摘要：［目的］露天煤礦排土場邊坡水土流失嚴重，合理的植被措施可以有效防止水土流失的進一步擴大。有關(guān)排土場邊坡植被恢復種類的研究較少，分析邊坡植被演替規(guī)律拓展初始恢復建群種類，可為礦區(qū)生態(tài)安全評估提供一定參考。［方法］采用時空替代的方法對滿來梁露天煤礦4 種不同恢復年限（2、6、10、12a）的排土場南北邊坡進行植被調(diào)查，分析不同恢復年限下邊坡群落的演替過程，篩選恢復過程中的優(yōu)勢植物種，為排土場邊坡的穩(wěn)定提供理論基礎(chǔ)。［結(jié)果］（1）露天煤礦排土場邊坡植物組成為17 科44 屬60 種，以草本植物為主；（2）隨著恢復年限的增加，多年生鄉(xiāng)土植物逐漸占據(jù)優(yōu)勢地位，地上生物量增多，群落穩(wěn)定性升高；（3）由于排土場南、北坡光照、土壤水分不同，故南、北坡植被存在差異，整體來看北坡植被恢復效果優(yōu)于南坡；（4）在人工植被恢復時選取能快速生長的豆科植物如紫花苜蓿等作為建群種，并輔以羊草、黑沙蒿、披堿草等適應性較強的本土植物作為伴生種進行植被恢復會在一定程度上使群落演替進程加快，促進群落穩(wěn)定。［結(jié)論］針對地區(qū)、坡向的不同選取適宜植被減少群落波動，促進群落穩(wěn)定，可為礦山的綠色修復提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：邊坡穩(wěn)定； 植被恢復； 植物多樣性； 群落穩(wěn)定性； 演替規(guī)律

中圖分類號：S157 文獻標識碼：A 文章編號：1671-8151（2024）03-0108-11

煤炭為地區(qū)帶來高速發(fā)展，但其開采過程中也引發(fā)了嚴重的生態(tài)環(huán)境問題［1］。煤礦開采過程中引起的地表擾動，使西北干旱、半干旱地區(qū)脆弱的生態(tài)環(huán)境更加岌岌可危［2］。鄂爾多斯地區(qū)煤炭儲量豐富，但氣候干旱、自然環(huán)境惡劣，開采后如何進行生態(tài)恢復將是該地區(qū)面臨的一個重要問題。因此，針對礦山的生態(tài)修復刻不容緩。露天煤礦破壞地表的同時也產(chǎn)生了一種由采礦廢棄物人工堆墊而成的排土場結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)松散、占據(jù)大量土地、損毀地表植被、易造成水土流失、環(huán)境污染甚至形成地質(zhì)災害［3］。排土場引起的生態(tài)系統(tǒng)退化甚至崩毀，嚴重制約著煤礦可持續(xù)發(fā)展及當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境安全。

植被恢復是礦區(qū)生態(tài)修復的基礎(chǔ)，植被將土壤、大氣和水串聯(lián)成一個整體，是生態(tài)系統(tǒng)中重要一環(huán)［4］。植被不僅是初始生態(tài)群落的生產(chǎn)者，還起到改善地表微環(huán)境、增強土壤肥力、提高土壤穩(wěn)定性、防止水土流失等作用。排土場植被擾動與恢復監(jiān)測對礦區(qū)生態(tài)修復的準確規(guī)劃具有重要意義，有利于遭到破壞后生態(tài)系統(tǒng)積極恢復的正向調(diào)節(jié)。有關(guān)露天煤礦排土場生態(tài)恢復研究逐漸增多，Harris 等［5］認為，栽植豆科植物作為恢復先鋒種可以促進土壤中氮元素的積累，增強土壤肥力，改善土壤貧瘠的狀態(tài)。Reid 等［6］研究表明，在廢棄礦山進行植被恢復后，土壤理化性質(zhì)均優(yōu)于未采取植被恢復措施的礦山。其中植物多樣性［7］和群落穩(wěn)定性［8］是生態(tài)恢復中的重要指標，植物多樣性表示群落中個體數(shù)所表現(xiàn)出的群落結(jié)構(gòu)特征。群落穩(wěn)定性描述受到干擾后系統(tǒng)恢復原狀的能力。

本研究通過測定不同恢復年限排土場南北坡植物多樣性和穩(wěn)定性、地上生物量及土壤含水率等指標，運用空間代替時間的方法，旨在探討排土場邊坡植被群落演變過程及規(guī)律，選取適合露天煤礦排土場生長的植物，加快邊坡演替進程，運用植物措施防治水土流失，為鄂爾多斯地區(qū)露天煤礦排土場生態(tài)恢復提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1. 1 研究區(qū)概況

烏蘭集團滿來梁露天煤礦位于鄂爾多斯市伊金霍洛旗（北緯38°56 ′～39°49 ′，東經(jīng)108°58 ′～110°25 ′），黃土高原地理特征顯著。氣候上屬典型的溫帶大陸性季風氣候，降水量少，蒸發(fā)量大，氣候干燥。年平均降水量320 mm，降水集中在每年的7-8 月。地域性土壤為砂壤土，植被類型以沙生植被與草甸植被為主［9］。

本次調(diào)查于2022 年9 月開始，以滿來梁露天煤礦恢復2 a（2020 年）、6 a（2016 年）、10 a（2012年）、12 a（2010 年）的4 個不同恢復年限排土場為研究對象。該煤礦對排土場邊坡及平臺均進行了科學規(guī)劃，排土場平臺上覆原始地貌表土，厚度約2 m，在恢復10 a 排土場平臺種植農(nóng)作物，其余復墾平臺均種植紫花苜蓿；4 個排土場邊坡覆土，厚度約0. 6 m，采用噴漿苜蓿草籽的方式進行植被恢復，防止邊坡水土流失，經(jīng)過若干年的恢復演替，邊坡植被群落已逐漸成形，但由于恢復年限、坡向的不同，群落組成及邊坡修復效果仍存在差異。

1. 2 試驗方法

植被調(diào)查是了解生態(tài)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)，在收集整理煤礦現(xiàn)存原始記錄的基礎(chǔ)上結(jié)合實地植被調(diào)查，利用時空替代的方法［10］，于2022 年9 月初對露天煤礦排土場邊坡植被進行調(diào)查取樣。

滿來梁煤礦排土場于2010 年開始植被恢復工程。排土場邊坡長約20 m，人工整坡，坡度約20°。對4 種不同恢復年限排土場進行實地調(diào)查，在不同恢復年限排土場的南、北坡選1 塊坡度、地形相似樣地進行調(diào)查，每個樣地設置3 個5 m×5 m 樣方，距離相等為2 m，在每個5 m×5 m 樣方內(nèi)四角和中心各設1 個1 m×1 m 樣方，調(diào)查樣方數(shù)量共120個，調(diào)查樣地內(nèi)植物種類、數(shù)量、高度、植被蓋度等指標。每個5 m×5 m 樣方中隨機選取3 個1 m×1 m 樣方用鋁盒分別取0～10，10～20，20～30 cm處土壤，并貼近地面剪取地上部分，帶回實驗室測定地上生物量。

1. 3 統(tǒng)計分析

1. 3. 1 重要值計算

重要值[11]=（相對蓋度+相對密度+相對頻度）/3（1）

1. 3. 2 群落多樣性

本文群落多樣性指數(shù)采用4 種通用的多樣性指數(shù)來進行計算。

Margalef 豐富度指數(shù)（R）：

R = （ S - 1 ） / ln N （2）

Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)（H）：

H =-Σn i= 1"pi ln pi （3）

Pielou 均勻度指數(shù)（E）：

E = H/ ln S （4）

Simpson 指數(shù)（D）：

D = 1 -Σn i = 1"p2i（5）

式中，Pi表示1 個群落中i 物種的數(shù)量比物種總數(shù)；N 為種群中所有植物的總個體數(shù)；S 為種群中物種個數(shù)。

1. 3. 3 穩(wěn)定性計算

采用鄧元潤［12］完善后的Godron［13］測定方法。將相對頻度的累加替換為相對蓋度的累加。相對蓋度用百分數(shù)表示，定義為Y 軸；按植物種類排序，以植物種倒數(shù)的累積百分數(shù)為X 軸。繪制出變化的曲線圖，使其與直線（Y=100 ? X）相交。交點（x，y）即參照物的穩(wěn)定性。點（x，y）與（20，80）的直線距離為歐式距離。

1. 3. 4 地上生物量計算

采集植物樣品時，用枝剪貼近地表，將選中樣方中全部的地上植物部分剪下來，裝入自封袋并編號，帶回實驗室烘干至恒重后用電子天平稱量。

1. 3. 5 土壤含水率計算

在4 種不同恢復年限排土場南北坡選定樣地中，每個5 m×5 m 樣方內(nèi)隨機選擇3 個1 m×1 m 的樣方取土。取土方法為輕輕刮去地表覆蓋物，用四分法取0～10、10～20、20～30 cm 處土樣各1 kg，編號裝入自封袋中，共計108 個土樣。土壤含水率采用烘干法測得。

2 結(jié)果

2. 1 邊坡植物群落特征

2. 2. 1 排土場邊坡植物種類

由圖2 可知，樣地共出現(xiàn)60 種植物，分屬17科，44 屬，60 種。其中菊科22 種，禾本科10 種，豆科8 種，藜科5 種，這5 科共45 種，占所有物種的70% 以上。草本植物為該煤礦排土場邊坡主要物種，共54 種。直立灌木及半灌木植物僅出現(xiàn)黑沙蒿（Artemisia ordosica Krasch.）、牛枝子（Lespe?deza bicolor Turcz.）、駝絨藜（Ceratoides latens（J. F. Gmel.） Reveal et Holmgren）、紫穗槐（Amorpha fruticosa L. ）4 種。

隨著恢復年限增加，玄參科、大戟科、蒺藜科逐漸消失；新增薔薇科、牻牛兒苗、蘿藦科3 個科。在演替過程中，菊科、禾本科、豆科、藜科占據(jù)主導地位，其中菊科植物的比例最高，在演替過程中，科、屬的構(gòu)成數(shù)量發(fā)生了變化，隨著恢復年限的增加，科、屬數(shù)量從開始恢復時南坡gt;北坡逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楸逼耮t;南坡。

各樣地的物種數(shù)量隨著恢復時間而增多，物種組成多樣化，優(yōu)勢物種發(fā)生改變，人工植被退化趨勢明顯，原貌植物占據(jù)優(yōu)勢，群落結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定。同一年限內(nèi)，不同坡位優(yōu)勢種植物也有所不同。隨著恢復年限的加深，北坡植物生長狀況、存活數(shù)量皆優(yōu)于南坡。

2. 1. 2 排土場邊坡植物種生活型分析

從表1 分布來看，紫花苜蓿（Medicago sativa）存在于4 種不同恢復年限排土場邊坡，且重要值隨恢復年限逐漸降低。恢復初期紫花苜蓿重要值最高，白茅（Imperata cylindrica（ L.） Beauv.）和豬毛菜（Salsola collina Pall.）次之。隨著恢復年限的增加原始地貌物種入侵并逐漸占據(jù)優(yōu)勢，恢復6 a時畫眉草（Eragrostis pilosa（ L.） Beauv.）、霧冰藜（Bassia dasyphylla（ Fiseh. et Mey.） O. Kuntze）等一、二年生植物重要值較大，出現(xiàn)少量多年生植物；恢復12 a 時阿爾泰狗娃花（Heteropappus alta?icus （Willd.） Novopokr. ）、黑沙蒿（Artemisia or?dosica Krasch.）、羊草（Leymus chinensis ）、披堿草（Elymus dahuricus Turcz.）等多年生植物種重要值比重增多，多年生原貌植物逐漸取代人工播種的紫花苜蓿成為邊坡植被生活型的主導。由表1可看出，排土場不同坡向恢復效果在相同恢復年限也有區(qū)別。其中在恢復12 a 時南、北坡多年生植物重要值占比分別達到54. 56%、56. 60%，較恢復6 a 分別增加了4. 77%、18. 66%?？傮w看來，多年生植物可以更好地維持種群穩(wěn)定，且環(huán)境的擾動對其影響更小。物種生活型組成上的變化體現(xiàn)了植被恢復過程物種的競爭與演替，原始地貌物種的入侵促進生態(tài)系統(tǒng)變化，使群落趨向穩(wěn)定。

2. 2 排土場邊坡植物種類多樣性變化及群落穩(wěn)定性分析

2. 2. 1 邊坡植物種類多樣性分析

群落功能的穩(wěn)定性體現(xiàn)在群落物種的多樣性上。從圖3 可知，物種多樣性指數(shù)在恢復初期較高，整體有降低波動，但幅度較小。其中Margalef豐富度指數(shù)與Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)在恢復10 a 時升高，恢復12 a 時略有下降。Pielou 均勻度指數(shù)和Simpson 優(yōu)勢度指數(shù)變化相似，均在10 a 時出現(xiàn)波動，12 a 時結(jié)束；整體上看呈現(xiàn)出隨著恢復年限的增加逐漸增加的趨勢。比較相同年限不同方位坡的物種各項指數(shù)，Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)整體呈現(xiàn)北坡gt;南坡；Margalef 豐富度指數(shù)在恢復前期南坡gt; 北坡，后期無明顯區(qū)別；Simpson優(yōu)勢度指數(shù)在恢復后期南坡gt;北坡；Pielou 均勻度指數(shù)無明顯區(qū)別。

2. 2. 2 邊坡群落穩(wěn)定性

運用完善后的穩(wěn)定性測定方法，繪制邊坡群落穩(wěn)定性擬合曲線（圖4），得到植物群落穩(wěn)定性圖解，植物群落中各種群之間的變化關(guān)系在一定程度上表現(xiàn)了植物群落的穩(wěn)定。

由表2 可見，北坡在恢復初期歐式距離最大，最大值為28. 71，隨著恢復年限增加，歐式距離呈現(xiàn)整體減小趨勢，表明群落穩(wěn)定性逐漸上升。南坡歐氏距離為2 agt;12 agt;6 agt;10 a，恢復10 a 時南坡植被穩(wěn)定性最高；北坡歐氏距離為2 agt;10 agt;12 agt;6 a，恢復6 a 時北坡穩(wěn)定性最高。比較同一恢復年限不同坡位的歐氏距離，多數(shù)排土場穩(wěn)定性北坡優(yōu)于南坡，恢復10 a 時出現(xiàn)波動。

2. 3 地上生物量

不同恢復年限排土場邊坡地上生物量分析（圖5）表明，12 a 排土場邊坡地上生物量顯著高于10 a（Plt;0. 05），6 a 地上生物量顯著高于2 a（Plt;0. 05），12 a 地上生物量最高，10 a 時出現(xiàn)波動，但整體上呈現(xiàn)隨著恢復年限的增加而增加的趨勢。恢復2 a 時南坡地上生物量高于北坡，恢復10 a 時略有波動，但整體上北坡生物量高于南坡，在恢復12 a 時差距最大，最大值為56. 67 g·m-2。

2. 4 邊坡土壤含水率

從圖6 可見，排土場邊坡土壤含水率隨著恢復年限增加而升高，表層0～10 cm 處土壤含水率普遍低于20～30 cm 處土壤含水率，土壤含水隨深度增加而增加。北坡土壤含水整體上大于南坡，但在恢復初期有所波動，在恢復6 a 和10 a 時土壤含水率變化趨勢大致相同，恢復12 a 時土壤含水率達到峰值，土壤保水能力隨恢復年限逐漸提高。

3 討論

3. 1 排土場邊坡植物群落特征變化

物種多樣性是植物群落的重要特征，是防止邊坡水土流失，穩(wěn)定排土場邊坡生態(tài)系統(tǒng)的基礎(chǔ)［14-15］。物種多樣性在時間梯度上的變化在一定程度上反映了群落的演替進展［16-17］。該露天礦區(qū)排土場邊坡主要生長草本植被，菊科、禾本科、豆科、藜科植物種數(shù)最多，占所有草本植物種類的70% 以上，其原因是菊科、禾本科、豆科、藜科植物抗逆性強，具有良好的適應環(huán)境能力，菊科植物種子傳播速度快、范圍廣、易存活［18］，是入侵過程中的先鋒物種；禾本科植物根系分布淺而廣，有利于固結(jié)土壤；豆科植物根系有其特有的根瘤菌，可在土壤中固氮，增強土壤肥力［19］。故應因地制宜選取能適應礦山環(huán)境的植物，利用其快速生長、落地生根、抗逆性強等特點［20］，可在較短時間內(nèi)實現(xiàn)大范圍植被覆蓋，減少降雨對邊坡的沖刷，改善土壤環(huán)境，形成根-土復合體，加固邊坡土壤，防止水土流失［21］?；謴统跗谝栽苑N的紫花苜蓿為主要優(yōu)勢植物種，多年生植物隨著恢復年限的增加，逐漸成為優(yōu)勢植物種。在人工恢復初期，排土場邊坡土壤貧瘠，保水效果差，種植的紫花苜蓿結(jié)構(gòu)較為單一，為本土物種入侵提供了一定條件，具有繁殖能力強、入侵性高、抗逆性強的一、二年生本土植物快速入侵，其適應惡劣生存環(huán)境的能力強，是邊坡演替的先鋒物種［22］。隨著恢復年限的增長，排土場北坡植物長勢及數(shù)量均優(yōu)于南坡。植株與環(huán)境隨恢復年限的增加互相適應，逐漸達到群落穩(wěn)定的臨界點［23］。黑沙蒿、羊草等當?shù)囟嗄晟参锞哂休^強的抗旱、耐風沙、根深固土等生物學特征，生存和繁殖受環(huán)境影響較?。?4］，且可以改良土壤微環(huán)境，因此有利于排土場的正向演替。

群落長期變化積累的結(jié)果產(chǎn)生了群落的演替，標志著優(yōu)勢物種的更替，甚至是所有物種的更替［25］，露天煤礦排土場惡劣的自然環(huán)境限制了自然界中理想演替進程。邊坡群落的物種組成隨復原年份的增加而變化，優(yōu)勢種的更新?lián)Q代則反映了群落生態(tài)結(jié)構(gòu)和功能逐漸演替為當?shù)卦参锶郝淝曳€(wěn)定性增強的過程［26］。研究顯示，采礦區(qū)生態(tài)恢復栽種演替后期的優(yōu)勢植物，對植被演替過程起到有效的加速作用，縮短群落達到穩(wěn)定的時間，更加有利于礦山的生態(tài)重建與治理［27］，故在進行礦山修復時可以優(yōu)先考慮菊科、禾本科、豆科、藜科等植物作為建群種。

3. 2 排土場邊坡植被群落穩(wěn)定性變化

態(tài)系統(tǒng)研究過程中的必要環(huán)節(jié)［28］。排土場的邊坡植被群落穩(wěn)定性由恢復初期的南坡大于北坡演變?yōu)榛謴椭衅诘谋逼麓笥谀掀?，恢?2 a 時回到南坡大于北坡。排土場北坡歐氏距離總體上呈下降趨勢，表明群落逐漸趨于穩(wěn)定；南坡歐氏距離在恢復12 a 時略微上升，但遠遠小于恢復2 a 時的歐氏距離，由此可以推斷，南坡穩(wěn)定性呈現(xiàn)上升趨勢。優(yōu)勢種的比重大小決定了群落穩(wěn)定性，群落功能和結(jié)構(gòu)的變化也與優(yōu)勢種有著密不可分的關(guān)系［29］?；謴蜁r間越長，群落越穩(wěn)定［30］。在恢復10 a時排土場邊坡植物多樣性、土壤含水率及地上生物量均存在突然上升的波動，其原因可能是恢復10 a 排土場平臺種植大量作物，平臺作物有人為管控，人為因素造成了排土場邊坡的波動。

總體來看，隨著恢復年限的不斷增加，物種的多樣性整體有減小趨勢但波動不大，穩(wěn)定性提高。我們看到，通過人工促進植被恢復，在礦區(qū)已經(jīng)成為一種有效的生態(tài)修復措施［31］。群落演替是一個長時間序列動態(tài)向前的過程，本文運用時空替代法進行討論，對排土場邊坡的群落組成特征和穩(wěn)定性進行了初步研究，但在連續(xù)長時間序列下對半干旱礦區(qū)植物變化特征及頂級演替群落的評價還有待進一步探索。

3. 3 地上生物量及土壤含水率變化

郭京衡［32］研究發(fā)現(xiàn)，水分是影響干旱區(qū)和半干旱區(qū)植物生長發(fā)育和群落演替的關(guān)鍵因素。生物量是排土場邊坡生態(tài)現(xiàn)狀及生產(chǎn)潛力的重要體現(xiàn)，生物量的多少取決于土壤中水分的含量。土壤含水率表現(xiàn)為隨恢復年限而增加，深層土壤含水率大于表層土壤含水率，北坡土壤含水率大于南坡土壤含水率。本研究分析結(jié)果表明排土場邊坡恢復時間越長，地上生物量越高，這與劉沖等［33］研究結(jié)論基本一致。隨著恢復年限增加，北坡地上生物量大于南坡，其原因是南坡日照時間長，土壤水分含量低，不利于干旱地區(qū)植被生長。

4 結(jié) 論

露天煤礦排土場邊坡植物組成為17 科44 屬60 種，以草本植物為主。隨著恢復年限的增加，多年生鄉(xiāng)土植物逐漸占據(jù)優(yōu)勢地位，地上生物量增多，群落穩(wěn)定性升高。由于排土場南北坡光照、土壤水分不同，故南、北坡植被存在差異，整體來看北坡植被恢復效果優(yōu)于南坡。研究表明，人工植被恢復是礦山綠化中的重要措施，且植被恢復年限越長，植被恢復效果及穩(wěn)定性越好。優(yōu)選適合的植被進行邊坡恢復，可以防止水土流失，維持邊坡安全穩(wěn)定。在鄂爾多斯地區(qū)進行人工植被恢復時選取能快速生長的豆科植物如紫花苜蓿等作為建群種，并輔以羊草、黑沙蒿、披堿草等適應性較強的本土植物作為伴生種進行植被恢復會在一定程度上使群落演替進程加快，促進群落穩(wěn)定，為礦山的綠色修復提供一定的參考。

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（編輯：郭玥微）

基金項目：內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市科技重大專項（2022EEDSKJZDZX012）；內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學高層次/優(yōu)秀博士人才引進科研啟動項目（NDYB2021-9）；內(nèi)蒙古自治區(qū)高?？蒲凶匀豢茖W重點項目（NJZZ23030）