干旱礫漠區(qū)露天采煤對(duì)草地植物群落特征及其穩(wěn)定性影響

韓 勇,姜?jiǎng)P升,杜華棟,畢銀麗

(1 國(guó)能新疆紅沙泉能源有限責(zé)任公司,烏魯木齊 838100;2 西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院,西安 710054;3 西安科技大學(xué) 西部礦山生態(tài)環(huán)境修復(fù)研究院,西安 710054)

煤炭開采在帶來巨大資源效益和經(jīng)濟(jì)價(jià)值的同時(shí),也產(chǎn)生了不容忽視的生態(tài)環(huán)境問題。相比井工開采,露天開采對(duì)地面擾動(dòng)更大,對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響也更為強(qiáng)烈,其會(huì)引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害[1-2]、改變地貌格局[3]、加劇水土流失[4]、減少河水流量甚至引起斷流[5]、降低地下水位和疏干淺層地下水[6]等一系列生態(tài)問題。

植被不僅是生態(tài)系統(tǒng)的主要組成部分和表征生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的重要指示因子,還是衡量地表生態(tài)健康程度的重要指標(biāo)之一[7]。首先,利用遙感技術(shù)對(duì)露天開采區(qū)植被退化因素分析表明,土地的挖損和占?jí)焊淖兞说V區(qū)原有的地形地貌和景觀生態(tài),生態(tài)景觀破碎化與連通性降低是植被退化的主導(dǎo)因素[8];其次,露天開采造成淺層地下水疏干導(dǎo)致地下水位明顯下降,使地表土層干化,引發(fā)河流斷流、水庫(kù)枯干,進(jìn)一步引起土壤結(jié)構(gòu)和生物群落等環(huán)境要素發(fā)生變化[9];再次,露天開采對(duì)地表生態(tài)的強(qiáng)烈擾動(dòng)、礦區(qū)沙漠化和土壤侵蝕程度增加,進(jìn)而使植被分布格局發(fā)生改變[10]。前人關(guān)于露天煤炭開采活動(dòng)對(duì)植被影響的研究,大多數(shù)集中于半干旱東部草原排土場(chǎng)、礦坑等采礦活動(dòng)直接影響區(qū)[11-12],或基于遙感影像判別開采對(duì)礦區(qū)景觀格局和植被覆蓋度的影響[13],而關(guān)于干旱礫漠區(qū)露天開采對(duì)周邊區(qū)域植被群落結(jié)構(gòu)、組成是否有影響?影響程度和空間范圍多大?哪些因子的損害造成地區(qū)植物群落特征變化?這些問題尚未有明確答案,但這些問題是生態(tài)脆弱區(qū)生態(tài)修復(fù)策略制定首先要解答的。

新疆煤炭以其儲(chǔ)量大、埋藏淺、厚度大、易開采的特點(diǎn)在中國(guó)能源戰(zhàn)略中占有越來越重要地位[14],但其大量?jī)?yōu)質(zhì)資源富集于生態(tài)脆弱的戈壁區(qū)且主要以露天開采的方式開發(fā),直接導(dǎo)致地表?yè)p毀、風(fēng)蝕加劇、地貌改變、地下水位疏干等生態(tài)損害[15],煤炭開發(fā)與生態(tài)保護(hù)的矛盾亟待破解。

因此,本研究以新疆礫漠戈壁區(qū)典型露天開采煤礦為研究對(duì)象,定量比較距開采區(qū)不同距離植物群落組成、多樣性和生產(chǎn)力變化特征,闡明干旱區(qū)露天開采對(duì)植物群落的影響程度和空間范圍,結(jié)合礦區(qū)土壤理化性狀和微氣象因子的測(cè)量,探究影響研究區(qū)植物群落特征的主導(dǎo)因子,以期為干旱區(qū)礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)的精準(zhǔn)施策提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于新疆昌吉回族自治州奇臺(tái)縣準(zhǔn)東開發(fā)區(qū)西黑山產(chǎn)業(yè)園(圖1),該區(qū)處于古爾班通古特沙漠東緣的卡拉美利山南麓礫漠戈壁區(qū)(90°10′-90°40′E,44°20′-44°40′N),屬中溫帶大陸性半沙漠氣候,年均氣溫3 ℃,年均降水量?jī)H為160～200 mm,但年均蒸發(fā)量1 600～2 000 mm;土壤以荒漠鹽堿土為主,土質(zhì)為粉砂土;區(qū)域海拔在500～800 m之間,主要為礫漠平原,地形平坦開闊,風(fēng)蝕殘丘點(diǎn)綴分布于礫漠戈壁,總體地勢(shì)北高南低,土地利用類型以荒漠戈壁為主[16]。

圖1 研究區(qū)位置及樣地布設(shè)圖Fig.1 Study area and sample plot layout

區(qū)域內(nèi)植物組成簡(jiǎn)單,類型單調(diào),分布稀疏,建群植物主要是由超旱生、旱生的半喬木、灌木、小半灌木以及旱生的一年生草本、多年生草本和中生的短命植物等荒漠植物組成。

1.2 樣地設(shè)置與試驗(yàn)方法

1.2.1 樣地設(shè)置研究選擇干旱荒漠區(qū)煤炭開采最具代表性的新疆礫漠戈壁區(qū)露天開采煤礦(圖1),探究干旱礫漠區(qū)露天開采對(duì)周邊區(qū)域草地植物群落的影響程度和空間范圍大小。

由于礦區(qū)東向在地貌及擾動(dòng)強(qiáng)度上與其他方向存在差異,因此在樣地布設(shè)中舍棄東向,在礦區(qū)南(2條)、西(1條)和北(1條)布設(shè)4條監(jiān)測(cè)線作為重復(fù),分別在監(jiān)測(cè)線上距離采場(chǎng)邊界0 m,100 m,200 m,300 m,400 m,500 m,600 m,700 m,800 m,900 m,1 000 m,1 200 m,1 400 m,1 600 m,1 800 m,2 000 m,2 500 m,3 000 m和4 000 m和5 000 m處分別設(shè)置樣地,同時(shí)在開采區(qū)排土場(chǎng)東南西北4個(gè)方向各設(shè)1個(gè)樣地。

1.2.2 樣地調(diào)查與數(shù)據(jù)計(jì)算(1)樣地調(diào)查與試驗(yàn)方法 每個(gè)樣地隨機(jī)設(shè)3個(gè)2 m×2 m的草本樣方,調(diào)查各個(gè)樣方的植物種類、數(shù)量、蓋度和頻度,并剪取主要物種地上生物量,帶回實(shí)驗(yàn)室,85 ℃下烘干稱重計(jì)算地上生物量。同時(shí)在每個(gè)樣方內(nèi)隨機(jī)設(shè)置5個(gè)點(diǎn),用標(biāo)準(zhǔn)環(huán)刀(100 cm3)采集土樣用于土壤容重測(cè)定,采集表層(0-30 cm)土壤,一部分土樣放入鋁盒中用于測(cè)定土壤水分含量,另一部分土樣帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干備用,測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)、有效氮、有效磷、有效鉀、pH和可溶性鹽。樣地微氣象因子集中在2020年和2021年8月5-15日無云天氣條件下午14:00-15:00測(cè)量,其中地表溫度用點(diǎn)將集團(tuán)DJ-6310針式數(shù)顯土壤溫度計(jì),光照強(qiáng)度和地表蒸發(fā)量用點(diǎn)將集團(tuán)Vantage Pro2手持式小型自動(dòng)氣象站獲取。距開采區(qū)不同距離土壤及微氣象因子變化特征如表1。

表1 距開采區(qū)不同距離土壤及微氣象因子變化特征Table 1 Variation characteristics of soil and micro meteorological factors at different distances from the mining area

(2)植物群落特征指標(biāo)計(jì)算 ①群落物種重要值[17]:

IV=(RF+RC+RH)/3

(1)

式中:RF為相對(duì)頻度;RC為相對(duì)蓋度;RH為相對(duì)高度。

②群落Shannon-Wiener多樣性指數(shù)[17]:

(2)

式中:S為樣方種的總數(shù);Pi為第i個(gè)物種數(shù)占所在樣方全部物種個(gè)數(shù)的比例。

③植物群落穩(wěn)定性:采用M．Godron貢獻(xiàn)定律法對(duì)群落穩(wěn)定性進(jìn)行分析[18]。分析過程首先將植物群落中所有物種的按頻度大小降序排列,計(jì)算其累積相對(duì)頻度與植物種類倒數(shù)累積,用百分?jǐn)?shù)表示,以植物種倒數(shù)的累積百分?jǐn)?shù)為x軸,以相對(duì)頻度的累積百分?jǐn)?shù)為y軸應(yīng)畫散點(diǎn)圖并擬合為平滑曲線,模型為y=ax2+bx+c,直線方程為y=100-x,其交點(diǎn)(x,y)即為穩(wěn)定性參考點(diǎn),交點(diǎn)坐標(biāo)與點(diǎn)(20,80)的距離稱為歐式距離,該距離越小說明植物群落越穩(wěn)定,越大則越不穩(wěn)定。

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

利用Excel軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行描述統(tǒng)計(jì),結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差的方式表示;采用SPSS 20軟件的單因素方差分析(one-way ANOVA)和最小顯著差異法(LSD)比較不同樣地的差異顯著性,顯著水平設(shè)定為α=0.05。

利用冗余分析方法(RDA)探索環(huán)境因子與植物群落特征之間的關(guān)系,使用CANOCO 4.5軟件進(jìn)行植物群落特征、環(huán)境因子和樣地排序與作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 距開采區(qū)不同距離植物群落組成特征

研究礦區(qū)草地共調(diào)查到植物物種20種,分4科、17屬。主要優(yōu)勢(shì)種分別是鹽生假木賊(Anabasissalsa)、鹽爪爪(Kalidiumfoliatum)、三芒草(Aristidaadscensionis)和芨芨草(Neotriniasplendens)(表2)。鹽生假木賊在群落重要值的比例平均在60%以上處于優(yōu)勢(shì)地位,其在研究區(qū)植物群落中具有較寬廣的生態(tài)位與干擾能力,是戈壁荒漠草原群落構(gòu)建的關(guān)鍵種。露天開采排土場(chǎng)植物僅有一年生豬毛菜屬植物和角果藜生長(zhǎng)。較開采影響較小的5 km樣地,距開采區(qū)0～500 m優(yōu)勢(shì)物種鹽生假木賊重要值平均降低了37%,原伴生物種霧冰藜(Gruboviadasyphylla)、駱駝蓬(Peganumharmala)等重要值增加(表2)。隨著距開采區(qū)距離增加,優(yōu)勢(shì)物種鹽生假木賊和芨芨草的重要值增加,至開采區(qū)外圍800 m以外其群落重要值差異較小,且草地物種數(shù)基本維持在4～6種,其他植物重要值在距開采區(qū)不同距離差異亦不顯著。

表2 距開采區(qū)不同距離草地植物群落的物種組成與重要值Table 2 Species composition and important values of grassland plant communities at different distances from the coal mining area

綜合可得,露天開采引起開采區(qū)外圍0～500 m鹽生假木賊等優(yōu)勢(shì)物種顯著衰退,伴生物種重要值增加,而800 m后植物群落物種組成及其在群落重要值則較為穩(wěn)定。

2.2 距開采區(qū)不同距離植物群落特征及其穩(wěn)定性

由圖2,A、B可知距露天開采區(qū)0～400 m內(nèi)草地生物量和Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H′)均降低,分別較受開采影響較小的5 km樣地平均下降了53%和70%(P<0.05),開采區(qū)500 m以外隨著距離的增加,開采擾動(dòng)對(duì)植物群落生物量和多樣性的影響逐漸減小,其中地表生物量除1 400 m和2 000 m與5 km距離處植物群落生物量相較有顯著下降外(P<0.05),其余距離未表現(xiàn)出差異顯著性(P>0.05);而H′與5 km距離處相比除3 000 m有顯著增加外,其余500 m以外植物群落多樣性并未表現(xiàn)出顯著變化(P>0.05)。開采區(qū)排土場(chǎng)生物量與開采擾動(dòng)較小的5 km樣地相比并未顯著降低,但H′降低了65%。干旱區(qū)露天開采并未引起植被覆蓋度的變化,距開采區(qū)不同距離植被覆蓋度差異不顯著(P>0.05)(圖2,C)。干旱區(qū)露天開采排土場(chǎng)和距離開采區(qū)0～400 m植物群落穩(wěn)定性平均下降了37%(P<0.05),而500 m后植物群落穩(wěn)定性基本不變(圖2,D)。綜合可得,干旱礫漠區(qū)露天煤炭開采對(duì)植物群落生產(chǎn)力、多樣性和穩(wěn)定性影響范圍為400～500 m,而對(duì)研究區(qū)植被覆蓋度影響較小。

圖2 距開采區(qū)不同距離植物群落特征和穩(wěn)定性Fig.2 Productivity, diversity and stability characteristics of plant communities at different distances from the mining area

2.3 不同距離環(huán)境因子與植物群落特征關(guān)系分析

冗余分析結(jié)果顯示,植物群落特征與環(huán)境因子相關(guān)關(guān)系第一軸和第二軸的累計(jì)比例分別為58.7%和12.5%,即第一軸和第二軸共解釋了71.2%的土壤、微環(huán)境因子與植物之間的關(guān)系,植物群落特征MonteCarlo置換檢驗(yàn)所有排序軸均達(dá)到顯著水平(P<0.05),說明排序結(jié)果可較好地反映了群落與環(huán)境之間的關(guān)系。由圖3可知,土壤水分、有機(jī)質(zhì)、可溶性鹽、有效氮磷鉀與植物群落生物量和穩(wěn)定性呈正相關(guān)關(guān)系,地表溫度、光照強(qiáng)度和土壤pH與上述植物群落指標(biāo)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,而土壤容重、地表蒸發(fā)量與植物群落特征指標(biāo)相關(guān)性較小;同時(shí)表明植物群落覆蓋度與土壤因子、微氣象因子關(guān)系不密切。

○表示采樣樣地,樣地號(hào)×100為該樣地距開采區(qū)的距離;DS.排土場(chǎng);WC.含水量;SD.土壤容重;SS.土壤可溶性鹽;SOM.土壤有機(jī)質(zhì);AN.有效氮;AP.有效磷;AK.有效鉀;SE.地表蒸發(fā)量;ST.地表溫度;LI.光輻射強(qiáng)度;H′.香濃-威爾多樣性指數(shù);VC.植被覆蓋度;CS.植物群落穩(wěn)定性;BM.地上植物群落生物量。圖3 植物群落特征、環(huán)境因子和樣地的RDA三序圖○ Represents the sampling plots, plots No. × 100 is the distance between sample points and coal mining area; DS. Dump site; WC. Soil water content; SD. Soil bulk density; SS. Soil soluble salt; SOM. Soil organic matter; AN. Soil available nitrogen; AP. Soil available phosphorus; AK. Soil available potassium; SE. Ground surface evaporation; ST. Ground surface temperature; LI. Light radiation intensity; H′. Shannon-Wiener index; VC. Vegetation coverage; CS. Plant communities stability; BM. Biomass of aboveground plant community.Fig.3 RDA triplot of soil properties, plant community characteristics and plots

結(jié)合RDA排序圖中樣地隨土壤、環(huán)境、植物因子梯度變化的分布規(guī)律發(fā)現(xiàn),排土場(chǎng)和距離開采區(qū)0～500 m范圍主要分布于排序圖的第二、三象限,地表溫度高、光照強(qiáng)度強(qiáng)、表層土壤水分養(yǎng)分含量低是這些樣地最明顯的特征,這些生態(tài)因子使得此類樣地植物群落生物量小、多樣性低且穩(wěn)定性差,土壤因子和植物群落處于退化狀態(tài);距離開采區(qū)500～5 000 m的樣地主要分布于排序圖第一、四象限,該區(qū)土壤養(yǎng)分水分狀況和植物群落質(zhì)量均較排土場(chǎng)和開采區(qū)外圍500 m范圍內(nèi)好且不同距離間樣地分布規(guī)律不明顯。

3 討 論

煤礦露天開采對(duì)生態(tài)環(huán)境最直接的影響是剝離地表覆蓋物后,導(dǎo)致原有土地資源被挖損和壓占,改變了原有的地形地貌、水文條件和景觀類型,進(jìn)而使植物群落特征發(fā)生變化[19]。研究表明露天采煤排土場(chǎng)原始植被消失殆盡,自然恢復(fù)條件下植被將從裸地演替開始,由于排土場(chǎng)表層松散的土壤結(jié)構(gòu)可增加荒漠區(qū)有限降雨的入滲[20],也可使一年生物種細(xì)小的種子進(jìn)入土壤松散表層下[21],增加了一年生物種定植成功的機(jī)率,故干旱礫漠區(qū)排土場(chǎng)一年生的豬毛菜屬物種和角果藜等先鋒物種率先出現(xiàn),導(dǎo)致排土場(chǎng)植物群落生物量與多樣性較開采影響較小的區(qū)域并未呈現(xiàn)顯著降低。但由于排土場(chǎng)分割了礦區(qū)生境使得生境斑塊島嶼化,限制了植物種群的有效交流[22],因此調(diào)查發(fā)現(xiàn)研究區(qū)排土場(chǎng)多年演替后植物群落也僅為一年生先鋒物種,加之排土場(chǎng)土壤熟化程度低、地表光照輻射強(qiáng)度大和研究區(qū)干旱的自然條件限制,使得排土場(chǎng)自然植被恢復(fù)困難且演替進(jìn)程緩慢[23],因此干旱礫漠區(qū)露天開采排土場(chǎng)在自然生態(tài)恢復(fù)多年后植物群落覆蓋度、生物量和多樣性仍較低。

在開采區(qū)周邊0～800 m范圍內(nèi),原有優(yōu)勢(shì)物種鹽生假木賊、芨芨草和三芒草等衰退,但僅表現(xiàn)為重要值上減小,說明干旱區(qū)露天采煤并未導(dǎo)致植物群落組成發(fā)生根本改變,這與東部半干旱草原露天開采區(qū)一年生草本植物數(shù)量增加出現(xiàn)逆向演替趨勢(shì)不同[24],主要原因是由于東部礦區(qū)一年生物種具有較大的土壤種子庫(kù)[25],優(yōu)勢(shì)物種衰退后為一年生物種的萌發(fā)與建植創(chuàng)造了條件,而干旱荒漠區(qū)持久種子庫(kù)數(shù)量較少[26],且堅(jiān)硬的礫漠外殼降低了原優(yōu)勢(shì)植物衰退后一年生物種的定殖機(jī)會(huì)。露天采坑的存在造成礦區(qū)地下徑流和地表徑流的通路發(fā)生改變[4],礦坑周邊包氣帶巖土結(jié)構(gòu)的破壞使得土壤表層水分蒸發(fā)散失量加大[27],表層土壤含水能力下降,進(jìn)而影響土壤微生物活性,導(dǎo)致礫漠區(qū)原本貧瘠的土壤養(yǎng)分分解和轉(zhuǎn)化循環(huán)受阻[28],加之干旱區(qū)露天采煤過程引起的揚(yáng)塵和重金屬積累,對(duì)礦區(qū)周邊一定范圍土壤、植物生長(zhǎng)發(fā)育也會(huì)造成干擾[29],這些原因使得0～500 m植物群落覆地表生物量、多樣性指數(shù)和穩(wěn)定性下降。本研究表明干旱礫漠區(qū)原本植被覆蓋度較低不超過30%,開采區(qū)周邊表層土壤退化和微生境因子惡化引起優(yōu)勢(shì)植物退化的同時(shí),也伴隨著一些伴生物種覆蓋度的增加,因此研究區(qū)露天開采并未對(duì)周邊植物群落覆蓋度產(chǎn)生較大影響,這與半干旱區(qū)煤炭開采造成地表植被覆蓋度降低的結(jié)論不同[30]。綜合研究表明,干旱礫漠區(qū)草原群落中建群種具有較寬廣的生態(tài)位與干擾能力,開采僅影響了開采區(qū)周邊0～800 m范圍內(nèi)植物群落組成和0～500 m群落生產(chǎn)力和穩(wěn)定性。

冗余分析結(jié)果表明,土壤水分、有效養(yǎng)分和光照強(qiáng)度是影響植物群落生產(chǎn)力和穩(wěn)定性的主要因子,因?yàn)榛哪畢^(qū)水分是植物存活和生長(zhǎng)的第一位要素和限制因子,土壤養(yǎng)分在植物發(fā)育中也具有較重要的作用,野外調(diào)查過程中和前人研究結(jié)果[31]均發(fā)現(xiàn)干旱戈壁荒漠區(qū)植物主要分布在礫漠戈壁的凹陷和淺溝、季節(jié)性河道等微地形下,這些微地形在春季融雪和夏季短歷時(shí)暴雨過程中,可以匯聚有限的水分和養(yǎng)分供應(yīng)植物生長(zhǎng)和發(fā)育[32]。由于地表光照強(qiáng)度影響了地表溫度,在地表溫度較高的地形條件下,只有耐旱耐高溫物種才能存活,因此光照與植物群落多樣性和均勻度成反比。綜合研究礦區(qū)植物種類出現(xiàn)頻率和重要值發(fā)現(xiàn),研究區(qū)鄉(xiāng)土草本物種在兩種情況下在群落中重要值較大,可作為礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)的優(yōu)先物種:一是分布范圍較窄,只在特定的環(huán)境下出現(xiàn),但其在該環(huán)境下生長(zhǎng)發(fā)育良好,可構(gòu)建較大的生態(tài)位寬度,如僅在風(fēng)沙地廣泛分布的苦豆子、僅在季節(jié)性河道中分布的蘆葦和西伯利亞濱藜;二是分布范圍較廣,不同立地環(huán)境都有分布,且均是該環(huán)境建群種,如鹽生假木賊、豬毛菜等。結(jié)合本次露天采煤對(duì)干旱區(qū)礫漠植物群落特征及影響因子分析,排土場(chǎng)及開采區(qū)外圍0～500 m范圍是礦區(qū)生態(tài)修復(fù)過程中重點(diǎn)考慮區(qū)域,在植被恢復(fù)過程中不但要通過微地形塑造和土壤改良等措施改善植被生長(zhǎng)微環(huán)境條件[33],同時(shí)還要促進(jìn)適應(yīng)性強(qiáng)的荒漠鄉(xiāng)土物種繁殖更新[34],促進(jìn)礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定和可持續(xù)發(fā)展。