于 爽,朱 月,徐長(zhǎng)友,劉永杰,曾利學(xué),曲來(lái)葉

(1 牡丹江師范學(xué)院 生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,黑龍江牡丹江 157011;2 國(guó)家電投集團(tuán)內(nèi)蒙古能源有限公司,內(nèi)蒙古通遼028000;3 中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心,北京 100085)

露天煤礦具有安全高效、生產(chǎn)規(guī)模大、資源回收率高等特點(diǎn),目前已經(jīng)成為中國(guó)主要的煤炭開采方式。研究表明,中國(guó)露天煤礦的開采量從2003年開始不斷上升,這對(duì)于穩(wěn)定煤炭產(chǎn)能,保障國(guó)家能源安全發(fā)揮了重要作用[1]。然而在露天開采規(guī)模逐年增加的情況下,也對(duì)生態(tài)系統(tǒng)造成了嚴(yán)重的破壞,地表層已經(jīng)不利于植物的生長(zhǎng),減少了生物多樣性[2-5],因此植被恢復(fù)已經(jīng)成為露天煤礦生態(tài)恢復(fù)的首要工作。

植被恢復(fù)是指運(yùn)用生態(tài)學(xué)原理,保護(hù)現(xiàn)有的植被或者人工植被,利用植物自然的演替規(guī)律,去修復(fù)或重建已毀壞或破壞的森林和其他自然生態(tài)系統(tǒng),恢復(fù)生物多樣性及其生態(tài)系統(tǒng)功能[6-7]。植被恢復(fù)可以快速改變區(qū)域的微環(huán)境和小氣候,改良土壤結(jié)構(gòu),增加土壤抗蝕性,對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展有著深遠(yuǎn)影響[8-11]。陳璐等[12]研究表明,不同的恢復(fù)模式對(duì)植物、土壤以及微生物群落結(jié)構(gòu)都有不同影響。何旭東等[13]研究表明,不同地形以及坡向、坡度對(duì)植物的豐富度和蓋度有不同影響。韓軍旺等[14]研究表明,不同的配置模式結(jié)合,也會(huì)增加群落植被生物量。使用喬、灌、草多物種結(jié)合進(jìn)行植被恢復(fù),建立起來(lái)的植物群落穩(wěn)定性和可持續(xù)性比單一物種效果好,因此進(jìn)行植被恢復(fù)過(guò)程如何選擇適宜的植物種類并進(jìn)行合理配置,是露天煤礦排土場(chǎng)恢復(fù)的關(guān)鍵,也是重建穩(wěn)定生物群落的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。周濤等[15]研究表明,恢復(fù)時(shí)間的不同是影響植被恢復(fù)的重要因素之一,隨著恢復(fù)年限的增加,植物的生物量、高度、蓋度以及土壤理化性質(zhì)都有顯著增加和提高;隨著恢復(fù)年限的增加,群落物種多樣性也隨之增加。在植被恢復(fù)過(guò)程中,物種多樣性變化和群落特征變化是反映群落結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要指標(biāo),它不僅關(guān)系著生態(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)定性和復(fù)雜性[16-17]。

一些學(xué)者開展礦區(qū)開采后土壤重金屬污染的研究[18-21],但氮(N)、磷(P)、鉀(K)是植物營(yíng)養(yǎng)的三大要素,是植物生理和生長(zhǎng)的重要因子,對(duì)于植物恢復(fù)起著至關(guān)重要的作用[22-24]。對(duì)已經(jīng)在排土場(chǎng)上恢復(fù)的優(yōu)勢(shì)植物物種進(jìn)行地上和地下養(yǎng)分含量比較分析,可評(píng)價(jià)植被恢復(fù)效果,為后續(xù)植被恢復(fù)的物種選擇提供數(shù)據(jù)支持。目前,中國(guó)對(duì)于礦區(qū)植被恢復(fù)研究多數(shù)集中在溫帶以及亞熱帶地區(qū),對(duì)于北方干旱、半干旱區(qū)研究比較少,排土場(chǎng)土壤水分和養(yǎng)分條件很差,加之這一地區(qū)寒冷,植被的恢復(fù)相對(duì)更為困難,成為制約當(dāng)?shù)氐V業(yè)綠色發(fā)展的瓶頸[25]。

本研究選擇內(nèi)蒙古高寒露天煤礦的排土場(chǎng)2018年至2021年恢復(fù)4年的植物群落為研究對(duì)象,探討不同的恢復(fù)年限植物群落變化特征和優(yōu)勢(shì)植物的養(yǎng)分吸收,為礦區(qū)人工植被恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)和決策支持,對(duì)建設(shè)綠色礦山具有重要意義。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

研究地位于內(nèi)蒙古自治區(qū)通遼市的露天煤礦,包括霍林河南礦、北礦、扎哈淖爾煤礦、白音華二號(hào)礦和三號(hào)礦共5個(gè)礦區(qū)。地理位置為E118°15′56″-119°44′50″,N44°13′23″-45°58′46″,礦區(qū)平均海拔大于1 000 m。氣候特點(diǎn)為降水量少,平均年降水量約為380 mm;年際溫度變化大,最低氣溫達(dá)到-35 ℃,冬季嚴(yán)寒,凍結(jié)期長(zhǎng),土壤從10月上旬開始凍結(jié)至次年5月解凍,僅能滿足早熟喜涼作物生長(zhǎng)的需要[26]。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

分別選擇2018年、2019年、2020年和2021年礦區(qū)人工恢復(fù)的樣地,調(diào)查取樣時(shí)間為2021年6-8月。研究采用樣方法進(jìn)行隨機(jī)試驗(yàn),根據(jù)樣方選取的科學(xué)性和典型性原則,在5個(gè)礦區(qū)分別設(shè)置12個(gè)樣地,每個(gè)樣地面積大于100 m2,且樣地間距離大于1 km。在每個(gè)樣地內(nèi)隨機(jī)選取3～5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣點(diǎn),對(duì)樣地內(nèi)的草本(1 m×1 m)和灌木(5 m×5 m)分別進(jìn)行調(diào)查,記錄不同恢復(fù)年限人工種植與非人工種植植物的物種組成、高度、蓋度、冠幅和株數(shù)等,同時(shí)記錄樣地的坐標(biāo)、海拔和地形等基本信息。其中蓋度采用實(shí)測(cè)法進(jìn)行測(cè)算,將1 m×1 m樣方平均分成100份,當(dāng)垂直投影蓋度布滿1個(gè)格子時(shí),蓋度為1/100,樣地分別設(shè)置多個(gè)樣點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試,取平均值,匯總后推算樣地恢復(fù)的群落蓋度。

1.3 指標(biāo)測(cè)定

1.3.1 生物多樣性研究采用物種多樣性來(lái)表征植被恢復(fù)區(qū)的生物多樣性。多樣性指數(shù)是指用簡(jiǎn)單的數(shù)值來(lái)表示群落內(nèi)種類多樣性的,用來(lái)判斷群落或生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性指標(biāo)。采用Shannon-Weiner指數(shù),Simpson指數(shù),Pielou指數(shù)計(jì)算多樣性指數(shù)[27-28]。

Shannon-Wiener指數(shù)(多樣性指數(shù)):

(1)

Simpson指數(shù)(優(yōu)勢(shì)度指數(shù)):

(2)

Pielou指數(shù)(均勻度指數(shù)):

E=H′/lnS

(3)

式中:S為出現(xiàn)在樣方內(nèi)的物種數(shù);Pi為群落內(nèi)第i種物種的重要值。重要值是評(píng)估1個(gè)物種在1個(gè)群落中的重要性。

重要值=(相對(duì)蓋度+相對(duì)多度+相對(duì)頻度)/3;其中,相對(duì)蓋度=某一個(gè)種的蓋度/樣方內(nèi)所有種的蓋度之和;相對(duì)多度=某一個(gè)種的個(gè)體數(shù)/樣方內(nèi)所有種的個(gè)體數(shù)之和;相對(duì)頻度=某物種出現(xiàn)的樣方數(shù)/樣方總數(shù)。

1.3.2 生物量灌木生物量采用標(biāo)準(zhǔn)枝法進(jìn)行計(jì)算,草本生物量為整株計(jì)算。分別采集樣方內(nèi)的灌木和草本的優(yōu)勢(shì)物種,每種植物取3株以上作為重復(fù),將植株4 ℃保存盡快帶回實(shí)驗(yàn)室。將野外采回來(lái)的新鮮樣品,先稱量鮮重,然后將植物樣品按根、莖、葉分別裝入紙袋,放入烘箱60 ℃烘48 h至恒重,再用電子天平稱量干重[29-30],生物量測(cè)定均采用2021年的采集樣品。

1.3.3 元素含量植物全氮測(cè)定:將2021年采集的植物樣品,烘干后的植物樣品用球磨儀研磨粉粹,將植物樣品放入錫舟,包好后用元素分析儀(Vario EL Ⅲ,德國(guó)Elemenlar公司)測(cè)定樣品全氮含量。

植物全磷、全鉀測(cè)定:先稱取0.2 g樣品放入消解管底部,然后加入8 mL硝酸,放置通風(fēng)櫥過(guò)夜,再放入微波消解儀(Mars6Xpress,美國(guó)GEM)中消解,消解完全后將試管置于趕酸裝置(溫度140 ℃),至液體剩余約1 mL,趕酸。將試管里剩余液體用水洗定容至50 mL。

然后用注射器吸取10 mL,過(guò)45 μm過(guò)濾器至10 mL離心管中得到消解液。用P和K標(biāo)準(zhǔn)樣配好標(biāo)準(zhǔn)曲線,用ICP-OES(Prodigy7,美國(guó)Leeman 公司)測(cè)定樣品P和K含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

通過(guò)SPSS 26.0和R 3.4.3對(duì)植物的根、莖、葉的N、P、K元素進(jìn)行單因素方差分析,設(shè)置α=0.05;數(shù)據(jù)處理采用origin作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 群落物種組成和多樣性變化

對(duì)5個(gè)礦區(qū)植物恢復(fù)群落調(diào)查發(fā)現(xiàn),人工種植的植物(表1)和非人工種植植物(表2)物種數(shù)隨恢復(fù)時(shí)間變化而變化。在恢復(fù)第1年,人工種植植物有10種,非人工種植植物有6種,總物種數(shù)為16種;恢復(fù)第2年,人工種植有13種,非人工種植有16種,總物種數(shù)為29種;恢復(fù)第3年,人工種植有13種,非人工種植18種,總物種數(shù)31種;恢復(fù)第4年,人工種植有12種,非人工種植有19種,總物種數(shù)31種。

如表3所示,植物群落的多樣性指數(shù)也呈現(xiàn)出隨恢復(fù)時(shí)間增加而增加的趨勢(shì)。植被恢復(fù)1年的蓋度和多樣性指數(shù)最低,然后隨著恢復(fù)年限增長(zhǎng),蓋度越高,多樣性逐漸增加。雖然恢復(fù)4年的多樣性指數(shù)有微弱下降,恢復(fù)3年的Shannon-Weiner指數(shù),Simpson指數(shù),Pielou指數(shù)和蓋度均達(dá)到了最高值。

2.2 群落優(yōu)勢(shì)種及生物量變化

在調(diào)查的恢復(fù)群落中,優(yōu)勢(shì)物種為披堿草(E.dahuricus)、無(wú)芒雀麥(Bromusinermis)、苜蓿(Medicagosativa)、草木樨(Melilotusofficinalis)、沙打旺(Astragalusadsurgens)、大籽蒿(Artemisiasieversiana)、油菜(Brassicanapus)、錦雞兒(Caraganasinica)和沙棘(Hippophaerhamnoides)。草本的重要值高于灌木,草本重要值較高的物種分別為披堿草、苜蓿和草木樨;灌木重要值較高的物種為沙棘(表4)。相對(duì)于其他物種,恢復(fù)1年的披堿草重要值最高,恢復(fù)2年時(shí),豆科植物草木樨重要值大于披堿草;恢復(fù)第3年豆科植物的草木樨和苜蓿的重要值均超過(guò)披堿草;恢復(fù)第4年時(shí),沙棘重要值與前3年沒有顯著差異,但錦雞兒重要值顯著減小。隨著恢復(fù)年限增加,優(yōu)勢(shì)物種的重要值越小,說(shuō)明植物群落相比復(fù)雜。

對(duì)優(yōu)勢(shì)物種進(jìn)行植物特征分析,如圖1所示,植物生物量隨恢復(fù)年限的變化趨勢(shì)是先上升再下降?；謴?fù)第1年,生物量最低,顯著低于恢復(fù)2年、3年和4年的生物量(P<0.05),但恢復(fù)2年、3年和4年的生物量沒有顯著差異。對(duì)優(yōu)勢(shì)物種的根、莖、葉生物量進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),植物的莖大多高于根和葉,不同草本和灌木生物量差異顯著。在草本植物中,豆科植物草木樨和菊科植物大籽蒿生物量較大;在灌木植物中,沙棘生物量較大。豆科植物根生物量顯著高于非豆科植物(P<0.05)。不同植物的根冠比差異顯著,其中豆科植物苜蓿和沙打旺根冠比較高,顯著高于其他草本植物(P<0.05),是非豆科植物的3倍左右;其他科的物種根冠比沒有顯著差異(圖2)。

2.3 優(yōu)勢(shì)種N、P、K養(yǎng)分吸收差異

2.3.1 草本優(yōu)勢(shì)種N、P、K養(yǎng)分吸收差異如圖3所示,總體來(lái)說(shuō)大多數(shù)植物的葉片元素含量高于根和莖,不同草本植物的各器官吸收N、P、K元素含量不同,大籽蒿莖和葉片的N、P、K含量最高,禾本科植物各器官的N、P、K含量低于豆科植物。

根中N含量依次為沙打旺>苜蓿>草木樨>大籽蒿>無(wú)芒雀麥>油菜>披堿草;莖和葉片N含量依次為大籽蒿>草木樨>苜蓿>沙打旺>油菜>披堿草>無(wú)芒雀麥。

沙打旺、苜蓿、草木樨等豆科植物和菊科的大籽蒿葉片的N含量高于禾本科的無(wú)芒雀麥和披堿草以及十字花科的油菜(P<0.05)。

沙打旺根的P含量顯著高于其他植物,其他植物無(wú)顯著差異;莖和葉片P含量依次為大籽蒿> 沙打旺>草木樨>苜蓿>油菜>披堿草>無(wú)芒雀麥,其中菊科的大籽蒿和沙打旺、苜蓿、草木樨等豆科植物葉片的P含量顯著高于十字花科的油菜和禾本科的無(wú)芒雀麥和披堿草(P<0.05)。

沙打旺、草木樨、苜蓿和大籽蒿根的K含量顯著高于禾本科的無(wú)芒雀麥和披堿草,以及十字花科油菜(P<0.05);而大籽蒿莖和葉片的K含量最高,顯著高于其他植物。

2.3.2 灌木優(yōu)勢(shì)種N、P、K養(yǎng)分吸收差異如圖4所示,不同灌木植物吸收元素含量不同。沙棘莖N含量和P含量顯著高于錦雞兒(P<0.05);沙棘莖K含量略高于錦雞兒,但差異不顯著(P>0.05)。沙棘葉片的N、P、K含量略高于錦雞兒,但均不顯著(P>0.05)。

3 討論與結(jié)論

植被恢復(fù)和群落重建是礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié),植物通過(guò)根系分泌物和凋落物歸還不斷改善土壤質(zhì)量[31],土壤質(zhì)量的提高進(jìn)一步促進(jìn)植被生長(zhǎng)和恢復(fù),植被更新逐漸達(dá)到穩(wěn)定的演替階段[32-34]。根據(jù)群落演替規(guī)律,植被群落向著多樣性更高、更復(fù)雜、更穩(wěn)定的方向發(fā)展[35-37]。

本研究發(fā)現(xiàn)礦區(qū)排土場(chǎng)植物群落物種數(shù)、生物量和群落多樣性均隨恢復(fù)年限增加而顯著增加?？偽锓N數(shù)從恢復(fù)1年的16種增加到恢復(fù)4年的31種,這主要是由于非人工種植增多,從6種增加到19種而導(dǎo)致,特別是在恢復(fù)第2年增加顯著,然后逐年穩(wěn)定,這說(shuō)明恢復(fù)第2年是物種增加關(guān)鍵的時(shí)期。也說(shuō)明人工種植方式在恢復(fù)初期具有重要意義,當(dāng)有植被在排土場(chǎng)裸地成功定植之后,相鄰自然草原的物種會(huì)迅速擴(kuò)散到排土場(chǎng),提高排土場(chǎng)植被群落的物種數(shù);同樣地,植被生產(chǎn)力和蓋度也是恢復(fù)第2年顯著高于第1年,這可能都與物種數(shù)第2年顯著增加有關(guān);而群落多樣性只有香農(nóng)維納指數(shù)表現(xiàn)出相同的規(guī)律,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[38]。可見,排土場(chǎng)植被恢復(fù)在第1年實(shí)現(xiàn)了“零突破”,而在人工措施恢復(fù)1年的基礎(chǔ)上,第2年開始進(jìn)入迅速自我恢復(fù)的階段。但植被恢復(fù)是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程,金立群等[39]研究表明,恢復(fù)年限越久,越能發(fā)現(xiàn)群落變化的趨勢(shì)。根據(jù)復(fù)墾地時(shí)空異質(zhì)性的特點(diǎn),只有對(duì)其進(jìn)行長(zhǎng)期定位監(jiān)測(cè),才能反映出植被恢復(fù)過(guò)程的不同階段的效果。由于本試驗(yàn)研究地植被恢復(fù)僅4年,隨時(shí)間變化的規(guī)律仍需在更長(zhǎng)的恢復(fù)進(jìn)程去驗(yàn)證。

在恢復(fù)群落中禾本科、豆科和菊科植物是礦區(qū)植被恢復(fù)的優(yōu)勢(shì)類群,分別出現(xiàn)在不同的恢復(fù)時(shí)間,占據(jù)相對(duì)重要地位。在恢復(fù)初期,披堿草重要值最高,個(gè)體數(shù)量多,競(jìng)爭(zhēng)力最強(qiáng),適應(yīng)性最好,因而在裸地開始恢復(fù)時(shí)占據(jù)了優(yōu)勢(shì)。隨著恢復(fù)進(jìn)程的發(fā)展,有些豆科植物如草木樨、苜蓿數(shù)量開始增多,通過(guò)根瘤菌固氮機(jī)制,促進(jìn)植物在土壤相對(duì)貧瘠的排土場(chǎng)生存和生長(zhǎng),提高生物量。這與不同植物對(duì)干旱和貧瘠土壤的適應(yīng)性不同密切相關(guān),例如,本研究中的豆科優(yōu)勢(shì)植物苜蓿、沙打旺和草木樨,生物量和根冠比顯著高于其他科物種,這表明整株豆科植物具有更高的生長(zhǎng)速率、固碳能力以及養(yǎng)分吸收能力,雖然排土場(chǎng)土壤水分和養(yǎng)分受限,豆科植物分配更多的碳水化合物用于根生長(zhǎng),但地上生物量仍顯著高于其他物種,因而占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位。這種適應(yīng)性使豆科植物在排土場(chǎng)初期具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力,成為先鋒物種。有研究表明,豆科植物因C/N較低,分解后增加了土壤N素的積累,能夠適應(yīng)缺水和貧瘠的環(huán)境條件,在礦區(qū)植被恢復(fù)演替早期階段,常常被選作先鋒植物[7,40]。比較不同植物N、P和K元素含量發(fā)現(xiàn),豆科和菊科植物養(yǎng)分吸收能力較強(qiáng),顯著高于禾本科植物,特別是地上部分經(jīng)和葉片的元素吸收更加顯著。

豆科在元素含量吸收以及生物量方面高于禾本科,這可能與豆科植物能夠通過(guò)根瘤菌固氮的方式,在恢復(fù)初期土壤養(yǎng)分相對(duì)貧瘠的情況下依然能夠固定更多氮,將更多的碳固定在植物體內(nèi),因此在草本植物種,豆科可以作為首選植物。除此之外,選取的礦區(qū)種植灌木種類比較少,與錦雞兒相比,沙棘更適應(yīng)排土場(chǎng)的生境,為群落灌木優(yōu)勢(shì)物種。從生物量以及元素吸收看,沙棘可以在短時(shí)期內(nèi)形成郁閉,并有效起到土壤培肥和水土保持作用,可優(yōu)先用于露天煤礦排土場(chǎng)的植被恢復(fù)。多年生灌木比草本植物的生活史更長(zhǎng),根系更發(fā)達(dá),在抗旱、水土保持以及防風(fēng)方面更有優(yōu)勢(shì)[41],因此灌草混合的配置模式適合礦區(qū)排土場(chǎng)的人工恢復(fù)。但本研究恢復(fù)年限還相對(duì)較短,未來(lái)建議開展長(zhǎng)期和深入的調(diào)查研究,探討植物恢復(fù)規(guī)律,評(píng)估喬—灌—草配置結(jié)合的方式進(jìn)行植被恢復(fù),探索更適宜的恢復(fù)措施,加速礦區(qū)生態(tài)恢復(fù),把人工植被和自然恢復(fù)有效結(jié)合起來(lái),制定科學(xué)的植被恢復(fù)措施和生物多樣性保護(hù)措施。

本研究表明,露天煤礦的植被恢復(fù)已經(jīng)起到了一定的效果,特別是恢復(fù)的第2年,群落的物種數(shù)、生產(chǎn)力、蓋度和多樣性均會(huì)顯著升高,因此,人工恢復(fù)措施對(duì)于礦區(qū)排土場(chǎng)的生態(tài)恢復(fù)具有重要作用。而優(yōu)勢(shì)物種的選擇也很重要,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。從4年的恢復(fù)實(shí)踐發(fā)現(xiàn),基于植物生物量和元素吸收的比較,豆科植物占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位,是礦區(qū)排土場(chǎng)干旱貧瘠土壤上植被恢復(fù)的優(yōu)先選擇。

致謝：感謝國(guó)電投內(nèi)蒙古能源公司的白培龍、賀希格圖、李苗苗、李念航、李云峰、李忠、王志超、吳云鵬,牡丹江師范學(xué)院楊漫以及云南大學(xué)俞琦在樣品采集和分析測(cè)試過(guò)程中提供的幫助。