肖 棟， 畢銀麗， 于立安， 陳文文， 宋子恒， 何海倫， KEITA Mohamed

(1. 中國礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 徐州 221116； 2. 中國礦業(yè)大學(xué)(北京)煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083； 3. 中南大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院， 長沙 410083； 4. 中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院， 徐州 221116)

露天礦開采需要剝離表層土層，大量棄土、棄渣堆積形成規(guī)模性排土場. 據(jù)統(tǒng)計(jì)，露天開采剝離土層堆積形成的占壓土量約為采掘挖損量的1.5～2.5倍[1]. 排土場是一種巨型人工松散堆墊體，由腐植表土、風(fēng)化巖土、堅(jiān)硬巖石和混合巖土構(gòu)成, 其巖土層結(jié)構(gòu)決定了場區(qū)表層土營養(yǎng)貧瘠、表層水資源匱乏，致使地表植被生長量下降[2]. 生物量減少、生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)受損、功能及穩(wěn)定性下降，進(jìn)一步地影響表層土的物理化學(xué)組分，導(dǎo)致周邊生態(tài)系統(tǒng)退化，并且引起水土流失、沙漠化發(fā)展，嚴(yán)重威脅當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)[3]. 植被恢復(fù)與生態(tài)重建、修復(fù)與提高生態(tài)系統(tǒng)功能是控制露天開采對周邊的生態(tài)破壞、控制地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生幾率、實(shí)現(xiàn)生態(tài)可持續(xù)開采的重要措施.

以往研究多集中于排土場地表土壤結(jié)構(gòu)與水資源對生態(tài)修復(fù)的影響. 縱觀我國中西部地區(qū)露天礦排土場，普遍由于土質(zhì)差、水資源匱乏等環(huán)境問題，導(dǎo)致生物量匱乏、依托自然恢復(fù)周期長、生態(tài)修復(fù)的不確定因素復(fù)雜[4]. 由此，排土場生態(tài)快速修復(fù)需要配合植物引種和人工干預(yù)，以提高地區(qū)植物多樣性. 對排土場引種植物選擇的研究已有若干結(jié)果，如：根據(jù)植被演替理論，植物選種采用當(dāng)?shù)匚锓N，并依據(jù)當(dāng)?shù)貧夂驐l件實(shí)施播種且需配合松土翻耕等土壤改造，使種植物種能在短時(shí)間內(nèi)適應(yīng)當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件，快速恢復(fù)地表植被[5-6]；對土壤結(jié)構(gòu)再造與地表植被多樣性的研究發(fā)現(xiàn)，恰當(dāng)引入新的物種，利用干擾激勵有利于本土生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù)[2,7-8]；在物種選擇中，多年生草本植物能夠降低修復(fù)成本，但物種習(xí)性、抗逆特征、積溫需求、生長周期與當(dāng)?shù)貧夂驐l件的匹配仍是制約多年生草本植物引種的核心難題[9-10].

神華寶日希勒露天礦地處我國北方寒帶地區(qū)，具有無霜期短、冬季氣溫低和日照時(shí)間短等特征，氣候特征與我國中西部地區(qū)具有顯著差異. 與多數(shù)露天礦排土場一樣，神華寶日希勒露天礦排土場生態(tài)修復(fù)中草本植物引種亦是關(guān)鍵，選擇一年生植物還是多年生植物、引種哪種植物、播種時(shí)間選擇、是否需要考慮凍害和有效積溫是否符合植物生長基本要求是北方寒帶地區(qū)物種選擇的5大核心問題[11]. 當(dāng)前該地區(qū)排土場生態(tài)修復(fù)的相關(guān)研究主要集中在土壤土質(zhì)[12]、土壤微生物多樣性[13]和地表水分布[14]等方面，植物引種選擇中氣候影響的相關(guān)研究有待深入. 神華寶日希勒露天礦排土場植被的引種選擇除了土壤與水資源條件外，氣候因素不容忽視，需根據(jù)當(dāng)?shù)鼗鶞?zhǔn)溫度與晝夜溫差、有效積溫、無霜期和年最低氣溫等條件選擇芽期適宜春季氣溫特征、生長快、耐低溫和能越冬的物種[15]，以提高引種物種的成活率；同時(shí)，播種及秋收與當(dāng)?shù)卮呵镲L(fēng)向、風(fēng)速相配合，對成功實(shí)現(xiàn)生態(tài)修復(fù)和逐步改善土壤物理、化學(xué)指標(biāo)尤為重要. 本文以神華寶日希勒露天礦為研究區(qū)，綜合數(shù)理統(tǒng)計(jì)、物種多樣性分析方法，引入熱圖分析，以直觀的可視化方法展現(xiàn)該地區(qū)近9年的氣溫分布和風(fēng)場特征；結(jié)合周邊高豐度物種的生長習(xí)性，確立研究區(qū)物種引種的立地條件與引種物種選擇，為排土場生態(tài)修復(fù)提供理論依據(jù)與數(shù)據(jù)支持.

1 研究區(qū)概況

神華寶日希勒露天礦排土場位于中國東北地區(qū)西北部、內(nèi)蒙古自治區(qū)東北部、呼倫貝爾草原中部、大興安嶺西麓的低山丘陵與呼倫貝爾高平原東部邊緣的接合地帶. 區(qū)境內(nèi)東高西低，屬于“海拉爾內(nèi)陸斷陷盆地”(119°28′ E～120°34′ E; 49°06′ N～49°28′ N)，海拔高度為603.00～776.60 m，距呼倫貝爾市海拉爾區(qū)15 km[16]. 所在的神華寶日希勒露天礦的煤炭地質(zhì)儲量為7 661萬t，國家核定年生產(chǎn)能力為3 500萬t；礦區(qū)主采煤層為褐煤，煤層構(gòu)造簡單、傾角為2°～3°，煤層最大可采厚度為28.00 m，平均厚度為22.16 m[17]. 研究區(qū)內(nèi)排土工程量大、強(qiáng)度高，基底為煤層地表膠結(jié)的泥巖、砂巖和薄煤層，穩(wěn)定性不佳.

氣候方面，海拉爾屬中溫帶半干旱大陸性草原氣候[18]. 由于緯度偏高，遠(yuǎn)離海洋，同時(shí)受大興安嶺的屏障作用，使?jié)駶櫟暮Ｑ笮詺夂驁F(tuán)的影響減弱，大部分時(shí)間在西伯利亞高壓的控制之下，形成獨(dú)特的氣候特征：春季多大風(fēng)而少雨，蒸發(fā)量大；夏季溫涼而短促，降水集中；秋季降溫快，霜凍早；冬季嚴(yán)寒漫長，地面積雪時(shí)間長[19]. 年平均氣溫為-1～2 ℃，年平均降雨量為350～370 mm，其中1月和7月的平均降雨量分別為3.79 mm和99.38 mm[20].

2 研究方法

2.1 研究區(qū)2011—2019年的氣溫分布

以海拉爾區(qū)氣象局提供的氣象資料為基礎(chǔ)，統(tǒng)計(jì)分析2011年1月1日至2019年12月31日期間的每日最高氣溫、最低氣溫、日間氣溫、日間小時(shí)數(shù)、夜間氣溫和夜間小時(shí)數(shù)等基礎(chǔ)參數(shù). 下面給出各參數(shù)的計(jì)算方法.

(1)各年度日均氣溫和晝夜溫差的計(jì)算公式如下：

(1)

DIF=TDHD-TNHN，

(2)

其中，ADT為日均氣溫，DIF為晝夜溫差，TD為日間氣溫，HD為日間小時(shí)數(shù)，TN為夜間氣溫，HN為夜間小時(shí)數(shù).

(2)大晝夜溫差統(tǒng)計(jì)：以DIF>12 ℃為條件[20]，根據(jù)每天晝夜溫差計(jì)算結(jié)果，以月為單位統(tǒng)計(jì)分析9年期間各月DIF>12 ℃的天數(shù). 將各月溫差數(shù)據(jù)與四季季節(jié)相對應(yīng)(春季：3—5月，夏季：6—8月，秋季：9—11月，冬季：12月和1—2月)，統(tǒng)計(jì)各季度DIF>12 ℃的天數(shù).

(3)年無霜期統(tǒng)計(jì)：以年為單位，以當(dāng)日最低氣溫為參考，統(tǒng)計(jì)各年度終霜后至初霜前的總天數(shù).

(4)低溫天氣統(tǒng)計(jì)：以日最低氣溫<-35 ℃為條件[20]，以月為單位統(tǒng)計(jì)分析9年各月日最低氣溫<-35 ℃的天數(shù).

2.2 研究區(qū)連續(xù)9年的活動積溫計(jì)算

以海拉爾區(qū)日均氣溫為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以10 ℃為生物學(xué)下限日均氣溫[21]，以3—5月期間日均氣溫持續(xù)升高且7天日均氣溫持續(xù)保持10 ℃以上(偶有降溫時(shí)，連續(xù)7天內(nèi)日均氣溫<10 ℃的天數(shù)<1天)的周期初始日期為初始時(shí)間；以秋季日均氣溫持續(xù)下降，連續(xù)7天內(nèi)日均氣溫<10 ℃的天數(shù)≥2天的周期終止日期為終止時(shí)間. 各年度活動積溫的計(jì)算公式如下：

(3)

其中，A為年度活動積溫，n為初始時(shí)間到終止時(shí)間的累計(jì)天數(shù)，Ti為第i日的日均氣溫.

2.3 研究區(qū)連續(xù)9年的風(fēng)速風(fēng)向

以海拉爾區(qū)氣象局提供的氣象資料為基礎(chǔ)，根據(jù)每天平均風(fēng)速數(shù)據(jù)，以月為單位、風(fēng)向?yàn)橐患壏诸?、風(fēng)速為二級分類(統(tǒng)計(jì)風(fēng)速為3～7級)，統(tǒng)計(jì)分析各月份不同風(fēng)向的風(fēng)速分布，并匯總各年度不同風(fēng)向的風(fēng)速分布，繪制風(fēng)向風(fēng)速玫瑰圖.

2.4 排土場植物的多樣性分析

在研究區(qū)的黑粘土試驗(yàn)區(qū)和腐殖土試驗(yàn)區(qū)各預(yù)留了一塊原生保留區(qū)塊，分別編號A1、A2區(qū)(圖1). 2個(gè)區(qū)域的邊界呈不等邊四邊形. 在進(jìn)行植物多樣性分析時(shí)，首先將每個(gè)試驗(yàn)區(qū)從長度方向等分為3個(gè)區(qū)塊，然后參考文獻(xiàn)[18]，在每個(gè)區(qū)塊利用五點(diǎn)取樣法選取5個(gè)樣方(樣方規(guī)格：1 m×1 m)，每個(gè)樣方分為25個(gè)塊(每塊規(guī)格：20 cm×20 cm)，最后利用計(jì)數(shù)法統(tǒng)計(jì)每個(gè)樣方內(nèi)各種植物的數(shù)量.

圖1 神華寶日希勒露天礦排土場A1與A2原生保留區(qū)塊位置鳥瞰圖

研究區(qū)的植物多樣性調(diào)查時(shí)間為2019年8月1日和2019年9月30日. 2次調(diào)研的區(qū)塊劃分保持一致，樣方位置保持位置相鄰但不重疊的取樣方法. 每個(gè)區(qū)塊以5個(gè)樣方中辛普森指數(shù)最優(yōu)的1組數(shù)據(jù)表示所在區(qū)塊的最高植物多樣性分布. 其中，辛普森指數(shù)的計(jì)算公式如下：

(4)

其中，Dj為編號j樣方的辛普森指數(shù)，S為物種數(shù)目，Nj為j樣方中所有物種的個(gè)體總數(shù)，nji為j樣方中第i個(gè)物種的個(gè)體數(shù).

3 研究區(qū)植物引種立地條件分析

3.1 研究區(qū)連續(xù)9年的氣溫分布特征分析

溫度是植物生命活動的生存因子，對植物的生長發(fā)育影響很大. 影響植物生長的溫度因素[21-22]為：(1)基準(zhǔn)溫度：植物進(jìn)行光合作用的最低溫度，低于此溫度時(shí)植物停止生長. 寶日希勒露天煤礦所在地區(qū)屬亞寒帶，當(dāng)?shù)夭莘N基準(zhǔn)溫度一般為5～10 ℃. (2)最佳溫度：植物光合作用率最高的溫度，隨植物成熟度降低. (3)日均氣溫：一天24小時(shí)的平均氣溫. (4)積溫：是研究溫度與生物有機(jī)體發(fā)育速度之間關(guān)系的一種指標(biāo)，為持續(xù)高于某溫度(如：≥10 ℃)期間日平均氣溫的總和. (5)晝夜溫差：日間氣溫的最高值與夜間氣溫的最低值之間差值. 植物生長過程中，酶催化效率與溫度有直接關(guān)系[15]. 在一定的溫度范圍(近似于從最低溫度到最適宜溫度)內(nèi)，酶的催化活性與環(huán)境溫度成正相關(guān)；溫度超過最適宜溫度，酶的催化活性逐漸降低，植物的生長同步受到影響[22]. 由此，日均氣溫、基準(zhǔn)溫度和晝夜溫差形成影響植物體內(nèi)酶活狀態(tài)的三因素.

本項(xiàng)研究基于海拉爾區(qū)氣象局提供的氣象數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)了研究區(qū)2011—2019年的氣溫分布，以及日均氣溫和晝夜溫差計(jì)算，分別繪制了日均氣溫變化與晝夜溫差曲線圖(圖2)和溫度波動熱圖(圖3). 以2011、2016、2019年的溫度波動(圖2)為例，研究區(qū)四季分明，冬季寒冷、夏季涼爽. 從基準(zhǔn)溫度因素分析，研究區(qū)的最低氣溫高于5 ℃(圖3B中草綠色至紅色區(qū)域所示)且日均氣溫高于10 ℃(圖3A中黃色至紅色區(qū)域所示)的日期為126～142天. 由研究區(qū)日均氣溫分布熱圖(圖3A)可知：每年溫度持續(xù)超過10 ℃的臨界日期不同，整體呈滯后趨勢發(fā)展；每年秋季氣溫降至10 ℃以下的日期呈現(xiàn)逐漸延遲的特征.

圖2 研究區(qū)2011、2016、2019年的日均氣溫與晝夜溫差

圖3 研究區(qū)的溫度波動熱圖(2011—2019年)

由圖3C可知：以晝夜溫差>12 ℃為臨界條件，研究區(qū)的大晝夜溫差分布在2011—2014年呈現(xiàn)春末夏初(2—6月)、夏末秋初(8—10月)溫差大，冬季及7月前后溫差小的特征，而2014年的晝夜溫差分布呈現(xiàn)特殊的狀況：2—6月的晝夜溫差持續(xù)較大；2015—2016年，晝夜溫差波動較大的日期拓展至春、夏、秋三季；2018年夏季的晝夜溫差稍有緩和；2019年的晝夜溫差波動重復(fù)出現(xiàn)類似2014年的情況，波動較大的日期從1月持續(xù)至10月，且晝夜溫差的波動幅度向冬季延伸變化的特征尤其明顯. 較大的晝夜溫差有助于植物的生長：日間氣溫高有利于植物光合作用，促進(jìn)植物生長；夜間氣溫低有利于降低植物對累積營養(yǎng)的消耗，促進(jìn)植物營養(yǎng)累積. 盡管這一特征有利于研究區(qū)排土場生態(tài)修復(fù)，但是同時(shí)有可能誘發(fā)大風(fēng)天氣. 在修復(fù)植物選擇中需要選擇根系更發(fā)達(dá)、固定能力好的抗風(fēng)物種.

低溫能夠?qū)χ参锷L與代謝產(chǎn)生影響，導(dǎo)致植物生長受損，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致植物死亡. 根據(jù)我國植物抗寒帶分區(qū)，研究區(qū)地處植物抗寒帶二區(qū)(年平均最低氣溫為-40～-35 ℃)[23]，各年度最低氣溫與日最低氣溫<-35 ℃的天數(shù)統(tǒng)計(jì)(表1)顯示：2011—2019年，該地區(qū)的極低氣溫達(dá)到-42 ℃(2012、2016年)，除2015年出現(xiàn)一次低溫異常，其余年的最低氣溫均低于-35 ℃，日最低氣溫<-35 ℃的時(shí)間基本分布在12月與次年1、2月，其中1月份出現(xiàn)低溫頻率最高. 綜合各年份無霜期，該地區(qū)無霜期平均130天，5—9月份的日最低氣溫高于冰點(diǎn).

表1 研究區(qū)最低氣溫與低于-35 ℃的天數(shù)統(tǒng)計(jì)

綜合以上分析，研究區(qū)地處植物抗寒帶二區(qū)，四季明顯；2015年之前，春、秋兩季的溫度波動較大，2015年的溫度波動拓展至春、秋、冬三季；除2015年外，年最低氣溫均低于-35 ℃，2011—2019年逐漸有轉(zhuǎn)暖跡象.

3.2 研究區(qū)近9年的有效積溫特征分析

高于或等于生物學(xué)下限溫度的日均氣溫稱為有效積溫[24]. 以日均氣溫10 ℃為生物學(xué)下限，完成了研究區(qū)2011—2019年各年度的有效積溫統(tǒng)計(jì). 由統(tǒng)計(jì)結(jié)果(表2)可知：2011—2019年的最高有效積溫為 2 623.5 ℃(2018年)，最低有效積溫為2 054.5 ℃(2019年)，9年有效積溫平均為2 391.8 ℃；2015年的有效積溫累積天數(shù)最多(達(dá)到177天)，最短累積天數(shù)出現(xiàn)在2013年(為142天)，9年平均有效積溫累計(jì)天數(shù)為157.11天.

3.3 研究區(qū)近9年的風(fēng)速風(fēng)向特征分析

風(fēng)的形成受太陽照射與壓差影響. 若不同區(qū)域冷暖差別大、氣壓差大，則區(qū)間風(fēng)速越高. 研究區(qū)排土場以東南風(fēng)為主，且多發(fā)生在春末夏初(每年4、5月). 該段時(shí)期氣溫波動劇烈(圖3C)，冷暖空氣交織活躍. 春夏兩季風(fēng)速6級以上大風(fēng)在9年周期內(nèi)的分布率為77.27%. 其中4、5月份的分布率分別為38.64%、27.27%. 該時(shí)期大風(fēng)出現(xiàn)最多的是東南風(fēng)，其次是南風(fēng)，這是受北方冷空氣南下影響導(dǎo)致[25]. 由于高空風(fēng)速通常大于地面風(fēng)速，伴隨較為強(qiáng)烈的冷空氣下沉-暖空氣上升運(yùn)動，出現(xiàn)動量下傳，使地面風(fēng)速增加.

由2011—2019年的4—10月風(fēng)速分布(圖4)可知：除2017年外，該地區(qū)有效積溫時(shí)期內(nèi)6級以上大風(fēng)的出現(xiàn)頻率較少，4、5級風(fēng)的出現(xiàn)頻率較高.

根據(jù)對研究區(qū)排土場植物生長密度與地勢關(guān)系的觀察，迎風(fēng)面與高地勢區(qū)塊的植物密度低于背風(fēng)面和渦流區(qū)區(qū)塊. 由于野生豬毛菜與地膚的種子散播靠風(fēng)實(shí)現(xiàn)，植物生長密度的差異化證實(shí)了排土場風(fēng)速風(fēng)場分布對種子散播和分布的影響.

排土場生態(tài)修復(fù)中，大風(fēng)天氣將給草種種植與地表耕作造成較大危害：大風(fēng)天氣易導(dǎo)致已播種入土的種籽被大風(fēng)吹走或露出地面，降低草種發(fā)芽率，從而增加土壤修復(fù)成本. 因此，春季草種撒播作業(yè)期需密切關(guān)注地面風(fēng)速動態(tài).

表2 2011—2019年的有效積溫統(tǒng)計(jì)

E：東風(fēng)；ESE：東偏南風(fēng)；SE：東南風(fēng)；SSE南偏東風(fēng)；S：南風(fēng)；SSW：南偏西風(fēng)；SW：西南風(fēng)；WSW：西偏南風(fēng)；W：西風(fēng)；WNW：西偏北風(fēng)；

4 研究區(qū)排土場主要原生草本植物物種及生長習(xí)性分析

研究區(qū)排土場A1區(qū)與A2區(qū)表層覆土存有差異：A1區(qū)表層覆土為黑黏土，覆層厚度為10～15 cm，該區(qū)黑黏土性狀干燥堅(jiān)硬，裂隙發(fā)酵豐富，遇水泥化，透水透氣性差；A2區(qū)表層覆土為腐殖土，覆土厚度為20～25 cm，土壤理化特性與研究區(qū)周邊的野外表土層相似. 于2019年8月與9月，利用樣方法對寶日希勒露天礦排土場編號為A1和A2的原生保留區(qū)(圖1)的野生植物生物多樣性進(jìn)行了現(xiàn)場考察. 分析結(jié)果(表3)顯示：(1)A1區(qū)與A2區(qū)的植物多樣性較差，其中A1區(qū)于8、9月份的平均辛普森指數(shù)分別為0.18、0.20，平均為0.19；A2區(qū)于8、9月份的平均辛普森指數(shù)分別為0.26、0.24，平均為0.25. (2)A1區(qū)與A2區(qū)的植物多樣性存在顯著差異. A1區(qū)的物種單一，豬毛菜(SalsolacollinaPall.)在該區(qū)域中分布最廣，其次是地膚(Kochiascoparia(L.) Schrad.)，僅局部零星生長有萎蒿(ArtemisiaselengensisTurcz.);A1區(qū)中8、9月份豬毛菜的相對豐度平均為90.02%、88.90%. A2區(qū)中分布最廣的是地膚(Kochiascoparia(L.) Schrad.)，其次是豬毛菜(SalsolacollinaPall.)，零星分布委陵菜(PotentillachinensisSer.)、平車前(PlantagodepressaWilld.)、艾草(ArtemisiaargyiH.Lév. & Vaniot)等植物，未發(fā)現(xiàn)萎蒿(ArtemisiaselengensisTurcz.);A2區(qū)中8、9月份地膚的相對豐度平均為84.55%、86.29%. 綜合A1、A2區(qū)的物種分布、辛普森指數(shù)以及高豐度物種分布，可見腐殖土覆層區(qū)域更有利于排土場的生態(tài)修復(fù).

表3 寶日希勒排土場A1區(qū)與A2區(qū)中野生植物多樣性統(tǒng)計(jì)Table 3 The statistics of wild plant diversity in Zone H and I of Baorixile dumping site

綜上分述可知：植物物種分布與土壤特征相關(guān)；豬毛菜與地膚為研究區(qū)排土場A1、A2區(qū)的主要物種. 根據(jù)《中國植物志》[26]，豬毛菜屬的生長適宜溫度為18～25 ℃，最低耐受溫度為5 ℃. 經(jīng)實(shí)地觀察，研究區(qū)的豬毛菜的發(fā)芽期為5月中下旬至6月，日均氣溫高于10 ℃后大量萌發(fā)，花期為7—8月，果期為8—9月，平均生長周期約為3個(gè)月，平均積溫約為 2 100 ℃. 綜合植物多樣性分布(表3)，該植物物種在黑黏土修復(fù)區(qū)的分布較廣，能適應(yīng)當(dāng)?shù)貧夂蛱卣骷拜^好適應(yīng)黑粘土土質(zhì)條件.

地膚的生長適宜溫度為20～30 ℃，最低耐受溫度為8 ℃[26]. 研究區(qū)中地膚的發(fā)芽期為6—7月，日均氣溫高于15 ℃左右大量萌發(fā)，花期為7—8月，果期為8—9月，平均生長周期為2.5月，平均積溫約為1 810 ℃. 根據(jù)植物多樣性調(diào)查結(jié)果(表3)，該物種在腐殖土區(qū)的植物豐度相對較高.

綜合當(dāng)?shù)亟?年的活動積溫特征與2種野生植物積溫需求，該地區(qū)引種植物應(yīng)滿足以下條件：活性積溫應(yīng)控制在2 100 ℃以內(nèi)、最低耐受溫度<5 ℃、萌發(fā)溫度>10 ℃、平均生長周期約為90天，以確保引種植物在有效生長周期內(nèi)能夠完成生長與繁殖過程.

5 討論

研究區(qū)的生態(tài)修復(fù)是秉承“綠水青山就是金山銀山”思想，通過強(qiáng)化環(huán)境保護(hù)、控制礦山開采對周邊的生態(tài)破壞來實(shí)現(xiàn)煤炭資源的環(huán)境友好型開采. 研究區(qū)排土場存在2種表層土類型：一種是腐殖土，土壤呈堿性(pH=8.34±0.21)，有機(jī)質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.54%，鹽度<0.1%；另一種是黑粘土，土壤呈弱堿性(pH=7.86±0.14)，有機(jī)質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.58%，鹽度<0.1%. 由于原始環(huán)境表土層薄，腐殖土方量少，致使研究區(qū)排土場建設(shè)時(shí)可用腐殖土不足以覆蓋整個(gè)待治理區(qū)域. 為解決這一難題，礦區(qū)將煤層上覆層剝離的一種有機(jī)質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對較高、粘性較強(qiáng)的黑粘土作為地表生態(tài)重建用土加以利用. 盡管黑粘土中有機(jī)質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高，但存在遇水泥化、粘性強(qiáng)、干燥時(shí)硬度大、易皴裂、透水性差、生物可降解有機(jī)質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低的特性，黑黏土覆土區(qū)表層土性貧瘠，生態(tài)環(huán)境依靠自然修復(fù)周期長，需人工播種重建地表植被. 由此，根據(jù)研究區(qū)排土場的氣候條件合理選種，是實(shí)現(xiàn)研究區(qū)快速生態(tài)重建的重要因素之一.

研究首先統(tǒng)計(jì)了研究區(qū)2011—2019年間每日溫度特征(包括日最高溫、日最低溫、當(dāng)日溫差和日均氣溫等因素)，利用熱圖分析法，以可視方法呈現(xiàn)了9年間的溫度分布特征(圖3)；其次以日均氣溫為基礎(chǔ)統(tǒng)計(jì)分析了研究區(qū)9年的活動積溫分布，基于每日風(fēng)速和風(fēng)向統(tǒng)計(jì)分析了該地區(qū)的在活動積溫時(shí)期內(nèi)的風(fēng)場特征；最后通過對排土場2種表土特征區(qū)塊的植物多樣性研究和高豐度物種的生長特征分析，明確了當(dāng)?shù)仃P(guān)鍵物種的生長習(xí)性. 本研究綜合各項(xiàng)指標(biāo)構(gòu)建了研究區(qū)排土場植物引種的氣候立地條件與引種物種選擇的關(guān)鍵評估因素. 具體完成以下研究：

(1)研究區(qū)排土場植物引種的氣候立地條件. 立地條件是影響地表植被形成與生長發(fā)育的各種自然環(huán)境因子的綜合，其中氣候立地條件直接關(guān)系到植物的生長和繁殖. 根據(jù)排土場氣候特征，研究中重點(diǎn)分析了有效積溫、凍害、越冬、風(fēng)場四因素.

①有效積溫：神華寶日希勒露天礦位于我國植物抗寒分區(qū)二區(qū)，根據(jù)近9年有效積溫分布，該地區(qū)有效積溫起始時(shí)間多集中于4月15日至5月3日，2016—2019年逐年有延遲跡象，年均有效積溫累計(jì)天數(shù)為157.11天；2011—2019年的年均有效積溫為2 391.8 ℃，最低有效積溫出現(xiàn)在2019年，為2 054.5 ℃，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2015—2019年的有效積溫呈現(xiàn)逐年減少趨勢.

②凍害：該地區(qū)無霜期平均130天，春季晝夜溫差大(超過12 ℃). 為減少凍害影響，草種播種應(yīng)在5月中旬前后，以減少凍害對草種萌發(fā)的影響.

③越冬：針對該地區(qū)生態(tài)修復(fù)中有可能選種的多年生物種，冬季凍害需要尤為注意. 研究區(qū)9年的最低溫統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明：排土場的最低氣溫為-42～-35 ℃，最低氣溫基本分布在12月與次年1—2月，其中1月份出現(xiàn)低溫頻率最高；10天以上最低氣溫低于-40 ℃的年份占44.44%.

④風(fēng)場：該地區(qū)秋冬交替時(shí)節(jié)晝夜溫差較大，并且4—5月多大風(fēng)(以東南風(fēng)居多)，春季種子撒播時(shí)需關(guān)注大風(fēng)風(fēng)場變化，秋季種子收集也需注意天氣影響.

(2)排土場引種植物物種選擇的關(guān)鍵評估因素. ROTS[5]、WANG等[6]建議采用當(dāng)?shù)匚锓N進(jìn)行生態(tài)修復(fù)是由于當(dāng)?shù)匚锓N更加容易適應(yīng)排土場生長環(huán)境. 如若引種新的物種，則需通過干擾激勵以提高當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)修復(fù)[8]，需要評估擬引種植物的生長特征是否符合排土場的氣候條件. 綜合氣候立地條件與當(dāng)?shù)叵鄬ωS度較高的地膚(Kochiascoparia(L.) Schrad.)和豬毛菜(SalsolacollinaPall.)的生長特征，構(gòu)建了引種植物評估指標(biāo)：

①當(dāng)?shù)刂参镆N優(yōu)選一年生植物：地膚(Kochiascoparia(L.) Schrad.)和豬毛菜(SalsolacollinaPall.)；

②引種植物有效積溫需求<2 100 ℃；

③單年生植物最低耐受溫度<5 ℃、萌發(fā)溫度>10 ℃、平均生長周期為90天左右；

④多年生植物最低耐受溫度<5 ℃、根系凍害溫度<-40 ℃、萌發(fā)溫度>10 ℃、平均生長周期為90天左右.

(3)引種草本植物的選擇與分步種植方法. 寶日希勒排土場主要有2種表土類型：一種是地層中夾雜的黑粘土(A1區(qū))；另一種以原表土為來源的腐殖土(A2區(qū)). 針對2種表土類型區(qū)域的野生植物多樣性調(diào)查發(fā)現(xiàn)，這2個(gè)區(qū)域主要分布的是地膚(Kochiascoparia(L.) Schrad.)和豬毛菜(SalsolacollinaPall.)，除這2種植物外，研究區(qū)不同區(qū)塊中零星夾雜著萎蒿(ArtemisiaselengensisTurcz.)、委陵菜(PotentillachinensisSer.)、平車前(PlantagodepressaWilld.)和艾草(ArtemisiaargyiH.Lév & Vaniot). 其中地膚與豬毛菜果實(shí)的直徑相似(1.5～2.5 mm)，但是地膚果實(shí)較為光滑，豬毛菜果實(shí)表面粗糙. 雨后的黑粘土表面平滑，種子固定難，表面散落的顆粒較小、表面光滑、果實(shí)輕的地膚種子容易被吹離，大風(fēng)天氣致使黑粘土表土區(qū)中地膚的相對豐度低于豬毛菜；表面粗糙并且孔隙較多的腐殖土表面能夠很好地保護(hù)種子不被大風(fēng)吹離，同時(shí)受到地膚低溫耐受性優(yōu)于豬毛菜、芽期早和生長速度快等優(yōu)勢影響，故A2區(qū)的地膚相對豐度較高. 綜上所述，研究區(qū)排土場不同土質(zhì)區(qū)域的物種差異受到多因素的影響：①土質(zhì)差異；②大風(fēng)對種子分布的影響；③不同物種芽期差異；④不同作物的生長速度.

綜合排土場土質(zhì)條件與修復(fù)目標(biāo)，結(jié)合當(dāng)?shù)匚锓N的植株特征與生長特性，排土場生態(tài)修復(fù)應(yīng)分為2個(gè)階段：

第一階段：土質(zhì)改造與微生態(tài)修復(fù)階段. 該階段以提高表層土有機(jī)質(zhì)、重構(gòu)土壤微生態(tài)和提升土壤活性為目標(biāo)，引種草種需優(yōu)選2～3種根系發(fā)達(dá)、生長周期短、氣候和土壤的適應(yīng)性較強(qiáng)、耐寒耐旱強(qiáng)的單年生物種. 此階段優(yōu)選物種為：地膚、豬毛菜和艾草等，每年果期前將植物破碎并翻耕，以提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，且控制引種植物種子散播，為后期修復(fù)區(qū)經(jīng)濟(jì)化利用奠定基礎(chǔ).

第二階段：修復(fù)區(qū)經(jīng)濟(jì)化利用階段. 該階段通過合理耕作持續(xù)優(yōu)化土壤理化結(jié)構(gòu)、提高土壤活性、強(qiáng)化微生態(tài)豐富度；合理設(shè)計(jì)多科物種的間作與輪作，實(shí)現(xiàn)修復(fù)區(qū)的經(jīng)濟(jì)化利用. 在第一階段所選物種的基礎(chǔ)上，本階段的物種可增加部分大葉類草本，如：委陵菜、平車前等. 種植采用間作和交叉輪作方式，耕作需注意大風(fēng)對草種的散播.

6 結(jié)論

地處我國北方寒帶的神華寶日希勒露天礦排土場生態(tài)修復(fù)關(guān)系到礦業(yè)開采安全與周圍生態(tài)的影響. 合理的生態(tài)修復(fù)需要從當(dāng)?shù)貧夂驐l件出發(fā)選擇適種物種. 本研究深入分析了研究區(qū)排土場2011—2019年的氣候因素，研究結(jié)果表明：該地區(qū)有效積溫較低，年均有效積溫為2 391.8 ℃；春季大風(fēng)增加了排土場播種難度，并且春季晝夜溫差對作物萌發(fā)期存在凍害影響；對于多年生草本植物的引種，冬季越冬凍害與春季萌發(fā)凍害不容忽視；物種選擇建議以當(dāng)?shù)胤植驾^廣的地膚(Kochiascoparia(L.) Schrad.)、豬毛菜(SalsolacollinaPall.)和艾草(ArtemisiaargyiH.Lév. & Vaniot)為主，秋季種子收獲需要注意秋季大風(fēng)的影響.

本研究將熱圖分析法引入氣候分析，以可視化手段，通過豐富的色彩變化，以天為單位展現(xiàn)出2011—2019年不同日期以及年度之間的數(shù)據(jù)分布規(guī)律，為氣候因素分析提供了新的可視化分析方法.