抚顺西露天矿区植物群落多样性与土壤理化性质的关系研究

肖 平，陈 皓，冯 萍，李海福，颜 旭，许玉凤

（1.抚顺矿业集团有限责任公司 西露天矿，辽宁 抚顺 113004；2.沈阳农业大学，辽宁 沈阳 110866）

矿业的快速发展给我国带来经济效益的同时，对生态环境也造成了巨大的破坏[1-2]。煤矿的露天开采导致土壤肥力严重下降，使植物群落结构和功能发生改变，植被衰退，生物多样性下降，同时还会引起土壤重金属污染[3-4]。矿区生态环境的恢复迫在眉睫[5]。植被恢复是矿区生态恢复的基础和关键。植被恢复不仅可以美化环境，同时还能改良土壤，对矿区生态环境的恢复与重建具有促进作用[6-7]。抚顺西露天煤矿经过百年的露天开采，在矿区内形成了大面积的排土场，形成了水土流失、土壤和大气污染等许多环境问题[7]。秉承“绿水青山，就是金山银山”的生态理念，抚顺西露天矿区的生态环境恢复工作刻不容缓。为此，通过对抚顺西露天矿区植物与土壤理化特性进行调查，分析了影响矿山植被恢复的关键性因子，为其生态环境的恢复提供借鉴。

1 试验方案

1）试验样地。根据西露天矿区生态恢复现状，选取4 块典型样地和1 块对照样地，分别为：①西端帮样地WS：自然恢复1～5 年；②东端帮样地ES：自然恢复5～10 年；③南帮样地NS：人工和自然恢复相结合30～40 年；④北帮样地SS：自然恢复30～40 年；⑤千台山样地CK：对照样地。

2）植被调查。调查于2020 年8 月进行。在每一个样地，设1 个规格为10 m×10 m 乔木样方，2 个规格为5 m×5 m 灌木样方，5 个规格为1 m×1 m 草本样方；分别记录样方中植物种类、数量、高度、胸径(基径)、冠幅、盖度等，以及样方海拔、经纬度等。

3）土壤样品的采集与测定。与植被调查同时进行。用环刀（d=5 cm）采集样方内0～30 cm 土壤3 份，其中2 份装入自封袋中保存，1 份保存在环刀中，做好标记。带回实验室后，采用环刀法测定土壤含水量、密度、总孔隙度；采用电位法测定土壤pH；采用重铬酸钾－稀释热法测定有机质含量；分别采用凯氏定氮法、碱熔－钼锑抗比色法、碱熔－火焰光度计法测定全N、全P、全K；采用碱解－扩散法测定有效N，采用NaHCO3浸提－钼锑抗比色法测定有效P，采用CH3COONH4浸提－火焰光度计法测定速效K，重金属Ni、Zn、Cu、Cr、Cd 含量采用电感耦合等离子体原子发射光谱仪ICP－AES（IRISIntrepidII）测定。

2 生态恢复对植物群落α 多样性的影响

采用Simpson 多样性指数、Shannon－wiener 多样性指数、Pielou 均匀度指数和Margalef 丰富度指数这4 个指标来衡量不同样地群落多样性变化特征。不同恢复年限和恢复方式对矿区植物群落α 多样性指数的影响如图1。（图中不同字母表示存在显著差异（p＜0.05））。

图1 不同恢复年限和恢复方式对矿区植物群落α 多样性指数的影响

千台山的Margalef 和Simpson 多样性指数高于矿区4 个样地，差异显著（p ＜0.05），Pielou 和Shannon－wiener 多样性指数比矿区4 个样地低（p＜0.05），说明千台山的优势种具有更加突出的主导地位。随着恢复年限的增加，Simpson 和Shannonwiener 指数有逐渐增大的趋势，而Margalef 丰富度指数和Pielou 均匀度指数的变化呈波动，说明群落在恢复初期，随着时间的延长，植物种类逐渐增多，到后期时，由于竞争产生了淘汰。与自然恢复比，在人工恢复与自然恢复相结合的恢复方式下，4 种植物群落多样性指数均较高。

3 生态恢复对矿区土壤理化特性的影响

不同恢复年限和恢复方式对矿区土壤理化特性的影响见表1。

由表1 可知，矿区南帮土壤密度最小，与对照样地千台山比差异不显著（p＞0.05）。千台山的土壤总孔隙度与西端帮、东端帮和北帮相比差异显著（p＜0.05）。矿区南帮土壤孔隙度最高。土壤含水量表现为南帮最高，其次是对照样地千台山，与矿区其他3个样地比差异显著（p＜0.05）。

表1 不同恢复年限和恢复方式对矿区土壤理化特性的影响

土壤pH 值为7.0～7.7，说明矿区土壤显弱碱性或中性，且pH 随恢复年限的延长逐渐降低。随着恢复年限的增加，各样地土壤有机质含量逐渐增大（除西端帮外），对照样地千台山最高，与其他样地比差异显著（p＜0.05），有机质含量比较丰富，达到了全国土壤养分二级标准。随着恢复年限的增加，各样地土壤全N 和有效N 含量逐渐升高，且千台山显著高于矿区4 个样地（p＜0.05），但矿区4 个样地土壤全N含量差异不显著（p＞0.05），西端帮土壤有效N 含量与其他3 个样地比差异显著（p＜0.05）。矿区P 与K的含量随着恢复时间的变化无明显规律，东端帮和北帮土壤全P 含量达到全国土壤养分一级，含量丰富，但有效P 缺乏。土壤总孔隙度、含水量、有机质和速效K 含量，自然与人工相结合的恢复方式比自然恢复方式高。p 为概率值，反映某一事件发生的可能性大小。统计学根据显著性检验方法所得到的p值，一般以p＜0.05 为有统计学差异。

4 对矿区土壤重金属含量的影响

各样地土壤重金属的含量见表2。

表2 各样地土壤重金属的含量

土壤重金属含量与恢复年限和恢复方式之间规律不明显。参考辽宁省土壤的背景值和风险筛选值，可知矿区各样地内无铬污染（背景值51.1 mg/kg）；北帮具有一定程度的锌污染（背景值70 mg/kg）；南帮和西端帮有一定程度的镍污染（背景值23.3 mg/kg）；矿区内有明显的铜污染（背景值19.8 mg/kg）；各个样地中，镉含量均已超过辽宁省土壤背景值和风险筛选值，说明存在比较严重的镉污染（背景值0.12 mg/kg）。

5 群落植物多样性与土壤因子的相关性分析

采用CANOCO 5.0 软件对矿区植被群落与土壤因子之间的关系进行冗余分析（RDA），土壤因子与植被变量的RDA 排序如图2。

图2 土壤因子与群落植物多样性RDA 排序

图2 中实线箭线箭头代表土壤因子，虚线箭线实心箭头代表植被群落数据；土壤因子箭线的长短可以代表土壤因子对于植被数据解释量（影响程度）的大小；土壤因子与植被数据夹角的余弦值代表他们之间的相关性，即夹角小于90°为正向相关关系，夹角大于90°为负向相关关系，夹角等于90°则无相关性;DS为Simpson 指数；H′为Shannon－wiener 指数；S 为Margalef 指数；JP为Pielou 指数；其他变量同表1。

由图2 可以看出，第1 排序轴和第2 排序轴的解释量分别为61.02%和8.94%，两轴共解释了69.96%的信息，说明RDA 分析在一定程度上可以解释土壤因子与植被群落的关系。对比不同土壤因子对物种多样性的影响，土壤有机质对物种多样性的影响最高（箭头连线最长），其次是土壤重金属Cd，土壤全钾、全磷和重金属Ni 对物种多样性的影响较弱（箭头连线较短）。各样地土壤因子与群落植物多样性的相关性分析见表3。

表3 各样地土壤因子与群落植物多样性的相关性分析

由表3 可知，不同土壤因子对物种多样性的影响不同，其中土壤化学性质与物种多样性的影响程度高于土壤物理性质，具体表现为：Simpson 指数与土壤含水量（r=0.68，p＜0.01）呈显著的正向相关关系，与土壤速效钾（r=－0.83，p＜0.01）和土壤重金属Cd（r=－0.55，p＜0.05）呈显著负向相关关系；Shannonwiener 指数与土壤含水量（r=0.54，p＜0.05）和土壤有效磷（r=0.49，p＜0.05）呈显著的正向相关关系，与土壤速效钾（r=－0.84，p＜0.01）和土壤重金属Cd（r=－0.48，p＜0.05）呈显著的负向相关关系；Pielou 指数与土壤pH 值（r=0.63，p＜0.01）、土壤全氮（r=0.59，p＜0.01）、土壤有效氮（r=0.61，p＜0.01）和土壤重金属Ni（r=0.39，p＜0.05）表现显著的正向相关关系，与重金属Cd（r=－0.52，p＜0.05）、Cu（r=－0.65，p＜0.01）和Zn（r=－0.63，p＜0.01）；Margalef 指数与土壤孔隙度（r=0.67，p＜0.01）、土壤有效磷（r=0.81，p＜0.01）、土壤含水量（r=0.47，p＜0.05）呈显著的正向相关关系，与土壤速效钾（r=－0.77，p＜0.01）呈负向相关关系。r 为相关系数，是衡量变量之间线性相关程度的指标。样本相关系数用r 表示总体相关系数，r 的绝对值越大，误差越小，变量之间的线性相关程度越高；r 的绝对值越接近0，误差越大，变量之间的线性相关程度则越低。

6 结论

1）千台山的Margalef 和Simpson 多样性指数显著高于矿区4 个样地（p ＜0.05），Pielou 和Shannonwiener 指数却比矿区4 个样地低（p＜0.05），说明千台山优势种的主导地位比矿区4 个样地更为突出。自然与人工恢复相结合的恢复方式，更有利于矿区的生态环境建设。

2）矿区土壤呈中性至弱碱性，pH 为6.8～7.7。当恢复年限逐渐增加时，pH 逐渐降低。西端帮土壤中含有油页岩和凝灰岩，含有较高的有机质和钾元素。随着恢复时间的延长，矿区土壤性质会逐渐得到改善和恢复。在植被恢复过程中，随着时间的延长，矿区土壤养分指标基本上保持逐渐增加的趋势。因采煤活动的干扰，各样地出现了重金属污染，其中较多是Cd 和Cu 污染。对照样地中的重金属污染，推测因冶炼导致空气污染所致。

3）与土壤物理特性比，抚顺西露天矿植物多样性受土壤化学特性的影响较大。植被恢复在短时间内可能对土壤物理特性具有较大的影响，而对土壤化学特性的改变应该是缓慢的过程。RDA（冗余分析）表明，土壤中有机质的含量对群落植物多样性的影响最大，镉次之。土壤有机质能被微生物分解，为植物生长发育提供营养，并且可以改善土壤的物理特性，利于矿山的植被恢复。矿区的镉污染对植物的生长具有一定的抑制作用。