喀斯特煤矸石山自然恢復(fù)植物群落研究

謝 斐，楊再超，李 芳，田華松，匡其羽

(六盤(pán)水師范學(xué)院 生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，貴州 六盤(pán)水 553000)

1 引言

煤矸石山是煤炭在開(kāi)采過(guò)程中形成的固體廢棄物煤矸石堆積而成，其不僅侵占大量土地、破壞礦區(qū)自然環(huán)境，而且會(huì)引發(fā)礦區(qū)水土流失，造成生態(tài)系統(tǒng)惡化[1，2]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年排放煤矸石約1.5～2.0億t，歷年堆積量有35億t以上[2]。素有“江南煤都”“江南煤?！敝Q(chēng)的六盤(pán)水市，已探明煤炭?jī)?chǔ)量近200億t，遠(yuǎn)景儲(chǔ)量844億t。按照丁偉等相關(guān)報(bào)道[4]，可估算現(xiàn)在六盤(pán)水市煤矸石排放量至少1000萬(wàn)t。煤矸石堆積已對(duì)六盤(pán)水煤炭開(kāi)采地區(qū)造成不可忽視的生態(tài)問(wèn)題。目前，對(duì)六盤(pán)水煤矸石山的研究包括煤矸石的成分特征、資源化利用途徑、香根草在煤矸石山中作用等[4～7]，而對(duì)煤矸石山自然植被群落組成尚未見(jiàn)報(bào)道。煤矸石山生態(tài)條件惡劣，部分學(xué)者開(kāi)展了煤矸石山生態(tài)復(fù)墾相關(guān)研究工作，如李鵬波等在分析了煤矸石山植被恢復(fù)的研究現(xiàn)狀和煤矸石山植被恢復(fù)存在的困難基礎(chǔ)上，提出了由立地條件分析與評(píng)價(jià)、矸石山基質(zhì)改良技術(shù)、樹(shù)種選擇和規(guī)劃、抗旱造林栽植技術(shù)、植被撫育管理技術(shù)和植被恢復(fù)的監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)等組成的矸石山的植被恢復(fù)“六階段”技術(shù)模式[8]。

由于植物存在很大的地域差異，生態(tài)修復(fù)如果不基于立地條件，尤其是植物組成和適應(yīng)性，修復(fù)效果往往達(dá)不到恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的效果。為此，本研究對(duì)六盤(pán)水市5個(gè)排放3年以上典型煤礦區(qū)堆積的煤矸石山自然植物群落多樣性進(jìn)行了野外調(diào)查和生態(tài)特征分析，旨在探明六盤(pán)水煤矸石山上的優(yōu)勢(shì)本土植物群落組成，對(duì)煤矸石山篩選耐性植物與礦山生態(tài)重建提供樹(shù)種選擇依據(jù)，為喀斯特地區(qū)煤矸石山生態(tài)修復(fù)提供理論參考和數(shù)據(jù)支撐。

2 研究區(qū)概況

本研究通過(guò)對(duì)六盤(pán)水市煤礦開(kāi)采分布區(qū)文獻(xiàn)資料查閱和調(diào)查，結(jié)合煤矸石堆積情況，選取5個(gè)排放3年以上典型煤礦(松河煤礦、紅旗煤礦、大河煤礦、四角田煤礦、涼水井煤礦)煤矸石山，研究區(qū)地理位置見(jiàn)表1。

3 研究方法

3.1 野外實(shí)地考察

對(duì)六盤(pán)水市5個(gè)排放3年以上(煤矸石山排矸年限通過(guò)訪(fǎng)問(wèn)礦區(qū)員工或當(dāng)?shù)爻Ｗ【用瘾@取)典型煤礦(松河煤礦、紅旗煤礦、大河煤礦、四角田煤礦、涼水井煤礦)堆積的煤矸石山進(jìn)行野外實(shí)地考察，根據(jù)煤矸石山植物群落類(lèi)型、地理環(huán)境、地形等條件，在野外布設(shè)5 m×5 m的標(biāo)準(zhǔn)灌木層樣方和1 m×1 m的標(biāo)準(zhǔn)草本層樣方。每個(gè)煤矸石山設(shè)置草本層樣方和灌木層樣方5個(gè)，共計(jì)總樣方數(shù)50個(gè)。在每個(gè)樣方里記錄每個(gè)樣方的海拔高度、經(jīng)緯度、坡度等因子。并記錄各樣方的植物多樣性組成、測(cè)量各種植被群落組成物種的生態(tài)指標(biāo)(包括株叢數(shù)、一般高度、最高高度、株叢所占蓋度等)，且拍照和采集野外疑難標(biāo)本。

表1 研究區(qū)域地理位置統(tǒng)計(jì)

3.2 數(shù)據(jù)分析

以物種重要值作為優(yōu)勢(shì)指標(biāo)量化煤矸石山自然定居植被在樣方群落中的優(yōu)勢(shì)地位與作用，并作為確定優(yōu)勢(shì)種標(biāo)準(zhǔn)。借助Excel 2010辦公軟件統(tǒng)計(jì)分析樣方群落內(nèi)植物種群的相對(duì)密度、相對(duì)頻度、相對(duì)高度、相對(duì)蓋度，其中重要值的計(jì)算采用牛翠娟等在《基礎(chǔ)生態(tài)學(xué)》中主要種群重要值的計(jì)算公式[9]：

重要值I.V.( Importance Value) = (相對(duì)高度 + 相對(duì)頻度 + 相對(duì)顯著度或蓋度)/3。

其中相對(duì)密度、相對(duì)頻度、相對(duì)高度、相對(duì)蓋度的計(jì)算借助廖成浩等人采用物種重要值衡量野生物種在覆土煤矸石山上生長(zhǎng)適應(yīng)性的方法[10]。

4 結(jié)果及分析

4.1 煤矸石山植物種類(lèi)組成分析

通過(guò)野外調(diào)查和統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)所調(diào)查的六盤(pán)水煤矸石山自然恢復(fù)定居的植物共有26科46屬50種(表2)。其中所調(diào)查的煤矸石山喬木層植物有4種，占總種數(shù)的8%；灌木層植物有6種，占總種數(shù)的12%；草本層植物30種，占總種數(shù)的60%；地被層植物10種，占總種數(shù)的20%。

表2 六盤(pán)水煤矸石山自然植被科屬種組成

續(xù)表2

4.2 煤矸石山優(yōu)勢(shì)種分析

對(duì)群落結(jié)構(gòu)和群落環(huán)境的形成有明顯控制作用的植物種稱(chēng)為優(yōu)勢(shì)種[9]。本文借助物種重要值作為優(yōu)勢(shì)指標(biāo)量化煤矸石山自然定居植被在樣方群落中的優(yōu)勢(shì)地位與作用，并作為確定優(yōu)勢(shì)種標(biāo)準(zhǔn)。

結(jié)合煤矸石山植被分布情況，煤矸石山喬木或灌木層植物重要值大于15的物種為優(yōu)勢(shì)種。從表3可知，六盤(pán)水煤矸石山優(yōu)勢(shì)的小喬木為亮葉樺(Betulaluminifera)(重要值21.92)，灌木層優(yōu)勢(shì)植物為戟葉酸模(Rumexhastatus)(重要值23.81)和大葉醉魚(yú)草Buddlejadavidi(重要值18.32)。

表3 六盤(pán)水煤矸石山喬木和灌木層植物重要值

另外，根據(jù)六盤(pán)水煤矸石山草本層植被分布情況，選取草本層重要值排名前五位的植物重要值(表4)，草本層植物重要值大于10的物種為優(yōu)勢(shì)種，發(fā)現(xiàn)六盤(pán)水煤矸石山草本層植物優(yōu)勢(shì)種為五節(jié)芒(Miscanthusfloridulus)(重要值12.30)和斑茅(Saccharumarundinaceum)(重要值11.18)。

表4 六盤(pán)水煤矸石山草本層重要值排前五的植物重要值

4.3 煤矸石山優(yōu)勢(shì)群落分析

根據(jù)樣方內(nèi)植物種類(lèi)組成，結(jié)合樣方內(nèi)建群種的特點(diǎn)，可以看出六盤(pán)水煤矸石山喬木層、灌木層和草本層植物群落組成結(jié)構(gòu)都比較簡(jiǎn)單，每種群落建群種只有1～2種。以群落建群種命名，根據(jù)出現(xiàn)的頻度發(fā)現(xiàn)六盤(pán)水煤矸石山的優(yōu)勢(shì)群落主要有3種類(lèi)型：

I：戟葉酸模群落(RumexhastatusCom.)，建群種戟葉酸模在煤矸石山樣方數(shù)中出現(xiàn)的頻度最高，為80%，平均蓋度最高，為90%，重要值最高，為23.81。伴生種為大葉醉魚(yú)草、鬼針草等。

Ⅱ：亮葉樺群落+戟葉酸模(Betulaluminifera+RumexhastatusCom.)，建群種亮葉樺在松河煤礦煤矸石山的平均蓋度為75%，戟葉酸模的相對(duì)蓋度為56.8%，亮葉樺的重要值為21.92。伴生種為鬼針草、千里光等。

Ⅲ：五節(jié)芒+斑茅群落(Miscanthusfloridulus+SaccharumarundinaceumCom.)，建群種五節(jié)芒在涼水井煤矸石山的頻度最高，為68%，平均蓋度最高，為70%，重要值最高，為12.30。伴生種為何首烏、蕨、小蓬草、蛇莓等。

5 結(jié)論與展望

5.1 結(jié)論

(1)煤矸石山自然定居植物共有26科46屬50種。根據(jù)植物的生長(zhǎng)型，所調(diào)查煤矸石山喬木層植物有4種，占總種數(shù)的8%；灌木層植物有6種，占總種數(shù)的12%；草本層植物30種，占總種數(shù)的60%；地被層植物10種，占總種數(shù)的20%。在各調(diào)查礦區(qū)植物種類(lèi)有交叉分布，特別是優(yōu)勢(shì)植物的交叉分布最為明顯。說(shuō)明該植物群落適應(yīng)六盤(pán)水多個(gè)煤矸石山的生境。

(2)不論是從種群生態(tài)學(xué)分析，還是從群落生態(tài)學(xué)分析，都可以得出從株叢數(shù)、物種優(yōu)勢(shì)度、蓋度及生長(zhǎng)狀況等各觀(guān)測(cè)指標(biāo)來(lái)考察六盤(pán)水煤矸石山自然植物群落占主體地位物種為戟葉酸模、亮葉樺、大葉醉魚(yú)草、五節(jié)芒和斑茅。說(shuō)明這些植物較為適宜六盤(pán)水煤矸石山的環(huán)境條件，對(duì)六盤(pán)水煤矸石山自然植被修復(fù)具有潛力，人工修復(fù)煤矸石山植被時(shí)可優(yōu)先考慮。

5.2 展望

六盤(pán)水煤礦區(qū)煤矸石山的生態(tài)恢復(fù)對(duì)城市的自然經(jīng)濟(jì)和可持續(xù)發(fā)展有著十分復(fù)雜的影響。通過(guò)本次調(diào)查分析，發(fā)現(xiàn)六盤(pán)水煤矸石山自然植被恢復(fù)是一個(gè)緩慢的過(guò)程，且效果不明顯。因此，對(duì)于煤矸石山的生態(tài)恢復(fù)采用人工恢復(fù)的方法是比較好的選擇。本研究已經(jīng)基本弄清六盤(pán)水地區(qū)煤矸石山的優(yōu)勢(shì)植物群落，對(duì)選擇適宜于煤矸石山生長(zhǎng)的植被、進(jìn)行煤矸石山生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)具有一定意義。下一步將深入探究煤矸石山優(yōu)勢(shì)植物種群對(duì)煤矸石山的生態(tài)適應(yīng)性機(jī)制、優(yōu)勢(shì)群落中建群種之間的關(guān)聯(lián)性及土壤生物活力，旨在為喀斯特地區(qū)煤矸石山生態(tài)修復(fù)提供數(shù)據(jù)支撐。