采煤塌陷復(fù)墾區(qū)自然恢復(fù)初期植物群落變化特征

侯穎 丁錦平

摘 要：植被恢復(fù)是采煤塌陷復(fù)墾區(qū)生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的關(guān)鍵。為了解和掌握植被自然恢復(fù)的基本規(guī)律，以河南省永城煤礦塌陷復(fù)墾區(qū)自然恢復(fù)群落為例，采用樣方法，通過實(shí)地調(diào)查，對(duì)復(fù)墾不同年限下自然恢復(fù)的植物群落的組成、結(jié)構(gòu)及各物種的重要值進(jìn)行研究，分析植被恢復(fù)初期物種的組成變化及基本趨勢(shì)。結(jié)果表明：（1）永城采煤塌陷復(fù)墾區(qū)恢復(fù)初期物種數(shù)量共有植物13科27種，演替仍處于初級(jí)階段;（2）菊科與禾本科植物是演替初期的先鋒物種，占植物總種數(shù)的50%左右，群落結(jié)構(gòu)為小飛蓬+狗尾草+刺兒菜（或狗牙根、野大豆）;（3）隨著復(fù)墾年限延長(zhǎng)，1年生草本植物所占優(yōu)勢(shì)逐漸下降，多年生草本植物的優(yōu)勢(shì)逐漸提高。復(fù)墾1年、3年和5年時(shí)，1年生草本植物的重要值分別占群落總重要值的81.46%、44.07%和37.91%，而多年生草本或木本植物的重要值分別占群落總重要值的18.54%、55.93%和62.09%，表明在演替初期隨著復(fù)墾年限延長(zhǎng)物種組成發(fā)生了變化，優(yōu)勢(shì)物種由1年生草本植物為主向以多年生草本植物為主轉(zhuǎn)變。研究結(jié)果為加速?gòu)?fù)墾地植物恢復(fù)、構(gòu)建合適的人工植物群落提供了理論參考。

關(guān)鍵詞：采煤塌陷區(qū);復(fù)墾;自然恢復(fù);群落特征;重要值

中圖分類號(hào) Q148;X171.5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 1007-7731（2021）07-0025-05

Characteristics of Plant Community Change in the Early Stage of Natural Recovery in Reclamation Area after Coal Mining Collapse

HOU Ying et al.

（Department of Surveying and Planning， Shangqiu Normal University， Shangqiu 476000， China）

Abstract： Vegetation recovery is the key factor for ecological restoration in a coal mine collapse reclamation site. In this study， the natural restoration community in the collapse reclamation area of Yongcheng coal mine in Henan province was studied to understand and master the basic laws of vegetation recovery in this degraded ecosystem. Using field sample survey method， the composition， structure and important values of plant communities derived from natural recovery under different years of reclamation were investigated to analyze the composition changes and basic trends of plant species in the early stage of vegetation restoration. The results showed that：（1） the number of plant species in the early stage of recovery in a reclamation site of Yongcheng coal mining collapse were 27 plant species which belonged to 13 families， indicating that the plant communities in this site were still at the primary succession stage. （2） Compositae and Gramineae were the pioneer species in the early stages of succession， accounting for about 50% of the total number of plants; the typical plant community was Conyza canadensis （L.） Cronq.+ Setariaviridis（L.）Beauv. + Cirsium setosum （Wild.） MB. （or Cynodondactylon （L.） Pers. Glycine sojaSieb. et Zucc.）. （3）With the prolongation of reclamation period， annual herbs gradually decreased while perennial herbs gradually increased; After 1 year， 3 years and 5 years of reclamation， respectively， the important value of annual herbs accounted for 81.46%， 44.07% and 37.91%， while the important value of perennial herbs or woody plants accounted for 18.54%， 55.93% and 62.09% of the total important value of the plant communities. These results indicated that， the plant species composition changed with the extension of reclamation years in the early stage of succession， with the dominant species turning from annual herbs to perennial herbs. This study provides a theoretical reference for accelerating the vegetation recovery and constructing suitable artificial plant communities in coal mine collapse reclamation sites.

Key words： Core-mining subsidence area;Reclamation;Natural restoration;Community characteristic;Important value

煤炭是我國(guó)主要能源之一，為我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)揮了重要作用，但大規(guī)模的煤礦開采對(duì)地表植被和土壤產(chǎn)生了巨大擾動(dòng)，造成采煤跡地水土流失、環(huán)境污染、生態(tài)系統(tǒng)功能退化[1]，嚴(yán)重影響了周邊居民的生產(chǎn)生活和區(qū)域經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。因此對(duì)采煤塌陷區(qū)進(jìn)行復(fù)墾具有重要意義，也成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)。自20世紀(jì)80年代以來，我國(guó)對(duì)采煤塌陷區(qū)的復(fù)墾模式[2]、復(fù)墾適宜性評(píng)價(jià)[3-4]、復(fù)墾后的生態(tài)修復(fù)、土壤和植被特征[5-7]等方面作了大量研究。其中，許多研究認(rèn)為，恢復(fù)采煤地的土地質(zhì)量及形成穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)是復(fù)墾區(qū)的重要任務(wù)之一[8-9]。而植被是生態(tài)系統(tǒng)重構(gòu)的關(guān)鍵因素，但植被恢復(fù)是一個(gè)復(fù)雜問題[10]，而且自然恢復(fù)過程相對(duì)緩慢，往往需要50～100年，甚至數(shù)百年[11]。因此，許多復(fù)墾地通過構(gòu)建人工植物群落以加速?gòu)?fù)墾地植被的恢復(fù)過程。研究表明，人工植被的生長(zhǎng)與復(fù)墾模式、立地條件及物種的生理、生態(tài)學(xué)特性有關(guān)[7]，構(gòu)建人工植物群落仍需將群落特征與立地類型相結(jié)合，遵循自然群落演替的基本規(guī)律[12]。因此，對(duì)復(fù)墾區(qū)自然演替的植物群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，探討復(fù)墾區(qū)植物群落恢復(fù)的自然規(guī)律，可以為復(fù)墾后的土地盡快形成穩(wěn)定的植物群落提供理論依據(jù)。

不同區(qū)域或不同立地條件下植物群落結(jié)構(gòu)可能不同，植物種類組成、物種多樣性、重要值等會(huì)存在差異[13]。蔡勝等[14]、蔡興華等[15]對(duì)復(fù)墾后植被自然恢復(fù)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，禾本科、菊科及具有固氮功能的豆科植物是中國(guó)礦區(qū)采礦跡地恢復(fù)的優(yōu)勢(shì)植物，具有良好的生態(tài)適應(yīng)性。韓芳等[12]和陳璟[16]對(duì)廢棄采石場(chǎng)的研究結(jié)果表明，自然恢復(fù)初期植物群落結(jié)構(gòu)以灌草叢與草叢為主，其中草本群落物種組成較為豐富，主要為菊科、禾本科和馬鞭草科植物;牛星等[17]對(duì)煤礦排土場(chǎng)的研究表明，自然恢復(fù)1～5年的植物群落物種主要為菊科、禾本科和黎科等。由此可見，禾本科和菊科植物是群落恢復(fù)初期常見的組成物種，但因地區(qū)和立地條件的差異，主要組成物種稍有差異。河南省永城市煤礦區(qū)是我國(guó)近年新興的六大無(wú)煙煤生產(chǎn)基地之一，但礦區(qū)開發(fā)引起地面塌陷，對(duì)土地資源、水資源造成破壞，給生態(tài)環(huán)境造成巨大壓力，導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)失衡[18]。為此，筆者以河南省永城市采煤塌陷區(qū)為例，研究塌陷復(fù)墾區(qū)自然恢復(fù)初期的植被特征，旨在揭示自然演替下植物群落的結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)，探討適合礦區(qū)特殊生境的植被類型，這對(duì)于復(fù)墾區(qū)構(gòu)建合適的人工植物群落、加快植被恢復(fù)具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況 河南省永城市位于115°58′～116°39′E、33°42′～34°18′N，平均海拔33m，屬暖溫帶半濕潤(rùn)半干旱大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫14.3℃，年降雨量874mm，年平均日照時(shí)數(shù)2318h。該區(qū)是我國(guó)重要的商品糧生產(chǎn)基地之一，具有“豫東糧倉(cāng)”之稱。永城煤礦區(qū)屬農(nóng)業(yè)區(qū)大型平原礦區(qū)，是我國(guó)新興的六大無(wú)煙煤生產(chǎn)基地之一。

1.2 煤礦區(qū)開采及治理現(xiàn)狀 永城全市煤炭資源總儲(chǔ)量達(dá)63.90億t，含煤面積總計(jì)約1327.78km2，占國(guó)土面積的66%。截至2017年，全市境內(nèi)在生產(chǎn)的有8座煤礦。據(jù)專家預(yù)測(cè)，永城礦區(qū)全部煤礦開采結(jié)束后（50～60年）將會(huì)形成地面塌陷面積514.28km2，其中70%以上為耕地。自2004年以來，該區(qū)采用“挖深墊淺”的方法對(duì)塌陷地進(jìn)行了復(fù)墾，利用挖掘機(jī)將塌陷嚴(yán)重的區(qū)域再挖深形成水塘或魚塘，取出的土方作為中度塌陷區(qū)的充填材料，達(dá)到水產(chǎn)養(yǎng)殖和農(nóng)業(yè)耕作并舉，形成了以“復(fù)墾耕地+居住用地+魚塘+高效生態(tài)農(nóng)業(yè)用地”為主的治理模式，先后建成了陳四樓煤礦張大莊、城郊煤礦劉崗、新莊煤礦黃水寨等一批采煤塌陷區(qū)綜合治理示范區(qū)域。

1.3 研究方法

1.3.1 數(shù)據(jù)采集 試驗(yàn)地位于永煤集團(tuán)和神火集團(tuán)的礦區(qū)范圍內(nèi)，選擇距離較近、復(fù)墾方式一致、地勢(shì)平坦、但復(fù)墾年限不同的場(chǎng)地作為試驗(yàn)樣地，分別為復(fù)墾后1年、3年和5年。按照5點(diǎn)取樣法分別在不同樣地各取5個(gè)20m×20m的大樣方，在每個(gè)大樣方內(nèi)再次按照5點(diǎn)取樣法選取5個(gè)1m×1m的小樣方，調(diào)查樣方內(nèi)植被的種類、株數(shù)、高度、多度、蓋度等。5個(gè)小樣方的調(diào)查數(shù)據(jù)按照植物種類分別求出各指標(biāo)的平均值，作為大樣方的1個(gè)數(shù)值，然后再求出每個(gè)物種5個(gè)大樣方的平均值，作為1個(gè)樣地調(diào)查指標(biāo)的平均值。

1.3.2 數(shù)據(jù)處理 植被數(shù)量生態(tài)學(xué)中重要值是由植被的相對(duì)高度、相對(duì)多度和相對(duì)蓋度的平均值來表示。

[相對(duì)高度=某一物種高度同一生活型最高個(gè)體的高度] （1）

[相對(duì)多度（%）=某一物種的個(gè)體總數(shù)同一生活型植物個(gè)體總數(shù)]×100 （2）

[相對(duì)蓋度（%）=某一物種的蓋度所有植物種類蓋度之和]×100 （3）

[重要值（%）=相對(duì)高度+相對(duì)多度+相對(duì)蓋度3]×100 （4）

2 結(jié)果與分析

2.1 群落物種組成科屬特征 由表1可知，復(fù)墾區(qū)自然植被演替早期（5年）共有植物13科27種，大多數(shù)屬于禾本科、菊科、大戟科、藜科以及楊柳科，其中：在復(fù)墾1年、3年和5年時(shí)，禾本科植物分別為1種、4種和4種，分別占植物種數(shù)的16.7%、21.1%和25.0%;在復(fù)墾1年、3年和5年時(shí)，菊科植物分別為2種、6種和5種，分別占植物種數(shù)的33.3%、31.6%和31.2%;此外，在復(fù)墾初期，大戟科、藜科和楊柳科各2種，而莎草科、大麻科、錦葵科、豆科、茄科、玄參科、葫蘆科和旋花科各1種。由此可見，菊科與禾本科植物占復(fù)墾區(qū)自然植被演替初期植物種數(shù)的50%左右，是復(fù)墾初期的主要組成物種。

2.2 不同恢復(fù)年限植物群落物種組成及生活型特征 由表1可知，采煤塌陷復(fù)墾區(qū)不同恢復(fù)年限的植物群落組成的科屬特征及生活型特性變化明顯。塌陷區(qū)復(fù)墾1年的植被群落組成簡(jiǎn)單，共有4科6種，分別為菊科、禾本科、大戟科和藜科，其中，5種植物為1年生草本，1種植物為多年生草本;塌陷區(qū)復(fù)墾3年的植被群落由10科19種植物組成，物種明顯增加，新增錦葵科、茄科、莎草科、大麻科、旋花科和玄參科;其中，10種植物為1年生草本，9種植物為多年生草本;塌陷區(qū)復(fù)墾5年的植被群落由8科16種植物組成，物種比復(fù)墾3年時(shí)有所減少，大戟科、藜科消失，新增豆科、葫蘆科和楊柳科;其中，6種植物為1年生草本，8種植物為多年生草本，2種植物為落葉喬木。由表1可知，組成群落的物種的生活型也隨復(fù)墾年限發(fā)生變化。復(fù)墾1年的植物群落中，1年生草本植物和多年生草本植物分別占物種數(shù)的83.3%和16.7%;復(fù)墾3年的植物群落中，1年生草本植物和多年生草本植物分別占物種數(shù)的52.6%和47.4%;復(fù)墾5年的植物群落中，1年生草本植物、多年生草本植物和落葉喬木分別占物種數(shù)的37.5%、50%和12.5%。由此可見，隨著復(fù)墾年限延長(zhǎng)，1年生草本植物所占比重逐漸下降，多年生草本植物的比例逐漸提高，群落物種組成由1年生草本向多年生草本過渡，且在復(fù)墾5年時(shí)出現(xiàn)了落葉喬木的小苗，為后期的進(jìn)一步演替提供了條件。

2.3 不同復(fù)墾年限植物群落物種重要值 由表2可知，復(fù)墾年限為1年的樣地，植物群落優(yōu)勢(shì)物種為狗尾草、小飛蓬和刺兒菜，3種植物的重要值分別為35.17%、30.90%和18.54%，占群落總重要值的84.61%，伴生種有澤漆和鐵莧菜，該階段物種較少，群落以1年生草本植物為主。復(fù)墾年限為3年的樣地，物種豐富度增加，群落優(yōu)勢(shì)物種為小飛蓬、狗尾草、狗牙根和莎草，其重要值分別為23.01%、22.41%、19.94%和15.03%，占群落總重要值的80.39%;與復(fù)墾1年時(shí)相比，雖然1年生草本狗尾草和小飛蓬在群落中仍占優(yōu)勢(shì)，但其重要值明顯降低，而多年生草本狗牙根和莎草在群落中出現(xiàn)并占據(jù)重要位置;此外，植株個(gè)體較大的植物，如牛筋草、蒼耳、龍葵、葎草等也相繼出現(xiàn)，而1年生的莧菜和灰灰菜消失或重要值降低。復(fù)墾年限為5年的樣地，群落優(yōu)勢(shì)物種為蘆葦、野大豆、狗尾草和蒼耳，其重要值分別為25.11%、13.39%、12.68%和12.50%，占群落總重要值的63.68%;小飛蓬+狗尾草在群落中的優(yōu)勢(shì)度進(jìn)一步下降，兩者的重要值占群落總重要值的21.71%;植物蒼耳由于個(gè)體大、覆蓋度高，其重要值進(jìn)一步提高;新出現(xiàn)的植物野大豆和蘆葦成為群落的優(yōu)勢(shì)物種，其重要值占群落總重要值的38.50%;此外，群落中出現(xiàn)落葉喬木毛白楊和柳樹，其重要值占群落總重要值的13.32%。由此可見，復(fù)墾5年時(shí)，草本植物組成變化明顯，群落仍處在演替初級(jí)階段，各物種處在競(jìng)爭(zhēng)中，沒有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)物種。此外，在復(fù)墾早期，小飛蓬和狗尾巴草的重要值較大，但隨著復(fù)墾年限延長(zhǎng)，其優(yōu)勢(shì)逐漸降低，說明這2種植物在復(fù)墾早期能生長(zhǎng)良好，是復(fù)墾區(qū)的先鋒植物，但隨著復(fù)墾時(shí)間延長(zhǎng)，1年生草本植物的優(yōu)勢(shì)逐漸下降，而多年生草本植物的重要值逐漸增加。

3 結(jié)論與討論

研究區(qū)域的塌陷區(qū)采用的是“挖深墊淺”的方式進(jìn)行復(fù)墾，這種做法的弊端是表層的熟土被掩埋在下層，而后翻上來的生土覆蓋在了表層，使得復(fù)墾后的土地土壤結(jié)構(gòu)差、肥力低，制約了植被的生長(zhǎng)發(fā)育，因此煤礦區(qū)初始環(huán)境條件的優(yōu)劣會(huì)決定植物群落的多樣性和組成結(jié)構(gòu)[19]。研究結(jié)果表明，永城煤礦塌陷復(fù)墾區(qū)復(fù)墾5年時(shí)，共有植物13科27種，這比許麗等[20]對(duì)阜新煤礦自然恢復(fù)8年時(shí)調(diào)查的物種數(shù)目（6科7種）多，原因可能在于本研究區(qū)域位于暖溫帶，而阜新煤礦區(qū)位于溫帶，相對(duì)溫暖的氣候使得本研究區(qū)物種多樣性較高。但本研究區(qū)域物種卻少于岳建英等[21]對(duì)安太堡煤礦復(fù)墾區(qū)調(diào)查的野生物種數(shù)量，究其原因可能在于安太堡復(fù)墾區(qū)實(shí)施了人工植被重建，而本研究區(qū)植被完全是自然演替。這表明適當(dāng)?shù)娜斯じ蓴_，尤其是按照演替規(guī)律直接種植演替中后期的植物物種，構(gòu)建合適的植物群落，能夠增加生物多樣性，加速?gòu)?fù)墾區(qū)植被的恢復(fù)性演替[22]進(jìn)入穩(wěn)定階段。本研究中，從復(fù)墾1年到復(fù)墾5年，植物群落物種從4科6種增加到8科16種，且小飛蓬和狗尾草的重要值雖然隨復(fù)墾年限逐漸降低，但仍然在群落中占有一定的優(yōu)勢(shì)，其在不同階段的重復(fù)出現(xiàn)表明該區(qū)域植物群落仍處在演替進(jìn)程較慢的初期階段，因而植物種數(shù)也相對(duì)較少。

隨著復(fù)墾年限延長(zhǎng)，群落的物種組成及物種在群落中的地位也發(fā)生變化。該研究區(qū)域復(fù)墾時(shí)采取的是“挖深墊淺”的方式，土壤表層幾乎沒有繁殖體，因此物種來源主要靠外來繁殖體，幾乎是原生演替。而1年生草本植物靠種子繁殖，其傳播到“空白”區(qū)域的能力較多年生草本強(qiáng)，因此在演替剛開始時(shí)它們較易成為原生演替中的先鋒植物，但隨著時(shí)間延長(zhǎng)，多年生草本植物因其根、莖繁殖的能力較強(qiáng)，很容易在定居后形成穩(wěn)定的種群，因此多年生草本物種逐漸占據(jù)優(yōu)勢(shì)[23]。本研究也得出相似趨勢(shì)，復(fù)墾1年、3年和5年時(shí)，1年生草本植物的重要值分別占群落總重要值的81.46%、44.07%和37.91%，而多年生草本或木本植物的重要值分別占群落總重要值的18.54%、55.93%和62.09%，即隨著復(fù)墾年限延長(zhǎng)，1年生草本植物所占優(yōu)勢(shì)逐漸下降，多年生草本植物的優(yōu)勢(shì)逐漸提高，物種組成由1年生草本向多年生草本過渡，表明在演替初期隨著復(fù)墾年限延長(zhǎng)，物種組成發(fā)生了變化，即優(yōu)勢(shì)物種由1年生草本植物為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐远嗄晟荼局参餅橹?，這與牛星等[17]、趙冰清等[24]的研究結(jié)果一致。因此，對(duì)于本研究區(qū)域而言，在演替初期人為添加多年生草本植物，而在5年后添加速生喬木，可能會(huì)加速群落的演替。

研究結(jié)果還表明，在自然演替初期，菊科與禾本科植物占植物種數(shù)的50%左右，這與許麗等[20]、韓芳等[12]、原野等[6]的研究結(jié)論相一致。這些植物是本地的鄉(xiāng)土物種，也是演替初期的優(yōu)勢(shì)科和先鋒植物，具有良好的生態(tài)適應(yīng)性，能夠適應(yīng)復(fù)墾區(qū)惡劣的生境，并能通過自身的生長(zhǎng)繁殖來改善土壤的理化性質(zhì)，從而為更多植物的定居提供條件。因此，禾本科和菊科植物可以作為該復(fù)墾區(qū)的先鋒物種。

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（責(zé)編：徐世紅）