王凱，王道涵，劉鋒，祝暢，劉志斌

1. 遼寧工程技術(shù)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000；2. 煤科集團(tuán)沈陽研究院有限公司，沈陽 110016

長期以來，煤炭在我國能源生產(chǎn)與消費(fèi)結(jié)構(gòu)中一直占主導(dǎo)地位。煤炭產(chǎn)量在滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求的同時，也影響了礦區(qū)生態(tài)環(huán)境，其中以露天開采表現(xiàn)得尤其明顯（白中科等，2001）。采煤過程中，采區(qū)內(nèi)外分層堆置剝離的巖土、矸石、尾礦等廢棄物形成了排土場，在人為干擾下形成極度退化的生態(tài)系統(tǒng)（Jackson和Hobbs，2009）。我國煤炭工業(yè)50多年來，累計排放廢棄物5×1010t，形成排土場（矸石山）2800余座，占地6.5×104hm2（王勇民，2011）。排土場破壞自然景觀，造成土壤、地下水和大氣的嚴(yán)重污染，特別是邊坡水土流失嚴(yán)重，易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害（Suding和Hobbs，2009）。近年來，關(guān)于排土場生態(tài)恢復(fù)和環(huán)境治理方面的研究越來越受到重視（牛星等, 2011），而排土場自然植被恢復(fù)規(guī)律及其與環(huán)境因子的關(guān)系是開展排土場生態(tài)恢復(fù)的基礎(chǔ)和前提（王曉春等，2007）。以往研究多集中在排土場的平臺（平面）（Cheng和Lu，2005），而對于面積更大、恢復(fù)更困難的邊坡研究報道較少?；诖?，本研究以阜新露天礦不同恢復(fù)年限的排土場邊坡為研究對象，采用TWINSPAN分類和DCCA排序的分析方法，對排土場邊坡自然恢復(fù)植被進(jìn)行數(shù)量分類和排序，分析影響植物分布的主要環(huán)境因子，以期為排土場邊坡植被恢復(fù)與生態(tài)重建提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于海州露天礦排土場，地處遼寧省阜新市（121°38'33″E，41°57'16″N），屬于溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū)。年均降水量539 mm，蒸發(fā)量1800 mm，年平均氣溫7～10 ℃，平均相對濕度50%～60%。海州露天礦始建于1950年8月，1953年7月投產(chǎn)，核定年產(chǎn)量420×104t·a-1。目前，形成排土場總占地面積1.3×104hm2，分為東部和西部，東排土場最高標(biāo)高為+290 m，以近年新排剝離土壤為主；西排最高標(biāo)高為+200 m，排放歷史較長，部分土地已進(jìn)行了復(fù)墾工作。排土場土壤主要是在各種巖石風(fēng)化物殘積母質(zhì)上以及黃土、紅土母質(zhì)上發(fā)育形成的淋溶褐色土、褐土性土；排土場基質(zhì)除地帶性土壤外，還夾雜著大量不同地層的粉沙巖、礫巖、煤頁巖等巖石成分以及采煤廢棄物。植被屬華北與蒙古植物區(qū)系的過度地帶，分布著較為旱生的草本和灌木，如荊條（Vitex chinensisvar.heterophylla）、虎榛子（Ostryopsis davidiana）、鐵桿蒿（Artemisia sacrorum）、狗尾草（Setaira viridis）等（許麗等，2005）。

2 研究方法

2.1 植物調(diào)查

2012年7～8月，根據(jù)礦務(wù)局資料記載和實地勘查，在排土場植被自然恢復(fù)區(qū)域，選擇5個典型坡面為研究對象，即自然恢復(fù)3 a、5 a和10 a的陰坡及5 a和10 a的陽坡（陽坡植被演替緩慢，在5 a以內(nèi)植被變化較?。８髌旅骈L約60 m，坡度均在35°左右（出于節(jié)約土地考慮，排土場構(gòu)建的邊坡立面較高，坡度較陡，該坡長與坡度為排土場的常見狀態(tài)）。根據(jù)坡面長度，將每個坡面平均分成3段，劃分出不同坡位（即上坡、中坡和下坡）作為研究樣地，共設(shè)置15個樣地。在每個樣地內(nèi)設(shè)置3個20 m×20 m的大樣方，在每個大樣方內(nèi)隨機(jī)取3個小樣方（5 m×5 m和 1 m×1 m）進(jìn)行灌木和草本調(diào)查（樣地內(nèi)無高大喬木），共設(shè) 135個小樣方。調(diào)查小樣方內(nèi)的植物組成、數(shù)量、高度、蓋度等指標(biāo)，同時記錄恢復(fù)年限、坡向和坡位因子。

2.2 土壤因子測定

在每個小樣方內(nèi)挖取0～10 cm（邊坡土層較薄）的土樣，用塑料袋收集后密封，及時帶回實驗室。將土樣分為兩份，一份為鮮樣，保存于4 ℃的冰箱中，用于土壤酶活性分析及物理性質(zhì)的測定；另一份為風(fēng)干樣品，用于分析土壤化學(xué)性質(zhì)。土壤物理性質(zhì)包括土壤含水量、容重、總孔隙度、毛管孔隙度和水穩(wěn)性團(tuán)聚體；土壤化學(xué)性質(zhì)包括土壤pH值、有機(jī)質(zhì)、堿解氮和速效磷；土壤酶活性包括土壤脲酶、堿性磷酸酶、蔗糖酶和過氧化氫酶。土壤含水量采用烘干法，容重采用環(huán)刀法，團(tuán)聚體含量用濕篩法分析。土壤pH值采用電位法，有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀-外加熱法，堿解氮采用堿解擴(kuò)散法，速效磷采用鉬銻抗比色法分析（鮑士旦， 2005）。土壤脲酶采用茶酚次氯酸鈉比色法，堿性磷酸酶采用苯磷酸二鈉比色法，蔗糖酶采用3, 5-二硝基水楊酸比色法，過氧化氫酶采用KMnO4滴定法分析（姚槐應(yīng)，2006）。排土場邊坡土壤性狀見表1。

2.3 數(shù)據(jù)處理

首先計算每個樣方的灌木和草本植物重要值，公式為：重要值=（相對高度+相對密度+相對蓋度）/3。在15個樣地中，共有27種植物，組成15×27的樣地-物種矩陣；選擇16個環(huán)境因子（恢復(fù)年限、坡向、坡位、土壤含水量、容重、總孔隙度、毛管孔隙度、水穩(wěn)性團(tuán)聚體、pH值、有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷、脲酶、堿性磷酸酶、蔗糖酶和過氧化氫酶），組成15×16樣地-環(huán)境因子矩陣。應(yīng)用雙向指示種法（TWINSPAN，Two-Way Indicator Species Analysis）對植物群落進(jìn)行分類，劃分出排土場邊坡的植物群落類型；采用去趨勢典范對應(yīng)分析（DCCA，Detrended Canonical Correspondence Analysis）方法對群落進(jìn)行排序，分析群落分布格局與環(huán)境因子的關(guān)系（Zhang等，2011）。TWINSPAN使用WinTwins3.2軟件包實現(xiàn)（Hill，1979），DCCA排序采用CANOCO 4.5軟件實現(xiàn)（Ter Braak，1986）。

表1 排土場邊坡土壤性狀Table 1 Soil Properties in the Slope of Dumps

3 結(jié)果與分析

3.1 TWINSPAN分類及植被恢復(fù)規(guī)律

TWINSPAN數(shù)量分類方法通過將樣方與物種進(jìn)行雙向聚類分析，能夠客觀地劃分植物群落，是目前使用最多的數(shù)量分類方法（吳昊等，2012）。由于排土場坡度較陡，立地條件較差，僅生長了27種植物（圖1），物種數(shù)量小于排土場平臺（Cheng和Lu，2005；牛星等，2011）?；跇臃絻?nèi)各物種重要值，對15個樣地進(jìn)行TWINSPAN等級分類，結(jié)合調(diào)查區(qū)實際生態(tài)意義，將排土場邊坡物種劃分為6個主要植物群叢類型（圖1）。圖中右邊數(shù)字代表物種聚類，最下方數(shù)字代表樣地聚類。

群叢Ⅰ為鐵桿蒿+狗尾草，包含樣地5、6和9，分布于恢復(fù)10 a陰坡的中、上坡位及恢復(fù)5 a陰坡的上坡位。該區(qū)域主要植物群落為旱生灌木，植被蓋度為60%左右，低于其它植物群落，物種數(shù)量較少。鐵桿蒿在群落中占有優(yōu)勢地位，高1 m左右，重要值高于60%；同時伴生有少量的興安胡枝子（Lespedeza davurica）、榆樹（Ulmus pumila）、草木犀（Melilotus officinalis）等。

圖1 排土場邊坡植物群落TWINSPAN聚類矩陣Fig.1 Two-way Table of Species and Samples Classification Produced by TWINSPAN of Plant Communities in the Slope of Dumps

群叢Ⅱ為狗尾草+茵陳蒿（Artemisiacapillaries）+鐵桿蒿，包含樣地1、2和3，分布于恢復(fù)3 a陰坡的上、中和下坡位。該區(qū)域主要植物群落為旱生草本，植被蓋度在90%以上，物種數(shù)量較多。主要伴生有白蒿（Artemisia anethoides）、抱莖苦荬菜（Ixeridium sonchifolium）、阿爾泰狗娃花（Heteropappus altaicus）、小薊（Cirsium setosum）、蘿藦（Metaplexis japonica）、豬毛菜（Salsola collina）等。

群叢Ⅲ為狗尾草+鐵桿蒿+白蒿（Artemisia anethoides），包含樣地4、7和8，分布于恢復(fù)5 a陰坡的中、下坡位及恢復(fù)10 a陰坡的下坡位。該區(qū)域主要植物群落為旱生灌木和草本，蓋度較高，物種較多。主要伴生有榆樹幼苗、細(xì)葉胡枝子（Lespedeza hedysaroides）、茵陳蒿、阿爾泰狗娃花、蒲公英（Taraxacum officnala）、蘿藦、草木犀、山苦荬（Ixerisdenticulata）等。

群叢Ⅳ為狗尾草+頁蒿（Carum carvi）+白蒿，包含樣地10、11和12，分布于恢復(fù)10 a陽坡的上、中和下坡位。該區(qū)域主要植物群落為多年生草本，蓋度為80%左右，伴生有茵陳蒿、雙蕊蘭（Diplandrorchis sinica）、蘿藦、草木犀、蒼耳（Xanthium sibiricum）等，開始出現(xiàn)少量榆樹幼苗。

群叢Ⅴ為蒺藜（Tribulus terrestris）+旱稗（Echinochloa hispidula）+狗尾草，包含樣地14和15，分布于恢復(fù)5 a陽坡的中、上坡位。該區(qū)域主要植物群落為旱生1年生草本植物，蓋度較低，物種較少，伴生有早熟禾（Poa annua）、豬毛菜、蘿藦等。

群叢Ⅵ為狗尾草+蒺藜+白蒿，包含樣地13，分布于恢復(fù)5 a陽坡的下坡位。該區(qū)域主要植物群落為1、2年生草本植物，植被蓋度和物種數(shù)量高于中坡和上坡，伴生有抱莖苦荬菜、反枝莧（Amaranthus retroflexus）、藜（Chenopodium album）等。

排土場陰坡和陽坡呈現(xiàn)出不同演替格局，陰坡演替順序為狗尾草+茵陳蒿+鐵桿蒿→狗尾草+鐵桿蒿+白蒿→鐵桿蒿+狗尾草，從草本植物逐漸過度到灌木，但植被蓋度和物種數(shù)量均逐漸降低。這主要由于排土場演替初期，從井下排出的土壤或矸石較潮濕，到地面后沒有完全蒸干就傾瀉到排土場，土壤水分含量較高；同時矸石中摻雜少量土壤和碎煤灰，為植物生長提供一定養(yǎng)分。在演替初期，如果土壤中含有植物種子，或者通過風(fēng)、動物等媒介落到排土場的植物種子會萌發(fā)生長。隨著演替繼續(xù)，原有土壤養(yǎng)分消耗殆盡，而矸石風(fēng)化程度低，枯落物又少，土壤保水保肥能力差，物種開始競爭有限的養(yǎng)分和水分資源。在競爭中，鐵桿蒿在群落中逐步占據(jù)優(yōu)勢地位，周邊其它灌木和草本植物逐漸消失，地表蓋度下降；由此導(dǎo)致排土場中、上坡位水土流失嚴(yán)重，土壤開始退化，其它物種更難以定居，群落生存環(huán)境逐步惡化，群落呈逆向演替。因此，排土場陰坡無法實現(xiàn)自然恢復(fù)，必須采取人工恢復(fù)措施。排土場陽坡演替順序為蒺藜+旱稗+狗尾草→狗尾草+蒺藜+白蒿→狗尾草+頁蒿+白蒿，從1年生草本植物逐漸過度到多年生草本植物，但土壤肥力逐漸下降。雖然群落呈正向演替，但演替速度緩慢，10年恢復(fù)僅出現(xiàn)少量榆樹幼苗和灌木，這樣的速度在土地資源比較緊缺的情況下是難以被接受的，必須人為加速恢復(fù)進(jìn)程。

3.2 DCCA排序及其環(huán)境解釋

DCCA是分析植被-環(huán)境關(guān)系最先進(jìn)的多元分析技術(shù)，是一種限定性排序，可以有效地消除“弓形效應(yīng)”（Ter Braak，1986），且能結(jié)合植被與環(huán)境數(shù)據(jù)計算排序值，更利于解釋排序軸的生態(tài)意義，成為現(xiàn)代植被梯度分析與環(huán)境解釋的最常用方法（朱軍濤等，2011）。對排土場邊坡 16個環(huán)境因子進(jìn)行DCCA排序發(fā)現(xiàn)，第一軸與坡位、脲酶呈極顯著負(fù)相關(guān)（p<0.01），與堿解氮、土壤含水量呈極顯著正相關(guān)（p<0.01），與恢復(fù)年限呈顯著負(fù)相關(guān)（p<0.05），與土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體和有機(jī)質(zhì)呈顯著正相關(guān)（p<0.05）（表 2）；主要反映植物群落隨著坡位、土壤水分、氮元素有效性和周轉(zhuǎn)的變化趨勢。第二軸與恢復(fù)年限和土壤速效磷呈極顯著負(fù)相關(guān)（p<0.01），與坡位、土壤容重呈顯著負(fù)相關(guān)（p<0.05），與總孔隙度和有機(jī)質(zhì)呈顯著正相關(guān)（p<0.05）（表2）；主要反映植物群落隨著恢復(fù)年限和土壤磷素有效性的梯度變化。第三軸與坡向和水穩(wěn)性團(tuán)聚體分別呈極顯著負(fù)相關(guān)和極顯著正相關(guān)（p<0.01），與堿性磷酸酶呈顯著正相關(guān)（p<0.05）（表2）；主要反映排土場的坡位和水穩(wěn)性團(tuán)聚體對群落和物種分布的影響。

表2 環(huán)境因子與DCCA排序軸的相關(guān)系數(shù)Table 2 Correlation Coefficient of Environmental Factors and the First 3 Axes of DCCA Ordination

DCCA排序圖中第一、二軸分別可以解釋排土場環(huán)境變異的35.9%和23.9%（p<0.01，Monte Carlo測驗），可以代表59.8%的信息量。植被與環(huán)境因子的DCCA二維排序如圖2所示，帶箭頭線段為環(huán)境因子，箭頭線段長度表示該環(huán)境因子與植物群落分布的相關(guān)性，箭頭連線在排序圖中的斜率表示該環(huán)境因子與排序軸的相關(guān)性（Ter Braak，1986）。由圖2可知，第一軸與土壤pH值和脲酶的夾角較小，第二軸與土壤容重、總孔隙度、毛管孔隙度、速效磷、蔗糖酶和堿性磷酸酶的夾角較小，說明排土場邊坡植物群落分布受土壤酶活性影響較大，是群落物種及類型變化的主要原因。土壤酶參與土壤的生物化學(xué)過程和物質(zhì)循環(huán)，推動著土壤的代謝過程，影響著植被生長，其活性高低直接反映土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化強(qiáng)弱（李江遐等，2010）。排土場邊坡立地條件差，土壤水分含量低，枯落物殘留少，造成養(yǎng)分周轉(zhuǎn)緩慢，抑制植物生長，延緩演替進(jìn)程。

圖2 排土場邊坡植被物種的DCCA二維排序Fig. 2 Detrended Canonical Correspondence Analysis Ordination Diagram of Plant Species in the Slope of Dumps

4 結(jié)論

（1）排土場自然植被恢復(fù)在陰坡和陽坡呈現(xiàn)出不同的演替格局，陰坡演替順序為狗尾草+茵陳蒿+鐵桿蒿→狗尾草+鐵桿蒿+白蒿→鐵桿蒿+狗尾草，陽坡演替順序為蒺藜+旱稗+狗尾草→狗尾草+蒺藜+白蒿→狗尾草+頁蒿+白蒿。陰坡恢復(fù)10 a后，鐵桿蒿占據(jù)優(yōu)勢地位，中上坡位水土流失嚴(yán)重，土壤開始退化，其它物種難以定居，群落生存環(huán)境逐步惡化。陽坡恢復(fù)10 a后，僅出現(xiàn)少量的榆樹幼苗和灌木，演替速度緩慢。因此，排土場邊坡植被必須采取人工恢復(fù)措施。

（2）DCCA排序表明，第一軸主要反映植物群落隨坡位、土壤水分、氮元素有效性和周轉(zhuǎn)的變化規(guī)律，其與土壤pH值和脲酶緊密相關(guān)；第二軸主要反映植物群落隨著恢復(fù)年限和土壤磷素有效性的梯度變化，其與土壤容重、速效磷、蔗糖酶和堿性磷酸酶緊密相關(guān)。說明排土場邊坡植物群落分布受土壤酶活性影響較大，是群落物種及類型變化的主要原因。

致謝：本文英文摘要經(jīng)過中國科學(xué)院植物研究所陳全勝副研究員修改，在此表示感謝。

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