張 昕，郭小平，李鵬飛，馮昶棟，郭 光

(北京林業(yè)大學水土保持學院，北京 100083)

我國煤炭資源豐富，主要集中分布在西北干旱、半干旱荒漠區(qū)，內(nèi)蒙古烏海市作為其代表之一，煤田面積達403.5 km2，占土地面積的23%[1-2]。由于長期開采煤炭而忽略環(huán)境保護與治理，導致一系列生態(tài)環(huán)境問題，特別是露天煤礦開采，在開采過程中造成大氣粉塵污染、生物多樣性銳減、土體結構破壞[3-4]。同時，由于大量棄渣棄石以排土場形式排放，占壓了礦區(qū)至周邊大面積土地資源，加之土壤結構穩(wěn)定性差，排土場邊坡極易受降雨徑流沖刷破壞，加速了土壤侵蝕，加劇了水土流失和土地沙化[5]，因此亟需對該區(qū)露天煤礦排土場進行生態(tài)恢復和重建。生態(tài)修復方式包括自然和人工兩種[6]。由于該區(qū)降水少，風沙大，生態(tài)系統(tǒng)脆弱敏感[7]，僅依靠生態(tài)演替難以在短期內(nèi)恢復到開采前的生態(tài)環(huán)境，因此多采取人工恢復方式[8]。近年來，從景觀結構和功能角度評價礦區(qū)恢復效果得到了越來越多的關注[9]。然而，以往研究多從植被配置結構、土壤質(zhì)量改善效果等單一方面進行評價[10-11]，而結合景觀結構特征、土壤穩(wěn)定狀況、土壤滲透性能及土壤養(yǎng)分循環(huán)活躍程度，綜合評價不同恢復模式下礦區(qū)排土場景觀功能修復效果的相關研究較少。此外，尚缺少統(tǒng)一的評價指標體系，常采用層次分析、模糊評價等[12-13]受主觀因素影響較大的定性評價方法。因此，為了使礦區(qū)景觀功能的評價結果更準確合理，筆者采用景觀功能評價法(landscape function analysis，LFA)[14]解決這一問題。該方法是一種操作簡單、受主觀因素影響小的半定量化評價方法，以地表水文過程為理論框架，以坡面為尺度，通過研究斑塊長度、面積及土壤性能綜合評價景觀功能。國外關于LFA方法的應用研究較多，主要集中于恢復退化草牧場及礦區(qū)廢棄地的景觀功能評價[15-17]，國內(nèi)關于該方法的研究和應用尚鮮見，主要集中于黃土區(qū)[18-19]，而西北干旱、半干旱荒漠區(qū)的相關研究嚴重缺乏。因此，有必要利用LFA方法評價該區(qū)不同恢復模式排土場景觀功能修復現(xiàn)狀并優(yōu)選模式以促進當?shù)氐V區(qū)生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。

鑒于此，該文在優(yōu)化LFA方法評價指標的基礎上，以烏海市境內(nèi)典型露天煤礦為研究區(qū)域，以天然灌草群落為對照，揭示礦區(qū)內(nèi)不同生態(tài)恢復模式排土場的景觀功能，以期為今后該區(qū)露天煤礦排土場生態(tài)恢復和重建制定合理的人工恢復模式提供重要理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)烏海市境內(nèi)，地理坐標為39°23′08.95″～ 39°42′42.34″ N，106°49′37.61″～106°54′33.26″ E，海拔為1 183～1 396 m，該區(qū)為中國典型干旱、半干旱荒漠區(qū)，自然條件惡劣，生態(tài)系統(tǒng)脆弱。氣候類型屬溫帶干旱半干旱大陸性氣候。年均降水量為159.8 mm，年均蒸發(fā)量為3 289 mm，降水多集中在6—9月。土壤類型主要為棕鈣土、風沙土。植被多具耐旱性、抗風性，主要植物種為四合木(Tetraenamongolica)、霸王(Sarcozygiumxanthoxylon)和油蒿(Artemisiaordosica)等，植被稀疏，以灌-草結構為主要植物群落特征。

研究區(qū)內(nèi)露天煤礦數(shù)量多，但由于生態(tài)恢復和重建工作開展較晚，已經(jīng)治理的排土場數(shù)量有限，普遍采取撒播草籽結合工程護坡措施的生態(tài)恢復模式并輔以人工灌水養(yǎng)護措施。因此，選取復墾3 a的5個典型露天煤礦排土場進行調(diào)查研究：新星煤礦排土場(1#)、齊峰煤礦排土場(2#)、老石旦煤礦排土場(3#)、廣納煤礦排土場(4#)和溫明煤礦排土場(5#)。礦區(qū)排土場呈3～7級階梯狀，覆表土厚度為15～30 cm，土壤質(zhì)地為砂質(zhì)壤土，養(yǎng)分含量低。坡面人工建植植被以鄉(xiāng)土草本居多，例如沙打旺(Astragalusadsurgens)、披堿草(Elymusdahuricus)和油蒿(Elymusdahuricus)等。

2 研究方法

2.1 樣地選取

調(diào)查研究于2018年7月開展，在5個露天煤礦排土場同一平臺內(nèi)，根據(jù)現(xiàn)有措施選取人工撒播草籽+植物網(wǎng)格護坡(模式Ⅰ)、人工撒播草籽+草簾覆蓋(模式Ⅱ)、人工撒播草籽(模式Ⅲ)、人工撒播草籽+磚砌框格護坡(模式Ⅳ)以及人工撒播草籽+磚砌框格護坡+土工網(wǎng)(模式Ⅴ)5種有代表性的人工生態(tài)恢復模式。由于自然條件下植被、土壤特征是適應當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的產(chǎn)物，是最穩(wěn)定且可持續(xù)發(fā)展的[20]，因此礦區(qū)排土場生態(tài)恢復應以當?shù)卦芯坝^功能為恢復目標，故選取四合木自然保護區(qū)、甘德爾山兩處遠離礦區(qū)受人類活動擾動較輕的天然灌草群落坡面作為對照。不同排土場及采取的恢復模式見表1。

表1 排土場恢復措施基本情況

2.2 LFA評價方法

2.2.1數(shù)據(jù)獲取

LFA方法的評價內(nèi)容包括景觀結構特征和土壤表層性能2個方面。每種人工生態(tài)恢復模式及自然對照組分別選擇6個坡面作為調(diào)查點，采用樣線法在每個調(diào)查坡面沿垂直于等高線方向隨機布設3條30 m長的樣線，記錄樣線所截斑塊數(shù)量、長度、寬度及斑塊間距離，用于評價景觀結構特征。與此同時，從每條樣線起點開始，每隔5 m在其兩側各布設1個5 m×5 m樣方，共5個，在樣方內(nèi)對土壤表層性能進行評價。同時在每條樣線起點和終點處分別用GPS定位儀和激光測距儀記錄海拔、坡向和坡度。共計布設126條樣線和630個樣方。

2.2.2景觀結構特征指標的計算

通過斑塊面積和景觀結構2個指標衡量坡面景觀格局特征，其計算公式為

A1=Ap/Am。

(1)

式(1)中，A1為斑塊面積指標，0

A2=lp/l1。

(2)

式(2)中，A2為景觀結構指標，0

A1、A2越大，表明斑塊面積和長度占樣線的比例越大，攔蓄儲存地表水土、有機質(zhì)等資源的能力越強，景觀結構越好。

2.2.3表層土壤性能指標的優(yōu)化與計算

表層土壤評價指標是土壤穩(wěn)定性指數(shù)(Sa)、土壤滲透性指數(shù)(If)和土壤養(yǎng)分循環(huán)指數(shù)(Ne)的綜合體現(xiàn)，評價內(nèi)容共有11項(表2)。

表2 表層土壤性能評價指標體系

Sa與雨滴濺蝕防護、枯落物狀況、隱花植被蓋度、結皮破碎性、土壤侵蝕類型及程度、沉積物、抗干擾能力和崩解系數(shù)相關，反映了土壤抵抗徑流沖刷和破壞的能力；If與多年生植被覆蓋度、枯落物狀況、地表粗糙度、抗干擾能力、崩解系數(shù)和土壤質(zhì)地相關，反映了土壤的入滲能力；Ne與多年生植被蓋度、枯落物狀況、隱花植被蓋度和地表粗糙度相關，反映了土壤與植被間的養(yǎng)分交換和利用能力。

基于對研究區(qū)內(nèi)自然植被群落及排土場坡面的實際調(diào)查與對比分析，由于研究區(qū)自然條件惡劣，植被整體蓋度較低，枯落物和隱花植被蓋度僅為28%和15%，而原始指標[21]中高達50%和100%，因此為了使評價結果更具實際意義，對枯落物狀況和隱花植被蓋度2個指標的分級賦分標準進行優(yōu)化調(diào)整。各指數(shù)計算公式如下：

假設某條樣線上斑塊和斑塊間共有n種類型，首先計算第j(1≤j≤n)種斑塊(或斑塊間)被樣線所截長度之和lj及占樣線長度的比例Pj=lj/li。

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

式(3)～(8)中，i為第i組實例，取值范圍為1～5；分母數(shù)字為分子各變量最大理論值之和；分子字母為各項評價內(nèi)容。

Sa、If和Ne取值范圍均為0～100，各項指數(shù)得分越高，表明土壤性能越優(yōu)良，土壤養(yǎng)分循環(huán)效率越快，入滲能力越高，抵抗降雨徑流侵蝕的能力越強。

2.3 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2010軟件統(tǒng)計坡面調(diào)查數(shù)據(jù)并計算評價結果，采用SPSS 21軟件對數(shù)據(jù)進行平均數(shù)檢驗及方差分析，對比分析不同生態(tài)恢復模式與景觀結構及土壤性能各項指標的關系。

3 結果與分析

各調(diào)查點景觀功能各項指標評價結果見表3。進一步對評價結果做多因素方差分析的結果(表4)表明，僅生態(tài)恢復模式這一因素對各評價指標的影響達顯著水平(P<0.05)，海拔、坡度和坡向立地條件因子對各評價指標的影響未達顯著水平(P>0.05)，說明該區(qū)露天煤礦排土場的景觀結構及土壤性能受生態(tài)恢復模式影響大，需進一步做具體分析。

3.1 不同生態(tài)恢復模式景觀結構特征

各生態(tài)恢復模式排土場的景觀結構特征存在差異(表5)。各模式A1由大到小依次為模式Ⅴ、Ⅰ、Ⅳ、Ⅱ和Ⅲ。其中，模式Ⅲ最低，模式Ⅴ最高，模式Ⅴ為其他生態(tài)恢復模式的1.6～3.2倍。模式Ⅱ、Ⅳ之間差異不顯著(P>0.05)。各模式A2由大到小依次為模式Ⅴ、Ⅰ、Ⅳ、Ⅱ和Ⅲ，模式Ⅴ為其他生態(tài)恢復模式的1.1～1.8倍。5種生態(tài)恢復模式的A1和A2分別為對照組的1.1～3.5倍和1.0～1.9倍，其中，對照組A1、A2顯著低于模式Ⅴ(P<0.05)，平均低71.1%和46.4%，而模式Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ景觀格局特征與自然群落較接近(P>0.05)，說明5種生態(tài)恢復模式均有助于該區(qū)排土場景觀結構的恢復與重建，模式Ⅴ的恢復效果最優(yōu)。

3.2 不同生態(tài)恢復模式表層土壤性能特征

土壤抵抗徑流沖刷破壞的能力與土壤穩(wěn)定性、土壤滲透性及土壤養(yǎng)分循環(huán)狀況密切相關。由表6可知，各生態(tài)恢復模式中，模式Ⅴ的Sa、If和Ne顯著高于模式Ⅲ(P<0.05)，分別為其1.8、1.7和2.4倍。各模式Sa由大到小依次為模式Ⅴ、Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ和Ⅲ，模式Ⅲ顯著低于其他恢復模式(P<0.05)，模式Ⅰ、Ⅱ和Ⅳ之間無顯著差異(P>0.05)。各模式If由大到小依次為模式Ⅴ、Ⅰ、Ⅳ、Ⅱ和Ⅲ，除模式Ⅱ和Ⅲ較接近外(P>0.05)，其他恢復模式之間均存在顯著差異(P<0.05)。各模式Ne由大到小依次為模式Ⅴ、Ⅳ、Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ，模式Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ之間均無顯著差異(P>0.05)。對比自然條件下表層土壤性能可知，5種生態(tài)恢復模式均對Sa、If和Ne有不同程度的影響，其中，模式Ⅴ對改善礦區(qū)排土場土壤性能作用顯著(P<0.05)，其Sa、If和Ne分別是其他模式的1.2～1.8、1.2～1.7和1.5～2.4倍，且比對照組高58.2%、55.7%和82.0%。

表3 景觀功能各項指標評價結果

表4 不同影響因子與評價指標的方差分析結果

表5 不同生態(tài)恢復模式景觀結構特征指標

表6 不同恢復模式土壤性能指標

3.3 不同生態(tài)恢復模式景觀功能綜合評價

為了綜合分析評價結果，運用最大方差法進行主成分分析，計算A1、A2、Sa、If和Ne的權重(表7)并用景觀功能指標(Fl)表示(表8)?？梢钥闯觯?種生態(tài)恢復模式下排土場Fl由大到小依次為模式Ⅴ、Ⅰ、Ⅳ、Ⅱ和Ⅲ，其中，模式Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ、Ⅴ均高于對照組，尤以模式Ⅴ最顯著，為對照組的1.6倍。盡管模式Ⅲ的Fl低于對照組，但差異未達顯著水平(P>0.05)，說明僅通過人工撒播草籽的方式已經(jīng)能實現(xiàn)以原有生態(tài)環(huán)境特征為標準的生態(tài)恢復目標。因此，5種生態(tài)恢復模式均有助于改善和恢復該地區(qū)露天煤礦排土場的景觀功能。其中，以人工撒播草籽+磚砌框格護坡+土工網(wǎng)模式的恢復效果最突出，是其他恢復模式的1.3～1.9倍，為對照組的1.6倍，可優(yōu)先考慮。

4 討論

筆者研究中不同恢復模式Fl由大到小依次為模式Ⅴ、Ⅰ、Ⅳ、Ⅱ和Ⅲ。除模式Ⅲ外，其他恢復模式Fl均高于對照組，說明生物與工程措施相結合的生態(tài)恢復模式優(yōu)于單一生物措施，更能有效促進并提高礦區(qū)受損生態(tài)系統(tǒng)的景觀功能，這一研究結果與魏忠義等[20]、趙新風等[22]的結論一致。一方面，這是因為排土場坡面撒播草籽增加了斑塊數(shù)量、種類與面積，同時植物根系增加了土壤孔隙度，增強了土壤滲透性，根系分泌物又促進土壤團聚體的形成，提高了土壤穩(wěn)定性[23]；此外，豆科植物增強了土壤固氮能力，枯落物分解后產(chǎn)生的有機質(zhì)又重新回到土壤[24]，兩者促進了土壤養(yǎng)分循環(huán)。另一方面，布設磚砌框格等工程防護措施在增強坡面穩(wěn)定性、減輕土壤侵蝕的同時，能夠作為斑塊有效攔截降水等自然資源，為植被生長創(chuàng)造良好生境。因此，恢復礦區(qū)排土場景觀功能，兼顧生物與工程措施的恢復模式比單一植物措施效果更佳。

表7 主成分分析因子得分系數(shù)及指標權重

表8 不同恢復模式景觀功能評價結果

筆者研究中共有4種生物與工程措施相結合的生態(tài)恢復模式：人工撒播草籽+植物網(wǎng)格護坡(模式Ⅰ)、人工撒播草籽+草簾覆蓋(模式Ⅱ)、人工撒播草籽+磚砌框格護坡(模式Ⅳ)、人工撒播草籽+磚砌框格護坡+土工網(wǎng)(模式Ⅴ)。其中，模式Ⅴ的Fl最突出，其次為模式Ⅰ和Ⅳ，兩者差異不顯著(P>0.05)，模式Ⅱ的Fl最低。分析原因發(fā)現(xiàn)，4種恢復模式采取的生物措施均為人工撒播草籽，植被類型主要為草本，灌木較少，無喬木，且各排土場植物種類接近，以鄉(xiāng)土植物居多，因此需進一步分析工程措施。模式Ⅰ和Ⅳ分別采用植物網(wǎng)格、磚砌框格進行坡面防護，本質(zhì)均為格狀框條護坡，旨在防治坡面侵蝕。而利用磚石材料的生態(tài)恢復模式Fl低于植物材料，原因是排土場在自然沉降過程中引起邊坡失穩(wěn)變形，擠壓磚砌框格致其變形和破損[25]，而植物材料受其影響較小。模式Ⅱ覆蓋草簾的主要目的是保水保土，為坡面植物萌發(fā)提供適宜環(huán)境，但由于缺乏對草簾的有效固定，大面積草簾受降雨徑流沖刷破壞并滑落，防護效果大幅度降低。模式Ⅴ在磚砌框格護坡的基礎上用土工網(wǎng)代替草簾，能夠在蓄水保土的同時增加坡面穩(wěn)定性，因此該種生態(tài)恢復模式下的排土場景觀功能最高。

人工撒播草籽+磚砌框格護坡+土工網(wǎng)生態(tài)恢復模式下的排土場景觀功能高于自然條件下的灌草群落，且其恢復效果明顯高于其他恢復模式，能夠有效改善景觀結構及表層土壤性能，恢復礦區(qū)生態(tài)環(huán)境。因此，LFA方法可以較好且較全面地對烏海市不同恢復模式露天煤礦排土場景觀功能進行評價，為篩選礦區(qū)適宜生態(tài)恢復模式提供理論支持。

5 結論

基于LFA評價方法，優(yōu)化了評價指標體系，揭示了烏海市典型露天煤礦5種生態(tài)恢復模式下的景觀功能，并以天然植物群落為恢復目標分析了排土場生態(tài)修復效果。結果表明，與單一植被模式相比，生物與工程措施相結合的生態(tài)恢復模式景觀功能更高，修復效果更好。與磚砌框格護坡相比，植物網(wǎng)格措施受排土場沉降擠壓變形的影響小，采用土工網(wǎng)代替草簾能較好地解決難固定易下滑的問題。5種生態(tài)恢復模式均有助于改善并提升礦區(qū)景觀功能，以人工撒播草籽+磚砌框格護坡+土工網(wǎng)模式最為突出。因此，應用LFA方法評價我國西北干旱荒漠區(qū)礦區(qū)生態(tài)恢復效果對于篩選適宜生態(tài)修復模式、實現(xiàn)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。