不同排矸年限矸石山自然植被恢復規律研究

楊 燕，王麗艷

（1.晉中職業技術學院，山西 晉中030600；2.江西省林業科學院，江西 南昌330013）

1 引言

山西是一產煤大省，隨著煤炭生產的進行，其伴生礦物煤矸石的排放與堆積也成了一大難題。煤矸石不僅占壓土地，破壞景觀，污染土壤和水體，而且其自燃會釋放大量有毒有害物質，對大氣造成嚴重污染，其綠化勢在必行。然而礦區的植被恢復是一個復雜的問題，它與生態、土壤、林業、環境保護、地理等學科有關，但理論基礎是恢復生態學。總的來說，其恢復過程可分為自然恢復和人工恢復。矸石山自然植被恢復的研究對建立適合煤矸石環境的人工植被生態系統具有重要意義。

2 研究內容與方法

2.1 樣地調查

在煤矸石排放場設定的不同排矸年限（Ⅰ類5～10年、Ⅱ類10～20年、Ⅲ類20～30年、IV類30～50年）的樣地內，在不同排矸年限煤矸石上，分別在煤矸石山的坡地和矸石山平臺各隨機設置3個20m×20m樣地，在每個樣地內取3個樣方（10m×10m、2m×2m和1m×1m）進行喬木、灌木、草本的調查。在每個樣地都分別調查并記錄喬木的種類、蓋度、密度、高度、株數和胸徑等，草本的種類、蓋度、密度、高度等指標，灌木的種類、蓋度和高度；群落綜合特征和生境特征等。蓋度用樣點法測定，3次重復；并用樣圓（直徑35.6cm）法測定每種植物的頻度，30次重復（任繼周，1998）。最后將所調查數據帶回實驗室進行整理分析。

2.2 土壤調查

在2.1中4類樣地的不同位置挖土壤剖面，分別記錄土層厚度、顏色、質地、結構、濕度、根系分布特征等，同時采取樣品在實驗室內測定土壤物理性質，包括含水量、容重、孔隙度等，以及土壤化學性質，包括土壤p H值、全氮、全磷、速效鉀和有機質等。土壤含水量測定使用烘干法；p H值測定采用電位法；全氮測定采用凱氏定氮法；全磷測定采用酸溶－鉬銻抗比色法；速效鉀測定采用醋酸銨溶－火焰光度法；有機質測定采用重鉻酸鉀氧化－外加熱法。

2.3 數據處理

2.3.1 群落重要值

根據所調查群落的特征數據，計算其重要值，以重要值確定群落主要成分，并以優勢植物來區分群落，分析其動態變化。計算公式如下：

重要值（SDR4）＝

式中：相對密度＝某一植物種的個體數／全部植物種的個體數×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；相對頻度＝某一植物種的頻度／全部種的頻度之和×100；相對高度＝某一植物種的高度／全部種的高度之和×100。

2.3.2 土壤數據

土壤數據采用實測值。

3 結果與分析

3.1 不同排矸年限煤矸石山自然恢復植被的情況

從圖1～圖4看出，Ⅰ類煤矸石山的植被總蓋度為30%，其中黃花蒿、野艾蒿、狗尾草、鬼針草處于優勢地位，這類植物的特點是耐旱、耐瘠薄。Ⅱ類矸石山植被總蓋度約為50%。白羊草、狗尾草和牛皮消在Ⅱ類矸石山上的頻度較高，說明此立地條件逐漸好轉，有所改善。Ⅲ類煤矸石山植物總蓋度達到60%，植被呈塊狀群居分布，主要植被為草本類，已有散生的臭椿生長。除了有部分自燃過，山體總體風化較好，顆粒中等偏小。在山體的低洼地段草本生長較茂盛，可見少量灌喬木，山坡側面亦有禾本科生長。在Ⅲ類煤矸石山的植被中，白羊草、尖葉鐵掃帚、阿爾泰紫苑及牛皮消占據了大多數的覆蓋度。植物種類進一步豐富，但是，所占份額尚不多。圖4可以看出在Ⅳ類煤矸石山上，蘆葦、白羊草、風毛菊、小薊為優勢植物，主要以群居形態存在，蓋度分別達到了28%、15%、12.4%和12.2%。

3.2 不同排矸年限煤矸石山物種重要值

圖1 Ⅰ類煤矸石山植被情況

圖2 Ⅱ類煤矸石山植被情況

圖3 Ⅲ類煤矸石山植被情況

圖4 Ⅳ類煤矸石山植被情況

（1）排矸10年以下樣地。為野艾蒿＋黃花蒿群落，處于矸石山植被演替的初級階段。該階段物種簡單，均為1年生耐旱草本，兩種優勢植物的重要值分別為28.13%和32.32%，占群落總重要值的60.45%，它們是矸石山植被演替的先鋒植物。在排矸時間短、石塊粒度大且極端貧瘠干旱的矸石堆上，最常見到的是黃花蒿、狗尾草和野艾蒿，其次是鬼針草、刺藜和豬毛蒿，其植株低矮，平均高僅有0.23m。

（2）排矸10～20年樣地。草本的物種組成變化較大，不僅增加了1年生的藜、狗尾草和蒺藜，而且多年生物種大量生長，如牛皮消、白蓮蒿、阿爾泰紫苑、茵陳蒿、蒲公英等，多年生草本占總物種數的67%。初期的先鋒植物生長衰退甚至消亡。隨著矸石的風化，該地段優勢草本植物為白羊草、尖葉鐵掃帚和藜，三者重要值的貢獻率分別為19.53%、17.47%和15.28%，三者累計貢獻率為52.28%。該階段草本蓋度增至50%，平均高達0.4m。

（3）排矸20～30年樣地。白羊草、尖葉鐵掃帚、阿爾泰紫苑和牛皮消，優勢植物重要值的貢獻率分別為28.65%、14.23%、11.63%和12.35%，累計48.85%，草本蓋度達到60%，高度為0.58m。該地段明顯的變化是出現了多年生禾本科草類，如風毛菊和白蓮蒿的逐漸侵入，多年生草本的物種數占70%。此外，隨著臭椿的生長，在榆樹樹冠下，由于光照條件較差，較耐陰狗尾草密集生長；而在光照條件較好處，多年生草本則長勢旺盛，這就是1年生草本仍然為該地段林下優勢植物的緣由。此階段出現喬木臭椿，平均高達到1.63m。

（4）排矸30～50年樣地。隨著生境條件的改善，臭椿的平均高增至2.2m，草本層蓋度增至80%，平均高為0.65m。優勢草本植物依次是蘆葦、白羊草、風毛菊和小薊，其重要值貢獻率分別為24.32%、11.53%、9.48%和8.60%，累計53.93%。群落中出現了多年生禾本科草類蘆葦，并新增山蒿等多年生草本，多年生草本的物種數占72%。與前一地段相比，蘆葦草成為優勢種，而在光照條件較好處，山蒿生長旺盛，并且出現了鼠李科的酸棗灌木，植物的種類進一步豐富（表1）。

3.3 不同煤矸石山物種多樣性與土壤因子的關系

從表2可知，Shannon－Wiener多樣性指數（－0.842＊＊）與容重呈極顯著負相關，Alatalo均勻度指數Ea與容重（0.642＊）呈正相關。田間持水量與Shannon－Wiene多樣性指數 H′（0.862＊＊）、豐富度指數 Margalef（0.791＊＊）和Pielou均勻度指數Jp（0.842＊＊）呈顯著正相關。田間持水量與Alatalo均勻度指數Ea（－0.795＊＊）呈極顯著負相關。

表1 同煤矸石山植物群落物種重要值 %

表2 不同煤矸石山物種多樣性與土壤物理指標的相關性

從表3的分析看出，物種的豐富度與土壤有機質呈線性關系。土壤因子的氮、磷、鉀三種元素中，磷和鉀與各多樣性指數的相關性不明顯，說明元素磷和鉀在礦區復墾中，不會成為綠化種植過程中的限制因子。而堿解氮與群落的Pielou均勻度指數（0.742＊）、Patrick豐富度指數（0.709＊）和Shannon－Wiener多樣性指數（0.737＊）呈正相關，反映出氮素是限制群落均勻度變化的顯著因子。

從豐富度指數來看，有機質與群落的豐富度指數的相關性較大，從Simpson多樣性指數看，該指數與有機質（0.688＊）呈正相關。而 Alatalo均勻度指數（－0.780＊）與有機質呈顯著負相關，與p H值（0.769＊）呈顯著正相關。有關土壤有機質與多樣性的關系，多數人認為植物群落的多樣性出現在土壤養分梯度的中間位置，但Gentry在1988年提到，物種多樣性最高的群落是在土壤最肥沃的地方。

表3 不同煤矸石山物種多樣性與土壤化學指標的相關性

4 結論與討論

（1）隨著排矸年限的增加，物種數由初期的4科7種增至后期的11科19種。其中，菊科與禾本科物種居多，占總物種數的80%。臭椿幼樹最早出現于排矸20～30年的地段，隨排矸年限遞增其高度和蓋度也增大，至排矸30～50年的地段，平均高2.2m，群落呈現明顯的復層結構。草本也由1年生物種占優勢發展為多年生物種占優勢（72%）的群落，蓋度由20%增至80%。群落演替序列為：黃花蒿＋野艾蒿群落→白羊草＋尖葉鐵掃帚＋狗尾草群落→臭椿群落。因此，建議在煤矸石山人工植被恢復時，耐旱喬木臭椿、刺槐可作為植被恢復的先鋒植物，同時可配置耐旱灌木紫穗槐等，以快速改善生境條件。

（2）多樣性指數與土壤田間持水量、有機質、堿解氮呈正相關，均勻度指數與土壤p H值呈正相關。均勻度指數與堿解氮呈正相關關系。各土壤因子與植物作為一個系統而存在，其中各因子之間有相互影響、相互作用，任何一個因子的作用都不可能離開其它因子而獨立發揮作用。物種多樣性與環境因子的關系有待進一步研究。

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