乌海矿区矸石山边坡植被重建初期物种多样性及群落稳定性

刘 莹, 许 丽, 丰 菲, 杨宇平, 张丽娜

(1.内蒙古农业大学 沙漠治理学院， 内蒙古 呼和浩特 010018;2.荒漠生态系统保护与修复国家林业局重点实验室， 内蒙古 呼和浩特 010018)

乌海矿区位于内蒙古自治区西南部，辖海勃湾、乌达、海南3个区，煤炭资源相对丰富，是全国二十个焦煤基地之一[1]。截至2012年底，乌海市洗煤行业规模已突破年入洗原煤1.00×108t。由于煤质原因，乌海洗选出的矸石量约占入洗原煤量的30%，目前乌海的煤矸石除少部分用于矸石电厂发电和制砖，部分分层覆土压实填埋，大部分露天堆存，对当地生态环境造成了不可逆的影响[2]。近5 a来，乌海市海勃湾区煤炭局开展了矿区环境的综合治理项目，项目实施后对于改善矿区周围生态环境有积极作用。

植物种多样性特征能从够多尺度、多层次的方向出发反映研究区的植物组成变化及生长情况，对于植物多样性的保护和矿区生态系统的恢复具有重要意义[3-4]。群落稳定性能够定量的描述植物群落对外界环境压力与人为扰动的抵抗能力的强弱[5]，煤矸石山植被重建初期植物种类稀少、群落结构单一，且矸石山在植被重建初期受极端的非生物条件(例如，缺水，低营养物质，高温，高盐度)的影响最为严重[6]，其土体几乎不含有来自植物的有机碳，土体中氮和磷的含量也很低，这些都限制了植物群落的稳定[7]。

戴泉玉等[8]人在黄土高原地区公路边坡对植物群落演替初期的研究中发现，随着时间的推移，坡面生境条件变得利于本地物种的侵入，群落的自然演替正式开始。该阶段各项群落指标开始上升，生态效果和防护功能开始恢复。当坡面形成一个相对稳定的群落时，便是初期演替阶段的结束，而具体时间长度的确定还需要进一步的持续观测。吕春娟等[9]在对山西省平朔矿区的研究结果显示，在植被恢复的初期阶段，植物群落结构和物种组成单一，随着演替的进行，当地原生物种大量入侵，土壤种子库逐渐形成，群落的物种丰富度、多样性和均匀度指数呈增加趋势。郝婧等[10]对煤矸石场草本植物自然恢复初期生态绩效评价的结果表明，相较于1 a恢复期，煤矸石场植被恢复初期植物群落基本特征等在5 a恢复期时均达到“优”级水平。

目前，已有许多学者对煤矿废弃地植被恢复过程中植物群落结构特征做过大量研究，但由于多数矿区在修复前期缺乏系统的监测数据，一些生态修复经验缺乏科学的数据支撑。为了科学记录不同恢复阶段的生态修复效果，从矿区生态修复初期开展生物多样性与群落稳定性研究，对于客观评价矿区生态修复的短期、中期和长期效应具有重要意义[11]。因此，本研究基于西北干旱区煤矸石山植被重建初期，探究不同建植年限的物种多样性与其群落稳定性等特征的变化规律，旨在为乌海矿区的生态恢复提供依据。

1 研究区概况

研究对象选择在内蒙古自治区乌海市海勃湾区美方矸石山，地理坐标为39°2′10″—39°54′13″N，106°35′12″—107°10′34″E，海拔为1 284 m，矸石山由鼎兴洗煤厂排出的矸石形成，排弃已7 a，现为乌海市矿区环境综合治理区。

研究区属于半沙漠干旱高原大陆性气候区，极端最高气温40.2 ℃，极端最低气温-36.6 ℃，年降雨量166.9 mm，年蒸发量3 500 mm，地区土壤类型主要为沙壤土、棕钙土、灰漠土等；地带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类型为主[12]。原生植被主要有四合木(Tetraenamongolica)、霸王(Sarcozygiumxanthoxylon)、白刺(Nitrariatangutorum)、甘蒙锦鸡儿(Caraganaopulens)、红砂(Reaumuriasongarica)等灌木树种，芨芨草(Achnatherumsplendens)、蓼子朴(Inulasalsoloides)、白茎盐生草(Halogetonarachnoideus)、蝎虎驼蹄瓣(Zygophyllummucronatum)、阿尔泰狗娃花(Heteropappusaltaicus)、银灰旋花(Convolvulusammannii)、蒙古韭(Alliummongolicum)等草本[13]。

2 材料与方法

2.1 样地设置

调查取样于2019年8月进行，美方煤矸石山人工植被已重建4 a。有两级边坡进行了植被重建。人工整坡，坡度约33°，每级边坡坡长约20 m。台阶上马道排水渠与坡面之间、山体坡脚处都铺设由一层土工袋构筑有的柔性坡脚固土措施。边坡覆土土壤均来自矿区周边的沙质土壤，厚30—50 cm，材料配比为沙土∶洗选矸石渣=8∶2，人工植被配置模式为沙打旺(Astragalusadsurgens)45%+紫花苜蓿(Medicagosativa)45%+大狗尾草(Setariafaberii)10%，种植方式为撒播。边坡布设有微喷灌系统。在已进行植被重建的边坡上选取矸石山植被重建2，3，4 a的区域。在两级边坡坡面上、中、下部位分别设置5 m×5 m的样地，再对各样地内存在的草本层以五点取样法，设置5个1 m×1 m的样方重复，土壤性质如表1所示。

表1 美方煤矸石山表层土壤基质理化性质特征

2.2 群落组成调查与室内试验

群落组成调查包括群落盖度、植物种类、物种数量与高度，并将样方内植被地上部分全部收获称重，带回实验室85 ℃下烘干至恒重，测干重率。以样方的平均值推算植被生物量。通过植物标本采集、鉴定、统计，建立数据库。以数理统计方法对所得原始数据资料进行处理、归类。

2.3 群落特征计算

(1) 重要值。根据所调查群落的特征数据，计算其重要值，以重要值确定群落主要成分，并以优势植物来区分群落，分析其动态变化。计算公式如下：

草本层重要值=

(1)

式中：相对密度=某一植物种的个体数/全部植物种的个体数×100%;相对盖度=某一植物种的盖度/群落中所有种分盖度之和×100%;相对高度=某一植物种的高度/全部种的高度之和×100%;相对生物量=某一植物种的生物量/全部种的生物量之和×100%。

(2) 多样性指数。选择以下指标来衡量群落物种多样性[1]：

Shannon-Wiener多样性指数(H′)：

H′=-∑PilnPi

(2)

Simpson多样性指数(D)：

D=1-∑(Pi)2

(3)

Pielou均匀度指数(Jp)：

Jp=-(∑PilnPi)/lnS

(4)

Alatalo均匀度指数(Ea)：

(5)

Margalef丰富度指数(Ma)：

Ma=(S-1)/lnN

(6)

Patrick丰富度指数(Pa)：

Pa=S

(7)

式中：S表示物种数目；N表示所有物种个体总数；Pi表示在本研究中用综合特征量的重要值与样地总的重要值的比值代替。

(3) 群落相似性。群落相似性采用Whittaker’s相似性系数[14]，计算公式如下：

(8)

式中：S为植物群落A和群落B中所记录的物种总数;ai为种i在群落A全部个体中的比例;bi为种i在群落B全部个体中的比例。

3 结果与分析

3.1 不同建植年限植物群落组成特征

(1) 群落科属特征。由表2可知，在乌海市美方矿区所有调查样地共出现植物11种，分属4科11属，其中藜科、豆科植物约占到了植物总数的70%。对于植被重建2 a的矸石山，物种组成简单，为4科7种，对于植被重建3 a的矸石山，物种明显增加，为4科9种，集中于菊科与禾本科。对于植被重建4 a的矸石山，物种进一步丰富，为4科10种，菊科植物退化一种，藜科植物比重增大。

表2 研究区不同重建年限样地植物群落种类组成科属特点

(2) 群落物种组成及其重要值。不同样地植物群落物种组成及其重要值见表3。在所调查的样地中，除人工种植植被沙打旺、紫花苜蓿和大狗尾草外另有4至7自然植物种侵入。建植2 a的矸石山边坡共有7种植物，自然侵入植物4种，其中一年生植物种3种，占75%。自然侵入的植物种重要值共占40.27%，有白茎盐生草和雾冰藜(Bassiadasyphylla)重要值共占24.73%，以及少数地肤(Kochiascoparia)、阿尔泰狗娃花(H.altaicus)。建植3 a的矸石山边坡共出现植物9种，自然侵入植物6种，重要值共占53.08%，有白茎盐生草、地肤及狗尾草(S.viridis)，重要值共占38.08%，还有少数阿尔泰狗娃花、雾冰藜和大籽蒿(Artemisiasieversiana)，自然侵入的一年生植物种有5种，占83%。建植4 a的矸石山边坡出现了10种植物，自然侵入植物7种，其中一年生植物种有5种，占71%。自然侵入的植物种重要值共占46.42%，白茎盐生草与地肤处于优势地位，重要值共占22.17%，大狗尾草、雾冰藜、狗尾草、阿尔泰狗娃花、沙生冰草(Agropyrondesertorum)、藜(Chenopodiumalbum)占少数。

表3 研究区不同样地植物群落物种组成及其重要值 %

3.2 不同建植年限植物群落多样性特征

由图1可以看出不同样地植物群落生长指标变化。植被盖度与地上生物量都以植被重建4 a的矸石山最高，平均盖度较之建植2，3 a矸石山增加了40.0%和86.6%，而地上生物量仅高于重建2 a。植被密度与高度以植被重建3 a的矸石山最高，较于重建2 a和重建4 a的边坡，增加了30.1%和28.1%，高度则仅高于重建2 a。

注：不同小写字母表示差异显著，p<0.05。下同。

不同样地群落物种多样性指数见图2。由图2可知，Simpson多样性指数与Pielou均匀度指数在不同建植年限矸石山之间均不显著。Shannon-Wiener多样性指数、Margalef丰富度指数与Patrick丰富度指数均呈上升趋势，在重建4 a时的矸石山边坡上均表现为高于重建2 a与重建3 a的边坡，这两个样地较之CJ4分别减少了15.26%，44.44%和40.0%。Alatalo均匀度指数表现为重建3 a的矸石山边坡高于其他两个样地，较之CJ2增加了15.32%。

图2 研究区不同样地群落物种多样性指数

Simpson多样性指数、Margalef丰富度指数、Patrick丰富度指数、地上生物量与平均盖度均为建植4 a最大，说明矸石山建植4 a植被生长状况最好。

3.3 不同建植年限植物群落相似性

不同样地植物群落的相似性系数见表4。不同重建年限矸石山之间植物群落的相似性系数变化幅度不大，但在逐年降低。在0.096 9至0.026 7之间，植被重建2 a和重建3 a群落的相似性系数为0.747 5，重建3 a和重建4 a的群落的相似性系数为0.685 8。可知煤矸石山在植被重建的初期，物种个体数量增减变化不明显，恢复初期群落间变异性较大，群落不稳定。且随植被重建年限增加，群落的结构趋于复杂化。

表4 研究区不同重建年限样地植物群落的相似性系数

3.4 不同建植年限植物群落稳定性

群落稳定性的计算在Origin 2018中进行，方法采用郑元润[15]改进后的M.Godron稳定性测定方法，将植物群落中所有物种的盖度降序排列，计算其累积相对盖度与植物种类倒数累积，对应画散点图并拟合为平滑曲线，以直线方程在图上绘制一条直线，求与曲线交点(图3)。其中，20/80为群落的稳定点，植物种类倒数累积百分数和累积相对盖度的比值越接近20/80，群落就越稳定，反之就越不稳定。散点图拟合平滑曲线模型为y=ax2+bx+c，直线方程为y=100-x。

由表5与图3可知，煤矸石山植被重建的初期群落都处于不稳定状态，但与建植年限仍有关联。不同建植年限矸石山边坡植物群落稳定性曲线方程的相关系数都大于0.9，表明其拟合较好。拟合曲线与直线的交点坐标范围x值介于34.586 5～39.480 5之间，y值介于60.424 6～65.451 5之间，群落稳定点与交点的欧氏距离为：煤矸石山重建2 a>重建3 a>重建4 a，其中人工建植4 a的矸石山交点坐标为(34.586 5,65.451 5)，欧氏距离为20.601 6，表明人工建植4 a的群落较之重建2 a和3 a的更加稳定。

图3 研究区不同样地植物群落稳定性变化

表5 研究区不同样地植物群落稳定性分析

4 讨论与结论

4.1 讨 论

退化生态系统中的植被恢复是植物与环境间相互作用及影响的过程[16]。煤矸石山作为一个半人工、半自然的退化生态系统人工植被恢复措施已经成为必然的选择[17]。人工植被配置模式及植被重建年限会直接影响矸石山的生态系统及土壤等环境因子，从而影响其植被生长状况，而物种多样性又是植被群落构成的基础。因此植被重建初期相同植被配置模式下的物种多样性与群落稳定性显得尤为重要。

珊丹等[18]的研究表明，在排土场边坡植被恢复的最初阶段，植物群落组成中1，2 a生植物种类较多，说明除人工种植的草本植物以外，传播能力强且耐旱的1，2 a生物种是主要的先锋植物。排土场边坡种植的紫花苜蓿、沙打旺均为豆科植物，在条件相对恶劣的环境下生长状况良好，适应能力较强。与此相似的是，本研究显示，植被重建样地中有白茎盐生草、雾冰藜和地肤等1 a生先锋植物种侵入，占比均在70%以上。随着建植年限增加，豆科植物重要值占比逐渐增加。

石占飞等[19]对植物群落α多样性研究内容表明，矸石山初期植被重建的多样性指数与丰富度指数变化较小，随建植年限增加群落的Margalef均匀度指数与Patrick均匀度指数呈上升趋势，这与本研究结果相似。王琼等[20]的研究也表明，在恢复初期，物种种类较少、群落多样性与均匀度较低。

影响植物群落稳定性的因素是种群之间的竞争、外界环境的压力和人为的干扰活动等，群落稳定性在即使优势种相同的情况下也会出现较大差异[21]。本研究中矸石山处于植被重建初期，群落也处于演替初期，稳定性表现为重建4 a>重建3 a>重建2 a。有研究表明[22]，恢复10 a间，稳定性指数逐渐增加，但目前仍处于不稳定状态，说明坡面植被演替的最终结果是逐渐趋向于原始植被类型和结构。

在矸石山后续的恢复中，如果可以在考虑种植矿区典型复垦植物种，例如豆科、禾本科、菊科等植物时适当促进适应当地条件的本地物种自然定植。并且通过种植演替后期的本土植物种类，在该地煤矸石山保留当地基因库，就可以有效地应用于未来矿区恢复的实践中，改善矿区物种单一，生态系统脆弱的现状，为矿区生态环境恢复做出贡献。

4.2 结 论

本研究科学记录了乌海市矿区美方矸石山重建初期植被群落数据，为中、长期生态重建提了供科学的数据支撑。关于群落在重建几年能达到稳定状态的问题并未解决。研究结果表明：

(1) 乌海矿区美方煤矸石山植被重建过程中。随矸石山建植年限增加，物种数由4科7种增加至4科10种，其中藜科、豆科植物约占到了植物总数的70%，自然侵入植物种数量逐渐增加，表明群落正在进行正向演替过程。

(2) 随重建年限从2 a增加至4 a，植被平均盖度、地上生物量均增加1.5倍左右。煤矸石山植被重建初期，植物群落多样性指数与均匀度指数变化较小，丰富度指数变化较为显著，表明随建植年限增加，群落结构逐步稳定。

(3) 不同重建年限矸石山之间植物群落的相似性系数，表现为逐年降低，群落的结构趋于复杂化，在植被重建2至4 a时，群落为演替初期，仍处于不稳定状态。