矿山资源作为我国主要的工业原料，是提高国防实力，推动经济不断发展的关键保障^[1]。煤矿是一种常见的矿产资源，其开采和加工对于现代工业具有重要的意义。然而，由于在长期的矿山开发利用过程中，忽视生态环境保护、不重视矿山生态恢复治理，矿山开采也为生态环境带来巨大压力。大量的矸石堆积形成矸石山，不仅会占用大片土地，其自燃还会产生有害气体进而污染空气，煤矸石中遗留的污染物迁移转化也会污染周边水体和土壤，阻碍农业发展、危害居民身体健康^[2]。

煤矸石山污染治理工作已迫在眉睫，然而，目前尚无理想的煤矸石山治理和恢复措施。多数研究主要集中于煤矸石山自燃治理^[3]，也有部分研究对煤矸石山边坡稳定性进行分析^[4]，但相较于工程治理方法，植被恢复法具有花费低、方便高效等优点，也是煤矸石污染问题采取的主要方法。植被恢复不仅能有效控制大气污染、杜绝SO₂、CO、H₂S等有害气体的排放，还能促进土壤的结构与肥力以及土壤微生物与土壤动物的恢复，从而促进整个生态系统的结构与功能的恢复与重建^[5-7]。植被恢复方法又分为两种类型，即自然修复和人工修复法^[8]。由于自然恢复是极其缓慢的过程，所以有关人工修复的研究更多一些^[9]。而国内大多数矿区矸石山植被恢复的研究多集中在植物种的筛选^[10]、植被恢复模式的优化及选择^[11]、植被动态和植被恢复技术和机制^[12]、微生物复垦技术^[13]等方面。

乌海煤炭开采已有百余年历史，遗留大量的矸石山。因此，笔者以内蒙古乌海市海勃湾区矿山环境综合治理试点项目为例，探索内蒙古乌海市矿山边坡生态修复的可用技术，为后续的矿山生态修复工作提供借鉴和参考。

1 研究区概况

该研究区域位于乌海市海勃湾区京海电厂东侧齐峰矿区，属半沙漠干旱高原大陆性气候区，年平均气温9.6 ℃，年平均降水量166.9 mm，年蒸发量3 500 mm，地区土壤类型主要为沙壤土、棕钙土、灰漠土等。地带性植被以荒漠植被型、干旱草原植被型为主，植被覆盖率较低，以苜蓿(Medicago sativa)、斜茎黄芪(Astragalus laxmannii)、艾(Artemisia argyi)、白莲蒿(Artemisia sacrorum)、高羊茅(Festuca elata)、狗娃花(Heteropappus hispidus)、苇状羊茅(Festuca arundinacea)等为主，这些灌木草本植物对于护坡具有重要作用。

2 材料与方法 2.1 样地设置

本研究于2016年6月进行开展，首先进行人工整坡，每个人工修复处理坡面长度在26~36 m，平均坡度为37°，坡面之间与山体坡脚处都铺设由一层土工袋构筑有的柔性坡脚固土措施。边坡覆土土壤均来自矿区周边的土壤。后对矸石山边坡进行不同人工修复处理(表 1)，2017年8—9月对4种修复技术的人工修复边坡开展调查工作。

2.2 野外调查与样品采样

因调查边坡为小灌木及草本绿化措施区，草本密度较高，因此在调查区内的上坡位、中坡位以及下坡位各设置1个2 m×2 m的样方，同时测定各样方内植物种类、高度、盖度、株数等指标，并对其中生物量及枯落物进行收集，称量鲜质量，并带回实验室烘干测量干质量。

土壤样品的采集，在每个样方中心设1处土壤样点，除去凋落物、表层腐殖质、植物根系等杂物，利用环刀法在0~30 cm深的土层中取土样，将样品带回实验室分析，于室内风干、研磨用于测定土壤含水量、孔隙度等土壤物理性质。

2.3 室内实验与计算

1) 物种多样性指数的计算^[14]

重要值：

$ I_{\mathrm{v}}=\frac{\left(D_{\mathrm{r}}+F_{\mathrm{r}}+P_{\mathrm{r}}\right)}{3} \times 100 \% \text { 。} $

(1)

式中：I_v为重要值，%；D_r为相对密度；F_r为相对频度；P_r为相对盖度；D_r、F_r、P_r量纲均为1。

Shannon-Wiener多样性指数：

$ H^{\prime}=-\sum\limits_{i=1}^S P_i \ln P_{i}。$

(2)

式中：H′为Shannon-Wiener多样性指数；S为样方植物总种数；P_i为第i种植物的株数与植物群落总株数量的比值；H′、P_i量纲均为1。

Margalef丰富度指数：

$ D^{\prime}=\frac{S-1}{\ln N}。$

(3)

式中：D′为Margalef丰富度指数，量纲为1；N为样方内全部物种的个体总数量。

Pielou均匀度指数:

$ J_{\mathrm{e}}=\frac{H^{\prime}}{H_{\max }^{\prime}}=\frac{H^{\prime}}{\ln S^{}}。$

(4)

式中：J_e为Pielou均匀度指数；H′_max为该物种Shannon-Wiener多样性指数最大值；量纲均为1。

Simpson优势度指数：

$ D=\sum\limits_{i=1}^S N_i\left(N_i-1\right) / N(N-1) 。$

(5)

式中：D为Simpson优势度指数，量纲为1；N_i为样方内物种i的个体数量。

2) 植被盖度提取^[15]

$ F=\frac{N_{\mathrm{p}}}{M_{\mathrm{p}}} \times 100 \% 。$

(6)

式中：F为植被覆盖度，%；N_p为选取具有特定特征的植物像素；M_p为坡面主体总像素；N_p、M_p量纲均为1。

3) 水土保持能力相关指标计算^[16]

地上植被持水量：

$ W_{\mathrm{v}}=\left(M_1-M_0\right) / 100 A。$

(7)

式中：W_v为地上植被持水量，t/hm²；M₁为植被吸水后的质量，g；M₀为植被鲜质量，g；A为样方面积，m²。

枯落物蓄积量：

$ W_{\mathrm{L}}=\frac{M_{\mathrm{K} 1}-M_{\mathrm{K} 0}}{100 A} 。$

(8)

式中：W_L为枯落物蓄积量，t/hm²；M_K1为枯落物浸水24 h后质量，g；M_K0为枯落物鲜质量，g。

4) 熵值法- TOPSIS模型的计算^[17]权重。

$ e_j=\frac{1}{\ln m} \sum\limits_{i=1}^m y_{i j} \ln y_{i j}。$

(9)

式中：e_j为第j个评价指标的熵值，量纲为1；m为评价指标的数量；y_ij为第i个指标的第j个归一化值，量纲为1。

$ w_j=\frac{1-e_j}{n-\sum\limits_{j=1}^n e_j} 。$

(10)

式中：w_j为各指标的熵权，量纲为1；n为被评价指标的数量。

TOPSIS法计算理想解贴近度:

$ Z^{+}=Z_{i j \max } ; $

(11)

$ Z^{-}=Z_{i j \min } ; $

(12)

$ C_i=\frac{D^{-}}{D^{+}+D^{-}} $

(13)

式中：Z⁺为通过权重计算得到最优解；Z_ijmax为第i个指标的第j个平方和归一化最大值；Z^-为通过权重计算得到最劣解；Z_ijmin为第i个指标的第j个平方和归一化最小值；C_i为每个评价对象与最优解的接近程度；D⁺为每个评价指标与这些解之间的正向理解距离，D^-为每个评价指标与这些解之间的负向理解距离。量纲均为1。

2.4 数据分析

利用Excel 2021记录实验数据，用单因素方差分析比较不同修复技术之间数据的差异性，检验水平为α=0.05；利用SPSS 24.0软件进行数据分析，利用Origin 2022软件绘图。

3 结果与分析 3.1 不同修复技术下的植被恢复效果 3.1.1 物种组成及重要值

研究区4种修复类型植被的调查结果如表 2所示，由结果可知，本研究区内植物种以菊科、豆科植物种最多。这与刘莹等^[14]在乌海矿区边坡植被物种多样性及群落稳定性的研究结果是一致的，表明在条件相对恶劣的环境下豆科及菊科植物生长状况良好，适应能力较强。而研究区人工修复采取灌草混交的种植方法，但在实际调查中灌木生长并不理想，主要以草本植物为主。珊丹等^[18]对煤矿植物群落特征研究表明，人工修复边坡植物种类单一，以1 a生、2 a生草本植物为主，这与本研究结果相似。从各类修复技术上看，Ⅰ仅有6种植物生长，且斜茎黄芪、披碱草和艾的重要值较高，说明此技术方案对以上植物种的生长有所改善。Ⅱ中山刺玫、斜茎黄芪、米蒿等植物适应性较好，但其他植物的生长表现不够理想。Ⅲ植物种数量最多，为14种，并对斜茎黄芪、猪毛蒿、白莲蒿等植物的生长有着积极作用。Ⅳ能够促进苜蓿、山刺玫、披碱草等植物的生长。

3.1.2 植被生长特征

由于调查坡面灌木层正处于生长初期，灌木层、草本层分层差异并不显著，因此只进行灌草平均株高的统计分析。根据图 1可知，在本研究中，灌草植被平均高度在31.65~ 53.39 cm之间，修复技术Ⅱ灌草高度显著高于其他修复技术。且利用Photoshop软件中的“色彩范围”功能来选取具有特定特征的植物像素，并根据所选像素占坡面主体总像素的比例计算照片区域内的植被覆盖度(表 3)。各样地植被覆盖度如图 1所示，其不同修复类型坡面中，人工修复坡面植被覆盖度(Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ)>自然修复坡面(Ⅰ)，人工修复坡面植被覆盖度均≥75%。总体而言，人工修复技术可以显著提高坡面植被覆盖度，并对植被生长起到积极的作用。这与蒋云清等^[19]研究结果是一致的，他们也认为短期内以人工修复技术为主的植被恢复优于原地的自然植被恢复。

3.1.3 物种多样性指数

如图 2所示，本研究各修复技术中，Shannon-Wiener多样性指数、Margalef丰富度最大的分别为Ⅳ(2.07)、Ⅲ(2.24)，且Ⅱ和Ⅲ的Shannon-Wiener多样性指数、Margalef丰富度与Ⅳ、Ⅰ之间存在显著差异。Simpson优势度指数Ⅱ(0.86)与Ⅳ(0.89)存在较高水平，Pielou均匀度指数Ⅱ(0.22)与Ⅰ(0.24)存在较高水平，但各修复技术之间差异性不显著(图 2)。总体来看，自然修复坡面(Ⅰ)物种多样性指数低于各人工修复坡面(Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ)，表明人工修复可以提高坡面的生物多样性，人为的对已被破坏的生态系统进行正向干预可能比自然恢复更有效地促进生物多样性的恢复。石占飞^[20]对植物群落α多样性研究表明，人工修复技术下，物种多样性指数在短期内呈上升趋势，这与本研究结果相似。王琼等^[21]研究也表明，在恢复初期自然修复物种种类较少、群落多样性与均匀度较低。表明，人工修复坡面的物种多样性指数要高于自然修复坡面，说明修复坡面生态系统时，人工干预可以提高物种多样性指数的恢复效果。

3.2 不同生态修复下的水土保持效果

如表 4所示，本研究中植被层持水量最大的为Ⅳ，可能是由于Ⅳ的植被覆盖度最高，对植被持水量起到积极作用。而饱和持水量最大的为Ⅲ，说明Ⅲ可以增加坡面的饱和持水量，其原因可能是生态袋可以促进水分在土壤中的滞留和渗透，从而增加土壤的水分含量。毛管孔隙是土壤水分主要的流通通道，供给植物吸收水分并保持土壤水分动态平衡，进而实现水土保持。在本研究中Ⅳ毛管孔隙度最大，说明Ⅳ在毛管孔隙度方面相较于其他修复技术具有一定的优势。而土壤有机质作为土壤养分的主要来源之一，可促进土壤结构性和水稳性团聚体的形成，进而影响土壤孔隙状态和水气比，提高土壤的保肥能力和缓冲性能。本研究Ⅲ土壤有机质含量最高，其次为Ⅳ，Ⅱ，最低的为Ⅰ。说明蜂巢格室、生态袋技术对改善土壤有机质有着较好的效果，王丽艳等^[22]研究表明，在矸石山人工修复相较于自然修复能显著改善土壤的理化性质，加速土壤的改良进程，这与笔者研究结果相似。

3.3 不同修复技术生态恢复效果综合评价 3.3.1 评价指标选取

本研究从植被恢复效果、水土保持效果2方面分别选取指标为Shannon指数、Pielou指数、Simpson指数、Margalef指数、植被覆盖度、植被最大持水量、土壤饱和持水量、土壤毛管孔隙度和土壤有机质，共计2类9个指标(表 5)。

3.3.2 综合评价指标标准

矸石山生态修复指标评价标准应该综合考虑多个生态指标，以评价矸石山修复生态系统的健康状况和生态恢复效果。各评价指标标准参考土壤农化分析(第3版)、第2次全国土壤普查评级、SL190—2007《土壤侵蚀分类分级标准》以及相关研究文献，按照优秀、良好、一般、差4级设立分级标准(表 6)。

3.3.3 确定评价指标权重

熵值法(EEM，entropy evaluation method)是根据指标信息熵的大小对指标客观赋权的一种方法，信息熵越小，说明该指标的离散程度越大，所含的信息就越多，因此赋予的权重也就越大。因此，在本研究中使用熵值法确定指标权重(表 7)。

3.3.4 TOPSIS模型评价

如表 8所示，修复技术Ⅳ在该地区的修复效果是最好的，原因是蜂巢格室能够提供良好的生长环境，促进植物生长，同时也具有良好的水土保持效果。其次，Ⅲ和Ⅱ在综合评价方面也表现不错，具有适宜的植物生长环境和良好的水土保持效果。而Ⅰ相较于其他3种，修复效果较差。

4 讨论

本研究区内植物种中以菊科、豆科植物种最多，且多以草本植物为主。这与刘莹等^[14]在乌海矿区边坡植被物种多样性及群落稳定性的研究及珊丹等^[18]对煤矿植物群落特征研究结果相似，表明在条件相对恶劣的环境下豆科及菊科植物生长状况良好，适应能力较强。蒋云清等^[19]认为短期内以人工修复技术为主的植被恢复优于原地的自然植被恢复，这与笔者研究结果是相似的。在本研究中修复技术Ⅳ的植被覆盖度最高，其原因可能是蜂巢格室可以提供良好的种子藏匿和根系固定功能。这对于植被的生长非常重要。而保水植被毯及生态袋拦挡所采用的天然纤维材料可能会影响植被的生长发育，从而使得植被覆盖度较蜂巢格室修复技术低。仅覆土+撒播草籽的能力很有限，适合植被生长的土壤容易受到外力的侵蚀，缺乏足够的保护和支撑，导致植被覆盖度更低。在物种多样性指数方面，人工修复坡面(Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ)的物种多样性指数高于自然修复坡面(Ⅰ)，说明在修复坡面生态系统时，人工干预可以提高物种多样性指数的恢复效果^[23]。这可能是因为人工修复技术通常包括引入多样化的植物群落、改善土壤质量和水分利用等方面的措施，从而创造出更适合物种生存的环境。相比之下，自然修复坡面通常受到多种环境压力的影响，例如物种侵袭、土地沙漠化、水资源匮乏等。这些环境障碍会限制物种多样性的恢复和生境质量的改善。总之，对于保护和恢复生态系统，人工修复技术是一种有效的方法，但必须在综合考虑环境因素和可持续发展原则的基础上进行规划和实施。

水土保持能力是矿山废弃地生态修复中至关重要的一环。它对于维护生态平衡、促进土地恢复和改善环境质量具有极其重要的作用。王丽艳等^[22]研究表明，矸石山人工技术修复措施能显著改善土壤的理化性质，加速土壤的改良进程，这与笔者研究结果相似。笔者发现不同技术修复方式下植被类型分布于同一气候和地质背景条件下，但它们表层土壤水土保持能力存在差异，表明不同修复模式对土壤改良作用存在差异，也说明煤矸石山植被对土壤的改良效果是不可忽视的^[22-23]。在本研究中，植被持水量最大的为Ⅳ，笔者认为其原因是由于Ⅳ的植被覆盖度最高，进而对植被持水量起到积极作用。而饱和持水量和土壤有机质最高的是Ⅲ，这也是可以被解释的，因为生态袋一方面可以促进水分在土壤中的滞留和渗透，从而增加土壤的水分含量。另一方面生态袋内部的材料也可以作为有机质来源，为土壤提供养分和能量，促进土壤微生物群落的发展，进而促进土壤有机质的积累。而毛管孔隙度最大的是Ⅳ，可能是由于Ⅳ植被持水量较高从而使得水源涵养量高于其他修复技术，因此毛管孔隙度也高于其他修复技术。而自然修复过程中，上述指标均低于人工修技术。所以笔者认为人工修复技术能够增加土壤与植被的持水能力与土壤理化性质的能力。

5 结论

1) 本研究区内植物种以菊科、豆科植物种最多，且多以草本植物为主。表明在煤矸石边坡修复过程中豆科及菊科植物生长状况良好，适应能力较强。

2) 人工修复技术相较于自然修复不仅可以增加植被株高、覆盖度和物种多样性指数，而且人工修复技术增强土壤与植被的持水能力和土壤理化性质的能力，说明在修复坡面生态系统时，人工干预可以提高植被的恢复能力。另一方面，人工生态修复措施和材料能够为土壤提供良好的保护和保水保肥的效果，有利于防止水土流失和侵蚀。

3) 在本研究中，覆土+撒播灌草籽+蜂巢格室被评为最优的修复技术。这种修复技术提高植被覆盖度、植被持水量，对植被生长有着明显的积极作用。综合考虑多个修复指标，在研究区内具有较好的可行性，但也有一些不足之处。因此，在实际的生态修复工程中，需要根据具体情况综合考虑各项指标，选择最适合的修复技术，以达到最佳的生态修复效果。