趙曉英，朱成林，海鷹，成鵬，王伍，帕如扎·哈力木拉提

（1.新疆師范大學 生命科學學院，新疆 烏魯木齊 830054；2.新疆師范大學 地理科學與旅游學院，新疆 烏魯木齊 830054；3.烏魯木齊市氣象局，新疆 烏魯木齊 830002；4.新疆青河縣自然資源局，新疆 青河 836200）

近年來，礦產(chǎn)資源的開發(fā)為當?shù)亟?jīng)濟的快速增長做出了貢獻，但也帶來了生態(tài)系統(tǒng)受損、植被完全被破壞、環(huán)境失衡等問題。在礦產(chǎn)資源豐富的新疆阿勒泰地區(qū)，采礦造成的廢棄地面積非常大，僅青河縣阿葦戈壁的砂鐵礦廢棄地面積就達5萬多畝，2012年全縣形成的開采點近300處，成為新疆破壞面積最大、土地受損最嚴重的礦區(qū)之一［1］，已影響到當?shù)厣鐣?jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，急需盡快修復。

荒漠草地具有涵養(yǎng)水源、防風固沙、維持生物多樣性和固碳的功能［2］，但荒漠草地是較為脆弱的草地類型，一旦被破壞很難修復。在干旱且無灌溉條件的采礦廢棄地，能夠定居的植物是適應(yīng)這種極惡劣生境得以存活下來的植物，是礦區(qū)植被修復乃至生態(tài)修復的基礎(chǔ)［3-4］。有關(guān)森林帶礦區(qū)自然修復植物的研究較多［5-9］。在草原帶，山西省北部平朔礦區(qū)復墾地自然定居的植物達95種以上［10］，內(nèi)蒙古鄂爾多斯黑岱溝露天煤礦復墾區(qū)自然定居的植物達115種［11］，甘肅金昌龍首山礦區(qū)自然定居的植物有22種［12］。新疆阿爾泰山兩河源保護區(qū)采金廢棄礦區(qū)出現(xiàn)了羊茅、蒲公英等36種植物［13］。在荒漠區(qū)，新疆卡拉麥里自然保護區(qū)采礦廢棄地經(jīng)工程措施和補種措施后，修復地出現(xiàn)了梭梭（Haloxylon ammodendron）、針茅（Stipa capillata）、沙蔥（Allium mongolicum）等十幾種植物［14］。哈薩克斯坦雅庫特礦區(qū)在20年的演替中初期發(fā)生的植物有8種，以藜、禾草、柳、樺為主［15］。而在以干旱、冷涼為氣候特點的阿葦戈壁荒漠草地采礦廢棄地，自然定居植物的組成等群落特征不得而知。

一般來說，采礦廢棄地土壤中有各種植物的繁殖體，停止干擾后，一旦條件適宜，土壤種子庫中的種子或無性繁殖體會萌發(fā)成苗，繼而有可能存活并定居，為植物群落的構(gòu)建奠定基礎(chǔ)。文章以新疆阿勒泰地區(qū)青河縣阿葦戈壁砂鐵礦廢棄地為研究區(qū)，通過野外群落調(diào)查，回答以下問題：（1）荒漠草地采礦廢棄地在演替初期自然定居植物的群落特性；（2）自然定居植物的主要微生境。以探尋干旱地區(qū)采礦廢棄地演替初期植被自然組建的規(guī)律，為深入研究干旱冷涼地區(qū)受損荒漠草地的演替提供案例，也為同類地區(qū)植被修復植物種的選擇提供依據(jù)。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

青河縣阿葦灌渠渠首片區(qū)砂鐵礦青河縣阿葦渠首砂鐵礦位于青河縣阿葦戈壁，地理位置在46°20′58.4″N，90°09′15.6″E，為阿爾泰山前沖積洪積扇，位于額爾齊斯河以南，烏倫古河以北，海拔1163 m。該地區(qū)為干旱冷涼地區(qū)，年均降雨量177.1 mm，年均溫0.9℃，無霜期平均為161天（表1）。該礦區(qū)于2012年停產(chǎn)，區(qū)內(nèi)土地支離破碎，采坑一般深2～18 m，最深的達28 m，采坑周邊為采挖堆放的廢料堆，堆高一般4～16 m，最高的達34米，相關(guān)部門對其進行了一定程度的環(huán)境治理［1］。該區(qū)原生土壤為荒漠淡棕鈣土［16］，當初開采時深層土被上翻，現(xiàn)有表土為生土，據(jù)測定，土壤質(zhì)地為砂質(zhì)粘壤土，有機質(zhì)含量約為1 g/kg，pH值為8.19，鹽分含量為0.077%，有機碳為0.48%，有機氮為476μg/g，除了鋁含量略高外，土壤中其他重金屬均不超標［17］。原生植被為蒿屬荒漠，以纖細絹蒿為優(yōu)勢種［18］，礦區(qū)暫無用于植被恢復的灌溉用水。

表1 研究區(qū)水熱條件及與其他典型地區(qū)比較（1961—2019年，烏魯木齊氣象局）

1.2 調(diào)查方法

在2017年秋末及2018年4月全面踏查的基礎(chǔ)上，于2018年7月對采礦廢棄地及原生植被進行植物群落調(diào)查，并于2018年9月和2019年4、6月進行了補充調(diào)查。調(diào)查方法參考植物群落調(diào)查國標方法［19］進行。在采礦廢棄地視地形、植被稀疏程度、組成植物的生活型，每隔一定距離（10～100 m）設(shè)置相應(yīng)樣方，草本植物的為1m*1m的樣方，灌木的為5m*5m.原生植被相對比較均勻，視植被情況每隔50～100 m設(shè)置一個1m*1m或5m*5m的樣方［18］。記錄樣方中出現(xiàn)的每種植物并采集標本，后期根據(jù)《新疆植物志》鑒定命名。根據(jù)國標［19］測量樣方中每種植物的相對密度、相對蓋度和相對頻度，計算重要值，重要值=（相對密度+相對蓋度+相對頻度）/3.廢棄地共測樣方81個，原生植被共測44個。植物生活型依據(jù)《中國植被》［20］確定。觀察每種植物的物候和結(jié)種情況、自然定居植物中密度和蓋度最大并成片分布的植物發(fā)生的微生境。

2 結(jié)果與分析

2.1 自然定居植物的群落特點

對群落調(diào)查中所采集植物標本的鑒定結(jié)果表明，該廢棄地自然定居的植物共有56種，隸屬于19科45屬。從科的組成來看，菊科、藜科、豆科、禾本科、麻黃科、紫草科、唇形科的居多，分別占總種數(shù)的26.3%、21.1%、8.8%、7.0%、5.3%、5.3%、5.3%，其他科植物均不超過2種（表2）。這些植物中，重要值最大的5個種是霧冰藜、鹽生草、新疆豬毛菜、大籽蒿、粗喙蟲實，重要值分別為14.9、8.17、5.95、4.93、4.70，其次為纖細絹蒿，為4.39（附錄1）。

從生活型組成來看，廢棄地的一年生或兩年生植物種數(shù)最多，為23種，占總種數(shù)的41.1%，主要有霧冰藜、鹽生草、新疆豬毛菜、大籽蒿、粗喙蟲實等。兩年生草本植物只有大籽蒿和小甘菊2種。多年生草本植物為22種，占39.3%，主要有纖細絹蒿、大花霸王、戈壁針茅、地膚、鈍葉黃耆、鐮芒針茅、新疆亞菊、阿爾泰狗娃花等。灌木占17.9%，主要有蛇麻黃、灌木亞菊、駝絨藜、喀什菊、細子麻黃、木地膚等。喬木和藤本植物各有1種，分別為苦楊和戟葉鵝絨藤，二者共占3.6%（表3）。原生境占比最高的是多年生草本植物。

表2 砂鐵礦自然定居植物科的組成及與原生植被的比較

表3 砂鐵礦自然定居植物的生活型組成及與原生植被的比較

停產(chǎn)以來，廢棄地自然定居植物的群落平均總蓋度約為1%，總的來說植被極為稀疏，絕大多數(shù)植物為零星分布，平均每100 m2只有1～2株植物，只有個別地段的幾種一年生植物群落的蓋度較大，達到約20%.

自然定居植物中，有24種為非原生植被組成植物，占42.9%，其余均為原生植物群落的組成植物。從植物物候來看，采礦廢棄地自然定居的絕大部分植物均可開花結(jié)種，完成生活史。

2.2 自然定居植物的主要微生境

種群密度和蓋度最大、成片分布的植物有一年生植物霧冰藜、鹽生草和兩年生植物大籽蒿。成片生長的霧冰藜的生境主要為高大排土堆頂部的平坦地段、小排土包背風面或低洼處，以及復墾時推平的地段，蓋度可達10～20%，株高平均約為30 cm，有些地段最高的可達60 cm.在水分條件不佳的生境，霧冰藜長勢較弱，干旱來臨后成為立枯體。鹽生草成片分布的生境為復墾推平的地段，蓋度達10～15%，成片的大籽蒿主要分布在排土堆頂部的平坦地段，每100m2有4～5株。

粗喙蟲實發(fā)生在高大排土堆的中下部，呈條帶狀分布。新疆豬毛菜和角果藜往往伴霧冰藜而生，廣泛分布在各種生境。纖細絹蒿僅在高大排土堆的陽坡零星出現(xiàn)，在排土堆頂部較低洼的積水處出現(xiàn)了1株苦楊，叢生成片的柄囊苔草出現(xiàn)在土質(zhì)疏松、相連的小土包群，球果群心菜分布在小土包半陽坡迎風面的中、上部。

3 討論

3.1 自然定居植物的群落特點

植被覆蓋是景觀穩(wěn)定和防止水土流失的關(guān)鍵［21］，本研究中的阿葦戈壁采礦廢棄地停產(chǎn)7年來雖有植物發(fā)生，但平均總蓋度極低，僅為1%左右，遠比降雨不多但年均溫較高、地勢較平坦的卡拉麥里荒漠采礦廢棄地的低［14］，也比同為阿爾泰山，年均溫低、雨水充沛的兩河源采礦廢棄地［13］的低?？赡苁且驗椋旱谝?，阿葦戈壁采礦廢棄地位于阿爾泰山山腳，氣候干旱且年均溫低（表1），兩個關(guān)鍵生態(tài)因子——水和熱同時缺乏限制了植物萌生和繁殖更新擴展。第二，廢棄地主要為高大排土場，坡面很陡，不利于水土保持，使植物難以存活。第三，曾經(jīng)的采礦活動使原表土不復存在，土壤極為瘠薄。這些因素都不利于很多植物的生長、更新擴展和定居。若要加快荒漠草地修復，必須輔以人工措施。

該采礦廢棄地所在的阿葦戈壁，水熱條件惡劣，但即使在如此干旱、冷涼、風大的極端條件下，仍有56種植物自然定居，遠多于水熱條件相對比較好的卡拉麥里［14］和阿爾泰山兩河源［13］以及哈薩克斯坦廢棄地［12］的植物種數(shù)。可能是因為：阿葦戈壁原生植被為荒漠草地，較為平坦，采礦活動雖破壞了土表，卻營造出各種微地形，為耐擾動植物和外來植物的發(fā)生定居創(chuàng)造了特殊的條件，例如，某些徑流沖溝和低洼地出現(xiàn)了濕地蒿、多枝檉柳和苦楊，土壤疏松的某些地方出現(xiàn)了柄囊苔草和戟葉鵝絨藤。生態(tài)學演替理論認為，中度干擾下植物群落物種數(shù)多于演替頂級階段穩(wěn)定植物群落的［22-23］。本研究中的阿葦?shù)V區(qū)停產(chǎn)以來，雖然沒有了開礦作業(yè)的高強度頻繁干擾，但廢棄地仍面臨一定程度的自然擾動，例如，長年大風、排土堆陡坡的雨水沖蝕以及一定量的家畜采食踐踏等，這些干擾有利于多樣植物的發(fā)生定居。

本研究中的采礦廢棄地自然定居植物中，對植被覆蓋貢獻最大的是霧冰藜等一年生植物（附錄1）。一年生植物是全球荒漠植物區(qū)系的重要組成部分，在荒漠生態(tài)系統(tǒng)中具有重要的生態(tài)功能，在長期進化和自然選擇中形成了適應(yīng)荒漠區(qū)不確定性降雨［24-25］及耐鹽［24-25］機制。這些一年生植物在干旱來臨前開花結(jié)果，完成生活史，實現(xiàn)了種群的更新擴展。在干旱年份即便不能結(jié)種，也可形成立枯體。這些植物是植物生活史對策類型中的R對策植物，即耐擾動植物［26-27］。其優(yōu)勢在于可充分利用擾動后雖貧瘠但較疏松的土壤，種子萌發(fā)后很快生長，占據(jù)裸地，成為先鋒植物，其發(fā)生很大程度上依賴于稀少且不可預測的降水，因此不能形成穩(wěn)定的植物群落。但這些先鋒植物所形成的植被斑塊有利于種子截留，同時增加了地表粗糙度，減小了風蝕，為改善了土壤環(huán)境、促進種子萌發(fā)、營建動物棲息地奠定了基礎(chǔ)。其功能正如溫帶沙丘演替中的沙米（Agriophyllum squarrosum）［28-29］以及印度尼西亞采礦廢棄地的先鋒植物［9］。干旱冷涼地區(qū)采礦廢棄地植被修復可以考慮選用霧冰藜、鹽生草等一年生植物和兩年生植物大籽蒿作為先鋒植物，以加速植被修復進程。

自然定居植物中，占比最多的是多年生植物。多年生植物是植物群落構(gòu)建的關(guān)鍵，也是群落穩(wěn)定發(fā)展的基礎(chǔ)。原生植被的優(yōu)勢種纖細絹蒿，主要組成植物戈壁針茅、鐮芒針茅、駝絨藜在廢棄地已經(jīng)出現(xiàn)，密度和蓋度雖不高，但頻度較高，說明該廢棄地自然植物群落在向順行演替方向發(fā)展。當然，多年生植物只有當其密度和蓋度達到一定程度，才標志著穩(wěn)定群落的形成。因此，需要采取人為促進措施，補充并加快多年生植物的定居和繁殖更新，以加速廢棄植被修復。銳枝木蓼、木蓼、細子麻黃等灌木也已侵入廢棄地并定居，這都預示著該廢棄地植被是可以修復的。近些年，生態(tài)修復趨于近自然修復［30］，“自然”包括自然演替過程中不同演替階段定居植物的生活型組成，體現(xiàn)了群落構(gòu)成中植物生態(tài)位的組配。在植被恢復規(guī)劃中，植物種的選擇可效仿自然修復中對群落穩(wěn)定有重要意義的多年生植物種子，以提高干旱區(qū)植被修復的成效。

3.2 自然定居植物發(fā)生的微生境

在采礦廢棄地自然定居植物中，可成片生長，重要值最大的霧冰藜、鹽生草等一年生植物的生境為高大排土堆平坦的頂部、小排土包背風面及低洼處，在風的作用下這些微地形可匯集雪、雨，具較高土壤水分含量，從而有利于先鋒植物的發(fā)生。由此可見，在采礦廢棄地復墾治理時，地面并非越平坦越好，建議在治理施工時保留凹凸不平以及自然形成的垅和溝等微地形，以利于種子萌發(fā)和建苗，減小植被恢復成本，提高無灌溉條件下的植被修復成效。

該廢棄地為干旱冷涼地區(qū)（表1），生長季較短，4月中下旬植物才萌發(fā)返青，10月中旬生長季即結(jié)束。從植物發(fā)生的年際變化來看，并非每種植物在每年都出現(xiàn)，如多年生植物鈍葉黃耆和粗毛黃耆于2018年和2020年在采礦廢棄地未見任何蹤跡，但在2019年有一定量的分布，這可能與2019年降雨量大，溫度較高有關(guān)，具體機制還有待進一步研究。

4 結(jié)論

阿葦戈壁砂鐵礦停產(chǎn)7年來自然修復的植被蓋度約為1%，對植被覆蓋貢獻最大的有霧冰藜、鹽生草、大籽蒿、粗喙蟲實、新疆豬毛菜。廢棄地自然定居的植物共有56種，其中，一年生和兩年生草本植物占比最高，為41.1%，體現(xiàn)了演替初期耐擾動先鋒植物占優(yōu)勢的特點。多年生草本植物和灌木分別占39.3%和16.1%，預示該采礦廢棄地的順行演替趨勢。成片分布，種群密度最大的霧冰藜、鹽生草等植物發(fā)生的微生境為高大排土堆的頂部、背風低洼處以及復墾推平地。建議植被恢復時可以考慮選用對群落構(gòu)建和穩(wěn)定發(fā)展有重要意義的多年生草本植物和灌木，配以一年生和兩年生先鋒植物，同時輔以營造可集雪、集雨微地形的人工措施，以提高植被修復成效。

附錄1 廢棄地自然定居植物及其重要值

注：-為無該植物