矿山人工植被—土壤恢复效果评价研究

　　矿山人工植被—土壤恢复效果评价研究

　　引言

　　我国大规模、高强度的矿产资源开发活动不可避免地造成土地资源损毁、植被退化等生态问题，生态修复是解决矿山生态问题的有效途径。植被恢复是矿山生态修复的重要内容，目前已经从单纯追求景观绿化、植被高覆盖度转变为立足自然地理格局、遵循自然生态系统演替规律、提升生态系统服务功能，其中植被—土壤系统的恢复效果研究尤受关注。矿山植被一土壤恢复效果评价既是对矿山生态修复措施应用效果的客观评价与衡量，也是矿山生态修复工程管理与验收的重要依据。

　　国内目前已有诸多学者对矿山植被—土壤恢复效果评价进行了多方面的研究，在矿山植被恢复评价指标方面，文献用矿山恢复治理区植被指数(NDVI)定量评价恢复治理工程实施效果，文献采用植被的覆盖度、优势物种、优势度、生物多样性、群落模式等指标对北京首云铁矿山废弃地植被恢复效果进行评价，文献采用物种重要值、物种多样性等指标评价了不同植被恢复模式对生态恢复效果的影响，文献从植物生长特征、植被群落特征等方面选择指标对不同植被模式下张宣铁尾矿库生态恢复效果评价，文献从植被群落的总物种组成、主要物种组成、重要值、覆盖度等指标研究了露天矿区植被恢复群落特征。在矿山土壤恢复评价方面，文献采用土壤容重、含水率、pH值、有机质、全氮、速效钾、有效磷等7个指标作为矿区土壤评价指标，评价了不同恢复年限和不同植被模式下的复垦土壤质量，文献采用土壤湿度、有机质、pH值等评价了草原区煤矿排土场植被恢复效果，文献土壤有机质、全磷、全氮、全钾等指标评价了露天矿排土场不同植被恢复模式下土壤改良效果，上述评价指标存在理论性强、可获取性差、评估结果可比性弱等问题。

　　矿山生态修复受气候、地形等自然条件影响，植被、土壤恢复效果显著差异，植被土壤恢复效果评价参照系、评价方法等内容均是科学评价的关键内容。目前，评价标准主要是采用林业和园林行业标准，均是从植被恢复质量定量化指标考虑，所选指标未考虑区域自然条件对生态恢复效果的影响；评价参照系是一组与评价客体同质且相关的参照物集合，评价就是基于评价参照系对一组评价客体的比较，将评价参照系替代评价标准是当前植被恢复效果评价的一种新思路，可更加科学反映植被恢复状况与最优状态的距离，但是评价参照系选择的方法尚未建立。矿山植被恢复效果评价主要有图形叠加法、主成分分析法、灰色关联度法、层次分析法、类比分析法、模糊综合评价法及综合指数法等主流的评价方法，常规恢复效果评价方法中缺少与最优状态的比较，较难准确反映不同修复阶段的实际状况。

　　本文针对矿山植被—土壤恢复效果评价指标、评价参照系及评价方法等研究不足，开展矿山植被—土壤恢复效果评价基础理论研究，研建自然植被群落评价参照系及特征指标，构建恢复效果评价流程和指标体系，形成归一化的评价方法，选择典型案例进行实证研究，最终形成一整套科学、客观、可操性的矿山植被土壤恢复效果评价技术体系，为我国开展矿山生态保护修复工作提供理论依据和技术支撑。

　　1.植被—土壤恢复效果评价基础理论

　　1.1评价基础理论

　　1)生态演替原理。植被群落在地形地貌、气候、土壤及人类活动等因素影响下处于动态变化状态，植被群落的演替状况可表征不同时段的恢复效果。

　　2)生物多样性原理。生物多样性是植被群落稳定性的基础，矿山开采造成了植物多样性降低，矿山生态修复中植物多样性恢复水平是衡量矿山人工植被恢复效果的重要指标。

　　3)与区域自然生态条件融合原理。充分考虑区域自然生态条件对植被恢复效果的影响，选择区域内典型植被生态系统作为评价参照系，可将自然生态本底状态在修复效果评价中体现出来。

　　4)可操作原理。理论上可用于矿山植被—土壤恢复效果评价的指标较多，在实操过程中部分指标存在测定困难或普适性差的现象，评价指标应该遵循可操作性强，能反映植被恢复特征。

　　1.2评价思路

　　矿山植被—土壤恢复效果受区域自然地理条件、微立地水土要素、修复措施及人工管护等影响，本研究在充分考虑矿山植被恢复特征的基础上，选择与待评价矿山微立地条件相近且受人为干扰少的近自然植被群落作为评价参照系，提取近自然植被土壤生态系统特征因子指标作为评价指标，将待评价对象的评价指标与评价参照系对应指标进行无量纲化分析形成评价标量，将评价标量与“1”进行比较，形成恢复效果评价结果。该评价思路是用评价参照系替代评价标准，采用归一化算法的评价方法融合了自然生态特征，评价结果科学反映被评价对象与评价参照系间最优状况的距离。

　　2.近自然植被群落评价参照系构建

　　2.1评价参照系导入与解读

　　国际恢复生态学会认为参照系可为生态恢复目标设计及恢复效果评价提供依据，将评价参照系选作近自然植被群落，通过分析近自然植被群落的乡土物种组成（种类及丰富度等）、结构（植物和土壤等）等特征指标，可解析矿区植被恢复潜力。

　　2.2筛选原则

　　在矿山周边选择近自然植被群落作为评价参照系时，要以植被与环境因素关系为基础，既要考虑评价参照系所代表的地形地貌、植被类型等区域性自然生态特征，又要兼顾待评价矿山微立地条件，确保二者匹配性高。需遵循邻近性原则、相似性原则、稳定性原则。

　　1)邻近性原则。在待评价矿山周边一定空间范围内选择近自然植被群落作为评价参照系，确保区域内降雨、温度及蒸发等气候要素的一致性。

　　2)相似性原则。评价参照系的地貌、坡度、坡向、土壤等微立地要素应与待评价矿山地块具有相似性，确保评价参照系的组分和结构科学，使得评价结果可比性强。

　　3)稳定性原则。所选近自然植被群落应为区域典型植被类型，人为干扰少、演替稳定。

　　2.3建立过程

　　建立矿山近自然植被群落评价参照系包括两个步骤：第一步将待评价矿山的地形、坡度、坡向、土壤等微立地条件特征，作为在矿山周围选择近自然植被群落评价参照系的首要条件，确保所选评价参照系与待评价矿山地块的生境参数的可比性，避免评价评价结果的不准确。第二步在矿山周边选定评价参照系微立地条件的基础上，选择区域内具有代表性、人为干扰少的近自然植被群落作为评价参照系，确保评价参照系的科学、合理。

　　2.4特征指标提取

　　评价参照系信息解译就是从评价参照系中提取可表征矿山人工植被—土壤恢复效果的特征指标，结合矿山生态修复特征，主要筛选植被一土壤系统的组分、结构等特征指标。植被组分指标为植物生活型构成，是描述植物群落组成；植物覆盖度、生物多样性指数是植被结构指标，是描述植被生长和群落稳定性状况。土壤有机质含量、土壤pH既可描述土壤组分也可表征土壤结构的指标。

　　3.恢复效果评价程序及方法

　　3.1评价程序

　　恢复效果评价是一个多环节、有机结合的综合分析过程。围绕待评价矿山的地形、坡度、坡向、土壤、气候等生态因子进行生态环境调查，识别生态问题，作为建立评价参照系的基础条件。选择区域内代表性强、人为干扰少的近自然植物群落作为评价参照系，由植被和土壤要素组成。对评价参照系进行调查监测，提取关键植被因子、土壤因子参数作为评价指标。采样人工植被—土壤群落指标与近自然植被一土壤群落指标进行比较分析形成评价标量，将评价标量与“1”进行比较，形成恢复效果评价结果，可将评价效果划分为“优”“良”“差”等评价等级。

　　3.2评价指标构建及生态学意义

　　恢复效果评价指标体系构建遵循了代表性、系统性、科学性及可操作性，评价指标能够代表该类植被、土壤恢复状况，直观全面反映生态恢复效果。

　　1)人工植被盖度／近自然植被覆盖度。植被覆盖度是表征植被生长状况的重要指标，是生态系统结构的量度，选择人工植被覆盖度与近自然植被盖度的比值作为评价植被盖度的指标值，可描述人工植被恢复的覆盖度与最优状态的距离。当比值为1±o．4时，恢复效果为优等；比值为0.4～0.6或1.4～1.8时，恢复效果为中等；比值为<0.4或>1.8时，恢复效果为差等，表明了植被覆盖度不是越大越好，要与区域的自然植被群落覆盖度相接近。

　　2)人工植被多样性指数／近自然植被多样性指数。物种多样性是反映群落结构特征的有效指标，是生态系统稳定性的量度，香农—威纳指数(Shannon-Weinerindex)可较好地反映植被群落种类组成结构水平和群落稳定性。选择人工植被多样性与近自然自然植被多样性的比值作为评价群落多样性的指标值，可描述人工植被恢复的生物多样性与最优状态的距离。当比值>0.8时，生物多样性恢复效果为优等；当比值在0.6～0.8时，表示生物多样性恢复效果为中等；当比值在<0.6时，表示植被群落的稳定性差，植被群落的稳定程度还需要加强。

　　3)人工植物生活型构成。是用来描述植物群组分与结构特征，判断人工植被恢复的生活型构成与最优状态的距离。根据植物群落外貌和生活型结构可以分为：乔木十灌木十多年生双子叶草组合（简写乔十灌十草）、灌木十多年生双子叶草本（灌十草）、灌木、多年生双子叶草本（简写草本）等4种类型的组合。通过现场调查进行判断，通常多种生活类型组合群落结构比较稳定，人工植被恢复效果好。

　　4)人工土壤有机物质／近自然土壤有机质。是用来描述采取改良措施后土壤有机质与评价参照系土壤有机质之间的距离，可反映土壤肥力状况。当比值为>0.8时，土壤恢复效果为优等；比值为0.6～0.8时，恢复效果为中等；比值为<0.6时，恢复效果为差等说明土壤肥力状况需要改善。

　　5)人工土壤pH值／近自然土壤pH值。是用来描述采取改良措施后土壤的pH值与评价参照系土壤pH之间的距离，对生态修复中物种的筛选具有指导意义。当比值为>0.95时，土壤恢复效果为优等；比值为0.9～0.95时，恢复效果为中等；比值为<0.9时，恢复效果为差等说明土壤酸碱需要改善。

　　3.3评价方法

　　基于植被—土壤恢复效果评价思路和指标提取方法，本研究采用单要素评价法，即采取矿山待评价指标与评价参照系对应指标进行无量纲化分析形成评价标量，将评价标量与“1”进行比较，分析矿山人工植被、土壤的恢复特征，形成恢复效果评价结果。

　　4.典型案例验证研究

　　4.1矿山自然环境状况

　　在山西太原市古交采石场植被恢复工程开展生态调查监测评价，属暖温带季风气候区半湿润气候地带，多年均降水量459.5mm，区域土壤枯落叶层和淋溶层厚度为10cm左右，矿山周边现存植被类型有侧柏、荆条灌丛、酸枣灌丛等，待评价区域缓坡植被覆盖度约为80%。选择采石场坡度小于30°，东向土石边坡的人工植被恢复点开展生态调查监测评价工作，同时在矿山附近选择坡度、坡向、土壤等生境条件与采石场相似、植被尚未人为扰动的群落作为评价参照系。

　　4.2关键生态指标监测方法

　　采石场坡面人工植被恢复措施是以坡面覆土，灌木和草本混播方式相结合，人工植被恢复坡面、评价参照系二类地块采用样方法调查植被总盖度、各物种分盖度、样方内物种组成、植物生活型构成等，调查记录每一个样方外5m×5m范围内出现的物种。在坡上、坡中及坡下等位置分别布设样方监测点3处，每类样方设置3个重复，共计调查样方数9个；在坡面植被恢复当年、恢复3a后、恢复5a后、恢复7a后连续进行了固定样地的植被和土壤同步调查监测。

　　1)覆盖度调查采用点测法。将1m×1m的样方等分成为100个1cm×lcm的小网格，每边10个网格形成11个结点，整个样方有11×11（共121个）网格结点。登记每个网格结点在点向地面的垂线方向是否被植物体覆盖，有则记录为1，无则记录为O。最后统计有植物体分布的结点数与总网格点数的比值，以此作为盖度指标，并换算为百分数表示。

　　2)群落多样性计算法。根据样方调查得出的坡面植被群落各物种分盖度，计算出各个物种的相对盖度。

　　3)植被生活型构成。通过现场观察进行判断，可以分为乔木十灌木十多年生双子叶草组合（乔十灌十草）、灌木十多年生双子叶草本（灌十草）、灌木、多年生双子叶草本（简写草本）4种类型的组合。

　　4)土壤有机质、pH值，采集0～20cm深度的土层，样品通过土壤化学检测分析获取。

　　4.3综合恢复效果分析

　　矿山周边评价参照系的自然植被群落是以灌木为主，采石场坡面人工植被恢复随着恢复年限的增加，人工坡面植被覆盖度呈现逐渐降低的趋势，与自然植被群落覆盖度逐渐接近，但仍高于自然植被群落，因为恢复初始是以先锋植物草本覆盖为主，恢复后期演替成灌木覆盖为主；人工植被多样性指数呈现增加趋势，群落稳定性增强，主要是人工坡面植被群落演替中入侵了大量乡土物种，增加了物种多样性；人工植被生活型构成从草本型逐渐演变为灌草型，恢复后期植被群落中草本逐渐退化，灌木成为建群种；人工土壤有机质和pH变化不显著，在人工植被恢复7a后仍没有达到评价参照系土壤水平，但不影响坡面长势。

　　5.结束语

　　1)本研究通过文献综述、典型案例验证等方法，形成了基于近自然植被为评价参照系的矿山人工植被—土壤恢复效果评价技术体系。围绕矿山生态恢复，将矿山人工植被—土壤作为一个生态系统，充分考虑了人工植被一土壤的动态演替规律、群落生物多样性、与区域自然生态条件融合等原理，发挥近自然植被群落评价参照系在评价中重要性，提出将待评价对象与评价参照系对应评价指标进行无量纲化形成评价量标，将评价标量与“l”进行比较，得到恢复效果评价结论。

　　2)近自然植被群落评价参照系的筛选及评价指标构建一直是国内学术界的难题，针对矿山近自然植被群落评价参照系筛选方法还处于探索阶段、评价指标至今不统一。本研究围绕矿山人工植被—土壤恢复，提出了筛选评价参照系所遵循邻近性原则、相似性原则、稳定性原则等，确保被评价对象与评价参照系之间的互相关联作用；提出了矿山近自然植被群落评价参照系构建的步骤，将待评价矿山地块的地形、坡度、坡向、土壤等微立地条件特征，作为在矿山周围选择评价参照系地块的首要条件，在此基础上在矿山周边选择代表性、人为干扰少的近自然植物群落作为评价参照系，具体明确细化了评价参照系构建的路径。结合矿山人工植物—土壤恢复特征，筛选出植被因子指标主要包括植被覆盖度、生物多样性指数、植被生活型构成等，土壤因子指标主要包括有机质含量、土壤pH等开展恢复效果评价，上述指标能够反映植被一土壤恢复的组分和结构特征，在现实中指标可获取。

　　3)通过对采石场坡面植被修复效果进行4次植被—土壤系统调查监测，评价结果表明人工恢复7a后植被覆盖度逐年降低且与近自然植被群落盖度接近，生物多样性指数增加，植物群落从草本型逐渐演替为灌草型，主要是恢复演替中先锋草本植被逐渐被灌木物种取代，群落内乡土物种数逐渐增多等原因造成，符合群落演替特征；土壤有机质和pH值低于参照系水平，但不影响植物生长。从案例应用表明，该评价结果能客观反应不同阶段植物—土壤的恢复实际情况及与最优状况的距离；评价指标具有较好的普适性、评价参照系可替代常规评价标准的缺失性、评价方法具有实操性，验证了该评价技术体系应用的可行性。

　　摘自《测绘科学》2023年第5期