劉 瑩, 許 麗, 豐 菲, 楊宇平, 張麗娜

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 沙漠治理學(xué)院， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018;2.荒漠生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)與修復(fù)國家林業(yè)局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018)

烏海礦區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)西南部，轄海勃灣、烏達(dá)、海南3個(gè)區(qū)，煤炭資源相對豐富，是全國二十個(gè)焦煤基地之一[1]。截至2012年底，烏海市洗煤行業(yè)規(guī)模已突破年入洗原煤1.00×108t。由于煤質(zhì)原因，烏海洗選出的矸石量約占入洗原煤量的30%，目前烏海的煤矸石除少部分用于矸石電廠發(fā)電和制磚，部分分層覆土壓實(shí)填埋，大部分露天堆存，對當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境造成了不可逆的影響[2]。近5 a來，烏海市海勃灣區(qū)煤炭局開展了礦區(qū)環(huán)境的綜合治理項(xiàng)目，項(xiàng)目實(shí)施后對于改善礦區(qū)周圍生態(tài)環(huán)境有積極作用。

植物種多樣性特征能從夠多尺度、多層次的方向出發(fā)反映研究區(qū)的植物組成變化及生長情況，對于植物多樣性的保護(hù)和礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)具有重要意義[3-4]。群落穩(wěn)定性能夠定量的描述植物群落對外界環(huán)境壓力與人為擾動(dòng)的抵抗能力的強(qiáng)弱[5]，煤矸石山植被重建初期植物種類稀少、群落結(jié)構(gòu)單一，且矸石山在植被重建初期受極端的非生物條件(例如，缺水，低營養(yǎng)物質(zhì)，高溫，高鹽度)的影響最為嚴(yán)重[6]，其土體幾乎不含有來自植物的有機(jī)碳，土體中氮和磷的含量也很低，這些都限制了植物群落的穩(wěn)定[7]。

戴泉玉等[8]人在黃土高原地區(qū)公路邊坡對植物群落演替初期的研究中發(fā)現(xiàn)，隨著時(shí)間的推移，坡面生境條件變得利于本地物種的侵入，群落的自然演替正式開始。該階段各項(xiàng)群落指標(biāo)開始上升，生態(tài)效果和防護(hù)功能開始恢復(fù)。當(dāng)坡面形成一個(gè)相對穩(wěn)定的群落時(shí)，便是初期演替階段的結(jié)束，而具體時(shí)間長度的確定還需要進(jìn)一步的持續(xù)觀測。呂春娟等[9]在對山西省平朔礦區(qū)的研究結(jié)果顯示，在植被恢復(fù)的初期階段，植物群落結(jié)構(gòu)和物種組成單一，隨著演替的進(jìn)行，當(dāng)?shù)卦锓N大量入侵，土壤種子庫逐漸形成，群落的物種豐富度、多樣性和均勻度指數(shù)呈增加趨勢。郝婧等[10]對煤矸石場草本植物自然恢復(fù)初期生態(tài)績效評價(jià)的結(jié)果表明，相較于1 a恢復(fù)期，煤矸石場植被恢復(fù)初期植物群落基本特征等在5 a恢復(fù)期時(shí)均達(dá)到“優(yōu)”級水平。

目前，已有許多學(xué)者對煤礦廢棄地植被恢復(fù)過程中植物群落結(jié)構(gòu)特征做過大量研究，但由于多數(shù)礦區(qū)在修復(fù)前期缺乏系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，一些生態(tài)修復(fù)經(jīng)驗(yàn)缺乏科學(xué)的數(shù)據(jù)支撐。為了科學(xué)記錄不同恢復(fù)階段的生態(tài)修復(fù)效果，從礦區(qū)生態(tài)修復(fù)初期開展生物多樣性與群落穩(wěn)定性研究，對于客觀評價(jià)礦區(qū)生態(tài)修復(fù)的短期、中期和長期效應(yīng)具有重要意義[11]。因此，本研究基于西北干旱區(qū)煤矸石山植被重建初期，探究不同建植年限的物種多樣性與其群落穩(wěn)定性等特征的變化規(guī)律，旨在為烏海礦區(qū)的生態(tài)恢復(fù)提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究對象選擇在內(nèi)蒙古自治區(qū)烏海市海勃灣區(qū)美方矸石山，地理坐標(biāo)為39°2′10″—39°54′13″N，106°35′12″—107°10′34″E，海拔為1 284 m，矸石山由鼎興洗煤廠排出的矸石形成，排棄已7 a，現(xiàn)為烏海市礦區(qū)環(huán)境綜合治理區(qū)。

研究區(qū)屬于半沙漠干旱高原大陸性氣候區(qū)，極端最高氣溫40.2 ℃，極端最低氣溫-36.6 ℃，年降雨量166.9 mm，年蒸發(fā)量3 500 mm，地區(qū)土壤類型主要為沙壤土、棕鈣土、灰漠土等；地帶性植被以荒漠植被型、干旱草原植被型、沙生植被型、草原化荒漠植被型等植被類型為主[12]。原生植被主要有四合木(Tetraenamongolica)、霸王(Sarcozygiumxanthoxylon)、白刺(Nitrariatangutorum)、甘蒙錦雞兒(Caraganaopulens)、紅砂(Reaumuriasongarica)等灌木樹種，芨芨草(Achnatherumsplendens)、蓼子樸(Inulasalsoloides)、白莖鹽生草(Halogetonarachnoideus)、蝎虎駝蹄瓣(Zygophyllummucronatum)、阿爾泰狗娃花(Heteropappusaltaicus)、銀灰旋花(Convolvulusammannii)、蒙古韭(Alliummongolicum)等草本[13]。

2 材料與方法

2.1 樣地設(shè)置

調(diào)查取樣于2019年8月進(jìn)行，美方煤矸石山人工植被已重建4 a。有兩級邊坡進(jìn)行了植被重建。人工整坡，坡度約33°，每級邊坡坡長約20 m。臺階上馬道排水渠與坡面之間、山體坡腳處都鋪設(shè)由一層土工袋構(gòu)筑有的柔性坡腳固土措施。邊坡覆土土壤均來自礦區(qū)周邊的沙質(zhì)土壤，厚30—50 cm，材料配比為沙土∶洗選矸石渣=8∶2，人工植被配置模式為沙打旺(Astragalusadsurgens)45%+紫花苜蓿(Medicagosativa)45%+大狗尾草(Setariafaberii)10%，種植方式為撒播。邊坡布設(shè)有微噴灌系統(tǒng)。在已進(jìn)行植被重建的邊坡上選取矸石山植被重建2，3，4 a的區(qū)域。在兩級邊坡坡面上、中、下部位分別設(shè)置5 m×5 m的樣地，再對各樣地內(nèi)存在的草本層以五點(diǎn)取樣法，設(shè)置5個(gè)1 m×1 m的樣方重復(fù)，土壤性質(zhì)如表1所示。

表1 美方煤矸石山表層土壤基質(zhì)理化性質(zhì)特征

2.2 群落組成調(diào)查與室內(nèi)試驗(yàn)

群落組成調(diào)查包括群落蓋度、植物種類、物種數(shù)量與高度，并將樣方內(nèi)植被地上部分全部收獲稱重，帶回實(shí)驗(yàn)室85 ℃下烘干至恒重，測干重率。以樣方的平均值推算植被生物量。通過植物標(biāo)本采集、鑒定、統(tǒng)計(jì)，建立數(shù)據(jù)庫。以數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法對所得原始數(shù)據(jù)資料進(jìn)行處理、歸類。

2.3 群落特征計(jì)算

(1) 重要值。根據(jù)所調(diào)查群落的特征數(shù)據(jù)，計(jì)算其重要值，以重要值確定群落主要成分，并以優(yōu)勢植物來區(qū)分群落，分析其動(dòng)態(tài)變化。計(jì)算公式如下：

草本層重要值=

(1)

式中：相對密度=某一植物種的個(gè)體數(shù)/全部植物種的個(gè)體數(shù)×100%;相對蓋度=某一植物種的蓋度/群落中所有種分蓋度之和×100%;相對高度=某一植物種的高度/全部種的高度之和×100%;相對生物量=某一植物種的生物量/全部種的生物量之和×100%。

(2) 多樣性指數(shù)。選擇以下指標(biāo)來衡量群落物種多樣性[1]：

Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H′)：

H′=-∑PilnPi

(2)

Simpson多樣性指數(shù)(D)：

D=1-∑(Pi)2

(3)

Pielou均勻度指數(shù)(Jp)：

Jp=-(∑PilnPi)/lnS

(4)

Alatalo均勻度指數(shù)(Ea)：

(5)

Margalef豐富度指數(shù)(Ma)：

Ma=(S-1)/lnN

(6)

Patrick豐富度指數(shù)(Pa)：

Pa=S

(7)

式中：S表示物種數(shù)目；N表示所有物種個(gè)體總數(shù)；Pi表示在本研究中用綜合特征量的重要值與樣地總的重要值的比值代替。

(3) 群落相似性。群落相似性采用Whittaker’s相似性系數(shù)[14]，計(jì)算公式如下：

(8)

式中：S為植物群落A和群落B中所記錄的物種總數(shù);ai為種i在群落A全部個(gè)體中的比例;bi為種i在群落B全部個(gè)體中的比例。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同建植年限植物群落組成特征

(1) 群落科屬特征。由表2可知，在烏海市美方礦區(qū)所有調(diào)查樣地共出現(xiàn)植物11種，分屬4科11屬，其中藜科、豆科植物約占到了植物總數(shù)的70%。對于植被重建2 a的矸石山，物種組成簡單，為4科7種，對于植被重建3 a的矸石山，物種明顯增加，為4科9種，集中于菊科與禾本科。對于植被重建4 a的矸石山，物種進(jìn)一步豐富，為4科10種，菊科植物退化一種，藜科植物比重增大。

表2 研究區(qū)不同重建年限樣地植物群落種類組成科屬特點(diǎn)

(2) 群落物種組成及其重要值。不同樣地植物群落物種組成及其重要值見表3。在所調(diào)查的樣地中，除人工種植植被沙打旺、紫花苜蓿和大狗尾草外另有4至7自然植物種侵入。建植2 a的矸石山邊坡共有7種植物，自然侵入植物4種，其中一年生植物種3種，占75%。自然侵入的植物種重要值共占40.27%，有白莖鹽生草和霧冰藜(Bassiadasyphylla)重要值共占24.73%，以及少數(shù)地膚(Kochiascoparia)、阿爾泰狗娃花(H.altaicus)。建植3 a的矸石山邊坡共出現(xiàn)植物9種，自然侵入植物6種，重要值共占53.08%，有白莖鹽生草、地膚及狗尾草(S.viridis)，重要值共占38.08%，還有少數(shù)阿爾泰狗娃花、霧冰藜和大籽蒿(Artemisiasieversiana)，自然侵入的一年生植物種有5種，占83%。建植4 a的矸石山邊坡出現(xiàn)了10種植物，自然侵入植物7種，其中一年生植物種有5種，占71%。自然侵入的植物種重要值共占46.42%，白莖鹽生草與地膚處于優(yōu)勢地位，重要值共占22.17%，大狗尾草、霧冰藜、狗尾草、阿爾泰狗娃花、沙生冰草(Agropyrondesertorum)、藜(Chenopodiumalbum)占少數(shù)。

表3 研究區(qū)不同樣地植物群落物種組成及其重要值 %

3.2 不同建植年限植物群落多樣性特征

由圖1可以看出不同樣地植物群落生長指標(biāo)變化。植被蓋度與地上生物量都以植被重建4 a的矸石山最高，平均蓋度較之建植2，3 a矸石山增加了40.0%和86.6%，而地上生物量僅高于重建2 a。植被密度與高度以植被重建3 a的矸石山最高，較于重建2 a和重建4 a的邊坡，增加了30.1%和28.1%，高度則僅高于重建2 a。

注：不同小寫字母表示差異顯著，p<0.05。下同。

不同樣地群落物種多樣性指數(shù)見圖2。由圖2可知，Simpson多樣性指數(shù)與Pielou均勻度指數(shù)在不同建植年限矸石山之間均不顯著。Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Margalef豐富度指數(shù)與Patrick豐富度指數(shù)均呈上升趨勢，在重建4 a時(shí)的矸石山邊坡上均表現(xiàn)為高于重建2 a與重建3 a的邊坡，這兩個(gè)樣地較之CJ4分別減少了15.26%，44.44%和40.0%。Alatalo均勻度指數(shù)表現(xiàn)為重建3 a的矸石山邊坡高于其他兩個(gè)樣地，較之CJ2增加了15.32%。

圖2 研究區(qū)不同樣地群落物種多樣性指數(shù)

Simpson多樣性指數(shù)、Margalef豐富度指數(shù)、Patrick豐富度指數(shù)、地上生物量與平均蓋度均為建植4 a最大，說明矸石山建植4 a植被生長狀況最好。

3.3 不同建植年限植物群落相似性

不同樣地植物群落的相似性系數(shù)見表4。不同重建年限矸石山之間植物群落的相似性系數(shù)變化幅度不大，但在逐年降低。在0.096 9至0.026 7之間，植被重建2 a和重建3 a群落的相似性系數(shù)為0.747 5，重建3 a和重建4 a的群落的相似性系數(shù)為0.685 8?？芍喉肥皆谥脖恢亟ǖ某跗冢锓N個(gè)體數(shù)量增減變化不明顯，恢復(fù)初期群落間變異性較大，群落不穩(wěn)定。且隨植被重建年限增加，群落的結(jié)構(gòu)趨于復(fù)雜化。

表4 研究區(qū)不同重建年限樣地植物群落的相似性系數(shù)

3.4 不同建植年限植物群落穩(wěn)定性

群落穩(wěn)定性的計(jì)算在Origin 2018中進(jìn)行，方法采用鄭元潤[15]改進(jìn)后的M.Godron穩(wěn)定性測定方法，將植物群落中所有物種的蓋度降序排列，計(jì)算其累積相對蓋度與植物種類倒數(shù)累積，對應(yīng)畫散點(diǎn)圖并擬合為平滑曲線，以直線方程在圖上繪制一條直線，求與曲線交點(diǎn)(圖3)。其中，20/80為群落的穩(wěn)定點(diǎn)，植物種類倒數(shù)累積百分?jǐn)?shù)和累積相對蓋度的比值越接近20/80，群落就越穩(wěn)定，反之就越不穩(wěn)定。散點(diǎn)圖擬合平滑曲線模型為y=ax2+bx+c，直線方程為y=100-x。

由表5與圖3可知，煤矸石山植被重建的初期群落都處于不穩(wěn)定狀態(tài)，但與建植年限仍有關(guān)聯(lián)。不同建植年限矸石山邊坡植物群落穩(wěn)定性曲線方程的相關(guān)系數(shù)都大于0.9，表明其擬合較好。擬合曲線與直線的交點(diǎn)坐標(biāo)范圍x值介于34.586 5～39.480 5之間，y值介于60.424 6～65.451 5之間，群落穩(wěn)定點(diǎn)與交點(diǎn)的歐氏距離為：煤矸石山重建2 a>重建3 a>重建4 a，其中人工建植4 a的矸石山交點(diǎn)坐標(biāo)為(34.586 5,65.451 5)，歐氏距離為20.601 6，表明人工建植4 a的群落較之重建2 a和3 a的更加穩(wěn)定。

圖3 研究區(qū)不同樣地植物群落穩(wěn)定性變化

表5 研究區(qū)不同樣地植物群落穩(wěn)定性分析

4 討論與結(jié)論

4.1 討 論

退化生態(tài)系統(tǒng)中的植被恢復(fù)是植物與環(huán)境間相互作用及影響的過程[16]。煤矸石山作為一個(gè)半人工、半自然的退化生態(tài)系統(tǒng)人工植被恢復(fù)措施已經(jīng)成為必然的選擇[17]。人工植被配置模式及植被重建年限會(huì)直接影響矸石山的生態(tài)系統(tǒng)及土壤等環(huán)境因子，從而影響其植被生長狀況，而物種多樣性又是植被群落構(gòu)成的基礎(chǔ)。因此植被重建初期相同植被配置模式下的物種多樣性與群落穩(wěn)定性顯得尤為重要。

珊丹等[18]的研究表明，在排土場邊坡植被恢復(fù)的最初階段，植物群落組成中1，2 a生植物種類較多，說明除人工種植的草本植物以外，傳播能力強(qiáng)且耐旱的1，2 a生物種是主要的先鋒植物。排土場邊坡種植的紫花苜蓿、沙打旺均為豆科植物，在條件相對惡劣的環(huán)境下生長狀況良好，適應(yīng)能力較強(qiáng)。與此相似的是，本研究顯示，植被重建樣地中有白莖鹽生草、霧冰藜和地膚等1 a生先鋒植物種侵入，占比均在70%以上。隨著建植年限增加，豆科植物重要值占比逐漸增加。

石占飛等[19]對植物群落α多樣性研究內(nèi)容表明，矸石山初期植被重建的多樣性指數(shù)與豐富度指數(shù)變化較小，隨建植年限增加群落的Margalef均勻度指數(shù)與Patrick均勻度指數(shù)呈上升趨勢，這與本研究結(jié)果相似。王瓊等[20]的研究也表明，在恢復(fù)初期，物種種類較少、群落多樣性與均勻度較低。

影響植物群落穩(wěn)定性的因素是種群之間的競爭、外界環(huán)境的壓力和人為的干擾活動(dòng)等，群落穩(wěn)定性在即使優(yōu)勢種相同的情況下也會(huì)出現(xiàn)較大差異[21]。本研究中矸石山處于植被重建初期，群落也處于演替初期，穩(wěn)定性表現(xiàn)為重建4 a>重建3 a>重建2 a。有研究表明[22]，恢復(fù)10 a間，穩(wěn)定性指數(shù)逐漸增加，但目前仍處于不穩(wěn)定狀態(tài)，說明坡面植被演替的最終結(jié)果是逐漸趨向于原始植被類型和結(jié)構(gòu)。

在矸石山后續(xù)的恢復(fù)中，如果可以在考慮種植礦區(qū)典型復(fù)墾植物種，例如豆科、禾本科、菊科等植物時(shí)適當(dāng)促進(jìn)適應(yīng)當(dāng)?shù)貤l件的本地物種自然定植。并且通過種植演替后期的本土植物種類，在該地煤矸石山保留當(dāng)?shù)鼗驇?，就可以有效地?yīng)用于未來礦區(qū)恢復(fù)的實(shí)踐中，改善礦區(qū)物種單一，生態(tài)系統(tǒng)脆弱的現(xiàn)狀，為礦區(qū)生態(tài)環(huán)境恢復(fù)做出貢獻(xiàn)。

4.2 結(jié) 論

本研究科學(xué)記錄了烏海市礦區(qū)美方矸石山重建初期植被群落數(shù)據(jù)，為中、長期生態(tài)重建提了供科學(xué)的數(shù)據(jù)支撐。關(guān)于群落在重建幾年能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的問題并未解決。研究結(jié)果表明：

(1) 烏海礦區(qū)美方煤矸石山植被重建過程中。隨矸石山建植年限增加，物種數(shù)由4科7種增加至4科10種，其中藜科、豆科植物約占到了植物總數(shù)的70%，自然侵入植物種數(shù)量逐漸增加，表明群落正在進(jìn)行正向演替過程。

(2) 隨重建年限從2 a增加至4 a，植被平均蓋度、地上生物量均增加1.5倍左右。煤矸石山植被重建初期，植物群落多樣性指數(shù)與均勻度指數(shù)變化較小，豐富度指數(shù)變化較為顯著，表明隨建植年限增加，群落結(jié)構(gòu)逐步穩(wěn)定。

(3) 不同重建年限矸石山之間植物群落的相似性系數(shù)，表現(xiàn)為逐年降低，群落的結(jié)構(gòu)趨于復(fù)雜化，在植被重建2至4 a時(shí)，群落為演替初期，仍處于不穩(wěn)定狀態(tài)。