内蒙古高寒露天煤矿排土场植被恢复研究

于 爽,朱 月,徐长友,刘永杰,曾利学,曲来叶

(1 牡丹江师范学院 生命科学与技术学院,黑龙江牡丹江 157011;2 国家电投集团内蒙古能源有限公司,内蒙古通辽028000;3 中国科学院生态环境研究中心,北京 100085)

露天煤矿具有安全高效、生产规模大、资源回收率高等特点,目前已经成为中国主要的煤炭开采方式。研究表明,中国露天煤矿的开采量从2003年开始不断上升,这对于稳定煤炭产能,保障国家能源安全发挥了重要作用[1]。然而在露天开采规模逐年增加的情况下,也对生态系统造成了严重的破坏,地表层已经不利于植物的生长,减少了生物多样性[2-5],因此植被恢复已经成为露天煤矿生态恢复的首要工作。

植被恢复是指运用生态学原理,保护现有的植被或者人工植被,利用植物自然的演替规律,去修复或重建已毁坏或破坏的森林和其他自然生态系统,恢复生物多样性及其生态系统功能[6-7]。植被恢复可以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,对于生态系统的可持续发展有着深远影响[8-11]。陈璐等[12]研究表明,不同的恢复模式对植物、土壤以及微生物群落结构都有不同影响。何旭东等[13]研究表明,不同地形以及坡向、坡度对植物的丰富度和盖度有不同影响。韩军旺等[14]研究表明,不同的配置模式结合,也会增加群落植被生物量。使用乔、灌、草多物种结合进行植被恢复,建立起来的植物群落稳定性和可持续性比单一物种效果好,因此进行植被恢复过程如何选择适宜的植物种类并进行合理配置,是露天煤矿排土场恢复的关键,也是重建稳定生物群落的一个重要环节。周涛等[15]研究表明,恢复时间的不同是影响植被恢复的重要因素之一,随着恢复年限的增加,植物的生物量、高度、盖度以及土壤理化性质都有显著增加和提高;随着恢复年限的增加,群落物种多样性也随之增加。在植被恢复过程中,物种多样性变化和群落特征变化是反映群落结构的一个重要指标,它不仅关系着生态系统生产力,同时也关系着生态系统的稳定性和复杂性[16-17]。

一些学者开展矿区开采后土壤重金属污染的研究[18-21],但氮(N)、磷(P)、钾(K)是植物营养的三大要素,是植物生理和生长的重要因子,对于植物恢复起着至关重要的作用[22-24]。对已经在排土场上恢复的优势植物物种进行地上和地下养分含量比较分析,可评价植被恢复效果,为后续植被恢复的物种选择提供数据支持。目前,中国对于矿区植被恢复研究多数集中在温带以及亚热带地区,对于北方干旱、半干旱区研究比较少,排土场土壤水分和养分条件很差,加之这一地区寒冷,植被的恢复相对更为困难,成为制约当地矿业绿色发展的瓶颈[25]。

本研究选择内蒙古高寒露天煤矿的排土场2018年至2021年恢复4年的植物群落为研究对象,探讨不同的恢复年限植物群落变化特征和优势植物的养分吸收,为矿区人工植被恢复提供科学依据和决策支持,对建设绿色矿山具有重要意义。

1 研究地区与研究方法

1.1 试验区概况

研究地位于内蒙古自治区通辽市的露天煤矿,包括霍林河南矿、北矿、扎哈淖尔煤矿、白音华二号矿和三号矿共5个矿区。地理位置为E118°15′56″-119°44′50″,N44°13′23″-45°58′46″,矿区平均海拔大于1 000 m。气候特点为降水量少,平均年降水量约为380 mm;年际温度变化大,最低气温达到-35 ℃,冬季严寒,冻结期长,土壤从10月上旬开始冻结至次年5月解冻,仅能满足早熟喜凉作物生长的需要[26]。

1.2 试验设计

分别选择2018年、2019年、2020年和2021年矿区人工恢复的样地,调查取样时间为2021年6-8月。研究采用样方法进行随机试验,根据样方选取的科学性和典型性原则,在5个矿区分别设置12个样地,每个样地面积大于100 m2,且样地间距离大于1 km。在每个样地内随机选取3～5个标准样点,对样地内的草本(1 m×1 m)和灌木(5 m×5 m)分别进行调查,记录不同恢复年限人工种植与非人工种植植物的物种组成、高度、盖度、冠幅和株数等,同时记录样地的坐标、海拔和地形等基本信息。其中盖度采用实测法进行测算,将1 m×1 m样方平均分成100份,当垂直投影盖度布满1个格子时,盖度为1/100,样地分别设置多个样点进行测试,取平均值,汇总后推算样地恢复的群落盖度。

1.3 指标测定

1.3.1 生物多样性研究采用物种多样性来表征植被恢复区的生物多样性。多样性指数是指用简单的数值来表示群落内种类多样性的,用来判断群落或生态系统的稳定性指标。采用Shannon-Weiner指数,Simpson指数,Pielou指数计算多样性指数[27-28]。

Shannon-Wiener指数(多样性指数):

(1)

Simpson指数(优势度指数):

(2)

Pielou指数(均匀度指数):

E=H′/lnS

(3)

式中:S为出现在样方内的物种数;Pi为群落内第i种物种的重要值。重要值是评估1个物种在1个群落中的重要性。

重要值=(相对盖度+相对多度+相对频度)/3;其中,相对盖度=某一个种的盖度/样方内所有种的盖度之和;相对多度=某一个种的个体数/样方内所有种的个体数之和;相对频度=某物种出现的样方数/样方总数。

1.3.2 生物量灌木生物量采用标准枝法进行计算,草本生物量为整株计算。分别采集样方内的灌木和草本的优势物种,每种植物取3株以上作为重复,将植株4 ℃保存尽快带回实验室。将野外采回来的新鲜样品,先称量鲜重,然后将植物样品按根、茎、叶分别装入纸袋,放入烘箱60 ℃烘48 h至恒重,再用电子天平称量干重[29-30],生物量测定均采用2021年的采集样品。

1.3.3 元素含量植物全氮测定:将2021年采集的植物样品,烘干后的植物样品用球磨仪研磨粉粹,将植物样品放入锡舟,包好后用元素分析仪(Vario EL Ⅲ,德国Elemenlar公司)测定样品全氮含量。

植物全磷、全钾测定:先称取0.2 g样品放入消解管底部,然后加入8 mL硝酸,放置通风橱过夜,再放入微波消解仪(Mars6Xpress,美国GEM)中消解,消解完全后将试管置于赶酸装置(温度140 ℃),至液体剩余约1 mL,赶酸。将试管里剩余液体用水洗定容至50 mL。

然后用注射器吸取10 mL,过45 μm过滤器至10 mL离心管中得到消解液。用P和K标准样配好标准曲线,用ICP-OES(Prodigy7,美国Leeman 公司)测定样品P和K含量。

1.4 数据处理

通过SPSS 26.0和R 3.4.3对植物的根、茎、叶的N、P、K元素进行单因素方差分析,设置α=0.05;数据处理采用origin作图。

2 结果与分析

2.1 群落物种组成和多样性变化

对5个矿区植物恢复群落调查发现,人工种植的植物(表1)和非人工种植植物(表2)物种数随恢复时间变化而变化。在恢复第1年,人工种植植物有10种,非人工种植植物有6种,总物种数为16种;恢复第2年,人工种植有13种,非人工种植有16种,总物种数为29种;恢复第3年,人工种植有13种,非人工种植18种,总物种数31种;恢复第4年,人工种植有12种,非人工种植有19种,总物种数31种。

如表3所示,植物群落的多样性指数也呈现出随恢复时间增加而增加的趋势。植被恢复1年的盖度和多样性指数最低,然后随着恢复年限增长,盖度越高,多样性逐渐增加。虽然恢复4年的多样性指数有微弱下降,恢复3年的Shannon-Weiner指数,Simpson指数,Pielou指数和盖度均达到了最高值。

2.2 群落优势种及生物量变化

在调查的恢复群落中,优势物种为披碱草(E.dahuricus)、无芒雀麦(Bromusinermis)、苜蓿(Medicagosativa)、草木樨(Melilotusofficinalis)、沙打旺(Astragalusadsurgens)、大籽蒿(Artemisiasieversiana)、油菜(Brassicanapus)、锦鸡儿(Caraganasinica)和沙棘(Hippophaerhamnoides)。草本的重要值高于灌木,草本重要值较高的物种分别为披碱草、苜蓿和草木樨;灌木重要值较高的物种为沙棘(表4)。相对于其他物种,恢复1年的披碱草重要值最高,恢复2年时,豆科植物草木樨重要值大于披碱草;恢复第3年豆科植物的草木樨和苜蓿的重要值均超过披碱草;恢复第4年时,沙棘重要值与前3年没有显著差异,但锦鸡儿重要值显著减小。随着恢复年限增加,优势物种的重要值越小,说明植物群落相比复杂。

对优势物种进行植物特征分析,如图1所示,植物生物量随恢复年限的变化趋势是先上升再下降。恢复第1年,生物量最低,显著低于恢复2年、3年和4年的生物量(P<0.05),但恢复2年、3年和4年的生物量没有显著差异。对优势物种的根、茎、叶生物量进一步分析发现,植物的茎大多高于根和叶,不同草本和灌木生物量差异显著。在草本植物中,豆科植物草木樨和菊科植物大籽蒿生物量较大;在灌木植物中,沙棘生物量较大。豆科植物根生物量显著高于非豆科植物(P<0.05)。不同植物的根冠比差异显著,其中豆科植物苜蓿和沙打旺根冠比较高,显著高于其他草本植物(P<0.05),是非豆科植物的3倍左右;其他科的物种根冠比没有显著差异(图2)。

2.3 优势种N、P、K养分吸收差异

2.3.1 草本优势种N、P、K养分吸收差异如图3所示,总体来说大多数植物的叶片元素含量高于根和茎,不同草本植物的各器官吸收N、P、K元素含量不同,大籽蒿茎和叶片的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含量依次为沙打旺>苜蓿>草木樨>大籽蒿>无芒雀麦>油菜>披碱草;茎和叶片N含量依次为大籽蒿>草木樨>苜蓿>沙打旺>油菜>披碱草>无芒雀麦。

沙打旺、苜蓿、草木樨等豆科植物和菊科的大籽蒿叶片的N含量高于禾本科的无芒雀麦和披碱草以及十字花科的油菜(P<0.05)。

沙打旺根的P含量显著高于其他植物,其他植物无显著差异;茎和叶片P含量依次为大籽蒿> 沙打旺>草木樨>苜蓿>油菜>披碱草>无芒雀麦,其中菊科的大籽蒿和沙打旺、苜蓿、草木樨等豆科植物叶片的P含量显著高于十字花科的油菜和禾本科的无芒雀麦和披碱草(P<0.05)。

沙打旺、草木樨、苜蓿和大籽蒿根的K含量显著高于禾本科的无芒雀麦和披碱草,以及十字花科油菜(P<0.05);而大籽蒿茎和叶片的K含量最高,显著高于其他植物。

2.3.2 灌木优势种N、P、K养分吸收差异如图4所示,不同灌木植物吸收元素含量不同。沙棘茎N含量和P含量显著高于锦鸡儿(P<0.05);沙棘茎K含量略高于锦鸡儿,但差异不显著(P>0.05)。沙棘叶片的N、P、K含量略高于锦鸡儿,但均不显著(P>0.05)。

3 讨论与结论

植被恢复和群落重建是矿区生态恢复的关键环节,植物通过根系分泌物和凋落物归还不断改善土壤质量[31],土壤质量的提高进一步促进植被生长和恢复,植被更新逐渐达到稳定的演替阶段[32-34]。根据群落演替规律,植被群落向着多样性更高、更复杂、更稳定的方向发展[35-37]。

本研究发现矿区排土场植物群落物种数、生物量和群落多样性均随恢复年限增加而显著增加。总物种数从恢复1年的16种增加到恢复4年的31种,这主要是由于非人工种植增多,从6种增加到19种而导致,特别是在恢复第2年增加显著,然后逐年稳定,这说明恢复第2年是物种增加关键的时期。也说明人工种植方式在恢复初期具有重要意义,当有植被在排土场裸地成功定植之后,相邻自然草原的物种会迅速扩散到排土场,提高排土场植被群落的物种数;同样地,植被生产力和盖度也是恢复第2年显著高于第1年,这可能都与物种数第2年显著增加有关;而群落多样性只有香农维纳指数表现出相同的规律,生物多样性的恢复是区域生态健康和实现可持续发展的重要指征[38]。可见,排土场植被恢复在第1年实现了“零突破”,而在人工措施恢复1年的基础上,第2年开始进入迅速自我恢复的阶段。但植被恢复是一个长期的过程,金立群等[39]研究表明,恢复年限越久,越能发现群落变化的趋势。根据复垦地时空异质性的特点,只有对其进行长期定位监测,才能反映出植被恢复过程的不同阶段的效果。由于本试验研究地植被恢复仅4年,随时间变化的规律仍需在更长的恢复进程去验证。

在恢复群落中禾本科、豆科和菊科植物是矿区植被恢复的优势类群,分别出现在不同的恢复时间,占据相对重要地位。在恢复初期,披碱草重要值最高,个体数量多,竞争力最强,适应性最好,因而在裸地开始恢复时占据了优势。随着恢复进程的发展,有些豆科植物如草木樨、苜蓿数量开始增多,通过根瘤菌固氮机制,促进植物在土壤相对贫瘠的排土场生存和生长,提高生物量。这与不同植物对干旱和贫瘠土壤的适应性不同密切相关,例如,本研究中的豆科优势植物苜蓿、沙打旺和草木樨,生物量和根冠比显著高于其他科物种,这表明整株豆科植物具有更高的生长速率、固碳能力以及养分吸收能力,虽然排土场土壤水分和养分受限,豆科植物分配更多的碳水化合物用于根生长,但地上生物量仍显著高于其他物种,因而占据优势地位。这种适应性使豆科植物在排土场初期具有很强的竞争力,成为先锋物种。有研究表明,豆科植物因C/N较低,分解后增加了土壤N素的积累,能够适应缺水和贫瘠的环境条件,在矿区植被恢复演替早期阶段,常常被选作先锋植物[7,40]。比较不同植物N、P和K元素含量发现,豆科和菊科植物养分吸收能力较强,显著高于禾本科植物,特别是地上部分经和叶片的元素吸收更加显著。

豆科在元素含量吸收以及生物量方面高于禾本科,这可能与豆科植物能够通过根瘤菌固氮的方式,在恢复初期土壤养分相对贫瘠的情况下依然能够固定更多氮,将更多的碳固定在植物体内,因此在草本植物种,豆科可以作为首选植物。除此之外,选取的矿区种植灌木种类比较少,与锦鸡儿相比,沙棘更适应排土场的生境,为群落灌木优势物种。从生物量以及元素吸收看,沙棘可以在短时期内形成郁闭,并有效起到土壤培肥和水土保持作用,可优先用于露天煤矿排土场的植被恢复。多年生灌木比草本植物的生活史更长,根系更发达,在抗旱、水土保持以及防风方面更有优势[41],因此灌草混合的配置模式适合矿区排土场的人工恢复。但本研究恢复年限还相对较短,未来建议开展长期和深入的调查研究,探讨植物恢复规律,评估乔—灌—草配置结合的方式进行植被恢复,探索更适宜的恢复措施,加速矿区生态恢复,把人工植被和自然恢复有效结合起来,制定科学的植被恢复措施和生物多样性保护措施。

本研究表明,露天煤矿的植被恢复已经起到了一定的效果,特别是恢复的第2年,群落的物种数、生产力、盖度和多样性均会显著升高,因此,人工恢复措施对于矿区排土场的生态恢复具有重要作用。而优势物种的选择也很重要,矿区生态修复需根据地域性、生态演替及生态位原理筛选适宜的先锋植物,营建种群和生态系统,为微生物、植被和动物提供一个适宜生境。从4年的恢复实践发现,基于植物生物量和元素吸收的比较,豆科植物占据优势地位,是矿区排土场干旱贫瘠土壤上植被恢复的优先选择。

致谢：感谢国电投内蒙古能源公司的白培龙、贺希格图、李苗苗、李念航、李云峰、李忠、王志超、吴云鹏,牡丹江师范学院杨漫以及云南大学俞琦在样品采集和分析测试过程中提供的帮助。