不同恢复年限矿山排土场植物群落特征

2019-07-20苏正安何周窈杨鸿琨王晓艺

草业科学 2019年6期

周涛，苏正安，何周窈,3，杨鸿琨,4，王晓艺,5

（1.中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所 / 中国科学院山地灾害与地表过程重点实验室，四川成都 610041；2.中国科学院大学，北京 100049；3.四川农业大学林学院，四川成都 611130；4.西南石油大学地球科学与技术学院，四川成都 610500；5.四川农业水利水电学院，四川雅安 625014）

随着矿产资源不断被开发和利用，形成了一系列大型矿山排土场，产生了大量的生态环境问题。矿山排土场作为矿产开采的衍生物，具有高差大、松散物质多、人为扰动剧烈等特点，边坡极易形成切沟，并引发严重的水土流失问题，甚至引起滑坡、泥石流等次生地质灾害问题[1-2]。与此同时，由于当今冶炼技术限制，矿物质的提取技术并不完善，开采后的弃石弃土富含多种重金属元素，从而污染下游农田、河流，并对人类身体健康产生严重的危害[3]。

矿山排土场的生态复垦已成为广大科研工作者的共识[4-5]。生物措施与工程措施是矿山排土场最主要的两种防治措施。生物措施一方面可以快速恢复植被，增加植被盖度，从而减少水土流失[6]；另一方面还可以利用植被快速改变区域的微环境和小气候，改良土壤结构，增加土壤抗蚀性。由此可见，选择适宜的植被对生态修复可达到事半功倍的效果[7]。目前国内外学者对矿山排土场等废弃地的环境问题做了大量研究，主要涉及矿山排土场土壤侵蚀机理[8]、边坡稳定性分析[9]、重金属污染[10]、滑坡灾害防治和生态修复[11-12]等方面，并已提出采用工程措施与植物措施相结合的治理方法。但针对干热河谷等特殊生境下的矿山排土场生态恢复的研究不够系统：1)干热河谷区的生态修复多集中于该区自然存在的恶劣的特殊生境[13]，极少聚焦于矿山这类强烈人类活动形成的特殊生境；2)干热河谷区矿山生态修复的研究对象多集中于尾矿库和大范围矿区[14-15]，而对排土场环境问题的定量研究则相对较少；3)矿山排土场的生物防治措施中经常引入外来种，缺乏对乡土物种的重视，且往往注重短期快速恢复，忽视了植被恢复过程中植被的竞争关系。

本研究采用群落样方调查方法对攀枝花地区钒钛磁铁矿区不同恢复年限的矿山排土场进行植被调查，并运用重要值、多样性指标和群落相似性等指标，分析四川省西南区金沙江干热河谷矿山排土场上的植物优势种以及群落演替特征，以期为该区矿山排土场进行生态恢复和水土流失防治提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 调查区域概况

攀枝花市地处四川省西南区 (26°05′－27°21′ N，101°08′－102°15′ E)，攀西大裂谷中南段，属干热河谷气候[8]，年均气温为17.5～21.0 ℃，年均降水量800 mm，无霜期350 d以上，且降水量高度集中于雨季，日照充足，蒸发量大，垂直气候差异显著，土壤类型主要为红壤和黄红壤[16-17]，区域内山地丘陵、河谷平原及盆地交错分布，地形十分复杂，呈西北向东南倾斜的大致特点，相对高差较大。攀枝花市矿产资源丰富，富含钒钛磁铁矿、赤铁矿等矿产，同时伴生有铬、钪、钴、镍、镓等多种矿物，为我国四大铁矿区之一。本次调查的排土场所属矿山为攀钢矿业公司兰尖铁矿区和龙蟒矿冶有限责任公司的红格北矿区，兰尖铁矿是攀钢主要的原料供应基地，是全国主要的十大露天铁矿之一，于1970年开始生产，目前已进入中深部及地下开采，属于典型的老矿山；红格矿区包括南矿区和北矿区，属于攀枝花－西昌地区四大钒钛磁铁矿矿区之一，2006年底，攀西红格矿业公司正式取得北矿区保有储量16.1亿t中的6.1亿t、有效期20年的新立采矿权，是新矿山的代表。

本次调查的矿山排土场位于盐边县新九乡龙蟒矿山红格北矿区东排土场，包含李家河和高涧槽两个排土场，以及攀枝花市东区兰尖铁矿区肖家湾排土场。高涧槽排土场使用时间为2006－2010年，至2010年11月末，高涧槽排土场完成1 850、1 820、1 800、1 770和1 740 m共5个水平的堆弃，最高标高1 850 m，最低标高1 700 m，排土总高度150 m；李家河排土场使用时间为2010－2013年，共有1 760、1 800、1 840和1 880 m共4个水平的堆弃，最高标高1 880 m，最低标高1 670 m，排土总高度210 m，容积1 216万m3，实际堆弃833万m3，与高涧槽均为一类排土场设计等级；肖家湾排土场是攀钢矿业公司兰尖铁矿最早的排土场之一，位于兰尖矿场的西南侧，排土场面积约90万m2，堆积废石约4 000万m3，相对高差约350 m。排土场的堆砌按照分层堆放、分层碾压原则，每层土体高度为30～50 m，坡度均约为38°，具有砾石含量高、保水保肥能力差、边坡土质疏松易流失等特点[18]。排土场排土完成后都需要进行相应的覆土和绿植，植物主要选择当地乡土物种为主，同时配植了一定的外来种。主要以木豆(Cajanus cajan)、扭黄茅(Heteropogon contortus)为主。

1.2 研究方法

1.2.1 植被调查方法

排土场具体情况如图1所示，以矿山排土场恢复年限为基准，将调查区域分为恢复年限1、4、5和10年共4个排土场，分别对应图1中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ。其中恢复年限为1和10年的矿山排土场位于攀钢集团的攀枝花钒钛磁铁矿区 (26°36′40″ N，101°44′17″ E)，恢复年限为 4 和 5 年的矿山排土场位于龙蟒集团的红格钒钛磁铁矿区(26°37′27″ N，101°59′55″ E)，两个矿区直线距离约 26.4 km。排土场建造时依据其自然休止角，坡度为38°左右。采用典型样地法对各排土场植物群落进行调查，样方的选择布设遵循全面性、代表性和典型性等原则，同时兼具灵活性。在各排土场上随机选择典型区域进行样方调查，灌木样方大小为4 m × 4 m，草本样方大小为1 m × 1 m，调查过程中依据群落特征调整样方位置和数量，记录样方中各物种的名称、高度、盖度和数量等信息。恢复年限为1年的排土场坡面植被配置简单均匀，基本全为灌木，设置3个4 m × 4 m的样方；恢复年限为4、5和10年的排土场灌乔木均处于幼年期且数量少，故样地均布设为草本样方，依据样方布设原则分别随机布设28、25、10个1 m × 1 m的样方。

1.2.2 数据处理

样方调查数据采用Excel 2013进行整合处理，并用SPSS 22.0对数据进行相关统计分析。

依据《数量生态学》[19]中表示植被多样性的相关数学方法，选用重要值表示物种的优势程度，Simpson指数(D)和Shannon-Wiener指数(H)表示群落中物种的多样性特征，Pielou指数(E)和修正的Hill指数(E′)表示群落中物种的均匀程度。相关计算公式如下：

Simpson多样性指数：

Shannon-Wiener多样性指数：

Pielou均匀度指数：

修正的Hill指数：

式中：Pi表示物种i的重要值占群落中所有物种重要值之和的比例；S表示群落中的物种数[20]。

1.2.3 群落相似性

群落相似性采用Jaccard系数法进行计算[21]，公式如下：

图1 调查区域概况Figure 1 Overview of study areas

式中：a表示两个群落中共有的物种数；b表示存在于群落A中但不存在于群落B中的种数；c表示存在于群落B中但不存在于群落A中的种数。

根据Jaccard相似性原理[22]，将群落相似性系数r分为4个区间表示不同的相似程度：0.00～0.25、0.25～0.50、0.50～0.75、0.75～1.00 分别代表极不相似、中等不相似、中等相似、极为相似。

2 结果与分析

2.1 矿山排土场的植被物种组成及重要值

钒钛磁铁矿区矿山排土场的植被组成情况如表1所列。调查区域内共出现36种植物，分属14科35属，其中以禾本科、菊科和豆科植物为主，分别占物种总数的36.11%、22.22%和8.33%，可见这3科植物在矿山排土场植被恢复过程中占据重要地位。此外，植被恢复过程中还有大戟科、苋科、茄科、藜科、蝶形花科、无患子科、酢浆草科、锦葵科、萝藦科、紫茉莉科和夹竹桃科等物种存在。

不同恢复年限的矿山排土场的物种数和植被类型具有明显差异。恢复年限为1年的矿山排土场仅出现6种植被，多以灌木的形式存在(4种)，且豆科植被最多，占该排土场物种数的33.33%。恢复年限为4年的矿山排土场出现的物种较多，调查显示，共有24种，草本共19种，占该排土场物种总数的79.17%，其中多年生和一年生的草本分别有10、9种；该排土场的植被以禾本科和菊科植被为主，分别占该排土场物种数的37.5%、20.83%，表明禾本科和菊科植被在该排土场上为群落建群种和优势种。恢复年限为5年的矿山排土场共有植被18种，以草本植被为主(16种)，所占比例高达88.89%，其中扭黄茅、白茅等多年生草本在该排土场适应度最佳；植被类型以禾本科和菊科植被为主，物种数均为7种，与恢复年限为4年的排土场植被数量相比，禾本科植被减少2种，菊科植被增加2种。恢复年限为10年的矿山排土场相对于恢复年限为4、5年的植被数量有所减少，调查中共出现7种植被，以草灌搭配的形式出现，草本5种，灌木2种；草本植被中禾本科植被占据重要地位，共出现3种，占草本物种数的60.00%。综合来看，在矿山排土场植被恢复过程中禾本科和菊科植被占据优势地位，其中禾本科在该环境中生存能力更强。

从生活型上的物种分布来看，矿山排土场的植被以草本为主，共计26种。草本物种分为一年生和多年生两类，其中以多年生草本植物分布最多，共计14种，占草本物种总数的53.85%，物种总数的38.89%；灌木数少于草本，主要有8种，分别为木豆(Cajanus cajan)、银合欢(Leucaena leucocephala)、猩猩草(Euphorbia cyathophora)、车桑子(Dodonaea viscosa)、黄花稔 (Sida acuta)、牛角瓜 (Calotropis gigantea)、三角梅(Bougainvillea spectabilis)和夹竹桃(Nerium indicum)；乔木分布最少，仅有银荆(Acacia dealbata)和相思树(Acacia confusa)两种。

不同恢复年限的矿山排土场植被物种重要值之间具有差异性。结果表明，恢复年限为1年的排土场中仅存6种植被，优势物种为木豆和车桑子，重要值分别为31.65%和23.32%，2种灌木植被重要程度占据一半以上，此类现象是人工干预，对排土场进行植被配置的结果所致；恢复年限为4年的排土场中，优势物种以扭黄茅和芦苇为主，重要值分别为19.61%和17.34%，且这两种植被在该样地内广泛存在；恢复年限为5年的排土场中，优势物种为歧茎蒿、碱蓬和扭黄茅等，重要值分别为17.99%、17.37%和15.44%，其重要程度远超其他物种；恢复年限为10年的排土场中，植被相对较少，但各物种具有明显的重要程度差异，优势物种以扭黄茅和芦苇为主，其重要程度为其他物种的2.18～19.51倍。植被群落中优势种的重要值大小一定程度上反映了群落的复杂程度[23]，综合比较4个不同恢复年限的矿山排土场优势种的重要程度，恢复年限为4、5年的矿山排土场优势种重要值较小，植被群落相对复杂。

2.2 不同恢复年限矿山排土场的物种多样性

不同恢复年限矿山排土场植被群落类型和多样性特征如表2所列。不同恢复年限的矿山排土场群落类型之间存在很大差异，除了恢复年限为1年的排土场群落类型为灌木外，其他排土场均为草本层群落，群落中多以禾本科植被为主，且扭黄茅是矿山排土场植被恢复过程中常驻物种。物种数随恢复年限延长呈现先增加后减小的趋势，排土场植被恢复中期物种数最多，共有24种，分别是恢复年限为1、10年排土场的4、3.43倍。植被总盖度表现为随着恢复年限的增加而增加的趋势，恢复年限4年和5年时总盖度比较接近，并在10年时植被盖度达到最大，为85%。

表1 矿山排土场植被物种组成及其重要值Table 1 Vegetation composition and its importance value of mine dumps

续表1Table 1 (Continued)

Simpson多样性指数和Shannon-Wiener多样性指数在排土场植被恢复过程中均呈现先增加后减小的趋势，且在恢复年限为4年的排土场中达到最大，多样性指数分别为0.88、2.24。随着时间的增加，多样性指数有所下降，这种现象表明排土场植被恢复前期物种生长出现到后期竞争淘汰的过程。Pielou均匀度指数在排土场植被恢复过程中有减小的趋势，恢复年限为1年的矿山排土场植被群落的Pielou均匀度指数显著大于恢复后期植被群落的Pielou指数(P＜ 0.05)，前期均匀度较高与人工植被配置有关，后期均匀度降低并存在微小浮动，但不存在显著差异，Pielou均匀度指数从不同物种多度分布的均匀程度表征出物种竞争演替的过程。各样地中修正的Hill指数较小，不同恢复年限的矿山排土场之间差异不显著(P＞ 0.05)。总体来看，随时间的变化，植被恢复演替过程中存在长期的生长适应和种间竞争的关系，最后趋于稳定，该环境的优势物种生存下来，逐渐趋于均匀分布。

2.3 不同恢复年限矿山排土场的群落相似性

据Jaccard相似性原理可知，此次调查的4个样地中仅存在极不相似和中等不相似2个类别(表3)。恢复年限为1年的排土场与恢复年限为4、5和10年的排土场的相似性系数随恢复年限的增加而增加，但群落之间相同物种数均为2，群落间的相似性主要与群落物种总数有关，相似性系数均小于0.25，群落之间表现为极不相似。与此同时，恢复年限为4、5年的排土场与恢复年限为10年的排土场群落相似性系数均为0.19左右，群落间表现为极不相似。而恢复年限为4年的排土场与恢复年限为5年的排土场相似性系数最高，达0.40，群落间表现为中等不相似，且2个群落间的共有物种最多，高达12种。虽然恢复年限为4年的排土场与恢复年限为5年的排土场的相似性相对较大，但总体来看，各群落间均表现为不相似，差异性较大。故而，在恢复年限为10年内的矿山排土场植物群落演替性较大。

表2 矿山排土场植被群落类型及其多样性指数Table 2 Community types and their diversity indices of mine dumps

表3 矿山排土场植被群落相似(左下角)相异(右上角)系数Table 3 Similarity (down left corner) and dissimilarity (upper right corner) index of mine dumps community

3 讨论

矿区由于人为活动剧烈、水土流失严重和环境恶劣等问题，总体上植被数量较为稀少，种类较为单一，尤其是矿山排土场这一特殊地形，人为干扰强烈，土壤贫瘠易流失，重金属含量高且易迁移，诸多生境问题对其上生长的植被有巨大的挑战[23]。本研究结果表明，矿山排土场上的自然植被以草本为主，其中禾本科和菊科植物优势最为明显，这与矿山废弃地相关的研究[24-26]具有相似的结论。这是因为禾本科和菊科植物具有生命力强、耐性好、矮小丛生等特点，同时这些植被还可以改善周围微环境促使自身生长的良性循环，能够在生境恶劣的环境下广泛生存，常被选作矿山废弃地的先锋植被。关军洪等[25]通过对北京首云铁矿废弃地的调查，认为矿山废弃地的初期重建应选用禾本科、菊科和豆科等适应性强且具有当地特色的草本植物，这些植被生长快速，在短期内可实现较大的植被覆盖。陈振峰等[26]对永平矿山废弃地的植被调查结果显示狗牙根(Cynodon dactylon)和高羊茅(Festuca elata)等禾本科草本可以在该环境下大量存在，并提出宜在早期使用狗牙根等禾本科草本进行废弃地的快速覆绿。研究结果同时显示，扭黄茅和芦苇虽然在不同的植被恢复时期均大量存在，但在群落中的优势程度不同。这种差异性的存在可能是植被对于环境的反馈，物种在适应中生存，在时间维度下成为优势物种并逐渐显示出其重要程度。

在植被恢复过程中，植被与环境互相影响，是植被群落发生动态变化的主要原因。根据群落演替的相关理论，植被群落的发展总是向着更为复杂、多样的方向发展，而本研究中，随着排土场恢复年限的增加，物种数和多样性指数均呈现先增加后减小的趋势，这种现象的成因与环境的局限性有极大的关系，群落的演替是在物种不断竞争的过程中进行的，而排土场存在土壤贫瘠、水分少、重金属含量大等问题，限制了群落演替的理想进程，并且随时间的推移，水土流失和重金属迁移的问题越来越严重，使前期植被恢复效果可观而后期仅有少数抗性好、易生存的植被得以保留，高大的乔木植被更是极为少见，形成矿山排土场特有的以灌草为主的群落类型[27]。物种均匀度在时间的推移下变化不大，呈相对稳定的状态，这可能与各个群落中优势种比较突出，减小了次要物种的影响有关。

恢复过程中矿山排土场的植被群落类型变化很大，是植被群落尚未发展为最终稳定的群落类型的体现。本研究也表明扭黄茅、芦苇等禾本科是群落演替过程中比较突出的优势物种，因此在该矿山排土场中可以考虑以扭黄茅、芦苇为主的群落类型进行矿山排土场的生态修复。此外，本次调查具有一定的局限性，需要更多后续群落演替时期的植被调查数据作依托，确定出能适应该矿山排土场的最优群落类型。