不同恢復年限礦山排土場植物群落特征

周 濤，蘇正安，何周窈,3，楊鴻琨,4，王曉藝,5

（1.中國科學院 水利部成都山地災害與環境研究所 / 中國科學院山地災害與地表過程重點實驗室，四川 成都 610041；2.中國科學院大學，北京 100049；3.四川農業大學林學院，四川 成都 611130；4.西南石油大學地球科學與技術學院，四川 成都 610500；5.四川農業水利水電學院，四川 雅安 625014）

隨著礦產資源不斷被開發和利用，形成了一系列大型礦山排土場，產生了大量的生態環境問題。礦山排土場作為礦產開采的衍生物，具有高差大、松散物質多、人為擾動劇烈等特點，邊坡極易形成切溝，并引發嚴重的水土流失問題，甚至引起滑坡、泥石流等次生地質災害問題[1-2]。與此同時，由于當今冶煉技術限制，礦物質的提取技術并不完善，開采后的棄石棄土富含多種重金屬元素，從而污染下游農田、河流，并對人類身體健康產生嚴重的危害[3]。

礦山排土場的生態復墾已成為廣大科研工作者的共識[4-5]。生物措施與工程措施是礦山排土場最主要的兩種防治措施。生物措施一方面可以快速恢復植被，增加植被蓋度，從而減少水土流失[6]；另一方面還可以利用植被快速改變區域的微環境和小氣候，改良土壤結構，增加土壤抗蝕性。由此可見，選擇適宜的植被對生態修復可達到事半功倍的效果[7]。目前國內外學者對礦山排土場等廢棄地的環境問題做了大量研究，主要涉及礦山排土場土壤侵蝕機理[8]、邊坡穩定性分析[9]、重金屬污染[10]、滑坡災害防治和生態修復[11-12]等方面，并已提出采用工程措施與植物措施相結合的治理方法。但針對干熱河谷等特殊生境下的礦山排土場生態恢復的研究不夠系統：1)干熱河谷區的生態修復多集中于該區自然存在的惡劣的特殊生境[13]，極少聚焦于礦山這類強烈人類活動形成的特殊生境；2)干熱河谷區礦山生態修復的研究對象多集中于尾礦庫和大范圍礦區[14-15]，而對排土場環境問題的定量研究則相對較少；3)礦山排土場的生物防治措施中經常引入外來種，缺乏對鄉土物種的重視，且往往注重短期快速恢復，忽視了植被恢復過程中植被的競爭關系。

本研究采用群落樣方調查方法對攀枝花地區釩鈦磁鐵礦區不同恢復年限的礦山排土場進行植被調查，并運用重要值、多樣性指標和群落相似性等指標，分析四川省西南區金沙江干熱河谷礦山排土場上的植物優勢種以及群落演替特征，以期為該區礦山排土場進行生態恢復和水土流失防治提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 調查區域概況

攀枝花市地處四川省西南區 (26°05′－27°21′ N，101°08′－102°15′ E)，攀西大裂谷中南段，屬干熱河谷氣候[8]，年均氣溫為17.5～21.0 ℃，年均降水量800 mm，無霜期350 d以上，且降水量高度集中于雨季，日照充足，蒸發量大，垂直氣候差異顯著，土壤類型主要為紅壤和黃紅壤[16-17]，區域內山地丘陵、河谷平原及盆地交錯分布，地形十分復雜，呈西北向東南傾斜的大致特點，相對高差較大。攀枝花市礦產資源豐富，富含釩鈦磁鐵礦、赤鐵礦等礦產，同時伴生有鉻、鈧、鈷、鎳、鎵等多種礦物，為我國四大鐵礦區之一。本次調查的排土場所屬礦山為攀鋼礦業公司蘭尖鐵礦區和龍蟒礦冶有限責任公司的紅格北礦區，蘭尖鐵礦是攀鋼主要的原料供應基地，是全國主要的十大露天鐵礦之一，于1970年開始生產，目前已進入中深部及地下開采，屬于典型的老礦山；紅格礦區包括南礦區和北礦區，屬于攀枝花－西昌地區四大釩鈦磁鐵礦礦區之一，2006年底，攀西紅格礦業公司正式取得北礦區保有儲量16.1億t中的6.1億t、有效期20年的新立采礦權，是新礦山的代表。

本次調查的礦山排土場位于鹽邊縣新九鄉龍蟒礦山紅格北礦區東排土場，包含李家河和高澗槽兩個排土場，以及攀枝花市東區蘭尖鐵礦區肖家灣排土場。高澗槽排土場使用時間為2006－2010年，至2010年11月末，高澗槽排土場完成1 850、1 820、1 800、1 770和1 740 m共5個水平的堆棄，最高標高1 850 m，最低標高1 700 m，排土總高度150 m；李家河排土場使用時間為2010－2013年，共有1 760、1 800、1 840和1 880 m共4個水平的堆棄，最高標高1 880 m，最低標高1 670 m，排土總高度210 m，容積1 216萬m3，實際堆棄833萬m3，與高澗槽均為一類排土場設計等級；肖家灣排土場是攀鋼礦業公司蘭尖鐵礦最早的排土場之一，位于蘭尖礦場的西南側，排土場面積約90萬m2，堆積廢石約4 000萬m3，相對高差約350 m。排土場的堆砌按照分層堆放、分層碾壓原則，每層土體高度為30～50 m，坡度均約為38°，具有礫石含量高、保水保肥能力差、邊坡土質疏松易流失等特點[18]。排土場排土完成后都需要進行相應的覆土和綠植，植物主要選擇當地鄉土物種為主，同時配植了一定的外來種。主要以木豆(Cajanus cajan)、扭黃茅(Heteropogon contortus)為主。

1.2 研究方法

1.2.1 植被調查方法

排土場具體情況如圖1所示，以礦山排土場恢復年限為基準，將調查區域分為恢復年限1、4、5和10年共4個排土場，分別對應圖1中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ。其中恢復年限為1和10年的礦山排土場位于攀鋼集團的攀枝花釩鈦磁鐵礦區 (26°36′40″ N，101°44′17″ E)，恢復年限為 4 和 5 年的礦山排土場位于龍蟒集團的紅格釩鈦磁鐵礦區(26°37′27″ N，101°59′55″ E)，兩個礦區直線距離約 26.4 km。排土場建造時依據其自然休止角，坡度為38°左右。采用典型樣地法對各排土場植物群落進行調查，樣方的選擇布設遵循全面性、代表性和典型性等原則，同時兼具靈活性。在各排土場上隨機選擇典型區域進行樣方調查，灌木樣方大小為4 m × 4 m，草本樣方大小為1 m × 1 m，調查過程中依據群落特征調整樣方位置和數量，記錄樣方中各物種的名稱、高度、蓋度和數量等信息。恢復年限為1年的排土場坡面植被配置簡單均勻，基本全為灌木，設置3個4 m × 4 m的樣方；恢復年限為4、5和10年的排土場灌喬木均處于幼年期且數量少，故樣地均布設為草本樣方，依據樣方布設原則分別隨機布設28、25、10個1 m × 1 m的樣方。

1.2.2 數據處理

樣方調查數據采用Excel 2013進行整合處理，并用SPSS 22.0對數據進行相關統計分析。

依據《數量生態學》[19]中表示植被多樣性的相關數學方法，選用重要值表示物種的優勢程度，Simpson指數(D)和Shannon-Wiener指數(H)表示群落中物種的多樣性特征，Pielou指數(E)和修正的Hill指數(E′)表示群落中物種的均勻程度。相關計算公式如下：

Simpson多樣性指數：

Shannon-Wiener多樣性指數：

Pielou均勻度指數：

修正的Hill指數：

式中：Pi表示物種i的重要值占群落中所有物種重要值之和的比例；S表示群落中的物種數[20]。

1.2.3 群落相似性

群落相似性采用Jaccard系數法進行計算[21]，公式如下：

圖1 調查區域概況Figure 1 Overview of study areas

式中：a表示兩個群落中共有的物種數；b表示存在于群落A中但不存在于群落B中的種數；c表示存在于群落B中但不存在于群落A中的種數。

根據Jaccard相似性原理[22]，將群落相似性系數r分為4個區間表示不同的相似程度：0.00～0.25、0.25～0.50、0.50～0.75、0.75～1.00 分別代表極不相似、中等不相似、中等相似、極為相似。

2 結果與分析

2.1 礦山排土場的植被物種組成及重要值

釩鈦磁鐵礦區礦山排土場的植被組成情況如表1所列。調查區域內共出現36種植物，分屬14科35屬，其中以禾本科、菊科和豆科植物為主，分別占物種總數的36.11%、22.22%和8.33%，可見這3科植物在礦山排土場植被恢復過程中占據重要地位。此外，植被恢復過程中還有大戟科、莧科、茄科、藜科、蝶形花科、無患子科、酢漿草科、錦葵科、蘿藦科、紫茉莉科和夾竹桃科等物種存在。

不同恢復年限的礦山排土場的物種數和植被類型具有明顯差異。恢復年限為1年的礦山排土場僅出現6種植被，多以灌木的形式存在(4種)，且豆科植被最多，占該排土場物種數的33.33%。恢復年限為4年的礦山排土場出現的物種較多，調查顯示，共有24種，草本共19種，占該排土場物種總數的79.17%，其中多年生和一年生的草本分別有10、9種；該排土場的植被以禾本科和菊科植被為主，分別占該排土場物種數的37.5%、20.83%，表明禾本科和菊科植被在該排土場上為群落建群種和優勢種。恢復年限為5年的礦山排土場共有植被18種，以草本植被為主(16種)，所占比例高達88.89%，其中扭黃茅、白茅等多年生草本在該排土場適應度最佳；植被類型以禾本科和菊科植被為主，物種數均為7種，與恢復年限為4年的排土場植被數量相比，禾本科植被減少2種，菊科植被增加2種。恢復年限為10年的礦山排土場相對于恢復年限為4、5年的植被數量有所減少，調查中共出現7種植被，以草灌搭配的形式出現，草本5種，灌木2種；草本植被中禾本科植被占據重要地位，共出現3種，占草本物種數的60.00%。綜合來看，在礦山排土場植被恢復過程中禾本科和菊科植被占據優勢地位，其中禾本科在該環境中生存能力更強。

從生活型上的物種分布來看，礦山排土場的植被以草本為主，共計26種。草本物種分為一年生和多年生兩類，其中以多年生草本植物分布最多，共計14種，占草本物種總數的53.85%，物種總數的38.89%；灌木數少于草本，主要有8種，分別為木豆(Cajanus cajan)、銀合歡(Leucaena leucocephala)、猩猩草(Euphorbia cyathophora)、車桑子(Dodonaea viscosa)、黃花稔 (Sida acuta)、牛角瓜 (Calotropis gigantea)、三角梅(Bougainvillea spectabilis)和夾竹桃(Nerium indicum)；喬木分布最少，僅有銀荊(Acacia dealbata)和相思樹(Acacia confusa)兩種。

不同恢復年限的礦山排土場植被物種重要值之間具有差異性。結果表明，恢復年限為1年的排土場中僅存6種植被，優勢物種為木豆和車桑子，重要值分別為31.65%和23.32%，2種灌木植被重要程度占據一半以上，此類現象是人工干預，對排土場進行植被配置的結果所致；恢復年限為4年的排土場中，優勢物種以扭黃茅和蘆葦為主，重要值分別為19.61%和17.34%，且這兩種植被在該樣地內廣泛存在；恢復年限為5年的排土場中，優勢物種為歧莖蒿、堿蓬和扭黃茅等，重要值分別為17.99%、17.37%和15.44%，其重要程度遠超其他物種；恢復年限為10年的排土場中，植被相對較少，但各物種具有明顯的重要程度差異，優勢物種以扭黃茅和蘆葦為主，其重要程度為其他物種的2.18～19.51倍。植被群落中優勢種的重要值大小一定程度上反映了群落的復雜程度[23]，綜合比較4個不同恢復年限的礦山排土場優勢種的重要程度，恢復年限為4、5年的礦山排土場優勢種重要值較小，植被群落相對復雜。

2.2 不同恢復年限礦山排土場的物種多樣性

不同恢復年限礦山排土場植被群落類型和多樣性特征如表2所列。不同恢復年限的礦山排土場群落類型之間存在很大差異，除了恢復年限為1年的排土場群落類型為灌木外，其他排土場均為草本層群落，群落中多以禾本科植被為主，且扭黃茅是礦山排土場植被恢復過程中常駐物種。物種數隨恢復年限延長呈現先增加后減小的趨勢，排土場植被恢復中期物種數最多，共有24種，分別是恢復年限為1、10年排土場的4、3.43倍。植被總蓋度表現為隨著恢復年限的增加而增加的趨勢，恢復年限4年和5年時總蓋度比較接近，并在10年時植被蓋度達到最大，為85%。

表1 礦山排土場植被物種組成及其重要值Table 1 Vegetation composition and its importance value of mine dumps

續表1Table 1 (Continued)

Simpson多樣性指數和Shannon-Wiener多樣性指數在排土場植被恢復過程中均呈現先增加后減小的趨勢，且在恢復年限為4年的排土場中達到最大，多樣性指數分別為0.88、2.24。隨著時間的增加，多樣性指數有所下降，這種現象表明排土場植被恢復前期物種生長出現到后期競爭淘汰的過程。Pielou均勻度指數在排土場植被恢復過程中有減小的趨勢，恢復年限為1年的礦山排土場植被群落的Pielou均勻度指數顯著大于恢復后期植被群落的Pielou指數(P＜ 0.05)，前期均勻度較高與人工植被配置有關，后期均勻度降低并存在微小浮動，但不存在顯著差異，Pielou均勻度指數從不同物種多度分布的均勻程度表征出物種競爭演替的過程。各樣地中修正的Hill指數較小，不同恢復年限的礦山排土場之間差異不顯著(P＞ 0.05)。總體來看，隨時間的變化，植被恢復演替過程中存在長期的生長適應和種間競爭的關系，最后趨于穩定，該環境的優勢物種生存下來，逐漸趨于均勻分布。

2.3 不同恢復年限礦山排土場的群落相似性

據Jaccard相似性原理可知，此次調查的4個樣地中僅存在極不相似和中等不相似2個類別(表3)。恢復年限為1年的排土場與恢復年限為4、5和10年的排土場的相似性系數隨恢復年限的增加而增加，但群落之間相同物種數均為2，群落間的相似性主要與群落物種總數有關，相似性系數均小于0.25，群落之間表現為極不相似。與此同時，恢復年限為4、5年的排土場與恢復年限為10年的排土場群落相似性系數均為0.19左右，群落間表現為極不相似。而恢復年限為4年的排土場與恢復年限為5年的排土場相似性系數最高，達0.40，群落間表現為中等不相似，且2個群落間的共有物種最多，高達12種。雖然恢復年限為4年的排土場與恢復年限為5年的排土場的相似性相對較大，但總體來看，各群落間均表現為不相似，差異性較大。故而，在恢復年限為10年內的礦山排土場植物群落演替性較大。

表2 礦山排土場植被群落類型及其多樣性指數Table 2 Community types and their diversity indices of mine dumps

表3 礦山排土場植被群落相似(左下角)相異(右上角)系數Table 3 Similarity (down left corner) and dissimilarity (upper right corner) index of mine dumps community

3 討論

礦區由于人為活動劇烈、水土流失嚴重和環境惡劣等問題，總體上植被數量較為稀少，種類較為單一，尤其是礦山排土場這一特殊地形，人為干擾強烈，土壤貧瘠易流失，重金屬含量高且易遷移，諸多生境問題對其上生長的植被有巨大的挑戰[23]。本研究結果表明，礦山排土場上的自然植被以草本為主，其中禾本科和菊科植物優勢最為明顯，這與礦山廢棄地相關的研究[24-26]具有相似的結論。這是因為禾本科和菊科植物具有生命力強、耐性好、矮小叢生等特點，同時這些植被還可以改善周圍微環境促使自身生長的良性循環，能夠在生境惡劣的環境下廣泛生存，常被選作礦山廢棄地的先鋒植被。關軍洪等[25]通過對北京首云鐵礦廢棄地的調查，認為礦山廢棄地的初期重建應選用禾本科、菊科和豆科等適應性強且具有當地特色的草本植物，這些植被生長快速，在短期內可實現較大的植被覆蓋。陳振峰等[26]對永平礦山廢棄地的植被調查結果顯示狗牙根(Cynodon dactylon)和高羊茅(Festuca elata)等禾本科草本可以在該環境下大量存在，并提出宜在早期使用狗牙根等禾本科草本進行廢棄地的快速覆綠。研究結果同時顯示，扭黃茅和蘆葦雖然在不同的植被恢復時期均大量存在，但在群落中的優勢程度不同。這種差異性的存在可能是植被對于環境的反饋，物種在適應中生存，在時間維度下成為優勢物種并逐漸顯示出其重要程度。

在植被恢復過程中，植被與環境互相影響，是植被群落發生動態變化的主要原因。根據群落演替的相關理論，植被群落的發展總是向著更為復雜、多樣的方向發展，而本研究中，隨著排土場恢復年限的增加，物種數和多樣性指數均呈現先增加后減小的趨勢，這種現象的成因與環境的局限性有極大的關系，群落的演替是在物種不斷競爭的過程中進行的，而排土場存在土壤貧瘠、水分少、重金屬含量大等問題，限制了群落演替的理想進程，并且隨時間的推移，水土流失和重金屬遷移的問題越來越嚴重，使前期植被恢復效果可觀而后期僅有少數抗性好、易生存的植被得以保留，高大的喬木植被更是極為少見，形成礦山排土場特有的以灌草為主的群落類型[27]。物種均勻度在時間的推移下變化不大，呈相對穩定的狀態，這可能與各個群落中優勢種比較突出，減小了次要物種的影響有關。

恢復過程中礦山排土場的植被群落類型變化很大，是植被群落尚未發展為最終穩定的群落類型的體現。本研究也表明扭黃茅、蘆葦等禾本科是群落演替過程中比較突出的優勢物種，因此在該礦山排土場中可以考慮以扭黃茅、蘆葦為主的群落類型進行礦山排土場的生態修復。此外，本次調查具有一定的局限性，需要更多后續群落演替時期的植被調查數據作依托，確定出能適應該礦山排土場的最優群落類型。

4 結論

1)釩鈦磁鐵礦區排土場植被群落多以灌草叢的形式存在，其中草本植被占據主要地位。排土場植被恢復過程中多以禾本科和菊科的形式存在，并在植被恢復和種間競爭的群落演替過程中展現出優勢，成為常駐物種，其中扭黃茅、蘆葦和堿蓬等草本在植被恢復過程中適應性更為突出，其優勢程度位列群落物種的30%之內。

2)隨著恢復年限的增加，排土場的植被總蓋度不斷增加，但物種卻表現為先豐富后趨于單調，最終形成穩定的群落，恢復過程中植被的均勻性變化不大，優勢物種比較明顯且數量較大。植被群落類型在10年內的演替過程中差異性較大。

3)本研究區域的生態修復可考慮選擇扭黃茅、蘆葦等禾本科植被進行初期的生態修復形成建群種，并輔以車桑子等灌木作為伴生種，構建該環境下的優勢灌草群落。