两河源保护区位于46° 31'31.63″-48° 33'27.85″ N, 88° 57'56.61″-91° 04'05.90″ E, 分布有967种高等维管束植物。研究区库尔木图位于两河源保护区内, 海拔1 500~1 800 m, 年均温在-2 ℃左右, 降水量300~350 mm, 年蒸发量为838.3~1 469.6 mm。

研究区草地植被样方中共出现36种植物(表1), 分属17科36属; 其中一年生草本8种, 多年生草本25种, 灌木3 种。研究区环境特殊性造成多年生草本植物物种数目占总物种数目的比例相对较高, 多年生草本占69.44%, 一年生草本占22.22%, 灌木占8.33%。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 草地植被样方出现的植物 Table 1 Occurring species in the sample 科 Family 属 Genus 种 Species 生长特性 Growth characteristics 禾本科Poaceae 羊茅属Festuca 瑞士羊茅Festuca valesiaca 多年生草本Perennial herb 发草属Deschampsia 发草Deschampsia caespitosa 多年生草本Perennial herb 雀麦属Bromus 无芒雀麦Bromus intermis 多年生草本Perennial herb 早熟禾属Poa 早熟禾Poa annua 一年生草本Annual herb 看麦娘属Alopecurus 大看麦娘Alopecurus pratensis 多年生草本Perennial herb 异燕麦属Helictotrichon 异燕麦Helictorichon schellianum 多年生草本Perennial herb 菊科Asteraceae 蒲公英属Taraxacum 蒲公英Taraxacum mongolicum 多年生草本Perennial herb 苦苣菜属Sonchus 苦苣菜Sonchus oleraceus 一(二)年生草本 Annual or biennial herb 鼠曲草属Gnaphalium 无心草Gnaphalium affine 二年生草本Biennial herb 白酒草属Conyza 小蓬草Conyza canadensis 一年生草本Annual herb 蒿属Aetemisia 喀什蒿Artemisiakas chgaria 半灌木Subshrub 紫菀属Aster 高山紫菀Aster alpinus 多年生草本Perennial herb 凤毛菊属Saussurea 蒙新风毛菊Saussurea grubovii 多年生草本Perennial herb 豆科Leguminosae 车轴草属Trifolium 野火球Trifolium lupinaster 多年生草本Perennial herb 野豌豆属Vicia 野豌豆Vicia sepium 多年生草本Perennial herb 苜蓿属Medicago 黄花苜蓿Medicago falcata 多年生草本Perennial herb 蓼科Polygonaceae 酸模属Rumex 野波菜Rumex acetosa 多年生草本Perennial herb 蓼属Polygonaceae 高山蓼Polyonum alpinum 多年生草本Perennial herb 两栖蓼Polyonum amphlibium 多年生草本Perennial herb 蔷薇科Rosaceae 委陵菜属Potentilla 二裂委陵菜Potentilla bifurca 多年生草本Perennial herb 绣线菊属Spiraea 金丝桃叶绣线菊Spiraea hypericifolia 灌木Shrub 羽衣草属Alchemilla 西伯利亚羽衣草Alchemilla sibirica 多年生草本Perennial herb 十字花科Cruciferae 荠属Capsella 荠菜Capsella bursa-pastoris 一年生草本Annual herb 芹叶荠属Smelowskia 芹叶荠Smelowskia calycina 多年生草本Perennial herb 唇形科Labiatae 糙苏属Phlomis 山地糙苏Phlomis oreophila 多年生草本Perennial herb 野芝麻属Lamium 短柄芝麻Lamium album 多年生草本Perennial herb 车前科Plantaginaceae 车前属Plantago 大车前Plantago major 多年生草本Perennial herb 伞形科Umbelliferae 阿魏属Ferula 多伞阿魏Ferula ferulaeoides 多年生草本Perennial herb 罂粟科Papaveraceae 罂粟属Papaver 野罂粟Papaver nudicaule 一年生草本Annual herb 桔梗科Campanulaceae 沙参属Adenophora 齿叶沙参Adenophora stricta 多年生草本Perennial herb 藜科Chenopodiaceae 藜属Chenopodium 灰灰菜Chenopodium album 一年生草本Annual herb 毛茛科Chenopodiaceae 毛茛属Ranunculus 单叶毛茛Ranunculus monophyllus 多年生草本Perennial herb 报春花科Primulaceae 点地梅属Androsace 丝状点地梅Androsace filiformis 一年生草本Annual herb 紫草科Boraginaceae 勿忘草属Myosotis 森林勿忘草Myosotis sylvatica 多年生草本Perennial herb 木贼科Equisetaceae 木贼属Equisetum 节节草Equisetum ramosissimum 多年生草本Perennial herb 杨柳科Salicaceae 柳属Salix 高山柳Salix cupularis 小灌木Small shrub

表1 草地植被样方出现的植物 Table 1 Occurring species in the sample

在研究区选择地势较为平坦的区域布置6个500 m× 500 m的大样地, 各样地距离间隔1~3 km。先通过大型机械对样地进行机械推平, 再给样地周边添加围栏, 以免动物的践踏和啃食。在推平的基础上, 每个大样地有15种处理, 分别为:直接滴灌、漫灌和喷灌, 以及覆土、撒羊粪、撒种和补植后在不同灌溉方式下的处理; 对照为未采取任何措施的废弃矿区和未受干扰的原始草地(因样地内无原始草地, 故原始草地样方取自附近的原始草地), 每个处理6个重复, 共102个小样地。

本研究于2012年5月15日进行覆土、撒羊粪、补植(黑加仑)、补种。同年6月15日进行滴灌、漫灌和喷灌。同年7月15日引入羊群驻扎(做好临时羊圈的围栏防护, 避免对样地造成干扰)。人工恢复措施的具体实施方法如表2所示。

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 人工恢复措施及具体实施方法 Table 2 Artificial recovery measures and specific implementation 恢复方向 Recovery direction 人工恢复措施 Artificial recovery measures 代码 Code 具体实施方法 Specific implementation 地形措施 Topographic measures 推平 Bulldozed A 利用推土机将起伏小的区域推平, 深沟或高坡区域利用装卸设备进行平整, 包括精推平和简单推平。 Use of bulldozers bulldozed in the rolling area, and use the handling equipment the deep trench or bivouac area is flat and level.Including carefully bulldozed and simple bulldoed. 灌溉措施 Irrigation measures 滴灌 Drip irrigation B1 采用拉滴灌带的方式对地表进行灌溉。 Use drip tape pull manner of surface irrigation. 漫灌 Flooding B2 即洪水漫溢, 洪水漫溢到周边时, 人工将含有泥沙土块的洪水引至试验区进行灌溉。 Overflowing flood, flood overflowing into the surrounding, the artificial flood sediment containing clods lead to the testing area for irrigation. 喷灌 Sprinkler irrigation B3 因滴灌费用较高, 漫灌对某些地势陡峭的矿区作用不大, 所以采用土壤、水混合后喷洒到平整矿区地表的方式。 Because of the higher cost drip irrigation, flooding some steep terrain had little effect on mine, so mine will be sprayed onto a flat surface soil and water mixture. 土壤措施 Soil measures 覆土 Covering with the soil C1 在试验区周边获取土壤, 均匀覆盖在废弃矿区地表1~2 cm。 The soil was collected from the surrounding area of the test area, and uniform coverage of the surface at 1~2 cm. 撒羊粪 Sheep dropping C2 从牧民家中获取羊粪, 均匀覆盖在废弃矿区地表1~2 cm。 The sheep manure from the herdsmen, and uniform coverage of the surface at 1~2 cm. 生物措施 Biological measures 撒种 Sowing seed D1 收集当地植被种子, 并将其播撒在试验区内相应的区域。 The seeds of the local vegetation were collected and spread in the corresponding area of the test area. 补植 Replanting D2 在5月-9月中旬, 采用2~3年扦插苗的方法人工种植黑加仑。 In the middle of May to September, artificially planted black currants and the implementation of 2 to 3 years cutting seedling method. 其他措施 Other measures 羊群驻扎 Sheep stationed E 每年7月-8月, 引导牧民将羊圈驻扎在平整后的试验区15~20 d。 Guide herdsmen stationed in the flat after the flock of experimental area 15 to 20 days in July to August each year. Note:Artificial recovery measures were represented by its code, in the figure below. 注:下文图中, 人工恢复措施用代码表示。

表2 人工恢复措施及具体实施方法 Table 2 Artificial recovery measures and specific implementation

样地每年7月底, 以梅花点设样方法进行1 m× 1 m样方的地表植被调查。样方内植被调查指标有:植物种类、每种植物个体数、植被盖度、每种植物高度和冠幅^[2]。地上生物量对于研究草食动物的环境容纳量、草地植被恢复是必不可少的定量指标^[3], 生物量测定是将1 m× 1 m样方内, 所有地表植被齐地剪掉并称其鲜重。

土壤调查指标是土石比, 即体积为50 cm× 50 cm× 50 cm中的土壤质量与石头质量之比(用孔径2 mm的土筛)。

统计1 m× 1 m样方内的所有植被指标, 并计算同种处理(包括对照)相同指标内6个重复的平均值, 即可求出原始草地、废弃矿区和灌溉下植被的物种数(即植物种类)、盖度和土石比等指标。

植被多样性指数计算如下^{[3, 4]}:

Simpson优势度指数D₁=1-∑ Pi2;

式中:P_i是物种相对重要性 (由频率计算出)。物种相对重要性的计算公式为:

P_i=W_i/W;

式中:W_i是物种i的个体数, W是样方内所有物种的个体数。

Shannon-Wiener指数H'=-∑ Pi2lnP_i;

式中:P_i为属于种i的个体在全部个体中的比例。

Pielou均匀度指数J=H'/lnS;

式中:H'是Shannon-Wiener指数, S是样方内的物种数。

数据统计分析及作图用Excel和SPSS 17.0完成, 用Duncan多重比较检验差异显著性, 显著性水平为0.05。

两河源采金矿区地表受到破坏后, 其地表植被物种数显著低于原始草地(P< 0.05), 利用人工灌溉对废弃矿区进行恢复, 灌溉区的植被物种数显著高于废弃矿区(P< 0.05)(图2), 表明灌溉对采金废弃矿区植被物种的恢复具有一定促进作用; 但灌溉后的物种数与原始草地物种数仍然有明显差距, 表明单一的水分补给对植被的恢复作用还不够。

废弃矿区采取人工灌溉措施后, 样地内的土石比显著增加(P< 0.05)(图2), 说明单位体积内土壤含量有所增加, 即人工灌溉措施对采金矿区土壤恢复有促进作用。

图2

Fig.2

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	图2 灌溉后与废弃矿区物种数及土石比Fig.2 Effect of irrigation on number of plant species and the soil to stone ratio

得知灌溉对地表植被及植被的立地生存条件均有改善作用后, 从滴灌、漫灌、喷灌3种不同灌溉方式出发, 分析不同灌溉方式对采金废弃矿区地表植被及土壤环境的影响(图3)。

图3

Fig.3

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	图3 不同灌溉方式下植被多样性指数与土石比Fig.3 Comparison of vegetation diversity index and soil to stone ratio under different irrigation

漫灌条件下的Simpson、Shannon-Wiener和Pielou指数均最高, 其次为喷灌, 滴灌最低; 漫灌条件下土石比最大, 显著高于喷灌和滴灌(P< 0.05), 其土石比分别为滴灌和喷灌的19.1和4.7倍。

灌溉措施中, 漫灌的植物多样性指数相对较高、土石比也相对较大, 研究区植被恢复对单增水条件的响应不大, 废弃矿区可能更缺乏土壤母质。因此, 对废弃矿区地覆土1-2 cm, 然后再比较不同灌溉方式对植被多样性及土石比的影响(图4)。

覆土后, 漫灌下的Simpson、Shannon-Winner和Pielou指数均最高, 其次为喷灌和滴灌; 漫灌下土石比最高, 其土石比分别较滴灌和喷灌高出38.0%和33.1%(图4)。

图4

Fig.4

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	图4 覆土后不同灌溉方式下植被多样性指数与土石比Fig.4 Comparison of vegetation diversity index and soil to stone ratio after soil covering under different irrigations

考虑到采金对研究区地表的破坏, 不仅是土壤母质的缺乏, 可能更缺乏养分, 现分析废弃矿区在撒羊粪处理后, 不同灌溉方式下植物多样性指数及土石比特征(图5)。撒羊粪后, Simpson和Pielou指数的最大值均出现于漫灌方式; 其次为喷灌、滴灌, 其土石比分别较滴灌和喷灌高出21.7%和11.4%; 再一次证明漫灌对矿区植被恢复和土壤恢复均有促进作用。

图5

Fig.5

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	图5 撒羊粪后不同灌溉方式下植被多样性指数与土石比Fig.5 Comparison of vegetation diversity index and soil to stone ratio after soil covering under different irrigations

在人工补种的基础上比较不同灌溉方式下植物多样性及土石比(图6)。人工补种下植被的Simpson、

Shannon-Wiener和Pielou指数及土石比在漫灌方式下最高; 撒种后, 漫灌处理下的土石比分别较滴灌与喷灌高8.9%和8.5%。

图6

Fig.6

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	图6 补种后不同灌溉方式下植被多样性指数与土石比Fig.6 Comparison of vegetation diversity index and soil to stone ratio after spreading seed under different irrigations

在人工补植黑加仑后, 除Simpson指数以外, 其它多样性指数及土石比在漫灌方式下最高, 且漫灌方式下的土石比分别较滴灌和喷灌高出24.2%和2.9%(图7)。

图7

Fig.7

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	图7 补植后不同灌溉方式下植被多样性指数与土石比Fig.7 Comparison of vegetation diversity index and soil to stone ratio after replanting under different irrigations

根据各种单措施的最低需求, 在恢复前期进行不同程度的推平, 并在推平的基础上计算各单措施的经济投入(表3)。

表3

Table 3

表3(Table 3)

表3 基础成本投入 Table 3 Basic costs 措施 Measure 成本Cost/CNY· hm-2 精推平 Carefully bulldozed 一般推平 General bulldozed 简单推平 Simple bulldozed 其它成本 Other costs 总成本 Total cost 滴灌Drip irrigation 90 000 0 0 22 500 112 500 漫灌Flooding 0 0 4 500 450 4 950 喷灌Sprinkler irrigation 0 37 500 0 5 400 42 900 覆土Covering the soil 0 37 500 0 24 000 61 500 撒羊粪Sheep dropping 0 37 500 0 3 750 41 250 补种Sowing seed 0 37 500 0 4 500 42 000 补植Replanting 90 000 0 0 25 500 115 500

表3 基础成本投入 Table 3 Basic costs

由于采金过程对地表、地形改变较大, 生成几十米的深坑、沟壑, 需在实施恢复措施前期, 将深坑、沟壑填埋, 以创造较为平整的地形, 提高植被、土壤的修复速率。其中滴灌和补植对地面平整有较高要求, 采用精推平措施; 虽砾石废矿堆对漫灌的影响不大, 但为方便引进河水, 还需简单推平。

叠加措施的成本以每一项措施投入之和计算, 计算过程中, 地表推平的成本不进行重复计算。将每项人工措施成本进行统计, 除以其中的最大值, 以完成各措施的成本归一化处理, 得到不同措施经济投入的成本系数(图8)。

不同灌溉方式下成本从大到小依次为滴灌> 喷灌> 漫灌, 从而证明了3种灌溉方式中, 漫灌对矿区恢复的意义重大。滴灌对地形要求严格, 造成成本过高, 恢复效果却不及漫灌和喷灌, 因此采金矿区的人工恢复中不建议采取滴灌补水; 高成本的措施中, 除与滴灌有关的措施外, 与人工补植有关的措施成本也较高, 相关措施下的植物多样性指数不高、土壤含量低, 因此也不建议用于采金矿区恢复。

图8

Fig.8

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	图8 不同人工措施下的经济投入比较Fig.8 Comparison of economic input of different measures

综上分析, 在采金废弃矿区的恢复中可将漫灌、漫灌+覆土、漫灌+撒羊粪、漫灌+补种4种措施重点考虑, 既可较好地促进地表植被多样性恢复, 又可增加土壤含量、提升植被生长立地条件, 但与漫灌有关的措施均受地理位置的限制, 需位于距离河流较近时才能确保低成本、高效益的目标; 鉴于此, 其它措施如喷泥浆、喷灌+覆土、喷灌+撒羊粪、喷灌+补种, 却不受地理位置的限制, 因此, 在实际恢复中, 覆土、撒羊粪和人工撒种均是可行的人工恢复措施。

库尔木图矿山淘金的采挖行为导致土地结构彻底颠覆、地形完全改变; 开采所产生的矿渣堆积在原始草地表面, 改变了土壤结构和质地; 矿石在捣碎、淘洗过程中土壤母质被冲走、土壤有机质消失, 造成植被生存困难。

经过多年自然恢复, 发现10年内矿区废弃地无任何变化, 这与国外矿山废弃地自然恢复过程需要几十年到一个世纪以上的研究观点一致^{[5, 6, 7]}; 对矿区只进行地表平整, 在4~5年自然恢复中, 物种数只有2~3种, 植被覆盖度不到8%, 地表植被恢复极为缓慢。由此说明, 金矿开采所造成的强烈干扰远远超出了生态系统本身的自我恢复能力, 因此, 采金废弃矿区只靠自然恢复不可取, 应加以人工措施辅助其恢复, 加快植被生态演替过程。

施肥可以增加土壤的有效资源, 改变植物地上、地下的竞争强度, 也会引起植物群落多样性格局的变化^{[8, 9, 10]}。有些研究得出土壤养分的增加会引起植物多样性的增加^[11], 施氮后物种丰富度比不施肥提高42.9%^[12]; 有些研究结果则显示施肥会显著降低物种丰富度^{[13, 14]}; 还有研究认为土壤养分的增加并未引起草地群落植物多样性的明显变化^{[15, 16, 17, 18]}。而本研究中撒羊粪这一措施对草地植被的恢复起到了一定的促进作用, 增加了物种数, 提高了地表植被与原始草地的相似性。

覆土、撒羊粪等措施为破坏矿区增加了土壤母质, 提高了土壤肥力, 当地大多以放牧为生, 采用便捷的羊群驻扎方式可为当地植被恢复创造良好的土壤条件。建议矿区开采初期, 将地表土壤储存, 以解决修复过程中山区取土难、花费大等问题, 也可避免就地取土造成的二次破坏。考虑到废弃矿区地表砾石堆积, 覆土后土壤很容易漏至石缝中而不易留在地表, 可将喷泥浆技术用于地表土壤修复。

覆土措施使研究区物种数显著增加, 覆土措施为植被的生长提供了土壤母质。原始草地植被中多年生和一年生草本植物大概分别占60%和40%, 而覆土和撒羊粪后, 一年生草本比例下降(仅占14%~16%), 由多年生草本和灌木所代替。引起群落结构改变可能主要是覆土和撒羊粪过程中带来的土壤种子所引起的, 另一方面也说明了土壤种子库的恢复潜力, 连仲民等^[18]的研究也证明了这一点。

单一的覆土只能对研究区土壤母质进行补充, 单一的灌溉只能对土壤水分进行补充, 单一的撒种也只能起到补充种源的作用, 单一措施的弊端很明显。而多种措施相结合, 从水、土、气、生物和地形等多方面进行金矿废弃地的生态恢复, 可达到相辅相成的目的, 但更多结果尚需更深入的研究和探讨, 有研究认为矿区恢复中应注重水、肥耦合作用发挥的重要性^{[19, 20]}。

就库尔木图开矿方式而言, 将废弃矿区恢复至原貌, 就必须以地表平整为基础, 相对而言, 某些本身地势平坦的矿区即可省去这一 环节, 减少其成本。在本研究中, 简单推平的样区有部分凹凸不平的微地形, 低凹处的植被土壤恢复效果较好, 有形成斑块状蔓延式恢复的趋势, 是一个新的发现, 在后续的恢复工作中, 项目也将发展简单推平作为生态修复的基础进行推广, 其特点为成本低, 耗时短, 虽初期效果不明显, 但后期优势将逐渐显现, 实际操作性强。