烏拉山廢棄礦山生態(tài)恢復(fù)的近自然植被空間配置模式

張澤宇，吳曉靜，梁一鵬，張曉霞，查同剛，4

（1.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，北京 100083；2.北京市八達(dá)嶺林場，北京 102112；3.中建一局集團(tuán)第三建筑有限公司，北京 100161；4.北京林業(yè)大學(xué)山西吉縣森林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站，北京 100083）

近自然修復(fù)技術(shù)是以包含生態(tài)位原理、生物多樣性理論、生態(tài)適應(yīng)性理論等原理［1]在內(nèi)的恢復(fù)生態(tài)學(xué)基本原理為基礎(chǔ)［2]，以自然生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和演替機(jī)制為參考，強(qiáng)調(diào)生態(tài)系統(tǒng)自我恢復(fù)能力和調(diào)節(jié)力，最小化人為干預(yù)［3]，以鄉(xiāng)土植物為主要對象，促進(jìn)植被向演替后期植被群落恢復(fù)［4]，最終達(dá)到生態(tài)系統(tǒng)自身良性循環(huán)的生態(tài)修復(fù)技術(shù)。近自然修復(fù)不僅具有修復(fù)效果的持續(xù)性、穩(wěn)定性、系統(tǒng)性等優(yōu)勢，還具有適用范圍的廣泛性、低成本的特點(diǎn)，從長遠(yuǎn)來看，修復(fù)礦山廢棄地，近自然修復(fù)要優(yōu)于人工修復(fù)［5-6]。

在當(dāng)前干旱半干旱區(qū)的礦山生態(tài)修復(fù)過程中，普遍存在物種單一、鄉(xiāng)土物種較少、物種多樣性低［7-8]、群落穩(wěn)定性較差［9]及缺少對區(qū)域植被多樣性和地形分異特征的充分權(quán)衡等問題。對于退化生態(tài)系統(tǒng)，近自然恢復(fù)不僅能提高生產(chǎn)力，改善生態(tài)系統(tǒng)多種功能和服務(wù)，如提高物種多樣性［10]，還可縮短生態(tài)恢復(fù)過程中生態(tài)系統(tǒng)演替的周期［11]。為實(shí)現(xiàn)廢棄礦山的生態(tài)系統(tǒng)近自然修復(fù)，參照自然構(gòu)建一個合理穩(wěn)定、具有自我更新演替能力的近自然植被配置是十分有必要［12-13]。因此，本文以位于半干旱區(qū)的烏拉山廢棄礦山為研究對象，立足于立地條件與群落結(jié)構(gòu)關(guān)系的角度，對其毗鄰區(qū)立地條件與植被空間分布格局及其關(guān)系進(jìn)行調(diào)查分析，研究近自然恢復(fù)植被空間配置模式，以期為受損生態(tài)系統(tǒng)植被恢復(fù)的空間配置模式提供參照，進(jìn)而為西北半干旱區(qū)礦山近自然修復(fù)提供可借鑒的經(jīng)驗。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)烏梁素海流域的烏拉山（40°47′～41°03′N，108°43′～108°57′E），主要有煤、鐵、金、銅等礦床，礦點(diǎn)101 處，烏拉山北麓廢棄鐵礦作為典型廢棄礦區(qū)，面積約4.5 km2，該地區(qū)處于溫帶干旱的西部季風(fēng)氣候區(qū)，平均降水量200～250 mm［14]，多集中在夏季，年蒸發(fā)潛力2167～2500 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于降水量。草本植物主要以蒙古韭（Allium mongolicum）、中華草沙蠶（Tripogon chinensis）和駱駝蓬（Peganum harmala）為主，灌木植物主要以刺旋花（Convolvulus tragacanthoides）和狹葉錦雞兒（Caragana stenophylla）為主。土壤主要以砂粒為主，其含量占70%以上。土壤類型以灰褐土和栗鈣土為主，主要受風(fēng)、水復(fù)合侵蝕影響，生態(tài)環(huán)境脆弱。

烏拉山是烏梁素海流域“山水林田湖草”生態(tài)要素中“山”的部分，近年來面臨著草場植被嚴(yán)重退化、草場沙化面積不斷擴(kuò)大、水環(huán)境惡化、土壤沙化、鹽堿化及礦山過度開發(fā)等諸多問題。研究區(qū)內(nèi)存在大量廢棄礦山，目前生態(tài)恢復(fù)主要采用“地形整治+表土覆蓋+草種飛播”的方法，但地形整治后表土裸露，水土流失風(fēng)險極大，水土流失十分嚴(yán)重［15]。區(qū)域內(nèi)植物共有約75科，278屬，491種［14]，具有較豐富的物種資源，但礦山生態(tài)修復(fù)中局限于苜蓿、披堿草等抗逆性強(qiáng)又易獲得的物種，種群相對單一，物種多樣性較低，群落穩(wěn)定性較差［11]。同時，受到研究區(qū)降雨條件本身的限制和嚴(yán)重的風(fēng)力侵蝕影響，烏拉山廢棄礦區(qū)植被恢復(fù)狀況較差。

1.2 樣地布設(shè)

2020 年7 月，采用典型樣地調(diào)查方法調(diào)查廢棄礦區(qū)毗鄰立地條件相近的自然草地，布設(shè)了36 個10 m×10 m的樣方，因調(diào)查范圍內(nèi)不含喬木，故每個樣地內(nèi)布設(shè)3 個灌草小樣方（2 m×2 m）。在每一個灌草小樣方內(nèi)，測其植被種類、蓋度、高度及株數(shù)，取植被的地上部分帶回實(shí)驗室烘干稱重，計算生物量。由于研究區(qū)樣地相對集中，海拔相差不大，變化幅度對光、溫、水、氣、熱等生態(tài)因子的影響較小，故本研究調(diào)查指標(biāo)為坡度（X1）、坡位（X2）、坡向（X3）、速效磷含量（X4）、全磷含量（X5）、速效鉀含量（X6）、土壤硬度（X7）、土層厚度（X8）和土壤質(zhì)地（X9）9個指標(biāo)，其中土壤質(zhì)地在數(shù)值上用礫石（粒徑≥2 mm）的含量代替，具體因子類目劃分及賦值見表1。

表1 立地因子劃分及賦值Tab.1 Site factor division and assignment

1.3 土壤采樣與測定

每個樣地的灌草小樣方內(nèi)，采用對角線法選三點(diǎn)采集0～20 cm的土壤樣品，土壤樣品自然風(fēng)干、磨細(xì)、過篩保存。土壤機(jī)械組成采用馬爾文激光粒度分析儀測定；全氮采用半微量凱氏法測定；有效磷采用鹽酸-硫酸溶液浸提法測定；速效鉀采用乙酸銨浸提-火焰光度法測定［16]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Margalef豐富度指數(shù)（Ma）、Pielou均勻度指數(shù)（Ea）、Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)（H）和Simpson多樣性指數(shù)（D）來表征不同微地形下植物多樣性特征，各指數(shù)按下式計算［17]：

Margalef 豐富度指數(shù)，反映群落中物種數(shù)量的指數(shù)［18]：

Pielou 均勻度指數(shù)，反映了群落中各物種個體的分布情況，物種均勻度指數(shù)越高，說明各物種個體數(shù)量分布越均勻［18]：

Shannon-Wiener多樣性指數(shù)，群落中第i個物種的個體數(shù)量與群落中所有個體數(shù)量的比例，指數(shù)越高，群落的多樣性越強(qiáng)［19]：

Simpson 多樣性指數(shù)，表示在一個隨機(jī)樣本中出現(xiàn)兩個相同物種個體的概率，越接近于0表示多樣性無限，接近1 表示無多樣性，因此，D值越高，多樣性越高［19]：

式中：S為樣方中的物種總數(shù)，N表示樣方所有物種的個體總數(shù)，Pi表示第i個物種所占的比例。

采用Microsoft Excel 2019 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，采用R 4.0.4“psych”包、“corrplot”包、“NbClust”包及“agricolae”分別進(jìn)行主成分分析、相關(guān)性分析、聚類分析和差異顯著性分析，利用Origin 2021進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 立地類型的劃分

將調(diào)查樣地的9個指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)量化和標(biāo)準(zhǔn)化處理后，采用主成分分析方法，按特征值＞1抽取，前3 個主成分F1、F2、F3的特征值＞1，且代表了全部立地因子76.517%的信息，構(gòu)建3 個主成分與各因子關(guān)系式如下：

從以上關(guān)系式可以看出，第一主成分代表土壤肥力狀況（AP、TP、AK 的系數(shù)＞0.375），第二主成分代表地形特征（坡度、坡位、坡向的系數(shù)分別是0.408、-0.404、-0.391），第三主成分代表土壤物理性質(zhì)（土壤硬度、土壤厚度、土壤顆粒組成的系數(shù)分別是0.513、-0.315、-0.443）?？梢姡寥婪柿顩r在立地類型劃分過程中起關(guān)鍵性主導(dǎo)作用，但土壤養(yǎng)分含量指標(biāo)難以通過現(xiàn)場調(diào)查的方式直接測出，通過對立地因子的相關(guān)性分析可得（表2），土壤養(yǎng)分含量受地形因子影響，尤其與坡位顯著相關(guān)（P＜0.05）。

表2 立地因子的相關(guān)性分析結(jié)果Tab.2 Correlation analysis results of site factors

結(jié)合立地因子的實(shí)地調(diào)查，采用相關(guān)性分析和主成分分析的方法，選取坡度，坡位和土壤硬度為廢棄礦山立地類型劃分的主導(dǎo)因子，主導(dǎo)因子分級標(biāo)準(zhǔn)見表1。針對3個主導(dǎo)因子，采用歐氏距離對調(diào)查樣地進(jìn)行聚類（圖1）。聚類分析結(jié)果結(jié)合主導(dǎo)因子，將廢棄礦山36 個樣地劃分為3 個立地類型組（緩坡立地類型組，斜坡立地類型組和陡坡立地類型組）和9 個立地類型。立地類型包括緩坡坡下軟質(zhì)土立地類型、緩坡坡下硬質(zhì)土立地類型、緩坡坡中中質(zhì)土立地類型、緩坡坡中硬質(zhì)土立地類型、緩坡坡上硬質(zhì)土立地類型、斜坡坡中中質(zhì)土立地類型、斜坡坡上硬質(zhì)土立地類型、陡坡坡下硬質(zhì)土立地類型、陡坡坡中硬質(zhì)土立地類型。

圖1 聚類分析樹狀圖Fig.1 Cluster analysis

2.2 不同立地類型的植物群落特征

總體來看，生物量和植被蓋度呈現(xiàn)相同的趨勢（圖2），均呈現(xiàn)為緩坡坡中中質(zhì)土立地類型（Ⅲ）＞斜坡坡中中質(zhì)土立地類型（Ⅵ）＞緩坡坡下硬質(zhì)土立地類型（Ⅱ）＞緩坡坡中硬質(zhì)土立地類型（Ⅳ）＞陡坡坡下硬質(zhì)土立地類型（Ⅷ）＞緩坡坡上硬質(zhì)土立地類型（Ⅴ）＞緩坡坡下軟質(zhì)土立地類型（Ⅰ）＞斜坡坡上硬質(zhì)土立地類型（Ⅶ）＞陡坡坡中硬質(zhì)土立地類型（Ⅸ）。Ⅲ中生物量和植被蓋度最高，分別為76.08 g·m-2和85.00%，植被蓋度上顯著高于Ⅶ和Ⅸ（P＜0.05），生物量上顯著高于Ⅰ、Ⅶ和Ⅸ（P＜0.05）。Ⅸ的生物量和植被蓋度最少，僅占Ⅲ生物量的25.59%，植被蓋度的25.88%。

圖2 廢棄礦山植物群落數(shù)量特征和物種多樣性特征Fig.2 Characteristics of plant community quantity and species diversity in abandoned mines

不同立地類型下植被Margalef 豐富度指數(shù)、Pielou 均勻度指數(shù)和Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)的差異性顯著（P＜0.05），Simpson多樣性指數(shù)差異不顯著（圖2）。其中Margalef 豐富度指數(shù)和Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)變化趨勢與生物量和植被蓋度趨勢相同。Margalef 豐富度指數(shù)和Shannon-Wiener多樣性指數(shù)最高是Ⅲ，分別為1.87 和1.94，其次是Ⅵ，Margalef豐富度指數(shù)和Shannon-Wiener多樣性指數(shù)分別為1.76 和1.88，Margalef 豐富度指數(shù)和Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)最少的是Ⅸ，僅為1.04 和1.03。對于Pielou 均勻度指數(shù)，Ⅸ顯著低于其他類型，僅為0.25。

2.3 不同立地類型的近自然植被配置

為了配置植被達(dá)到近自然結(jié)構(gòu)，統(tǒng)計不同立地類型出現(xiàn)的植被類型，并對計算多年生草本，一年生草本及灌木的比例，根據(jù)比例配置得到近自然的植被配置模式，根據(jù)表3可以看出，緩坡坡下軟質(zhì)土立地類型（Ⅰ）、緩坡坡上硬質(zhì)土立地類型（Ⅴ）、陡坡坡中硬質(zhì)土立地類型（Ⅸ）為純草本模式，其余6種立地類型為灌草模式。

表3 不同立地類型的植被配置及其比例Tab.3 Vegetation allocation and proportion of different site types

3 討論

近自然恢復(fù)是以自然生態(tài)過程為主，輔以科學(xué)合理的人工管理措施，將退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)到生態(tài)服務(wù)功能（物種組成、多樣性及群落結(jié)構(gòu)）與地帶性群落接近的生態(tài)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的多樣性、穩(wěn)定性和可持續(xù)性這一最終目標(biāo)［12]。生境是植物群落形成的要素，不同生境所生長的植物種類也有所差異［6]，本研究通過立地類型的劃分對不同生境和生產(chǎn)力的土地進(jìn)行科學(xué)分類和設(shè)計［20]，利用主成分分析法篩選坡度、坡位和土壤硬度作為主導(dǎo)因子，這與楊宇平［21]、劉瑩［22]在廢棄礦山的研究結(jié)果相類似。因此，基于3 個主導(dǎo)因子進(jìn)行立地類型劃分，將廢棄礦山劃分為3 個立地類型組和9 個立地類型，針對不同的立地類型運(yùn)用統(tǒng)計學(xué)方法對植物種及其生長狀況進(jìn)行分析，結(jié)合適地適樹原則，實(shí)現(xiàn)廢棄礦區(qū)的近自然植被空間配置。

不同立地類型之間植被蓋度和生物量具有顯著差異（圖2），立地類型的不同，地形和土壤性質(zhì)的不同，形成了立地環(huán)境的空間異質(zhì)性，這決定了天然植被的分布和生物多樣性［17]。坡度對植被的影響主要體現(xiàn)在兩個方面，一是在坡面水平方向上影響水養(yǎng)的流失［23]，二是坡度的增大導(dǎo)致風(fēng)力對土壤表面的侵蝕沖擊力增加，加速土壤流失［24-25]。坡位的變化引起土壤水養(yǎng)含量的變化，主要表現(xiàn)在坡下＞坡中＞坡上［26-27]。有研究發(fā)現(xiàn)中質(zhì)土最適宜種子的生長發(fā)芽，土壤過軟或過硬都不利于植物生長［28]。在9 種立地類型中僅緩坡坡下軟質(zhì)土立地類型、緩坡坡上硬質(zhì)土立地類型、陡坡坡中硬質(zhì)土立地類型，受到土質(zhì)較軟、坡上及坡陡養(yǎng)分含量較低的影響，這3種立地類型生境較差，難以支撐大量灌木的生長，近自然植被恢復(fù)中建議配置模式為草本模式（表3）。而其余立地類型，尤其是緩坡坡中中質(zhì)土立地類型和斜坡坡中中質(zhì)土立地類型，在中質(zhì)土壤和緩坡條件下植被良好生長，近自然植被恢復(fù)中建議為灌草模式（表3）。因此在生態(tài)環(huán)境脆弱，水土流失嚴(yán)重的地區(qū)，應(yīng)結(jié)合立地類型進(jìn)行近自然植被配置，形成健康的生態(tài)系統(tǒng)，使植物群落與自然環(huán)境相互適應(yīng)，達(dá)到動態(tài)平衡，進(jìn)而改善當(dāng)?shù)刂脖缓铜h(huán)境條件［14]。

4 結(jié)論

在烏拉特廢棄礦山，影響植被生長與分布的主導(dǎo)立地因子是坡度、坡位和土壤硬度，據(jù)此可劃分出9 個立地類型。研究區(qū)內(nèi)植被在緩坡、坡中且土壤硬度適中的立地類型水熱條件相對較好，植被生長最優(yōu)；而在陡坡、坡中、土壤硬度偏硬或土壤硬度偏軟的立地類型生長相對較差，故而在進(jìn)行近自然植被配置時可考慮不同立地類型的植被生長條件，如陡坡坡中硬質(zhì)土立地類型建議配置模式為草本模式（配置比例為多年生草本∶一年生草本=8∶2），其余立地類型如緩坡坡中中質(zhì)土立地類型建議配置灌草模式（配置比例為多年生草本∶一年生草本∶灌木或半灌木=5∶4∶1）。同時針對不同立地類型的水養(yǎng)條件可適當(dāng)進(jìn)行施肥灌溉，補(bǔ)充氮磷鉀等生物復(fù)合肥以促進(jìn)植被均勻分布快速建植。