侯力蓉, 張 鸞, 李素清

(山西大學(xué)黃土高原研究所,030006,太原)

尾礦是由采礦活動(dòng)而產(chǎn)生的對(duì)環(huán)境破壞最嚴(yán)重持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)的產(chǎn)物之一,暴露的尾礦通過(guò)風(fēng)成散布和水侵蝕擴(kuò)散,對(duì)大氣、生態(tài)環(huán)境以及人體健康都有極大的危害[1-2]。銅尾礦中含有大量銅、鉛、砷、鎘等重金屬,未有效處理的尾礦堆放導(dǎo)致重金屬長(zhǎng)期堆積并遷移擴(kuò)散,最終在土壤中累積,通過(guò)雨水滲透等多種途徑使污染物在周邊水體和土壤中釋放,不僅破壞生態(tài)系統(tǒng),對(duì)周圍居民的生產(chǎn)生活也造成極大的威脅[3]。因此,對(duì)尾礦壩的生態(tài)環(huán)境治理迫在眉睫。植被恢復(fù)對(duì)土壤物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)、生物性質(zhì)均有影響,可以提高土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量,改善土壤結(jié)構(gòu);增加土壤養(yǎng)分含量,降低重金屬含量;增加土壤中微生物多樣性等,還可以促進(jìn)礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù),是治理礦區(qū)污染的有效方法[4]。由于尾礦壩土壤板結(jié)、有機(jī)質(zhì)含量低、重金屬含量高等原因使得自然植被恢復(fù)較為困難[5],研究礦區(qū)尾礦壩自然植被恢復(fù)規(guī)律,篩選適宜未來(lái)礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)的植物種類對(duì)加速礦區(qū)人工生態(tài)恢復(fù)具有較重要的意義[6]。袁鑫奇等[7]篩選出野艾蒿(Artemisiaargyi)、狗牙根(Cynodondactylon)等9種植物作為治理會(huì)澤鉛鋅礦區(qū)重金屬污染的優(yōu)勢(shì)植物種;陳皓等[8]對(duì)撫順西露天礦區(qū)的研究挑選出榆樹(Ulmuspumila)和刺槐(Robiniapseudoacacia)等8種優(yōu)勢(shì)植物種;葉文玲等[9]指出治理銅陵銅尾礦可選用蘇木藍(lán)(Indigoferacarlesii)、續(xù)斷菊(Sonchusasper)和苦荬菜(Ixerispolycephala)等優(yōu)勢(shì)植物進(jìn)行種聯(lián)合種植。研究表明不同礦區(qū)適宜生長(zhǎng)的植物種類不同。因此,研究特定礦區(qū)的自然定居植被特征對(duì)篩選適合該礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)的優(yōu)勢(shì)植物種類非常重要。

中條山銅礦區(qū)是我國(guó)以銅為主的有色金屬生產(chǎn)基地之一[10],在長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)掘、開采過(guò)程中產(chǎn)生的廢水、廢渣混合堆積后形成銅尾礦庫(kù),筆者采用數(shù)量生態(tài)分析等技術(shù),對(duì)中條山銅礦區(qū)尾礦壩自然定居草本植物群落特征進(jìn)行研究,揭示草本植物群落多樣性與環(huán)境因子的關(guān)系,篩選出適合銅礦區(qū)尾礦壩生態(tài)恢復(fù)的優(yōu)勢(shì)草本植物種類,為銅礦區(qū)尾礦壩生態(tài)恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

中條山銅礦區(qū)尾礦庫(kù)位于山西省運(yùn)城市垣曲縣,地理坐標(biāo)為E 111°64′～111°66′、N 35°25′～35°27′,于1969年開始建設(shè),1972年建成投產(chǎn),1980年進(jìn)行改擴(kuò)建。研究區(qū)是該銅尾礦庫(kù)的外圍構(gòu)筑物,由采礦選礦產(chǎn)生的廢棄物以礦砂堆積而形成尾礦壩,每3～5 a在原子壩基礎(chǔ)上堆積形成新的子壩,并覆土30 cm,壩底標(biāo)高486 m,設(shè)計(jì)最終堆積標(biāo)高570 m,現(xiàn)已堆積形成18道子壩(圖1)。該研究區(qū)氣候類型屬于暖溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候,年均氣溫 13.5 ℃,年均降水量548 mm,地帶性植被為暖溫帶落葉闊葉林地帶,地帶性土壤類型為褐土[11]。該尾礦壩的植被以自然定居草本植物為主,代表植物有白羊草(Bothriochloaischaemum)、野艾蒿(Artemisialavandulaefolia)、白茅(Imperatacylindrica)等。

2 研究方法

2.1 樣方調(diào)查

2020年9月,在中條山銅礦區(qū)十八河尾礦壩根據(jù)海拔變化,從高到低對(duì)其18道子壩內(nèi)自然定居草本植物群落進(jìn)行樣方調(diào)查,每道子壩為1個(gè)樣地,1個(gè)樣地內(nèi)設(shè)置3個(gè)1 m×1 m樣方,記錄樣方中草本植物種的名稱、蓋度、高度等數(shù)量指標(biāo),其中草本植物層的木本幼苗歸為草本[12]同時(shí)用手持GPS儀記錄樣方的坡度、海拔等環(huán)境因子,共計(jì)調(diào)查54個(gè)樣方(圖1)。

2.2 數(shù)據(jù)處理

以草本植物的重要值指標(biāo)(相對(duì)高度+相對(duì)蓋度)/200為基礎(chǔ)進(jìn)行群落物種多樣性研究。TWINSPAN等級(jí)分類和DCA排序方法分別采用國(guó)際通用軟件TWINSPAN和CANOCO[6]計(jì)算;群落穩(wěn)定性采用Godron穩(wěn)定性測(cè)定方法計(jì)算[13];單因素方差分析及Duncan檢驗(yàn)(P<0.05)采用SPSS 20.0軟件計(jì)算;Patrick物種豐富度指數(shù)、Shannon-Wiener指數(shù)、Simpson多樣性指數(shù)和Pielou均勻度指數(shù)采用SPDIVERS.BAS程序計(jì)算[14]。利用Excel 2010軟件和Origin 2021軟件作圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 自然定居草本植物群落組成

中條山銅礦區(qū)尾礦壩自然定居草本植物群落54個(gè)樣方共記錄43種(表1),隸屬15科37屬。以菊科(Asteraceae)(13種,占總種數(shù)的30.2%),禾本科(Poaceae)(12種占總種數(shù)的27.9%)為主,蘿藦科(Apocynaceae)(3種)和豆科(Fabaceae)(3種)各占總種數(shù)的7.0%,唇形科(Lamiaceae)(2種)占總數(shù)4.7%,其余科均為單種科。從生態(tài)習(xí)性看,中生植物(15種)占34.9%,旱中生、旱生植物(均為9種)各占20.9%,中旱生植物(8種)占18.6%,濕生植物(僅1種)占2.3%,可見(jiàn)該尾礦壩草本植物群落以中生、旱中生植物為主,表明該尾礦壩隨著植被恢復(fù)年限的增長(zhǎng)土壤水分條件逐漸改善。這是因?yàn)樵黾拥闹脖桓采w減少了土壤水分的散失,使得土壤的保水性提高[15]。

表1 自然定居草本植物群落43個(gè)物種名稱Tab.1 43 species in naturally colonized herbaceous plant communities

3.2 TWINSPAN分類

TWINSPAN等級(jí)分類將研究區(qū)自然定居草本植物群落54個(gè)樣方分成10個(gè)群叢(圖2),根據(jù)《中國(guó)植被》的群落分類、命名原則[16],結(jié)合尾礦壩草本植物分布實(shí)際,各群叢(Association,Assoc.)的主要特征簡(jiǎn)述如下:

I-X refer to Assoc. 1 to 10. D代表劃分, D1-D5分別為第1到第5次劃分。D stands for division, and D1-D5 are the 1st to 5th divisions respectively. 圖2 54個(gè)樣方的TWINSPAN分類樹狀圖Fig.2 TWINSPAN classification of 54 sampling plots

Ⅰ 狼尾草群叢(Assoc.Pennisetumalopecuroides):包括樣方49～51和53,分布在尾礦壩海拔495～510 m處,植被恢復(fù)年限為45～50 a,群叢優(yōu)勢(shì)種狼尾草(Pennisetumalopecuroides),伴生種黃花蒿(Artemisiaannua)和問(wèn)荊(Equisetumarvense)等。

Ⅱ 狼尾草+野艾蒿群叢(Assoc.P.alopecuroides+A.lavandulaefolia):包括樣方44、52和54,分布在尾礦壩海拔495～520 m處,植被恢復(fù)年限為50 a,群叢優(yōu)勢(shì)種狼尾草和野艾蒿,伴生種白羊草和問(wèn)荊等。

Ⅲ 白羊草+阿爾泰狗娃花群叢(Assoc.B.ischaemum+Asteraltaicus):包括樣方27、29、31、35、36、40,分布在尾礦壩海拔523～542 m處,植被恢復(fù)年限為30～33 a,群叢優(yōu)勢(shì)種白羊草和阿爾泰狗娃花(Asteraltaicus),伴生種沙蓬(Agriophyllumsquarrosum)和問(wèn)荊等。

Ⅳ 白羊草群叢(Assoc.B.ischaemum):包括樣方22、25、30、32、33、39和43,分布在尾礦壩海拔523～545 m處,植被恢復(fù)年限為19～39 a,群叢優(yōu)勢(shì)種白羊草,伴生種野艾蒿、阿爾泰狗娃花、白蓮蒿(Artemisiastechmanniana)等。

Ⅴ 白羊草+細(xì)葉苔草群叢(Assoc.B.ischaemum+Carexrigescens):包括樣方15、26、34、37、38、41、42和46～48,分布在尾礦壩海拔520～560 m處,植被恢復(fù)年限為31～42 a,群叢優(yōu)勢(shì)種白羊草和細(xì)葉苔草(Carexrigescens),伴生種野艾蒿、阿爾泰狗娃花和沙蓬等。

Ⅵ 白羊草+野艾蒿群叢(Assoc.B.ischaemum+A.lavandulaefolia):包括樣方19、23、24和45,分布在尾礦壩海拔520～550 m處,植被恢復(fù)年限為30～39 a,群叢優(yōu)勢(shì)種白羊草和野艾蒿,伴生種狼尾草和細(xì)葉苔草等。

Ⅶ 白羊草+白茅群叢(Assoc.B.ischaemum+I.cylindrica):包括樣方10～12、16～18和21,分布在尾礦壩海拔550～565 m處,植被恢復(fù)年限為13～16 a,群叢優(yōu)勢(shì)種白羊草和白茅(Imperatacylindrica),伴生種茵陳蒿(Artemisiacapillaris)和拂子茅(Calamagrostisepigejos)等。

Ⅷ 白羊草+披堿草群叢(Assoc.B.ischaemum+Elymusdahuricus):包括樣方7～9、13、14、28,分布在尾礦壩海拔535～572 m處,植被恢復(fù)年限為6 a,群叢優(yōu)勢(shì)種白羊草和披堿草(Elymusdahuricus),伴生種茵陳蒿和野艾蒿等。

Ⅸ 白蓮蒿+蘆葦群叢(Assoc.A.stechmanniana+Phragmitesaustralis):包括樣方4、6和20,分布在尾礦壩海拔550～573 m處,植被恢復(fù)年限為4 a,群叢優(yōu)勢(shì)種白蓮蒿和蘆葦(Phragmitesaustralis),伴生種山野豌豆(Viciaamoena)和白羊草等。

Ⅹ 小蓬草群叢(Assoc.Erigeroncanadensis+Setariaviridis):包括樣方1～3和5,分布在尾礦壩574～582 m處,植被恢復(fù)年限為2 a,群叢優(yōu)勢(shì)種小蓬草(Erigeroncanadensis)和,伴生種狗尾草(Setariaviridis)和白蓮蒿等。

3.3 自然定居草本植物群落穩(wěn)定性

表2為10個(gè)自然定居草本植物群叢的Gordon穩(wěn)定性擬合方程,以群叢內(nèi)植物相對(duì)頻度的累積頻度為縱坐標(biāo)y,植物種類總數(shù)的倒數(shù)累積為橫坐標(biāo)x建立散點(diǎn)曲線,并以平滑曲線y=ax2+bx+c為模型,建立10個(gè)群叢的擬合方程。以方程與直線y=100-x的交點(diǎn)(x,y)的坐標(biāo)值衡量群叢的穩(wěn)定程度:x/y與20/80越接近,群落越穩(wěn)定[6]。10個(gè)群叢群落穩(wěn)定性排序?yàn)?Ⅳ>Ⅷ>Ⅶ>Ⅴ>Ⅰ>Ⅲ>Ⅵ>Ⅹ>Ⅸ>Ⅱ。整體來(lái)看,物種多樣性和豐富度高的群叢穩(wěn)定性高于物種多樣性和豐富度低的群叢。交點(diǎn)坐標(biāo)比值距離20/80均較遠(yuǎn),表明10個(gè)群落都處于較不穩(wěn)定狀態(tài)。

表2 10個(gè)自然定居草本植物群叢的穩(wěn)定性Tab.2 Stabilities of 10 naturally colonized herbaceous plant associations

3.4 樣方的DCA排序

圖3為研究區(qū)自然定居草本植物群落54個(gè)樣方的DCA二維排序圖,DCA第1軸反映恢復(fù)年限和尾礦壩海拔變化,沿著DCA第1軸從左到右尾礦壩海拔逐漸降低,植被恢復(fù)年限逐漸增長(zhǎng)。位于排序圖最左端的群叢Ⅹ分布在尾礦壩574～582 m處,植被恢復(fù)年限(2 a)最短,土壤貧瘠,自然定居草本植物以狗尾草、小蓬草等耐旱、耐貧瘠植物為主。位于排序圖右端的群叢Ⅰ、Ⅱ分布在尾礦壩底部,隨著植被恢復(fù)年限的增長(zhǎng),自然定居草本植物以野艾蒿、狼尾草、問(wèn)荊等旱中生、中生植物為主,說(shuō)明土壤水分含量逐漸得到改善,植物群落物種多樣性、豐富度逐漸增高。DCA第2軸反映植物生態(tài)類型的變化,沿DCA第2軸從上到下由濕生植物向旱生植物遞變,位于排序圖上端的群叢Ⅵ、Ⅶ和Ⅸ中有濕生植物蘆葦,說(shuō)明這幾個(gè)群叢土壤水分條件較好;位于排序圖中部的群叢Ⅰ～Ⅵ中中生植物占主體,如問(wèn)荊、狼尾草等;位于排序圖下端的群叢Ⅶ、Ⅷ和Ⅹ,群叢旱生、中旱生植物占主體,如砂珍棘豆、白茅、茵陳蒿等,說(shuō)明這幾個(gè)群叢土壤水分條件較差。

數(shù)字1～54分別代表樣方1～54。The number 1-54 in the figure refers to sample plot 1-54. 圖3 54個(gè)樣方的二維排序圖Fig.3 Two-dimensional DCA ordination diagram of 54 sampling plots

3.5 物種的DCA排序

圖4為43個(gè)物種的DCA二維排序圖,從圖中可以看出,物種的DCA排序圖和樣方的DCA排序圖有一定相似性,位于物種DCA排序圖上部的山野豌豆(11)和蘆葦(12)是樣方DCA排序圖上部群叢Ⅸ的優(yōu)勢(shì)種和伴生種;位于物種DCA排序圖下部的漏蘆(13)和風(fēng)毛菊(17)只出現(xiàn)在了樣方DCA排序圖下部的群叢Ⅷ中。由圖可見(jiàn),群落物種的分布在一定程度上體現(xiàn)群叢的環(huán)境特征,每種植物的生態(tài)位特征都各不相同,但都能生活在適宜自身生存的環(huán)境條件下,從而在排序圖上表現(xiàn)出不同的分布范圍。位于排序圖中上部的是中旱生植物白羊草(20),出現(xiàn)在大部分樣地中,是6個(gè)群叢的優(yōu)勢(shì)種,2個(gè)群叢的伴生種,說(shuō)明該物種的生態(tài)幅較寬,生態(tài)適應(yīng)性強(qiáng)。

數(shù)字1～43分別代表物種1～43。The number 1-43 in the figure refers tp species 1-43. 圖4 43個(gè)物種的DCA二維排序圖Fig.4 Two-dimensional DCA ordination diagram of 43 species

3.6 自然定居草本植物群落物種多樣性

圖5為銅礦區(qū)尾礦壩10個(gè)自然定居草本植物群叢的物種豐富度指數(shù)(Pa)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H′)、Simpson多樣性指數(shù)(D)和Pielou均勻度指數(shù)(J)。單因素方差分析顯示,10個(gè)群叢的Pa、H′有顯著差異(P<0.05),10個(gè)群叢的D、J無(wú)顯著差異(P>0.05)。就物種數(shù)目來(lái)看,群叢Ⅹ的Pa(2.75)顯著低于其他群叢(4.50～6.50),群叢Ⅰ的Pa(6.25)最高即物種最豐富;群叢Ⅱ(1.47)、Ⅴ(1.51)的H′顯著高于群叢Ⅹ的H′(0.89),群叢Ⅰ～Ⅸ的H′差異不大,但都高于群叢Ⅹ;10個(gè)群叢的D無(wú)明顯差異,整體來(lái)看,群叢Ⅴ的D(0.74)最高,群叢Ⅹ的D(0.55)最小,且D和H′的變化規(guī)律大概一致;10個(gè)群叢的均勻度J無(wú)明顯差異,群叢Ⅰ的J(0.76)最小,群叢Ⅹ的J(0.90)最大。

不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。Different lowercase letters in each column indicate significant difference (P<0.05)P: Patrick richness index. H′: Shannon-Wiener heterogeneity index. D: Simpson′s diversity index. J: Pielou evenness index. 圖5 10個(gè)群叢物種多樣性指數(shù)Fig.5 Species diversity indices of the ten associations

群叢Ⅹ位于尾礦壩最高處,是該尾礦壩最新堆積的子壩,植被恢復(fù)年限最短,植物生存條件惡劣,生活在該群叢的多為存活能力強(qiáng)的旱生植物且植物種類稀少。隨著植被恢復(fù)年限逐漸增加,群叢Ⅰ～Ⅸ的物種豐富度、物種多樣性都有所增加,說(shuō)明植物生存條件得到改善,能滿足更多種類的植物生存。群叢Ⅴ的H′和D最高說(shuō)明群叢Ⅴ的生境條件最好,能容納更多的植物生存;10個(gè)群叢的J差異不大且都介于0.76～0.90之間,說(shuō)明群叢中的植物分布都較為隨機(jī)。這也反映了自然定居草本植物的分布特征。

圖6為10個(gè)自然定居草本植物群叢的多樣性隨群叢植被恢復(fù)年限的變化,橫坐標(biāo)為恢復(fù)年限(a),縱坐標(biāo)為多樣性(Pa)。圖6a為群叢的物種豐富度隨恢復(fù)年限的變化,整體趨勢(shì)表明物種豐富度隨著恢復(fù)年限的增加而顯著增加(P<0.05),這是因?yàn)榈V區(qū)植被恢復(fù)前期,土壤貧瘠,生存環(huán)境惡劣,只有少數(shù)耐旱、耐鹽、耐貧瘠的植物能在其中生存,隨著植被恢復(fù)年限的增加,土壤養(yǎng)分增加[17],適宜更多物種生存。圖6b和圖6c反映了群叢物種多樣性隨恢復(fù)年限的變化,整體趨勢(shì)顯示物種多樣性與恢復(fù)年限的長(zhǎng)短成顯著正相關(guān)(P<0.05),表明植被恢復(fù)時(shí)間越長(zhǎng),群叢中草本植物越多。圖6d為物種均勻度指數(shù)隨植被恢復(fù)年限的變化,10個(gè)群叢均勻度指數(shù)(J)與恢復(fù)年限無(wú)明顯相關(guān)關(guān)系(P>0.05)。這與群叢物種多樣性的方差分析結(jié)果一致。

圖6 10個(gè)群叢物種多樣性指數(shù)隨植被恢復(fù)年限的變化Fig.6 Changes of spices diversity index of the ten associations with revegetated years

4 討論

物種DCA排序圖(圖4)和樣方的DCA排序圖(圖3)有一定相似性,郝志遠(yuǎn)等[18]的研究也證實(shí)了這一點(diǎn)。樣方DCA排序圖與TWINAPAN等級(jí)分類的結(jié)果一致,表明該尾礦壩的自然定居草本植物群落的恢復(fù)年限是植物分布的主要影響因子。

物種多樣性指數(shù)與恢復(fù)年限的分析表明,銅礦區(qū)尾礦壩自然定居草本植物群落的豐富度指數(shù)(Pa)、物種多樣性指數(shù)(H′、D)隨著恢復(fù)年限的增長(zhǎng)而顯著增大(P<0.05),均勻度指數(shù)(J)與恢復(fù)年限無(wú)明顯相關(guān)關(guān)系(P>0.05)。余海波等[19]的研究也顯示均勻度指數(shù)與其他3個(gè)多樣性指數(shù)的變化趨勢(shì)不同。本研究中可能是因?yàn)檠芯繀^(qū)附近有河流,自然定居植物分布受土壤水分含量影響更大。10個(gè)群落穩(wěn)定性的模擬曲線顯示,群叢均處于不穩(wěn)定狀態(tài),表明尾礦壩還處于恢復(fù)初期階段[20],但物種多樣性越高,群叢越穩(wěn)定,因此后期植被恢復(fù)應(yīng)提高植物多樣性。

根據(jù)10個(gè)群叢的特征描述,植被恢復(fù)年限在40～50 a的2個(gè)群叢的主要優(yōu)勢(shì)種為狼尾草,恢復(fù)年限在10～40 a的6個(gè)群叢的主要優(yōu)勢(shì)種為白羊草,恢復(fù)年限最短的2個(gè)群叢主要優(yōu)勢(shì)種為小蓬草和白蓮蒿,因此建議在人工干預(yù)恢復(fù)該尾礦壩生態(tài)時(shí),優(yōu)先選用多年生的優(yōu)勢(shì)種狼尾草、白羊草,但二者是否可以混合種植,還需開展其種間關(guān)系的后續(xù)研究。

5 結(jié)論

1)TWINSPAN等級(jí)分類將中條山銅礦區(qū)尾礦壩自然定居草本植物群落54個(gè)樣方劃分為10個(gè)群叢,位于尾礦壩頂部的群叢Ⅹ恢復(fù)年限最短(2 a),位于尾礦壩底部的群叢Ⅰ、Ⅱ恢復(fù)年限最長(zhǎng)(45～50 a)。

2)恢復(fù)年限是影響中條山銅礦區(qū)尾礦壩自然定居草本植物群落組成的主要限制因子。隨著恢復(fù)年限的增長(zhǎng),尾礦壩生境條件逐漸改善,自然定居草本植物群落物種多樣性增加。

3)優(yōu)勢(shì)種狼尾草、白羊草可用于未來(lái)該尾礦壩生態(tài)修復(fù)中;同時(shí)物種多樣性指數(shù)越高,群落越穩(wěn)定。因此,在未來(lái)尾礦壩生態(tài)修復(fù)時(shí),建議提高植物多樣性。