煤矸石場植被恢復初期生態績效評價

郝　婧, 郭東罡, 上官鐵梁,,*, 劉衛華, 張　婕, 張沛沛

1 山西大學環境與資源學院, 太原　030006 2 山西大學黃土高原研究所, 太原　030006 3 山西大學生命科學學院, 太原　030006 4 山西潞安礦業集團司馬煤業有限公司, 長治　047105

?

煤矸石場植被恢復初期生態績效評價

郝婧1, 郭東罡1, 上官鐵梁1,2,*, 劉衛華2, 張婕3, 張沛沛4

1 山西大學環境與資源學院, 太原030006 2 山西大學黃土高原研究所, 太原030006 3 山西大學生命科學學院, 太原030006 4 山西潞安礦業集團司馬煤業有限公司, 長治047105

摘要:以山西潞安礦業集團司馬煤業有限公司煤矸石場生態恢復5年內(2009—2013年)的植被-土壤系統為研究對象，在固定監測樣地調查的基礎上，以空間變化代替時間變化，對煤矸石場人工種植喬木層條件下，草本植物自然恢復初期的生態績效進行了評價，結果表明：1)相較于1a恢復期，煤矸石場植被恢復初期植物群落基本特征、土壤物理性質、土壤化學性質及其綜合生態績效在5a恢復期時均達到了“優”級水平；2)在足夠長的恢復期內，人工種植喬木層條件下，草本植物的自然恢復可以實現礦區的植被重建；3)基于AHP-FCE評價模型，以1a恢復期為基準，通過各恢復期生態指標與1a恢復期相比的恢復程度設定績效等級，對煤矸石場植被恢復初期的生態績效進行評價，避免了以往選取天然次生群落為恢復目標，但又不確定其是否為最佳恢復效果的盲目性，為生態績效評價提供了新思路。

關鍵詞：煤矸石場；恢復初期；生態績效；評價

煤炭在我國能源結構中居首要地位，今后仍將是能源供給的主要來源，煤礦開采產生的生態影響，如煤矸石占壓土地并污染環境、植被景觀被破壞、地表塌陷等，已成為制約區域可持續發展亟待解決的問題，再加上生態恢復所需時間較長、涉及面較廣，故其重要性和緊迫性已受到社會的廣泛關注[1- 2]。

當前，在煤礦廢棄地生態恢復的研究上，國外尚未提出通用于礦區損毀土地生態恢復績效的評價體系[3]，但存在某些公認的評價指標[4]，如生物物種數以及生物量的增加速度、土壤理化性質、小氣候以及地下水位變化等[5- 10]。而我國在生態恢復績效評價方面的研究特點為：1)恢復績效的現狀評價較多，即主要集中于植物群落、土壤理化性質等某類生態因子恢復績效的單一現狀評價[11- 14]，集中于定性指標(如生境復雜性、土地資源節約利用狀況等)與少量定量指標(如土地復墾率、植被覆蓋率等)相結合的現狀評價[4,15- 17]，注重于生態、經濟、社會等綜合績效，卻簡化了生態績效的現狀評價[18- 19]；2)恢復績效的動態評價不足，即雖建立了動態綜合評價標準，但群落特征指標中均缺乏，如群落物種相似性、群落物種消長、群落穩定性等能詳細描述群落整體特征的指標，評價指標體系尚不系統[20- 21]。

對于評價方法，國內外通常采用層次分析法、模糊綜合評價法、主成分分析法、聚類分析法、灰色關聯度評價等方法[22- 24]，且往往選取天然次生群落或人為干擾較小的群落作為恢復目標，但由于缺乏對生態績效進行長期、系統的定位觀測和研究[12]，導致無法確定該恢復目標是否就是最優生態系統，結果造成了評價目標選取的盲目性，尚未形成科學、系統、實用的礦山生態恢復績效評價標準[4,12,18,25]，對廢棄地復墾中的新方法、新技術和方案的應用缺乏理論上的總結和提高，致使礦山生態恢復往往流于形式[15]。

司馬煤業有限公司是山西潞安礦業集團“十五”期間新建的一座現代化礦井，自2006年投產以來，嚴格遵循“綠色開采、生態和諧”的發展理念，采取邊開采邊重建的模式，為建設國家級生態示范礦井奠定了堅實的基礎，研究該礦區廢棄地的生態恢復績效在長治、山西乃至整個華北地區具有重要的典型性和代表性。

本研究基于恢復生態學的主要理論，以山西潞安礦業集團司馬煤業有限公司煤矸石場植被恢復5a內(2009—2013年)的植被-環境系統為研究對象，在固定監測樣地調查的基礎上，以空間變化代替時間變化[26- 32]，對煤矸石場植被恢復初期的生態績效進行時空尺度監測、對比和判識，建立植被恢復初期生態績效分析方法，并對恢復績效進行合理有效的評價，旨在總結適合司馬礦乃至長治市煤礦廢棄地生態修復的植被構建，提出煤礦廢棄地生態績效評估的可操作性監測和評價指標體系，開發系統的煤礦廢棄地植被恢復初期生態績效評價實用技術，對持續推進礦區生態恢復的科學實施、管理和評估具有積極的示范和輻射帶動作用。

1材料與方法

1.1研究區概況

研究區位于山西省長治市西南部山西潞安礦業集團司馬煤業有限公司井田東北約6 km的蘇店鎮南天河村東溝，該區屬溫帶大陸性季風氣候，四季分明，夏季午間較熱，早晚涼爽，晝夜溫差較大，春季多風少雨，氣候干燥，年平均氣溫9.1℃，日最高氣溫37℃，最低氣溫-29℃，無霜期160 d，凍土深度為50—75 cm，年降水量340.3—832.9 mm，年平均蒸發量1 558 mm，雨季多集中在7、8、9三個月。該區原土壤類型屬黃土狀石灰性褐土和黃土質石灰性褐土，植被覆蓋度低，并且處在丘陵區，水土流失較其他區嚴重，屬中度侵蝕，侵蝕模數為500—1000 t km-2a-1。原地貌主要為溝壑，天然次生植被主要為杠柳(Periplocasepium)、荊條(Vitexnegundovar.heterophylla)、白刺花(Sophoradavidii)、白羊草(Bothriochloaischaemum)、野艾蒿(Artemisialavandulaefolia)、羊草(Leymuschinensis)和草木犀(Melilotuofficinalis)等。

該區煤矸石場的排矸工程于2009、2010、2011年分3期相繼完成。排矸場呈3個臺階平地，臺階高差10 m，平臺長50 m，寬30 m，面積為1 500 m2，各平臺均采取排3 m厚煤矸石，壓實后覆土50 cm，最終平臺頂覆土80 cm。覆土取自周邊0—5 m深的黃土狀石灰性褐土和黃土質石灰性褐土。各期均人工栽植規格為無冠幅、株高3.5 m的毛白楊(Populustomentosa)，并采用株距1.5 m，行距2 m的均勻模式，不采取人工施肥、澆水等管理措施，草本植物群落采取自然恢復。

1.2樣地設置

于2011年8月在各恢復期平臺上，用全站儀建立固定監測樣地，樣地設在各平臺中央劃分面積為20 m×20 m的區域，并在各區域中設16個5 m×5 m的樣區，3個平臺共設48個樣區。再在每個樣區的左下角與右上角分別設一個1 m×1 m的草本樣方，總共設96個。采用GPS定位，在矸石場北側約1 000 m處的天然次生群落設置6個面積為1 m×1 m樣方，作為對照樣方。

1.3群落基本特征調查

(1)從2011年8月至2013年9月，對各樣地進行3期調查，記錄各樣方中草本植物物種組成、平均高度、多度、蓋度，以及毛白楊的高度、胸徑、蓋度、冠幅。

(2)群落物種消長指數

群落物種消長指數反映的是群落中物種遷入與遷出的動態變化狀況，群落物種消長指數越接近于1.0，說明群落物種消長越呈現動態平衡，群落物種多樣性越趨于穩定。本研究以1a恢復期為基準群落，1a恢復期的物種消長指數按凈遷入率計算，并記為100。

Ci=Ii/Ei(i=2,3,4,5；當i=1時，C1=100)

Ii=NIi/N1×100%(i=2,3,4,5)

Ei=NEi/N1×100%(i=2,3,4,5)

式中，Ci為i群落物種消長指數；Ii為i群落相對于1a恢復期的凈遷入率；Ei為i群落相對1a恢復期的凈遷出率；NIi為i群落相對于1a恢復期遷入的物種數；NEi為i群落相對于1a恢復期遷出的物種數；N1為1a恢復期的物種數。

(3)群落相似性指數

相似性指數可以用來比較各恢復期群落之間及其與天然次生群落間的物種相似性[2]，本研究采用Jaccard相似性指數[33]，對其進行統計分析，計算公式如下：

SC=C/(A+B-C)×100%

式中，SC 表示兩植物群落的相似性指數，A和B分別表示2個不同植物群落中的物種總數，C表示2個植物群落中共有的物種數[2]。

(4)草本植物的重要值

草本植物的重要值[34- 35]=(相對多度+相對高度+相對蓋度+相對頻度)/4

(5)物種多樣性指標

群落物種多樣性指數選取Shannon- Wiener指數[34- 36]，物種均勻度指數選取Pielou指數[34,36]，物種豐富度指數依據群落物種均勻度指數和優勢物種的明顯程度(通過物種重要值及實際調查情況確定)，對群落物種豐富度進行賦值(表1)。

(6)群落穩定性指數

群落穩定性指數采用M.Godron穩定性測定方法[37- 38]，將各恢復期及天然次生群落物種相對頻度按由大到小的順序進行積累排列，并將各群落物種總數取倒數，照此順序也進行累計排列，使兩者一一對應，做出散點圖及趨勢線，直線y=100-x與該趨勢線的交點即為所求點[37- 38]。Godron認為(20,80)這一點為群落的穩定點，故交點越接近點(20,80)，群落越穩定[37]。

群落物種均勻度指數小于0.95，則認為物種均勻度較差，反之，物種均勻度較好

(7)草本植物生物量測定

在各恢復期樣地及天然次生群落中均選取3個1 m×1 m的典型小樣方，采用完全收獲法，將樣品裝入袋中，帶回實驗室內進行洗沙，清水沖洗干凈后，將根系樣品與地上樣品分別在80℃恒溫箱內烘至恒重，然后在電子天平(精度達0.01)上稱其干重，測定地下和地上生物量[2]。

作者簡介：張喜玲，女，黑龍江密山人，蘇州國際外國語學校，初中英語教師，二級教師，碩士研究生，研究方向：英語教育。

1.4土壤取樣與測定

從2011年8月至2013年9月，用GPS定位，在各平臺分別設置3個典型取樣點，先清除表層植被枯落物，在采樣點周圍20cm處使用直徑為5cm的土鉆取3個土樣，取樣深度為20cm，最終以3個土樣的混合土樣作為該典型取樣點的土樣，并將樣品裝入自封袋中，3個平臺共設置9個典型樣點，每年進行一次重復取樣。并在矸石場北側約1 000 m處的天然次生群落設置3個典型樣點，作為對照樣點。

1.4.1土壤物理性質的測定

土壤含水量采用國家標準GB 7172-87進行測定[39- 40]；土壤田間持水量采用農業部行業標準NYT 1121.1-2006進行測定[39- 40]；土壤密度采用農業部行業標注NYT 1121.4-2006進行測定[39- 40]；土壤總孔隙度通過土壤容重和土壤比重計算獲得[41]。

1.4.2土壤化學性質的測定

土壤化學性質測定方法參照《土壤農業化學分析方法》(魯如坤(1999)主編)和《土壤農化分析》(鮑士旦(2001)主編)[42]，具體如下：有機質、總有機碳、易氧化有機碳、顆粒有機碳的測定采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法[43- 44]，pH值的測定采用電位法[45]，全氮的測定采用半微量開氏法[45]，速效磷的測定采用0.5mol/L NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法[45]，速效鉀的測定采用1mol/L NH4OAc浸提-火焰光度法[42]。

1.5評價方法

依據司馬礦煤矸石場各恢復期所形成的群落基本特征、土壤理化性質，建立層次分析法-模糊綜合評價(AHP-FCE)模型[11,18,46- 47]。

(1) 構建指標體系

將績效評價問題分為3個層次，即目標層、準則層和指標層[46- 47]。

目標層本研究的目標層為對煤矸石場植被恢復初期的生態績效進行評價。

準則層本研究以煤矸石場各生態恢復期的群落基本特征、土壤物理性質、土壤化學性質為準則層。

指標層經過文獻查閱和專家咨詢，按照科學性、目標性、獨立性、全面性和可操作性的原則，本研究選取了群落基本特征、土壤理化性質兩大方面共26個指標。但由于煤矸石場生態恢復初期各群落垂直結構僅含喬木層和草本層，故在研究中群落基本特征準則層下所含的灌木平均基徑、灌木平均高冠比兩項指標在此不做考慮(表2)。

(2) 構造判斷矩陣并進行層次排序及一致性檢驗

在所確定的評價體系層次結構的基礎上，按照專家打分法構建判斷矩陣。本研究邀請了10位土壤及生態學方面的專家(副教授及以上)，6位從事司馬礦煤矸場恢復工程的技術人員(高級工程師及以上)，在向其詳細解釋各指標的具體含義、矩陣的概念、打分的目的和方法后，發放打分表，并按照Santy的1—9標度[11,18,46- 47]對指標進行兩兩比較、打分。

基于判斷矩陣，得出各指標及各層次的權重，并將指標層、準則層分別進行層次單排序及一致性檢驗，最后進行層次總排序及一致性檢驗[11,18,46- 47](表3—表7)，分析發現群落穩定性指數、垂直結構完整性、物種多樣性指數、物種豐富度指數、物種消長指數在群落基本特征的評價中起到重要作用(表3)；土壤田間持水量在土壤物理性質的評價中占主導地位(表4)；土壤有機質、總有機碳、全氮含量會對土壤化學性質產生顯著影響(表5)；而相對于生態績效評價，群落基本特征對其的貢獻度較土壤理化性質高(表6)，其中群落穩定性指數、群落垂直結構完整性、群落物種多樣性指數對生態績效評價的貢獻度位居前三位，其權重共計占總權重值的32.32%(表7)。

表 3群落基本特征各指標層相對于群落基本特征準則層單排序、一致性檢驗及權重

Table 3The single sorting, consistency check and weight of the index layer relative to the rule layer of basic community characteristic

一致性檢驗，CI=0.134；RI=1.54，CR=0.08

1.5.2模糊綜合評價(FCE)

依據各指標的權重，對模糊綜合評價體系進行建模[11,18,46- 47]。參考專家及技術人員的意見，結合各指標實測數據(表8)，將本研究的生態績效評價層次定為“優、良、中、較差、差”五個等級，并選取1a恢復期為評級基準，將以后各恢復期的評價指標均與1a恢復期相比，并依據恢復程度評判績效等級(表9)。即該評價標準所針對的評價對象是植被恢復初期的2a恢復期至5a恢復期以及天然次生群落的生態績效，評價指標是依據各指標在恢復初期5a內的實際變化趨勢以及期望變化趨勢相結合而設定的，評價指標具體等級數據除群落垂直結構完整性、群落物種豐富度指數、物種消長指數有專門賦值或賦特殊意義外，其余指標等級數據均依據各恢復期與1a恢復期相比的恢復程度設定，恢復程度越好，評價等級越高，反之，評價等級越低。

一致性檢驗，CI=0.007；RI=0.89，CR=0.008

一致性檢驗，CI=0.081；RI=1.41，CR=0.058

一致性檢驗，CI=0.037；RI=0.52，CR=0.071

一致性檢驗，CI=0.105；RI=1.44，CR=0.073

由于天然次生群落中無喬木層，故其無喬木層指標值

“A—B”代表的取值范圍為包括A，不包括B

評價指標具體含義的設定主要包括以下幾類:

(1) 期望與實際變化趨勢基本一致的指標

1)期望增長，實際基本呈增長趨勢的指標

如喬木平均胸徑，草本層蓋度、平均高度、總生物量，群落蓋度，土壤田間持水量、總孔隙度、有機質、總有機碳、易氧化有機碳、全氮、速效磷、速效鉀，這些指標期望增長，而且實際也呈增長趨勢，故評價標準中以各指標的增長率或增加值來設定等級，即增長率或增加值越大，評價等級越高；

2)期望減小，實際基本呈減小趨勢的指標

如群落穩定性指數，即趨勢線與直線y=100-x的交點越接近點(20,80)，則群落越穩定[37- 38],所以標準中以距該點的距離設定評價等級。由于一年恢復期距該點距離較遠，故此后各恢復期所得的交點距該點的距離越近，評價等級越高。土壤密度與其相似，因此兩者均以減小值來設定評判等級，即減小值越大，評價等級越高；

(2) 期望與實際變化趨勢不一致的指標

如群落物種多樣性指數、土壤平均含水量、土壤顆粒有機碳含量，這3個指標實際呈減小的趨勢，與期望不符，但為避免在標準中出現負值，故評價標準中以各指標的減小值來設定，即減小值越小，評價等級越高；

(3) 期望趨勢尚未明確的指標

如喬木平均高冠比，由于研究區毛白楊在生長過程中，高度與冠幅的生長速度彼此間會產生影響，而且根據5年的持續觀測，其高度、冠幅在各恢復期均有不同程度的增長，可是目前尚未有對毛白楊高冠比隨著其生長期增加的變化趨勢研究，但可以肯定的是，在其高度、冠幅均隨著恢復期增加時，高冠比的變化值越大，說明毛白楊的生長越旺盛，故該變化值越大，評價等級越高；群落相似性指數變化值，即各恢復期與1a恢復期的相似性數值，又與完全相似值(1.000)相差的數值，該變化值說明了各恢復期與1a恢復期相似性的變化幅度，可以預測，隨著恢復期的增加，各恢復期與1a恢復期相似性的變化幅度有可能會保持在某一數值范圍內，故將恢復初期該變化值比較集中的數值范圍設定為最優等級，以此類推。

(4) 被賦值或被賦特殊意義的指標

如對于群落垂直結構完整性，將喬-灌-草、喬-草或灌-草、草三類垂直結構分別賦值為3、2、1，對應等級“優”、“良”、“中”；并依據群落物種均勻度指數和優勢物種的明顯程度，將群落物種豐富度賦值為4、3、2、1(表1)；對于特殊意義的指標，即群落物種消長指數，它可以用來描述群落物種多樣性穩定程度，物種消長指數越接近1.0，說明群落物種多樣性越穩定，故較接近1.0的數值設定為“優”，并依據恢復初期5a內出現的數值設定其他等級。

依據此評價標準(表9)，計算2a恢復期至5a恢復期以及天然次生群落的各實際指標數值對各等級的隸屬程度，構建隸屬度矩陣，并依據最大隸屬度原則[46- 47]，將最大隸屬度所對應的等級作為績效評價結果。

2結果與分析

2.1群落基本特征恢復績效評價

相較于1a恢復期，煤矸石場復墾區植物群落基本特征在2a恢復期時，還處于“差”等級，隨著恢復期的增加，喬木及其林下草本植物的快速生長，促使群落物種多樣性有所提高，至3a恢復期時，群落基本特征提升至“中”等水平，此后，群落物種消長指數基本趨近于1.0，群落穩定性逐步增強，至4a、5a恢復期時，群落基本特征均達到了“優”等級，天然次生群落基本特征評價結果也為“優”(表10)，可見人工種植喬木層條件下，草本植物的自然恢復可以對群落基本特征起到一定的改善作用。

2.2土壤理化性質恢復績效評價2.2.1土壤物理性質恢復績效評價

煤矸石場生態恢復過程中，相對于1a恢復期，2、3a恢復期的土壤疏松度和通透性較差，其物理性質還處于“差”水平，隨著恢復期的增加，土壤田間持水量有所上升，土壤密度逐漸減小，并且土壤孔隙度逐步提升，其疏松度和通透性得到了明顯改善，故在4、5a恢復期時，土壤物理性質提升至“優”等級，可見在人工種植喬木層的條件下，草本植物的自然恢復基本可以實現土壤物理性質的較快改善(表11)。

2.2.2土壤化學性質恢復績效評價

相對于1a恢復期，土壤化學性質在生態恢復初期實現了明顯提升。在2a恢復期時，土壤有機質、有機碳、全氮、速效磷、速效鉀的含量仍處于較低水平，評價結果為“差”。隨著恢復期的增加，植被枯落物、根系分泌物的積累量增加，導致土壤中有機質含量提高[48- 49]，同時由于豆科植物，如草木犀、紫苜蓿的入侵，促進了土壤全氮含量的提升[50- 51]。此外，矸石風化作用逐步加強，釋放的鉀、磷等鹽基物質增多，致使土壤速效磷、速效鉀含量有所提升[50- 51]，故土壤化學性質經過3、4a恢復期“中”等水平的過渡，在5a恢復期時達到了“優”等級，說明人工種植喬木與自然恢復林下植被相結合的生態恢復模式可以實現煤矸石場土壤化學性質的改善(表12)。

2.3生態恢復績效綜合評價

基于以上群落基本特征、土壤物理性質、土壤化學性質逐步改善的原因，相對于1a恢復期，煤矸石場生態恢復綜合績效亦呈逐年好轉的態勢。即從2a恢復期的“差”等級，提升至3a恢復期的“良”水平，到4、5a恢復期時均已達“優”等級(表13)，天然次生群落的生態績效也處于“優”等水平，說明，在足夠長的恢復期內，人工種植喬木層條件下，草本植物的自然恢復可以實現礦區的植被重建。

3討論與結論

3.1討論

李江峰依據已有的水土流失防止標準，對北京首云鐵礦尾礦庫壩面復墾區生態恢復初期的群落基本特征進行評價，結果為：5a恢復期>4a恢復期>自然群落>3a恢復期>2a恢復期>1a恢復期[20]，這與本研究所認為的4、5a恢復期、天然次生群落優于3a恢復期，更優于2a恢復期的結論基本相似；本研究還認為人工種植喬木層條件下，草本植物自然恢復過程中，4、5a恢復期、天然次生群落的土壤物理性質優于2、3a恢復期，5a恢復期、天然次生群落的土壤化學性質優于3、4a恢復期，更優于2a恢復期。這與宋小園等[52]提出的經過人工林恢復的礦區復墾地土壤質量評價結果：3a恢復期>2a恢復期>1a恢復期，以及樊蘭英[53]所認為的植被恢復(2a)對煤矸石場土壤質量具有改良作用的觀點相近，可見人工種植喬木層條件下，草本植物自然恢復初期的5a內，隨著恢復期的增加，土壤質量的改善程度基本呈增加的趨勢。但本研究結論與李江峰提出的鐵礦尾礦庫壩面復墾區生態恢復初期的土壤指標評價由大到小為：3a恢復期>自然群落>4a恢復期>1a恢復期>5a恢復期>2a恢復期[20]的結論并不一致。而且對于生態恢復的綜合績效評價，北京首云鐵礦尾礦庫壩面復墾區為：5a恢復期>4a恢復期>3a恢復期>自然群落>1a恢復期>2a恢復期[20]，這與本研究所認為的4、5a恢復期、天然次生群落的生態績效較3a恢復期好，較2a恢復期更好的結論不一致。造成以上差異的原因這可能是由于該類研究對象雖均是人工栽植喬木條件下的植被恢復，但李江峰的研究中所種植的植物是山楂(Crataeguspinnatifida)，而本研究為毛白楊，再加上指標選取的不同也會對評價結果產生影響。雖然本研究并未說明天然次生群落與5a恢復期相比，哪一群落的生態績效更優，但是從李江峰[20]的研究中可以發現，無論是對群落基本特征、土壤理化性質評價，還是對生態綜合績效評價，自然群落并非就是最優的恢復目標，隨著恢復期的增加，復墾區的生態績效有可能會優于自然群落。

當前，對礦區廢棄地復墾是選擇人工恢復還是自然恢復仍存在爭議[36,54]，本研究認為在足夠長的恢復期內，人工種植喬木層條件下，草本植物的自然恢復可以實現礦區植被重建。Darina等對煤礦廢棄地植被自然恢復與人工恢復的特征進行比較后，發現兩者僅僅是時間上的差異[55]。在時間尺度上，自然恢復較人工恢復長，可能會長達幾十年或者幾個世紀，而且可以通過合理的人工模仿或者適當干擾加快恢復進程[56]；李青豐對準格爾煤田露天礦廢棄地植被自然恢復過程進行研究，也發現自然恢復是一個較漫長的過程，可以進行適當人工干擾，以加快恢復[57]。Holl認為美國東部煤礦人工恢復35a后的植被構成與周圍自然植被相似，并且有望發展成為周圍森林類型。但在人工恢復中，如果種植具有侵略性的外來物種，將會延緩植被恢復進程[58]。此外，Pensa等對愛沙尼亞4種廢棄油頁巖堆上30年生的林木進行研究后，發現自然植被重建有利于植物多樣性的恢復[59- 61]，而人工恢復卻對物種多樣性有所限制[60- 61]。

3.2結論

相較于1a恢復期，煤矸石場植被恢復初期植物群落基本特征、土壤物理性質、土壤化學性質及其綜合生態績效在5a恢復期時均達到了“優”級水平。可見，在足夠長的恢復期內，人工種植喬木層條件下，草本植物的自然恢復可以實現礦區的植被重建。

基于AHP-FCE評價模型，以1a恢復期為基準，通過各恢復期生態指標與1a恢復期相比的恢復程度設定績效等級，對煤矸石場植被恢復初期的生態績效進行評價，評價結果具有客觀性和科學性，評價技術具有可操作性和實用性，避免了以往選取天然次生群落為恢復目標，但又不確定其是否為最佳恢復效果的盲目性，為生態績效評價提供了新思路，并對持續推進礦區生態恢復的科學實施、管理和評估具有積極的示范和輻射帶動作用。

4展望

本文應用了AHP-FCE模型對煤矸石場植被恢復初期的生態績效進行了評價，而基于其它方法(如主成分分析法)的生態績效綜合評價結果如何，所得結論是否一致，還有待進一步研究。

煤矸石場復墾區生態績效研究不僅僅包括群落基本特征、土壤理化性質的恢復研究，還包括土壤重金屬污染治理研究、土壤動物與微生物對環境的適應性研究等，今后研究中應將后者也納入生態績效評價體系。

本研究旨在為礦區廢棄地生態績效評價提供新思路，而且僅對煤矸石場植被恢復初期的生態績效構建了評價指標體系和標準，并進行了評價。隨著恢復期的增加，煤矸石場植被恢復的生態績效如何，該評價體系和標準又該如何改進，還有待于進行長期跟蹤監測與研究。

參考文獻(References):

[1]Li YG, Jiang G M. Ecological restoration of mining wasteland in both China and abroad: an over review. Acta Ecologica Sinica, 2004, 24(1): 95- 100.

[2]郝婧, 張婕, 張沛沛, 郭東罡, 王麗媛, 上官鐵梁, 黃漢富, 宋向陽. 煤矸石場植被自然恢復初期草本植物生物量研究. 草業學報, 2013, 22(4): 51- 60.

[3]Tibbett M, Mulligan D, Audet P. Recent advances in restoration ecology: Examining the modern Australian agro-ecological and post-mining landscapes. Agriculture, Ecosystems and Environment, 2012, 163(1): 1- 2.

[4]鐘爽. 礦山廢棄地生態恢復理論體系及其評價方法研究[D]. 阜新: 遼寧工程技術大學, 2006.

[5]Ott T, van Aarde R J. Coastal dune topography as a determinant of abiotic conditions and biological community restoration in northern KwaZulu- Natal, South Africa. Landscape and Ecological Engineering, 2014, 10(1): 17- 28.

[7]Wang X M, Chu L, Chu Z X, Dong Z B. Vegetation development on coal waste pile in Panyi coal mine. Asian Journal of Chemistry, 2013, 25(10): 5778- 5780.

[8]Xie K, Zhang Y Q, Yi Q T, Yan J P. Optimal resource utilization and ecological restoration of aquatic zones in the coal mining subsidence areas of the Huaibei Plain in Anhui Province, China. Desalination and Water Treatment, 2013, 51(19/21): 4019- 4027.

[9]Parraga-Aguado I, Gonzalez-Alcaraz M N, Alvarez-Rogel J, Jimenez-Carceles F J, Conesa H M. The importance of edaphic niches and pioneer plant species succession for the phytomanagement of mine tailings. Environmental Pollution, 2013, 176: 134- 143.

[10]Anawar H M, Canha N, Santa-Regina I, Freitas M C. Adaptation, tolerance, and evolution of plant species in a pyrite mine in response to contamination level and properties of mine tailings: sustainable rehabilitation. Journal of Soils and Sediments, 2013, 13(4): 730- 741.

[11]李江鋒. 北京首鋼鐵礦生態恢復及效果評價[D]. 北京: 北京林業大學, 2007.

[12]閆德民. 北京首云鐵礦尾礦庫生態恢復的植被特征分析[D]. 北京: 北京林業大學, 2013.

[13]李濤. 赤泥堆場生態修復技術評價體系的研究[D]. 南昌: 南昌大學, 2013.

[14]范亞輝. 煤矸石廢棄地植被恢復效應研究[D]. 楊凌: 西北農林科技大學, 2012.

[15]李武斌. 九寨溝馬腦殼金礦露天礦山生態恢復研究[D]. 北碚: 西南大學, 2011.

[16]余地. 基于GIS技術和AHP法的煤礦區土地復墾綜合效益評價[D]. 晉中: 山西農業大學, 2013.

[17]周富春, 金旺, 孫陽. 礦山環境治理效益評價方法及實證分析. 環境工程, 2013, 31(1): 85- 88.

[18]石健. 門頭溝龍鳳嶺廢棄礦生態修復效益評價研究[D]. 北京: 北京林業大學, 2007.

[19]王巧妮. 采煤塌陷地復墾模式綜合效益評價與對策研究[D]. 南京: 南京林業大學, 2008.

[20]李江鋒. 北京礦山廢棄地生態恢復質量評價研究[D]. 北京: 北京林業大學, 2010.

[21]劉永光. 北京山區關停廢棄礦山人工恢復效果及評價研究[D]. 北京: 北京林業大學, 2011.

[22]Gomez-Ros J M, Garcia G, Peas J M. Assessment of restoration success of former metal mining areas after 30 years in a highly polluted Mediterranean mining area: Cartagena-La Unión. Ecological Engineering, 2013, 57: 393- 402.

[23]Vickers H, Gillespie M, Gravina A. Assessing the development of rehabilitated grasslands on post-mined landforms in north west Queensland, Australia. Agriculture, Ecosystems and Environment, 2012, 163: 72- 84.

[24]海米提·依米提, 祖皮艷木·買買提, 李建濤, 李新國. 焉耆盆地土壤重金屬的污染及潛在生態風險評價. 中國環境科學, 2014, 34(6): 1523- 1530.

[25]張文嵐. 平朔礦區采礦廢棄地生態恢復評價研究[D]. 濟南: 山東師范大學, 2011.

[26]Alvey S, Yang C H, Buerkert A,Crowley D E. Cereal/legume rotation effects on rhizosphere bacterial community structure in West African soils. Biology and Fertility of Soils, 2003, 37(2): 73- 82.

[27]姚成, 萬樹文, 孫東林, 欽佩. 鹽城自然保護區海濱濕地植被演替的生態機制. 生態學報, 2009, 29(5): 2203- 2210.

[28]靳虎甲, 馬全林, 何明珠, 賈曉紅, 劉有軍, 張有佳, 李發鴻. 石羊河下游白刺灌叢演替過程中群落結構及數量特征. 生態學報, 2013, 33(7): 2248- 2259.

[29]邵新慶, 王堃, 王赟文, 劉貴河. 典型草原自然恢復演替過程中植物群落動態變化. 生態學報, 2008, 28(2): 855- 861.

[30]Aplet G H, Vitousek P M. An age-altitude matrix analysis of Hawaiian rain-forest succession. Journal of Ecology, 1994, 82(1): 137- 147.

[31]Pichett S T A. Population patterns through twenty years of oldfield succession. Vegetatio, 1982, 49(1): 45- 59.

[32]Elgersma A M. Primary forest succession on poor sandy soilsas related to site factors. Biodiversityand Conservation, 1998, 7(2): 193- 206.

[33]郭東罡, 上官鐵梁, 白中科, 邵宏波. 山西太岳山油松群落對采伐干擾的生態響應. 生態學報, 2011, 31(12): 3296- 3307.

[34]馬克平, 黃建輝, 于順利, 陳靈芝. 北京東靈山地區植物群落多樣性的研究Ⅱ豐富度、均勻度和物種多樣性指數. 生態學報, 1995, 15(3): 268- 277.

[35]Wassenaar T D, Henschel J R, Pfaffenthaler M M, Mutota E N, Seely M K, Pallett J. Ensuring the future of the Namib′s biodiversity: Ecological restoration as a key management response to a mining boom. Journal of Arid Environments, 2013, 93: 126- 135.

[36]Woziwoda B, Kopec D. Afforestation or natural succession? Looking for the best way to manage abandoned cut-over peatlands for biodiversity conservation. Ecological Engineering, 2014, 63: 143- 152.

[37]Godron M. Some aspects of heterogeneity in grasslands of Cantal. Statistical Ecology, 1972, 3: 397- 415.

[38]胡蘇. 鹽亭縣防護林群落結構特征與穩定性研究[D]. 成都: 四川師范大學, 2012.

[39]謝元貴, 車家驤, 孫文博, 彭熙. 煤礦礦區不同采煤塌陷年限土壤物理性質對比研究. 水土保持研究, 2012, 19(4): 26- 29.

[40]蔡福, 明惠青, 張淑杰, 陳鵬獅, 米娜, 周廣勝. 遼寧農田土壤田間持水量的空間變異性分析. 氣象與環境學報, 2009, 25(1): 27- 30.

[41]張曉薇. 半干旱地區礦區廢棄地土壤與植被演化規律研究[D]. 阜新: 遼寧工程技術大學, 2006.

[42]蘇敏. 采煤塌陷區土壤養分循環及對生態環境的影響研究[D]. 邯鄲: 河北工程大學, 2010.

[43]魏孝榮, 邵明安, 高建倫. 黃土高原溝壑區小流域土壤有機碳與環境因素的關系. 環境科學, 2008, 29(10): 2879- 2884.

[44]韓曉日, 王玲莉, 楊勁峰, 戰秀梅, 劉小虎, 王曄青, 馬玲玲. 長期施肥對土壤顆粒有機碳和酶活性的影響. 土壤通報, 2008, 39(2): 266- 269.

[45]原芩, 梅娟, 李華, 張強, 郜春花, 張秋華. 不同管理措施對鋁礦廢棄地復墾區土壤有機碳的影響. 農業環境科學學報, 2012, 31(7): 1374- 1380.

[46]呂相權. 吉林省東晉煤礦生態環境評估與恢復方案設計研究[D]. 吉林: 吉林大學, 2013.

[47]劉慧. 神府礦區土地復墾評價及模式研究[D]. 烏魯木齊: 新疆農業大學, 2013.

[48]黎煒, 陳龍乾, 周天建. 張集礦區復墾土壤養分變化研究及評價. 現代礦業, 2011, (2): 41- 43

[49]王改玲, 王小利, 李東方, 白中科. 安太堡露天煤礦復墾地土壤養分相關研究. 煤礦環境保護, 2001, 15(5): 25- 27.

[50]郭志彬, 王道中, 劉長安, 劉楓, 李鳳民. 引入草木樨對半干旱黃土高原區早期植物群落演替和土壤養分的影響. 西北植物學報, 2012, 32(4): 787- 794.

[51]楊曉暉, 王葆芳, 江澤平. 烏蘭布和沙漠東北緣三種豆科綠肥植物生物量和養分含量及其對土壤肥力的影響. 生態學雜志, 2005, 24(10): 1134- 1138.

[52]宋小園, 朱仲元, 韓永明, 趙振亞, 劉艷偉, 焦瑋. 基于改進的突變級數法在復墾區土壤恢復評價中的應用. 干旱區地理, 2014, 37(5): 1012- 1018.

[53]樊蘭英. 煤礦廢棄地植被恢復對土壤質量的影響及評價. 山西林業科技, 2014, 43(1): 25- 27, 30- 30.

[54]Evans D M, Zipper C E, Burger J A, Stanhm B D, Villamagna A M. Reforestation practice for enhancement of ecosystem services on a compacted surface mine: Path toward ecosystem recovery. Ecological Engineering, 2013, 51: 16- 23.

[56]Burton C M, Burton P J, Hebda R, Turner N J. Determining the optimal sowing density for a mixture of native plants used to revegetate degraded ecosystems. Restoration Ecology, 2006, 14(3): 379- 390.

[57]李青豐, 曹江營, 張樹禮, 薛玲, 李利萍, 秦梅枝. 準格爾煤田露天礦植被恢復的研究——排土場植被自然恢復的觀察研究. 中國草地, 1997, (2): 23- 25, 66- 66.

[58]Holl K D. Long-term vegetation recovery on reclaimed coal surface mines in the easternUSA. Journal of Applied Ecology, 2002, 39(6): 960- 970.

[59]Pensa M, Sellin A, Luud A, Valgma I. An analysis of vegetation restoration on opencast oil shale mines inEstonia. Restoration Ecology, 2004, 12(2): 200- 206.

[61]Burkhalter J C, Moon D C, Rossi A M. Diversity and community similarity of arthropods in response to the restoration of former pine plantations. Southeastern Naturalist, 2013, 12(1): 121- 136.

Ecological performance assessment on early plant reclamation in coal gangue yard

HAO Jing1,GUO Donggang1,SHANGGUAN Tieliang1,2,*,Liu Weihua2,ZHANG Jie3,ZHANG Peipei4

1CollegeofEnvironmentalandResource,ShanxiUniversity,Taiyuan030006,China2InstituteofLoessPlateau,ShanxiUniversity,Taiyuan030006,China3CollegeofLifeScience,ShanxiUniversity,Taiyuan030006,China4Si′maCoalMiningLimitedCompanyofShanxiLu′anMiningGroup,Changzhi047105,China

Key Words:Coal gangue yard; the early plant reclamation; ecological performance; assessment

Abstract：This study monitored the five-year dynamics of the plant-soil system in the coal gangue yard at Sima Coal Mine of Lu′an Group from 2009 to 2013. The fixed plots were established to use spatial dynamics to represent temporal changes. The assessment was made on the communities characteristics, soil physical and chemical properties, and the comprehensive ecological performance of the plant communities at the early phase of reclamation after reforestation. The results were as follows: 1) The evaluation criterion of ecological performance included five ranks: “Optimal”, “Fine”, “Middle”, “Low”, “Lower” at the early stage of restoration on coal waste pile. Referential to the first year, the five-year recovery achieved the “Optimal” rank according to the communities characteristics, soil physical and chemical properties, and the comprehensive ecological functions in the reclaimed coal gangue yard. Notwithstanding the ecological performance of natural secondary community also showing the “Optimal” rank in this study, natural secondary community was not the perfect object for reforestation. This result predicted that the ecological performance of reforestation in coal gangue yard might be better than natural secondary community with recovery age. 2) Given sufficient time, the reforestation and the spontaneous herbal recovery would achieve the goal of vegetation reconstruction in the mining area. 3) By employing the AHP-FCE model, using the first-year as benchmark, the performance criteria could be made for ranking the ecological performance in the early phases of reclamation. This was advantageous over the traditional method that taken natural secondary communities as the reclamation goal, whose optimism was usually questionable for high uncertainty. In this regard, this study attempted to provide an innovative way in the practice of ecological performance assessment. Moreover, this paper would play an actively model-driven role in advancing the scientific implementation, management, and evaluation of the ecological restoration in the coal gangue yard.

基金項目:煤礦塌陷及廢棄地復墾的生態績效研究項目(1103100301)

收稿日期:2014- 09- 11; 網絡出版日期:2015- 08- 05

*通訊作者

Corresponding author.E-mail: sgtl_55@163.com

DOI:10.5846/stxb201409111807

郝婧, 郭東罡, 上官鐵梁, 劉衛華, 張婕, 張沛沛.煤矸石場植被恢復初期生態績效評價.生態學報,2016,36(7):1946- 1958.

Hao J,Guo D G,Shangguan T L,Liu W H,Zhang J,Zhang P P.Ecological performance assessment on early plant reclamation in coal gangue yard.Acta Ecologica Sinica,2016,36(7):1946- 1958.