礦山自然恢復中植物多樣性與生物量關系研究

翟正江 楊漢宏 張勇 吳麗萍 柴志福 王鐵軍

摘要：為了更好地揭示黃土高原區礦山恢復過程中的植物多樣性與生物量的關聯機制，以黑岱溝露天礦不同自然恢復年限排土場為研究對象，采用統計學分析方法對植物種豐富度和swi指數（Shannon-Wiener Index）與地上生物量的關系進行了研究。結果表明：物種多樣性指數和地上生物量在恢復18a達到最大，之后隨恢復年限增加，物種多樣性指數和生物量均減小；種豐富度和SWI指數與生物量的關系在不同的恢復時間成正相關關系，當恢復時間達到（或超過）10a時，種豐富度和swi指數與生物量的關系達到顯著水平；SWI指數與生物量的關系較種豐富度敏感，一元線性回歸方程有較大的斜率。利用種豐富度和SWI指數構建的回歸關系預測地上生物量，其精度隨植被恢復時間增加而提高，在恢復22a時分別達到91.6%和92.0%。

關鍵詞：礦山自然恢復；物種豐富度；swi指數；回歸分析；黃土高原區

中圖分類號：S157.1 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.03.021

半干旱黃土高原草原區露天礦開采和排土場表土堆積導致的植被破壞是局地植被退化的主要原因之一。為了恢復和改善環境，排土場植被恢復是露天礦開采中一個必不可少的環節。在露天礦開采過程中，排土場棄土堆放并沒有把表層土壤覆蓋在最上層，而是按照開采順序將深層土壤（或母質）覆蓋在表層土上面，這樣不僅破壞原生地貌和土壤結構，而且直接導致原生植被的滅絕。半干旱草原區露天礦排土場植被恢復有兩種方式：一是通過人工措施營造不同喬、灌、草組合的人工恢復過程，二是在人工植被恢復措施保護下的植被自然恢復過程。后一種方式形成的區域成為研究半干旱黃土高原草原區植被自然恢復機制的天然場所。不同植被恢復年限的植物種多樣性與地上生物量關系的研究，不僅是對植物多樣性研究的擴展，而且是揭示半干旱草原區生態恢復機制的主要途徑之一。

植被群落特征與生境關系分析是對生態脆弱地區植被過程認知的基礎，也是生態學研究的熱點，特別是針對人工和自然植被演替過程的研究，露天煤礦排土場發生的始于裸地的自然演替過程，成為恢復生態學研究的一個熱點。已有的人工排土場植被恢復研究表明，在人工恢復（治理）過程的早期（5a之內），禾本科和菊科植物是優勢植物，10～20a禾本科、豆科和菊科植物為優勢植物，20a之后禾本科和菊科植物為優勢植物。針對露天礦排土場自然植被恢復過程中植物多樣性與地上生物量關系的研究相對較少，已有的報道集中在不同恢復階段人工植物群落組成、結構與生物多樣性方面，而尚未涉及自然恢復植被地上生物量與多樣性的研究。此外，以植物種豐富度和香農一威納指數（Shannon-Wiener Index，SWI）為指標進行的研究成為多樣性與生產力關系研究的熱點。由于自然界中植被組成的復雜性、多變性和對環境尺度的依賴性，因此有關植物多樣性對生態系統地上生物量影響的研究結果有較大差別。現有的研究難以涵蓋不同的生境，特別是對于露天礦排土場這種特定的人為干擾生境。

針對這種情況，筆者采用物種豐富度和SWI指數為植物多樣性描述指標，在半干旱黃土高原區露天礦排土場對不同自然恢復年限（階段）植物地上生物量與物種多樣性的關系進行研究，旨在揭示排土場形成的裸地上不同自然恢復年限對植物多樣性與地上生物量關系的影響機制。

1 研究區概況

以內蒙古自治區鄂爾多斯市準格爾旗東部的黑岱溝露天煤礦為研究區，地理坐標為東經111°10′-111°25′、北緯39°25′-39°59′，面積為55km2，屬于晉、陜、蒙接壤的黃土高原地區，是我國乃至世界上土壤侵蝕最嚴重地區之一。該區屬于中溫帶半干旱大陸性氣候區，冬季嚴寒而漫長，夏季溫熱而短暫，晝夜溫差較大，多年平均氣溫為6.5℃；多年平均降水量為408mm，其中60%～70%集中在7-9月；年水面蒸發量為1824.7～2896.1mm，日照時數為3119.3h。排土場自然恢復樣地選擇在北排土場（恢復22a）、東排土場（恢復18a）、東沿幫排土場（恢復10a）和內排土場（恢復7a）的自然植被恢復小區內。區內的優勢植物種為克氏針茅、賴草、百里香、糙隱子草、鐵桿篙及畫眉草等。

2 研究方法

2.1 植被調查

植被調查時間為2015年8月12-25日。在選定的4個研究樣區共調查了20個樣地，每個樣地調查10個1m×1m的植物樣方（完整樣方3個、頻度樣方7個）。調查內容包括植物種個體數、高度、出現頻率和分種生物量等。地上生物量測定方法為沿地面剪下植物并用布袋取回，放入烘箱內，80℃恒溫烘12h后稱重。不同樣地植被特征用4個樣區的平均值表示，采用方差分析（ANOVA）進行顯著性檢驗。在樣方調查中共發現39種植物，其中恢復年限為7、10、18、22a的樣地上分別出現14、23、28、26種（見表1）。

2.2 多樣性指數計算與統計分析

植物種多樣性指數的計算有許多方法，應用較為廣泛的主要有種豐富度（即樣方中植物種的數量）和香農一威納指數（SWI）。

3 結果分析

3.1 群落特征差異

從表2可以看出，不同恢復年限樣地植被特征在物種豐富度、SWI和地上生物量等指標上存在較大差異。從物種豐富度來看，恢復18 a后最多為12.4（13.8）個種，其余由多到少依次為10、22、7a；ANOVA分析顯示，自然恢復7a的植物種豐富度與其他恢復年限有較顯著性差異（Sig.<0.01），恢復10a與18a之間、18a與22a之間均存在較顯著性差異。從SWI來看，自然恢復22a后達到最大值，為6.8（±1.1）；恢復10、18、22a之間差別不大，最大極差為1.2；ANVOA分析表明，自然恢復7、10、18a相互間存在較顯著性差異，而恢復22a僅與恢復7a存在較顯著性差異。從地上生物量來看，恢復18a的最高，為154.5（±46.1）g/m2，其余由高到低依次為22、10、7a的；除恢復22a與10a之間無顯著性差異外，其他年份之間都存在較顯著性差異。

3.2 植物種多樣性與地上生物量的關系

在自然恢復7、10、18、22a的排土場，物種豐富度和SWI指數與地上生物量之間均成正相關關系，地上生物量隨物種豐富度和SWI指數增大而增大（見圖1）。但是，在統計學顯著性檢驗上存在明顯區別。

首先，從植物種豐富度與地上生物量的關系來看，在恢復7a后（見圖1（a）），二者的線性回歸擬合方程F檢驗顯著性較低（F=5.282F19，0.01=8.180，Sig.<0.001），回歸方程常數項和自變量種豐富度t檢驗都達到了顯著水平（Sig.<0.001）。在自然恢復達到22a后，物種豐富度和SWI與地上生物量之間的關系也比較密切（見圖1（g）），二者擬合回歸方程F檢驗達到顯著水平（Sig.<0.001，F=29.617>F19，0.01=8.180，），自變量t檢驗為顯著，但常數項t檢驗沒有達到顯著水平（Sig.=0.930）。以上分析表明：在礦山復墾恢復過程中植物種豐富度與地上生物量關系成正相關，但是在線性回歸分析中只有在恢復18a時構建的回歸方程通過了方程F檢驗和自變量、常數項t檢驗；在恢復10a和22a中分別有一項參數沒有通過t檢驗；恢復7a的回歸方程等都未通過顯著性檢驗，表明除恢復7a外，其他恢復階段構建的回歸方程可預測物種豐富度與地上生物量之間的關系。

其次，從SWI與地上生物量的關系來看，恢復7a后（見圖1（b）），二者回歸擬合方程F檢驗顯著性較低（F= 7.446