采煤塌陷复垦区自然恢复初期植物群落变化特征
侯颖 丁锦平
摘 要：植被恢復是采煤塌陷复垦区生态系统恢复的关键。为了解和掌握植被自然恢复的基本规律，以河南省永城煤矿塌陷复垦区自然恢复群落为例，采用样方法，通过实地调查，对复垦不同年限下自然恢复的植物群落的组成、结构及各物种的重要值进行研究，分析植被恢复初期物种的组成变化及基本趋势。结果表明：（1）永城采煤塌陷复垦区恢复初期物种数量共有植物13科27种，演替仍处于初级阶段;（2）菊科与禾本科植物是演替初期的先锋物种，占植物总种数的50%左右，群落结构为小飞蓬+狗尾草+刺儿菜（或狗牙根、野大豆）;（3）随着复垦年限延长，1年生草本植物所占优势逐渐下降，多年生草本植物的优势逐渐提高。复垦1年、3年和5年时，1年生草本植物的重要值分别占群落总重要值的81.46%、44.07%和37.91%，而多年生草本或木本植物的重要值分别占群落总重要值的18.54%、55.93%和62.09%，表明在演替初期随着复垦年限延长物种组成发生了变化，优势物种由1年生草本植物为主向以多年生草本植物为主转变。研究结果为加速复垦地植物恢复、构建合适的人工植物群落提供了理论参考。
关键词：采煤塌陷区;复垦;自然恢复;群落特征;重要值
中图分类号 Q148;X171.5文献标识码 A文章编号 1007-7731（2021）07-0025-05
Characteristics of Plant Community Change in the Early Stage of Natural Recovery in Reclamation Area after Coal Mining Collapse
HOU Ying et al.
（Department of Surveying and Planning， Shangqiu Normal University， Shangqiu 476000， China）
Abstract： Vegetation recovery is the key factor for ecological restoration in a coal mine collapse reclamation site. In this study， the natural restoration community in the collapse reclamation area of Yongcheng coal mine in Henan province was studied to understand and master the basic laws of vegetation recovery in this degraded ecosystem. Using field sample survey method， the composition， structure and important values of plant communities derived from natural recovery under different years of reclamation were investigated to analyze the composition changes and basic trends of plant species in the early stage of vegetation restoration. The results showed that：（1） the number of plant species in the early stage of recovery in a reclamation site of Yongcheng coal mining collapse were 27 plant species which belonged to 13 families， indicating that the plant communities in this site were still at the primary succession stage. （2） Compositae and Gramineae were the pioneer species in the early stages of succession， accounting for about 50% of the total number of plants; the typical plant community was Conyza canadensis （L.） Cronq.+ Setariaviridis（L.）Beauv. + Cirsium setosum （Wild.） MB. （or Cynodondactylon （L.） Pers. Glycine sojaSieb. et Zucc.）. （3）With the prolongation of reclamation period， annual herbs gradually decreased while perennial herbs gradually increased; After 1 year， 3 years and 5 years of reclamation， respectively， the important value of annual herbs accounted for 81.46%， 44.07% and 37.91%， while the important value of perennial herbs or woody plants accounted for 18.54%， 55.93% and 62.09% of the total important value of the plant communities. These results indicated that， the plant species composition changed with the extension of reclamation years in the early stage of succession， with the dominant species turning from annual herbs to perennial herbs. This study provides a theoretical reference for accelerating the vegetation recovery and constructing suitable artificial plant communities in coal mine collapse reclamation sites.
Key words： Core-mining subsidence area;Reclamation;Natural restoration;Community characteristic;Important value
煤炭是我国主要能源之一，为我国经济建设发挥了重要作用，但大规模的煤矿开采对地表植被和土壤产生了巨大扰动，造成采煤迹地水土流失、环境污染、生态系统功能退化[1]，严重影响了周边居民的生产生活和区域经济的可持续发展。因此对采煤塌陷区进行复垦具有重要意义，也成为国内外学者的研究热点。自20世纪80年代以来，我国对采煤塌陷区的复垦模式[2]、复垦适宜性评价[3-4]、复垦后的生态修复、土壤和植被特征[5-7]等方面作了大量研究。其中，许多研究认为，恢复采煤地的土地质量及形成稳定的生态系统是复垦区的重要任务之一[8-9]。而植被是生态系统重构的关键因素，但植被恢复是一个复杂问题[10]，而且自然恢复过程相对缓慢，往往需要50～100年，甚至数百年[11]。因此，许多复垦地通过构建人工植物群落以加速复垦地植被的恢复过程。研究表明，人工植被的生长与复垦模式、立地条件及物种的生理、生态学特性有关[7]，构建人工植物群落仍需将群落特征与立地类型相结合，遵循自然群落演替的基本规律[12]。因此，对复垦区自然演替的植物群落结构进行研究，探讨复垦区植物群落恢复的自然规律，可以为复垦后的土地尽快形成稳定的植物群落提供理论依据。
不同区域或不同立地条件下植物群落结构可能不同，植物种类组成、物种多样性、重要值等会存在差异[13]。蔡胜等[14]、蔡兴华等[15]对复垦后植被自然恢复进行了研究，结果表明，禾本科、菊科及具有固氮功能的豆科植物是中国矿区采矿迹地恢复的优势植物，具有良好的生态适应性。韩芳等[12]和陈璟[16]对废弃采石场的研究结果表明，自然恢复初期植物群落结构以灌草丛与草丛为主，其中草本群落物种组成较为丰富，主要为菊科、禾本科和马鞭草科植物;牛星等[17]对煤矿排土场的研究表明，自然恢复1～5年的植物群落物种主要为菊科、禾本科和黎科等。由此可见，禾本科和菊科植物是群落恢复初期常见的组成物种，但因地区和立地条件的差异，主要组成物种稍有差异。河南省永城市煤矿区是我国近年新兴的六大无烟煤生产基地之一，但矿区开发引起地面塌陷，对土地资源、水资源造成破坏，给生态环境造成巨大压力，导致生态系统失衡[18]。为此，笔者以河南省永城市采煤塌陷区为例，研究塌陷复垦区自然恢复初期的植被特征，旨在揭示自然演替下植物群落的结构和动态，探讨适合矿区特殊生境的植被类型，这对于复垦区构建合适的人工植物群落、加快植被恢复具有重要意义。
1 材料与方法
1.1 研究区概况 河南省永城市位于115°58′～116°39′E、33°42′～34°18′N，平均海拔33m，属暖温带半湿润半干旱大陆性季风气候，年平均气温14.3℃，年降雨量874mm，年平均日照时数2318h。该区是我国重要的商品粮生产基地之一，具有“豫东粮仓”之称。永城煤礦区属农业区大型平原矿区，是我国新兴的六大无烟煤生产基地之一。
1.2 煤矿区开采及治理现状 永城全市煤炭资源总储量达63.90亿t，含煤面积总计约1327.78km2，占国土面积的66%。截至2017年，全市境内在生产的有8座煤矿。据专家预测，永城矿区全部煤矿开采结束后（50～60年）将会形成地面塌陷面积514.28km2，其中70%以上为耕地。自2004年以来，该区采用“挖深垫浅”的方法对塌陷地进行了复垦，利用挖掘机将塌陷严重的区域再挖深形成水塘或鱼塘，取出的土方作为中度塌陷区的充填材料，达到水产养殖和农业耕作并举，形成了以“复垦耕地+居住用地+鱼塘+高效生态农业用地”为主的治理模式，先后建成了陈四楼煤矿张大庄、城郊煤矿刘岗、新庄煤矿黄水寨等一批采煤塌陷区综合治理示范区域。
1.3 研究方法
1.3.1 数据采集 试验地位于永煤集团和神火集团的矿区范围内，选择距离较近、复垦方式一致、地势平坦、但复垦年限不同的场地作为试验样地，分别为复垦后1年、3年和5年。按照5点取样法分别在不同样地各取5个20m×20m的大样方，在每个大样方内再次按照5点取样法选取5个1m×1m的小样方，调查样方内植被的种类、株数、高度、多度、盖度等。5个小样方的调查数据按照植物种类分别求出各指标的平均值，作为大样方的1个数值，然后再求出每个物种5个大样方的平均值，作为1个样地调查指标的平均值。
1.3.2 数据处理 植被数量生态学中重要值是由植被的相对高度、相对多度和相对盖度的平均值来表示。
[相对高度=某一物种高度同一生活型最高个体的高度] （1）
[相对多度（%）=某一物种的个体总数同一生活型植物个体总数]×100 （2）
[相对盖度（%）=某一物种的盖度所有植物种类盖度之和]×100 （3）
[重要值（%）=相对高度+相对多度+相对盖度3]×100 （4）
2 结果与分析
2.1 群落物种组成科属特征 由表1可知，复垦区自然植被演替早期（5年）共有植物13科27种，大多数属于禾本科、菊科、大戟科、藜科以及杨柳科，其中：在复垦1年、3年和5年时，禾本科植物分别为1种、4种和4种，分别占植物种数的16.7%、21.1%和25.0%;在复垦1年、3年和5年时，菊科植物分别为2种、6种和5种，分别占植物种数的33.3%、31.6%和31.2%;此外，在复垦初期，大戟科、藜科和杨柳科各2种，而莎草科、大麻科、锦葵科、豆科、茄科、玄参科、葫芦科和旋花科各1种。由此可见，菊科与禾本科植物占复垦区自然植被演替初期植物种数的50%左右，是复垦初期的主要组成物种。
2.2 不同恢复年限植物群落物种组成及生活型特征 由表1可知，采煤塌陷复垦区不同恢复年限的植物群落组成的科属特征及生活型特性变化明显。塌陷区复垦1年的植被群落组成简单，共有4科6种，分别为菊科、禾本科、大戟科和藜科，其中，5种植物为1年生草本，1种植物为多年生草本;塌陷区复垦3年的植被群落由10科19种植物组成，物种明显增加，新增锦葵科、茄科、莎草科、大麻科、旋花科和玄参科;其中，10种植物为1年生草本，9种植物为多年生草本;塌陷区复垦5年的植被群落由8科16种植物组成，物种比复垦3年时有所减少，大戟科、藜科消失，新增豆科、葫芦科和杨柳科;其中，6种植物为1年生草本，8种植物为多年生草本，2种植物为落叶乔木。由表1可知，组成群落的物种的生活型也随复垦年限发生变化。复垦1年的植物群落中，1年生草本植物和多年生草本植物分别占物种数的83.3%和16.7%;复垦3年的植物群落中，1年生草本植物和多年生草本植物分别占物种数的52.6%和47.4%;复垦5年的植物群落中，1年生草本植物、多年生草本植物和落叶乔木分别占物种数的37.5%、50%和12.5%。由此可见，随着复垦年限延长，1年生草本植物所占比重逐渐下降，多年生草本植物的比例逐渐提高，群落物种组成由1年生草本向多年生草本过渡，且在复垦5年时出现了落叶乔木的小苗，为后期的进一步演替提供了条件。
2.3 不同复垦年限植物群落物种重要值 由表2可知，复垦年限为1年的样地，植物群落优势物种为狗尾草、小飞蓬和刺儿菜，3种植物的重要值分别为35.17%、30.90%和18.54%，占群落总重要值的84.61%，伴生种有泽漆和铁苋菜，该阶段物种较少，群落以1年生草本植物为主。复垦年限为3年的样地，物种丰富度增加，群落优势物种为小飞蓬、狗尾草、狗牙根和莎草，其重要值分別为23.01%、22.41%、19.94%和15.03%，占群落总重要值的80.39%;与复垦1年时相比，虽然1年生草本狗尾草和小飞蓬在群落中仍占优势，但其重要值明显降低，而多年生草本狗牙根和莎草在群落中出现并占据重要位置;此外，植株个体较大的植物，如牛筋草、苍耳、龙葵、葎草等也相继出现，而1年生的苋菜和灰灰菜消失或重要值降低。复垦年限为5年的样地，群落优势物种为芦苇、野大豆、狗尾草和苍耳，其重要值分别为25.11%、13.39%、12.68%和12.50%，占群落总重要值的63.68%;小飞蓬+狗尾草在群落中的优势度进一步下降，两者的重要值占群落总重要值的21.71%;植物苍耳由于个体大、覆盖度高，其重要值进一步提高;新出现的植物野大豆和芦苇成为群落的优势物种，其重要值占群落总重要值的38.50%;此外，群落中出现落叶乔木毛白杨和柳树，其重要值占群落总重要值的13.32%。由此可见，复垦5年时，草本植物组成变化明显，群落仍处在演替初级阶段，各物种处在竞争中，没有绝对的优势物种。此外，在复垦早期，小飞蓬和狗尾巴草的重要值较大，但随着复垦年限延长，其优势逐渐降低，说明这2种植物在复垦早期能生长良好，是复垦区的先锋植物，但随着复垦时间延长，1年生草本植物的优势逐渐下降，而多年生草本植物的重要值逐渐增加。
3 结论与讨论
研究区域的塌陷区采用的是“挖深垫浅”的方式进行复垦，这种做法的弊端是表层的熟土被掩埋在下层，而后翻上来的生土覆盖在了表层，使得复垦后的土地土壤结构差、肥力低，制约了植被的生长发育，因此煤矿区初始环境条件的优劣会决定植物群落的多样性和组成结构[19]。研究结果表明，永城煤矿塌陷复垦区复垦5年时，共有植物13科27种，这比许丽等[20]对阜新煤矿自然恢复8年时调查的物种数目（6科7种）多，原因可能在于本研究区域位于暖温带，而阜新煤矿区位于温带，相对温暖的气候使得本研究区物种多样性较高。但本研究区域物种却少于岳建英等[21]对安太堡煤矿复垦区调查的野生物种数量，究其原因可能在于安太堡复垦区实施了人工植被重建，而本研究区植被完全是自然演替。这表明适当的人工干扰，尤其是按照演替规律直接种植演替中后期的植物物种，构建合适的植物群落，能够增加生物多样性，加速复垦区植被的恢复性演替[22]进入稳定阶段。本研究中，从复垦1年到复垦5年，植物群落物种从4科6种增加到8科16种，且小飞蓬和狗尾草的重要值虽然随复垦年限逐渐降低，但仍然在群落中占有一定的优势，其在不同阶段的重复出现表明该区域植物群落仍处在演替进程较慢的初期阶段，因而植物种数也相对较少。
随着复垦年限延长，群落的物种组成及物种在群落中的地位也发生变化。该研究区域复垦时采取的是“挖深垫浅”的方式，土壤表层几乎没有繁殖体，因此物种来源主要靠外来繁殖体，几乎是原生演替。而1年生草本植物靠种子繁殖，其传播到“空白”区域的能力较多年生草本强，因此在演替刚开始时它们较易成为原生演替中的先锋植物，但随着时间延长，多年生草本植物因其根、茎繁殖的能力较强，很容易在定居后形成稳定的种群，因此多年生草本物种逐渐占据优势[23]。本研究也得出相似趋势，复垦1年、3年和5年时，1年生草本植物的重要值分别占群落总重要值的81.46%、44.07%和37.91%，而多年生草本或木本植物的重要值分别占群落总重要值的18.54%、55.93%和62.09%，即随着复垦年限延长，1年生草本植物所占优势逐渐下降，多年生草本植物的优势逐渐提高，物种组成由1年生草本向多年生草本过渡，表明在演替初期随着复垦年限延长，物种组成发生了变化，即优势物种由1年生草本植物为主转变为以多年生草本植物为主，这与牛星等[17]、赵冰清等[24]的研究结果一致。因此，对于本研究区域而言，在演替初期人为添加多年生草本植物，而在5年后添加速生乔木，可能会加速群落的演替。
研究结果还表明，在自然演替初期，菊科与禾本科植物占植物种数的50%左右，这与许丽等[20]、韩芳等[12]、原野等[6]的研究结论相一致。这些植物是本地的乡土物种，也是演替初期的优势科和先锋植物，具有良好的生态适应性，能够适应复垦区恶劣的生境，并能通过自身的生长繁殖来改善土壤的理化性质，从而为更多植物的定居提供条件。因此，禾本科和菊科植物可以作为该复垦区的先锋物种。
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（责编：徐世红）
