煤礦復墾區不同修復年限林下草本群落特征及其與土壤耦合關系

高瑞，艾寧，*，劉廣全，劉長海，強方方

（1. 延安大學生命科學學院，陜西省紅棗重點實驗室，陜西 延安 716000；2. 中國水利水電科學研究院，北京 100038）

我國是世界上最大的煤炭生產國和消費國，煤炭資源產量約占一次性能源供給比例的70%［1］。煤炭資源大量開采，形成了大面積的塌陷地和工礦廢棄地，對礦區及其周邊生態環境造成極大的破壞，生態系統嚴重失衡。我國于20 世紀80年代開始重視廢棄礦區的土地復墾與修復，且主要從地貌重塑、土壤理化性質重構及植被恢復技術等方面開展相關工作與研究［2?4］。近年來，礦區土地復墾和生態修復，已成為國內外專家學者普遍關注的熱點問題之一［5?7］。研究表明，植被修復是改善礦區生態環境最直接、最有效的方式［8?11］。一方面土壤為植物生長提供了水分與養分，另一方面植被栽植促進土壤的改良［12］，而土壤性質的優化有利于植被的恢復，二者相輔相成，構成了礦區土地復墾和生態修復過程相互反饋的一個綜合系統。

目前關于礦區植物多樣性與土壤因子相互關系的研究較多［13?15］，但縱觀已有研究，礦區土地復墾后土壤與植被的耦合關系主要從線性關系出發，比如采用相關性分析與回歸分析等方法進行，缺乏兩者間系統性的耦合協調度研究。因此，以聚鑫龍煤礦復墾區修復年限為3～7年的林下草本植物群落與土壤因子為研究對象，并以人工草地與撂荒草地為對照，采用灰色關聯耦合模型法，對研究區土壤與植被現狀進行系統性的耦合度分析，從而明確研究區土地復墾后植被與土壤的耦合協調度關系，進一步了解研究區不同修復年限礦區生態系統恢復進程，旨在為研究區以及相似區域的礦區生態修復重建提供科學依據與數據支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于內蒙古自治區鄂爾多斯聚鑫龍煤礦（110°4′2″E，39°54′16″N），海拔約1360 m，地勢平坦，屬于溫帶大陸性氣候，全年無霜期約135 d；降水年際變化較大，多年平均降水量約400 mm，主要集中在每年的7?9月。研究區進行土地復墾始于2011年，選取的植被主要有沙棘（Hippophae rhamnoidoes）和檉柳（Tamarix chinensis）等灌木以及芨芨草（Achnatherum splendens）為主的草本植物。

1.2 樣地設置與樣品采集

通過對研究區進行實地考察與調研，于2017年8月進行土壤樣品采集，選取修復年限為3～7年的沙棘林下草本群落作為研究對象，并以相鄰的撂荒地和人工草地作為對照，在各修復年限沙棘林草本群落分布區分別布設3 塊10 m×10 m 標準樣地，每塊樣地內按對角線法設置5 個1 m×1 m 草本樣方。調查并記錄各樣地信息及樣方內的草本植物種數、高度和蓋度等指標。在每個草本樣方內，沿對角線，設置3 個1 m 深土壤剖面，采用環刀進行土壤樣品采集，去除地表枯落物，自地表垂直向下分為5 層，即0～20 cm，20～40 cm，40～60 cm，60～80 cm，80～100 cm，同一剖面每層取3 個重復，用于測定土壤物理性質，同時將剖面每一層采集的土壤樣品裝入自封袋帶回實驗室自然風干，過篩進行土壤理化指標測定。樣地信息見表1。

表1 標準地基本信息Table 1 Basic information of sample land

1.3 土壤樣品測定

采用烘干法測定土壤水分，采用環刀浸水法測定與計算土壤容重、總孔隙度、飽和含水量和毛管持水量指標；土壤粒徑采用BT-9300S 激光粒度分布儀（遼寧）測定（土壤粒徑分級根據美國制土壤質地分級標準）；土壤pH 值和電導率分別由PHS-320 高精度智能酸度計（成都）和DDS-608 多功能電導率儀（成都）測定；采用堿解擴散法測定堿解氮；醋酸銨浸提?火焰光度法測定速效鉀；0.5 mol·L?1的碳酸氫鈉法測定速效磷；氫氧化鈉熔融法測定全磷；重鉻酸鉀容量法測定有機質［16］。

1.4 草本植物多樣性計算

本研究采用Margalef 指數、Pielou 指數、Simpson 指數和Shannon?Wiener 指數研究煤礦復墾區林下草本群落的多樣性。

式中：S為出現在樣地的物種數，N為所有物種的個體數之和。

1.5 灰色關聯耦合分析

運用灰色關聯分析法對研究區草本植物多樣性與土壤因子進行關聯度分析，通過建立灰色關聯度模型［17］探究研究區草本植物群落與土壤系統的耦合協調關系。

式中：ε為分辨系數，取值范圍一般為0＜ε＜1，一般取值為ε=0.5。

式中：m為土壤指標數，l為多樣性指標數。

系統耦合協調程度評價標準見表2。

表2 系統耦合協調度標準Table 2 Standard of system coupling coordination

1.6 數據處理及分析

采用SPSS 22.0、Excel 2010 和Origin 2018 進行數據處理與圖形繪制。

2 結果與分析

2.1 煤礦復墾區林下草本群落組成及群落多樣性分析

2.1.1 林下草本群落組成 由表3 可知，研究區林下草本植物種類共55 種，其中菊科占29%，禾本科占18%，豆科占13%，藜科占7%，莧科、石竹科、唇形科各占3%，蔥科、田苣科、百合科、蓼科、牻牛苗兒科、瑞香科、堇菜科、紫葳科、景天科、敗醬科、夾竹桃科、十字花科均為單科單屬，各占2%。隨著修復年限的增加，林下草本植物種數呈現先減少后增多的趨勢，其中人工草地物種數最多，修復5年樣地林下草本植物種類最少。

表3 不同修復年限林下草本植物群落概況Table 3 General situation of herbaceous plant communities under forests with different restoration years

2.1.2 林下草本群落多樣性分析 如圖1 所示，隨著修復年限的增加，研究區林下草本植物的Margalef 指數與Shannon?Weiner 指數變化趨勢相似，均表現為先減小后增大的趨勢，且均小于人工草地和撂荒地。不同修復年限林下草本植物的Pielou 指數與Simpson 指數無明顯變化，其中修復5年樣地林下草本植物的Pielou 指數（0.948）最大，而撂荒地Pielou 指數（0.474）最小，二者差異較大；人工草地的Simpson 指數（0.949）最大，修復4年樣地林下草本植物的Simpson 指數（0.893）最小，二者差異不大。

圖1 不同修復年限林下草本植物群落多樣性指數Fig. 1 Diversity index of understory herbaceous plant community in different restoration years

2.2 植物群落多樣性與土壤因子耦合關聯分析

由表4 可知，各植物群落多樣性指數與土壤因子間的關聯度值范圍在0.50～0.84 之間，均值為0.65，關聯度均處于中等關聯及以上，表明研究區草本植物多樣性與土壤因子之間關系較為密切。其中Margalef 指數與粉粒（0.78）關聯度最高，為較高關聯，與pH（0.58）關聯度最低，為中等關聯；Pielou 指數與pH（0.75）關聯度最高，為較高關聯，與全磷（0.53）關聯度最低，為中等關聯；Simpson 指數與砂粒（0.71）關聯度最高，為較高關聯，與速效氮（0.50）和黏粒（0.50）關聯度最低，為中等關聯；Shannon?Wiener 指數與土壤容重（0.84）關聯度最高，為高關聯，與pH（0.54）關聯度最低，為中等關聯。

表4 植物多樣性與土壤耦合矩陣Table 4 Plant diversity and soil coupling matrix

2.3 植物群落多樣性與土壤因子耦合協調度分析

由表5 可知，本研究系統耦合度的范圍在0.48～0.72 之間，其中，修復7年樣地林下草本植物多樣性與土壤系統耦合度（0.72）最高，為中度協調；而人工草地的植物多樣性與土壤系統耦合度（0.48）最低，為中度不協調。隨著修復年限的增加，沙棘林下草本植物多樣性與土壤系統的耦合度呈現“升高?降低?升高”的變化趨勢。

表5 不同修復年限樣地植物多樣性與土壤系統耦合協調評價模型Table 5 Coordination evaluation model of plant diversity and soil system coupling in different restoration years

3 討論

3.1 煤礦復墾區林下草本植物群落組成及多樣性分析

研究發現本研究區禾本科、菊科和豆科的草本植物種類，占所有草本植物種類的60%，這與原野等［19］、尚志［20］的研究結果相似，其原因為禾本科、菊科植物耐干旱、耐貧瘠且有較強的適應環境能力［21］，禾本科植物根系為須根系，側根發達，分布于淺層土壤且吸收養分能力較強，生產能力較強；菊科植物種子傳播迅速，易入侵到當地的植物群落，繁衍能力較強［22］。豆科植物的根瘤固氮作用，可為植株生長提供氮元素，在缺水、貧瘠、沒有人工施肥干預的廢棄地上具有強烈的適應性［23］。

隨著恢復年限的增加，研究區沙棘林下草本植物種數的變化趨勢為先減小后增大，主要原因為復墾初期草本群落物種受人工干預，物種構成豐富，隨著后期人工干預退出，沙棘林的退化以及物種種間競爭等群落活動，使得林下草本植物群落表現出該趨勢。

物種多樣性是生物群落的重要特征，是草地生態系統穩定的基礎［24］。本研究中，隨著修復年限的增加，林下草本植物的Margalef 指數與Shannon?Wiener 指數變化趨勢與草本植物種數變化趨勢一致，均為先減小后增大，且均小于人工草地和撂荒地；而Pielou 指數與Simpson 指數隨恢復年限增加無明顯變化，這與馮倩男等［25］的研究結果相似。人工草地的Margalef 指數、Simpson 指數、Shannon?Wiener 指數均為最大值，這與人工草地的物種數目最多且分布較均勻有著直接的關系，該群落較復雜且穩定。撂荒地的Pielou 指數最小，雖然其物種豐富但是個體數量分布不均勻，說明均勻度與物種數及群落內植物的多度沒有明顯關系，與個體的分布狀況有很大的關系。

3.2 煤礦復墾區林下草本植物群落與土壤因子耦合分析

不同修復年限林下草本植物群落物種多樣性與各理化因子的關聯度均為中等關聯以上，其中砂粒、粉粒、pH和土壤容重與物種多樣性關系較緊密。耦合協調度能夠定量判斷植物多樣性與土壤理化性質的耦合協調發展程度［26］，本研究中，修復7年樣地林下草本植物多樣性與土壤系統耦合度最高，為中度協調，這可能是草本植被群落經過長期的自我調整優化，與土壤的反饋機制逐漸穩定所形成的結果。人工草地雖然物種數最多且物種多樣性指數較高，但其植物多樣性與土壤系統耦合度最低，為中度不協調，其原因為人工草地的建群種是人為建植的，人工篩選草本植物的適應性存在差異，以及種植數量超過了當地生態環境的水土承載力。隨著修復年限的增加，林下草本植物多樣性與土壤系統的耦合度呈現“升高?降低?升高”的變化趨勢，說明植物多樣性與土壤系統的協調程度正在呈良性發展，但還未達到最佳的協調程度。Zhao 等［27］研究山西平朔露天煤礦復墾廢棄地也發現隨著修復年限的增加，土壤發育水平明顯提高。本研究結果與其相互印證。

4 結論

1）研究區草本植物種類共有55 種，其中以禾本科、菊科和豆科為主，三者共占比為60%。

2）草本植物多樣性表現出明顯的時間異質性，隨著修復年限的增加，其物種數呈現先減少后增加的趨勢，且逐漸接近于人工草地的物種數；植物的Margalef 指數和Shannon?Wiener 指數均呈現出先下降后上升的趨勢，而Pielou 指數和Simpson 指數隨時間變化不明顯。

3）研究區草本植物群落多樣性與土壤因子關聯度均在中等關聯以上，特別是土壤粉粒、砂粒、pH 和土壤容重與其關聯度較高。

4）研究區不同修復年限草本植物多樣性與土壤因子耦合協調度不同，樣地植物多樣性與土壤的耦合協調程度隨修復年限增加呈現“升高?降低?升高”的變化趨勢，修復7年樣地的草本植物多樣性與土壤耦合協調度最高，植物多樣性與土壤系統的協調程度表現出良性發展的趨勢，但還未達到最佳的協調程度。