高寒地區(qū)煤礦排土場(chǎng)植被恢復(fù)研究
——以內(nèi)蒙古扎哈淖爾煤礦為例

吳翊平,周國(guó)馳,楊 卓,*,馮嘉懿,江新奇,付合英,朱宴南,佟佳慶,李文海,趙 亮,張涵羽,王志超,田 野

1 華東師范大學(xué)生態(tài)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,上海 200241 2 中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)設(shè)計(jì)研究院有限公司,沈陽(yáng) 110015 3 中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049 4 扎魯特旗扎哈淖爾煤業(yè)有限公司, 通遼 029114 5 中國(guó)科學(xué)院城市環(huán)境研究所,廈門(mén) 361021

煤炭資源的開(kāi)發(fā)與利用對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展都有著舉足輕重的作用,其中露天開(kāi)采因其采掘方式經(jīng)濟(jì)、礦層利用率高且安全等持點(diǎn)為各煤礦所廣泛采用[1]。但是,隨著露天煤礦的大量開(kāi)采,礦區(qū)土地資源、地下水資源和生態(tài)環(huán)境均遭到嚴(yán)重破壞[2—4]。排土場(chǎng)是礦區(qū)專設(shè)的用來(lái)排棄露天開(kāi)采過(guò)程中礦床上部及周圍產(chǎn)生的表土和巖石等廢棄物的大型場(chǎng)地,這些廢棄地已成為目前最為典型、退化最為嚴(yán)重的生態(tài)系統(tǒng)。因此排土場(chǎng),尤其高寒地區(qū)排土場(chǎng)植被恢復(fù),如何通過(guò)人工生態(tài)恢復(fù)措施短期恢復(fù)到原自然環(huán)境的狀態(tài)？這是制約我國(guó)礦區(qū)綠色可持續(xù)發(fā)展亟待解決的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。

高寒礦區(qū)氣候寒冷,年積溫低,極端的氣候條件導(dǎo)致植物生長(zhǎng)受限,生態(tài)恢復(fù)難度大。扎哈淖爾露天煤礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)通遼市西北部,處于高寒、干旱、沙化嚴(yán)重的草原區(qū)。半干旱的氣候特征,降水量年度變率較大,風(fēng)力強(qiáng)勁且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng),大面積分布的機(jī)械組成和物理性沙粒為主的風(fēng)沙土,使該區(qū)植被一旦遭到破壞,流沙將迅速生起,造成嚴(yán)重的風(fēng)蝕與水蝕,該地區(qū)極易形成水土流失,環(huán)境自我恢復(fù)能力差,生態(tài)環(huán)境具有明顯的脆弱性。由于其特殊的地理位置及氣候條件,運(yùn)輸客土成本較大,生態(tài)恢復(fù)倍加困難。一般來(lái)說(shuō),植被自然演替需要幾十年甚至幾個(gè)世紀(jì)的時(shí)間[5],目前采取的人工促進(jìn)恢復(fù)措施,可加速排土場(chǎng)植被短期內(nèi)恢復(fù),是礦區(qū)生態(tài)綜合治理和環(huán)境保護(hù)的最佳途徑[6—9]。礦區(qū)生態(tài)修復(fù)需根據(jù)地域性、生態(tài)演替及生態(tài)位原理篩選適宜的先鋒植物,營(yíng)建種群和生態(tài)系統(tǒng),為微生物、植被和動(dòng)物提供一個(gè)適宜生境,使修復(fù)后的景觀與周邊相協(xié)調(diào),最大限度保蓄水土,修復(fù)后的生態(tài)系統(tǒng)能夠自我維護(hù)、自我維持、功能逐漸增強(qiáng)[10]。植被的生長(zhǎng)變化及恢復(fù)狀況可以表征礦區(qū)土地復(fù)墾的程度與質(zhì)量。植物群落的組成和結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化,對(duì)揭示植被恢復(fù)過(guò)程中的物種共存和生物多樣性維持機(jī)制具有重要意義[11—12]。

圖1 扎哈淖爾露天煤礦排土場(chǎng)空間分布 Fig.1 The distribution of dump sites of alpine open pit mine in Zhahanaoer

本研究通過(guò)樣地野外調(diào)查的方法,對(duì)內(nèi)蒙古典型草原扎哈淖爾露天煤礦排土場(chǎng)植被恢復(fù)過(guò)程不同恢復(fù)時(shí)間、地形因子以及人工措施下植物群落組成、植被蓋度、群落物種多樣性進(jìn)行分析,探討影響草原礦區(qū)排土場(chǎng)生境的植物群落恢復(fù)的主要因素,為完善草原露天煤礦生態(tài)恢復(fù)模式與植被恢復(fù)技術(shù)提供科學(xué)依據(jù)。本研究的科學(xué)問(wèn)題是：排土場(chǎng)采取的不同生態(tài)措施(不同地形、土壤施肥、灌溉方式、播種方式)是否顯著影響植被群落多樣性？

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

扎哈淖爾露天煤礦(45°10′—45°40′N, 119°08′—119°46′E)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)通遼市西北部,呈東北西南的狹長(zhǎng)形條帶狀,總面積31.4km2；礦區(qū)排土場(chǎng)總占地面積17.5km2,包括南、北、東三個(gè)排土場(chǎng)(圖1)。礦區(qū)海拔870—940m,四周環(huán)山,盆地內(nèi)部地勢(shì)較為平坦,東北、西南段為丘陵,中間段為開(kāi)闊平原。礦區(qū)多年平均氣溫0.1℃,年日照時(shí)數(shù)3237h,氣溫年較差43.0℃；多年平均降水量為358.98mm,主要集中在5—9月,約占全年降水量的81.7%,多年平均蒸發(fā)量為1556.00mm；多年平均風(fēng)速4.6m/s,易形成風(fēng)沙。礦區(qū)位于草原區(qū),植被屬于蒙古草原區(qū)系,植被類型為地帶性草甸草原,具有向森林草原過(guò)渡性質(zhì),植被有51科,183屬,300多種；礦區(qū)主要草原植被群落有貝加爾針茅(StipabaicalensisRoshev.)、線葉菊(Filifoliumsibiricum(Linn.) Kitam.)、羊草(Leymuschinensis(Trin.) Tzvel.)群落。地帶性土壤為黑鈣土,非地帶性土壤為草甸土和沙土。本研究位于扎哈淖爾露天煤礦2019年起進(jìn)行生態(tài)修復(fù)的區(qū)域。

1.2 研究方法

在生態(tài)修復(fù)工程區(qū)選擇在不同復(fù)墾時(shí)間2020年和2021年、以及不同生態(tài)恢復(fù)措施的22個(gè)地塊,涵蓋南、北、東三個(gè)排土場(chǎng)。在每個(gè)地塊中設(shè)置地形不同的1—5塊樣地,共設(shè)置75個(gè)樣地,包括平面和田字格44塊,坡面31塊；坡面的坡度在2°—35°之間,坡向包括陰坡、陽(yáng)坡和半陽(yáng)坡3個(gè)方向；不同人工恢復(fù)措施包括播種方式、土壤改良方式以及灌溉方式等。其中播種方式包括條播和撒播。條播播種行距約15cm,溝深3—5cm,覆土厚度2cm左右；撒播為單位面積均勻播種,然后覆土厚度2cm左右。條播和撒播每公頃種子投入量為均為210kg。灌木栽植株距2m,行距2m,每2行間隔10m,栽植后株高不低于20cm,冠幅不小于10cm。土壤改良方式主要是土壤肥力的改良,根據(jù)排土場(chǎng)土壤采樣檢測(cè)結(jié)果,待治理區(qū)域氮、磷、鉀以及有機(jī)質(zhì)缺乏,因而分別選取雞糞熟肥、牛羊糞肥、牛羊雞糞肥、高氮有機(jī)肥(總有機(jī)質(zhì)含量≥50%、氮含量≥30%、磷含量≥10%、鉀含量≥10%)等4種改良方式提高土壤肥力。肥料的使用量參照下面計(jì)算公式：

土壤的供肥量=土壤養(yǎng)分測(cè)試值×土壤養(yǎng)分利用系數(shù)×0.15

植物生長(zhǎng)季進(jìn)行樣地的植物群落特征調(diào)查,調(diào)查時(shí)間為2020年6—10月與2021年6—8月。根據(jù)樣方內(nèi)植物類型設(shè)置1m×1m的草本樣方,或者5m×5m的灌木樣方。在調(diào)查的過(guò)程中記錄樣地內(nèi)植物種類、每種植物的數(shù)量,用數(shù)碼相機(jī)拍攝樣方,計(jì)算植被蓋度。

1.3 數(shù)據(jù)處理

在研究中選擇植被蓋度表征植物生長(zhǎng)狀況,計(jì)算方式如下：

植被蓋度=植物群落地上部分的垂直投影面積/樣方面積×100%

選擇常見(jiàn)的Shannon-Wiener多樣性指數(shù)和Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)等指標(biāo)來(lái)描述植物群落的物種多樣性,衡量植物群落的恢復(fù)效果,計(jì)算方法如下：

式中,S為樣方中的植物物種數(shù),Pi為第i種植物的個(gè)體數(shù)占樣方中總個(gè)體數(shù)的比例。

數(shù)據(jù)在Excel中進(jìn)行整理并繪制圖表,在SPSS中進(jìn)行數(shù)據(jù)分析及顯著性檢驗(yàn)。利用最小顯著差異檢驗(yàn)(LSD)進(jìn)行單因素方差分析,比較不同生態(tài)恢復(fù)措施下植被差異。利用主成分分析(PCA),基于特征值判斷主成分,并判斷每個(gè)主成分中載荷量大的因子。為篩選主要影響因子,降低多因子共線性,使用逐步回歸前向選擇來(lái)篩選模型。

2 結(jié)果與分析

2.1植物物種數(shù)

2020年和2021年分別對(duì)扎魯特旗露天煤礦排土場(chǎng)植物生長(zhǎng)季的調(diào)查發(fā)現(xiàn),排土場(chǎng)植物物種數(shù)隨著復(fù)墾時(shí)間增加而不斷增多。2020年,總物種數(shù)約為13種,其中來(lái)自周圍原生草原的非人工種植物為5種；2021年總物種數(shù)達(dá)到21種,非人工種植物為12種。2021年比2020年植物物種數(shù)顯著增加,是由于原生草原非人工種植的物種進(jìn)入排土場(chǎng)導(dǎo)致調(diào)查樣地物種總數(shù)顯著增加(P<0.05)(圖2)。

進(jìn)一步比較植物群落中的物種組成。研究發(fā)現(xiàn)2020年共監(jiān)測(cè)到44種植物,2021年6月、7月到8月,分別監(jiān)測(cè)到53種、62種和71種,這些植物所屬的科也從2020年的13科,增加到2021年8月的24科(圖3)。

圖2 排土場(chǎng)植物物種總數(shù)年際變化 Fig.2 The annual variations of plant species numbers at dump sites

圖3 排土場(chǎng)植物物種組成年際變化 Fig.3 The annual variation of plant community composition at dump sites

分析2021年6—8月期間植物物種數(shù)季節(jié)變化(表1),發(fā)現(xiàn)菊科(Compositae)物種數(shù)7月份比6月份增加了3種,8月份比7月份增加了1種；禾本科(Gramineae)物種數(shù)8月份比6月份增加了4種；薔薇科(Rosaceae)物種數(shù)8月份比6月份增加了2種。菊科和禾本科是物種數(shù)相對(duì)較多的科。此外,7月份比6月份新增加的物種來(lái)自香蒲科(Typha)、毛茛科(Delphinium)、白花丹科(Limonium)、百合科(Allium)；8月份比7月份新增加了錦葵科(Malvaceae)和桔?？?Campanulaceae)。這些新增加的植物物種是外圍草原進(jìn)入的非人工種植物種,它們以各種方式逐漸進(jìn)入礦區(qū)排土場(chǎng)復(fù)墾區(qū)。

表1 2021年植物物種數(shù)季節(jié)變化

2.2 植被蓋度

由圖3 可知,植被蓋度在生長(zhǎng)季呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)變化,最小值在6月上旬,蓋度為40%左右,隨后植被蓋度增加至9月下旬,最大值出現(xiàn)在9月下旬,蓋度為82%,然后下降至10月。其中6月上旬到6月下旬和8月上旬到8月下旬的增長(zhǎng)速度較快。

在不同的地形條件下,平面和坡面的植被蓋度沒(méi)有顯著的差異,但是,平面和坡面的植被蓋度均大于田字格的植被蓋度,并且具有顯著性(P<0.05)。其中平面的植被蓋度為(69.33±1.90)%,坡面的植被蓋度為(69.54±1.72)%,田字格的植被蓋度為(63±2.10)%(圖4)。

圖4 植被蓋度在不同地形季節(jié)變化Fig.4 The seasonal variations of plant cover under different terrains

2.3 植物群落多樣性

Shannon-Wiener多樣性指數(shù)和Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)是常見(jiàn)的反映物種多樣性的重要指標(biāo),Shannon-Wiener多樣性指數(shù)越高,表明群落物種不確定性越大,群落多樣性越高；Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)越大,表明植物群落內(nèi)不同種類生物數(shù)量分布越不均勻,優(yōu)勢(shì)生物的生態(tài)功能越突出。

2.3.1植物群落多樣性季節(jié)變化

樣地植物群落多樣性呈現(xiàn)明顯的季節(jié)變化規(guī)律。生長(zhǎng)季不同時(shí)期對(duì)Shannon-Wiener多樣性指數(shù)和Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)的影響均顯著(P<0.01)。Shannon-Wiener多樣性指數(shù)的季節(jié)變化表現(xiàn)為6月<7月<8月,在6月、7月、8月的取值分別為1.30±0.05、1.38±0.04、1.68±0.04；Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)的季節(jié)變化表現(xiàn)為6月>7月>8月,在6月、7月、8月的取值分別為0.41±0.02、0.38±0.01、0.29±0.01 (圖5)。

2.3.2地形對(duì)植物群落多樣性影響

由圖6可知,平面、坡面、田字格的Shannon-Wiener多樣性指數(shù)分別為1.39±0.07、1.32±0.06、1.04±0.08,平面和坡面的Shannon-Wiener多樣性指數(shù)不存在顯著差異,但平面和坡面的Shannon-Wiener多樣性指數(shù)均顯著大于田字格的Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(P<0.05)；平面、坡面、田字格的Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)分別為0.81±0.13、0.59±0.08、0.78±0.16,平面、坡面、田字格的Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)不存在顯著的差異,可見(jiàn)地形不是影響Simpson優(yōu)勢(shì)度的主要因素。

當(dāng)樣地為坡面時(shí),分別比較不同坡向與坡度的樣地的多樣性指數(shù),結(jié)果表明坡向?qū)χ参锒鄻有缘挠绊懖伙@著,坡度對(duì)植物多樣性的影響顯著。陰坡、陽(yáng)坡、半陰坡的Shannon-Wiener多樣性指數(shù)分別為1.52±0.07、1.47±0.06、1.40±0.08；Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)分別為0.33±0.02、0.34±0.02、0.38±0.03。Shannon-Wiener多樣性指數(shù)與Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù),陰坡、陽(yáng)坡、半陰坡的取值均不存在顯著差異(圖6)。

坡度對(duì)多樣性具有顯著影響。坡度≤20°樣地的Shannon-Wiener多樣性指數(shù)顯著低于坡度>20°樣地的Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(P<0.01)；坡度≤20°樣地的Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)顯著高于坡度>20°樣地的Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)(P<0.05)(數(shù)據(jù)未顯示)。同時(shí),不同季節(jié)坡度對(duì)多樣性的影響也有差異(圖6)。6月份和7月份坡度對(duì)多樣性的影響最顯著,8月份差異不顯著,其中6月和7月的Shannon-Wiener多樣性指數(shù)在11°<坡度≤20°顯著低于另外的三個(gè)梯度,Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)則正好相反。

圖5 植物群落多樣性季節(jié)變化Fig.5 The seasonal variations of plant biodiversity

圖6 地形因子對(duì)植物群落多樣性影響Fig.6 The effects of topographic factors on plant biodiversity

2.3.3不同播種、施肥和灌溉方式對(duì)植物群落多樣性影響

在栽植灌木的條件下,比較不同播種方式的樣地植物多樣性之間的差異(圖7)。研究結(jié)果表明：噴播加灌木栽植樣地的Shannon-Wiener多樣性指數(shù)最高,為1.67±0.11,高于條播加灌木栽植樣,以及條播和條播加撒播的播種方式。噴播加灌木栽植樣地的Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)低于條播加灌木栽植樣地的Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù),二者分別為0.29±0.04與0.36±0.01。

不同土壤施肥方式下植物群落多樣性沒(méi)有顯著差異,但是復(fù)合有機(jī)肥的土壤施肥方式下植物群落多樣性最高,最均勻(圖7)。同樣,不同灌溉方式對(duì)植物群落多樣性的影響差異也不顯著(圖7)。

圖7 恢復(fù)措施對(duì)植物群落多樣性影響Fig.7 The effects of planting methods on plant biodiversity

3 討論

通常情況植物群落組成越豐富,結(jié)構(gòu)越復(fù)雜,越穩(wěn)定。排土場(chǎng)的植物群落物種數(shù)、植被蓋度和群落多樣性隨復(fù)墾時(shí)間增加而顯著增加的趨勢(shì)。其中物種數(shù)增加主要是由于非人工種植植物增加導(dǎo)致,總物種數(shù)從2021年6月的21種增加到8月的30種,非人工種植物種數(shù)從6月的10種增加到8月的18種,分別增長(zhǎng)42.86%和80%(data not shown)。排土場(chǎng)植被復(fù)墾不僅顯著增加了物種的數(shù)量,也增加了來(lái)自其他不同科屬的植物物種。在所有調(diào)查的植物群落中,不同季節(jié)都是菊科、豆科、禾本科占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位(表1)。這幾個(gè)科的植物絕大部分都是先鋒物種,特別是豆科植物,本研究中的紫花苜蓿(Medicagosativa),沙打旺或紅豆草(拉丁名),草木犀(Melilotusofficinalis),為優(yōu)勢(shì)物種,它們能夠通過(guò)根瘤菌等生物固氮機(jī)制,促進(jìn)植物在土壤貧瘠的地方生存生長(zhǎng),提高生物量。李木楠[13]對(duì)人工植物群落類型、種間關(guān)系進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn),豆科植物由于其固氮能力高在礦區(qū)恢復(fù)中作用突出,人工植物群落的不同配置模式生態(tài)效應(yīng)差異明顯。植物生長(zhǎng)的生理過(guò)程,例如根系分泌不斷向土壤中輸入物有機(jī)和無(wú)機(jī)物質(zhì),通過(guò)植物凋落物歸還,改良土壤的物理、化學(xué)和生物性質(zhì),進(jìn)一步促進(jìn)植物的生長(zhǎng)和更新。金立群等[14]通過(guò)對(duì)高寒地區(qū)礦區(qū)植被恢復(fù)研究,發(fā)現(xiàn)恢復(fù)3年和5年的植被地上生物量顯著增加,并且土壤理化性質(zhì)隨恢復(fù)時(shí)間的增加逐漸改善。郝容等[15]通過(guò)對(duì)安太堡礦區(qū)多年的植被恢復(fù)動(dòng)態(tài)研究表明,人工植被可由單一物種發(fā)展為復(fù)雜物種組成并逐漸趨于動(dòng)態(tài)平衡。

排土場(chǎng)植被蓋度具有季節(jié)變化規(guī)律,同時(shí)受到地形因子的影響。植被蓋度是表征植物生長(zhǎng)狀況的一個(gè)重要指標(biāo),研究結(jié)果表明在田字格種植的植物蓋度顯著小于平面和坡。田字格是在平地加上“十”字的整地方式,平地種植草本,“十”字上種植灌木。田字格植物群落Shannon-Wiener多樣性指數(shù)顯著小于平面和坡面。主要原因可能是田字格雖然有利于截留降雨,但由于排土場(chǎng)土壤在整地過(guò)程中反復(fù)碾壓使土壤堅(jiān)硬緊實(shí)而干燥,入滲差,在夏季短時(shí)急降雨事件易導(dǎo)致季節(jié)性積水。因此田字格在高寒露天煤礦排土場(chǎng)初期植被恢復(fù)是否適合還有待進(jìn)一步深入研究。坡面的Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)小于平面和田字格,但平面、坡面、田字格的Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)不存在顯著差異,表明這三種整地方式對(duì)植物群落不同種類生物數(shù)量分布較均勻,優(yōu)勢(shì)物種的生態(tài)功能不突出。

調(diào)查樣地中外排土場(chǎng)排棄物料主要為深層地下沙土、砂巖、頁(yè)巖,物料自然安歇角33—35°,為改善施工條件、提高土壤壓實(shí)度,扎哈淖爾露天煤礦采用履帶推土機(jī)將排土場(chǎng)臺(tái)階坡面角降緩至20°左右。目前可以看到削坡工程措施有利于植被恢復(fù),因?yàn)?021年的調(diào)查樣地大于20°坡面顯著少于2020年樣地,這也是2021年監(jiān)測(cè)的植物物種數(shù)、蓋度、群落多樣性高于2020年主要因素之一。但同時(shí),也可能是我們研究中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)坡度顯著影響植物群落多樣性的原因之一。由此可見(jiàn),工程措施在植被恢復(fù)過(guò)程中的作用顯著,適當(dāng)削坡有利于植物生長(zhǎng)、蓋度增加以及物種多樣性提高。另外,本研究中坡向?qū)χ参锶郝涠鄻有缘挠绊懖伙@著,多樣性指數(shù)沒(méi)有受到坡向的影響。這可能與施工過(guò)程中不同坡向種子種類與播量完全相同有關(guān)。一般來(lái)說(shuō)不同坡向水熱條件具有一定差異[16]。金立群等[17]對(duì)青海江倉(cāng)礦區(qū)4個(gè)坡面(南坡、北坡、東南坡與東坡)研究發(fā)現(xiàn)不同坡向植被高度、蓋度、地上生物量、生殖枝數(shù)量具有顯著差異,東南坡與南坡(陽(yáng)坡)長(zhǎng)勢(shì)較好,因此需要在人工建植初期應(yīng)加大陰坡的種子播量。這對(duì)扎哈淖爾礦區(qū)的植被恢復(fù)也有一定參考價(jià)值。

大量的以植被建設(shè)為主的生態(tài)恢復(fù)研究表明,生物多樣性的恢復(fù)是區(qū)域生態(tài)健康和實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要指征[18—19]。生物多樣性不僅影響著生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力,同時(shí)也關(guān)系著生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性[20]。因此,探討人工恢復(fù)過(guò)程中植物物種多樣性的變化,有利于正確認(rèn)識(shí)人工植被恢復(fù)的生態(tài)學(xué)規(guī)律。不同播種方式也影響植物群落多樣性,噴播加灌木種植方式下植物群落多樣性指數(shù)高于條播加灌木栽植方式,可見(jiàn)選擇不同人工種植方式對(duì)排土場(chǎng)植被恢復(fù)效果具有重要影響。排土場(chǎng)的植被恢復(fù)在初期是人工恢復(fù)為主,生態(tài)修復(fù)方案以及人工管理措施決定了植被恢復(fù)的程度和效果。植被恢復(fù)是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程,隨著復(fù)墾時(shí)間的增加,先鋒植物通過(guò)生長(zhǎng)不斷改變土壤物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì),這些土壤性質(zhì)的改變反過(guò)來(lái)又會(huì)影響地上植被的生長(zhǎng)和群落組成。但是,不同植被類型對(duì)土壤物理性質(zhì)[21—23]、土壤酶活性[24—26]、土壤微生物群落組成和多樣性[27—28],都存在顯著差異,這種地上生態(tài)系統(tǒng)和地下生態(tài)系統(tǒng)緊密相關(guān)的植物-土壤反饋?zhàn)饔脵C(jī)理仍需要未來(lái)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)和進(jìn)一步研究。

主成分分析法可以通過(guò)降維的方式將影響植被恢復(fù)效果的因子總結(jié)歸納。研究結(jié)果由表2可知,研究區(qū)植被恢復(fù)的物種數(shù)、蓋度和多樣性指數(shù)等變量的95.93%的信息可由前3個(gè)特征值的主成分反映(表2),即對(duì)前3個(gè)主成分進(jìn)行分析已經(jīng)能夠反映數(shù)據(jù)的大部分信息。根據(jù)絕對(duì)值最大化原則進(jìn)行元素歸類,主成分I 的方差貢獻(xiàn)率為57.3%,其中灌溉方式、施肥方式和年際變化具有較高的正載荷,反映了生態(tài)恢復(fù)的具體人工措施(表3)；主成分Ⅱ的方差貢獻(xiàn)率為24.52%,坡向和坡度在該主成分中具有較高的正載荷,反映了生態(tài)恢復(fù)樣地的地形條件；主成分Ⅲ的方差貢獻(xiàn)率為14.11%,季節(jié)變化在該主成分中具有較高的正載荷,反映了實(shí)地調(diào)查生態(tài)恢復(fù)效果的時(shí)間因素(表3)。

表2 影響因素主成分分析的特征值和貢獻(xiàn)率

表3 影響因素主成分分析的因子載荷值

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期自然恢復(fù)的植物群落,物種豐富,群落具有較高穩(wěn)定性。已有研究表明人工恢復(fù)雖然短時(shí)間內(nèi)能改善礦區(qū)環(huán)境,但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看人工恢復(fù)植物種類少,抵抗外界干擾能力差,長(zhǎng)期的人工恢復(fù)也可能會(huì)造成植被退化[29—30]。但是排土場(chǎng)如果僅依賴自然恢復(fù)會(huì)需要很長(zhǎng)的時(shí)間恢復(fù)為穩(wěn)定的群落,因此需要人工促進(jìn)的措施加快植被恢復(fù)進(jìn)程。本研究發(fā)現(xiàn)原生草本植被群落的物種正逐漸進(jìn)入人工恢復(fù)為主的排土場(chǎng),增加了植物群落多樣性和穩(wěn)定性。由此可見(jiàn),排土場(chǎng)的植物群落在人工措施的基礎(chǔ)上沿著正向演替的方向發(fā)展。但是礦區(qū)環(huán)境惡劣,植被自然恢復(fù)效果差,恢復(fù)需要更長(zhǎng)的時(shí)間[31]。通過(guò)逐步回歸分析,季節(jié)變化顯著(P<0.05)影響植被恢復(fù),其他因素沒(méi)有達(dá)到顯著性水平。不同恢復(fù)時(shí)間,即年際變化,顯著影響群落物種數(shù),而季節(jié)變化(月變化)是影響植被恢復(fù)的主要因素。地形顯著影響植被蓋度,與坡向相比,坡度對(duì)植被恢復(fù)的影響更大,礦區(qū)的削坡整地措施非常有效。另外噴播加灌木栽植的播種方式有利于提高植物群落多樣性。因此,扎哈淖爾高寒露天煤礦的排土場(chǎng)植被恢復(fù)初期,不同生態(tài)恢復(fù)措施的選擇具有重要的意義。首先應(yīng)遵循植物生長(zhǎng)規(guī)律和物候變化,坡度不宜超過(guò)20°,多采用噴播和灌木相結(jié)合的播種方式進(jìn)行人工植被恢復(fù)。還要考慮如何人工與自然恢復(fù)相結(jié)合,近期與遠(yuǎn)期恢復(fù)目標(biāo)相結(jié)合,探索更適宜的恢復(fù)措施,加速礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)。