露天煤礦排土場邊坡植被恢復群落穩定性研究

陸兆華 ，張 琳

（中國礦業大學(北京) 恢復生態學研究所, 北京 100083）

0 引 言

煤炭資源是中國能源結構的重要組成部分，2022 年，煤炭能源占比約為56%[1]。目前，中國煤炭基地主要分布在干旱、半干旱區域，該區域降水較少，風蝕水蝕交錯，生態環境脆弱，極易退化[2]。這一區域是我國北方地區重要的生態屏障，對防風固沙、水土保持以及國家生態安全的保障至關重要[3]。煤礦資源的開采，特別是露天煤礦的開采對生態環境造成了極大的破壞，其中，排土場是露天礦開采過程中廢棄物主要集中處置地，占據了露天煤礦用地的一半以上，嚴重破壞了區域原有的地形地貌[4]。排土場邊坡高而陡，且表層土壤結構松散，易造成土壤侵蝕和水土流失，在大風條件下易揚塵，對大氣和水環境造成污染，嚴重破壞了礦區的生態環境[5]。因此，對排土場邊坡進行生態修復，對改善礦區生態環境，實現礦區的可持續發展具有重要意義。

采用人工手段對排土場邊坡進行植被恢復因其成本較小、修復效果顯著、后期維護較少、環境效益突出等優點，成為露天煤礦排土場邊坡生態修復的有效手段[6]。近年來，國內外針對露天煤礦排土場植被恢復工作已有許多研究，主要集中在植物物種配置[7]、環境影響因子的篩選[8]、植被對土壤質量的影響[9]和植被與土壤的關系[10]等方面，但這些研究多注重對群落結構現狀的定性或半定量描述，忽略了各要素之間可能存在的共同作用效應。同時，對立地類型及環境差異性調查研究的不足，會導致生態環境改善不明顯，甚至恢復后期群落出現不穩定和退化現象[11]。隨著礦區植被恢復研究的深入，群落穩定性作為一種有助于提高對生態系統的描述、理解和保護的實用工具逐漸被引入到研究中[12]。植物群落穩定性是植物群落結構和功能的一個綜合性特征[13]，對植物群落穩定性進行綜合評價可以更為直接地了解植被本身穩定性的特征和規律[14]。然而，目前對排土場邊坡植被恢復群落穩定性的研究仍存在一些不足，如邊坡恢復植被群落結構與群落功能關系、群落地上與地下生物量分配機制、較長時序邊坡群落演變的環境驅動要素等關鍵生態學理論與野外實證研究等方面。尤其在干旱、半干旱草原地區，排土場邊坡植被恢復與重建過程中面臨土壤三相失衡、土壤養分貧瘠等問題，露天煤礦區排土場邊坡已成為煤礦區水土流失最嚴重、植被恢復的重點和難點區域。在植被恢復過程中，物種的選擇、植物的生活型特征、植物自身重力、根系對邊坡土壤產生的加固效應等因素均在很大程度上影響植被恢復的成效與穩定性[15]。

本研究基于群落結構、群落功能屬性2 大方面，選取了8 個指標構建了露天煤礦排土場邊坡植被恢復群落穩定性評價體系。采用綜合評價法對內蒙古典型草原區北電勝利露天煤礦4 個不同時期、不同坡向的植被恢復群落穩定性開展生態學野外調查與評價，探究草原礦區邊坡困難立地植被恢復過程中植物群落結構、功能特征及其穩定性演變規律，辨識群落穩定性影響因素，為露天煤礦植被群落穩定性理論研究及恢復實踐提供科學支持。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

北電勝利露天煤礦(115°30′～116°20′E, 43°57′～44°14′N)位于內蒙古錫林郭勒盟中北部錫林浩特市，是勝利煤田的主要礦區之一[16]。礦區占地面積約342 km2，礦區整體呈狹長狀，東西方向距離約45 km，南北方向距離約7.6 km。該地區屬半干旱草原氣候，全年風沙大，溫差大（年溫差在35～43℃），降水量少（降水多集中在7—9 月份，年平均降水量約為295 mm）。區域內土壤主要為典型栗鈣土、草甸栗鈣土、淡栗鈣土和草甸土，植被類型主要為典型草原、草甸草原和荒漠草原。北電勝利露天煤礦有4 個排土場，自2008 年以來采用相同的方法進行人工植被恢復，恢復群落現已初具規模，但由于恢復時間各不相同（表1），植被恢復效果及穩定性各不相同。不同排土場邊坡的空間位置差異和不同的恢復時間為生態穩定性研究提供了理想的自然試驗場地。

表1 各排土場植被恢復情況Table 1 Vegetation restoration status in each dump

1.2 植被調查與土壤取樣

通過資料收集和野外實地植被調查，采用空間代時間的方法，于2017 年7—8 月在北電勝利礦區的4 個排土場，即正在人工植被恢復中的內排土場和恢復年限分別為4 a、5 a、8 a 的沿幫排土場、南排土場和北排土場的南、北方向邊坡，以及礦區外以北20 km 以外的草原站進行群落調查及土壤采樣（圖1）。其中，選取草原站作為背景值是由于該區域較少受到直接礦業活動的影響，有助于排除直接礦業干擾對植物群落的影響。同時該區域保護較為完整，受人為干擾較小，更接近于該區域植物群落的自然狀態，提高了研究的可行性。選取樣地時，結合各地地形條件及植被分布特點，減少樣地選擇存在的主觀因素干擾或現實條件限制所產生的誤差，選取具有代表性的樣地。由于礦區邊坡無喬木，因此，每塊樣地設置3 個間距為3 m 的5 m×5 m的灌木樣方，在每個灌木樣方內采用“五點取樣法”設 置5 個1 m×1 m 草 本 樣 方，礦 區 內 共4×2×3×5=120 個草本樣方，草原站3×5=15 個草本樣方，共計135 個草本樣方。記錄各樣方內植物物種種類、多樣性、高度、蓋度等指標。通過齊地面刈割植株，當天稱取鮮重，帶回實驗室在105 ℃下進行30 min殺青處理后，置于65 ℃烘干至恒重，得到地上生物量。將刈割后的植株周圍進行全株挖掘，當天進行清理后測得鮮重，帶回實驗室在65～75 ℃下烘干至恒重，除雜稱重得到地下生物量。

圖1 研究區地理位置及研究地點分布Fig.1 Location of study area and distribution of sampling sites

土壤數據的采集樣地與群落樣地一致，在每塊樣地內按“S”形設立3 個平行樣點進行斜方向多點取樣，取樣深度為0～10 cm，將土壤樣品充分混合（約1 kg）帶回實驗室進行室內試驗分析，分別采用質量法、重鉻酸鉀法、凱氏定氮法、酸溶-鉬銻抗比色法、氫氧化鈉熔融-火焰光度法[17]測定土壤含水量、土壤有機質、全氮、全磷、全鉀等指標。

1.3 群落穩定性評價體系構建

基于數據可得性和可行性，從群落結構和群落功能[18]2 方面選取8 個指標構建了露天煤礦排土場邊坡植被恢復群落穩定性評價指標體系（表2）。

表2 排土場邊坡植被恢復群落穩定性綜合評價體系Table 2 Evaluation system for stability of revegetation community on dump slopes

群落結構是植被生長狀態的直接響應，反映植被的空間分布和組成情況[19]，為植被的生長狀況提供了直觀的信息。群落結構選取蓋度、高度和多樣性指標，其中蓋度是植被在水平方向上的地表覆蓋程度，蓋度的增加意味著植物群落對生境的適應性較好，減緩水土流失，保護土壤結構，調節土壤微環境，維持水分平衡。在礦區邊坡環境中，植物高度指標可反映植被在垂直方向上利用光能促進生長的能力，利于植被形成有效的垂直群落結構，固定土壤和防止邊坡水土流失。多樣性指數選取Shannon-Wiener 多樣性指數、Margalef 豐富度指數、Pielou 均勻度指數和Simpson 優勢度指數對物種多樣性進行評價，其中Shannon-Wiener 多樣性指數可以反映群落中物種均勻度和豐富度，值越高，多樣性越高；Margalef 豐富度指數反映群落物種數目與群落大小間關系，值越高表示兩者關系越密切，多樣性越高；Pielou 均勻度指數表示群落物種總體分配情況，值越接近1，表示物種分布越均勻；Simpson 優勢度指數重點關注優勢種對群落多樣性的影響，值越大表示優勢物種突出，多樣性越低。

群落功能是評價群落健康情況的重要內容，反映植被對生境條件的適應性，以及對水、光照和肥力等環境因素的利用程度[20]，生物量是反映植物生長狀況和群落功能的關鍵指標[21]，地上生物量是植物在地表的可見部分，反映了植物的光合作用能力，通過地上生物量的評價，可以了解植物對光合作用的利用效率，從而揭示植物對環境的適應性和生長潛力。地下生物量可以反映植物根系的發育程度及植物對土壤的固定和穩定能力，不同植物根系的強度和特性不同，對地上植物的固定和支撐能力及對邊坡加固效果也有明顯的差異[22]，在礦區邊坡環境中，具有較大地下生物量的植物能夠更好地抵抗土壤侵蝕，減少邊坡水土流失。綜合考慮地上和地下生物量，能夠更全面地了解植被對生境的適應性和群落的穩定狀態。

1.4 數據分析

1.4.1 物種多樣性

1.4.2 群落穩定性

1）權重計算。指標權重的計算方法主要分為主觀和客觀評價2 種[23-24]。主觀方法依賴于決策者的經驗，而使用實際數據的客觀方法可能會受到方差和極值的影響。為了減少主觀和客觀因素的影響，提供更可靠的結果，采用基于AHP-熵權法的綜合評價模型對排土場邊坡恢復植被群落的生態穩定性進行了評價。這種方法平衡了主觀和客觀因素，使權重結果更準確。

首先利用Delphi 法對各指標進行成對比較，采用1-9 比例法進行評判，并構造各指標間的相對重要性判斷矩陣，求出該判斷矩陣的最大特征根λmax及標準化特征向量w，并將w歸一化，可得出各指標的重要性排序，即各評價指標的權重。為檢驗該判斷矩陣是否具有合理性及較合理地一致性，根據Saaty 提出的一致性檢驗公式進行檢驗，消除主觀評判可能出現的偏差[25]。按照以上方法對準則層及指標層所有矩陣進行計算，得出各指標在準則層的權重值和準則層指標在目標層的權重值。各指標權重值與其相應的準則層權重值的乘積即為層次分析法總權重值Ci。

構建m個樣本，n個指標的恢復群落穩定性評價的原始評價矩陣B= [bij]m×n，由于各指標間量綱和類型有差異，為使其具有可比性，將矩陣B按照極值法進行標準化處理，得到標準化矩陣C= [ci j]y×n，根據熵的定義，計算各指標的熵值（Hi）和熵權（Wi）：

最后，利用熵權法計算的熵權Wi對層次分析法計算的權重值Ci進行修正得到指標權重值λi：

權重結果見表3。

表3 AHP-熵權法綜合權重結果Table 3 Results of Analytic Hierarchy Process (AHP)-entropy weight application

2）綜合評價分級。穩定性指數法是對群落穩定性進行綜合評價的方法之一，其原理是將各指標的權重值與該指標數據無量綱化后的值相乘，并求出其累積和，即可得出群落穩定性綜合評價得分值：

式中：S為排土場邊坡恢復群落穩定性綜合評價得分值；Bi為各指標無量綱化后值；λi為各因子權重值。

為了更直觀地闡述露天礦排土場邊坡恢復群落穩定性，以礦外以北20 km 外的草原站數據為背景值，并將其賦值為1，利用差值百分比法計算綜合評價得分，將群落穩定性分為一級（非常穩定）、二級（穩定）、三級（基本穩定）、四級（較不穩定）、五級（不穩定），分級標準見表4。

表4 群落生態穩定性分級標準Table 4 Ecological stability classification standard for community

2 結果分析

2.1 群落穩定性

2.1.1 群落結構因子

如圖2 所示，處于恢復進程中的內排土場多樣性指數最高，隨著恢復年限的增加，Shannon-Wiener 多樣性指數和Margalef 豐富度指數先增加后下降，而Pielou 均勻度指數和Simpson 優勢度指數則呈下降趨勢。南排土場復墾5 a 的蓋度最高，其他3 個排土場的蓋度沒有顯著差異。內排土場群落高度最低，隨著恢復時間的增加高度呈上升趨勢。從坡向來看，南坡的Shannon-Wiener 多樣性指數和Simpson優勢度指數均高于北坡。人工修復早期南坡Pielou均勻度指數較高，后期差異不顯著，北坡的Margalef 豐富度指數高于南坡。邊坡植被蓋度與背景值相比整體較低，隨時間呈先上升后下降趨勢，在5 a時最高，為44.8%。高度隨恢復年限增加呈上升趨勢，8 a 高度較在恢復期間內的內排土場上升了85.35%。

圖2 不同排土場不同坡向群落結構Fig.2 Result of community structure of different slopes for different dumps

2.1.2 群落功能因子

如圖3 所示，排土場的總生物量隨著恢復年限的增加而增加，但與背景值相比仍較低。內排土場的地上生物量約為地下生物量的3.84 倍，其他排土場的地下生物量均大于地上生物量，隨著恢復年限的增加，北排土場復墾8 a 的南坡和北坡地上生物量分別較沿幫排土場復墾4 a 增長了54.67%和22.26%，地下生物量分別增長了44.38%和50.31%。說明隨著恢復年限的增加，南坡的地上生物量和北坡的地下生物量增長速率較高，說明不同坡向的土壤微環境不同，使得植物群落的功能逐漸發生了變化。

圖3 不同排土場不同坡向群落功能Fig.3 Results of community function of different slopes for different dumps

2.1.3 穩定性評價結果

綜合評價法穩定性結果如圖4 所示。與本底值（100）相比，4 個排土場生態穩定性得分在20.94～50.97，其中，除內排土場南坡處于基本穩定（Ⅲ）狀態外，4 a 南坡、4 a 北坡和5 a 南坡處于不穩定（V）階段，其他排土場邊坡處于較不穩定（IV）階段。處于恢復進程中的內排土場群落穩定性整體較高，隨著恢復年限的增加，穩定性整體呈上升趨勢。準則層中，內排土場結構穩定性最高，南、北坡結構穩定性分別占群落穩定性得分的88.65%、99.51%。隨著恢復年限的增加，群落結構穩定性整體呈下降趨勢，群落功能穩定性呈上升趨勢，恢復8 a 時，排土場南、北坡群落結構穩定性分別占總穩定性的38.15%和44.94%，群落功能逐漸占主導位置。從坡向來看，處于恢復進程中的內排土場和恢復年限較短的4 a 排土場的南坡穩定性較高，隨著恢復年限的增加，北坡的穩定性逐漸優于南坡。

圖4 排土場邊坡群落穩定性綜合評價結果Fig.4 Comprehensive evaluation score of community stability of different dump slopes

2.2 群落結構與群落功能相關性分析

由圖5 可知，南坡的Margalef 豐富度指數和Pielou 均勻度指數間無顯著相關性，其余多樣性指數均與高度呈顯著相關，蓋度與Pielou 均勻度呈顯著相關性，群落功能指數中地下生物量與Pielou 均勻度指數和Simpson 優勢度指數及蓋度呈顯著相關性，地上生物量與其他因子無顯著相關性。北坡蓋度與Pielou 均勻度指數和Simpson 優勢度指數呈顯著相關，群落功能指數中地下生物量與蓋度、高度呈顯著正相關，地上生物量僅與蓋度呈顯著正相關性。

圖5 群落結構與群落功能因子相關分析Fig.5 Correlation analysis of community structure and community function factors

2.3 穩定性因子與環境因子相關性分析

將土壤含水量、有機質、全氮、全磷、全鉀等環境因子與穩定性因子及結構穩定性和功能穩定性進行相關性分析，結果如圖6 所示（圖6 中WC 為土壤含水量，SOM 為土壤有機質含量，TN 為全氮含量，TP 全磷含量，TK 全鉀含量）。結果表明：南坡的高度、地下生物量與除土壤含水量外的其他環境因子均呈顯著相關性，結構穩定性與環境因子均呈顯著相關性，功能穩定性與有機質和全氮因子呈顯著相關性。北坡的高度、地上生物量、地下生物量和功能穩定性均與土壤含水量、有機質、全氮和全磷因子呈顯著相關性，與南坡相比，北坡的結構穩定性與環境因子相關性較小，僅與全磷因子顯著相關，北坡全鉀因子與穩定性因子無顯著相關性。多樣性指標顯示，南坡Margalef 豐富度指數與有機質和全氮因子呈顯著相關性，Shannon-Wiener 多樣性指數與全鉀因子呈顯著相關性，而北坡的多樣性指數與環境因子無顯著相關性。

圖6 環境因子與穩定性因子相關性分析Fig.6 Correlation analysis of the environment factors and stability factors

3 討 論

3.1 排土場邊坡群落穩定性變化

穩定性是反映植物群落結構和功能的綜合特征，極易受到物種組成、多樣性和外部因素變化的影響。群落穩定性結果顯示，內排土場的穩定性整體較高，隨著恢復年限的增加，穩定性整體呈上升趨勢。植被恢復是漫長且復雜的過程，內排土場仍處在人工恢復進程中，由于恢復時間短，群落的動態變化不顯著，受人工恢復措施影響較大，群落結構得分較高，使得總體穩定性結果較高，從而在短期內達到較理想的評價結果。隨著恢復年限的增加，群落穩定性上升，其中群落結構呈先增加后減少趨勢，群落功能穩定性呈增加趨勢，群落穩定性得分占比由群落結構穩定性占主導逐漸演變為群落功能穩定性占主導，說明群落發生了一定的演替。植被演替理論認為，每個演替的階段都存在穩定的群落，其穩定性表現出多種特征，其中，群落結構特征可以較好地反映群落的生長狀況，是衡量群落穩定性最直觀的指標。蓋度和高度是群落結構的直觀表征，結果表明，邊坡群落蓋度呈先上升后下降趨勢，在一定程度上反映了植被群落組成的變化，群落高度呈上升趨勢，說明植被在恢復期的生長狀況較好。物種多樣性是描述群落結構特征的一種數學語言，并在一定程度上反映了群落的特征、發展階段和穩定性[26]。目前，一致認為，物種多樣性和群落穩定性之間存在著很強的相關性[27]。本研究也觀察到了這種相關性，即排土場邊坡恢復群落多樣性隨著恢復年限的增加呈下降趨勢，與群落穩定性評價結果呈負相關關系。說明排土場邊坡群落在人工植被恢復初期物種較豐富，隨著時間推移，物種經歷自然選擇，逐漸適應礦區環境，適應性較高的物種占據主導地位，物種競爭力減弱，致使多樣性降低和穩定性提高[28]，在一定程度上反映了群落對特定環境的適應性。從功能穩定性來看，地上和地下生物量隨恢復年限的增加呈增加的趨勢。內排土場地上生物量較高，其他排土場地下生物量較高且增長速率高于地上生物量。說明隨著恢復的推進，生物量的分布偏向于植物的地下部分。礦區排土場土壤貧瘠，水分含量低，限制了植物水分和養分的攝取，植物可能通過地下器官，如根系的生長，以更有效地吸收土壤中的水分和養分，為植被在礦區生境中持續生存和生長提供了可能。

從坡向來看，隨著恢復年限的增加，北坡群落穩定性逐漸高于南坡，這可能是由于南坡太陽輻射較強，其土壤表層溫度較高，水分蒸發較快，同時較差的土壤養分情況和分化作用導致土壤含水量較低，而北坡土壤水分更為充足，合適的溫度和營養物質更適合群落的生長。不同坡向土壤微環境的異質性，導致植物群落結構和功能的差異[29]，從而影響了群落穩定性的結果。

3.2 排土場邊坡群落穩定性因子間及其與環境因子的關系

礦區排土場邊坡群落Shannon-Wiener 多樣性指數、Margalef 豐富度指數、Pielou 均勻度指數和Simpson 優勢度指數均較低，但各因子基本呈顯著正相關性，說明邊坡群落多樣性和豐富度較低，沒有明顯的優勢物種，各物種分布較均勻，具有較好的生態狀況和相對平衡的生態系統。地下生物量與其他結構穩定性因子的相關性整體高于地上生物量，表明礦區邊坡群落地上和地下生物量分布特征存在差異，地下生物量與結構穩定性因子的高度相關凸顯了植物地下部分對群落生態特征的貢獻。這對于深入理解植被在礦區這種特殊環境中的生態適應性和生長機制提供了重要線索。

不同立地類型的土壤環境各不相同，導致群落結構、群落功能和穩定性存在差異。本研究中，群落邊坡植被高度和地下生物量與環境因子相關性較高，表明植被的垂直結構和地下生物量分布受環境因子影響顯著，植物根系和土壤通過物質交換頻繁地相互作用影響植物根系的發育，從而影響植被的生長高度。說明在礦區環境中，地下生物量對于影響和調節群落結構具有較強重要性。群落結構穩定性與全磷因子呈顯著相關，群落功能穩定性與有機質和全氮因子呈顯著正相關性，說明邊坡植被對磷的敏感度較低，并且能夠從富含有機物質和全氮的土壤中受益。通過對勝利礦區的優勢物種進行研究，發現禾本科植物和豆科植物在此環境中扮演著重要的角色[28]，兩者均對磷需求較低，在適應貧瘠土壤、干旱和富含氮的環境中表現良好[30]，與本研究結果相吻合。南坡的結構穩定性與環境因子的相關性較高，而北坡的功能穩定性與環境因子相關性較高，說明不同坡向群落對環境變化的響應策略不同。其中，土壤營養元素與南坡結構穩定性呈顯著負相關，并與結構穩定性中的各多樣性指數均呈負相關，說明豐富的營養元素可能與群落多樣性降低有關，進而使得群落結構穩定性降低。而北坡的功能穩定性與各營養元素呈顯著正相關，說明北坡養分含量較高的土壤有助于群落功能穩定性的提升。此外，土壤含水量是影響干旱和半干旱地區植被恢復生長和發育的關鍵因素，在維持植物生長和代謝方面發揮著重要作用[31]。礦區的缺水環境對植被的恢復和生長構成嚴重挑戰，勝利礦區土壤含水量與南坡的結構穩定性呈顯著正相關性，而與北坡的功能穩定性呈顯著負相關性。說明在較干旱的環境中，植物通過調整生理和功能特征，以適應水分有限的條件，這一現象可能受到植物群落中不同物種對于水分的利用和適應策略的影響，南坡植物可能更偏向于維持結構的穩定性，而北坡植物則通過功能的變異來適應干旱環境?？梢?，不同坡向群落穩定性對環境因子的響應策略存在差異，土壤含水量為礦區植被恢復的重要限制因子。因此，在進行植被恢復時，需要綜合考慮不同因素的作用，以促進礦區植被的綜合穩定性，這對于礦區植被的管理和恢復提供了實質性的指導。

4 結 論

1）基于群落結構穩定性與群落功能穩定性，選取Shannon-Wiener 多樣性指數、Margalef 豐富度指數、Pielou 均勻度指數和Simpson 優勢度指數、植被蓋度、植被高度、地上和地下生物量等8 個指標，構建了露天煤礦排土場邊坡植被恢復群落穩定性評價體系。

2）內蒙古北電勝利露天煤礦排土場植被恢復隨著恢復年限的增加，排土場邊坡群落穩定性整體呈上升趨勢，但與外圍草原站背景值相比，僅內排土場南坡達到基本穩定（Ⅲ）狀態，其他排土場仍處于較不穩定（Ⅳ）或不穩定（Ⅴ）狀態。

3）隨著恢復年限的增加，群落穩定性逐漸由結構穩定性主導向功能穩定性主導演變。在恢復初期，主要受人工措施影響，物種多樣性較高，使得群落結構穩定性得分較高。隨著時間的推移，群落結構穩定性呈波動下降趨勢，而群落功能穩定性呈上升趨勢。其中地下生物量增長速率更高，生物量逐漸向地下轉移，恢復群落逐漸對礦區土壤環境產生適應性，向礦區特有的群落結構進行演替。

4）從坡向來看，隨著恢復年限的增加，群落穩定性由南坡高于北坡轉變為北坡高于南坡。

5）南坡的結構穩定性與環境因子的相關性較高，而北坡的功能穩定性與環境因子相關性較高，表明不同坡向的群落采用了不同的響應策略以適應環境的變化。其中，群落功能穩定性與有機質和全氮因子呈顯著正相關，說明邊坡在進行植被恢復時，應特別關注有機質和全氮的積累，適度的施肥和添加有機質有助于提升邊坡植物群落穩定性。