于 娜，董寬虎

（1.山西省林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院園林系，山西太原030009；2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院，山西太谷030801）

煤炭資源作為山西省主要的能源之一，其開發(fā)對我國國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會發(fā)展起到了極其重要的支撐作用。但采礦導(dǎo)致植被破壞，土壤性質(zhì)發(fā)生了很大變化，造成當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境惡化[1-2]。利用抗逆性強(qiáng)的草灌物種，可以有效地控制水土流失，改善土壤有機(jī)質(zhì)含量，從而改善生態(tài)環(huán)境。

太原市東山地區(qū)煤礦具有煤層位置淺、分布廣泛的特點(diǎn)，所以，在20世紀(jì)初遭遇了大規(guī)模的露天開采以及瘋狂的私挖亂采，使巖石、土壤、煤矸石等物質(zhì)發(fā)生大規(guī)模的遷移和堆積，植被破壞，從而形成各種立地條件，并隨之帶來一系列的生態(tài)環(huán)境問題。總體來看，生態(tài)破壞后形成的礦區(qū)廢棄地的恢復(fù)過程分為人工恢復(fù)和自然恢復(fù)兩類。目前，人工重建植被是快速恢復(fù)復(fù)墾地生態(tài)功能、防止生態(tài)環(huán)境進(jìn)一步惡化的重要途徑[3]，不少學(xué)者已進(jìn)行了研究[4-7]，但針對礦區(qū)自然恢復(fù)下的植被演替特點(diǎn)、群落結(jié)構(gòu)變化的研究卻較少。

筆者對太原東山煤礦廢棄地的生態(tài)自然恢復(fù)下的物種多樣性進(jìn)行調(diào)查并探討其演變規(guī)律，為今后人工恢復(fù)礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)提供科學(xué)依據(jù)[8-9]。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

太原東山位于 112°45.774′E，37°54.530′N。境內(nèi)無河流，地下水位較低，主要依賴大氣降水，年平均氣溫10.1℃左右，最冷1月平均氣溫-14.6℃，最熱7月平均氣溫24.4℃。年均降水量462 mm左右，年蒸發(fā)量1 877 mm。區(qū)域氣候?qū)倥瘻貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候區(qū)，氣候溫和，四季分明。研究區(qū)地帶性土壤多煤矸石、碎石，砂粒、土壤母質(zhì)、母巖組成，少土和少肥，植被自然恢復(fù)較困難。

1.2 樣地調(diào)查

于2016年4月對太原東山地區(qū)已關(guān)閉采煤礦區(qū)進(jìn)行了篩選，以確定不同關(guān)停年份、不同礦區(qū)類型，最終選擇了關(guān)閉年限11～22 a不等的10個廢棄礦區(qū)作為研究對象（表1）。

表1 樣地基本情況

1.3 研究方法

每個樣地采用“梅花五”式設(shè)置大樣方，即四角和中間共設(shè)立5個（10 m×10 m）大樣方，樣方內(nèi)全部采樣調(diào)查了解礦場內(nèi)植被自然恢復(fù)情況，共設(shè)置有代表性的68個（5 m×5 m）灌木樣方和137個（1m×1m）草本樣方，分別于2016年7月和2017年7月進(jìn)行2次灌木和草本的調(diào)查和復(fù)核，調(diào)查時記載每樣植物的編碼、植物名稱、株高等指標(biāo)以及植物的生長狀況，同時測定群落學(xué)特征，如群落主要種類組成、蓋度、頻度等。

采用 Simpson指數(shù)（D）、Shannon-Wiener指數(shù)（H）、Pielou均勻度指數(shù)（J）進(jìn)行物種多樣性的計(jì)算[10-11]。

式中，S為樣地中的物種總數(shù)；Pi為群落內(nèi)第i種的重要值；N為樣方中各物種多度指標(biāo)總和；Ni為第i個種的多度。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用Excel和SPSS 13.0統(tǒng)計(jì)軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 礦區(qū)植物群落的物種構(gòu)成分析

東山采礦區(qū)的植被自然演替過程中共出現(xiàn)高等植物121種，分屬于43科86屬。其中，喬木共有3科3屬4種，分別為榆科榆屬白榆、楊柳科小葉楊和山楊、薔薇科山杏；半灌木共有2科2屬5種，分別為豆科胡枝子屬達(dá)烏里胡枝子、細(xì)梗胡枝子、多花胡枝子、燈芯草狀胡枝子和菊科蒿屬鐵桿蒿；灌木共出現(xiàn)11科14屬16種，均為喜光、耐干旱的灌木。137個草本樣方中，草本植物共有25科65屬94種，木質(zhì)藤本植物2科2屬2種，構(gòu)成表現(xiàn)為多數(shù)種屬于少數(shù)科，少數(shù)種屬于多數(shù)科，單種單屬植物共10種，占到草本總數(shù)的40%。其中，菊科11屬20種，豆科7屬18種，禾本科12屬15種，這三大科共30屬53種，占全部種數(shù)的43.80%。

由此可見，菊科和禾本科、豆科植物是該區(qū)次生演替的優(yōu)勢科，在東山礦區(qū)植被的自然恢復(fù)演替過程中所起的作用最大，同時還表明在該地區(qū)的植物區(qū)系中占居著重要地位。各礦區(qū)根據(jù)物種豐富度排序?yàn)椋盒》掂l(xiāng)＞占山嶺中段＞黃嘴山＞黃嘴梁＞獨(dú)山煤礦＞流家河＞壽陽溝背＞占道南溝＞占道村南＞占道東溝。

2.2 礦區(qū)植物優(yōu)勢種及豐富度分析

隨著礦區(qū)廢棄時間的延長，植物群落也逐漸由草本群落演替到草本—灌叢群落，雖然各樣地的豆科、禾本科、菊科三大科優(yōu)勢植物種各不相同，但是草本群落在各個立地類型上的優(yōu)勢差異不大，草本層明顯為優(yōu)勢層，表明調(diào)查礦區(qū)處于群落演替的初級階段。除小返鄉(xiāng)、占山嶺中段、壽陽溝背外，其他區(qū)域群落的優(yōu)勢群叢是一二年生草本和多年生草本植物。根據(jù)各物種的重要值總結(jié)出各樣地的優(yōu)勢植被類型。

不同立地條件草本群落優(yōu)勢種差異不大（表2），小紅菊、鳳毛菊在10個礦區(qū)的草本群落中均作為優(yōu)勢種或亞優(yōu)勢種存在，披堿草、大籽蒿、硬質(zhì)早熟禾、披針苔草是在大多數(shù)樣地中也表現(xiàn)出很強(qiáng)的生長優(yōu)勢。喬木以白榆為主，可能是由于白榆是當(dāng)?shù)剡m生樹種，抗逆性高于其他樹種的原因。灌木以櫻草薔薇為主，這可能與櫻草薔薇分布于干旱生境和本身的生物學(xué)特性有關(guān)。木質(zhì)藤本以杠柳在樣方中出現(xiàn)最多，隨著恢復(fù)年限的增長，植物種類的豐富，根系及枯萎物對表土土壤的改善以及改善后豆科植物的出現(xiàn)，都為植物演替提供了條件。

表2 不同礦區(qū)植物優(yōu)勢種重要值及物種豐富度情況

2.3 不同礦區(qū)物種多樣性與均勻性指數(shù)分析

廢棄礦區(qū)植被恢復(fù)中以草本和灌木為主，鮮有喬木（表3）。對不同恢復(fù)年限礦區(qū)中的植物類群分別進(jìn)行了多樣性和均勻性分析發(fā)現(xiàn)，各調(diào)查區(qū)域中物種均勻度指數(shù)在調(diào)查區(qū)域中以草本群落最高，多樣性的變化在相同恢復(fù)年限的群落中具有不同步性，這可能是由于立地條件和小氣候以及人為干擾的原因造成的。在恢復(fù)22 a的小返鄉(xiāng)礦區(qū)草本層多樣性最大，草本植物仍是群落的建群種，群落結(jié)構(gòu)并不穩(wěn)定，但受到人為干擾的影響較大，群落層次中多年生草本和灌木出現(xiàn)并占到優(yōu)勢，說明在東山采礦廢棄地植被群落特征明顯受到所在環(huán)境的影響。

表3 不同礦區(qū)物種多樣性及均勻性指數(shù)分析

續(xù)表3

3 結(jié)論與討論

太原東山廢棄礦區(qū)在19世紀(jì)初經(jīng)歷大規(guī)模的開采破壞后，其自然恢復(fù)是一個緩慢的過程。它包括土壤基質(zhì)的富集恢復(fù)及植物種的自然侵入和演替[12]。草本層為東山廢棄地的優(yōu)勢層，以一二年生為主，組成豐富，共有25科65屬94種，以耐干旱、耐貧瘠的禾本科、豆科、菊科為主要物種，說明調(diào)查礦區(qū)處于群落演替的初級階段。以空間序列代替時間序列的方法初步研究東山采礦廢棄地自然演替初期的植物多樣性變化規(guī)律，結(jié)果顯示，在10個調(diào)查區(qū)域內(nèi)共計(jì)205個樣方內(nèi)共出現(xiàn)高等植物121種，分屬于43科86屬，其中，菊科11屬20種，豆科7屬18種，禾本科12屬15種，這3個科共30屬53種，占全部種數(shù)的43.80%。

當(dāng)群落環(huán)境中土層加厚，地表中營養(yǎng)成分增加，生境才可能提高穩(wěn)定性[13]。各廢棄地由于受人為干擾和具體立地條件的不同，植被恢復(fù)情況不同。整體來說，喬木未形成群落，共有3科3屬4種，分別為榆科榆屬白榆、楊柳科小葉楊和山楊、薔薇科山杏；灌木、半灌木也是小范圍分布，且均為喜光、耐干旱的種類，半灌木共有2科2屬5種，分別為豆科胡枝子屬達(dá)烏里胡枝子、細(xì)梗胡枝子、多花胡枝子、燈芯草狀胡枝子和菊科蒿屬鐵桿蒿；灌木共出現(xiàn)11科14屬16種，以櫻草薔薇為主，木質(zhì)藤本和草本藤本都有出現(xiàn)，木質(zhì)藤本植物2科2屬2種，以杠柳為主。各礦區(qū)根據(jù)物種豐富度排序?yàn)椋盒》掂l(xiāng)＞占山嶺中段＞黃嘴山＞黃嘴梁＞獨(dú)山煤礦＞流家河＞壽陽溝背＞占道南溝＞占道村南＞占道東溝。由于該地植被破壞嚴(yán)重，經(jīng)過近20 a的恢復(fù)，入侵植物大多數(shù)為一二年生草本植物，群落結(jié)構(gòu)和組成也較簡單，表明其恢復(fù)過程困難而緩慢。

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，雖然有喬木出現(xiàn)，但都以單株小苗形式零星存在或山體滑坡落入調(diào)查區(qū)域，除小返鄉(xiāng)礦區(qū)和占山嶺中段群落中以灌木為優(yōu)勢種群外，其他礦區(qū)以草本為主，草本植物以集群形式分布在道路兩側(cè)或坡面凹陷等稍緩有土壤聚集處，可能是受雨水沖刷土壤積累在道路兩側(cè)的原因，因此，土壤在廢棄地植被恢復(fù)中在很大程度上影響著植物的生長，土層厚度是提高群落結(jié)構(gòu)的限制因子；以小返鄉(xiāng)為例，植物豐富度較高，這與它位于道路旁，與其他調(diào)查區(qū)域相比受到更多的人為條件干擾較多有關(guān)。說明植物的演替受到人為干擾、立地小環(huán)境的影響[14-15]。

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，東山采礦廢棄地植被恢復(fù)過程中，草本層的整體構(gòu)成表現(xiàn)為多數(shù)種屬于少數(shù)科，少數(shù)種屬于多數(shù)科，單種單屬植物共10種，占草本總數(shù)的40%，先鋒優(yōu)勢種主要集中在少數(shù)物種，群落相應(yīng)的多樣性與均勻度指數(shù)較低。各調(diào)查區(qū)域中物種均勻度指數(shù)在調(diào)查區(qū)域中以草本群落最高，灌木層次之，喬木層最低。多樣性的變化在相同恢復(fù)年限的群落中具有不同步性，說明在東山采礦廢棄地植被群落特征明顯受到所在環(huán)境的影響[16]。根據(jù)東山具體立地條件的復(fù)雜性和植被恢復(fù)演替的長期性，結(jié)合太原東山采礦廢棄地建立復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)修復(fù)的目標(biāo)，單純靠植被自然恢復(fù)很難形成穩(wěn)定喬灌群落，要達(dá)到相對穩(wěn)定演替階段需要更長時間，因此，應(yīng)以保護(hù)原有當(dāng)?shù)叵蠕h物種為主，發(fā)展群落多樣性，增加群落層次結(jié)構(gòu)[17-18]。由于礦區(qū)土壤條件惡劣，各立地條件的坡位、土壤厚度、土壤類型對土壤營養(yǎng)物質(zhì)積累和發(fā)揮水土保持作用等會造成不同程度的影響。在恢復(fù)過程中都會影響群落的差異性[19-20]，因此，后期人工恢復(fù)時應(yīng)結(jié)合選擇具體環(huán)境下的先鋒物種、鄉(xiāng)土物種，并結(jié)合一系列生物和工程措施加快其生態(tài)修復(fù)進(jìn)程[21]，運(yùn)用不同工藝促進(jìn)植物群落的演替及長期穩(wěn)定性，創(chuàng)造豐富的植物群落，不僅加速礦區(qū)的植被恢復(fù)，還可達(dá)到綠化效果。