郝　婧, 郭東罡, 上官鐵梁,,*, 劉衛(wèi)華, 張　婕, 張沛沛

1 山西大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院, 太原　030006 2 山西大學(xué)黃土高原研究所, 太原　030006 3 山西大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院, 太原　030006 4 山西潞安礦業(yè)集團(tuán)司馬煤業(yè)有限公司, 長治　047105

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煤矸石場植被恢復(fù)初期生態(tài)績效評價

郝婧1, 郭東罡1, 上官鐵梁1,2,*, 劉衛(wèi)華2, 張婕3, 張沛沛4

1 山西大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院, 太原030006 2 山西大學(xué)黃土高原研究所, 太原030006 3 山西大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院, 太原030006 4 山西潞安礦業(yè)集團(tuán)司馬煤業(yè)有限公司, 長治047105

摘要:以山西潞安礦業(yè)集團(tuán)司馬煤業(yè)有限公司煤矸石場生態(tài)恢復(fù)5年內(nèi)(2009—2013年)的植被-土壤系統(tǒng)為研究對象，在固定監(jiān)測樣地調(diào)查的基礎(chǔ)上，以空間變化代替時間變化，對煤矸石場人工種植喬木層條件下，草本植物自然恢復(fù)初期的生態(tài)績效進(jìn)行了評價，結(jié)果表明：1)相較于1a恢復(fù)期，煤矸石場植被恢復(fù)初期植物群落基本特征、土壤物理性質(zhì)、土壤化學(xué)性質(zhì)及其綜合生態(tài)績效在5a恢復(fù)期時均達(dá)到了“優(yōu)”級水平；2)在足夠長的恢復(fù)期內(nèi)，人工種植喬木層條件下，草本植物的自然恢復(fù)可以實(shí)現(xiàn)礦區(qū)的植被重建；3)基于AHP-FCE評價模型，以1a恢復(fù)期為基準(zhǔn)，通過各恢復(fù)期生態(tài)指標(biāo)與1a恢復(fù)期相比的恢復(fù)程度設(shè)定績效等級，對煤矸石場植被恢復(fù)初期的生態(tài)績效進(jìn)行評價，避免了以往選取天然次生群落為恢復(fù)目標(biāo)，但又不確定其是否為最佳恢復(fù)效果的盲目性，為生態(tài)績效評價提供了新思路。

關(guān)鍵詞：煤矸石場；恢復(fù)初期；生態(tài)績效；評價

煤炭在我國能源結(jié)構(gòu)中居首要地位，今后仍將是能源供給的主要來源，煤礦開采產(chǎn)生的生態(tài)影響，如煤矸石占壓土地并污染環(huán)境、植被景觀被破壞、地表塌陷等，已成為制約區(qū)域可持續(xù)發(fā)展亟待解決的問題，再加上生態(tài)恢復(fù)所需時間較長、涉及面較廣，故其重要性和緊迫性已受到社會的廣泛關(guān)注[1- 2]。

當(dāng)前，在煤礦廢棄地生態(tài)恢復(fù)的研究上，國外尚未提出通用于礦區(qū)損毀土地生態(tài)恢復(fù)績效的評價體系[3]，但存在某些公認(rèn)的評價指標(biāo)[4]，如生物物種數(shù)以及生物量的增加速度、土壤理化性質(zhì)、小氣候以及地下水位變化等[5- 10]。而我國在生態(tài)恢復(fù)績效評價方面的研究特點(diǎn)為：1)恢復(fù)績效的現(xiàn)狀評價較多，即主要集中于植物群落、土壤理化性質(zhì)等某類生態(tài)因子恢復(fù)績效的單一現(xiàn)狀評價[11- 14]，集中于定性指標(biāo)(如生境復(fù)雜性、土地資源節(jié)約利用狀況等)與少量定量指標(biāo)(如土地復(fù)墾率、植被覆蓋率等)相結(jié)合的現(xiàn)狀評價[4,15- 17]，注重于生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、社會等綜合績效，卻簡化了生態(tài)績效的現(xiàn)狀評價[18- 19]；2)恢復(fù)績效的動態(tài)評價不足，即雖建立了動態(tài)綜合評價標(biāo)準(zhǔn)，但群落特征指標(biāo)中均缺乏，如群落物種相似性、群落物種消長、群落穩(wěn)定性等能詳細(xì)描述群落整體特征的指標(biāo)，評價指標(biāo)體系尚不系統(tǒng)[20- 21]。

對于評價方法，國內(nèi)外通常采用層次分析法、模糊綜合評價法、主成分分析法、聚類分析法、灰色關(guān)聯(lián)度評價等方法[22- 24]，且往往選取天然次生群落或人為干擾較小的群落作為恢復(fù)目標(biāo)，但由于缺乏對生態(tài)績效進(jìn)行長期、系統(tǒng)的定位觀測和研究[12]，導(dǎo)致無法確定該恢復(fù)目標(biāo)是否就是最優(yōu)生態(tài)系統(tǒng)，結(jié)果造成了評價目標(biāo)選取的盲目性，尚未形成科學(xué)、系統(tǒng)、實(shí)用的礦山生態(tài)恢復(fù)績效評價標(biāo)準(zhǔn)[4,12,18,25]，對廢棄地復(fù)墾中的新方法、新技術(shù)和方案的應(yīng)用缺乏理論上的總結(jié)和提高，致使礦山生態(tài)恢復(fù)往往流于形式[15]。

司馬煤業(yè)有限公司是山西潞安礦業(yè)集團(tuán)“十五”期間新建的一座現(xiàn)代化礦井，自2006年投產(chǎn)以來，嚴(yán)格遵循“綠色開采、生態(tài)和諧”的發(fā)展理念，采取邊開采邊重建的模式，為建設(shè)國家級生態(tài)示范礦井奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ)，研究該礦區(qū)廢棄地的生態(tài)恢復(fù)績效在長治、山西乃至整個華北地區(qū)具有重要的典型性和代表性。

本研究基于恢復(fù)生態(tài)學(xué)的主要理論，以山西潞安礦業(yè)集團(tuán)司馬煤業(yè)有限公司煤矸石場植被恢復(fù)5a內(nèi)(2009—2013年)的植被-環(huán)境系統(tǒng)為研究對象，在固定監(jiān)測樣地調(diào)查的基礎(chǔ)上，以空間變化代替時間變化[26- 32]，對煤矸石場植被恢復(fù)初期的生態(tài)績效進(jìn)行時空尺度監(jiān)測、對比和判識，建立植被恢復(fù)初期生態(tài)績效分析方法，并對恢復(fù)績效進(jìn)行合理有效的評價，旨在總結(jié)適合司馬礦乃至長治市煤礦廢棄地生態(tài)修復(fù)的植被構(gòu)建，提出煤礦廢棄地生態(tài)績效評估的可操作性監(jiān)測和評價指標(biāo)體系，開發(fā)系統(tǒng)的煤礦廢棄地植被恢復(fù)初期生態(tài)績效評價實(shí)用技術(shù)，對持續(xù)推進(jìn)礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)的科學(xué)實(shí)施、管理和評估具有積極的示范和輻射帶動作用。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山西省長治市西南部山西潞安礦業(yè)集團(tuán)司馬煤業(yè)有限公司井田東北約6 km的蘇店鎮(zhèn)南天河村東溝，該區(qū)屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，夏季午間較熱，早晚涼爽，晝夜溫差較大，春季多風(fēng)少雨，氣候干燥，年平均氣溫9.1℃，日最高氣溫37℃，最低氣溫-29℃，無霜期160 d，凍土深度為50—75 cm，年降水量340.3—832.9 mm，年平均蒸發(fā)量1 558 mm，雨季多集中在7、8、9三個月。該區(qū)原土壤類型屬黃土狀石灰性褐土和黃土質(zhì)石灰性褐土，植被覆蓋度低，并且處在丘陵區(qū)，水土流失較其他區(qū)嚴(yán)重，屬中度侵蝕，侵蝕模數(shù)為500—1000 t km-2a-1。原地貌主要為溝壑，天然次生植被主要為杠柳(Periplocasepium)、荊條(Vitexnegundovar.heterophylla)、白刺花(Sophoradavidii)、白羊草(Bothriochloaischaemum)、野艾蒿(Artemisialavandulaefolia)、羊草(Leymuschinensis)和草木犀(Melilotuofficinalis)等。

該區(qū)煤矸石場的排矸工程于2009、2010、2011年分3期相繼完成。排矸場呈3個臺階平地，臺階高差10 m，平臺長50 m，寬30 m，面積為1 500 m2，各平臺均采取排3 m厚煤矸石，壓實(shí)后覆土50 cm，最終平臺頂覆土80 cm。覆土取自周邊0—5 m深的黃土狀石灰性褐土和黃土質(zhì)石灰性褐土。各期均人工栽植規(guī)格為無冠幅、株高3.5 m的毛白楊(Populustomentosa)，并采用株距1.5 m，行距2 m的均勻模式，不采取人工施肥、澆水等管理措施，草本植物群落采取自然恢復(fù)。

1.2樣地設(shè)置

于2011年8月在各恢復(fù)期平臺上，用全站儀建立固定監(jiān)測樣地，樣地設(shè)在各平臺中央劃分面積為20 m×20 m的區(qū)域，并在各區(qū)域中設(shè)16個5 m×5 m的樣區(qū)，3個平臺共設(shè)48個樣區(qū)。再在每個樣區(qū)的左下角與右上角分別設(shè)一個1 m×1 m的草本樣方，總共設(shè)96個。采用GPS定位，在矸石場北側(cè)約1 000 m處的天然次生群落設(shè)置6個面積為1 m×1 m樣方，作為對照樣方。

1.3群落基本特征調(diào)查

(1)從2011年8月至2013年9月，對各樣地進(jìn)行3期調(diào)查，記錄各樣方中草本植物物種組成、平均高度、多度、蓋度，以及毛白楊的高度、胸徑、蓋度、冠幅。

(2)群落物種消長指數(shù)

群落物種消長指數(shù)反映的是群落中物種遷入與遷出的動態(tài)變化狀況，群落物種消長指數(shù)越接近于1.0，說明群落物種消長越呈現(xiàn)動態(tài)平衡，群落物種多樣性越趨于穩(wěn)定。本研究以1a恢復(fù)期為基準(zhǔn)群落，1a恢復(fù)期的物種消長指數(shù)按凈遷入率計算，并記為100。

Ci=Ii/Ei(i=2,3,4,5；當(dāng)i=1時，C1=100)

Ii=NIi/N1×100%(i=2,3,4,5)

Ei=NEi/N1×100%(i=2,3,4,5)

式中，Ci為i群落物種消長指數(shù)；Ii為i群落相對于1a恢復(fù)期的凈遷入率；Ei為i群落相對1a恢復(fù)期的凈遷出率；NIi為i群落相對于1a恢復(fù)期遷入的物種數(shù)；NEi為i群落相對于1a恢復(fù)期遷出的物種數(shù)；N1為1a恢復(fù)期的物種數(shù)。

(3)群落相似性指數(shù)

相似性指數(shù)可以用來比較各恢復(fù)期群落之間及其與天然次生群落間的物種相似性[2]，本研究采用Jaccard相似性指數(shù)[33]，對其進(jìn)行統(tǒng)計分析，計算公式如下：

SC=C/(A+B-C)×100%

式中，SC 表示兩植物群落的相似性指數(shù)，A和B分別表示2個不同植物群落中的物種總數(shù)，C表示2個植物群落中共有的物種數(shù)[2]。

(4)草本植物的重要值

草本植物的重要值[34- 35]=(相對多度+相對高度+相對蓋度+相對頻度)/4

(5)物種多樣性指標(biāo)

群落物種多樣性指數(shù)選取Shannon- Wiener指數(shù)[34- 36]，物種均勻度指數(shù)選取Pielou指數(shù)[34,36]，物種豐富度指數(shù)依據(jù)群落物種均勻度指數(shù)和優(yōu)勢物種的明顯程度(通過物種重要值及實(shí)際調(diào)查情況確定)，對群落物種豐富度進(jìn)行賦值(表1)。

(6)群落穩(wěn)定性指數(shù)

群落穩(wěn)定性指數(shù)采用M.Godron穩(wěn)定性測定方法[37- 38]，將各恢復(fù)期及天然次生群落物種相對頻度按由大到小的順序進(jìn)行積累排列，并將各群落物種總數(shù)取倒數(shù)，照此順序也進(jìn)行累計排列，使兩者一一對應(yīng)，做出散點(diǎn)圖及趨勢線，直線y=100-x與該趨勢線的交點(diǎn)即為所求點(diǎn)[37- 38]。Godron認(rèn)為(20,80)這一點(diǎn)為群落的穩(wěn)定點(diǎn)，故交點(diǎn)越接近點(diǎn)(20,80)，群落越穩(wěn)定[37]。

群落物種均勻度指數(shù)小于0.95，則認(rèn)為物種均勻度較差，反之，物種均勻度較好

(7)草本植物生物量測定

在各恢復(fù)期樣地及天然次生群落中均選取3個1 m×1 m的典型小樣方，采用完全收獲法，將樣品裝入袋中，帶回實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行洗沙，清水沖洗干凈后，將根系樣品與地上樣品分別在80℃恒溫箱內(nèi)烘至恒重，然后在電子天平(精度達(dá)0.01)上稱其干重，測定地下和地上生物量[2]。

作者簡介：張喜玲，女，黑龍江密山人，蘇州國際外國語學(xué)校，初中英語教師，二級教師，碩士研究生，研究方向：英語教育。

1.4土壤取樣與測定

從2011年8月至2013年9月，用GPS定位，在各平臺分別設(shè)置3個典型取樣點(diǎn)，先清除表層植被枯落物，在采樣點(diǎn)周圍20cm處使用直徑為5cm的土鉆取3個土樣，取樣深度為20cm，最終以3個土樣的混合土樣作為該典型取樣點(diǎn)的土樣，并將樣品裝入自封袋中，3個平臺共設(shè)置9個典型樣點(diǎn)，每年進(jìn)行一次重復(fù)取樣。并在矸石場北側(cè)約1 000 m處的天然次生群落設(shè)置3個典型樣點(diǎn)，作為對照樣點(diǎn)。

1.4.1土壤物理性質(zhì)的測定

土壤含水量采用國家標(biāo)準(zhǔn)GB 7172-87進(jìn)行測定[39- 40]；土壤田間持水量采用農(nóng)業(yè)部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NYT 1121.1-2006進(jìn)行測定[39- 40]；土壤密度采用農(nóng)業(yè)部行業(yè)標(biāo)注NYT 1121.4-2006進(jìn)行測定[39- 40]；土壤總孔隙度通過土壤容重和土壤比重計算獲得[41]。

1.4.2土壤化學(xué)性質(zhì)的測定

土壤化學(xué)性質(zhì)測定方法參照《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》(魯如坤(1999)主編)和《土壤農(nóng)化分析》(鮑士旦(2001)主編)[42]，具體如下：有機(jī)質(zhì)、總有機(jī)碳、易氧化有機(jī)碳、顆粒有機(jī)碳的測定采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法[43- 44]，pH值的測定采用電位法[45]，全氮的測定采用半微量開氏法[45]，速效磷的測定采用0.5mol/L NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法[45]，速效鉀的測定采用1mol/L NH4OAc浸提-火焰光度法[42]。

1.5評價方法

依據(jù)司馬礦煤矸石場各恢復(fù)期所形成的群落基本特征、土壤理化性質(zhì)，建立層次分析法-模糊綜合評價(AHP-FCE)模型[11,18,46- 47]。

(1) 構(gòu)建指標(biāo)體系

將績效評價問題分為3個層次，即目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層[46- 47]。

目標(biāo)層本研究的目標(biāo)層為對煤矸石場植被恢復(fù)初期的生態(tài)績效進(jìn)行評價。

準(zhǔn)則層本研究以煤矸石場各生態(tài)恢復(fù)期的群落基本特征、土壤物理性質(zhì)、土壤化學(xué)性質(zhì)為準(zhǔn)則層。

指標(biāo)層經(jīng)過文獻(xiàn)查閱和專家咨詢，按照科學(xué)性、目標(biāo)性、獨(dú)立性、全面性和可操作性的原則，本研究選取了群落基本特征、土壤理化性質(zhì)兩大方面共26個指標(biāo)。但由于煤矸石場生態(tài)恢復(fù)初期各群落垂直結(jié)構(gòu)僅含喬木層和草本層，故在研究中群落基本特征準(zhǔn)則層下所含的灌木平均基徑、灌木平均高冠比兩項(xiàng)指標(biāo)在此不做考慮(表2)。

(2) 構(gòu)造判斷矩陣并進(jìn)行層次排序及一致性檢驗(yàn)

在所確定的評價體系層次結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，按照專家打分法構(gòu)建判斷矩陣。本研究邀請了10位土壤及生態(tài)學(xué)方面的專家(副教授及以上)，6位從事司馬礦煤矸場恢復(fù)工程的技術(shù)人員(高級工程師及以上)，在向其詳細(xì)解釋各指標(biāo)的具體含義、矩陣的概念、打分的目的和方法后，發(fā)放打分表，并按照Santy的1—9標(biāo)度[11,18,46- 47]對指標(biāo)進(jìn)行兩兩比較、打分。

基于判斷矩陣，得出各指標(biāo)及各層次的權(quán)重，并將指標(biāo)層、準(zhǔn)則層分別進(jìn)行層次單排序及一致性檢驗(yàn)，最后進(jìn)行層次總排序及一致性檢驗(yàn)[11,18,46- 47](表3—表7)，分析發(fā)現(xiàn)群落穩(wěn)定性指數(shù)、垂直結(jié)構(gòu)完整性、物種多樣性指數(shù)、物種豐富度指數(shù)、物種消長指數(shù)在群落基本特征的評價中起到重要作用(表3)；土壤田間持水量在土壤物理性質(zhì)的評價中占主導(dǎo)地位(表4)；土壤有機(jī)質(zhì)、總有機(jī)碳、全氮含量會對土壤化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生顯著影響(表5)；而相對于生態(tài)績效評價，群落基本特征對其的貢獻(xiàn)度較土壤理化性質(zhì)高(表6)，其中群落穩(wěn)定性指數(shù)、群落垂直結(jié)構(gòu)完整性、群落物種多樣性指數(shù)對生態(tài)績效評價的貢獻(xiàn)度位居前三位，其權(quán)重共計占總權(quán)重值的32.32%(表7)。

表 3群落基本特征各指標(biāo)層相對于群落基本特征準(zhǔn)則層單排序、一致性檢驗(yàn)及權(quán)重

Table 3The single sorting, consistency check and weight of the index layer relative to the rule layer of basic community characteristic

一致性檢驗(yàn)，CI=0.134；RI=1.54，CR=0.08

1.5.2模糊綜合評價(FCE)

依據(jù)各指標(biāo)的權(quán)重，對模糊綜合評價體系進(jìn)行建模[11,18,46- 47]。參考專家及技術(shù)人員的意見，結(jié)合各指標(biāo)實(shí)測數(shù)據(jù)(表8)，將本研究的生態(tài)績效評價層次定為“優(yōu)、良、中、較差、差”五個等級，并選取1a恢復(fù)期為評級基準(zhǔn)，將以后各恢復(fù)期的評價指標(biāo)均與1a恢復(fù)期相比，并依據(jù)恢復(fù)程度評判績效等級(表9)。即該評價標(biāo)準(zhǔn)所針對的評價對象是植被恢復(fù)初期的2a恢復(fù)期至5a恢復(fù)期以及天然次生群落的生態(tài)績效，評價指標(biāo)是依據(jù)各指標(biāo)在恢復(fù)初期5a內(nèi)的實(shí)際變化趨勢以及期望變化趨勢相結(jié)合而設(shè)定的，評價指標(biāo)具體等級數(shù)據(jù)除群落垂直結(jié)構(gòu)完整性、群落物種豐富度指數(shù)、物種消長指數(shù)有專門賦值或賦特殊意義外，其余指標(biāo)等級數(shù)據(jù)均依據(jù)各恢復(fù)期與1a恢復(fù)期相比的恢復(fù)程度設(shè)定，恢復(fù)程度越好，評價等級越高，反之，評價等級越低。

一致性檢驗(yàn)，CI=0.007；RI=0.89，CR=0.008

一致性檢驗(yàn)，CI=0.081；RI=1.41，CR=0.058

一致性檢驗(yàn)，CI=0.037；RI=0.52，CR=0.071

一致性檢驗(yàn)，CI=0.105；RI=1.44，CR=0.073

由于天然次生群落中無喬木層，故其無喬木層指標(biāo)值

“A—B”代表的取值范圍為包括A，不包括B

評價指標(biāo)具體含義的設(shè)定主要包括以下幾類:

(1) 期望與實(shí)際變化趨勢基本一致的指標(biāo)

1)期望增長，實(shí)際基本呈增長趨勢的指標(biāo)

如喬木平均胸徑，草本層蓋度、平均高度、總生物量，群落蓋度，土壤田間持水量、總孔隙度、有機(jī)質(zhì)、總有機(jī)碳、易氧化有機(jī)碳、全氮、速效磷、速效鉀，這些指標(biāo)期望增長，而且實(shí)際也呈增長趨勢，故評價標(biāo)準(zhǔn)中以各指標(biāo)的增長率或增加值來設(shè)定等級，即增長率或增加值越大，評價等級越高；

2)期望減小，實(shí)際基本呈減小趨勢的指標(biāo)

如群落穩(wěn)定性指數(shù)，即趨勢線與直線y=100-x的交點(diǎn)越接近點(diǎn)(20,80)，則群落越穩(wěn)定[37- 38],所以標(biāo)準(zhǔn)中以距該點(diǎn)的距離設(shè)定評價等級。由于一年恢復(fù)期距該點(diǎn)距離較遠(yuǎn)，故此后各恢復(fù)期所得的交點(diǎn)距該點(diǎn)的距離越近，評價等級越高。土壤密度與其相似，因此兩者均以減小值來設(shè)定評判等級，即減小值越大，評價等級越高；

(2) 期望與實(shí)際變化趨勢不一致的指標(biāo)

如群落物種多樣性指數(shù)、土壤平均含水量、土壤顆粒有機(jī)碳含量，這3個指標(biāo)實(shí)際呈減小的趨勢，與期望不符，但為避免在標(biāo)準(zhǔn)中出現(xiàn)負(fù)值，故評價標(biāo)準(zhǔn)中以各指標(biāo)的減小值來設(shè)定，即減小值越小，評價等級越高；

(3) 期望趨勢尚未明確的指標(biāo)

如喬木平均高冠比，由于研究區(qū)毛白楊在生長過程中，高度與冠幅的生長速度彼此間會產(chǎn)生影響，而且根據(jù)5年的持續(xù)觀測，其高度、冠幅在各恢復(fù)期均有不同程度的增長，可是目前尚未有對毛白楊高冠比隨著其生長期增加的變化趨勢研究，但可以肯定的是，在其高度、冠幅均隨著恢復(fù)期增加時，高冠比的變化值越大，說明毛白楊的生長越旺盛，故該變化值越大，評價等級越高；群落相似性指數(shù)變化值，即各恢復(fù)期與1a恢復(fù)期的相似性數(shù)值，又與完全相似值(1.000)相差的數(shù)值，該變化值說明了各恢復(fù)期與1a恢復(fù)期相似性的變化幅度，可以預(yù)測，隨著恢復(fù)期的增加，各恢復(fù)期與1a恢復(fù)期相似性的變化幅度有可能會保持在某一數(shù)值范圍內(nèi)，故將恢復(fù)初期該變化值比較集中的數(shù)值范圍設(shè)定為最優(yōu)等級，以此類推。

(4) 被賦值或被賦特殊意義的指標(biāo)

如對于群落垂直結(jié)構(gòu)完整性，將喬-灌-草、喬-草或灌-草、草三類垂直結(jié)構(gòu)分別賦值為3、2、1，對應(yīng)等級“優(yōu)”、“良”、“中”；并依據(jù)群落物種均勻度指數(shù)和優(yōu)勢物種的明顯程度，將群落物種豐富度賦值為4、3、2、1(表1)；對于特殊意義的指標(biāo)，即群落物種消長指數(shù)，它可以用來描述群落物種多樣性穩(wěn)定程度，物種消長指數(shù)越接近1.0，說明群落物種多樣性越穩(wěn)定，故較接近1.0的數(shù)值設(shè)定為“優(yōu)”，并依據(jù)恢復(fù)初期5a內(nèi)出現(xiàn)的數(shù)值設(shè)定其他等級。

依據(jù)此評價標(biāo)準(zhǔn)(表9)，計算2a恢復(fù)期至5a恢復(fù)期以及天然次生群落的各實(shí)際指標(biāo)數(shù)值對各等級的隸屬程度，構(gòu)建隸屬度矩陣，并依據(jù)最大隸屬度原則[46- 47]，將最大隸屬度所對應(yīng)的等級作為績效評價結(jié)果。

2結(jié)果與分析

2.1群落基本特征恢復(fù)績效評價

相較于1a恢復(fù)期，煤矸石場復(fù)墾區(qū)植物群落基本特征在2a恢復(fù)期時，還處于“差”等級，隨著恢復(fù)期的增加，喬木及其林下草本植物的快速生長，促使群落物種多樣性有所提高，至3a恢復(fù)期時，群落基本特征提升至“中”等水平，此后，群落物種消長指數(shù)基本趨近于1.0，群落穩(wěn)定性逐步增強(qiáng)，至4a、5a恢復(fù)期時，群落基本特征均達(dá)到了“優(yōu)”等級，天然次生群落基本特征評價結(jié)果也為“優(yōu)”(表10)，可見人工種植喬木層條件下，草本植物的自然恢復(fù)可以對群落基本特征起到一定的改善作用。

2.2土壤理化性質(zhì)恢復(fù)績效評價2.2.1土壤物理性質(zhì)恢復(fù)績效評價

煤矸石場生態(tài)恢復(fù)過程中，相對于1a恢復(fù)期，2、3a恢復(fù)期的土壤疏松度和通透性較差，其物理性質(zhì)還處于“差”水平，隨著恢復(fù)期的增加，土壤田間持水量有所上升，土壤密度逐漸減小，并且土壤孔隙度逐步提升，其疏松度和通透性得到了明顯改善，故在4、5a恢復(fù)期時，土壤物理性質(zhì)提升至“優(yōu)”等級，可見在人工種植喬木層的條件下，草本植物的自然恢復(fù)基本可以實(shí)現(xiàn)土壤物理性質(zhì)的較快改善(表11)。

2.2.2土壤化學(xué)性質(zhì)恢復(fù)績效評價

相對于1a恢復(fù)期，土壤化學(xué)性質(zhì)在生態(tài)恢復(fù)初期實(shí)現(xiàn)了明顯提升。在2a恢復(fù)期時，土壤有機(jī)質(zhì)、有機(jī)碳、全氮、速效磷、速效鉀的含量仍處于較低水平，評價結(jié)果為“差”。隨著恢復(fù)期的增加，植被枯落物、根系分泌物的積累量增加，導(dǎo)致土壤中有機(jī)質(zhì)含量提高[48- 49]，同時由于豆科植物，如草木犀、紫苜蓿的入侵，促進(jìn)了土壤全氮含量的提升[50- 51]。此外，矸石風(fēng)化作用逐步加強(qiáng)，釋放的鉀、磷等鹽基物質(zhì)增多，致使土壤速效磷、速效鉀含量有所提升[50- 51]，故土壤化學(xué)性質(zhì)經(jīng)過3、4a恢復(fù)期“中”等水平的過渡，在5a恢復(fù)期時達(dá)到了“優(yōu)”等級，說明人工種植喬木與自然恢復(fù)林下植被相結(jié)合的生態(tài)恢復(fù)模式可以實(shí)現(xiàn)煤矸石場土壤化學(xué)性質(zhì)的改善(表12)。

2.3生態(tài)恢復(fù)績效綜合評價

基于以上群落基本特征、土壤物理性質(zhì)、土壤化學(xué)性質(zhì)逐步改善的原因，相對于1a恢復(fù)期，煤矸石場生態(tài)恢復(fù)綜合績效亦呈逐年好轉(zhuǎn)的態(tài)勢。即從2a恢復(fù)期的“差”等級，提升至3a恢復(fù)期的“良”水平，到4、5a恢復(fù)期時均已達(dá)“優(yōu)”等級(表13)，天然次生群落的生態(tài)績效也處于“優(yōu)”等水平，說明，在足夠長的恢復(fù)期內(nèi)，人工種植喬木層條件下，草本植物的自然恢復(fù)可以實(shí)現(xiàn)礦區(qū)的植被重建。

3討論與結(jié)論

3.1討論

李江峰依據(jù)已有的水土流失防止標(biāo)準(zhǔn)，對北京首云鐵礦尾礦庫壩面復(fù)墾區(qū)生態(tài)恢復(fù)初期的群落基本特征進(jìn)行評價，結(jié)果為：5a恢復(fù)期>4a恢復(fù)期>自然群落>3a恢復(fù)期>2a恢復(fù)期>1a恢復(fù)期[20]，這與本研究所認(rèn)為的4、5a恢復(fù)期、天然次生群落優(yōu)于3a恢復(fù)期，更優(yōu)于2a恢復(fù)期的結(jié)論基本相似；本研究還認(rèn)為人工種植喬木層條件下，草本植物自然恢復(fù)過程中，4、5a恢復(fù)期、天然次生群落的土壤物理性質(zhì)優(yōu)于2、3a恢復(fù)期，5a恢復(fù)期、天然次生群落的土壤化學(xué)性質(zhì)優(yōu)于3、4a恢復(fù)期，更優(yōu)于2a恢復(fù)期。這與宋小園等[52]提出的經(jīng)過人工林恢復(fù)的礦區(qū)復(fù)墾地土壤質(zhì)量評價結(jié)果：3a恢復(fù)期>2a恢復(fù)期>1a恢復(fù)期，以及樊蘭英[53]所認(rèn)為的植被恢復(fù)(2a)對煤矸石場土壤質(zhì)量具有改良作用的觀點(diǎn)相近，可見人工種植喬木層條件下，草本植物自然恢復(fù)初期的5a內(nèi)，隨著恢復(fù)期的增加，土壤質(zhì)量的改善程度基本呈增加的趨勢。但本研究結(jié)論與李江峰提出的鐵礦尾礦庫壩面復(fù)墾區(qū)生態(tài)恢復(fù)初期的土壤指標(biāo)評價由大到小為：3a恢復(fù)期>自然群落>4a恢復(fù)期>1a恢復(fù)期>5a恢復(fù)期>2a恢復(fù)期[20]的結(jié)論并不一致。而且對于生態(tài)恢復(fù)的綜合績效評價，北京首云鐵礦尾礦庫壩面復(fù)墾區(qū)為：5a恢復(fù)期>4a恢復(fù)期>3a恢復(fù)期>自然群落>1a恢復(fù)期>2a恢復(fù)期[20]，這與本研究所認(rèn)為的4、5a恢復(fù)期、天然次生群落的生態(tài)績效較3a恢復(fù)期好，較2a恢復(fù)期更好的結(jié)論不一致。造成以上差異的原因這可能是由于該類研究對象雖均是人工栽植喬木條件下的植被恢復(fù)，但李江峰的研究中所種植的植物是山楂(Crataeguspinnatifida)，而本研究為毛白楊，再加上指標(biāo)選取的不同也會對評價結(jié)果產(chǎn)生影響。雖然本研究并未說明天然次生群落與5a恢復(fù)期相比，哪一群落的生態(tài)績效更優(yōu)，但是從李江峰[20]的研究中可以發(fā)現(xiàn)，無論是對群落基本特征、土壤理化性質(zhì)評價，還是對生態(tài)綜合績效評價，自然群落并非就是最優(yōu)的恢復(fù)目標(biāo)，隨著恢復(fù)期的增加，復(fù)墾區(qū)的生態(tài)績效有可能會優(yōu)于自然群落。

當(dāng)前，對礦區(qū)廢棄地復(fù)墾是選擇人工恢復(fù)還是自然恢復(fù)仍存在爭議[36,54]，本研究認(rèn)為在足夠長的恢復(fù)期內(nèi)，人工種植喬木層條件下，草本植物的自然恢復(fù)可以實(shí)現(xiàn)礦區(qū)植被重建。Darina等對煤礦廢棄地植被自然恢復(fù)與人工恢復(fù)的特征進(jìn)行比較后，發(fā)現(xiàn)兩者僅僅是時間上的差異[55]。在時間尺度上，自然恢復(fù)較人工恢復(fù)長，可能會長達(dá)幾十年或者幾個世紀(jì)，而且可以通過合理的人工模仿或者適當(dāng)干擾加快恢復(fù)進(jìn)程[56]；李青豐對準(zhǔn)格爾煤田露天礦廢棄地植被自然恢復(fù)過程進(jìn)行研究，也發(fā)現(xiàn)自然恢復(fù)是一個較漫長的過程，可以進(jìn)行適當(dāng)人工干擾，以加快恢復(fù)[57]。Holl認(rèn)為美國東部煤礦人工恢復(fù)35a后的植被構(gòu)成與周圍自然植被相似，并且有望發(fā)展成為周圍森林類型。但在人工恢復(fù)中，如果種植具有侵略性的外來物種，將會延緩植被恢復(fù)進(jìn)程[58]。此外，Pensa等對愛沙尼亞4種廢棄油頁巖堆上30年生的林木進(jìn)行研究后，發(fā)現(xiàn)自然植被重建有利于植物多樣性的恢復(fù)[59- 61]，而人工恢復(fù)卻對物種多樣性有所限制[60- 61]。

3.2結(jié)論

相較于1a恢復(fù)期，煤矸石場植被恢復(fù)初期植物群落基本特征、土壤物理性質(zhì)、土壤化學(xué)性質(zhì)及其綜合生態(tài)績效在5a恢復(fù)期時均達(dá)到了“優(yōu)”級水平?？梢?，在足夠長的恢復(fù)期內(nèi)，人工種植喬木層條件下，草本植物的自然恢復(fù)可以實(shí)現(xiàn)礦區(qū)的植被重建。

基于AHP-FCE評價模型，以1a恢復(fù)期為基準(zhǔn)，通過各恢復(fù)期生態(tài)指標(biāo)與1a恢復(fù)期相比的恢復(fù)程度設(shè)定績效等級，對煤矸石場植被恢復(fù)初期的生態(tài)績效進(jìn)行評價，評價結(jié)果具有客觀性和科學(xué)性，評價技術(shù)具有可操作性和實(shí)用性，避免了以往選取天然次生群落為恢復(fù)目標(biāo)，但又不確定其是否為最佳恢復(fù)效果的盲目性，為生態(tài)績效評價提供了新思路，并對持續(xù)推進(jìn)礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)的科學(xué)實(shí)施、管理和評估具有積極的示范和輻射帶動作用。

4展望

本文應(yīng)用了AHP-FCE模型對煤矸石場植被恢復(fù)初期的生態(tài)績效進(jìn)行了評價，而基于其它方法(如主成分分析法)的生態(tài)績效綜合評價結(jié)果如何，所得結(jié)論是否一致，還有待進(jìn)一步研究。

煤矸石場復(fù)墾區(qū)生態(tài)績效研究不僅僅包括群落基本特征、土壤理化性質(zhì)的恢復(fù)研究，還包括土壤重金屬污染治理研究、土壤動物與微生物對環(huán)境的適應(yīng)性研究等，今后研究中應(yīng)將后者也納入生態(tài)績效評價體系。

本研究旨在為礦區(qū)廢棄地生態(tài)績效評價提供新思路，而且僅對煤矸石場植被恢復(fù)初期的生態(tài)績效構(gòu)建了評價指標(biāo)體系和標(biāo)準(zhǔn)，并進(jìn)行了評價。隨著恢復(fù)期的增加，煤矸石場植被恢復(fù)的生態(tài)績效如何，該評價體系和標(biāo)準(zhǔn)又該如何改進(jìn)，還有待于進(jìn)行長期跟蹤監(jiān)測與研究。

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Ecological performance assessment on early plant reclamation in coal gangue yard

HAO Jing1,GUO Donggang1,SHANGGUAN Tieliang1,2,*,Liu Weihua2,ZHANG Jie3,ZHANG Peipei4

1CollegeofEnvironmentalandResource,ShanxiUniversity,Taiyuan030006,China2InstituteofLoessPlateau,ShanxiUniversity,Taiyuan030006,China3CollegeofLifeScience,ShanxiUniversity,Taiyuan030006,China4Si′maCoalMiningLimitedCompanyofShanxiLu′anMiningGroup,Changzhi047105,China

Key Words:Coal gangue yard; the early plant reclamation; ecological performance; assessment

Abstract：This study monitored the five-year dynamics of the plant-soil system in the coal gangue yard at Sima Coal Mine of Lu′an Group from 2009 to 2013. The fixed plots were established to use spatial dynamics to represent temporal changes. The assessment was made on the communities characteristics, soil physical and chemical properties, and the comprehensive ecological performance of the plant communities at the early phase of reclamation after reforestation. The results were as follows: 1) The evaluation criterion of ecological performance included five ranks: “Optimal”, “Fine”, “Middle”, “Low”, “Lower” at the early stage of restoration on coal waste pile. Referential to the first year, the five-year recovery achieved the “Optimal” rank according to the communities characteristics, soil physical and chemical properties, and the comprehensive ecological functions in the reclaimed coal gangue yard. Notwithstanding the ecological performance of natural secondary community also showing the “Optimal” rank in this study, natural secondary community was not the perfect object for reforestation. This result predicted that the ecological performance of reforestation in coal gangue yard might be better than natural secondary community with recovery age. 2) Given sufficient time, the reforestation and the spontaneous herbal recovery would achieve the goal of vegetation reconstruction in the mining area. 3) By employing the AHP-FCE model, using the first-year as benchmark, the performance criteria could be made for ranking the ecological performance in the early phases of reclamation. This was advantageous over the traditional method that taken natural secondary communities as the reclamation goal, whose optimism was usually questionable for high uncertainty. In this regard, this study attempted to provide an innovative way in the practice of ecological performance assessment. Moreover, this paper would play an actively model-driven role in advancing the scientific implementation, management, and evaluation of the ecological restoration in the coal gangue yard.

基金項(xiàng)目:煤礦塌陷及廢棄地復(fù)墾的生態(tài)績效研究項(xiàng)目(1103100301)

收稿日期:2014- 09- 11; 網(wǎng)絡(luò)出版日期:2015- 08- 05

*通訊作者

Corresponding author.E-mail: sgtl_55@163.com

DOI:10.5846/stxb201409111807

郝婧, 郭東罡, 上官鐵梁, 劉衛(wèi)華, 張婕, 張沛沛.煤矸石場植被恢復(fù)初期生態(tài)績效評價.生態(tài)學(xué)報,2016,36(7):1946- 1958.

Hao J,Guo D G,Shangguan T L,Liu W H,Zhang J,Zhang P P.Ecological performance assessment on early plant reclamation in coal gangue yard.Acta Ecologica Sinica,2016,36(7):1946- 1958.