烏海礦區矸石山邊坡植被重建初期物種多樣性及群落穩定性

劉 瑩, 許 麗, 豐 菲, 楊宇平, 張麗娜

(1.內蒙古農業大學 沙漠治理學院， 內蒙古 呼和浩特 010018;2.荒漠生態系統保護與修復國家林業局重點實驗室， 內蒙古 呼和浩特 010018)

烏海礦區位于內蒙古自治區西南部，轄海勃灣、烏達、海南3個區，煤炭資源相對豐富，是全國二十個焦煤基地之一[1]。截至2012年底，烏海市洗煤行業規模已突破年入洗原煤1.00×108t。由于煤質原因，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電和制磚，部分分層覆土壓實填埋，大部分露天堆存，對當地生態環境造成了不可逆的影響[2]。近5 a來，烏海市海勃灣區煤炭局開展了礦區環境的綜合治理項目，項目實施后對于改善礦區周圍生態環境有積極作用。

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

戴泉玉等[8]人在黃土高原地區公路邊坡對植物群落演替初期的研究中發現，隨著時間的推移，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。該階段各項群落指標開始上升，生態效果和防護功能開始恢復。當坡面形成一個相對穩定的群落時，便是初期演替階段的結束，而具體時間長度的確定還需要進一步的持續觀測。呂春娟等[9]在對山西省平朔礦區的研究結果顯示，在植被恢復的初期階段，植物群落結構和物種組成單一，隨著演替的進行，當地原生物種大量入侵，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呈增加趨勢。郝婧等[10]對煤矸石場草本植物自然恢復初期生態績效評價的結果表明，相較于1 a恢復期，煤矸石場植被恢復初期植物群落基本特征等在5 a恢復期時均達到“優”級水平。

目前，已有許多學者對煤礦廢棄地植被恢復過程中植物群落結構特征做過大量研究，但由于多數礦區在修復前期缺乏系統的監測數據，一些生態修復經驗缺乏科學的數據支撐。為了科學記錄不同恢復階段的生態修復效果，從礦區生態修復初期開展生物多樣性與群落穩定性研究，對于客觀評價礦區生態修復的短期、中期和長期效應具有重要意義[11]。因此，本研究基于西北干旱區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定性等特征的變化規律，旨在為烏海礦區的生態恢復提供依據。

1 研究區概況

研究對象選擇在內蒙古自治區烏海市海勃灣區美方矸石山，地理坐標為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，現為烏海市礦區環境綜合治理區。

研究區屬于半沙漠干旱高原大陸性氣候區，極端最高氣溫40.2 ℃，極端最低氣溫-36.6 ℃，年降雨量166.9 mm，年蒸發量3 500 mm，地區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 樣地設置

調查取樣于2019年8月進行，美方煤矸石山人工植被已重建4 a。有兩級邊坡進行了植被重建。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、山體坡腳處都鋪設由一層土工袋構筑有的柔性坡腳固土措施。邊坡覆土土壤均來自礦區周邊的沙質土壤，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。邊坡布設有微噴灌系統。在已進行植被重建的邊坡上選取矸石山植被重建2，3，4 a的區域。在兩級邊坡坡面上、中、下部位分別設置5 m×5 m的樣地，再對各樣地內存在的草本層以五點取樣法，設置5個1 m×1 m的樣方重復，土壤性質如表1所示。

表1 美方煤矸石山表層土壤基質理化性質特征

2.2 群落組成調查與室內試驗

群落組成調查包括群落蓋度、植物種類、物種數量與高度，并將樣方內植被地上部分全部收獲稱重，帶回實驗室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。通過植物標本采集、鑒定、統計，建立數據庫。以數理統計方法對所得原始數據資料進行處理、歸類。

2.3 群落特征計算

(1) 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：

草本層重要值=

(1)

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。選擇以下指標來衡量群落物種多樣性[1]：

Shannon-Wiener多樣性指數(H′)：

H′=-∑PilnPi

(2)

Simpson多樣性指數(D)：

D=1-∑(Pi)2

(3)

Pielou均勻度指數(Jp)：

Jp=-(∑PilnPi)/lnS

(4)

Alatalo均勻度指數(Ea)：

(5)

Margalef豐富度指數(Ma)：

Ma=(S-1)/lnN

(6)

Patrick豐富度指數(Pa)：

Pa=S

(7)

式中：S表示物種數目；N表示所有物種個體總數；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[14]，計算公式如下：

(8)

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

3 結果與分析

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，在烏海市美方礦區所有調查樣地共出現植物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 研究區不同重建年限樣地植物群落種類組成科屬特點

(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%，以及少數地膚(Kochiascoparia)、阿爾泰狗娃花(H.altaicus)。建植3 a的矸石山邊坡共出現植物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。

表3 研究區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見圖2。由圖2可知，Simpson多樣性指數與Pielou均勻度指數在不同建植年限矸石山之間均不顯著。Shannon-Wiener多樣性指數、Margalef豐富度指數與Patrick豐富度指數均呈上升趨勢，在重建4 a時的矸石山邊坡上均表現為高于重建2 a與重建3 a的邊坡，這兩個樣地較之CJ4分別減少了15.26%，44.44%和40.0%。Alatalo均勻度指數表現為重建3 a的矸石山邊坡高于其他兩個樣地，較之CJ2增加了15.32%。

圖2 研究區不同樣地群落物種多樣性指數

Simpson多樣性指數、Margalef豐富度指數、Patrick豐富度指數、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見表4。不同重建年限矸石山之間植物群落的相似性系數變化幅度不大，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群落的相似性系數為0.747 5，重建3 a和重建4 a的群落的相似性系數為0.685 8。可知煤矸石山在植被重建的初期，物種個體數量增減變化不明顯，恢復初期群落間變異性較大，群落不穩定。且隨植被重建年限增加，群落的結構趨于復雜化。

表4 研究區不同重建年限樣地植物群落的相似性系數

3.4 不同建植年限植物群落穩定性

群落穩定性的計算在Origin 2018中進行，方法采用鄭元潤[15]改進后的M.Godron穩定性測定方法，將植物群落中所有物種的蓋度降序排列，計算其累積相對蓋度與植物種類倒數累積，對應畫散點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(圖3)。其中，20/80為群落的穩定點，植物種類倒數累積百分數和累積相對蓋度的比值越接近20/80，群落就越穩定，反之就越不穩定。散點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定狀態，但與建植年限仍有關聯。不同建植年限矸石山邊坡植物群落穩定性曲線方程的相關系數都大于0.9，表明其擬合較好。擬合曲線與直線的交點坐標范圍x值介于34.586 5～39.480 5之間，y值介于60.424 6～65.451 5之間，群落穩定點與交點的歐氏距離為：煤矸石山重建2 a>重建3 a>重建4 a，其中人工建植4 a的矸石山交點坐標為(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的更加穩定。

圖3 研究區不同樣地植物群落穩定性變化

表5 研究區不同樣地植物群落穩定性分析

4 討論與結論

4.1 討 論

退化生態系統中的植被恢復是植物與環境間相互作用及影響的過程[16]。煤矸石山作為一個半人工、半自然的退化生態系統人工植被恢復措施已經成為必然的選擇[17]。人工植被配置模式及植被重建年限會直接影響矸石山的生態系統及土壤等環境因子，從而影響其植被生長狀況，而物種多樣性又是植被群落構成的基礎。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境下生長狀況良好，適應能力較強。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多樣性研究內容表明，矸石山初期植被重建的多樣性指數與豐富度指數變化較小，隨建植年限增加群落的Margalef均勻度指數與Patrick均勻度指數呈上升趨勢，這與本研究結果相似。王瓊等[20]的研究也表明，在恢復初期，物種種類較少、群落多樣性與均勻度較低。

影響植物群落穩定性的因素是種群之間的競爭、外界環境的壓力和人為的干擾活動等，群落穩定性在即使優勢種相同的情況下也會出現較大差異[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，穩定性表現為重建4 a>重建3 a>重建2 a。有研究表明[22]，恢復10 a間，穩定性指數逐漸增加，但目前仍處于不穩定狀態，說明坡面植被演替的最終結果是逐漸趨向于原始植被類型和結構。

在矸石山后續的恢復中，如果可以在考慮種植礦區典型復墾植物種，例如豆科、禾本科、菊科等植物時適當促進適應當地條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地基因庫，就可以有效地應用于未來礦區恢復的實踐中，改善礦區物種單一，生態系統脆弱的現狀，為礦區生態環境恢復做出貢獻。

4.2 結 論

本研究科學記錄了烏海市礦區美方矸石山重建初期植被群落數據，為中、長期生態重建提了供科學的數據支撐。關于群落在重建幾年能達到穩定狀態的問題并未解決。研究結果表明：

(1) 烏海礦區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的70%，自然侵入植物種數量逐漸增加，表明群落正在進行正向演替過程。

(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與均勻度指數變化較小，豐富度指數變化較為顯著，表明隨建植年限增加，群落結構逐步穩定。

(3) 不同重建年限矸石山之間植物群落的相似性系數，表現為逐年降低，群落的結構趨于復雜化，在植被重建2至4 a時，群落為演替初期，仍處于不穩定狀態。