煤矸石山生態(tài)重建中的植被演替及其與土壤因子的相互作用.pdf

1、目前，煤炭開采已經(jīng)導(dǎo)致一系列的生態(tài)環(huán)境問題，如礦區(qū)土壤和植被遭到毀壞、生物多樣性減少或喪失、土地生產(chǎn)力下降、整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的功能退化等。嚴(yán)重惡化的生態(tài)環(huán)境已成為制約礦區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的根本性問題。煤礦區(qū)的生態(tài)恢復(fù)和重建，對于改善礦區(qū)土壤狀況，提高植被覆蓋率，實(shí)現(xiàn)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的根本好轉(zhuǎn)具有至關(guān)重要的意義。
　　古交煤礦是山西省煤矸石山區(qū)生態(tài)重建的示范區(qū)。本研究地古交煤礦煤矸石山的生態(tài)重建主要包括3種模式:人工種植外來種火炬樹、人工

2、種植鄉(xiāng)土種側(cè)柏和自然恢復(fù)模式。分別對不同植被重建模式的群落結(jié)構(gòu)、群落動(dòng)態(tài)、物種多樣性和土壤狀況的變化規(guī)律進(jìn)行分析討論，并運(yùn)用TWINSPAN、CCA等數(shù)量生態(tài)學(xué)方法分析植被梯度變化規(guī)律及其與土壤等環(huán)境因子之間的關(guān)系，闡述了影響礦區(qū)植被恢復(fù)的限制性因素。為了評價(jià)這3種模式的恢復(fù)效果，選取相鄰?fù)辽降奶烊坏貛栽郝溥M(jìn)行了對比分析。在此基礎(chǔ)上提出植被恢復(fù)與重建的合理模式，旨在為重建煤矸石山區(qū)結(jié)構(gòu)合理、功能完善的人工生態(tài)系統(tǒng)提供思路和參考。<

3、br>　　在人工火炬樹群落12年的恢復(fù)演替過程中，群落的層片結(jié)構(gòu)、蓋度及林下優(yōu)勢種隨恢復(fù)時(shí)間均發(fā)生了明顯變化。初始群落優(yōu)勢種以耐干旱貧瘠的先鋒植物如豬毛蒿、狗尾草為主，而5年后群落向中生性植物占絕對優(yōu)勢的方向發(fā)展，并且形成喬、灌、草的3層結(jié)構(gòu)。此后隨著火炬樹的萌蘗繁殖，群落郁閉度明顯增加，林下光照減弱，林下植物迅速減少以至大量消失。本研究表明，火炬樹具有極強(qiáng)的根孽繁殖擴(kuò)散能力，可以迅速在群落中取得優(yōu)勢地位，并抑制和排斥其它物種。在演替1

4、2年后，火炬樹形成幾乎獨(dú)占的立地，群落物種多樣性急劇減少。
　　本研究表明，光照也是影響火炬樹群落演替的重要因子?；鹁鏄涫顷栃韵蠕h樹種，群落內(nèi)的光照不僅影響草本植物的定居存活，也影響火炬樹克隆子株的萌發(fā)和分布。隨著火炬樹群落郁閉度增加，林下光照減少使火炬樹幼苗難以萌發(fā)。所以在演替后期，火炬樹的克隆子株數(shù)量大幅減少，從而影響林分演替，無法實(shí)現(xiàn)群落的自我更新?？梢娞幱诔墒祀A段的火炬樹單優(yōu)種群落，是不穩(wěn)定的。本研究表明，火炬樹能擴(kuò)散進(jìn)入

5、附近的側(cè)柏林和達(dá)烏里胡枝子-白羊草群落，并在這些群落里迅速擴(kuò)大種群和占據(jù)優(yōu)勢，未來很可能成為這些群落的優(yōu)勢種，在一定程度上抑制側(cè)柏和灌木的生長，說明火炬樹具有一定的入侵性。
　　總體來說，本研究的人工側(cè)柏林生長緩慢，群落的高度蓋度呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢。TWINSPAN分類及植被演替分析表明，側(cè)柏林群落經(jīng)過14年的恢復(fù)，群落從一年生先鋒植物占優(yōu)勢的初始階段過渡到以白羊草和硬質(zhì)早熟禾為建群種的后期演替階段，并出現(xiàn)了多年生灌木。隨著恢復(fù)時(shí)

6、間的延長，側(cè)柏群落的物種多樣性呈現(xiàn)緩慢增加的趨勢。覆土厚度是影響側(cè)柏生長演替的重要因素。3種覆土條件下，側(cè)柏的樹高、地徑、冠幅、葉片長勢和林相等指標(biāo)均有顯著差異。當(dāng)覆土厚度小于30 cm時(shí)，側(cè)柏出現(xiàn)葉子干枯甚至脫落現(xiàn)象，枯死率高。
　　本研究表明，煤矸石山的植被經(jīng)過25年的自然恢復(fù)演替，群落從耐貧瘠的藜科和禾本科雜草逐漸向中生、中早生植物占絕對優(yōu)勢的方向發(fā)展，群落生境趨于中生化。通過TWINSPAN分類及植被演替趨勢分析，煤矸石山

7、的植被在自然恢復(fù)狀態(tài)下大致經(jīng)歷了豬毛菜、豬毛蒿、鐵桿蒿、硬質(zhì)早熟禾、白羊草和達(dá)烏里胡枝予6個(gè)發(fā)展階段，優(yōu)勢種群的數(shù)量和種類發(fā)生了很大變化，物種多樣性呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢。說明礦區(qū)退化生態(tài)系統(tǒng)可以通過自然恢復(fù)增加植被蓋度和物種多樣性，但這個(gè)過程比較漫長，且群落結(jié)構(gòu)并不完善。
　　總的來說，3種植被恢復(fù)模式都可以增加土壤有機(jī)質(zhì)、全N、有效P和速效K的含量，減小土壤容重和pH值，對煤矸石山的土壤有一定的改良作用，尤其是側(cè)柏的改良效果更明顯

8、。但即使在演替后期，3種恢復(fù)模式的土壤養(yǎng)分含量仍處于較低水平，這說明植被對土壤的改良作用十分有限。相關(guān)分析及CCA排序分析表明，土壤因子是影響群落物種多樣性變化的主要環(huán)境因子，也是煤矸石山植被恢復(fù)演替的主要限制性因素。因此在煤矸石山區(qū)開展植被恢復(fù)與重建時(shí)，增加土壤養(yǎng)分含量，改善土壤理化性質(zhì)至關(guān)重要。
　　與相鄰?fù)辽缴系奶烊淮紊参锶郝湎啾?，矸石?種植被恢復(fù)模式下群落的結(jié)構(gòu)、物種組成、高度和蓋度都存在顯著差異。4種群落類型中，Ma

9、rgalef指數(shù)和Shannon-Wiener指數(shù)表現(xiàn)為:原生群落＞自然恢復(fù)群落＞側(cè)柏群落＞火炬樹群落。這是由于原生群落已經(jīng)處于比較高級的穩(wěn)定發(fā)展階段，所以多樣性指數(shù)最高。Pielou均勻度指數(shù)表現(xiàn)為:自然恢復(fù)群落＞原生群落＞側(cè)柏群落＞火炬樹群落。3種恢復(fù)模式下群落的土壤養(yǎng)分含量和土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量均顯著低于原生群落，而土壤容重和pH值則顯著高于原生群落。整體來講，恢復(fù)后的植被與天然次生植被存在較大差異，改善土壤理化性質(zhì)是促進(jìn)植被恢復(fù)演替的

10、有效途徑。
　　本研究表明，自然恢復(fù)的植物群落物種多樣性較高，因此從理論上講自然恢復(fù)是該區(qū)植被恢復(fù)的理想途徑之一。但自然恢復(fù)速度緩慢，在短期內(nèi)難以形成喬灌草的復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)，不能從根本上改善生態(tài)環(huán)境。因此，人工引入喬灌樹種，豐富群落層次結(jié)構(gòu)，優(yōu)化群落生態(tài)功能，加快退化生態(tài)系統(tǒng)的演替進(jìn)程，無疑是十分必要的。
　　從短期來看，礦區(qū)矸石山栽植的火炬樹，生長速度快，能很快達(dá)到增加植被覆蓋度的目的，5年左右群落蓋度即可達(dá)到80％。但從長

11、期來看，隨火炬樹林的成熟郁閉，火炬樹會(huì)嚴(yán)重抑制其它物種的生存，林下的物種多樣性呈現(xiàn)急劇減少和火炬樹自身幼苗難以萌生的現(xiàn)象，在一定程度上增加了因生態(tài)脅迫而使群落退化或死亡的潛在風(fēng)險(xiǎn)?？梢?，演替后期的火炬樹單優(yōu)種群落不能發(fā)展成為一個(gè)穩(wěn)定的頂級群落。所以應(yīng)該把群落的蓋度、物種多樣性和群落演替趨勢結(jié)合起來，作為植被恢復(fù)成功與否的主要指標(biāo)。
　　由此可知，在煤矸石山的植被恢復(fù)重建中，應(yīng)該謹(jǐn)慎營造火炬樹林。側(cè)柏在覆土達(dá)一定厚度時(shí)，生長良好。所

12、以，在煤矸石山區(qū)生態(tài)重建的實(shí)踐中，應(yīng)以人工種植側(cè)柏等本土植物為主、自然恢復(fù)為輔的模式開展植被恢復(fù)。在植被恢復(fù)重建中，不僅要增加植被蓋度，合理搭配喬灌草物種，恢復(fù)生物多樣性，而且更要注重土壤生態(tài)功能的恢復(fù)。應(yīng)該使重建生態(tài)系統(tǒng)的各個(gè)組分之間相互促進(jìn)，構(gòu)成一個(gè)有機(jī)整體，才能恢復(fù)和增強(qiáng)生態(tài)系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)和自我維持能力。
　　總之，煤矸石山區(qū)的植被恢復(fù)重建是一個(gè)艱難而漫長的過程。應(yīng)在尊重退化生態(tài)系統(tǒng)自然恢復(fù)能力的基礎(chǔ)上，人工引入適宜的喬灌樹