易揚(yáng)，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(duì)于我國的國民經(jīng)濟(jì)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(shí)間以內(nèi)還會(huì)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(jì)，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(duì)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(duì)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(duì)海島礦山生態(tài)修復(fù)邊坡植物進(jìn)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(dāng)?shù)氐男迯?fù)配置模式。但是，國內(nèi)對(duì)于礦區(qū)土地修復(fù)后，一段時(shí)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(duì)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(yáng)塵污染的元兇，不僅對(duì)生態(tài)城市的建設(shè)造成威脅，同時(shí)也造成大面積的土地閑置［10-11］。近年來政府針對(duì)這一現(xiàn)象開展了大量的礦山邊坡綠化工程，部分項(xiàng)目已進(jìn)入中后期階段，迫切需要進(jìn)行監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)，客觀定量評(píng)估工程對(duì)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(píng)估實(shí)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(dāng)?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(biāo)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(shí)間1 983.8 h，年均降水量1 079.3 mm，年均降雨時(shí)間126 d，最大降雨強(qiáng)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(shí)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(jī)質(zhì)、無機(jī)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(dāng)?shù)丨h(huán)境且有較強(qiáng)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(gè)樣坡(1 號(hào)坡，坡向EW45°，坡度50°，平均土壤厚度12 cm;2 號(hào)坡，坡向SN40°，坡度55°，平均土壤厚度13 cm;3 號(hào)坡，坡向NW30°，坡度60°，平均土壤厚度11 cm)進(jìn)行，每個(gè)樣坡均勻選擇5 個(gè)2 m×2 m 草本樣方和5 個(gè)4 m×4 m 灌叢喬木樣方作為定點(diǎn)研究，共30 個(gè)樣方。每個(gè)樣方內(nèi)進(jìn)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(biāo)計(jì)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(shì)度Simpson 指數(shù)

式中:A 為相對(duì)多度;B 為相對(duì)顯著度;C 為相對(duì)頻度;N 為個(gè)體總數(shù);S 為物種的數(shù)量;Pi=ni/N，為第i 個(gè)物種個(gè)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(jì)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(dòng)蹤跡，這不僅能夠促進(jìn)有機(jī)殘落物的機(jī)械破碎與消化分解，更能提高土壤肥力水平，對(duì)研究區(qū)生態(tài)恢復(fù)具有良好的促進(jìn)作用［16-17］。植物群落的物種生態(tài)優(yōu)勢(shì)度呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，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(shì)。此外，對(duì)群落植物根系指標(biāo)觀測(cè)結(jié)果(質(zhì)量、蓋度、高度)說明:選取植物的適應(yīng)性較強(qiáng)，抗逆性好，長勢(shì)優(yōu)良，灌木層植物以胡枝子優(yōu)勢(shì)明顯，總排序?yàn)?，喬木層植物以刺槐為主，總排序?yàn)?，草本層植物則以狗牙根和紫花苜蓿優(yōu)勢(shì)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(duì)增強(qiáng)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(duì)研究區(qū)30 個(gè)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(jìn)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(hù)坡效果。草本植物的根須則發(fā)揮了淺層的保護(hù)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(dá)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?？傮w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(gè)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(qiáng)，表現(xiàn)良好。植被恢復(fù)3 年時(shí)，全年平均氣溫12.4℃，平均降水843.6 mm，長勢(shì)優(yōu)于其他年份，其中，喬灌木比草本強(qiáng)，刺槐、胡枝子和狗牙根表現(xiàn)突出。研究區(qū)夏季最熱時(shí)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。總的來說，大部分植株抗逆能力較強(qiáng)，能克服極端天氣，邊坡恢復(fù)效果良好。

3.2 植被群落動(dòng)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(shì)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(diǎn)是種子小，數(shù)量眾多且根系發(fā)達(dá)抗逆性強(qiáng)，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(dá)到良好效果。播種的喬木、灌木與草本植物中主要優(yōu)勢(shì)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%?？傮w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(qiáng)固土護(hù)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(dá)到免養(yǎng)護(hù)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(gè)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(shì)最優(yōu)，喬木層的優(yōu)勢(shì)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(shì)且生長迅速，此時(shí)邊坡植物群落的空間異質(zhì)性相對(duì)增強(qiáng)，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(hù)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(shì)優(yōu)于其他物種。植被恢復(fù)3 年后，植被群落組成相對(duì)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(shí)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(qiáng)固土護(hù)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(hù)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(jìn)一步鞏固了邊坡植被群落的穩(wěn)定性。

隨恢復(fù)時(shí)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(dá)到穩(wěn)定。植株越冬越夏時(shí)，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(shì)種在群落中的地位和作用對(duì)整個(gè)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(shì)種的生態(tài)功能對(duì)群落的作用是不可替代的。4 種優(yōu)勢(shì)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(qiáng)固土護(hù)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(dá)到免養(yǎng)護(hù)的植物群落。