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《山西大学》 2011年
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煤矸石山生态重建中的植被演替及其与土壤因子的相互作用

张建彪  
【摘要】:目前,煤炭开采已经导致一系列的生态环境问题,如矿区土壤和植被遭到毁坏、生物多样性减少或丧失、土地生产力下降、整个生态系统的功能退化等。严重恶化的生态环境已成为制约矿区经济社会可持续发展的根本性问题。煤矿区的生态恢复和重建,对于改善矿区土壤状况,提高植被覆盖率,实现矿区生态环境的根本好转具有至关重要的意义。 古交煤矿是山西省煤矸石山区生态重建的示范区。本研究地古交煤矿煤矸石山的生态重建主要包括3种模式:人工种植外来种火炬树、人工种植乡土种侧柏和自然恢复模式。分别对不同植被重建模式的群落结构、群落动态、物种多样性和土壤状况的变化规律进行分析讨论,并运用TWINSPAN、CCA等数量生态学方法分析植被梯度变化规律及其与土壤等环境因子之间的关系,阐述了影响矿区植被恢复的限制性因素。为了评价这3种模式的恢复效果,选取相邻土山的天然地带性原生群落进行了对比分析。在此基础上提出植被恢复与重建的合理模式,旨在为重建煤矸石山区结构合理、功能完善的人工生态系统提供思路和参考。 在人工火炬树群落12年的恢复演替过程中,群落的层片结构、盖度及林下优势种随恢复时间均发生了明显变化。初始群落优势种以耐干旱贫瘠的先锋植物如猪毛蒿、狗尾草为主,而5年后群落向中生性植物占绝对优势的方向发展,并且形成乔、灌、草的3层结构。此后随着火炬树的萌蘖繁殖,群落郁闭度明显增加,林下光照减弱,林下植物迅速减少以至大量消失。本研究表明,火炬树具有极强的根孽繁殖扩散能力,可以迅速在群落中取得优势地位,并抑制和排斥其它物种。在演替12年后,火炬树形成几乎独占的立地,群落物种多样性急剧减少。 本研究表明,光照也是影响火炬树群落演替的重要因子。火炬树是阳性先锋树种,群落内的光照不仅影响草本植物的定居存活,也影响火炬树克隆子株的萌发和分布。随着火炬树群落郁闭度增加,林下光照减少使火炬树幼苗难以萌发。所以在演替后期,火炬树的克隆子株数量大幅减少,从而影响林分演替,无法实现群落的自我更新。可见处于成熟阶段的火炬树单优种群落,是不稳定的。本研究表明,火炬树能扩散进入附近的侧柏林和达乌里胡枝子一白羊草群落,并在这些群落里迅速扩大种群和占据优势,未来很可能成为这些群落的优势种,在一定程度上抑制侧柏和灌木的生长,说明火炬树具有一定的入侵性。 总体来说,本研究的人工侧柏林生长缓慢,群落的高度盖度呈现逐渐增加的趋势。TWINSPAN分类及植被演替分析表明,侧柏林群落经过14年的恢复,群落从一年生先锋植物占优势的初始阶段过渡到以白羊草和硬质早熟禾为建群种的后期演替阶段,并出现了多年生灌木。随着恢复时间的延长,侧柏群落的物种多样性呈现缓慢增加的趋势。覆土厚度是影响侧柏生长演替的重要因素。3种覆土条件下,侧柏的树高、地径、冠幅、叶片长势和林相等指标均有显著差异。当覆土厚度小于30 cm时,侧柏出现叶子干枯甚至脱落现象,枯死率高。 本研究表明,煤矸石山的植被经过25年的自然恢复演替,群落从耐贫瘠的藜科和禾本科杂草逐渐向中生、中旱生植物占绝对优势的方向发展,群落生境趋于中生化。通过TWINSPAN分类及植被演替趋势分析,煤矸石山的植被在自然恢复状态下大致经历了猪毛菜、猪毛蒿、铁杆蒿、硬质早熟禾、白羊草和达乌里胡枝子6个发展阶段,优势种群的数量和种类发生了很大变化,物种多样性呈现逐渐增加的趋势。说明矿区退化生态系统可以通过自然恢复增加植被盖度和物种多样性,但这个过程比较漫长,且群落结构并不完善。 总的来说,3种植被恢复模式都可以增加土壤有机质、全N、有效P和速效K的含量,减小土壤容重和pH值,对煤矸石山的土壤有一定的改良作用,尤其是侧柏的改良效果更明显。但即使在演替后期,3种恢复模式的土壤养分含量仍处于较低水平,这说明植被对土壤的改良作用十分有限。相关分析及CCA排序分析表明,土壤因子是影响群落物种多样性变化的主要环境因子,也是煤矸石山植被恢复演替的主要限制性因素。因此在煤矸石山区开展植被恢复与重建时,增加土壤养分含量,改善土壤理化性质至关重要。 与相邻土山上的天然次生植物群落相比,矸石山3种植被恢复模式下群落的结构、物种组成、高度和盖度都存在显著差异。4种群落类型中,Margalef指数和Shannon-Wiener指数表现为:原生群落自然恢复群落侧柏群落火炬树群落。这是由于原生群落已经处于比较高级的稳定发展阶段,所以多样性指数最高。Pielou均匀度指数表现为:自然恢复群落原生群落侧柏群落火炬树群落。3种恢复模式下群落的土壤养分含量和土壤有机碳储量均显著低于原生群落,而土壤容重和pH值则显著高于原生群落。整体来讲,恢复后的植被与天然次生植被存在较大差异,改善土壤理化性质是促进植被恢复演替的有效途径。 本研究表明,自然恢复的植物群落物种多样性较高,因此从理论上讲自然恢复是该区植被恢复的理想途径之一。但自然恢复速度缓慢,在短期内难以形成乔灌草的复合生态系统,不能从根本上改善生态环境。因此,人工引入乔灌树种,丰富群落层次结构,优化群落生态功能,加快退化生态系统的演替进程,无疑是十分必要的。 从短期来看,矿区矸石山栽植的火炬树,生长速度快,能很快达到增加植被覆盖度的目的,5年左右群落盖度即可达到80%。但从长期来看,随火炬树林的成熟郁闭,火炬树会严重抑制其它物种的生存,林下的物种多样性呈现急剧减少和火炬树自身幼苗难以萌生的现象,在一定程度上增加了因生态胁迫而使群落退化或死亡的潜在风险。可见,演替后期的火炬树单优种群落不能发展成为一个稳定的顶级群落。所以应该把群落的盖度、物种多样性和群落演替趋势结合起来,作为植被恢复成功与否的主要指标。 由此可知,在煤矸石山的植被恢复重建中,应该谨慎营造火炬树林。侧柏在覆土达一定厚度时,生长良好。所以,在煤矸石山区生态重建的实践中,应以人工种植侧柏等本土植物为主、自然恢复为辅的模式开展植被恢复。在植被恢复重建中,不仅要增加植被盖度,合理搭配乔灌草物种,恢复生物多样性,而且更要注重土壤生态功能的恢复。应该使重建生态系统的各个组分之间相互促进,构成一个有机整体,才能恢复和增强生态系统的自我调节和自我维持能力。 总之,煤矸石山区的植被恢复重建是一个艰难而漫长的过程。应在尊重退化生态系统自然恢复能力的基础上,人工引入适宜的乔灌树种。根据植被演替及其与土壤等环境因子的相互作用规律,采取适当的人工措施改善土壤理化性质,促进植被的进展演替,完善生态系统的结构和功能,这是煤矸石山区退化生态系统恢复与重建的根本途径。
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