，對研究區(qū)背景區(qū)和修復(fù)區(qū)不同植物群落的細根分布頻率進行了計算，其計算結(jié)果見圖3和圖4。

圖3 研究區(qū)背景區(qū)不同植物群落的細根分布頻率

圖4 研究區(qū)修復(fù)區(qū)不同植物群落的細根分布頻率

由圖3和圖4可知：研究區(qū)背景區(qū)植物群落的細根分布最深可達地表以下70～100 cm，修復(fù)區(qū)植物群落對新環(huán)境需要較緩慢的適應(yīng)過程，目前植物群落根系在地表以下30～70 cm土壤深度范圍內(nèi)分布；背景區(qū)和修復(fù)區(qū)植物群落的細根最為發(fā)育的區(qū)域均為地表以下0～20 cm土壤深度范圍內(nèi)，20 cm以下隨著深度的增加，植物群落的細根數(shù)量整體逐漸減少。該部分土壤空間為研究區(qū)植物吸收養(yǎng)分最主要的空間，即植物群落主要的植物根系功能區(qū)。經(jīng)計算可知，研究區(qū)背景區(qū)和修復(fù)區(qū)植物群落主要的植物根系功能區(qū)均為地表以下0～20 cm土壤深度范圍內(nèi)。

3.4 土壤因子分析

由于地表以下0～20 cm土壤深度范圍是研究區(qū)植物群落主要的植物根系功能區(qū)，也即植物群落的地下生境范圍，因此本文進一步探究了該區(qū)域的土壤化學(xué)性質(zhì)對植被恢復(fù)的影響。

3.4.1 土壤有機碳含量

土壤有機碳泛指土壤中來源于生命的物質(zhì)，包括土壤微生物和土壤動物及其分泌物以及土體中植物殘體和植物分泌物，是衡量土壤肥力的核心物質(zhì)。研究區(qū)背景區(qū)和修復(fù)區(qū)0～20 cm土壤深度范圍內(nèi)土壤中有機碳含量，見圖5。

圖5 研究區(qū)0～20 cm土壤深度范圍內(nèi)土壤中有機碳含量

由圖5可見，研究區(qū)背景區(qū)0～20 cm土壤深度范圍內(nèi)土壤中有機碳含量平均值為1.48 g/kg，修復(fù)區(qū)土壤中有機碳含量平均值為10.03 g/kg，修復(fù)區(qū)土壤中有機碳含量是背景區(qū)的6.78倍。

3.4.2 土壤酸堿度

土壤酸堿度主要表征土壤酸堿反應(yīng)的強弱，以pH值表示[13]。土壤酸堿度直接影響土壤各養(yǎng)分元素的存在形態(tài)及有效性，同時也是重金屬遷移轉(zhuǎn)化、微生物活性和植物生長的重要條件。此外，土壤中如有機碳降解、呼吸作用、氮循環(huán)等重要生化反應(yīng)過程都與土壤酸堿度密不可分[14-15]。研究區(qū)背景區(qū)和修復(fù)區(qū)0～20 cm土壤深度范圍內(nèi)土壤的pH值，見圖6。

圖6 研究區(qū)0～20 cm土壤深度范圍內(nèi)土壤的pH值

由圖6可見，研究區(qū)背景區(qū)0～20 cm土壤深度范圍內(nèi)土壤的pH值平均值為8.44，土壤偏弱堿性，修復(fù)區(qū)土壤的pH值平均值為6.56，其中紅果子溝煤礦、王泉溝煤礦兩處礦區(qū)土壤呈弱酸-酸性。

3.4.3 土壤全氮含量

土壤全氮含量是指土壤中各種形態(tài)氮素含量之和，包括有機態(tài)氮和無機態(tài)氮，土壤中全氮含量與土壤有機碳含量成正相關(guān)關(guān)系。土壤中全氮含量是限制植物生長發(fā)育的主要因素之一[16-17]。研究區(qū)背景區(qū)和修復(fù)區(qū)0～20 cm土壤深度范圍內(nèi)土壤中全氮含量，見圖7。

圖7 研究區(qū)0～20 cm土壤深度范圍內(nèi)土壤中全氮含量

由圖7可見，研究區(qū)背景區(qū)土壤中全氮含量平均值為0.68 g/kg，修復(fù)區(qū)土壤中全氮含量平均值為1.51 g/kg，修復(fù)區(qū)土壤中全氮含量是背景區(qū)的2.21倍。

3.4.4 土壤總磷含量

磷與其他元素相結(jié)合構(gòu)成植物內(nèi)部的重要化合物，可為植物內(nèi)部碳水化合物的合成運輸、脂肪的合成、氮的代謝以及植物結(jié)構(gòu)對外部環(huán)境的響應(yīng)機制等提供幫助[18]。研究區(qū)背景區(qū)和修復(fù)區(qū)0～20 cm土壤深度范圍內(nèi)土壤中總磷含量，見圖8。

圖8 研究區(qū)0～20 cm土壤深度范圍內(nèi)土壤中總磷含量

由圖8可見，研究區(qū)背景區(qū)0～20 cm土壤深度范圍內(nèi)土壤中總磷含量平均值為0.51 g/kg，修復(fù)區(qū)土壤中總磷含量平均值為0.47 g/kg，修復(fù)區(qū)土壤中總磷含量低于背景區(qū)，為背景區(qū)的92%。

3.4.5 土壤總鉀含量

鉀對植物生長發(fā)育的影響主要體現(xiàn)在兩方面：一方面鉀對植物葉綠素合成、光合作用產(chǎn)物運輸和一些酶活性等有直接的影響，缺鉀會直接導(dǎo)致植物光合作用速率下降；另一方面鉀對植物碳氮代謝的協(xié)同過程起著至關(guān)重要的作用，缺鉀會導(dǎo)致碳代謝和氮同化進程減緩，嚴(yán)重影響植物的生長發(fā)育進程。研究區(qū)背景區(qū)和修復(fù)區(qū)0～20 cm土壤深度范圍內(nèi)土壤中總鉀含量，見圖9。

圖9 研究區(qū)0～20 cm土壤深度范圍內(nèi)土壤中總鉀含量

由圖9可見，研究區(qū)背景區(qū)0～20 cm土壤深度范圍內(nèi)土壤中總鉀含量平均值為21.50 g/kg，修復(fù)區(qū)土壤中總鉀含量平均值為20.90 g/kg，背景區(qū)與修復(fù)區(qū)土壤中總鉀含量相近。

3.4.6 土壤陽離子交換量

土壤陽離子交換量是指土壤膠體所能吸附各種陽離子的總量。土壤中陽離子交換量的大小，基本代表土壤可能保持的養(yǎng)分?jǐn)?shù)量，即保肥性的高低，可以作為評價土壤保肥能力的指標(biāo)。研究區(qū)背景區(qū)和修復(fù)區(qū)0～20 cm土壤深度范圍內(nèi)土壤中陽離子交換量，見圖10。

圖10 研究區(qū)0～20 cm土壤深度范圍內(nèi)土壤中陽離子交換量

由圖10可見，研究區(qū)背景區(qū)0～20 cm土壤深度范圍內(nèi)土壤中陽離子交換量平均值為7.04 mol/kg，修復(fù)區(qū)土壤中陽離子交換量平均值為7.94 mol/kg，兩者整體相差不大，但修復(fù)區(qū)土壤中陽離子交換量稍高于背景區(qū)。

4 討 論

賀蘭山自然保護區(qū)露天開采煤礦植物群落調(diào)查研究結(jié)果表明，修復(fù)區(qū)和背景區(qū)的主要植物群落均為針茅群落和白蓮蒿群落，且伴生植物相似。相較于背景區(qū)，修復(fù)區(qū)的針茅群落、白蓮蒿群落的Shannon多樣性指數(shù)較低，Simpson優(yōu)勢度指數(shù)和Pielou均勻度指數(shù)較高，說明背景區(qū)的針茅群落和白蓮蒿群落內(nèi)植物種類更豐富，優(yōu)勢種的優(yōu)勢程度較低，個體分布較為平均。綜合植物群落結(jié)構(gòu)調(diào)查結(jié)果和植物多樣性分析，認(rèn)為修復(fù)區(qū)的針茅群落和白蓮蒿群落存在向背景區(qū)演化的趨勢，研究區(qū)的生態(tài)修復(fù)可以達到使植被逐漸恢復(fù)至天然狀態(tài)的目的。

研究區(qū)背景區(qū)和修復(fù)區(qū)的植物群落細根最為發(fā)育的區(qū)域均為地表以下0～20 cm左右，該部分土壤空間為研究區(qū)植物吸收養(yǎng)分最主要的空間，即植物群落主要的植物根系功能區(qū)。研究區(qū)背景區(qū)和修復(fù)區(qū)植物群落主要的植物根系功能區(qū)均為地表以下0～20 cm土壤深度范圍內(nèi)[19-20]。

在植物群落主要的植物根系功能區(qū)范圍內(nèi)，研究區(qū)修復(fù)區(qū)土壤中全鉀含量、陽離子交換量與背景區(qū)相近，土壤中有機碳含量和全氮含量均高于背景區(qū)，而土壤中全磷含量低于背景區(qū)，導(dǎo)致其C/TP、TN/TP值均遠高于背景區(qū)，說明土壤中的磷元素?zé)o論是在短期內(nèi)還是從長遠來看，都是制約研究區(qū)植被恢復(fù)的主要元素。此外，紅果子溝煤礦、王泉溝煤礦礦區(qū)在植物群落主要的植物根系功能區(qū)范圍內(nèi)的土壤酸性污染未得到有效治理，嚴(yán)重影響了植物的生長。

5 結(jié) 論

(1) 賀蘭山自然保護區(qū)露天開采煤礦主要存在6種植物群落，分別是針茅群落、白蓮蒿群落、華北米蒿群落、寸草苔群落、火炬樹群落和香蒲群落。其中，針茅群落和白蓮蒿群落在研究區(qū)背景區(qū)和修復(fù)區(qū)均有出現(xiàn)，且修復(fù)區(qū)的植物群落存在向背景區(qū)演化的可能。

(2) 相較于背景區(qū)，修復(fù)區(qū)針茅群落和白蓮蒿群落的植物種類更豐富，且優(yōu)勢種的優(yōu)勢程度較低，個體分布較為均勻，進一步證明修復(fù)區(qū)的植物群落存在向背景區(qū)演化的趨勢。

(3) 地表以下0～20 cm土壤深度范圍內(nèi)是研究區(qū)植物群落主要的植物根系功能區(qū)，也即為植物群落的地下生境范圍，在該范圍內(nèi)，修復(fù)區(qū)土壤中有機碳含量和全氮含量遠高于背景區(qū)，而土壤中全磷含量低于背景區(qū)，碳、氮、磷含量明顯失衡，因此土壤中磷成為制約研究區(qū)植被恢復(fù)的主要元素。此外，在該植物群落主要的植物根系功能區(qū)范圍內(nèi)，部分礦區(qū)仍存在土壤酸性污染，影響了植被生長，應(yīng)引起足夠重視。