太原東山礦區植被自然恢復過程中物種多樣性變化

于 娜，董寬虎

（1.山西省林業職業技術學院園林系，山西太原030009；2.山西農業大學草業學院，山西太谷030801）

煤炭資源作為山西省主要的能源之一，其開發對我國國民經濟建設和社會發展起到了極其重要的支撐作用。但采礦導致植被破壞，土壤性質發生了很大變化，造成當地生態環境惡化[1-2]。利用抗逆性強的草灌物種，可以有效地控制水土流失，改善土壤有機質含量，從而改善生態環境。

太原市東山地區煤礦具有煤層位置淺、分布廣泛的特點，所以，在20世紀初遭遇了大規模的露天開采以及瘋狂的私挖亂采，使巖石、土壤、煤矸石等物質發生大規模的遷移和堆積，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環境問題?？傮w來看，生態破壞后形成的礦區廢棄地的恢復過程分為人工恢復和自然恢復兩類。目前，人工重建植被是快速恢復復墾地生態功能、防止生態環境進一步惡化的重要途徑[3]，不少學者已進行了研究[4-7]，但針對礦區自然恢復下的植被演替特點、群落結構變化的研究卻較少。

筆者對太原東山煤礦廢棄地的生態自然恢復下的物種多樣性進行調查并探討其演變規律，為今后人工恢復礦區生態系統提供科學依據[8-9]。

1 材料和方法

1.1 研究區概況

太原東山位于 112°45.774′E，37°54.530′N。境內無河流，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，年蒸發量1 877 mm。區域氣候屬暖溫帶大陸性季風氣候區，氣候溫和，四季分明。研究區地帶性土壤多煤矸石、碎石，砂粒、土壤母質、母巖組成，少土和少肥，植被自然恢復較困難。

1.2 樣地調查

于2016年4月對太原東山地區已關閉采煤礦區進行了篩選，以確定不同關停年份、不同礦區類型，最終選擇了關閉年限11～22 a不等的10個廢棄礦區作為研究對象（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”式設置大樣方，即四角和中間共設立5個（10 m×10 m）大樣方，樣方內全部采樣調查了解礦場內植被自然恢復情況，共設置有代表性的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月進行2次灌木和草本的調查和復核，調查時記載每樣植物的編碼、植物名稱、株高等指標以及植物的生長狀況，同時測定群落學特征，如群落主要種類組成、蓋度、頻度等。

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

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

1.4 數據處理

利用Excel和SPSS 13.0統計軟件對數據進行處理。

2 結果與分析

2.1 礦區植物群落的物種構成分析

東山采礦區的植被自然演替過程中共出現高等植物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烏里胡枝子、細梗胡枝子、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，木質藤本植物2科2屬2種，構成表現為多數種屬于少數科，少數種屬于多數科，單種單屬植物共10種，占到草本總數的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，占全部種數的43.80%。

由此可見，菊科和禾本科、豆科植物是該區次生演替的優勢科，在東山礦區植被的自然恢復演替過程中所起的作用最大，同時還表明在該地區的植物區系中占居著重要地位。各礦區根據物種豐富度排序為：小返鄉＞占山嶺中段＞黃嘴山＞黃嘴梁＞獨山煤礦＞流家河＞壽陽溝背＞占道南溝＞占道村南＞占道東溝。

2.2 礦區植物優勢種及豐富度分析

隨著礦區廢棄時間的延長，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、菊科三大科優勢植物種各不相同，但是草本群落在各個立地類型上的優勢差異不大，草本層明顯為優勢層，表明調查礦區處于群落演替的初級階段。除小返鄉、占山嶺中段、壽陽溝背外，其他區域群落的優勢群叢是一二年生草本和多年生草本植物。根據各物種的重要值總結出各樣地的優勢植被類型。

不同立地條件草本群落優勢種差異不大（表2），小紅菊、鳳毛菊在10個礦區的草本群落中均作為優勢種或亞優勢種存在，披堿草、大籽蒿、硬質早熟禾、披針苔草是在大多數樣地中也表現出很強的生長優勢。喬木以白榆為主，可能是由于白榆是當地適生樹種，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特性有關。木質藤本以杠柳在樣方中出現最多，隨著恢復年限的增長，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，都為植物演替提供了條件。

表2 不同礦區植物優勢種重要值及物種豐富度情況

2.3 不同礦區物種多樣性與均勻性指數分析

廢棄礦區植被恢復中以草本和灌木為主，鮮有喬木（表3）。對不同恢復年限礦區中的植物類群分別進行了多樣性和均勻性分析發現，各調查區域中物種均勻度指數在調查區域中以草本群落最高，多樣性的變化在相同恢復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22 a的小返鄉礦區草本層多樣性最大，草本植物仍是群落的建群種，群落結構并不穩定，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并占到優勢，說明在東山采礦廢棄地植被群落特征明顯受到所在環境的影響。

表3 不同礦區物種多樣性及均勻性指數分析

續表3

3 結論與討論

太原東山廢棄礦區在19世紀初經歷大規模的開采破壞后，其自然恢復是一個緩慢的過程。它包括土壤基質的富集恢復及植物種的自然侵入和演替[12]。草本層為東山廢棄地的優勢層，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，說明調查礦區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律，結果顯示，在10個調查區域內共計205個樣方內共出現高等植物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，占全部種數的43.80%。

當群落環境中土層加厚，地表中營養成分增加，生境才可能提高穩定性[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烏里胡枝子、細梗胡枝子、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11科14屬16種，以櫻草薔薇為主，木質藤本和草本藤本都有出現，木質藤本植物2科2屬2種，以杠柳為主。各礦區根據物種豐富度排序為：小返鄉＞占山嶺中段＞黃嘴山＞黃嘴梁＞獨山煤礦＞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重，經過近20 a的恢復，入侵植物大多數為一二年生草本植物，群落結構和組成也較簡單，表明其恢復過程困難而緩慢。

調查發現，雖然有喬木出現，但都以單株小苗形式零星存在或山體滑坡落入調查區域，除小返鄉礦區和占山嶺中段群落中以灌木為優勢種群外，其他礦區以草本為主，草本植物以集群形式分布在道路兩側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的原因，因此，土壤在廢棄地植被恢復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構的限制因子；以小返鄉為例，植物豐富度較高，這與它位于道路旁，與其他調查區域相比受到更多的人為條件干擾較多有關。說明植物的演替受到人為干擾、立地小環境的影響[14-15]。

調查發現，東山采礦廢棄地植被恢復過程中，草本層的整體構成表現為多數種屬于少數科，少數種屬于多數科，單種單屬植物共10種，占草本總數的40%，先鋒優勢種主要集中在少數物種，群落相應的多樣性與均勻度指數較低。各調查區域中物種均勻度指數在調查區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境的影響[16]。根據東山具體立地條件的復雜性和植被恢復演替的長期性，結合太原東山采礦廢棄地建立復合生態系統的生態修復的目標，單純靠植被自然恢復很難形成穩定喬灌群落，要達到相對穩定演替階段需要更長時間，因此，應以保護原有當地先鋒物種為主，發展群落多樣性，增加群落層次結構[17-18]。由于礦區土壤條件惡劣，各立地條件的坡位、土壤厚度、土壤類型對土壤營養物質積累和發揮水土保持作用等會造成不同程度的影響。在恢復過程中都會影響群落的差異性[19-20]，因此，后期人工恢復時應結合選擇具體環境下的先鋒物種、鄉土物種，并結合一系列生物和工程措施加快其生態修復進程[21]，運用不同工藝促進植物群落的演替及長期穩定性，創造豐富的植物群落，不僅加速礦區的植被恢復，還可達到綠化效果。