干旱礫漠區露天采煤對草地植物群落特征及其穩定性影響

韓 勇,姜凱升,杜華棟,畢銀麗

(1 國能新疆紅沙泉能源有限責任公司,烏魯木齊 838100;2 西安科技大學 地質與環境學院,西安 710054;3 西安科技大學 西部礦山生態環境修復研究院,西安 710054)

煤炭開采在帶來巨大資源效益和經濟價值的同時,也產生了不容忽視的生態環境問題。相比井工開采,露天開采對地面擾動更大,對生態系統的影響也更為強烈,其會引發地質災害[1-2]、改變地貌格局[3]、加劇水土流失[4]、減少河水流量甚至引起斷流[5]、降低地下水位和疏干淺層地下水[6]等一系列生態問題。

植被不僅是生態系統的主要組成部分和表征生態系統質量的重要指示因子,還是衡量地表生態健康程度的重要指標之一[7]。首先,利用遙感技術對露天開采區植被退化因素分析表明,土地的挖損和占壓改變了礦區原有的地形地貌和景觀生態,生態景觀破碎化與連通性降低是植被退化的主導因素[8];其次,露天開采造成淺層地下水疏干導致地下水位明顯下降,使地表土層干化,引發河流斷流、水庫枯干,進一步引起土壤結構和生物群落等環境要素發生變化[9];再次,露天開采對地表生態的強烈擾動、礦區沙漠化和土壤侵蝕程度增加,進而使植被分布格局發生改變[10]。前人關于露天煤炭開采活動對植被影響的研究,大多數集中于半干旱東部草原排土場、礦坑等采礦活動直接影響區[11-12],或基于遙感影像判別開采對礦區景觀格局和植被覆蓋度的影響[13],而關于干旱礫漠區露天開采對周邊區域植被群落結構、組成是否有影響?影響程度和空間范圍多大?哪些因子的損害造成地區植物群落特征變化?這些問題尚未有明確答案,但這些問題是生態脆弱區生態修復策略制定首先要解答的。

新疆煤炭以其儲量大、埋藏淺、厚度大、易開采的特點在中國能源戰略中占有越來越重要地位[14],但其大量優質資源富集于生態脆弱的戈壁區且主要以露天開采的方式開發,直接導致地表損毀、風蝕加劇、地貌改變、地下水位疏干等生態損害[15],煤炭開發與生態保護的矛盾亟待破解。

因此,本研究以新疆礫漠戈壁區典型露天開采煤礦為研究對象,定量比較距開采區不同距離植物群落組成、多樣性和生產力變化特征,闡明干旱區露天開采對植物群落的影響程度和空間范圍,結合礦區土壤理化性狀和微氣象因子的測量,探究影響研究區植物群落特征的主導因子,以期為干旱區礦區生態恢復的精準施策提供科學依據。

1 材料和方法

1.1 研究區概況

研究區位于新疆昌吉回族自治州奇臺縣準東開發區西黑山產業園(圖1),該區處于古爾班通古特沙漠東緣的卡拉美利山南麓礫漠戈壁區(90°10′-90°40′E,44°20′-44°40′N),屬中溫帶大陸性半沙漠氣候,年均氣溫3 ℃,年均降水量僅為160～200 mm,但年均蒸發量1 600～2 000 mm;土壤以荒漠鹽堿土為主,土質為粉砂土;區域海拔在500～800 m之間,主要為礫漠平原,地形平坦開闊,風蝕殘丘點綴分布于礫漠戈壁,總體地勢北高南低,土地利用類型以荒漠戈壁為主[16]。

圖1 研究區位置及樣地布設圖Fig.1 Study area and sample plot layout

區域內植物組成簡單,類型單調,分布稀疏,建群植物主要是由超旱生、旱生的半喬木、灌木、小半灌木以及旱生的一年生草本、多年生草本和中生的短命植物等荒漠植物組成。

1.2 樣地設置與試驗方法

1.2.1 樣地設置研究選擇干旱荒漠區煤炭開采最具代表性的新疆礫漠戈壁區露天開采煤礦(圖1),探究干旱礫漠區露天開采對周邊區域草地植物群落的影響程度和空間范圍大小。

由于礦區東向在地貌及擾動強度上與其他方向存在差異,因此在樣地布設中舍棄東向,在礦區南(2條)、西(1條)和北(1條)布設4條監測線作為重復,分別在監測線上距離采場邊界0 m,100 m,200 m,300 m,400 m,500 m,600 m,700 m,800 m,900 m,1 000 m,1 200 m,1 400 m,1 600 m,1 800 m,2 000 m,2 500 m,3 000 m和4 000 m和5 000 m處分別設置樣地,同時在開采區排土場東南西北4個方向各設1個樣地。

1.2.2 樣地調查與數據計算(1)樣地調查與試驗方法 每個樣地隨機設3個2 m×2 m的草本樣方,調查各個樣方的植物種類、數量、蓋度和頻度,并剪取主要物種地上生物量,帶回實驗室,85 ℃下烘干稱重計算地上生物量。同時在每個樣方內隨機設置5個點,用標準環刀(100 cm3)采集土樣用于土壤容重測定,采集表層(0-30 cm)土壤,一部分土樣放入鋁盒中用于測定土壤水分含量,另一部分土樣帶回實驗室風干備用,測定土壤有機質、有效氮、有效磷、有效鉀、pH和可溶性鹽。樣地微氣象因子集中在2020年和2021年8月5-15日無云天氣條件下午14:00-15:00測量,其中地表溫度用點將集團DJ-6310針式數顯土壤溫度計,光照強度和地表蒸發量用點將集團Vantage Pro2手持式小型自動氣象站獲取。距開采區不同距離土壤及微氣象因子變化特征如表1。

表1 距開采區不同距離土壤及微氣象因子變化特征Table 1 Variation characteristics of soil and micro meteorological factors at different distances from the mining area

(2)植物群落特征指標計算 ①群落物種重要值[17]:

IV=(RF+RC+RH)/3

(1)

式中:RF為相對頻度;RC為相對蓋度;RH為相對高度。

②群落Shannon-Wiener多樣性指數[17]:

(2)

式中:S為樣方種的總數;Pi為第i個物種數占所在樣方全部物種個數的比例。

③植物群落穩定性:采用M．Godron貢獻定律法對群落穩定性進行分析[18]。分析過程首先將植物群落中所有物種的按頻度大小降序排列,計算其累積相對頻度與植物種類倒數累積,用百分數表示,以植物種倒數的累積百分數為x軸,以相對頻度的累積百分數為y軸應畫散點圖并擬合為平滑曲線,模型為y=ax2+bx+c,直線方程為y=100-x,其交點(x,y)即為穩定性參考點,交點坐標與點(20,80)的距離稱為歐式距離,該距離越小說明植物群落越穩定,越大則越不穩定。

1.3 數據分析方法

利用Excel軟件對數據進行描述統計,結果以平均值±標準差的方式表示;采用SPSS 20軟件的單因素方差分析(one-way ANOVA)和最小顯著差異法(LSD)比較不同樣地的差異顯著性,顯著水平設定為α=0.05。

利用冗余分析方法(RDA)探索環境因子與植物群落特征之間的關系,使用CANOCO 4.5軟件進行植物群落特征、環境因子和樣地排序與作圖。

2 結果與分析

2.1 距開采區不同距離植物群落組成特征

研究礦區草地共調查到植物物種20種,分4科、17屬。主要優勢種分別是鹽生假木賊(Anabasissalsa)、鹽爪爪(Kalidiumfoliatum)、三芒草(Aristidaadscensionis)和芨芨草(Neotriniasplendens)(表2)。鹽生假木賊在群落重要值的比例平均在60%以上處于優勢地位,其在研究區植物群落中具有較寬廣的生態位與干擾能力,是戈壁荒漠草原群落構建的關鍵種。露天開采排土場植物僅有一年生豬毛菜屬植物和角果藜生長。較開采影響較小的5 km樣地,距開采區0～500 m優勢物種鹽生假木賊重要值平均降低了37%,原伴生物種霧冰藜(Gruboviadasyphylla)、駱駝蓬(Peganumharmala)等重要值增加(表2)。隨著距開采區距離增加,優勢物種鹽生假木賊和芨芨草的重要值增加,至開采區外圍800 m以外其群落重要值差異較小,且草地物種數基本維持在4～6種,其他植物重要值在距開采區不同距離差異亦不顯著。

表2 距開采區不同距離草地植物群落的物種組成與重要值Table 2 Species composition and important values of grassland plant communities at different distances from the coal mining area

綜合可得,露天開采引起開采區外圍0～500 m鹽生假木賊等優勢物種顯著衰退,伴生物種重要值增加,而800 m后植物群落物種組成及其在群落重要值則較為穩定。

2.2 距開采區不同距離植物群落特征及其穩定性

由圖2,A、B可知距露天開采區0～400 m內草地生物量和Shannon-Wiener多樣性指數(H′)均降低,分別較受開采影響較小的5 km樣地平均下降了53%和70%(P<0.05),開采區500 m以外隨著距離的增加,開采擾動對植物群落生物量和多樣性的影響逐漸減小,其中地表生物量除1 400 m和2 000 m與5 km距離處植物群落生物量相較有顯著下降外(P<0.05),其余距離未表現出差異顯著性(P>0.05);而H′與5 km距離處相比除3 000 m有顯著增加外,其余500 m以外植物群落多樣性并未表現出顯著變化(P>0.05)。開采區排土場生物量與開采擾動較小的5 km樣地相比并未顯著降低,但H′降低了65%。干旱區露天開采并未引起植被覆蓋度的變化,距開采區不同距離植被覆蓋度差異不顯著(P>0.05)(圖2,C)。干旱區露天開采排土場和距離開采區0～400 m植物群落穩定性平均下降了37%(P<0.05),而500 m后植物群落穩定性基本不變(圖2,D)。綜合可得,干旱礫漠區露天煤炭開采對植物群落生產力、多樣性和穩定性影響范圍為400～500 m,而對研究區植被覆蓋度影響較小。

圖2 距開采區不同距離植物群落特征和穩定性Fig.2 Productivity, diversity and stability characteristics of plant communities at different distances from the mining area

2.3 不同距離環境因子與植物群落特征關系分析

冗余分析結果顯示,植物群落特征與環境因子相關關系第一軸和第二軸的累計比例分別為58.7%和12.5%,即第一軸和第二軸共解釋了71.2%的土壤、微環境因子與植物之間的關系,植物群落特征MonteCarlo置換檢驗所有排序軸均達到顯著水平(P<0.05),說明排序結果可較好地反映了群落與環境之間的關系。由圖3可知,土壤水分、有機質、可溶性鹽、有效氮磷鉀與植物群落生物量和穩定性呈正相關關系,地表溫度、光照強度和土壤pH與上述植物群落指標呈負相關關系,而土壤容重、地表蒸發量與植物群落特征指標相關性較小;同時表明植物群落覆蓋度與土壤因子、微氣象因子關系不密切。

○表示采樣樣地,樣地號×100為該樣地距開采區的距離;DS.排土場;WC.含水量;SD.土壤容重;SS.土壤可溶性鹽;SOM.土壤有機質;AN.有效氮;AP.有效磷;AK.有效鉀;SE.地表蒸發量;ST.地表溫度;LI.光輻射強度;H′.香濃-威爾多樣性指數;VC.植被覆蓋度;CS.植物群落穩定性;BM.地上植物群落生物量。圖3 植物群落特征、環境因子和樣地的RDA三序圖○ Represents the sampling plots, plots No. × 100 is the distance between sample points and coal mining area; DS. Dump site; WC. Soil water content; SD. Soil bulk density; SS. Soil soluble salt; SOM. Soil organic matter; AN. Soil available nitrogen; AP. Soil available phosphorus; AK. Soil available potassium; SE. Ground surface evaporation; ST. Ground surface temperature; LI. Light radiation intensity; H′. Shannon-Wiener index; VC. Vegetation coverage; CS. Plant communities stability; BM. Biomass of aboveground plant community.Fig.3 RDA triplot of soil properties, plant community characteristics and plots

結合RDA排序圖中樣地隨土壤、環境、植物因子梯度變化的分布規律發現,排土場和距離開采區0～500 m范圍主要分布于排序圖的第二、三象限,地表溫度高、光照強度強、表層土壤水分養分含量低是這些樣地最明顯的特征,這些生態因子使得此類樣地植物群落生物量小、多樣性低且穩定性差,土壤因子和植物群落處于退化狀態;距離開采區500～5 000 m的樣地主要分布于排序圖第一、四象限,該區土壤養分水分狀況和植物群落質量均較排土場和開采區外圍500 m范圍內好且不同距離間樣地分布規律不明顯。

3 討 論

煤礦露天開采對生態環境最直接的影響是剝離地表覆蓋物后,導致原有土地資源被挖損和壓占,改變了原有的地形地貌、水文條件和景觀類型,進而使植物群落特征發生變化[19]。研究表明露天采煤排土場原始植被消失殆盡,自然恢復條件下植被將從裸地演替開始,由于排土場表層松散的土壤結構可增加荒漠區有限降雨的入滲[20],也可使一年生物種細小的種子進入土壤松散表層下[21],增加了一年生物種定植成功的機率,故干旱礫漠區排土場一年生的豬毛菜屬物種和角果藜等先鋒物種率先出現,導致排土場植物群落生物量與多樣性較開采影響較小的區域并未呈現顯著降低。但由于排土場分割了礦區生境使得生境斑塊島嶼化,限制了植物種群的有效交流[22],因此調查發現研究區排土場多年演替后植物群落也僅為一年生先鋒物種,加之排土場土壤熟化程度低、地表光照輻射強度大和研究區干旱的自然條件限制,使得排土場自然植被恢復困難且演替進程緩慢[23],因此干旱礫漠區露天開采排土場在自然生態恢復多年后植物群落覆蓋度、生物量和多樣性仍較低。

在開采區周邊0～800 m范圍內,原有優勢物種鹽生假木賊、芨芨草和三芒草等衰退,但僅表現為重要值上減小,說明干旱區露天采煤并未導致植物群落組成發生根本改變,這與東部半干旱草原露天開采區一年生草本植物數量增加出現逆向演替趨勢不同[24],主要原因是由于東部礦區一年生物種具有較大的土壤種子庫[25],優勢物種衰退后為一年生物種的萌發與建植創造了條件,而干旱荒漠區持久種子庫數量較少[26],且堅硬的礫漠外殼降低了原優勢植物衰退后一年生物種的定殖機會。露天采坑的存在造成礦區地下徑流和地表徑流的通路發生改變[4],礦坑周邊包氣帶巖土結構的破壞使得土壤表層水分蒸發散失量加大[27],表層土壤含水能力下降,進而影響土壤微生物活性,導致礫漠區原本貧瘠的土壤養分分解和轉化循環受阻[28],加之干旱區露天采煤過程引起的揚塵和重金屬積累,對礦區周邊一定范圍土壤、植物生長發育也會造成干擾[29],這些原因使得0～500 m植物群落覆地表生物量、多樣性指數和穩定性下降。本研究表明干旱礫漠區原本植被覆蓋度較低不超過30%,開采區周邊表層土壤退化和微生境因子惡化引起優勢植物退化的同時,也伴隨著一些伴生物種覆蓋度的增加,因此研究區露天開采并未對周邊植物群落覆蓋度產生較大影響,這與半干旱區煤炭開采造成地表植被覆蓋度降低的結論不同[30]。綜合研究表明,干旱礫漠區草原群落中建群種具有較寬廣的生態位與干擾能力,開采僅影響了開采區周邊0～800 m范圍內植物群落組成和0～500 m群落生產力和穩定性。

冗余分析結果表明,土壤水分、有效養分和光照強度是影響植物群落生產力和穩定性的主要因子,因為荒漠區水分是植物存活和生長的第一位要素和限制因子,土壤養分在植物發育中也具有較重要的作用,野外調查過程中和前人研究結果[31]均發現干旱戈壁荒漠區植物主要分布在礫漠戈壁的凹陷和淺溝、季節性河道等微地形下,這些微地形在春季融雪和夏季短歷時暴雨過程中,可以匯聚有限的水分和養分供應植物生長和發育[32]。由于地表光照強度影響了地表溫度,在地表溫度較高的地形條件下,只有耐旱耐高溫物種才能存活,因此光照與植物群落多樣性和均勻度成反比。綜合研究礦區植物種類出現頻率和重要值發現,研究區鄉土草本物種在兩種情況下在群落中重要值較大,可作為礦區生態恢復的優先物種:一是分布范圍較窄,只在特定的環境下出現,但其在該環境下生長發育良好,可構建較大的生態位寬度,如僅在風沙地廣泛分布的苦豆子、僅在季節性河道中分布的蘆葦和西伯利亞濱藜;二是分布范圍較廣,不同立地環境都有分布,且均是該環境建群種,如鹽生假木賊、豬毛菜等。結合本次露天采煤對干旱區礫漠植物群落特征及影響因子分析,排土場及開采區外圍0～500 m范圍是礦區生態修復過程中重點考慮區域,在植被恢復過程中不但要通過微地形塑造和土壤改良等措施改善植被生長微環境條件[33],同時還要促進適應性強的荒漠鄉土物種繁殖更新[34],促進礦區生態系統的穩定和可持續發展。