阜新礦區煤矸石山植被演替過程中物種多樣性變化研究

張卓

(阜新市彰武縣章古臺林場，遼寧 阜新 123000)

人類對資源以及能源的需求隨著人口的增長而不斷提高，礦產資源大規模開采導致的礦區生態環境問題引起了世界各國與相關專家學者的廣泛重視，如今已經成為礦區環境演變研究的熱點問題[1]。通過植被恢復，建立穩定、高效的矸石廢棄地人工植被生態系統是改善矸石山條件最常用也是最有效的方法之一[2]。我國學者對復墾7年后的矸石山觀測表明，直徑小于1 mm的沙粒含量在復墾種植4年后，與未進行復墾地相對比增加了9%～20%，直徑小于0.25 mm的顆粒在沒有覆土的種植區內增加了將近1倍[3]。Baneijee等對復墾4～5年后的種植區進行研究，結果表明，風化物中的細菌、真菌和放射菌類增加了許多倍[4-5]。因此，對煤矸石山的復墾與重建是當前面臨的首要問題。基于這種實際需要，研究探索植被自然恢復條件下，煤矸石山植物演替過程中物種的多樣性，并對矸石山植被的物種質量優劣進行綜合評價，以期為礦區煤矸石山的生態恢復模式調整提供理論依據[6-8]。

1 研究區概況

阜新市位于遼寧省西部，地理坐標41°1′—42°56′ N，121°01′～122°56′ E。全境呈長矩形，中軸斜交于42°10′ N和122°0′ E的交點上，全境東西長170 km，南北寬84 km總面積10 355 km2。氣候屬北溫帶大陸性季風氣候區，四季分明，雨熱同季，光照充足。河流主要有細河、繞陽河、柳河等。細河是大凌河下游左側最大支流。代表植物有樟子松、油松、沙棘、白榆等。

2 研究方法

2.1 樣地選擇與布設

試驗地點選擇在阜新礦區孫家灣矸石山的陰坡與陽坡。在試驗區內布設不同排矸年限(小于8 a、8～15 a，15～25 a，25～40 a)的樣地，首先在樣點內觀測喬木的相關指標，如種類、高度、密度與蓋度等；然后在每一樣地內設置草本樣方，大小為1 m×1 m，作9次重復。草本的各項指標，采用樣點法來調查，并作3次重復；植物的頻度采用樣圓法測定[9]。

2.2 數據分析

2.2.1 群落重要值分析 計算重要值采用實地測定所得群落特征數據，繼而明確群落的主要成分與優勢植物用來區分群落，計算公如下[10]:

重要值(SDR4)=(A+B+C+D)×100%/4

式中：A-相對密度=某一植物種的個體數/全部植物種的個體數×100%；B-相對蓋度=某一植物種的蓋度/群落中所有種分蓋度之和×100%；C-相對頻度=某一植物種的頻度/全部種的頻度之和×100%；D-相對高度=某一植物種的高度/全部種的高度之和×100%。

2.2.2 α多樣性指數分析 采用馬克平[11，12]論述的測定方法，選擇Shannon-Wrener多樣性指數(H')、Simpson多樣性指數(D)、Pielon均勻度指數(Jp)、Alatalo均勻度指數(Ea)、Margalef豐富度指數(Ma)和Patrick豐富度指數(Pa)等6種數據對植物群落多樣性進行分析。

3 試驗分析

3.1 煤矸石山陰坡物種多樣性變化

在試驗地點孫家灣矸石山陰坡上，物種數最初為5科5種，隨著排矸年限的增長增加到7科23種。禾本科與菊科比例最多，占總物種數的75%。在調查的群落中的演替順序依次為：

鵝絨藤+豬毛菜群落→香青蘭+艾蒿+狗尾草群落→榆樹群落

以榆樹為例，其幼樹最早出現于排矸8～15 a的樣地內，高度與蓋度均隨著排矸年限增長而降低，在排矸25～40 a的樣地內，榆樹蓋度達25%，平均高2.2 m。在本次試驗的群落內所呈現出的復層結構中，草本蓋度由原來的20%增至90%，從1年生物種占優勢發展為多年生物種占優勢的群落。因此，建議在陰坡進行人工植被恢復時，可選用耐旱喬木榆樹、刺槐等，同時可選用耐旱灌木檸條、沙棘、紫穗槐等，達到快速改善生境的效果。

表1 陰坡不同樣地草本層α多樣性指數

從表1可得，H′和D指數與排矸年限呈正相關，H′指數隨著排矸年限的增長由初期的1.283 4增至2.822 8，D從0.668 8增至0.920 4。多樣性指數隨著排矸年限增長而增加、兩個豐富度指數也與排矸年限呈正相關關系，并且十分顯著。在均勻度指數方面，Ea指數隨著排矸年限增長而降低，而Jp均勻度指數與排矸年限呈顯著的正相關。

3.2 煤矸石山陽坡物種多樣性變化

在試驗地點孫家灣矸石山的陽坡上，物種數最初為4科4種，隨著排矸年限的增長增加到6科19種。占總物種數最多的為菊科與禾本科。群落演替按照以下順序進行：

鵝絨藤+豬毛菜群落→大籽蒿+狗尾草+阿爾泰狗娃花群落→狗尾草+茵陳蒿+多葉隱子草群落→榆樹疏林

由于礦區內的矸石在長久以來的風化與環境改變的條件下得到改良，試驗區內的草本植物的種類以及植物蓋度和高度也不斷增加。榆樹等木本植物較少存活，是因為陽坡溫度高且水分少，而且蓋度低、長勢差。因此，在排矸25～40 a的地段，也并不適合喬木樹種的生長，所以建議在本地矸石山陽坡植被重建時，應以耐旱草本為主并少量配置耐旱灌木酸棗、杠柳、荊條等。

表2 陽坡不同樣地草本層α多樣性指數

從表2可得，H′和D指數與排矸年限呈正相關，H′指數隨著排矸年限的增長由初期的1.136 0增至2.532 1，D從0.633 7增至0.900 1。在均勻度方面，Ea均勻度指數隨著排矸年限增長而減小，而Jp均勻度指數的變化趨勢不明顯，與排矸年限相關性較差。

4 結論與建議

4.1 隨著排矸年限的增加植物種類隨之遞增，植物主要為耐貧瘠、耐旱的蒿類、隱子草和狗尾草等菊科與禾本科植物，陰、陽坡水分條件的差別導致陰坡的植物種數及其蓋度、高度與生物多樣性指數均高于陽坡。

4.2 建議在陰坡進行人工植被恢復時，可選用耐旱喬木榆樹、刺槐等，同時可選用耐旱灌木檸條、沙棘、紫穗槐等，達到快速改善生境的效果。建議在本地矸石山陽坡植被重建時，應以耐旱草本為主并少量配置耐旱灌木酸棗、杠柳、荊條等。