山西平朔露天礦區(qū)不同年限復(fù)墾地植被重建特征對比分析

耿冰瑾,王舒菲,曹銀貴,2,*,郭春艷,郭東罡,趙冰清,白中科,2

1 中國地質(zhì)大學(xué)(北京)土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院,北京 100083 2 自然資源部土地整治重點實驗室,北京 100035 3 山西省生物研究院有限公司,太原 030006 4 山西大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院,太原 030006 5 晉中學(xué)院化學(xué)化工系,晉中 030619

中國的大型露天煤礦大多處于干旱、半干旱的生態(tài)脆弱區(qū),平朔礦區(qū)創(chuàng)建于1982年,是中國首個露井聯(lián)采的億t級礦區(qū),其煤炭產(chǎn)量連續(xù)多年過億t,是國家重點建設(shè)的大型煤炭基地。平朔露天礦區(qū)屬于生態(tài)脆弱區(qū)和敏感區(qū),同時也是農(nóng)牧交錯區(qū),超大規(guī)模的露天煤炭開采造成該礦區(qū)地形地貌破碎、土壤結(jié)構(gòu)松散、自然植被嚴(yán)重退化和植物多樣性銳減等一系列生態(tài)問題；同時其在“剝離、開采、搬運、排棄”等劇烈擾動下,礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)遭到嚴(yán)重損毀,并且其嚴(yán)重影響著礦區(qū)居民生產(chǎn)生活和經(jīng)濟收入等方面。平朔礦區(qū)的自然條件和土地利用狀況是我國中西部礦區(qū)典型縮影[1],基于礦區(qū)長期的土地復(fù)墾與生態(tài)修復(fù)實踐,白中科[2]提出的“地貌重塑、土壤重構(gòu)、植被重建、景觀重現(xiàn)、生物多樣性重組與保護”礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)重建的“五元共軛”理論在中西部礦區(qū)具有典型的代表性、先進性和示范性。平朔礦區(qū)屬于典型的溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候,其早已成為生態(tài)脆弱區(qū)的典型代表,該礦區(qū)的土地復(fù)墾與植被恢復(fù)一直備受學(xué)術(shù)界和政府的廣泛關(guān)注[3]；自1991年以來,國家在平朔露天礦區(qū)投入大量的人力和物力來進行喬、灌、草不同配置模式的植被恢復(fù)。植被重建是露天礦排土場生態(tài)恢復(fù)的重要工作,是修復(fù)礦區(qū)受損生態(tài)系統(tǒng)的有效途徑和保障[4—5]。植被對生境變化較為敏感,植被在類型、數(shù)量和質(zhì)量方面必然會對陸地生態(tài)系統(tǒng)的變化有所響應(yīng)。肖強等[6]對黃土高原近10 a來植被覆蓋的動態(tài)變化研究發(fā)現(xiàn),森林生態(tài)系統(tǒng)平均覆蓋度最高,灌木、草本生態(tài)系統(tǒng)次之；該研究結(jié)論與平朔礦區(qū)原地貌和復(fù)墾地內(nèi)重建植被的生長特征相似。選擇適宜的植物種類進來行植被恢復(fù),是重建煤礦廢棄地穩(wěn)定生物群落的一個重要環(huán)節(jié),植物種類選擇的合理與否,直接關(guān)系到煤礦廢棄地整個生態(tài)恢復(fù)工作的成敗[7—10]。物種多樣性是生物多樣性在物種水平上的表現(xiàn)形式,可反映生物群落結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性,對生態(tài)系統(tǒng)功能具有促進作用[10—13]。植被群落動態(tài)特征對解釋復(fù)墾排土場的植物物種共存和生物多樣性維持機制至關(guān)重要,也一直是生態(tài)學(xué)研究的熱點[14—15]。同時,具有多重生態(tài)系統(tǒng)功能和高水平生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的群落往往擁有更多的物種,而多樣化的生物群落對生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性、生產(chǎn)力以及養(yǎng)分供應(yīng)具有促進作用[16—17]。隨著物種多樣性研究這一熱點問題在全球的深入,人們對保護植物群落及其多樣性的認識水平和意識也不斷提升[18]。因此,平朔露天礦區(qū)復(fù)墾排土場植被重建特征研究對提升礦區(qū)植物物種多樣性、改善生態(tài)環(huán)境和提升人類福祉具有重要意義。

目前,煤礦廢棄地這一嚴(yán)重退化生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)恢復(fù)已成為國內(nèi)外生態(tài)學(xué)研究的重要課題之一,其中植被恢復(fù)是煤礦廢棄地生態(tài)恢復(fù)的關(guān)鍵性保障工作之一[19]。美國和德國為全球范圍最早開展土地復(fù)墾工作的國家,二戰(zhàn)后歐美發(fā)達國家對土地復(fù)墾的研究重點主要集中在露天礦的挖損地,土地復(fù)墾也開始偏重于生態(tài)恢復(fù),其主要用于植樹種草和生態(tài)景觀建設(shè)[20]。國外學(xué)者在生態(tài)恢復(fù)研究方面,特別關(guān)注植被恢復(fù)過程的物種組成、多樣性變化和差異比較等問題[21—25]。中國的土地復(fù)墾工作開始于20世紀(jì)50年代,開展較歐美發(fā)達國家晚,但經(jīng)過多年的發(fā)展,中國針對露天煤礦損毀地和廢棄地的土地復(fù)墾工作已有眾多研究。曹銀貴等[26]和許建偉等[27]的研究都表明復(fù)墾時間是土地復(fù)墾及生態(tài)恢復(fù)的重要保證；復(fù)墾時間越長,生態(tài)系統(tǒng)越成熟,成熟生態(tài)系統(tǒng)的多樣性和復(fù)雜性要明顯強于年輕的生態(tài)系統(tǒng)[28—29]。王金滿等[30]對安太堡復(fù)墾排土場不同復(fù)墾年限下土壤環(huán)境因子和喬木林植被生物量的動態(tài)演變規(guī)律進行研究得出,隨著復(fù)墾年限增加土壤因子和植被生物量都呈S型變化。張青等[31]以安太堡露天煤礦植被恢復(fù)區(qū)1 hm2“刺槐×榆樹×臭椿混交模式”長期固定監(jiān)測樣地為研究平臺,對2010—2015年間植被恢復(fù)過程中主要更新物種的數(shù)量特征進行了分析。趙冰清等[32]對安太堡露天煤礦排土場刺槐×油松復(fù)墾模式下17—22年間群落生長動態(tài)進行研究發(fā)現(xiàn),不同樹種胸徑生長速率的差異主要與其自身的生長特性有關(guān)。王翔等[33]對安太堡露天礦不同植被類型恢復(fù)下復(fù)墾地的土壤養(yǎng)分和酶活性進行分析發(fā)現(xiàn),油松×刺槐×檸條混交林的組合模式對土壤重建效果最好。國內(nèi)的大量相關(guān)研究已經(jīng)表明礦區(qū)復(fù)墾排土場植被的生長狀況及多樣性變化能夠表征復(fù)墾土地的質(zhì)量,是影響土地復(fù)墾質(zhì)量評價與生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性評估的重要因素之一[34]。

綜上,目前國內(nèi)外關(guān)于礦區(qū)土地復(fù)墾與植被重建的研究主要集中在短期復(fù)墾下重建喬木植株的生長狀況[28—29]及其對土壤質(zhì)量的影響方面[30,33],涉及長時間復(fù)墾序列下不同年限復(fù)墾地重建植被(喬灌草)演替特征與規(guī)律的研究需要進一步深入。同時經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),短期復(fù)墾年限下重建植被的生態(tài)穩(wěn)定性較差,其可能會由于種間競爭和水分條件等原因進而發(fā)生退化。因此,本文以平朔露天礦區(qū)不同復(fù)墾年限的排土場為研究對象,采用時空替代法對比分析不同復(fù)墾年限下復(fù)墾地的植物物種組成及其重要值、物種多樣性指數(shù)和地上生物量特征,詳細揭示隨復(fù)墾年限增加復(fù)墾排土場的植被演替特征與規(guī)律,以期為該礦區(qū)擬復(fù)墾區(qū)和類似礦區(qū)在未來進行土地復(fù)墾與植被重建時應(yīng)如何選擇適宜的植物物種和制定更加優(yōu)化的植被配置模式提供一定參考。

1 研究區(qū)概況

平朔礦區(qū)地處黃土高原晉陜蒙接壤的黑三角地帶,位于山西省朔州市平魯區(qū)境內(nèi),該基地面積380 km2,地理位置為東經(jīng)112°10′—113°30′,北緯39°23′—39°37′[1,35]。平朔礦區(qū)下轄安太堡、安家?guī)X和東露天三大露天煤礦[3]。該礦區(qū)屬于典型的溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候,年均溫4.8—7.8℃,年降水量為428.20—449.00 mm,全年降水量的65%集中于6—9月,年蒸發(fā)量為1786.60—2598.00 mm,年蒸發(fā)量大約為降水量的4—5倍,無霜期為115—130 d,全年70%為有風(fēng)時間,年平均風(fēng)速為2.50—4.20 m/s[36]。該礦區(qū)高強度的采煤活動導(dǎo)致大量土地損毀和植被退化,其于1985年開始進行初級的土地復(fù)墾工作,迄今為止已經(jīng)持續(xù)30余年。露天開采后,所有的土多由人工鋪墊至排土場,鋪墊的土層主要為黃土類物質(zhì)及少量紅土,有時還混有少量煤矸石和碎石等物質(zhì),質(zhì)地一般為沙壤至壤土[37]。安太堡露天煤礦是平朔礦區(qū)開發(fā)投產(chǎn)最早的煤礦,礦區(qū)面積36.24 km2,此煤礦目前共有6個排土場,本文選擇安太堡露天煤礦中地勢平坦、植被分布均勻且覆蓋率高、空間上連續(xù)且面積較大的安太堡內(nèi)排土場、南寺溝排土場、安太堡西排土場和安太堡南排土場4個典型復(fù)墾排土場作為研究區(qū)[3,38],其已分別于1993、1995、2013年和2014年進行了土地復(fù)墾與植被重建工作。結(jié)合平朔礦區(qū)溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候的特點,復(fù)墾排土場已形成了以刺槐、榆樹、油松和沙棘為主的喬-灌-草多層次植物群落結(jié)構(gòu)[38],草本植物主要包括硬質(zhì)早熟禾、披堿草和紫苜蓿等。

2 材料與方法

2.1 樣地設(shè)置與野外調(diào)查

本文于2019年7月對平朔礦區(qū)的6個復(fù)墾排土場、4個礦區(qū)未采區(qū)和4個非礦區(qū)樣地進行了樣地布設(shè)和植被調(diào)查。學(xué)者王國芳[39]對山西省“典型礦區(qū)植被覆蓋度時空分布特征及影響因素”的研究發(fā)現(xiàn),平朔礦區(qū)內(nèi)植被覆蓋度顯著增加的區(qū)域主要位于安太堡露天采礦生態(tài)恢復(fù)區(qū)。因此,為研究復(fù)墾排土場在長時間序列復(fù)墾年限下所呈現(xiàn)的植被重建效果,本文根據(jù)復(fù)墾年限長短并結(jié)合現(xiàn)場踏勘,選擇了位于安太堡露天煤礦內(nèi)復(fù)墾年限分別為6 a、7 a、25 a、27 a的安太堡內(nèi)排土場、南寺溝排土場、安太堡西排土場、安太堡南排土場進行對比研究,同時,以該礦區(qū)內(nèi)地勢較為平坦、植被分布均勻的未損毀的礦區(qū)未采區(qū)樣地(原地貌)作為對照,分別對應(yīng)圖1的S1、S2、S3、S4樣地和S5樣地。各樣地基本情況見表1,對應(yīng)編號分別為R-6a、R-7a、R-25a、R-27a和OL。

圖1 研究區(qū)概況與樣地點分布圖Fig.1 Overview of the study area and distribution of sample pointsS：調(diào)查樣地點,Survey sample points

表1 調(diào)查樣地基本信息Table 1 Basic information of survey plots

考慮到實際取樣時,同一區(qū)域的降雨量和溫度數(shù)據(jù)差別不大,但由于本文采用“空間代替時間”的研究方法,需保證研究樣地基礎(chǔ)情況相同或相似。本文所選取的4個復(fù)墾排土場均屬于安太堡露天采礦生態(tài)恢復(fù)區(qū),其從開采到構(gòu)筑復(fù)墾地,均采用“開采-排棄-復(fù)墾”一條龍的作業(yè)模式[3]。本文所布設(shè)的調(diào)查樣方均位于平臺,海拔在1400—1460 m之間；平臺覆土均約為100 cm,根據(jù)實地調(diào)查所獲得的土壤質(zhì)地數(shù)據(jù)(土壤中<0.01 mm粒級含量的百分比),結(jié)合卡欽斯基土壤質(zhì)地基本分類(簡制)得出,不同年限復(fù)墾地的土壤質(zhì)地均為壤土。本文所選擇的4個復(fù)墾排土場和原地貌樣地內(nèi)植物分布均勻且長勢較好,生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性較強、無大面積退化現(xiàn)象存在,其植被恢復(fù)類型代表了平朔礦區(qū)典型植被恢復(fù)模式[3]。

據(jù)學(xué)者郝占慶[40]對群落植物調(diào)查所需最小面積的研究發(fā)現(xiàn),木本植物的調(diào)查樣地面積應(yīng)為1 hm2。鑒于每個復(fù)墾排土場面積較大,本文根據(jù)熱帶森林學(xué)中心(CTFS)的標(biāo)準(zhǔn)在4個復(fù)墾排土場和原地貌內(nèi)建立了5個面積為1 hm2的大樣地,5個大樣地內(nèi)的植被類型均代表了平朔礦區(qū)典型植被恢復(fù)模式[38]。在每個樣地內(nèi)用全站儀將樣地劃分100個10 m×10 m的樣方,準(zhǔn)確測定每個樣方的4個角在大樣地中的位置,并用水泥樁作標(biāo)記[38]。復(fù)墾排土場內(nèi)人工種植的植被大部分為喬木植株,灌木植株較少,草本植株大都為自然侵入；為保證調(diào)查結(jié)果能夠表征復(fù)墾排土場重建植被的整體特征,本文根據(jù)每個大樣地內(nèi)喬木植株密度的高中低程度選擇3個10 m×10 m的喬木樣方來進行植被調(diào)查,共計15個喬木樣方；用插值法將每個10 m×10 m的喬木樣方劃分為4個5 m×5 m的灌木樣方；在每個灌木樣方左下角設(shè)置1個1 m×1 m的草本樣方,共計60個草本樣方[36,38]。調(diào)查記錄內(nèi)容包括喬木的物種名、胸徑和高度；灌木的物種名、基徑、高度和冠幅；草本的物種名、多度、平均高度和蓋度。草本植株的平均高度采用卷尺測量(精確到cm)；喬(灌)木植株的胸徑(基徑)采用胸徑尺測量(精確到mm),高度采用塔尺測量(精確到dm)。同時記錄樣地的綜合特征和生境特征,如物候期、生活力、枯落物層厚度、海拔和經(jīng)緯度等。

2.2.1草本重要值及物種多樣性計算

重要值(IV)是表征群落中物種生態(tài)適應(yīng)能力和所處地位的綜合指標(biāo),其大小是確定草本優(yōu)勢種和建群種的重要依據(jù),重要值越大的物種,在群落結(jié)構(gòu)中的重要性越大,對群落生態(tài)環(huán)境、發(fā)展方向及演變趨勢的影響程度越大[41-42]。物種多樣性研究采用目前國內(nèi)外常用的Shannon-Wiener指數(shù)和Simpson指數(shù)[43],物種多樣性指數(shù)反映了群落物種多樣性的空間分布和變化特征。Shannon-Wiener指數(shù)基于物種數(shù)量來反映群落的多樣性,描述種的個體出現(xiàn)紊亂和不確定性,該指數(shù)主要受群落內(nèi)物種數(shù)目和不同物種個體分配的均勻程度兩個因素所影響[42]；Shannon-Wiener指數(shù)越大,說明該樣地物種多樣性越高,同時物種之間個體分布的均勻性增加,也會使該樣地的Shannon-Wiener指數(shù)增大[44]。Simpson指數(shù)亦稱優(yōu)勢度指數(shù),是對一個群落或生境中物種集中性的度量,表明群落的優(yōu)勢種集中在少數(shù)物種上；Simpson指數(shù)越大,表明該樣地內(nèi)植物物種的集中性越高,物種多樣性程度越低[42]。

本研究過程中草本重要值的計算依照岳建英[45]的計算方法,如式(1)所示；依照馬克平[46]對生物群落多樣性測度的方法,以重要值為數(shù)據(jù)分析指標(biāo),Shannon-Wiener指數(shù)和Simpson指數(shù)計算方法如式(2)和式(3)所示：

IV草=(相對高度+相對蓋度)/2×100%

(1)

(2)

(3)

式中,IV草代表草本植物的重要值,H′代表Shannon-Wiener指數(shù),λ代表Simpson指數(shù),S為每一樣方中的物種總數(shù),N為S個物種的全部重要值之和,Ni為第i個物種的重要值。

2.2.2植被地上生物量計算

灌木和草本地上生物量的測定采用直接稱量法,即沿地面直接收割樣方內(nèi)的灌木和草本植株,鮮樣晾曬烘干至恒重,稱取干重(精確到0.1 g)。

本文利用樣地調(diào)查所獲得的礦區(qū)各個喬木樹種生物量的實測數(shù)據(jù),建立生物量與樹高、胸徑的統(tǒng)計回歸關(guān)系模型,并且分樹干、樹皮、樹枝和樹葉部分建立相容性生物量模型,進行分量估計,最后進行加和。依照馮宗煒生物量估算模型[47],針對不同樹種分別進行喬木生物量的估算。不同的樹種采用不同的估算指數(shù),估算方法如式(4)和式(5)所示：

WX=A (D2H)B

(4)

WT=WS+WP+WB+WL

(5)

式中,WX可代表WS、WP、WB、WL和WT,WS樹干生物量,WP樹皮生物量,WB樹枝生物量,WL樹葉生物量,WT地上生物量(單位：kg)。D2H為胸徑的平方乘以高度。針對不同的樹種,式1中A,B的取值則不同,WT的計算方式也會根據(jù)樹種的變化產(chǎn)生變化。

2.3 數(shù)據(jù)分析方法

實地調(diào)查獲得的數(shù)據(jù)均使用EXCEL 2020軟件進行統(tǒng)計整理。運用PC-ORD v5.0軟件計算Shannon-Wiener指數(shù)和Simpson指數(shù),運用SPSS 22.0軟件中的描述性統(tǒng)計分析法分析不同復(fù)墾年限復(fù)墾地Shannon-Wiener指數(shù)、Simpson指數(shù)和地上生物量的變化特征。

3 結(jié)果與分析

3.1 復(fù)墾地植物科屬種組成分析

3.1.1不同復(fù)墾年限下復(fù)墾地喬灌組成

調(diào)查樣地喬灌物種組成如表2所示,排土場復(fù)墾地共有12種喬木和灌木,隸屬于8科10屬,分別為刺槐(Robiniapseudoacaia)、沙棘(Hippopherhamnoides)、衛(wèi)矛(Euonymusalatus)、山杏(Armeniacasibirica)、小葉楊(Populussimonii)、榆樹(Ulmuspumlia)、旱柳(Salixmnatsudana)、油松(Pinustabuliformis)、青扦(Piecawilsonii)、新疆楊(Populusalbavar)、白扦(Piecameyeri)和臭椿(Alianthusaltissima)。礦區(qū)未采區(qū)原地貌共發(fā)現(xiàn)小葉楊1種喬木,其種植時間為1963年。R-6a、R-7a、R-25a和R-27a樣地的植被組成均以喬木為主、草本為輔,但不同復(fù)墾年限下復(fù)墾地的物種組成差異較大。從科屬組成來看,R-6a樣地的植被隸屬科類最多,為5科；對樣地實地調(diào)查所得的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計發(fā)現(xiàn),該樣地內(nèi)沙棘、刺槐和衛(wèi)矛植株較多,分別為500株、69株和24株,占比該樣地植株總數(shù)的83.06%、11.46%和3.99%。從物種豐富度(植被種類數(shù))來看,R-25a樣地的喬木種類數(shù)最多,為8種,隸屬于6科8屬；同時該樣地內(nèi)刺槐和榆樹植株較多,分別為11株和8株,占比該樣地植株總數(shù)的26.19%和19.05%。從不同復(fù)墾年限復(fù)墾地的所有喬、灌木植被類型來看,重建植被中豆科(Leguminosae)、楊柳科(Salicaceae)和胡頹子科(Elaeagnaceae)植株多度較大,衛(wèi)矛科(Celastraceae)、榆科(Ulmaceae)、松科(Pinaceae)、薔薇科(Rosaceae)和苦木科(Simaroubaceae)植株多度較小。

表2 不同復(fù)墾年限調(diào)查樣地物種組成Table 2 Species composition of different reclamation years in the survey plots

3.1.2不同復(fù)墾年限下復(fù)墾地草本組成

調(diào)查樣地的草本物種組成如表2所示,排土場復(fù)墾地內(nèi)共發(fā)現(xiàn)草本植物27種,隸屬于7科20屬,其中以菊科(Compositae)物種最多,有6屬10種；其次是禾本科(Gramineae),有6屬6種；豆科(Leguminosae)有4屬5種；車前科(Plantaginaceae)、蘿藦科(Asclepiadaceae)、堇菜科(Violaceae)和十字花科(Cruciferae)各含1種草本植物。植物生活型以多年生為主,占比77.78%；一年生和一、二年生植物類型較少,占比22.22%。礦區(qū)未采區(qū)原地貌(OL)共發(fā)現(xiàn)草本植物19種,隸屬于8科16屬,其中以菊科物種最多,有4屬5種；其次是豆科,有4屬4種；禾本科有3屬4種；龍膽科(Gentianaceae)含有兩種草本植物,瑞香科(Thymelaeaceae)、唇形科(Labiatae)、十字花科(Cruciferae)和紫草科(Boraginaceae)各含1種草本植物。植物生活型以多年生為主,占比78.95%；一年生和一、二年生植物類型也較少,占比21.05%。不同復(fù)墾年限復(fù)墾地的草本植物隸屬科類差異較小,R-6a和R-27a樣地的植物類型以菊科和禾本科為主,R-7a和R-25a樣地的植物類型以菊科、禾本科和豆科為主。從草本植物科屬種組成來看,R-25a樣地的科屬種均為復(fù)墾樣地的最高值,為5科11屬14種；其次為R-7a樣地,為4科9屬10種；R-6a樣地的植物屬種為復(fù)墾樣地的最小值,為5屬6種。

3.2 復(fù)墾地草本植物重要值分析

由式(1)計算可得調(diào)查樣地內(nèi)各草本植物的重要值,其結(jié)果如表3和圖2所示。本文將草本植物的重要值(IV)分為四個等級：IV<1%為偶見種,1%10%為優(yōu)勢種,當(dāng)IV>30%時,該物種在復(fù)墾樣地內(nèi)的生態(tài)位優(yōu)勢明顯,將其認定為明顯優(yōu)勢種；當(dāng)復(fù)墾地內(nèi)明顯優(yōu)勢種較多時,種間競爭程度會相對較低；反之,競爭程度較高[48]。從整體來看,復(fù)墾樣地內(nèi)的草本物種基本上以優(yōu)勢種、亞優(yōu)勢種和伴生種共存,無偶見種,同時樣地內(nèi)各優(yōu)勢種的重要值差異較大。

圖2 不同復(fù)墾年限調(diào)查樣地草本重要值/%Fig.2 Herb importance value of different reclamation years in the survey plots

表3 不同復(fù)墾年限調(diào)查樣地草本重要值/%Table 3 Herb importance value of different reclamation years in the survey plots

從草本植物種的重要值來看,在R-6a樣地內(nèi),除白蓮蒿為亞優(yōu)勢種外,其余草本植物種均為優(yōu)勢種；并且紫苜蓿和硬質(zhì)早熟禾的重要值均大于40%,其為明顯優(yōu)勢種。整體上,該樣地內(nèi)共有草本植株6種,明顯優(yōu)勢種2種,占比33.33%；優(yōu)勢種5種,占比83.33%。在R-7a樣地內(nèi),草本植物種以優(yōu)勢種、亞優(yōu)勢種和伴生種共存；拂子茅和硬質(zhì)早熟禾為明顯優(yōu)勢種,其重要值均大于35%,優(yōu)勢種還包括披堿草和草木樨,亞優(yōu)勢種為蒔蘿蒿、花苜蓿、白蓮蒿和車前,伴生種為砂珍棘豆和禾葉小苦苣。整體上,該樣地內(nèi)共有草本植株10種,明顯優(yōu)勢種2種,占比20.00%；優(yōu)勢種4種,占比40.00%。在R-25a樣地內(nèi),草本植物種以優(yōu)勢種、亞優(yōu)勢種和伴生種共存；明顯優(yōu)勢種重要值較大,優(yōu)勢度突出,硬質(zhì)早熟禾和披堿草的重要值均大于50%,為明顯優(yōu)勢種；該樣地亞優(yōu)勢種較多,除糙隱子草、風(fēng)毛菊和南山堇菜三個伴生種外,其余均為亞優(yōu)勢種。整體上,該樣地內(nèi)共有草本植株14種,明顯優(yōu)勢種(同為優(yōu)勢種)2種,占比14.29%。在R-27a樣地內(nèi),草本植物種包括優(yōu)勢種和亞優(yōu)勢種；優(yōu)勢種包括披堿草、鵝觀草、白蓮蒿、垂果大蒜芥、硬質(zhì)早熟禾和針茅,其中披堿草和鵝觀草為明顯優(yōu)勢種；亞優(yōu)勢種包括灰藜、草地風(fēng)毛菊和大籽蒿。整體上,該樣地內(nèi)共有草本植株9種,明顯優(yōu)勢種2種,占比22.22%；優(yōu)勢種6種,占比66.67%。在原地貌(OL)樣地內(nèi),草本植物種以優(yōu)勢種、亞優(yōu)勢種和伴生種共存；大針茅、針茅和硬質(zhì)早熟禾為明顯優(yōu)勢種,重要值均大于35%,優(yōu)勢種還包括披堿草、蒔蘿蒿、抱莖小苦苣和達烏里胡枝子；亞優(yōu)勢種包括風(fēng)毛菊、狼毒和花苜蓿；其余均為伴生種。整體上,原地貌內(nèi)共有草本植株19種,明顯優(yōu)勢種3種,占比15.79%；優(yōu)勢種7種,占比36.84%；該樣地內(nèi)植物種類較高,但亞優(yōu)勢種和伴生種的重要值較為接近,生態(tài)位重疊度較高,因此該樣地內(nèi)的種間競爭排斥作用較大,從而降低了物種穩(wěn)定共存的可能。綜上所述并結(jié)合實地調(diào)查發(fā)現(xiàn),復(fù)墾樣地內(nèi)的明顯優(yōu)勢種包括硬質(zhì)早熟禾、拂子茅、披堿草、紫苜蓿和鵝觀草,不同年限復(fù)墾地的草本優(yōu)勢種以禾本科、菊科和豆科為主,原地貌(OL)樣地的明顯優(yōu)勢種包括大針茅、針茅和硬質(zhì)早熟禾。

3.3 不同復(fù)墾年限復(fù)墾地物種多樣性特征及變化趨勢

3.3.1不同復(fù)墾年限復(fù)墾地Shannon-Wiener指數(shù)特征及變化趨勢

Shannon-Wiener指數(shù)側(cè)重于來描述復(fù)墾樣地內(nèi)的物種多樣性,也在一定程度上表征樣地內(nèi)草本植株分布的均勻程度,該指數(shù)越大,樣地內(nèi)物種多樣性越大,物種均勻度越高。由式(2)計算可得調(diào)查樣地的Shannon-Wiener指數(shù),不同年限復(fù)墾地和原地貌樣地的Shannon-Wiener指數(shù)特征及變化趨勢如圖3所示。由圖3可以看出,Shannon-Wiener指數(shù)的最大值、最小值與均值變化一致,最大值與最小值可以具體反映所測數(shù)值的變化范圍。不同年限復(fù)墾地Shannon-Wiener指數(shù)的均值在R-25a樣地達到最高值,為0.62,該樣地物種多樣性最大、物種均勻度較高；R-6a樣地的Shannon-Wiener指數(shù)最小,為0.50,該樣地物種多樣性最低、物種均勻度較差。原地貌(OL)樣地的Shannon-Wiener指數(shù)為調(diào)查樣地內(nèi)的最高值,其顯著高于復(fù)墾地排土場,其值為0.79。

圖3 不同復(fù)墾年限調(diào)查樣地的Shannon-維納指數(shù)特征Fig.3 Characteristics of Shannon-Wiener index of different reclamation years in the survey plots

變異系數(shù)是衡量各觀測值變異程度的一個統(tǒng)計[49],該值可以表征每個復(fù)墾樣地內(nèi)植被重建特征的變異程度,同時也可以揭示復(fù)墾地植被重建特征隨復(fù)墾年限增加的變異程度變化。依據(jù)經(jīng)典統(tǒng)計學(xué)對變異系數(shù)等

*表示一年生或一、二年生草本,無標(biāo)注則為多年生草本級劃分,當(dāng)CV≤10%,屬于弱變異程度；當(dāng)10%

3.3.2不同復(fù)墾年限復(fù)墾地Simpson指數(shù)特征及變化趨勢

Simpson指數(shù)亦稱優(yōu)勢度指數(shù),Simpson指數(shù)越大,表明該樣地內(nèi)植物物種的集中性越高,物種多樣性越小,同時草本優(yōu)勢種集中在少數(shù)物種上。由式(3)計算可得調(diào)查樣地的Simpson指數(shù),不同年限復(fù)墾地和原地貌樣地的Simpson指數(shù)特征及變化趨勢如圖4所示。由圖4可以看出,不同年限復(fù)墾地Simpson指數(shù)的均值在R-7a樣地達到最大值,為0.39,表明該樣地內(nèi)優(yōu)勢種集中在少數(shù)物種上,物種多樣性較小；R-25a樣地的Simpson指數(shù)最小,為0.37；原地貌(OL)樣地的Simpson指數(shù)為調(diào)查樣地內(nèi)的最小值,其顯著小于復(fù)墾地排土場,其值為0.25。

圖4 不同復(fù)墾年限調(diào)查樣地的辛普森指數(shù)特征Fig.4 Characteristics of Simpson index of different reclamation years in the survey plots

從調(diào)查樣地內(nèi)Simpson指數(shù)的變異系數(shù)來看,該值在R-27a樣地的變異系數(shù)最大,為52.51%；R-25a樣地的變異系數(shù)最小,為21.41%；五個調(diào)查樣地Simpson指數(shù)的變異系數(shù)均在10%—100%之間,均屬于中等變異程度。復(fù)墾地重建植被的Simpson指數(shù)隨復(fù)墾年限增加呈現(xiàn)先增后減再增的變化趨勢,其在復(fù)墾7 a時達到最大值,在復(fù)墾25 a減小到最小值；整體上該值呈平緩減小的趨勢,并逐漸接近于原地貌(OL)樣地,這與復(fù)墾地內(nèi)的草本物種多樣性和優(yōu)勢種的集中程度有關(guān)。R-7a樣地草本種類較少,且優(yōu)勢種為4種、占比40.00%,優(yōu)勢種集中在少數(shù)物種上,所以該樣地Simpson指數(shù)較大；R-25a樣地草本種類數(shù)為復(fù)墾地樣地內(nèi)的最大值,其明顯優(yōu)勢種的重要值分別為64.74%、59.34%和50.18%,其余均為亞優(yōu)勢種和伴生種,重要值均小于10%,由式(3)Simpson指數(shù)的計算公式可得該樣地的Simpson指數(shù)為復(fù)墾樣地中的最小值。同時,原地貌(OL)樣地物種多樣性為調(diào)查樣地中的最大值,優(yōu)勢種種類數(shù)6,占比36.84%,且該樣地內(nèi)伴生種較多、重要值均小于5%,因此導(dǎo)致該樣地Simpson指數(shù)為調(diào)查樣地內(nèi)的最小值。

3.4 不同復(fù)墾年限復(fù)墾地地上生物量特征及變化趨勢

3.4.1不同復(fù)墾年限復(fù)墾地地上生物量特征

生物量是植物群落結(jié)構(gòu)和功能的重要體現(xiàn),是判斷植被生長狀況以及生產(chǎn)潛力的重要依據(jù),地上生物量與植株高度、冠幅等個體形態(tài)以及蓋度、密度等群落特征密切相關(guān)[50-52],因此地上生物量可以間接反映不同年限復(fù)墾地的土地復(fù)墾與植被恢復(fù)狀況。由式(4)和式(5)計算可得調(diào)查樣地的喬木地上生物量,灌木和草本的地上生物量測定采用直接稱量法,不同復(fù)墾年限復(fù)墾樣地和原地貌樣地的地上生物量特征如表4所示,其在不同年限的復(fù)墾樣地間存在一定差異。

表4 不同復(fù)墾年限調(diào)查樣地的地上生物量特征/(kg/m2)Table 4 Characteristics of aboveground biomass of different reclamation years in the survey plots

從復(fù)墾地喬灌地上生物量的均值來看,該值在R-27a樣地達到最高值,為5.9153 kg/m2；R-7a樣地次之,為4.3570 kg/m2；R-6a樣地該值最小,為2.1356 kg/m2；原地貌(OL)樣地的喬灌地上生物量為調(diào)查樣地的最高值,其值為8.5794 kg/m2。從復(fù)墾地草本地上生物量的均值來看,該值在R-6a樣地達到復(fù)墾樣地內(nèi)的最高值,為0.2538 kg/m2；R-27a樣地該值為最小值,其為0.0557 kg/m2。從復(fù)墾地總地上生物量的均值來看,其分布特征與喬灌地上生物量特征相一致,其是由于不同復(fù)墾年限復(fù)墾地內(nèi)的喬灌木植株較高大,地上生物量較高。從復(fù)墾地喬灌地上生物量的變異系數(shù)來看,其從大到小依次為82.37%、56.54%、52.05%和12.89%,該值在各復(fù)墾地內(nèi)均屬于中等變異程度；原地貌(OL)樣地的變異系數(shù)為45.26%,也為中等變異程度。從復(fù)墾地草本地上生物量的變異系數(shù)來看,其從大到小依次為49.57%、41.88%、25.91%、17.34%,其在復(fù)墾樣地均屬于中等變異程度；原地貌(OL)樣地該值的變異系數(shù)為23.54%,也屬于中等變異程度。從調(diào)查樣地總地上生物量的變異系數(shù)來看,R-6a樣地的變異系數(shù)最大,為61.74%,R-7a樣地的變異系數(shù)最小,為11.92%,各個調(diào)查樣地的重要值均大于10%,均屬于中等變異程度。

3.4.2地上生物量隨復(fù)墾時間的變化特征

復(fù)墾地喬灌、草本和喬灌草總地上生物量(簡稱總地上生物量)隨復(fù)墾年限增加的變化趨勢如圖5所示,總地上生物量隨復(fù)墾年限增加呈現(xiàn)先增加后減少再逐漸增加的趨勢,和張振佳[53]研究的平朔礦區(qū)復(fù)墾地表層土壤微生物數(shù)量與酶活性隨復(fù)墾年限呈先增后減再增的變化趨勢一致。該現(xiàn)象與樣地的選擇、樣地內(nèi)植物物種組成及其自身生長習(xí)性、降水等自然條件和人為干擾等息息相關(guān)；同時植被分布與土壤養(yǎng)分含量及分布密切相關(guān),土壤狀況將直接影響植被的生長狀況[54-55]。由圖5可以看出,喬灌地上生物量在復(fù)墾7 a時達到一個峰值,其隨著復(fù)墾時間增加,在復(fù)墾25 a時有所下降,而后又逐漸增加；R-6a、R-7a、R-25a和R-27a樣地的地上生物量分別為原地貌(OL)樣地的27.55%、52.44%、36.55%和68.84%；復(fù)墾7 a時喬灌植物的地上生物量就已達到原地貌的50%,復(fù)墾27 a的R-27a樣地其值為原地貌(OL)樣地的68.75%,隨復(fù)墾時間增加,復(fù)墾地的喬灌地上生物量在逐漸接近原地貌未擾動區(qū)。由于調(diào)查樣地內(nèi)的植被地上生物量89%以上取決于喬灌地上生物量,因此調(diào)查樣地內(nèi)總地上生物量的變化趨勢和喬灌地上生物量變化一致,不再進行詳細分析。復(fù)墾地內(nèi)的草本地上生物量隨復(fù)墾年限增加整體上呈現(xiàn)逐漸減少的趨勢,該值在復(fù)墾6 a時為最大值,其值為原地貌(OL)樣地的269.18%；草本地上生物量在復(fù)墾27 a時達到復(fù)墾地的最小值,其值為原地貌(OL)樣地的59.07%；該現(xiàn)象與喬灌生物量隨復(fù)墾年限增加大體上呈現(xiàn)增加有關(guān),復(fù)墾初期喬灌木的生長增加了樣地物種多樣性,生境質(zhì)量在一定程度上得到改善,隨復(fù)墾年限增加,草本物種多樣性增大,但增加的草本物種重要值較小,生態(tài)位重疊程度較高,在種間競爭中處于劣勢,進而部分草本植物物種出現(xiàn)退化。

圖5 地上生物量隨復(fù)墾年限的變化趨勢Fig.5 Variation trends of aboveground biomass with the years of reclamation

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

4.1.1復(fù)墾地重建植被物種組成及演替特征

物種豐富度指數(shù)可表征樣地內(nèi)的物種豐富度[56],本文中喬灌草種類數(shù)即為各樣地內(nèi)的物種豐富度,植物種類數(shù)越多,物種多樣性越高。該研究發(fā)現(xiàn)復(fù)墾地內(nèi)共記錄喬灌植物12種,隸屬于8科10屬,草本植物27種,隸屬于7科20屬；遠高于原地貌樣地的植物種類數(shù)(喬木植物1種；草本植物19種,隸屬于8科16屬),這與王卓[57]和哈文秀[58]的研究結(jié)果相一致。王卓等[57]對安太堡露天礦復(fù)墾地草本群落多樣性的研究發(fā)現(xiàn),經(jīng)過長期的礦區(qū)生態(tài)修復(fù),排土場植物群落多樣性總體上呈上升趨勢。哈文秀等[58]對喀斯特斷陷盆地區(qū)不同恢復(fù)階段群落物種組成與多樣性特征的研究發(fā)現(xiàn),在草叢→灌叢→喬木林的恢復(fù)過程中,群落物種組成中的科、屬、種數(shù)逐漸增加。由此可見,復(fù)墾地的植被重建工作在一定程度上提高了該礦區(qū)的物種多樣性,恢復(fù)效果較好。

重要值大小是確定草本優(yōu)勢種和建群種的重要依據(jù),從草本植物重要值來看,草本優(yōu)勢種包括禾本科和菊科,這與許麗[59]、劉建利[60]和趙冰清[36]的研究結(jié)果相一致；復(fù)墾地內(nèi)的多年生草本植物占比75%以上,其中優(yōu)勢種包括硬質(zhì)早熟禾、披堿草、拂子茅、鵝觀草、白蓮蒿和蒔蘿蒿,這與李晉川[61]和徐志果[42]的研究結(jié)果一致,因為禾本科和菊科植物具有耐干旱、耐貧瘠和適應(yīng)性強的特點,其種子繁殖能力強且靠風(fēng)傳播,更加適合在干燥多風(fēng)的平朔礦區(qū)快速生長；同時,多年生草本植物種子繁殖能力相對較弱、但其具有較強的靠根、莖繁殖的能力,容易在定居后形成較穩(wěn)定的種群[45]。復(fù)墾地內(nèi)的草本種類數(shù)隨復(fù)墾年限增加呈現(xiàn)先增后減的變化趨勢,在R-25a樣地達到最大值,隨后又逐漸減少。究其原因,復(fù)墾前3 a會對人工種植的幼苗進行人工澆水,前5 a進行病蟲害控制；同時,復(fù)墾初期植物群落的自發(fā)演替較為明顯,通過生物作用加速營養(yǎng)物質(zhì)的積累[62],再加上隨著喬灌木植株不斷生長,復(fù)墾地土壤表層凋落物覆蓋和地上生物量增加[63],生態(tài)環(huán)境得到一定改善,并導(dǎo)致一些適生的野生草本植物入侵。由重要值研究發(fā)現(xiàn),在R-25a樣地入侵的草本植株重要值均較小且接近,屬于亞優(yōu)勢種和伴生種,生態(tài)位重疊程度較高,促進了該樣地的競爭排斥作用、導(dǎo)致該樣地部分植物退化。R-27a樣地為最早進行土地復(fù)墾的排土場,經(jīng)實地調(diào)查發(fā)現(xiàn),起初在該樣地人工種植的無芒雀麥(Bromusinermis)、扁穗冰草(Agropyroncristatum)、草木樨狀黃耆(Astragalusmelilotoides)和草木樨(Melilotussuaveolens)均已不復(fù)存在,R-6a樣地和R-25a樣地內(nèi)也無這些植株存在,草木樨只存在于R-7a樣地,該研究結(jié)論與王麗媛[64]和趙冰清[42]的研究結(jié)果一致。由于區(qū)域內(nèi)的地理環(huán)境較為相似,因此草本植物生長受樣地內(nèi)喬木樹種組成差異和自然生境條件的影響較大[65],在R-25a樣地和R-27a樣地喬木植株林齡較大,林冠的遮陰作用較強[66],同時喬木冠層對降水的截留和對土壤水分的蒸散也較強[67],因此樣地內(nèi)的草本植物因受到了光照和水分的限制等而出現(xiàn)退化,但這些草本植物均對復(fù)墾前期土壤肥力的提升具有十分重要的作用,例如草木樨和草木樨狀黃耆等作為豆科植物,具有固氮作用,對初期培肥熟化和穩(wěn)定土壤十分有益。

4.1.2復(fù)墾地植被地上生物量變化特征

植被地上生物量與植被類型及其組成密切相關(guān)[68-69],本文采用“空間代替時間”的方法,由于所選樣地的區(qū)域不同,各樣地內(nèi)植物群落組成及與植被生長相關(guān)的各因子和人為干擾等因素都會導(dǎo)致該差異性的存在。隨復(fù)墾年限增加,復(fù)墾地的總地上生物量隨復(fù)墾年限呈現(xiàn)先增加后減少再增加的趨勢,其逐漸接近于原地貌,總地上生物量89%以上取決于喬灌木的地上生物量(見圖5)；該研究結(jié)論與馬潔[70]的研究成果相似并存在一定差異,馬潔等[70]研究發(fā)現(xiàn)3種人工林林下的地上部生物量不同程度的優(yōu)于原地貌,并且人工林灌木層地上部生物量均高于草本層；同時,該研究結(jié)果與張振佳[53]的研究結(jié)論相一致,土壤微生物數(shù)量與酶活性均可在一定程度上反映重建植被特征和復(fù)墾地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等,張振佳等[53]研究發(fā)現(xiàn)平朔礦區(qū)復(fù)墾地表層土壤微生物數(shù)量與酶活性隨復(fù)墾年限增加呈現(xiàn)先增后減再增的變化趨勢,但安太堡南排土場(R-27樣地)的土壤微生物數(shù)量與酶活性均低于原地貌。

該研究發(fā)現(xiàn)各復(fù)墾排土場的喬木物種組成存在較大差異,各種喬木植株的多度差異也較大,同時各復(fù)墾地的喬木多樣性均高于原地貌(見表5)。由表5可以看出,在復(fù)墾時間相近的R-6a樣地和R-7a樣地,R-7a樣地內(nèi)只有小葉楊和榆樹兩種喬木植株,但其總地上生物量是有5種喬木存在的R-6a樣地的2.04倍；在復(fù)墾時間相近的R-25a樣地和R-27a樣地,有4種喬木植株存在的R-27a樣地的總地上生物量是有8種喬木植株存在的R-25a樣地的1.93倍。R-25a樣地的地上生物量相比R-7a樣地大幅下降,一方面與R-25a樣地自身的植物配置模式有關(guān),另一方面也可能與該樣地經(jīng)歷了2014年和2015年的降水低峰期有關(guān)[36]；隨著植被配置的改變,總地上生物量在復(fù)墾27 a的安太堡南排土場達到了最高值,該樣地內(nèi)的喬木樹種為“刺槐×榆樹×油松×臭椿”,其為原地貌(OL)樣地的68.84%,且R-27a樣地內(nèi)喬木植物多樣性高于原地貌樣地。經(jīng)實地調(diào)研發(fā)現(xiàn),同樣經(jīng)歷過降水低峰期的R-27a樣地內(nèi)大量“大徑級”(胸徑>10 cm)刺槐植株死亡,并且其余種類的喬木植株多度較少或平均胸徑和平均高度較小,因而該樣地地上生物量較少,還未達到原地貌水平。高一飛等[71]研究發(fā)現(xiàn)群落的植物生物量既可能隨植物多樣性的增加而增加,也可能與植物多樣性呈單峰型關(guān)系,當(dāng)植物群落中種類數(shù)量較少時,環(huán)境異質(zhì)性低,生物量隨種數(shù)的增加而變大；而隨種數(shù)的進一步增加,環(huán)境異質(zhì)性逐漸增強,種間競爭加劇,生存資源利用逐漸飽和,此時生物量最大；種數(shù)再進一步增加,會因種間競爭進一步加劇而導(dǎo)致生存資源不足,生物量則減小。通過對實地調(diào)查數(shù)據(jù)的進一步分析發(fā)現(xiàn),復(fù)墾初期,隨復(fù)墾年限增加植物生長速率逐漸增大；但某些植物在隨復(fù)墾年限進一步增加的過程中其生長速率會變緩慢甚至死亡。作為先鋒樹種的刺槐屬于高耗水樹種,在典型半干旱的平朔礦區(qū)其會過渡消耗土壤中的貯水,最終使其生長受到抑制[72-73]。胡振琪等[72]通過對煤矸石山刺槐林生長規(guī)律的研究發(fā)現(xiàn),刺槐胸徑的速生期出現(xiàn)在2—4 a,4 a以后便開始明顯下降。張建軍等[73]研究發(fā)現(xiàn)黃土高原刺槐胸徑生長的快速期在8 a以前,10—12 a時基本達到頂峰,此后胸徑生長趨于緩慢。榆樹作為鄉(xiāng)土樹種,其種子一次性結(jié)實量大,質(zhì)量小,且果實具翅,適應(yīng)于復(fù)墾地多風(fēng)環(huán)境中傳播擴散繁殖,但榆樹在生長過程中具有強烈的自疏習(xí)性,導(dǎo)致其在各個階段特別是幼樹階段具有較高的死亡率[74],趙冰清等[67]研究發(fā)現(xiàn),營造刺槐與榆樹的混交林,可以為榆樹定居提供生境,使其落地后可以繁殖更新。陽生性的油松在復(fù)墾前25 a油松生長緩慢,在復(fù)墾25 a至27a 間其生長迅速；焦醒等[75]研究發(fā)現(xiàn)陜西黃土高原油松胸徑在15—40 a時生長較快,45 a后生長速率減慢進入穩(wěn)定生長。正是由于礦區(qū)植被重建的重要性及特殊性,再加上復(fù)墾地喬木植株生長較緩慢；因此,不同的土壤類型、地形和氣候條件、植物配置模式等都將直接影響重建植被的生長狀況,進而影響復(fù)墾地的生態(tài)恢復(fù)效果和生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性,因此本文對不同復(fù)墾年限下復(fù)墾地的植被重建特征及演替規(guī)律的探索研究十分必要。

表5 不同復(fù)墾年限調(diào)查樣地各樹種生長狀況變化特征Table 5 Variation characteristics of growth status of various tree species in survey plots with different reclamation years

4.1.3對該礦區(qū)和類似礦區(qū)未來進行植被重建的建議

平朔露天礦區(qū)地處“溫帶半干旱”的生態(tài)脆弱區(qū)與敏感區(qū),該礦區(qū)具有典型的“溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候”,年降水為450 mm左右,且降水集中在6—9月。劇烈的采煤活動導(dǎo)致該礦區(qū)原脆弱生態(tài)系統(tǒng)變?yōu)闃O度退化生態(tài)系統(tǒng),生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能完全喪失,如果不及時整治,在現(xiàn)有的技術(shù)經(jīng)濟條件下,將變?yōu)椴豢赡孓D(zhuǎn)生態(tài)系統(tǒng)[76],因此,對該礦區(qū)進行土地復(fù)墾與植被重建變得十分緊迫與重要。經(jīng)本文研究發(fā)現(xiàn),復(fù)墾地重建植被的物種組成及配置模式對該礦區(qū)的土地復(fù)墾與生態(tài)恢復(fù)效果具有顯著影響,因為植物本身具有各自的生長習(xí)性,其所產(chǎn)生的復(fù)墾效果不同；并且不同恢復(fù)階段的植物物種組成有較大差異,隨著植被的恢復(fù)物種有所替代；因此,在不同植被恢復(fù)階段應(yīng)按照植被的地帶性分布規(guī)律,選擇不同的植物物種及恢復(fù)措施,宜喬則喬、宜灌則灌、宜草則草。白中科等[2]基于礦業(yè)生產(chǎn)活動的周期性與長期礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)重建的實踐,提出了礦區(qū)“地貌重塑、土壤重構(gòu)、植被重建、景觀重現(xiàn)、生物多樣性重組與保護”恢復(fù)重建的“五元共軛”理論,所以未來在該礦區(qū)進行植被重建時應(yīng)首先考慮擬復(fù)墾區(qū)的地形地貌和土壤條件,并綜合該區(qū)域的氣候和降水等條件,針對不同的損毀土地類型和程度,來進行重建植被的物種選擇(先鋒植物和適生植物)和植被配置模式、栽種方式與管理措施的制定。在植被恢復(fù)初期復(fù)墾地土壤質(zhì)量較差,缺乏供植物生長的氮、磷和有機質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì),再加上該礦區(qū)降水稀少、蒸發(fā)嚴(yán)重和風(fēng)期長等特點,因此在該礦區(qū)復(fù)墾初期應(yīng)選擇耐貧瘠和抗旱性強的先鋒物種,并重視植被的合理配置；喬木植株如刺槐和油松,草本植株如作為復(fù)墾地明顯優(yōu)勢種的硬質(zhì)早熟禾、拂子茅、披堿草、紫苜蓿和鵝觀草。許多研究表明,“刺槐×油松”混交模式在安太堡長勢最好,復(fù)墾初期,油松長勢較慢,起到了水土保持作用,促進了刺槐的快速生長,隨著刺槐樹齡的增大,為油松提供了很好的遮陰條件,兩者表現(xiàn)出互利共生的現(xiàn)象[62]；同時,刺槐作為先鋒物種,為豆科植物,具有根瘤、能夠固氮,可以有效增加土壤氮素和提高土壤肥力,其還可防止風(fēng)蝕、水蝕,為后續(xù)植被恢復(fù)以及復(fù)墾地生態(tài)環(huán)境的改善起著十分重要的作用[33]。同時,由于受損生態(tài)系統(tǒng)的功能恢復(fù)比形態(tài)恢復(fù)難度大、時間長,植被恢復(fù)可能會沿著受損與退化時的軌跡復(fù)歸,因此在復(fù)墾初期進行人工支持引導(dǎo)生態(tài)系統(tǒng)自然修復(fù)也非常關(guān)鍵[2,76]。

生態(tài)保護修復(fù)如同人體的健康管理,應(yīng)由“開刀治病”轉(zhuǎn)向“健康管理”或全程“適應(yīng)性管理”[76]。在復(fù)墾初期對該礦區(qū)已復(fù)墾地的植被恢復(fù)進行了人工管護,但在后期自然恢復(fù)過程中也不能放任不管,否則隨著部分植物退化,缺失的生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)難以在短時間內(nèi)補缺；因此,也應(yīng)在后期自然恢復(fù)的基礎(chǔ)上加強積極的培育措施,包括保護、撫育、促進、補植(播)、更新等手段,使礦區(qū)的重建植被按一定的生態(tài)目標(biāo)進行恢復(fù)[77-78]。對該礦區(qū)擬復(fù)墾區(qū)進行實地調(diào)查和對生態(tài)問題進行科學(xué)地識別與診斷,根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)退化程度的高低和生態(tài)保護修復(fù)目標(biāo)來確定“保護保育、自然恢復(fù)、輔助再生、生態(tài)重建”等為主的生態(tài)保護修復(fù)單元類型,以及可選取的生態(tài)保護修復(fù)技術(shù)模式；并且從復(fù)墾初期開始,就對生態(tài)恢復(fù)過程中的重建植被進行長期定位監(jiān)測,及時根據(jù)其生長特征調(diào)整恢復(fù)措施,其監(jiān)測結(jié)果可為后期的土地復(fù)墾與植被重建工作提供寶貴參考。當(dāng)今,我國生態(tài)修復(fù)的核心理念是“保障生態(tài)安全,促進人與自然和諧發(fā)展”,礦區(qū)人類活動會顯著影響礦區(qū)復(fù)墾地重建植被的恢復(fù)狀態(tài)；因此,當(dāng)?shù)鼐用窕虻V區(qū)決策者應(yīng)根據(jù)不同恢復(fù)階段的重建植被特征采取適應(yīng)性管理措施,促進復(fù)墾地生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)向正向演替,爭取實現(xiàn)植被重建工作的效益最大化,提高該礦區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),進而提升人類福祉。

4.2 結(jié)論

(1)植被重建工作顯著提高了復(fù)墾地的物種豐富度,各復(fù)墾地喬灌植株的物種豐富度明顯高于原地貌。但在重建植被演替過程中,并非隨復(fù)墾年限增加,物種豐富度越來越高,復(fù)墾地Shannon-Wiener指數(shù)隨復(fù)墾年限增加呈先增后減的變化趨勢,該值在R-25a樣地達到峰值(0.62),其與復(fù)墾地的植物物種組成及其自身生長習(xí)性、土壤條件、降水等自然條件和人為干擾等息息相關(guān)。

(2)從喬木植株的生長狀況來看,刺槐作為先鋒樹種,是植被重建時可優(yōu)先選擇的喬木樹種。從復(fù)墾地草本植株組成來看,草本植物以多年生為主,占比77.78%；從草本重要值的來看,草本優(yōu)勢種以禾本科、菊科和豆科為主,明顯優(yōu)勢種包括：硬質(zhì)早熟禾、拂子茅、披堿草、紫苜蓿和鵝觀草,其為復(fù)墾時優(yōu)先考慮的草本物種。

(3)復(fù)墾地的總地上生物量89%以上取決于喬灌地上生物量,其隨復(fù)墾年限增加呈現(xiàn)先增后減再增的變化趨勢,并逐漸接近于原地貌,R-6a、R-7a、R-25a和R-27a樣地的地上生物量分別為原地貌(OL)樣地的27.55%、52.44%、36.55%和68.84%,在R-27a樣地達到最大值(5.9710 kg/m2),其在一定程度上表明隨復(fù)墾年限增加植被生長狀況和復(fù)墾效果逐漸變好。