矿山边坡生态建设的植被特征与群落动态变化

易扬，王越，辜再元，祁有祥，高甲荣†

(1.北京林业大学水土保持学院，100083，北京;2.北京北林绿源生态技术研究院有限责任公司，100083，北京;3.江苏绿源生态技术研究院有限责任公司，214000，江苏无锡)

改革开放以来，我国采矿业迅猛发展，95%以上的能源、80%以上的工业原料以及70%以上的农业生产资料均来自于矿产资源［1］。采矿对于我国的国民经济发展起到了巨大支撑作用;然而矿山的大规模开采和固体废弃物填埋破坏、占用了大量土地，矿山开采之后的很长一段时间以内还会通过粉尘、潜在的酸性废水排放、地表径流、滑坡、塌陷等过程在此污染及破坏土地，并使周边的环境不断恶化。据统计，中国因采矿破坏的各类土地超过400 万hm2，并以1.3 万hm2/a 的速度增长，这使矿区成为资源、环境与人口矛盾相对集中显现的区域之一［2-6］。目前国内外大量学者就矿山植被建设展开了大量的研究:李保杰等［7］利用GIS 和景观生态学方法分析了江苏省徐州市九里矿区的景观格局变化和土地利用结构，发现土地复垦对该区的生态环境起到了一定的改善作用;Tian Dalun 等［8］研究了废弃矿山植被建设下的生物循环，发现人工植被修复能明显提高矿渣废弃地土壤微生物数量和酶活性;许小娟等［9］对海岛矿山生态修复边坡植物进行了调查，分析了植被恢复前后物种多样性的变化，提出了适宜当地的修复配置模式。但是，国内对于矿区土地修复后，一段时间以内的植被建设效果和生态系统稳定性的跟踪调查相对较少。

江苏省矿产资源发展迅速，开发利用程度较高，大面积闲置矿山废弃地是扬尘污染的元凶，不仅对生态城市的建设造成威胁，同时也造成大面积的土地闲置［10-11］。近年来政府针对这一现象开展了大量的矿山边坡绿化工程，部分项目已进入中后期阶段，迫切需要进行监测与评价，客观定量评估工程对矿山边坡植被恢复的影响，可为生态建设政策制订和管理提供科学依据。笔者以江苏省无锡市惠山区阳山镇废弃矿山为研究区，基于植被恢复指数、根系发育状况和植株越冬能力，定量评估实施植生基质喷射技术绿化工程后研究区植被建设的各种指数与根系发育状况，分析植被建设5 年内生态景观的变化，以期为当地生态植被建设规划等提供依据。

1 研究区概况

工程研究区位于江苏省无锡市阳山镇，紧邻锡宜高速公路，为原采石废弃宕口，地理坐标为E 120°6＇～120°7＇，N 31°34＇～31°35＇。海拔5 ～90 m，属北亚热带季风气候区，四季分明，无霜期长，热量充足，降水丰沛，雨热同季。年平均气温15.6 ℃，最高气温38.9 ℃(7 月)，最低气温-12.5 ℃(1 月)。年均日照时间1 983.8 h，年均降水量1 079.3 mm，年均降雨时间126 d，最大降雨强度100 mm/min，年均无霜期230 d。

2 研究方法

2.1 样地选择

长腰山紧邻锡宜高速公路，占地面积0.14 km2，由于长期的无序开采，山体大半被采掉，为改变采石宕口的不良环境，让土地得到充分的利用，无锡市国土资源局开展了采石矿区环境综合整治，工程耗时2 a，由2005 年10 月至2007 年10 月，工期约300 d。整治期工程步骤如图1，其中植生基材主要由有机质、无机矿物质、黏合剂、保水剂、稳定剂、土壤改良剂、生物菌肥、植物纤维等多种材料构成。喷洒物种主要选用适应当地环境且有较强适应力的植物，乔灌木物种为胡枝子(Lespedeza bicolor)、紫穗槐(Amorpha fruticosa)、山桃(Amygdalus davidiana)、伞房决明(Cassia tora)、臭椿(Ailanthus altissima)、刺槐(Robinia pseucdoacacia)、盐肤木(Rhus chinensis)，辅助种为马棘(Indigofera pseudotinctoria)、火棘(Pyracantha fortuneana)，草本植物主要为紫花苜蓿(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 年在选定的3 个样坡(1 号坡，坡向EW45°，坡度50°，平均土壤厚度12 cm;2 号坡，坡向SN40°，坡度55°，平均土壤厚度13 cm;3 号坡，坡向NW30°，坡度60°，平均土壤厚度11 cm)进行，每个样坡均匀选择5 个2 m×2 m 草本样方和5 个4 m×4 m 灌丛乔木样方作为定点研究，共30 个样方。每个样方内进行植被、地理信息和土壤调查。植被因子包括植物的密度、频度、高度、盖度及根系的长度和数量，地理信息包括坡度、坡向、平均土壤厚度。

图1 PMS 植生基质喷射技术体系Fig.1 PMS vegetative matrix jet technology system

2.2 植被生长状况指标计算

重要值

丰富度Margalef 指数

多样性Shannon-Wiener 指数

均匀度Pielou 指数

生态优势度Simpson 指数

式中:A 为相对多度;B 为相对显著度;C 为相对频度;N 为个体总数;S 为物种的数量;Pi=ni/N，为第i 个物种个体占物种总数的比例［12-13］。

3 结果与分析

3.1 植物恢复特征

3.1.1 群落物种的多样性 种群在群落内的作用各不相同，表现为种群在群落中的分布出现频率不同，多样性指数是单一统计量，是均匀度与物种的综合表现［14-15］。由表1 发现，边坡植被恢复3 年后，矿山内物种多样性得到了大幅的提高，并初步形成较为稳定的人工群落，群落层次结构分明，草本、灌木的搭配密度较合理，植被群落的生态功能逐渐趋于稳定。植被建设5 年后，物种数基本稳定在乔木8种，灌木6 种，草本7 种，共21 种，其中侵入乔木4种，灌木1 种，草本2 种。部分区域出现土壤生物结皮，此种结皮能够保持土壤稳定，减少风蚀和水蚀，固定大气中氮，积累土壤养分。还发现土壤中出现蚯蚓和蚂蚁的活动踪迹，这不仅能够促进有机残落物的机械破碎与消化分解，更能提高土壤肥力水平，对研究区生态恢复具有良好的促进作用［16-17］。植物群落的物种生态优势度呈现减少趋势，而均匀度指数、丰富度指数、多样性指数则均呈增加趋势。此外，对群落植物根系指标观测结果(质量、盖度、高度)说明:选取植物的适应性较强，抗逆性好，长势优良，灌木层植物以胡枝子优势明显，总排序为2，乔木层植物以刺槐为主，总排序为1，草本层植物则以狗牙根和紫花苜蓿优势度最大。

表1 矿山修复边坡植物群落物种多样性指数Tab.1 Diversity indices of restoration communities for the abandoned mine

3.1.2 几种主要植物根系特征 植物根系作为植物吸收水分及养分的重要器官，可以从土壤中吸收植物生长所必须的水分和养分，对增强土壤的抗侵蚀能力及抗剪切能力、改良土壤的结构和成分发挥着显著的作用［18-19］。对研究区30 个样方内最为常见的10 种植物，每种植物抽取10 ～15 株植物的根系进行调查(图2)，发现乔灌木根系主根较长，可以穿过基质层并伸入里层的沙质土壤，具有一定的深层锚固作用，能起到良好的固土护坡效果。草本植物的根须则发挥了浅层的保护作用。调查中发现矿山边坡植被修复的3 年内，随着恢复年限增加，植物的根系长度和数量也在增加，随后，部分草本植物的根系数量基本达到稳定。乔灌木中，刺槐的根系发育最好，而草本植物中，紫花苜蓿根系数量最多。总体而言，乔灌草植株的根系发展都较为良好，研究区配置的植物种类和组合搭配良好，已基本形成与区域环境、周围景观相协调的植物群落，展现立体的乔、灌、草、花层次，能取得良好的生态效益。

图2 乔灌草植物根系长度及数量Fig.2 Length and number of plant roots

3.1.3 植物个体越冬越夏表现 研究区常年冬季平均气温4.9 ℃，少有积雪，无积雪霜冻危害，且人工选用的植被中大部分植物耐寒耐旱适应性极强，表现良好。植被恢复3 年时，全年平均气温12.4℃，平均降水843.6 mm，长势优于其他年份，其中，乔灌木比草本强，刺槐、胡枝子和狗牙根表现突出。研究区夏季最热时月平均气温28.0 ℃，月平均降水量157.7 mm，少部分植物出现叶片萎缩，茎秆失水的现象，胡枝子和刺槐有少量落叶，出现季相适应性变化，大部分草本能较好地适应研究区温度;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温环境下越夏显得比较困难，高羊茅出现部分倒伏现象，波斯菊相较于其他禾本科和豆科植物而言，死亡植株更多。总的来说，大部分植株抗逆能力较强，能克服极端天气，边坡恢复效果良好。

3.2 植被群落动态特征

3.2.1 群落物种组成及重要值 不同恢复年限的边坡植被群落物种变化明显(表2)。最初1 年内，边坡植物物种组成较为简单，恢复1 年后，植被群落组成为7 科14 种，乔木以刺槐为主，均匀分布在坡面，其重要值为15.40%，灌木类植被以胡枝子长势最优，而最先出现的草本类植物主要为狗牙根、高羊茅和紫花苜蓿，三者的重要值之和为39.75%。恢复3 年后，植物群落逐渐丰富增加至9 科18 种，出现了乡土入侵植物，主要有桑树、火炬树、构树和冬青，它们的重要值之和为12.07%，所占比例不大。5 年后植被物种已经趋于稳定，共10 科21 种。人工播种的草本植物逐渐形成规模，入侵的乡土植物，尤其是其中的草本植物，也逐渐趋于稳定。入侵的灌木和草本主要有蔷薇科的月季、葡萄科的五叶地锦和野葡萄，通常分布在坡脚临近公路的地方，三者的重要值之和为9.13%，草本植物主要以多年生禾本科与豆科的狗牙根和紫花苜蓿居多，其重要值分别为11.11%和10.82%。它们的特点是种子小，数量众多且根系发达抗逆性强，其快速生长发育能够良好地固土保水，使研究区的植被恢复达到良好效果。播种的乔木、灌木与草本植物中主要优势物种分别为刺槐、胡枝子、高羊茅、狗牙根和紫花苜蓿，四者的重要值之和为49.14%。总体而言，研究区植被建设效果良好，与周围环境基本融为一体，并初步形成有较强固土护坡效果和较好景观效果雏形的以乔灌木为主、草坪地被植物为辅且基本上能达到免养护的植物群落。

3.2.2 植被恢复群落的空间层次分布 无锡阳山长腰山边坡绿化恢复的最初1 年内，植物群落中乔灌草各层的种群个体水平分布较为均匀，垂直分层不明显，乔木、灌木、草本高度差别不明显。矿山边坡植被恢复3 年后，开始逐渐有乡土植被入侵，主要表现为乔木种类增多，开始出现此处较为常见的桑树、火炬树、构树和冬青的幼苗，灌木层和乔木层区分不大，以胡枝子和刺槐长势最优，乔木层的优势树种刺槐平均胸径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、狗牙根和高羊茅占据较大优势且生长迅速，此时边坡植物群落的空间异质性相对增强，土壤中开始出现蚯蚓等土壤生物，边坡治理初见成效，形成了能在坡面存活并有一定护坡复绿效果的、物种搭配合理的先锋植物群落，靠近坡脚的植被群落发育较好，这可能与坡脚处水分较为充分有关。5 年后，植物群落中各种群的水平分布常表现为集群分布，草本层从较为均匀的状态逐渐形成镶嵌性的空间格局。

表2 矿山坡面植被恢复植物群落组成及重要值Tab.2 Composition and importance value of restoration community for the abandoned mine

4 结论与讨论

边坡人工植被建植5 年内群落物种、盖度和高度均有明显的规律性变化，恢复1 年内，群落垂直结果也不明显，组成简单，群落结构不稳定。乔灌木中，刺槐和胡枝子的长势优于其他物种。植被恢复3 年后，植被群落组成相对复杂，物种多样性丰富，开始有乡土入侵植物出现，但乔灌木层还是以刺槐和胡枝子为主，草本层中，高羊茅的数量锐减，以狗牙根和紫花苜蓿为主，此时草本层垂直分层较为明显。研究区边坡复绿恢复5 年后，植被建设效果良好，与周围环境基本融为一体，初步形成有较强固土护坡效果和较好景观效果的以狗牙根和紫花苜蓿+胡枝子+刺槐的免养护稳定植物群落。而且乡土物种桑树、构树、火炬树和葡萄科藤本植物的出现也进一步巩固了边坡植被群落的稳定性。

随恢复时段增长，研究区内出现小型昆虫，生物多样性提高。草本植物的根系发育逐渐稳定，植被恢复基本达到稳定。植株越冬越夏时，刺槐出现少量植株枯死和叶片萎缩，高羊茅出现部分倒伏现象，相较于其他物种波斯菊死亡数量较多，抗旱抗暑能力最弱;但总体上来讲，大部分植物能顺利越冬越夏，发育良好。植被恢复梯度上的优势种在群落中的地位和作用对整个群落的发育演替及环境演变起主导作用，豆科落叶乔木刺槐、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优势种的生态功能对群落的作用是不可替代的。4 种优势种中，3 种植物均属豆科，这也说明了豆科类植物能更好适应研究区的环境，无论是在早期或中后期的发育中，豆科植物都具有很好的耐干旱耐寒冷适应性极的特性。如今研究区内物种数基本稳定在乔木8 种、灌木6 种、草本7 种，共21 种，其中侵入乔木4种、灌木1 种、草本2 种，并初步形成有较强固土护坡效果和较好景观效果雏形的以乔灌木为主、草本植物为辅且基本上能达到免养护的植物群落。