基于景觀功能評價法(LFA)的5種恢復(fù)模式景觀功能綜合評價： 以烏海市典型露天煤礦排土場為例

張 昕，郭小平，李鵬飛，馮昶棟，郭 光

(北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，北京 100083)

我國煤炭資源豐富，主要集中分布在西北干旱、半干旱荒漠區(qū)，內(nèi)蒙古烏海市作為其代表之一，煤田面積達403.5 km2，占土地面積的23%[1-2]。由于長期開采煤炭而忽略環(huán)境保護與治理，導(dǎo)致一系列生態(tài)環(huán)境問題，特別是露天煤礦開采，在開采過程中造成大氣粉塵污染、生物多樣性銳減、土體結(jié)構(gòu)破壞[3-4]。同時，由于大量棄渣棄石以排土場形式排放，占壓了礦區(qū)至周邊大面積土地資源，加之土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差，排土場邊坡極易受降雨徑流沖刷破壞，加速了土壤侵蝕，加劇了水土流失和土地沙化[5]，因此亟需對該區(qū)露天煤礦排土場進行生態(tài)恢復(fù)和重建。生態(tài)修復(fù)方式包括自然和人工兩種[6]。由于該區(qū)降水少，風(fēng)沙大，生態(tài)系統(tǒng)脆弱敏感[7]，僅依靠生態(tài)演替難以在短期內(nèi)恢復(fù)到開采前的生態(tài)環(huán)境，因此多采取人工恢復(fù)方式[8]。近年來，從景觀結(jié)構(gòu)和功能角度評價礦區(qū)恢復(fù)效果得到了越來越多的關(guān)注[9]。然而，以往研究多從植被配置結(jié)構(gòu)、土壤質(zhì)量改善效果等單一方面進行評價[10-11]，而結(jié)合景觀結(jié)構(gòu)特征、土壤穩(wěn)定狀況、土壤滲透性能及土壤養(yǎng)分循環(huán)活躍程度，綜合評價不同恢復(fù)模式下礦區(qū)排土場景觀功能修復(fù)效果的相關(guān)研究較少。此外，尚缺少統(tǒng)一的評價指標體系，常采用層次分析、模糊評價等[12-13]受主觀因素影響較大的定性評價方法。因此，為了使礦區(qū)景觀功能的評價結(jié)果更準確合理，筆者采用景觀功能評價法(landscape function analysis，LFA)[14]解決這一問題。該方法是一種操作簡單、受主觀因素影響小的半定量化評價方法，以地表水文過程為理論框架，以坡面為尺度，通過研究斑塊長度、面積及土壤性能綜合評價景觀功能。國外關(guān)于LFA方法的應(yīng)用研究較多，主要集中于恢復(fù)退化草牧場及礦區(qū)廢棄地的景觀功能評價[15-17]，國內(nèi)關(guān)于該方法的研究和應(yīng)用尚鮮見，主要集中于黃土區(qū)[18-19]，而西北干旱、半干旱荒漠區(qū)的相關(guān)研究嚴重缺乏。因此，有必要利用LFA方法評價該區(qū)不同恢復(fù)模式排土場景觀功能修復(fù)現(xiàn)狀并優(yōu)選模式以促進當(dāng)?shù)氐V區(qū)生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。

鑒于此，該文在優(yōu)化LFA方法評價指標的基礎(chǔ)上，以烏海市境內(nèi)典型露天煤礦為研究區(qū)域，以天然灌草群落為對照，揭示礦區(qū)內(nèi)不同生態(tài)恢復(fù)模式排土場的景觀功能，以期為今后該區(qū)露天煤礦排土場生態(tài)恢復(fù)和重建制定合理的人工恢復(fù)模式提供重要理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)烏海市境內(nèi)，地理坐標為39°23′08.95″～ 39°42′42.34″ N，106°49′37.61″～106°54′33.26″ E，海拔為1 183～1 396 m，該區(qū)為中國典型干旱、半干旱荒漠區(qū)，自然條件惡劣，生態(tài)系統(tǒng)脆弱。氣候類型屬溫帶干旱半干旱大陸性氣候。年均降水量為159.8 mm，年均蒸發(fā)量為3 289 mm，降水多集中在6—9月。土壤類型主要為棕鈣土、風(fēng)沙土。植被多具耐旱性、抗風(fēng)性，主要植物種為四合木(Tetraenamongolica)、霸王(Sarcozygiumxanthoxylon)和油蒿(Artemisiaordosica)等，植被稀疏，以灌-草結(jié)構(gòu)為主要植物群落特征。

研究區(qū)內(nèi)露天煤礦數(shù)量多，但由于生態(tài)恢復(fù)和重建工作開展較晚，已經(jīng)治理的排土場數(shù)量有限，普遍采取撒播草籽結(jié)合工程護坡措施的生態(tài)恢復(fù)模式并輔以人工灌水養(yǎng)護措施。因此，選取復(fù)墾3 a的5個典型露天煤礦排土場進行調(diào)查研究：新星煤礦排土場(1#)、齊峰煤礦排土場(2#)、老石旦煤礦排土場(3#)、廣納煤礦排土場(4#)和溫明煤礦排土場(5#)。礦區(qū)排土場呈3～7級階梯狀，覆表土厚度為15～30 cm，土壤質(zhì)地為砂質(zhì)壤土，養(yǎng)分含量低。坡面人工建植植被以鄉(xiāng)土草本居多，例如沙打旺(Astragalusadsurgens)、披堿草(Elymusdahuricus)和油蒿(Elymusdahuricus)等。

2 研究方法

2.1 樣地選取

調(diào)查研究于2018年7月開展，在5個露天煤礦排土場同一平臺內(nèi)，根據(jù)現(xiàn)有措施選取人工撒播草籽+植物網(wǎng)格護坡(模式Ⅰ)、人工撒播草籽+草簾覆蓋(模式Ⅱ)、人工撒播草籽(模式Ⅲ)、人工撒播草籽+磚砌框格護坡(模式Ⅳ)以及人工撒播草籽+磚砌框格護坡+土工網(wǎng)(模式Ⅴ)5種有代表性的人工生態(tài)恢復(fù)模式。由于自然條件下植被、土壤特征是適應(yīng)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的產(chǎn)物，是最穩(wěn)定且可持續(xù)發(fā)展的[20]，因此礦區(qū)排土場生態(tài)恢復(fù)應(yīng)以當(dāng)?shù)卦芯坝^功能為恢復(fù)目標，故選取四合木自然保護區(qū)、甘德爾山兩處遠離礦區(qū)受人類活動擾動較輕的天然灌草群落坡面作為對照。不同排土場及采取的恢復(fù)模式見表1。

表1 排土場恢復(fù)措施基本情況

2.2 LFA評價方法

2.2.1數(shù)據(jù)獲取

LFA方法的評價內(nèi)容包括景觀結(jié)構(gòu)特征和土壤表層性能2個方面。每種人工生態(tài)恢復(fù)模式及自然對照組分別選擇6個坡面作為調(diào)查點，采用樣線法在每個調(diào)查坡面沿垂直于等高線方向隨機布設(shè)3條30 m長的樣線，記錄樣線所截斑塊數(shù)量、長度、寬度及斑塊間距離，用于評價景觀結(jié)構(gòu)特征。與此同時，從每條樣線起點開始，每隔5 m在其兩側(cè)各布設(shè)1個5 m×5 m樣方，共5個，在樣方內(nèi)對土壤表層性能進行評價。同時在每條樣線起點和終點處分別用GPS定位儀和激光測距儀記錄海拔、坡向和坡度。共計布設(shè)126條樣線和630個樣方。

2.2.2景觀結(jié)構(gòu)特征指標的計算

通過斑塊面積和景觀結(jié)構(gòu)2個指標衡量坡面景觀格局特征，其計算公式為

A1=Ap/Am。

(1)

式(1)中，A1為斑塊面積指標，0

A2=lp/l1。

(2)

式(2)中，A2為景觀結(jié)構(gòu)指標，0

A1、A2越大，表明斑塊面積和長度占樣線的比例越大，攔蓄儲存地表水土、有機質(zhì)等資源的能力越強，景觀結(jié)構(gòu)越好。

2.2.3表層土壤性能指標的優(yōu)化與計算

表層土壤評價指標是土壤穩(wěn)定性指數(shù)(Sa)、土壤滲透性指數(shù)(If)和土壤養(yǎng)分循環(huán)指數(shù)(Ne)的綜合體現(xiàn)，評價內(nèi)容共有11項(表2)。

表2 表層土壤性能評價指標體系

Sa與雨滴濺蝕防護、枯落物狀況、隱花植被蓋度、結(jié)皮破碎性、土壤侵蝕類型及程度、沉積物、抗干擾能力和崩解系數(shù)相關(guān)，反映了土壤抵抗徑流沖刷和破壞的能力；If與多年生植被覆蓋度、枯落物狀況、地表粗糙度、抗干擾能力、崩解系數(shù)和土壤質(zhì)地相關(guān)，反映了土壤的入滲能力；Ne與多年生植被蓋度、枯落物狀況、隱花植被蓋度和地表粗糙度相關(guān)，反映了土壤與植被間的養(yǎng)分交換和利用能力。

基于對研究區(qū)內(nèi)自然植被群落及排土場坡面的實際調(diào)查與對比分析，由于研究區(qū)自然條件惡劣，植被整體蓋度較低，枯落物和隱花植被蓋度僅為28%和15%，而原始指標[21]中高達50%和100%，因此為了使評價結(jié)果更具實際意義，對枯落物狀況和隱花植被蓋度2個指標的分級賦分標準進行優(yōu)化調(diào)整。各指數(shù)計算公式如下：

假設(shè)某條樣線上斑塊和斑塊間共有n種類型，首先計算第j(1≤j≤n)種斑塊(或斑塊間)被樣線所截長度之和lj及占樣線長度的比例Pj=lj/li。

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

式(3)～(8)中，i為第i組實例，取值范圍為1～5；分母數(shù)字為分子各變量最大理論值之和；分子字母為各項評價內(nèi)容。

Sa、If和Ne取值范圍均為0～100，各項指數(shù)得分越高，表明土壤性能越優(yōu)良，土壤養(yǎng)分循環(huán)效率越快，入滲能力越高，抵抗降雨徑流侵蝕的能力越強。

2.3 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2010軟件統(tǒng)計坡面調(diào)查數(shù)據(jù)并計算評價結(jié)果，采用SPSS 21軟件對數(shù)據(jù)進行平均數(shù)檢驗及方差分析，對比分析不同生態(tài)恢復(fù)模式與景觀結(jié)構(gòu)及土壤性能各項指標的關(guān)系。

3 結(jié)果與分析

各調(diào)查點景觀功能各項指標評價結(jié)果見表3。進一步對評價結(jié)果做多因素方差分析的結(jié)果(表4)表明，僅生態(tài)恢復(fù)模式這一因素對各評價指標的影響達顯著水平(P<0.05)，海拔、坡度和坡向立地條件因子對各評價指標的影響未達顯著水平(P>0.05)，說明該區(qū)露天煤礦排土場的景觀結(jié)構(gòu)及土壤性能受生態(tài)恢復(fù)模式影響大，需進一步做具體分析。

3.1 不同生態(tài)恢復(fù)模式景觀結(jié)構(gòu)特征

各生態(tài)恢復(fù)模式排土場的景觀結(jié)構(gòu)特征存在差異(表5)。各模式A1由大到小依次為模式Ⅴ、Ⅰ、Ⅳ、Ⅱ和Ⅲ。其中，模式Ⅲ最低，模式Ⅴ最高，模式Ⅴ為其他生態(tài)恢復(fù)模式的1.6～3.2倍。模式Ⅱ、Ⅳ之間差異不顯著(P>0.05)。各模式A2由大到小依次為模式Ⅴ、Ⅰ、Ⅳ、Ⅱ和Ⅲ，模式Ⅴ為其他生態(tài)恢復(fù)模式的1.1～1.8倍。5種生態(tài)恢復(fù)模式的A1和A2分別為對照組的1.1～3.5倍和1.0～1.9倍，其中，對照組A1、A2顯著低于模式Ⅴ(P<0.05)，平均低71.1%和46.4%，而模式Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ景觀格局特征與自然群落較接近(P>0.05)，說明5種生態(tài)恢復(fù)模式均有助于該區(qū)排土場景觀結(jié)構(gòu)的恢復(fù)與重建，模式Ⅴ的恢復(fù)效果最優(yōu)。

3.2 不同生態(tài)恢復(fù)模式表層土壤性能特征

土壤抵抗徑流沖刷破壞的能力與土壤穩(wěn)定性、土壤滲透性及土壤養(yǎng)分循環(huán)狀況密切相關(guān)。由表6可知，各生態(tài)恢復(fù)模式中，模式Ⅴ的Sa、If和Ne顯著高于模式Ⅲ(P<0.05)，分別為其1.8、1.7和2.4倍。各模式Sa由大到小依次為模式Ⅴ、Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ和Ⅲ，模式Ⅲ顯著低于其他恢復(fù)模式(P<0.05)，模式Ⅰ、Ⅱ和Ⅳ之間無顯著差異(P>0.05)。各模式If由大到小依次為模式Ⅴ、Ⅰ、Ⅳ、Ⅱ和Ⅲ，除模式Ⅱ和Ⅲ較接近外(P>0.05)，其他恢復(fù)模式之間均存在顯著差異(P<0.05)。各模式Ne由大到小依次為模式Ⅴ、Ⅳ、Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ，模式Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ之間均無顯著差異(P>0.05)。對比自然條件下表層土壤性能可知，5種生態(tài)恢復(fù)模式均對Sa、If和Ne有不同程度的影響，其中，模式Ⅴ對改善礦區(qū)排土場土壤性能作用顯著(P<0.05)，其Sa、If和Ne分別是其他模式的1.2～1.8、1.2～1.7和1.5～2.4倍，且比對照組高58.2%、55.7%和82.0%。

表3 景觀功能各項指標評價結(jié)果

表4 不同影響因子與評價指標的方差分析結(jié)果

表5 不同生態(tài)恢復(fù)模式景觀結(jié)構(gòu)特征指標

表6 不同恢復(fù)模式土壤性能指標

3.3 不同生態(tài)恢復(fù)模式景觀功能綜合評價

為了綜合分析評價結(jié)果，運用最大方差法進行主成分分析，計算A1、A2、Sa、If和Ne的權(quán)重(表7)并用景觀功能指標(Fl)表示(表8)。可以看出，5種生態(tài)恢復(fù)模式下排土場Fl由大到小依次為模式Ⅴ、Ⅰ、Ⅳ、Ⅱ和Ⅲ，其中，模式Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ、Ⅴ均高于對照組，尤以模式Ⅴ最顯著，為對照組的1.6倍。盡管模式Ⅲ的Fl低于對照組，但差異未達顯著水平(P>0.05)，說明僅通過人工撒播草籽的方式已經(jīng)能實現(xiàn)以原有生態(tài)環(huán)境特征為標準的生態(tài)恢復(fù)目標。因此，5種生態(tài)恢復(fù)模式均有助于改善和恢復(fù)該地區(qū)露天煤礦排土場的景觀功能。其中，以人工撒播草籽+磚砌框格護坡+土工網(wǎng)模式的恢復(fù)效果最突出，是其他恢復(fù)模式的1.3～1.9倍，為對照組的1.6倍，可優(yōu)先考慮。

4 討論

筆者研究中不同恢復(fù)模式Fl由大到小依次為模式Ⅴ、Ⅰ、Ⅳ、Ⅱ和Ⅲ。除模式Ⅲ外，其他恢復(fù)模式Fl均高于對照組，說明生物與工程措施相結(jié)合的生態(tài)恢復(fù)模式優(yōu)于單一生物措施，更能有效促進并提高礦區(qū)受損生態(tài)系統(tǒng)的景觀功能，這一研究結(jié)果與魏忠義等[20]、趙新風(fēng)等[22]的結(jié)論一致。一方面，這是因為排土場坡面撒播草籽增加了斑塊數(shù)量、種類與面積，同時植物根系增加了土壤孔隙度，增強了土壤滲透性，根系分泌物又促進土壤團聚體的形成，提高了土壤穩(wěn)定性[23]；此外，豆科植物增強了土壤固氮能力，枯落物分解后產(chǎn)生的有機質(zhì)又重新回到土壤[24]，兩者促進了土壤養(yǎng)分循環(huán)。另一方面，布設(shè)磚砌框格等工程防護措施在增強坡面穩(wěn)定性、減輕土壤侵蝕的同時，能夠作為斑塊有效攔截降水等自然資源，為植被生長創(chuàng)造良好生境。因此，恢復(fù)礦區(qū)排土場景觀功能，兼顧生物與工程措施的恢復(fù)模式比單一植物措施效果更佳。

表7 主成分分析因子得分系數(shù)及指標權(quán)重

表8 不同恢復(fù)模式景觀功能評價結(jié)果

筆者研究中共有4種生物與工程措施相結(jié)合的生態(tài)恢復(fù)模式：人工撒播草籽+植物網(wǎng)格護坡(模式Ⅰ)、人工撒播草籽+草簾覆蓋(模式Ⅱ)、人工撒播草籽+磚砌框格護坡(模式Ⅳ)、人工撒播草籽+磚砌框格護坡+土工網(wǎng)(模式Ⅴ)。其中，模式Ⅴ的Fl最突出，其次為模式Ⅰ和Ⅳ，兩者差異不顯著(P>0.05)，模式Ⅱ的Fl最低。分析原因發(fā)現(xiàn)，4種恢復(fù)模式采取的生物措施均為人工撒播草籽，植被類型主要為草本，灌木較少，無喬木，且各排土場植物種類接近，以鄉(xiāng)土植物居多，因此需進一步分析工程措施。模式Ⅰ和Ⅳ分別采用植物網(wǎng)格、磚砌框格進行坡面防護，本質(zhì)均為格狀框條護坡，旨在防治坡面侵蝕。而利用磚石材料的生態(tài)恢復(fù)模式Fl低于植物材料，原因是排土場在自然沉降過程中引起邊坡失穩(wěn)變形，擠壓磚砌框格致其變形和破損[25]，而植物材料受其影響較小。模式Ⅱ覆蓋草簾的主要目的是保水保土，為坡面植物萌發(fā)提供適宜環(huán)境，但由于缺乏對草簾的有效固定，大面積草簾受降雨徑流沖刷破壞并滑落，防護效果大幅度降低。模式Ⅴ在磚砌框格護坡的基礎(chǔ)上用土工網(wǎng)代替草簾，能夠在蓄水保土的同時增加坡面穩(wěn)定性，因此該種生態(tài)恢復(fù)模式下的排土場景觀功能最高。

人工撒播草籽+磚砌框格護坡+土工網(wǎng)生態(tài)恢復(fù)模式下的排土場景觀功能高于自然條件下的灌草群落，且其恢復(fù)效果明顯高于其他恢復(fù)模式，能夠有效改善景觀結(jié)構(gòu)及表層土壤性能，恢復(fù)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境。因此，LFA方法可以較好且較全面地對烏海市不同恢復(fù)模式露天煤礦排土場景觀功能進行評價，為篩選礦區(qū)適宜生態(tài)恢復(fù)模式提供理論支持。

5 結(jié)論

基于LFA評價方法，優(yōu)化了評價指標體系，揭示了烏海市典型露天煤礦5種生態(tài)恢復(fù)模式下的景觀功能，并以天然植物群落為恢復(fù)目標分析了排土場生態(tài)修復(fù)效果。結(jié)果表明，與單一植被模式相比，生物與工程措施相結(jié)合的生態(tài)恢復(fù)模式景觀功能更高，修復(fù)效果更好。與磚砌框格護坡相比，植物網(wǎng)格措施受排土場沉降擠壓變形的影響小，采用土工網(wǎng)代替草簾能較好地解決難固定易下滑的問題。5種生態(tài)恢復(fù)模式均有助于改善并提升礦區(qū)景觀功能，以人工撒播草籽+磚砌框格護坡+土工網(wǎng)模式最為突出。因此，應(yīng)用LFA方法評價我國西北干旱荒漠區(qū)礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)效果對于篩選適宜生態(tài)修復(fù)模式、實現(xiàn)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。