耿冰瑾,王舒菲,曹銀貴,2,*,郭春艷,郭東罡,趙冰清,白中科,2

1 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院,北京 100083 2 自然資源部土地整治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100035 3 山西省生物研究院有限公司,太原 030006 4 山西大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院,太原 030006 5 晉中學(xué)院化學(xué)化工系,晉中 030619

中國(guó)的大型露天煤礦大多處于干旱、半干旱的生態(tài)脆弱區(qū),平朔礦區(qū)創(chuàng)建于1982年,是中國(guó)首個(gè)露井聯(lián)采的億t級(jí)礦區(qū),其煤炭產(chǎn)量連續(xù)多年過(guò)億t,是國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)的大型煤炭基地。平朔露天礦區(qū)屬于生態(tài)脆弱區(qū)和敏感區(qū),同時(shí)也是農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū),超大規(guī)模的露天煤炭開(kāi)采造成該礦區(qū)地形地貌破碎、土壤結(jié)構(gòu)松散、自然植被嚴(yán)重退化和植物多樣性銳減等一系列生態(tài)問(wèn)題；同時(shí)其在“剝離、開(kāi)采、搬運(yùn)、排棄”等劇烈擾動(dòng)下,礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)遭到嚴(yán)重?fù)p毀,并且其嚴(yán)重影響著礦區(qū)居民生產(chǎn)生活和經(jīng)濟(jì)收入等方面。平朔礦區(qū)的自然條件和土地利用狀況是我國(guó)中西部礦區(qū)典型縮影[1],基于礦區(qū)長(zhǎng)期的土地復(fù)墾與生態(tài)修復(fù)實(shí)踐,白中科[2]提出的“地貌重塑、土壤重構(gòu)、植被重建、景觀重現(xiàn)、生物多樣性重組與保護(hù)”礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)重建的“五元共軛”理論在中西部礦區(qū)具有典型的代表性、先進(jìn)性和示范性。平朔礦區(qū)屬于典型的溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候,其早已成為生態(tài)脆弱區(qū)的典型代表,該礦區(qū)的土地復(fù)墾與植被恢復(fù)一直備受學(xué)術(shù)界和政府的廣泛關(guān)注[3]；自1991年以來(lái),國(guó)家在平朔露天礦區(qū)投入大量的人力和物力來(lái)進(jìn)行喬、灌、草不同配置模式的植被恢復(fù)。植被重建是露天礦排土場(chǎng)生態(tài)恢復(fù)的重要工作,是修復(fù)礦區(qū)受損生態(tài)系統(tǒng)的有效途徑和保障[4—5]。植被對(duì)生境變化較為敏感,植被在類型、數(shù)量和質(zhì)量方面必然會(huì)對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)的變化有所響應(yīng)。肖強(qiáng)等[6]對(duì)黃土高原近10 a來(lái)植被覆蓋的動(dòng)態(tài)變化研究發(fā)現(xiàn),森林生態(tài)系統(tǒng)平均覆蓋度最高,灌木、草本生態(tài)系統(tǒng)次之；該研究結(jié)論與平朔礦區(qū)原地貌和復(fù)墾地內(nèi)重建植被的生長(zhǎng)特征相似。選擇適宜的植物種類進(jìn)來(lái)行植被恢復(fù),是重建煤礦廢棄地穩(wěn)定生物群落的一個(gè)重要環(huán)節(jié),植物種類選擇的合理與否,直接關(guān)系到煤礦廢棄地整個(gè)生態(tài)恢復(fù)工作的成敗[7—10]。物種多樣性是生物多樣性在物種水平上的表現(xiàn)形式,可反映生物群落結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性,對(duì)生態(tài)系統(tǒng)功能具有促進(jìn)作用[10—13]。植被群落動(dòng)態(tài)特征對(duì)解釋復(fù)墾排土場(chǎng)的植物物種共存和生物多樣性維持機(jī)制至關(guān)重要,也一直是生態(tài)學(xué)研究的熱點(diǎn)[14—15]。同時(shí),具有多重生態(tài)系統(tǒng)功能和高水平生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的群落往往擁有更多的物種,而多樣化的生物群落對(duì)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性、生產(chǎn)力以及養(yǎng)分供應(yīng)具有促進(jìn)作用[16—17]。隨著物種多樣性研究這一熱點(diǎn)問(wèn)題在全球的深入,人們對(duì)保護(hù)植物群落及其多樣性的認(rèn)識(shí)水平和意識(shí)也不斷提升[18]。因此,平朔露天礦區(qū)復(fù)墾排土場(chǎng)植被重建特征研究對(duì)提升礦區(qū)植物物種多樣性、改善生態(tài)環(huán)境和提升人類福祉具有重要意義。

目前,煤礦廢棄地這一嚴(yán)重退化生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)恢復(fù)已成為國(guó)內(nèi)外生態(tài)學(xué)研究的重要課題之一,其中植被恢復(fù)是煤礦廢棄地生態(tài)恢復(fù)的關(guān)鍵性保障工作之一[19]。美國(guó)和德國(guó)為全球范圍最早開(kāi)展土地復(fù)墾工作的國(guó)家,二戰(zhàn)后歐美發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)土地復(fù)墾的研究重點(diǎn)主要集中在露天礦的挖損地,土地復(fù)墾也開(kāi)始偏重于生態(tài)恢復(fù),其主要用于植樹(shù)種草和生態(tài)景觀建設(shè)[20]。國(guó)外學(xué)者在生態(tài)恢復(fù)研究方面,特別關(guān)注植被恢復(fù)過(guò)程的物種組成、多樣性變化和差異比較等問(wèn)題[21—25]。中國(guó)的土地復(fù)墾工作開(kāi)始于20世紀(jì)50年代,開(kāi)展較歐美發(fā)達(dá)國(guó)家晚,但經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展,中國(guó)針對(duì)露天煤礦損毀地和廢棄地的土地復(fù)墾工作已有眾多研究。曹銀貴等[26]和許建偉等[27]的研究都表明復(fù)墾時(shí)間是土地復(fù)墾及生態(tài)恢復(fù)的重要保證；復(fù)墾時(shí)間越長(zhǎng),生態(tài)系統(tǒng)越成熟,成熟生態(tài)系統(tǒng)的多樣性和復(fù)雜性要明顯強(qiáng)于年輕的生態(tài)系統(tǒng)[28—29]。王金滿等[30]對(duì)安太堡復(fù)墾排土場(chǎng)不同復(fù)墾年限下土壤環(huán)境因子和喬木林植被生物量的動(dòng)態(tài)演變規(guī)律進(jìn)行研究得出,隨著復(fù)墾年限增加土壤因子和植被生物量都呈S型變化。張青等[31]以安太堡露天煤礦植被恢復(fù)區(qū)1 hm2“刺槐×榆樹(shù)×臭椿混交模式”長(zhǎng)期固定監(jiān)測(cè)樣地為研究平臺(tái),對(duì)2010—2015年間植被恢復(fù)過(guò)程中主要更新物種的數(shù)量特征進(jìn)行了分析。趙冰清等[32]對(duì)安太堡露天煤礦排土場(chǎng)刺槐×油松復(fù)墾模式下17—22年間群落生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn),不同樹(shù)種胸徑生長(zhǎng)速率的差異主要與其自身的生長(zhǎng)特性有關(guān)。王翔等[33]對(duì)安太堡露天礦不同植被類型恢復(fù)下復(fù)墾地的土壤養(yǎng)分和酶活性進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),油松×刺槐×檸條混交林的組合模式對(duì)土壤重建效果最好。國(guó)內(nèi)的大量相關(guān)研究已經(jīng)表明礦區(qū)復(fù)墾排土場(chǎng)植被的生長(zhǎng)狀況及多樣性變化能夠表征復(fù)墾土地的質(zhì)量,是影響土地復(fù)墾質(zhì)量評(píng)價(jià)與生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性評(píng)估的重要因素之一[34]。

綜上,目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于礦區(qū)土地復(fù)墾與植被重建的研究主要集中在短期復(fù)墾下重建喬木植株的生長(zhǎng)狀況[28—29]及其對(duì)土壤質(zhì)量的影響方面[30,33],涉及長(zhǎng)時(shí)間復(fù)墾序列下不同年限復(fù)墾地重建植被(喬灌草)演替特征與規(guī)律的研究需要進(jìn)一步深入。同時(shí)經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),短期復(fù)墾年限下重建植被的生態(tài)穩(wěn)定性較差,其可能會(huì)由于種間競(jìng)爭(zhēng)和水分條件等原因進(jìn)而發(fā)生退化。因此,本文以平朔露天礦區(qū)不同復(fù)墾年限的排土場(chǎng)為研究對(duì)象,采用時(shí)空替代法對(duì)比分析不同復(fù)墾年限下復(fù)墾地的植物物種組成及其重要值、物種多樣性指數(shù)和地上生物量特征,詳細(xì)揭示隨復(fù)墾年限增加復(fù)墾排土場(chǎng)的植被演替特征與規(guī)律,以期為該礦區(qū)擬復(fù)墾區(qū)和類似礦區(qū)在未來(lái)進(jìn)行土地復(fù)墾與植被重建時(shí)應(yīng)如何選擇適宜的植物物種和制定更加優(yōu)化的植被配置模式提供一定參考。

1 研究區(qū)概況

平朔礦區(qū)地處黃土高原晉陜蒙接壤的黑三角地帶,位于山西省朔州市平魯區(qū)境內(nèi),該基地面積380 km2,地理位置為東經(jīng)112°10′—113°30′,北緯39°23′—39°37′[1,35]。平朔礦區(qū)下轄安太堡、安家?guī)X和東露天三大露天煤礦[3]。該礦區(qū)屬于典型的溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候,年均溫4.8—7.8℃,年降水量為428.20—449.00 mm,全年降水量的65%集中于6—9月,年蒸發(fā)量為1786.60—2598.00 mm,年蒸發(fā)量大約為降水量的4—5倍,無(wú)霜期為115—130 d,全年70%為有風(fēng)時(shí)間,年平均風(fēng)速為2.50—4.20 m/s[36]。該礦區(qū)高強(qiáng)度的采煤活動(dòng)導(dǎo)致大量土地?fù)p毀和植被退化,其于1985年開(kāi)始進(jìn)行初級(jí)的土地復(fù)墾工作,迄今為止已經(jīng)持續(xù)30余年。露天開(kāi)采后,所有的土多由人工鋪墊至排土場(chǎng),鋪墊的土層主要為黃土類物質(zhì)及少量紅土,有時(shí)還混有少量煤矸石和碎石等物質(zhì),質(zhì)地一般為沙壤至壤土[37]。安太堡露天煤礦是平朔礦區(qū)開(kāi)發(fā)投產(chǎn)最早的煤礦,礦區(qū)面積36.24 km2,此煤礦目前共有6個(gè)排土場(chǎng),本文選擇安太堡露天煤礦中地勢(shì)平坦、植被分布均勻且覆蓋率高、空間上連續(xù)且面積較大的安太堡內(nèi)排土場(chǎng)、南寺溝排土場(chǎng)、安太堡西排土場(chǎng)和安太堡南排土場(chǎng)4個(gè)典型復(fù)墾排土場(chǎng)作為研究區(qū)[3,38],其已分別于1993、1995、2013年和2014年進(jìn)行了土地復(fù)墾與植被重建工作。結(jié)合平朔礦區(qū)溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候的特點(diǎn),復(fù)墾排土場(chǎng)已形成了以刺槐、榆樹(shù)、油松和沙棘為主的喬-灌-草多層次植物群落結(jié)構(gòu)[38],草本植物主要包括硬質(zhì)早熟禾、披堿草和紫苜蓿等。

2 材料與方法

2.1 樣地設(shè)置與野外調(diào)查

本文于2019年7月對(duì)平朔礦區(qū)的6個(gè)復(fù)墾排土場(chǎng)、4個(gè)礦區(qū)未采區(qū)和4個(gè)非礦區(qū)樣地進(jìn)行了樣地布設(shè)和植被調(diào)查。學(xué)者王國(guó)芳[39]對(duì)山西省“典型礦區(qū)植被覆蓋度時(shí)空分布特征及影響因素”的研究發(fā)現(xiàn),平朔礦區(qū)內(nèi)植被覆蓋度顯著增加的區(qū)域主要位于安太堡露天采礦生態(tài)恢復(fù)區(qū)。因此,為研究復(fù)墾排土場(chǎng)在長(zhǎng)時(shí)間序列復(fù)墾年限下所呈現(xiàn)的植被重建效果,本文根據(jù)復(fù)墾年限長(zhǎng)短并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)踏勘,選擇了位于安太堡露天煤礦內(nèi)復(fù)墾年限分別為6 a、7 a、25 a、27 a的安太堡內(nèi)排土場(chǎng)、南寺溝排土場(chǎng)、安太堡西排土場(chǎng)、安太堡南排土場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比研究,同時(shí),以該礦區(qū)內(nèi)地勢(shì)較為平坦、植被分布均勻的未損毀的礦區(qū)未采區(qū)樣地(原地貌)作為對(duì)照,分別對(duì)應(yīng)圖1的S1、S2、S3、S4樣地和S5樣地。各樣地基本情況見(jiàn)表1,對(duì)應(yīng)編號(hào)分別為R-6a、R-7a、R-25a、R-27a和OL。

圖1 研究區(qū)概況與樣地點(diǎn)分布圖Fig.1 Overview of the study area and distribution of sample pointsS：調(diào)查樣地點(diǎn),Survey sample points

表1 調(diào)查樣地基本信息Table 1 Basic information of survey plots

考慮到實(shí)際取樣時(shí),同一區(qū)域的降雨量和溫度數(shù)據(jù)差別不大,但由于本文采用“空間代替時(shí)間”的研究方法,需保證研究樣地基礎(chǔ)情況相同或相似。本文所選取的4個(gè)復(fù)墾排土場(chǎng)均屬于安太堡露天采礦生態(tài)恢復(fù)區(qū),其從開(kāi)采到構(gòu)筑復(fù)墾地,均采用“開(kāi)采-排棄-復(fù)墾”一條龍的作業(yè)模式[3]。本文所布設(shè)的調(diào)查樣方均位于平臺(tái),海拔在1400—1460 m之間；平臺(tái)覆土均約為100 cm,根據(jù)實(shí)地調(diào)查所獲得的土壤質(zhì)地?cái)?shù)據(jù)(土壤中<0.01 mm粒級(jí)含量的百分比),結(jié)合卡欽斯基土壤質(zhì)地基本分類(簡(jiǎn)制)得出,不同年限復(fù)墾地的土壤質(zhì)地均為壤土。本文所選擇的4個(gè)復(fù)墾排土場(chǎng)和原地貌樣地內(nèi)植物分布均勻且長(zhǎng)勢(shì)較好,生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性較強(qiáng)、無(wú)大面積退化現(xiàn)象存在,其植被恢復(fù)類型代表了平朔礦區(qū)典型植被恢復(fù)模式[3]。

據(jù)學(xué)者郝占慶[40]對(duì)群落植物調(diào)查所需最小面積的研究發(fā)現(xiàn),木本植物的調(diào)查樣地面積應(yīng)為1 hm2。鑒于每個(gè)復(fù)墾排土場(chǎng)面積較大,本文根據(jù)熱帶森林學(xué)中心(CTFS)的標(biāo)準(zhǔn)在4個(gè)復(fù)墾排土場(chǎng)和原地貌內(nèi)建立了5個(gè)面積為1 hm2的大樣地,5個(gè)大樣地內(nèi)的植被類型均代表了平朔礦區(qū)典型植被恢復(fù)模式[38]。在每個(gè)樣地內(nèi)用全站儀將樣地劃分100個(gè)10 m×10 m的樣方,準(zhǔn)確測(cè)定每個(gè)樣方的4個(gè)角在大樣地中的位置,并用水泥樁作標(biāo)記[38]。復(fù)墾排土場(chǎng)內(nèi)人工種植的植被大部分為喬木植株,灌木植株較少,草本植株大都為自然侵入；為保證調(diào)查結(jié)果能夠表征復(fù)墾排土場(chǎng)重建植被的整體特征,本文根據(jù)每個(gè)大樣地內(nèi)喬木植株密度的高中低程度選擇3個(gè)10 m×10 m的喬木樣方來(lái)進(jìn)行植被調(diào)查,共計(jì)15個(gè)喬木樣方；用插值法將每個(gè)10 m×10 m的喬木樣方劃分為4個(gè)5 m×5 m的灌木樣方；在每個(gè)灌木樣方左下角設(shè)置1個(gè)1 m×1 m的草本樣方,共計(jì)60個(gè)草本樣方[36,38]。調(diào)查記錄內(nèi)容包括喬木的物種名、胸徑和高度；灌木的物種名、基徑、高度和冠幅；草本的物種名、多度、平均高度和蓋度。草本植株的平均高度采用卷尺測(cè)量(精確到cm)；喬(灌)木植株的胸徑(基徑)采用胸徑尺測(cè)量(精確到mm),高度采用塔尺測(cè)量(精確到dm)。同時(shí)記錄樣地的綜合特征和生境特征,如物候期、生活力、枯落物層厚度、海拔和經(jīng)緯度等。

2.2.1草本重要值及物種多樣性計(jì)算

重要值(IV)是表征群落中物種生態(tài)適應(yīng)能力和所處地位的綜合指標(biāo),其大小是確定草本優(yōu)勢(shì)種和建群種的重要依據(jù),重要值越大的物種,在群落結(jié)構(gòu)中的重要性越大,對(duì)群落生態(tài)環(huán)境、發(fā)展方向及演變趨勢(shì)的影響程度越大[41-42]。物種多樣性研究采用目前國(guó)內(nèi)外常用的Shannon-Wiener指數(shù)和Simpson指數(shù)[43],物種多樣性指數(shù)反映了群落物種多樣性的空間分布和變化特征。Shannon-Wiener指數(shù)基于物種數(shù)量來(lái)反映群落的多樣性,描述種的個(gè)體出現(xiàn)紊亂和不確定性,該指數(shù)主要受群落內(nèi)物種數(shù)目和不同物種個(gè)體分配的均勻程度兩個(gè)因素所影響[42]；Shannon-Wiener指數(shù)越大,說(shuō)明該樣地物種多樣性越高,同時(shí)物種之間個(gè)體分布的均勻性增加,也會(huì)使該樣地的Shannon-Wiener指數(shù)增大[44]。Simpson指數(shù)亦稱優(yōu)勢(shì)度指數(shù),是對(duì)一個(gè)群落或生境中物種集中性的度量,表明群落的優(yōu)勢(shì)種集中在少數(shù)物種上；Simpson指數(shù)越大,表明該樣地內(nèi)植物物種的集中性越高,物種多樣性程度越低[42]。

本研究過(guò)程中草本重要值的計(jì)算依照岳建英[45]的計(jì)算方法,如式(1)所示；依照馬克平[46]對(duì)生物群落多樣性測(cè)度的方法,以重要值為數(shù)據(jù)分析指標(biāo),Shannon-Wiener指數(shù)和Simpson指數(shù)計(jì)算方法如式(2)和式(3)所示：

IV草=(相對(duì)高度+相對(duì)蓋度)/2×100%

(1)

(2)

(3)

式中,IV草代表草本植物的重要值,H′代表Shannon-Wiener指數(shù),λ代表Simpson指數(shù),S為每一樣方中的物種總數(shù),N為S個(gè)物種的全部重要值之和,Ni為第i個(gè)物種的重要值。

2.2.2植被地上生物量計(jì)算

灌木和草本地上生物量的測(cè)定采用直接稱量法,即沿地面直接收割樣方內(nèi)的灌木和草本植株,鮮樣晾曬烘干至恒重,稱取干重(精確到0.1 g)。

本文利用樣地調(diào)查所獲得的礦區(qū)各個(gè)喬木樹(shù)種生物量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),建立生物量與樹(shù)高、胸徑的統(tǒng)計(jì)回歸關(guān)系模型,并且分樹(shù)干、樹(shù)皮、樹(shù)枝和樹(shù)葉部分建立相容性生物量模型,進(jìn)行分量估計(jì),最后進(jìn)行加和。依照馮宗煒生物量估算模型[47],針對(duì)不同樹(shù)種分別進(jìn)行喬木生物量的估算。不同的樹(shù)種采用不同的估算指數(shù),估算方法如式(4)和式(5)所示：

WX=A (D2H)B

(4)

WT=WS+WP+WB+WL

(5)

式中,WX可代表WS、WP、WB、WL和WT,WS樹(shù)干生物量,WP樹(shù)皮生物量,WB樹(shù)枝生物量,WL樹(shù)葉生物量,WT地上生物量(單位：kg)。D2H為胸徑的平方乘以高度。針對(duì)不同的樹(shù)種,式1中A,B的取值則不同,WT的計(jì)算方式也會(huì)根據(jù)樹(shù)種的變化產(chǎn)生變化。

2.3 數(shù)據(jù)分析方法

實(shí)地調(diào)查獲得的數(shù)據(jù)均使用EXCEL 2020軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)整理。運(yùn)用PC-ORD v5.0軟件計(jì)算Shannon-Wiener指數(shù)和Simpson指數(shù),運(yùn)用SPSS 22.0軟件中的描述性統(tǒng)計(jì)分析法分析不同復(fù)墾年限復(fù)墾地Shannon-Wiener指數(shù)、Simpson指數(shù)和地上生物量的變化特征。

3 結(jié)果與分析

3.1 復(fù)墾地植物科屬種組成分析

3.1.1不同復(fù)墾年限下復(fù)墾地喬灌組成

調(diào)查樣地喬灌物種組成如表2所示,排土場(chǎng)復(fù)墾地共有12種喬木和灌木,隸屬于8科10屬,分別為刺槐(Robiniapseudoacaia)、沙棘(Hippopherhamnoides)、衛(wèi)矛(Euonymusalatus)、山杏(Armeniacasibirica)、小葉楊(Populussimonii)、榆樹(shù)(Ulmuspumlia)、旱柳(Salixmnatsudana)、油松(Pinustabuliformis)、青扦(Piecawilsonii)、新疆楊(Populusalbavar)、白扦(Piecameyeri)和臭椿(Alianthusaltissima)。礦區(qū)未采區(qū)原地貌共發(fā)現(xiàn)小葉楊1種喬木,其種植時(shí)間為1963年。R-6a、R-7a、R-25a和R-27a樣地的植被組成均以喬木為主、草本為輔,但不同復(fù)墾年限下復(fù)墾地的物種組成差異較大。從科屬組成來(lái)看,R-6a樣地的植被隸屬科類最多,為5科；對(duì)樣地實(shí)地調(diào)查所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),該樣地內(nèi)沙棘、刺槐和衛(wèi)矛植株較多,分別為500株、69株和24株,占比該樣地植株總數(shù)的83.06%、11.46%和3.99%。從物種豐富度(植被種類數(shù))來(lái)看,R-25a樣地的喬木種類數(shù)最多,為8種,隸屬于6科8屬；同時(shí)該樣地內(nèi)刺槐和榆樹(shù)植株較多,分別為11株和8株,占比該樣地植株總數(shù)的26.19%和19.05%。從不同復(fù)墾年限復(fù)墾地的所有喬、灌木植被類型來(lái)看,重建植被中豆科(Leguminosae)、楊柳科(Salicaceae)和胡頹子科(Elaeagnaceae)植株多度較大,衛(wèi)矛科(Celastraceae)、榆科(Ulmaceae)、松科(Pinaceae)、薔薇科(Rosaceae)和苦木科(Simaroubaceae)植株多度較小。

表2 不同復(fù)墾年限調(diào)查樣地物種組成Table 2 Species composition of different reclamation years in the survey plots

3.1.2不同復(fù)墾年限下復(fù)墾地草本組成

調(diào)查樣地的草本物種組成如表2所示,排土場(chǎng)復(fù)墾地內(nèi)共發(fā)現(xiàn)草本植物27種,隸屬于7科20屬,其中以菊科(Compositae)物種最多,有6屬10種；其次是禾本科(Gramineae),有6屬6種；豆科(Leguminosae)有4屬5種；車前科(Plantaginaceae)、蘿藦科(Asclepiadaceae)、堇菜科(Violaceae)和十字花科(Cruciferae)各含1種草本植物。植物生活型以多年生為主,占比77.78%；一年生和一、二年生植物類型較少,占比22.22%。礦區(qū)未采區(qū)原地貌(OL)共發(fā)現(xiàn)草本植物19種,隸屬于8科16屬,其中以菊科物種最多,有4屬5種；其次是豆科,有4屬4種；禾本科有3屬4種；龍膽科(Gentianaceae)含有兩種草本植物,瑞香科(Thymelaeaceae)、唇形科(Labiatae)、十字花科(Cruciferae)和紫草科(Boraginaceae)各含1種草本植物。植物生活型以多年生為主,占比78.95%；一年生和一、二年生植物類型也較少,占比21.05%。不同復(fù)墾年限復(fù)墾地的草本植物隸屬科類差異較小,R-6a和R-27a樣地的植物類型以菊科和禾本科為主,R-7a和R-25a樣地的植物類型以菊科、禾本科和豆科為主。從草本植物科屬種組成來(lái)看,R-25a樣地的科屬種均為復(fù)墾樣地的最高值,為5科11屬14種；其次為R-7a樣地,為4科9屬10種；R-6a樣地的植物屬種為復(fù)墾樣地的最小值,為5屬6種。

3.2 復(fù)墾地草本植物重要值分析

由式(1)計(jì)算可得調(diào)查樣地內(nèi)各草本植物的重要值,其結(jié)果如表3和圖2所示。本文將草本植物的重要值(IV)分為四個(gè)等級(jí)：IV<1%為偶見(jiàn)種,1%10%為優(yōu)勢(shì)種,當(dāng)IV>30%時(shí),該物種在復(fù)墾樣地內(nèi)的生態(tài)位優(yōu)勢(shì)明顯,將其認(rèn)定為明顯優(yōu)勢(shì)種；當(dāng)復(fù)墾地內(nèi)明顯優(yōu)勢(shì)種較多時(shí),種間競(jìng)爭(zhēng)程度會(huì)相對(duì)較低；反之,競(jìng)爭(zhēng)程度較高[48]。從整體來(lái)看,復(fù)墾樣地內(nèi)的草本物種基本上以優(yōu)勢(shì)種、亞優(yōu)勢(shì)種和伴生種共存,無(wú)偶見(jiàn)種,同時(shí)樣地內(nèi)各優(yōu)勢(shì)種的重要值差異較大。

圖2 不同復(fù)墾年限調(diào)查樣地草本重要值/%Fig.2 Herb importance value of different reclamation years in the survey plots

表3 不同復(fù)墾年限調(diào)查樣地草本重要值/%Table 3 Herb importance value of different reclamation years in the survey plots

從草本植物種的重要值來(lái)看,在R-6a樣地內(nèi),除白蓮蒿為亞優(yōu)勢(shì)種外,其余草本植物種均為優(yōu)勢(shì)種；并且紫苜蓿和硬質(zhì)早熟禾的重要值均大于40%,其為明顯優(yōu)勢(shì)種。整體上,該樣地內(nèi)共有草本植株6種,明顯優(yōu)勢(shì)種2種,占比33.33%；優(yōu)勢(shì)種5種,占比83.33%。在R-7a樣地內(nèi),草本植物種以優(yōu)勢(shì)種、亞優(yōu)勢(shì)種和伴生種共存；拂子茅和硬質(zhì)早熟禾為明顯優(yōu)勢(shì)種,其重要值均大于35%,優(yōu)勢(shì)種還包括披堿草和草木樨,亞優(yōu)勢(shì)種為蒔蘿蒿、花苜蓿、白蓮蒿和車前,伴生種為砂珍棘豆和禾葉小苦苣。整體上,該樣地內(nèi)共有草本植株10種,明顯優(yōu)勢(shì)種2種,占比20.00%；優(yōu)勢(shì)種4種,占比40.00%。在R-25a樣地內(nèi),草本植物種以優(yōu)勢(shì)種、亞優(yōu)勢(shì)種和伴生種共存；明顯優(yōu)勢(shì)種重要值較大,優(yōu)勢(shì)度突出,硬質(zhì)早熟禾和披堿草的重要值均大于50%,為明顯優(yōu)勢(shì)種；該樣地亞優(yōu)勢(shì)種較多,除糙隱子草、風(fēng)毛菊和南山堇菜三個(gè)伴生種外,其余均為亞優(yōu)勢(shì)種。整體上,該樣地內(nèi)共有草本植株14種,明顯優(yōu)勢(shì)種(同為優(yōu)勢(shì)種)2種,占比14.29%。在R-27a樣地內(nèi),草本植物種包括優(yōu)勢(shì)種和亞優(yōu)勢(shì)種；優(yōu)勢(shì)種包括披堿草、鵝觀草、白蓮蒿、垂果大蒜芥、硬質(zhì)早熟禾和針茅,其中披堿草和鵝觀草為明顯優(yōu)勢(shì)種；亞優(yōu)勢(shì)種包括灰藜、草地風(fēng)毛菊和大籽蒿。整體上,該樣地內(nèi)共有草本植株9種,明顯優(yōu)勢(shì)種2種,占比22.22%；優(yōu)勢(shì)種6種,占比66.67%。在原地貌(OL)樣地內(nèi),草本植物種以優(yōu)勢(shì)種、亞優(yōu)勢(shì)種和伴生種共存；大針茅、針茅和硬質(zhì)早熟禾為明顯優(yōu)勢(shì)種,重要值均大于35%,優(yōu)勢(shì)種還包括披堿草、蒔蘿蒿、抱莖小苦苣和達(dá)烏里胡枝子；亞優(yōu)勢(shì)種包括風(fēng)毛菊、狼毒和花苜蓿；其余均為伴生種。整體上,原地貌內(nèi)共有草本植株19種,明顯優(yōu)勢(shì)種3種,占比15.79%；優(yōu)勢(shì)種7種,占比36.84%；該樣地內(nèi)植物種類較高,但亞優(yōu)勢(shì)種和伴生種的重要值較為接近,生態(tài)位重疊度較高,因此該樣地內(nèi)的種間競(jìng)爭(zhēng)排斥作用較大,從而降低了物種穩(wěn)定共存的可能。綜上所述并結(jié)合實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn),復(fù)墾樣地內(nèi)的明顯優(yōu)勢(shì)種包括硬質(zhì)早熟禾、拂子茅、披堿草、紫苜蓿和鵝觀草,不同年限復(fù)墾地的草本優(yōu)勢(shì)種以禾本科、菊科和豆科為主,原地貌(OL)樣地的明顯優(yōu)勢(shì)種包括大針茅、針茅和硬質(zhì)早熟禾。

3.3 不同復(fù)墾年限復(fù)墾地物種多樣性特征及變化趨勢(shì)

3.3.1不同復(fù)墾年限復(fù)墾地Shannon-Wiener指數(shù)特征及變化趨勢(shì)

Shannon-Wiener指數(shù)側(cè)重于來(lái)描述復(fù)墾樣地內(nèi)的物種多樣性,也在一定程度上表征樣地內(nèi)草本植株分布的均勻程度,該指數(shù)越大,樣地內(nèi)物種多樣性越大,物種均勻度越高。由式(2)計(jì)算可得調(diào)查樣地的Shannon-Wiener指數(shù),不同年限復(fù)墾地和原地貌樣地的Shannon-Wiener指數(shù)特征及變化趨勢(shì)如圖3所示。由圖3可以看出,Shannon-Wiener指數(shù)的最大值、最小值與均值變化一致,最大值與最小值可以具體反映所測(cè)數(shù)值的變化范圍。不同年限復(fù)墾地Shannon-Wiener指數(shù)的均值在R-25a樣地達(dá)到最高值,為0.62,該樣地物種多樣性最大、物種均勻度較高；R-6a樣地的Shannon-Wiener指數(shù)最小,為0.50,該樣地物種多樣性最低、物種均勻度較差。原地貌(OL)樣地的Shannon-Wiener指數(shù)為調(diào)查樣地內(nèi)的最高值,其顯著高于復(fù)墾地排土場(chǎng),其值為0.79。

圖3 不同復(fù)墾年限調(diào)查樣地的Shannon-維納指數(shù)特征Fig.3 Characteristics of Shannon-Wiener index of different reclamation years in the survey plots

變異系數(shù)是衡量各觀測(cè)值變異程度的一個(gè)統(tǒng)計(jì)[49],該值可以表征每個(gè)復(fù)墾樣地內(nèi)植被重建特征的變異程度,同時(shí)也可以揭示復(fù)墾地植被重建特征隨復(fù)墾年限增加的變異程度變化。依據(jù)經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)對(duì)變異系數(shù)等

*表示一年生或一、二年生草本,無(wú)標(biāo)注則為多年生草本級(jí)劃分,當(dāng)CV≤10%,屬于弱變異程度；當(dāng)10%

3.3.2不同復(fù)墾年限復(fù)墾地Simpson指數(shù)特征及變化趨勢(shì)

Simpson指數(shù)亦稱優(yōu)勢(shì)度指數(shù),Simpson指數(shù)越大,表明該樣地內(nèi)植物物種的集中性越高,物種多樣性越小,同時(shí)草本優(yōu)勢(shì)種集中在少數(shù)物種上。由式(3)計(jì)算可得調(diào)查樣地的Simpson指數(shù),不同年限復(fù)墾地和原地貌樣地的Simpson指數(shù)特征及變化趨勢(shì)如圖4所示。由圖4可以看出,不同年限復(fù)墾地Simpson指數(shù)的均值在R-7a樣地達(dá)到最大值,為0.39,表明該樣地內(nèi)優(yōu)勢(shì)種集中在少數(shù)物種上,物種多樣性較??；R-25a樣地的Simpson指數(shù)最小,為0.37；原地貌(OL)樣地的Simpson指數(shù)為調(diào)查樣地內(nèi)的最小值,其顯著小于復(fù)墾地排土場(chǎng),其值為0.25。

圖4 不同復(fù)墾年限調(diào)查樣地的辛普森指數(shù)特征Fig.4 Characteristics of Simpson index of different reclamation years in the survey plots

從調(diào)查樣地內(nèi)Simpson指數(shù)的變異系數(shù)來(lái)看,該值在R-27a樣地的變異系數(shù)最大,為52.51%；R-25a樣地的變異系數(shù)最小,為21.41%；五個(gè)調(diào)查樣地Simpson指數(shù)的變異系數(shù)均在10%—100%之間,均屬于中等變異程度。復(fù)墾地重建植被的Simpson指數(shù)隨復(fù)墾年限增加呈現(xiàn)先增后減再增的變化趨勢(shì),其在復(fù)墾7 a時(shí)達(dá)到最大值,在復(fù)墾25 a減小到最小值；整體上該值呈平緩減小的趨勢(shì),并逐漸接近于原地貌(OL)樣地,這與復(fù)墾地內(nèi)的草本物種多樣性和優(yōu)勢(shì)種的集中程度有關(guān)。R-7a樣地草本種類較少,且優(yōu)勢(shì)種為4種、占比40.00%,優(yōu)勢(shì)種集中在少數(shù)物種上,所以該樣地Simpson指數(shù)較大；R-25a樣地草本種類數(shù)為復(fù)墾地樣地內(nèi)的最大值,其明顯優(yōu)勢(shì)種的重要值分別為64.74%、59.34%和50.18%,其余均為亞優(yōu)勢(shì)種和伴生種,重要值均小于10%,由式(3)Simpson指數(shù)的計(jì)算公式可得該樣地的Simpson指數(shù)為復(fù)墾樣地中的最小值。同時(shí),原地貌(OL)樣地物種多樣性為調(diào)查樣地中的最大值,優(yōu)勢(shì)種種類數(shù)6,占比36.84%,且該樣地內(nèi)伴生種較多、重要值均小于5%,因此導(dǎo)致該樣地Simpson指數(shù)為調(diào)查樣地內(nèi)的最小值。

3.4 不同復(fù)墾年限復(fù)墾地地上生物量特征及變化趨勢(shì)

3.4.1不同復(fù)墾年限復(fù)墾地地上生物量特征

生物量是植物群落結(jié)構(gòu)和功能的重要體現(xiàn),是判斷植被生長(zhǎng)狀況以及生產(chǎn)潛力的重要依據(jù),地上生物量與植株高度、冠幅等個(gè)體形態(tài)以及蓋度、密度等群落特征密切相關(guān)[50-52],因此地上生物量可以間接反映不同年限復(fù)墾地的土地復(fù)墾與植被恢復(fù)狀況。由式(4)和式(5)計(jì)算可得調(diào)查樣地的喬木地上生物量,灌木和草本的地上生物量測(cè)定采用直接稱量法,不同復(fù)墾年限復(fù)墾樣地和原地貌樣地的地上生物量特征如表4所示,其在不同年限的復(fù)墾樣地間存在一定差異。

表4 不同復(fù)墾年限調(diào)查樣地的地上生物量特征/(kg/m2)Table 4 Characteristics of aboveground biomass of different reclamation years in the survey plots

從復(fù)墾地喬灌地上生物量的均值來(lái)看,該值在R-27a樣地達(dá)到最高值,為5.9153 kg/m2；R-7a樣地次之,為4.3570 kg/m2；R-6a樣地該值最小,為2.1356 kg/m2；原地貌(OL)樣地的喬灌地上生物量為調(diào)查樣地的最高值,其值為8.5794 kg/m2。從復(fù)墾地草本地上生物量的均值來(lái)看,該值在R-6a樣地達(dá)到復(fù)墾樣地內(nèi)的最高值,為0.2538 kg/m2；R-27a樣地該值為最小值,其為0.0557 kg/m2。從復(fù)墾地總地上生物量的均值來(lái)看,其分布特征與喬灌地上生物量特征相一致,其是由于不同復(fù)墾年限復(fù)墾地內(nèi)的喬灌木植株較高大,地上生物量較高。從復(fù)墾地喬灌地上生物量的變異系數(shù)來(lái)看,其從大到小依次為82.37%、56.54%、52.05%和12.89%,該值在各復(fù)墾地內(nèi)均屬于中等變異程度；原地貌(OL)樣地的變異系數(shù)為45.26%,也為中等變異程度。從復(fù)墾地草本地上生物量的變異系數(shù)來(lái)看,其從大到小依次為49.57%、41.88%、25.91%、17.34%,其在復(fù)墾樣地均屬于中等變異程度；原地貌(OL)樣地該值的變異系數(shù)為23.54%,也屬于中等變異程度。從調(diào)查樣地總地上生物量的變異系數(shù)來(lái)看,R-6a樣地的變異系數(shù)最大,為61.74%,R-7a樣地的變異系數(shù)最小,為11.92%,各個(gè)調(diào)查樣地的重要值均大于10%,均屬于中等變異程度。

3.4.2地上生物量隨復(fù)墾時(shí)間的變化特征

復(fù)墾地喬灌、草本和喬灌草總地上生物量(簡(jiǎn)稱總地上生物量)隨復(fù)墾年限增加的變化趨勢(shì)如圖5所示,總地上生物量隨復(fù)墾年限增加呈現(xiàn)先增加后減少再逐漸增加的趨勢(shì),和張振佳[53]研究的平朔礦區(qū)復(fù)墾地表層土壤微生物數(shù)量與酶活性隨復(fù)墾年限呈先增后減再增的變化趨勢(shì)一致。該現(xiàn)象與樣地的選擇、樣地內(nèi)植物物種組成及其自身生長(zhǎng)習(xí)性、降水等自然條件和人為干擾等息息相關(guān)；同時(shí)植被分布與土壤養(yǎng)分含量及分布密切相關(guān),土壤狀況將直接影響植被的生長(zhǎng)狀況[54-55]。由圖5可以看出,喬灌地上生物量在復(fù)墾7 a時(shí)達(dá)到一個(gè)峰值,其隨著復(fù)墾時(shí)間增加,在復(fù)墾25 a時(shí)有所下降,而后又逐漸增加；R-6a、R-7a、R-25a和R-27a樣地的地上生物量分別為原地貌(OL)樣地的27.55%、52.44%、36.55%和68.84%；復(fù)墾7 a時(shí)喬灌植物的地上生物量就已達(dá)到原地貌的50%,復(fù)墾27 a的R-27a樣地其值為原地貌(OL)樣地的68.75%,隨復(fù)墾時(shí)間增加,復(fù)墾地的喬灌地上生物量在逐漸接近原地貌未擾動(dòng)區(qū)。由于調(diào)查樣地內(nèi)的植被地上生物量89%以上取決于喬灌地上生物量,因此調(diào)查樣地內(nèi)總地上生物量的變化趨勢(shì)和喬灌地上生物量變化一致,不再進(jìn)行詳細(xì)分析。復(fù)墾地內(nèi)的草本地上生物量隨復(fù)墾年限增加整體上呈現(xiàn)逐漸減少的趨勢(shì),該值在復(fù)墾6 a時(shí)為最大值,其值為原地貌(OL)樣地的269.18%；草本地上生物量在復(fù)墾27 a時(shí)達(dá)到復(fù)墾地的最小值,其值為原地貌(OL)樣地的59.07%；該現(xiàn)象與喬灌生物量隨復(fù)墾年限增加大體上呈現(xiàn)增加有關(guān),復(fù)墾初期喬灌木的生長(zhǎng)增加了樣地物種多樣性,生境質(zhì)量在一定程度上得到改善,隨復(fù)墾年限增加,草本物種多樣性增大,但增加的草本物種重要值較小,生態(tài)位重疊程度較高,在種間競(jìng)爭(zhēng)中處于劣勢(shì),進(jìn)而部分草本植物物種出現(xiàn)退化。

圖5 地上生物量隨復(fù)墾年限的變化趨勢(shì)Fig.5 Variation trends of aboveground biomass with the years of reclamation

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

4.1.1復(fù)墾地重建植被物種組成及演替特征

物種豐富度指數(shù)可表征樣地內(nèi)的物種豐富度[56],本文中喬灌草種類數(shù)即為各樣地內(nèi)的物種豐富度,植物種類數(shù)越多,物種多樣性越高。該研究發(fā)現(xiàn)復(fù)墾地內(nèi)共記錄喬灌植物12種,隸屬于8科10屬,草本植物27種,隸屬于7科20屬；遠(yuǎn)高于原地貌樣地的植物種類數(shù)(喬木植物1種；草本植物19種,隸屬于8科16屬),這與王卓[57]和哈文秀[58]的研究結(jié)果相一致。王卓等[57]對(duì)安太堡露天礦復(fù)墾地草本群落多樣性的研究發(fā)現(xiàn),經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的礦區(qū)生態(tài)修復(fù),排土場(chǎng)植物群落多樣性總體上呈上升趨勢(shì)。哈文秀等[58]對(duì)喀斯特?cái)嘞菖璧貐^(qū)不同恢復(fù)階段群落物種組成與多樣性特征的研究發(fā)現(xiàn),在草叢→灌叢→喬木林的恢復(fù)過(guò)程中,群落物種組成中的科、屬、種數(shù)逐漸增加。由此可見(jiàn),復(fù)墾地的植被重建工作在一定程度上提高了該礦區(qū)的物種多樣性,恢復(fù)效果較好。

重要值大小是確定草本優(yōu)勢(shì)種和建群種的重要依據(jù),從草本植物重要值來(lái)看,草本優(yōu)勢(shì)種包括禾本科和菊科,這與許麗[59]、劉建利[60]和趙冰清[36]的研究結(jié)果相一致；復(fù)墾地內(nèi)的多年生草本植物占比75%以上,其中優(yōu)勢(shì)種包括硬質(zhì)早熟禾、披堿草、拂子茅、鵝觀草、白蓮蒿和蒔蘿蒿,這與李晉川[61]和徐志果[42]的研究結(jié)果一致,因?yàn)楹瘫究坪途湛浦参锞哂心透珊怠⒛拓汃ず瓦m應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn),其種子繁殖能力強(qiáng)且靠風(fēng)傳播,更加適合在干燥多風(fēng)的平朔礦區(qū)快速生長(zhǎng)；同時(shí),多年生草本植物種子繁殖能力相對(duì)較弱、但其具有較強(qiáng)的靠根、莖繁殖的能力,容易在定居后形成較穩(wěn)定的種群[45]。復(fù)墾地內(nèi)的草本種類數(shù)隨復(fù)墾年限增加呈現(xiàn)先增后減的變化趨勢(shì),在R-25a樣地達(dá)到最大值,隨后又逐漸減少。究其原因,復(fù)墾前3 a會(huì)對(duì)人工種植的幼苗進(jìn)行人工澆水,前5 a進(jìn)行病蟲(chóng)害控制；同時(shí),復(fù)墾初期植物群落的自發(fā)演替較為明顯,通過(guò)生物作用加速營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的積累[62],再加上隨著喬灌木植株不斷生長(zhǎng),復(fù)墾地土壤表層凋落物覆蓋和地上生物量增加[63],生態(tài)環(huán)境得到一定改善,并導(dǎo)致一些適生的野生草本植物入侵。由重要值研究發(fā)現(xiàn),在R-25a樣地入侵的草本植株重要值均較小且接近,屬于亞優(yōu)勢(shì)種和伴生種,生態(tài)位重疊程度較高,促進(jìn)了該樣地的競(jìng)爭(zhēng)排斥作用、導(dǎo)致該樣地部分植物退化。R-27a樣地為最早進(jìn)行土地復(fù)墾的排土場(chǎng),經(jīng)實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn),起初在該樣地人工種植的無(wú)芒雀麥(Bromusinermis)、扁穗冰草(Agropyroncristatum)、草木樨狀黃耆(Astragalusmelilotoides)和草木樨(Melilotussuaveolens)均已不復(fù)存在,R-6a樣地和R-25a樣地內(nèi)也無(wú)這些植株存在,草木樨只存在于R-7a樣地,該研究結(jié)論與王麗媛[64]和趙冰清[42]的研究結(jié)果一致。由于區(qū)域內(nèi)的地理環(huán)境較為相似,因此草本植物生長(zhǎng)受樣地內(nèi)喬木樹(shù)種組成差異和自然生境條件的影響較大[65],在R-25a樣地和R-27a樣地喬木植株林齡較大,林冠的遮陰作用較強(qiáng)[66],同時(shí)喬木冠層對(duì)降水的截留和對(duì)土壤水分的蒸散也較強(qiáng)[67],因此樣地內(nèi)的草本植物因受到了光照和水分的限制等而出現(xiàn)退化,但這些草本植物均對(duì)復(fù)墾前期土壤肥力的提升具有十分重要的作用,例如草木樨和草木樨狀黃耆等作為豆科植物,具有固氮作用,對(duì)初期培肥熟化和穩(wěn)定土壤十分有益。

4.1.2復(fù)墾地植被地上生物量變化特征

植被地上生物量與植被類型及其組成密切相關(guān)[68-69],本文采用“空間代替時(shí)間”的方法,由于所選樣地的區(qū)域不同,各樣地內(nèi)植物群落組成及與植被生長(zhǎng)相關(guān)的各因子和人為干擾等因素都會(huì)導(dǎo)致該差異性的存在。隨復(fù)墾年限增加,復(fù)墾地的總地上生物量隨復(fù)墾年限呈現(xiàn)先增加后減少再增加的趨勢(shì),其逐漸接近于原地貌,總地上生物量89%以上取決于喬灌木的地上生物量(見(jiàn)圖5)；該研究結(jié)論與馬潔[70]的研究成果相似并存在一定差異,馬潔等[70]研究發(fā)現(xiàn)3種人工林林下的地上部生物量不同程度的優(yōu)于原地貌,并且人工林灌木層地上部生物量均高于草本層；同時(shí),該研究結(jié)果與張振佳[53]的研究結(jié)論相一致,土壤微生物數(shù)量與酶活性均可在一定程度上反映重建植被特征和復(fù)墾地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等,張振佳等[53]研究發(fā)現(xiàn)平朔礦區(qū)復(fù)墾地表層土壤微生物數(shù)量與酶活性隨復(fù)墾年限增加呈現(xiàn)先增后減再增的變化趨勢(shì),但安太堡南排土場(chǎng)(R-27樣地)的土壤微生物數(shù)量與酶活性均低于原地貌。

該研究發(fā)現(xiàn)各復(fù)墾排土場(chǎng)的喬木物種組成存在較大差異,各種喬木植株的多度差異也較大,同時(shí)各復(fù)墾地的喬木多樣性均高于原地貌(見(jiàn)表5)。由表5可以看出,在復(fù)墾時(shí)間相近的R-6a樣地和R-7a樣地,R-7a樣地內(nèi)只有小葉楊和榆樹(shù)兩種喬木植株,但其總地上生物量是有5種喬木存在的R-6a樣地的2.04倍；在復(fù)墾時(shí)間相近的R-25a樣地和R-27a樣地,有4種喬木植株存在的R-27a樣地的總地上生物量是有8種喬木植株存在的R-25a樣地的1.93倍。R-25a樣地的地上生物量相比R-7a樣地大幅下降,一方面與R-25a樣地自身的植物配置模式有關(guān),另一方面也可能與該樣地經(jīng)歷了2014年和2015年的降水低峰期有關(guān)[36]；隨著植被配置的改變,總地上生物量在復(fù)墾27 a的安太堡南排土場(chǎng)達(dá)到了最高值,該樣地內(nèi)的喬木樹(shù)種為“刺槐×榆樹(shù)×油松×臭椿”,其為原地貌(OL)樣地的68.84%,且R-27a樣地內(nèi)喬木植物多樣性高于原地貌樣地。經(jīng)實(shí)地調(diào)研發(fā)現(xiàn),同樣經(jīng)歷過(guò)降水低峰期的R-27a樣地內(nèi)大量“大徑級(jí)”(胸徑>10 cm)刺槐植株死亡,并且其余種類的喬木植株多度較少或平均胸徑和平均高度較小,因而該樣地地上生物量較少,還未達(dá)到原地貌水平。高一飛等[71]研究發(fā)現(xiàn)群落的植物生物量既可能隨植物多樣性的增加而增加,也可能與植物多樣性呈單峰型關(guān)系,當(dāng)植物群落中種類數(shù)量較少時(shí),環(huán)境異質(zhì)性低,生物量隨種數(shù)的增加而變大；而隨種數(shù)的進(jìn)一步增加,環(huán)境異質(zhì)性逐漸增強(qiáng),種間競(jìng)爭(zhēng)加劇,生存資源利用逐漸飽和,此時(shí)生物量最大；種數(shù)再進(jìn)一步增加,會(huì)因種間競(jìng)爭(zhēng)進(jìn)一步加劇而導(dǎo)致生存資源不足,生物量則減小。通過(guò)對(duì)實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)的進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),復(fù)墾初期,隨復(fù)墾年限增加植物生長(zhǎng)速率逐漸增大；但某些植物在隨復(fù)墾年限進(jìn)一步增加的過(guò)程中其生長(zhǎng)速率會(huì)變緩慢甚至死亡。作為先鋒樹(shù)種的刺槐屬于高耗水樹(shù)種,在典型半干旱的平朔礦區(qū)其會(huì)過(guò)渡消耗土壤中的貯水,最終使其生長(zhǎng)受到抑制[72-73]。胡振琪等[72]通過(guò)對(duì)煤矸石山刺槐林生長(zhǎng)規(guī)律的研究發(fā)現(xiàn),刺槐胸徑的速生期出現(xiàn)在2—4 a,4 a以后便開(kāi)始明顯下降。張建軍等[73]研究發(fā)現(xiàn)黃土高原刺槐胸徑生長(zhǎng)的快速期在8 a以前,10—12 a時(shí)基本達(dá)到頂峰,此后胸徑生長(zhǎng)趨于緩慢。榆樹(shù)作為鄉(xiāng)土樹(shù)種,其種子一次性結(jié)實(shí)量大,質(zhì)量小,且果實(shí)具翅,適應(yīng)于復(fù)墾地多風(fēng)環(huán)境中傳播擴(kuò)散繁殖,但榆樹(shù)在生長(zhǎng)過(guò)程中具有強(qiáng)烈的自疏習(xí)性,導(dǎo)致其在各個(gè)階段特別是幼樹(shù)階段具有較高的死亡率[74],趙冰清等[67]研究發(fā)現(xiàn),營(yíng)造刺槐與榆樹(shù)的混交林,可以為榆樹(shù)定居提供生境,使其落地后可以繁殖更新。陽(yáng)生性的油松在復(fù)墾前25 a油松生長(zhǎng)緩慢,在復(fù)墾25 a至27a 間其生長(zhǎng)迅速；焦醒等[75]研究發(fā)現(xiàn)陜西黃土高原油松胸徑在15—40 a時(shí)生長(zhǎng)較快,45 a后生長(zhǎng)速率減慢進(jìn)入穩(wěn)定生長(zhǎng)。正是由于礦區(qū)植被重建的重要性及特殊性,再加上復(fù)墾地喬木植株生長(zhǎng)較緩慢；因此,不同的土壤類型、地形和氣候條件、植物配置模式等都將直接影響重建植被的生長(zhǎng)狀況,進(jìn)而影響復(fù)墾地的生態(tài)恢復(fù)效果和生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性,因此本文對(duì)不同復(fù)墾年限下復(fù)墾地的植被重建特征及演替規(guī)律的探索研究十分必要。

表5 不同復(fù)墾年限調(diào)查樣地各樹(shù)種生長(zhǎng)狀況變化特征Table 5 Variation characteristics of growth status of various tree species in survey plots with different reclamation years

4.1.3對(duì)該礦區(qū)和類似礦區(qū)未來(lái)進(jìn)行植被重建的建議

平朔露天礦區(qū)地處“溫帶半干旱”的生態(tài)脆弱區(qū)與敏感區(qū),該礦區(qū)具有典型的“溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候”,年降水為450 mm左右,且降水集中在6—9月。劇烈的采煤活動(dòng)導(dǎo)致該礦區(qū)原脆弱生態(tài)系統(tǒng)變?yōu)闃O度退化生態(tài)系統(tǒng),生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能完全喪失,如果不及時(shí)整治,在現(xiàn)有的技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件下,將變?yōu)椴豢赡孓D(zhuǎn)生態(tài)系統(tǒng)[76],因此,對(duì)該礦區(qū)進(jìn)行土地復(fù)墾與植被重建變得十分緊迫與重要。經(jīng)本文研究發(fā)現(xiàn),復(fù)墾地重建植被的物種組成及配置模式對(duì)該礦區(qū)的土地復(fù)墾與生態(tài)恢復(fù)效果具有顯著影響,因?yàn)橹参锉旧砭哂懈髯缘纳L(zhǎng)習(xí)性,其所產(chǎn)生的復(fù)墾效果不同；并且不同恢復(fù)階段的植物物種組成有較大差異,隨著植被的恢復(fù)物種有所替代；因此,在不同植被恢復(fù)階段應(yīng)按照植被的地帶性分布規(guī)律,選擇不同的植物物種及恢復(fù)措施,宜喬則喬、宜灌則灌、宜草則草。白中科等[2]基于礦業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)的周期性與長(zhǎng)期礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)重建的實(shí)踐,提出了礦區(qū)“地貌重塑、土壤重構(gòu)、植被重建、景觀重現(xiàn)、生物多樣性重組與保護(hù)”恢復(fù)重建的“五元共軛”理論,所以未來(lái)在該礦區(qū)進(jìn)行植被重建時(shí)應(yīng)首先考慮擬復(fù)墾區(qū)的地形地貌和土壤條件,并綜合該區(qū)域的氣候和降水等條件,針對(duì)不同的損毀土地類型和程度,來(lái)進(jìn)行重建植被的物種選擇(先鋒植物和適生植物)和植被配置模式、栽種方式與管理措施的制定。在植被恢復(fù)初期復(fù)墾地土壤質(zhì)量較差,缺乏供植物生長(zhǎng)的氮、磷和有機(jī)質(zhì)等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),再加上該礦區(qū)降水稀少、蒸發(fā)嚴(yán)重和風(fēng)期長(zhǎng)等特點(diǎn),因此在該礦區(qū)復(fù)墾初期應(yīng)選擇耐貧瘠和抗旱性強(qiáng)的先鋒物種,并重視植被的合理配置；喬木植株如刺槐和油松,草本植株如作為復(fù)墾地明顯優(yōu)勢(shì)種的硬質(zhì)早熟禾、拂子茅、披堿草、紫苜蓿和鵝觀草。許多研究表明,“刺槐×油松”混交模式在安太堡長(zhǎng)勢(shì)最好,復(fù)墾初期,油松長(zhǎng)勢(shì)較慢,起到了水土保持作用,促進(jìn)了刺槐的快速生長(zhǎng),隨著刺槐樹(shù)齡的增大,為油松提供了很好的遮陰條件,兩者表現(xiàn)出互利共生的現(xiàn)象[62]；同時(shí),刺槐作為先鋒物種,為豆科植物,具有根瘤、能夠固氮,可以有效增加土壤氮素和提高土壤肥力,其還可防止風(fēng)蝕、水蝕,為后續(xù)植被恢復(fù)以及復(fù)墾地生態(tài)環(huán)境的改善起著十分重要的作用[33]。同時(shí),由于受損生態(tài)系統(tǒng)的功能恢復(fù)比形態(tài)恢復(fù)難度大、時(shí)間長(zhǎng),植被恢復(fù)可能會(huì)沿著受損與退化時(shí)的軌跡復(fù)歸,因此在復(fù)墾初期進(jìn)行人工支持引導(dǎo)生態(tài)系統(tǒng)自然修復(fù)也非常關(guān)鍵[2,76]。

生態(tài)保護(hù)修復(fù)如同人體的健康管理,應(yīng)由“開(kāi)刀治病”轉(zhuǎn)向“健康管理”或全程“適應(yīng)性管理”[76]。在復(fù)墾初期對(duì)該礦區(qū)已復(fù)墾地的植被恢復(fù)進(jìn)行了人工管護(hù),但在后期自然恢復(fù)過(guò)程中也不能放任不管,否則隨著部分植物退化,缺失的生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)難以在短時(shí)間內(nèi)補(bǔ)缺；因此,也應(yīng)在后期自然恢復(fù)的基礎(chǔ)上加強(qiáng)積極的培育措施,包括保護(hù)、撫育、促進(jìn)、補(bǔ)植(播)、更新等手段,使礦區(qū)的重建植被按一定的生態(tài)目標(biāo)進(jìn)行恢復(fù)[77-78]。對(duì)該礦區(qū)擬復(fù)墾區(qū)進(jìn)行實(shí)地調(diào)查和對(duì)生態(tài)問(wèn)題進(jìn)行科學(xué)地識(shí)別與診斷,根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)退化程度的高低和生態(tài)保護(hù)修復(fù)目標(biāo)來(lái)確定“保護(hù)保育、自然恢復(fù)、輔助再生、生態(tài)重建”等為主的生態(tài)保護(hù)修復(fù)單元類型,以及可選取的生態(tài)保護(hù)修復(fù)技術(shù)模式；并且從復(fù)墾初期開(kāi)始,就對(duì)生態(tài)恢復(fù)過(guò)程中的重建植被進(jìn)行長(zhǎng)期定位監(jiān)測(cè),及時(shí)根據(jù)其生長(zhǎng)特征調(diào)整恢復(fù)措施,其監(jiān)測(cè)結(jié)果可為后期的土地復(fù)墾與植被重建工作提供寶貴參考。當(dāng)今,我國(guó)生態(tài)修復(fù)的核心理念是“保障生態(tài)安全,促進(jìn)人與自然和諧發(fā)展”,礦區(qū)人類活動(dòng)會(huì)顯著影響礦區(qū)復(fù)墾地重建植被的恢復(fù)狀態(tài)；因此,當(dāng)?shù)鼐用窕虻V區(qū)決策者應(yīng)根據(jù)不同恢復(fù)階段的重建植被特征采取適應(yīng)性管理措施,促進(jìn)復(fù)墾地生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)向正向演替,爭(zhēng)取實(shí)現(xiàn)植被重建工作的效益最大化,提高該礦區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),進(jìn)而提升人類福祉。

4.2 結(jié)論

(1)植被重建工作顯著提高了復(fù)墾地的物種豐富度,各復(fù)墾地喬灌植株的物種豐富度明顯高于原地貌。但在重建植被演替過(guò)程中,并非隨復(fù)墾年限增加,物種豐富度越來(lái)越高,復(fù)墾地Shannon-Wiener指數(shù)隨復(fù)墾年限增加呈先增后減的變化趨勢(shì),該值在R-25a樣地達(dá)到峰值(0.62),其與復(fù)墾地的植物物種組成及其自身生長(zhǎng)習(xí)性、土壤條件、降水等自然條件和人為干擾等息息相關(guān)。

(2)從喬木植株的生長(zhǎng)狀況來(lái)看,刺槐作為先鋒樹(shù)種,是植被重建時(shí)可優(yōu)先選擇的喬木樹(shù)種。從復(fù)墾地草本植株組成來(lái)看,草本植物以多年生為主,占比77.78%；從草本重要值的來(lái)看,草本優(yōu)勢(shì)種以禾本科、菊科和豆科為主,明顯優(yōu)勢(shì)種包括：硬質(zhì)早熟禾、拂子茅、披堿草、紫苜蓿和鵝觀草,其為復(fù)墾時(shí)優(yōu)先考慮的草本物種。

(3)復(fù)墾地的總地上生物量89%以上取決于喬灌地上生物量,其隨復(fù)墾年限增加呈現(xiàn)先增后減再增的變化趨勢(shì),并逐漸接近于原地貌,R-6a、R-7a、R-25a和R-27a樣地的地上生物量分別為原地貌(OL)樣地的27.55%、52.44%、36.55%和68.84%,在R-27a樣地達(dá)到最大值(5.9710 kg/m2),其在一定程度上表明隨復(fù)墾年限增加植被生長(zhǎng)狀況和復(fù)墾效果逐漸變好。