吳麗品,任立皇,許曉嵩,趙文廷,2,3,4

(1 河北農(nóng)業(yè)大學 國土資源學院，河北 保定 071000；2 礦山生態(tài)環(huán)境-河北保定野外基地，河北 保定 071000；3 河北保定生態(tài)文明研究院，河北 保定 071000；4 河北省農(nóng)田生態(tài)環(huán)境重點實驗室，河北 保定 071000)

礦山的開采與加工活動所形成的裸巖、排渣場等嚴重破壞了礦山生態(tài)環(huán)境，礦山土地占用與生態(tài)問題突出，制約和限制了礦業(yè)健康和生態(tài)發(fā)展，礦山土地復墾與生態(tài)修復逐漸成為各界廣泛關(guān)注的焦點。排渣場是礦山廢棄地的主要類型之一，其植被恢復演替規(guī)律的研究為綠色礦山建設(shè)的重要課題，國內(nèi)外開展了較廣泛的研究，如Zhang等通過不同演替階段土壤和植被的動態(tài)變化研究與分析，認為在復墾初期，植物群落物種組成較為單一，隨著植被的演替，植物種類越來越豐富，經(jīng)過峰值后，逐步進入較穩(wěn)定階段[1]。趙方瑩等以物種豐富度、均勻度指數(shù)、多樣性指數(shù)為測度指標，對門頭溝采石廢棄地各演替階段的物種多樣性進行了對比，結(jié)果表明礦區(qū)生態(tài)恢復有利于植物群落結(jié)構(gòu)和土壤性質(zhì)的恢復[2]。Chen等通過實地調(diào)查和實驗室分析，闡明了四川攀枝花的金屬礦場恢復初期的植被格局和自然演替對土壤修復的影響[3]。張栓堂等對不同恢復年限采石場廢棄地植物群落特征、物種組成、物種多樣性進行分析[4]。李啟艷等選取植被恢復5年、8年、11年廢棄地，通過物種種類、數(shù)量固定監(jiān)測，結(jié)果表明植被群落豐富度及多樣性總體呈增加趨勢[5]。張卓對阜新礦區(qū)煤矸石山在植被演替過程中物種多樣性變化進行研究，發(fā)現(xiàn)陰、陽坡水分條件的差別導致陰坡的植物種數(shù)及其蓋度、高度與生物多樣性指數(shù)均高于陽坡[6]。此外，還有不少學者針對礦山排渣場植被恢復過程物種多樣性變化、微生物特性等進行研究[7-11]。文獻研究結(jié)果表明，關(guān)于礦山排渣場植被恢復與演替研究，多集中于長期恢復和穩(wěn)定年限等方面，對恢復階段劃分以及初期植被自然演替規(guī)律和特征等問題研究較少。為此，對京津冀地區(qū)典型礦山排渣場進行植被自然恢復調(diào)查和長期觀測，著重于植被演替過程當年植物多樣性與變化特征，完善植被演替初期過程所表現(xiàn)特征的相關(guān)研究。

1 研究區(qū)概況

京津地區(qū)的保定西部山區(qū)、京西山地、津北山地因礦山開采與加工而形成的排渣場較多，有近600多座。分別選取保定淶源縣白石山鎮(zhèn)2處排渣場、北京房山區(qū)周口店地區(qū)3處排渣場、唐山遷安市馬蘭莊鎮(zhèn)3處排渣場作為研究區(qū)域。3地基本處同一緯度區(qū)，氣候類型區(qū)均屬暖溫帶大陸性季風氣候，氣溫、降水、積溫、無霜期等基本一致。在植物區(qū)系組成上以華北成分為主，華北地區(qū)由松屬數(shù)種、櫟屬多種組成暖溫性針葉林或落葉闊葉林[12]。

2 材料與方法

2.1 典型礦山排渣場樣地及其植被觀測與調(diào)查處理

從保定西部山區(qū)、京西山地、津北山地選擇典型礦山排渣場樣地8個，不同植被恢復年限排渣場具體情況見表1。

表1 不同植被恢復年限排渣場基本情況Table 1 Basic situation of slag discharge field in different vegetation restoration years

由表1可知，其中恢復年限為0年的排渣場2個，進行當年內(nèi)植物自然演替試驗與觀察；通過調(diào)研與資料查詢選擇植被恢復年限分別滿1年、5年、10年、20年、30年、50年的礦山排渣場各1處，主要進行植被群落和植物多樣性調(diào)查。

在每個不同恢復年限排渣場內(nèi)分別設(shè)置3個喬木、灌木和草本樣方，喬木樣方面積為 20 m ×20 m,灌木樣方面積為5 m×5 m,草本樣方面積為1 m×1 m 。每個喬木樣方的中央及對角線位置設(shè)置1個2 m ×2 m 灌木樣方和5個1 m ×1 m 的草本樣方。在每個喬木樣方內(nèi)各設(shè)1個4 m×4 m的灌木樣方和5個1 m×1 m草本樣方。分別調(diào)查草本植物和灌木的種類、蓋度、密度和高度等指標與喬木的種類、樹高、冠幅、株數(shù)、胸徑、密度等指標。

選擇淶源縣白石山鎮(zhèn)1月份剛關(guān)閉的礦山排渣場作為恢復年限為0年的排渣場進行一整年的長期觀察，目的在于觀察各樣地植物種類及其生長發(fā)育隨季節(jié)的變化情況。利用對角線法共設(shè)置6塊樣地，樣地規(guī)格1 m×2 m，分別標作1號樣地、2號樣地、3號樣地、4號樣地、5號樣地和6號樣地。從第1棵植物出土開始，觀察和記錄植物種類、蓋度和密度等指標，每2個月對植物種類和生長情況進行一次分析匯總。

2.2 植物多樣性指標

植物種重要值(Pi)[13]：

Pi=(相對密度+相對蓋度+相對頻度)/3

(1)

(2)植物多樣性指數(shù)(Simpson指數(shù))(Hs)：

(2)

(3)均勻度指數(shù)(Pielou指數(shù))(Jsws)：

(3)

式中，N為群落中物種的個體總數(shù)，ni為第i個種的個數(shù)，s為植物種數(shù)，β為N被s整除以外的余數(shù)，參數(shù)α=(N-β)/s。

3 結(jié)果與分析

3.1 當年內(nèi)植物自然恢復群落組成與變化特征

3.1.1 當年內(nèi)植物種類變化 通過各排渣場當年內(nèi)植物種類及其變化統(tǒng)計成果可知，當年內(nèi)優(yōu)勢植物種類隨季節(jié)呈現(xiàn)明顯和規(guī)律性的消長變化，見圖2。

圖1 當年內(nèi)植物種類隨季節(jié)的變化情況Figure 1 Change of species number in different recovery time of plots in one year

注：(a)為1號樣地物種重要值變化；(b)為2號樣地物種重要值變化；(c)為3號樣地物種重要值變化；(d)為4號樣地物種重要值變化；(e)為5號樣地物種重要值變化；(f)為6號樣地物種重要值變化。圖2 當年內(nèi)樣地不同恢復年限植被群落組成變化Figure 2 Change of vegetation community composition in the experimental pond with different restoration years

由圖1可知，從3月份第1次匯總植物信息開始，各個樣地的物種數(shù)平均從0種增加到7種。樣地總共出現(xiàn)14科20種，其中菊科5種，禾木科2種和藜科2種所占比例較大。

關(guān)于當年內(nèi)樣地不同恢復年限植被群落組成變化見圖2。

由圖2可知，恢復時間2個月時，傳播能力強且耐旱草本植物狗尾巴草(Setariaviridis)、茼麻(Abutilontheophrasti)作為先鋒植物占據(jù)了植物群落的主要地位?；謴蜁r間4個月的優(yōu)勢物種為狗尾巴草、反枝莧(Amaranthusretroflexus)、打碗花(Calystegiahederacea)，恢復期間新增物種：打碗花、葎草(Humulusscandens)、馬唐(Digitariasanguinalis)、紫斑大戟(Euphorbiahyssopifolia)、萹蓄(Polygonumaviculare)、反枝莧?；謴蜁r間6個月的優(yōu)勢物種依舊為狗尾巴草、反枝莧、打碗花?；謴蜁r間8個月的優(yōu)勢物種為藜(Chenopodiumalbum)?；謴蜁r間10個月的優(yōu)勢物種為青蒿(Artemisiacarvifolia)和泥胡菜(HemisteptalyrataBunge)。植物恢復時間為1年時，出現(xiàn)很多新的植物，優(yōu)勢物種為泥胡菜、山苦荬(IxerisdenticulateStebb)。試驗樣地恢復1年的時間里，物種多為一年生的草本植物。優(yōu)勢物種變化規(guī)律為茼麻-狗尾巴草-反枝莧-藜-青蒿-泥胡菜。

3.1.2 當年內(nèi)植物多樣性分析 當年內(nèi)植物多樣性指數(shù)變化情況見圖3與圖4。

圖3 當年內(nèi)樣地不同恢復時間植被Simpon指數(shù)變化Figure 3 Changes of simpon index of vegetation at different restoration times in one year注：圖中不同小寫字母表示同一樣地內(nèi)不同時間的多樣性指數(shù)差異顯著(P<0.05)，下同。

圖4 當年內(nèi)樣地不同恢復時間植被Pielou指數(shù)變化Figure 4 Changes of pielou index of vegetation at different restoration times in one year

由圖3、圖4可知，隨著季節(jié)變化，植物多樣性變化較復雜，在恢復10個月情況下，植被Simpson指數(shù)和Pielou指數(shù)均下降，來年春天植物種類和數(shù)量開始增加，同時，植被Simpson指數(shù)和Pielou指數(shù)也開始有增大趨勢。1號樣地中，植物Simpson指數(shù)由0.12 逐漸增至0.83再減少為0.31；Pielou指數(shù)由0.58增加到0.67減少到0.43再增大為0.68。其中，從恢復6個月到8個月的排渣場中，Simpson指數(shù)漲幅最明顯；而Pielou指數(shù)則是從恢復8個月到10個月期間漲幅最大。 2號樣地中，植物Simpson指數(shù)恢復8個月時達到最大值為0.67； Pielou指數(shù)在恢復時間為10個月時達到最大值為0.72。3號樣地中，植物Simpson指數(shù)恢復8個月時達到最大值為0.73，并且與其他恢復時間下的Simpson指數(shù)有顯著差異；Pielou指數(shù)在恢復時間為10個月時達到最大值為0.88。4號樣地中，植物Simpson指數(shù)恢復8個月時達到最大值為0.54，并且與其他恢復時間下的Simpson指數(shù)有顯著差異；Pielou指數(shù)在恢復時間為8個月與10個月時均達到最大為0.89。5號樣地中，植物Simpson指數(shù)在恢復2個月時達到最大值為0.55；Pielou指數(shù)在恢復時間為10個月為0.96。6號樣地中，植物Simpson指數(shù)同樣在恢復2個月時達到最大值，Simpson指數(shù)為0.50；Pielou指數(shù)也在恢復時間為10個月達到最大值0.92。

3.2 不同恢復年限排渣場植物群落特征及其變化

3.2.1 植物群落重要值變化 排渣場不同恢復年限植被群落重要值變化見表2。

表2 排渣場不同恢復年限植被群落重要值變化Table 2 Changes of important values of vegetation communities in different restoration years in dump

表2(續(xù))

由表2可知，其中菊科和豆科植物所占比例較大，恢復年限不同，植物群落及其優(yōu)勢植物明顯不同：在恢復1年的排渣場內(nèi)，傳播能力較強的青蒿(重要值0.188 9)、泥胡菜(重要值0.310 8)、苜蓿(重要值0.200 2)等一年生草本植物成為優(yōu)勢物種，其他植物還有狗尾巴草、地膚，植被組成較簡單。植物恢復5年的排渣場，植物種類逐漸豐富，泥胡菜、苜蓿逐漸退化，青蒿(重要值0.224 0)、蒼耳(重要值0.148 2)逐漸成為優(yōu)勢種，灌木荊條開始侵入，形成青蒿-蒼耳群落。植物恢復10年的排渣場，多年生草本植物青蒿、黃花蒿、興安胡枝子數(shù)量不斷增加，為荊條的生長創(chuàng)造了有利條件，荊條(重要值0.223 1)迅速成為優(yōu)勢物種，逐漸形成荊條-興安胡枝子群落。植物恢復20年的排渣場，臭椿(重要值0.152 6)等林木開始出現(xiàn)，逐漸成為優(yōu)勢物種，形成荊條-臭椿-興安胡枝子群落。恢復時間為30年時，大量草本植物退化，酸棗(重要值0.162 7)和荊條(重要值0.112 4)構(gòu)成穩(wěn)定群落，刺槐開始出現(xiàn)，優(yōu)勢物種為酸棗(0.162 7)、臭椿(0.124 5)以及草本層的披針苔草(0.136 0)?；謴蜁r間達到50年時，草本植物進一步退化，易生長于林下和林緣草地的披針苔草(重要值0.185 5)和大油芒(重要值0.090 6)成為草本層優(yōu)勢物種，物種群落逐漸穩(wěn)定為本區(qū)域鄉(xiāng)土植物油松-刺槐的木本植物群落。

3.2.2 植物多樣性變化與分析 植物多樣性的恢復是植被恢復過程中最重要的特征之一[14]。排渣場不同恢復時間植被多樣性指數(shù)變化見圖5與圖6。

圖5 排渣場不同恢復時間植被Simpon指數(shù)變化Figure 5 Changes of vegetation Simpon index at different restoration time in slag discharge yard

圖6 排渣場不同恢復時間植被Pielou指數(shù)變化Figure 6 Variation of Pielou index of vegetation at different restoration time in slag discharge yard

由圖5和圖6可知，排渣場內(nèi)不同階段群落特征呈現(xiàn)出的變化規(guī)律為：在自然恢復1年內(nèi)，植物種類較少，Simpon多樣性和Pielou均勻度也較低；恢復5年時，群落的植物種類增加，Simpon指數(shù)、Pielou指數(shù)迅速增大；當恢復到10年時，Simpon指數(shù)和Pielou指數(shù)增幅較大；當自然恢復到20年時，Simpon指數(shù)變大達到峰值。同時，多年生草本植物的數(shù)量增多，群落內(nèi)的植物分布更均勻，Pielou指數(shù)也增大；自然恢復30年時，在植物種類和數(shù)量迅速增加的同時，群落的Simpon多樣性指數(shù)相對恢復20年時略有下降。多年生草本植物和灌木的數(shù)量增多，群落內(nèi)的植被分布更均勻，Pielou指數(shù)達到最大峰值；恢復時間50年時，植被數(shù)量逐步提高，植物Simpon多樣性指數(shù)與Pielou均勻度指數(shù)均有所下降。這是由于物種間的競爭致使一些物種逐漸退出，優(yōu)勢種逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楸镜剜l(xiāng)土木本植物，更趨向于集中穩(wěn)定的狀態(tài)，這說明植被群落結(jié)構(gòu)漸趨穩(wěn)定。

4 討論

4.1 自然恢復首年內(nèi)植物種類與優(yōu)勢種群

排渣場自然植被恢復通常在排渣場廢棄后立即開始，并遵循自然演替趨勢[15]。在演替的早期階段(先鋒期)，即廢棄的0-6年，只能觀察到零星的植被，幾乎沒有喬木和灌木層，只有少數(shù)先鋒植物以及一些草本植物能夠定居、盛行和覆蓋[16]。陳芳清等發(fā)現(xiàn)礦山廢棄地自然修復植物群落是通過先鋒植物的入侵、定居與競爭形成的[17]。隨著植被恢復年內(nèi)時間的增加，植被群落組成物種數(shù)增加，出現(xiàn)蒿類植物及一年生草本植物。本研究樣地總共出現(xiàn)14科20種，菊科5種，禾木科2種和藜科2種所占比例較大，其中禾本科、菊科植物為優(yōu)勢物種。因其多為矮小叢生的植被，其耐性好，生命力頑強，能長時間適應(yīng)礦區(qū)惡劣的生境條件，具有良好的生長優(yōu)勢，在礦區(qū)群落演替首年內(nèi)占據(jù)重要位置[18]。同時禾本科、菊科植物的定居能改善土壤微環(huán)境，促使自身生長。早期可選用當?shù)睾瘫究?、菊科、藜科等適應(yīng)性強的植物進行礦區(qū)排渣場快速覆綠，為其他物種提供宜居的環(huán)境條件[19]。晉松等對銅陵獅子山銅尾礦場進行植被調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，禾本科、菊科、藜科等植物為礦場優(yōu)勢物種[20]。陳振峰等對永平礦山廢棄地的植被調(diào)查結(jié)果顯示，禾本科植物大量存在于不同植被恢復階段群落內(nèi)，且優(yōu)勢度程度不同[21]。這都與作者當年內(nèi)植被恢復中群落先鋒植物調(diào)查結(jié)果一致。通過對當年內(nèi)植物群落進行調(diào)查，植被結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變，出現(xiàn)了不同程度的植物替代現(xiàn)象，主要為藜、青蒿、泥胡菜等一年生草本植物。當年內(nèi)恢復中植物多樣性指數(shù)也有先增大再減小再增大的趨勢。李啟艷等指出若礦山廢棄地貧瘠的土壤條件不能供給植被生長對土壤養(yǎng)分的需求，植被出現(xiàn)退化死亡[22]。Pielou指數(shù)隨時間的推移而呈現(xiàn)降低趨勢，以及后期由于植被自身的演替及不利環(huán)境的限制，植被生長受限制或死亡導致Pielou指數(shù)偏低[23]。這與本研究發(fā)現(xiàn)年內(nèi)植物生長因為受季節(jié)限制因素導致pielou指數(shù)有下降趨勢一致。在京津冀地區(qū)年內(nèi)植物恢復中，植物多樣性規(guī)律與季節(jié)導致的植物退化因素有顯著關(guān)聯(lián)性。

4.2 礦山排渣場植被自然恢復演替規(guī)律

目前研究主要側(cè)重于不同演替階段或者不同恢復年限下物種的多樣性規(guī)律。而本研究對一年內(nèi)演替規(guī)律的調(diào)查是在前人進行植被演替規(guī)律探索的下一個細致發(fā)現(xiàn)。在研究區(qū)域內(nèi)，每種類型的地貌表面都有一個狗尾巴草群落，主要是因為在演替的第1階段幾乎沒有的水和養(yǎng)分以及有利的土壤化學和物理性質(zhì)，從而影響了植被動態(tài)[24-25]。在一年生植物區(qū)系建立的早期階段(7-12年)，首先是多年生草本植物，然后是更迫切的物種開始在該地區(qū)定居，增加了種間競爭[26]。自然環(huán)境中的本土木本和灌木物種占據(jù)了空間。而隨著廢棄時間的延長，出現(xiàn)后期階段(廢棄42-58年)，許多灌木和一些木本植物成為優(yōu)勢種[27]。隨著演替的進行，土壤的發(fā)育也不斷增加，植物種類開始增多，物種多樣性升高。這與其他植物群落演替過程中物種多樣性的變化規(guī)律一致，即物種的多樣性隨演替進行而升高，但最高值常出現(xiàn)在演替中后期，隨后略有下降[28]。演替后期時物種豐富度達到最大，但是該階段植物群落演替并未達到穩(wěn)定階段。通過對京津冀地區(qū)排渣場的調(diào)查，根據(jù)不同恢復年限群落植被種類的組成特征和植物多樣性指數(shù)，大致將研究區(qū)排渣場植被自然恢復過程劃分為6個演替階段。(1)一年生草本植物階段：自然恢復開始期，物種組成很簡單，一年生耐旱耐貧瘠草本先鋒植物最先侵入，最終形成了青蒿和泥胡菜群落。(2)多年生草本植物階段：其間出現(xiàn)了大量葎草、蒼耳等多年生草本植物，隨著多年生草本植物取代一年生草本植物，最終形成了蒼耳等多年生草本植物群落。(3)灌草混合階段：期間多年生草本植物數(shù)量不斷增加，灌木進入，形成了以荊條為優(yōu)勢種，興安胡枝子、三裂繡線菊等為伴生種的灌草群落。(4)灌木階段：群落中出現(xiàn)了荊條、臭椿等鄉(xiāng)土樹種，排渣場的環(huán)境條件不斷改善，為營造更高層次的群落類型提供了條件。(5)灌木與林木混合階段：期間植物種類和數(shù)量迅速增加并達到了峰值，出現(xiàn)刺槐、酸棗等林本植物。(6)穩(wěn)定林木階段：植被群落基本達到穩(wěn)定狀態(tài)。

5 結(jié)論

通過對不同恢復時間內(nèi)排渣場的植被調(diào)查，結(jié)果表明，排渣場植物恢復當年內(nèi)，共出現(xiàn)14科20種，其中菊科5種，禾木科2種和藜科2種。菊科、禾木科和藜科占所有種數(shù)的45%。先鋒植物主要以一年生草本植物為主。隨著恢復時間的延長，物種數(shù)增多, 物種多樣性增加，均勻程度提高，在恢復 20年時物種多樣性指數(shù)與恢復30年時均勻度指數(shù)達到峰值。物種多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)有先增大再減小的趨勢。并且根據(jù)不同恢復年限群落物種組成的演替特征和物種多樣性指數(shù)的變化規(guī)律, 可大致將排土場自然恢復分為6個階段：一年生草本植物階段；多年生草本植物階段；灌草混合階段；灌木階段；灌木與林木混合階段；穩(wěn)定林木階段。綜上所述，在排渣場恢復過程中要因地制宜進行先鋒植物種類選擇，并結(jié)合演替階段的發(fā)展，人工種植恢復過程中的先鋒植物，創(chuàng)造豐富的植物群落，加速礦區(qū)的植被恢復。