河東礦區煤矸石山植被恢復植物多樣性研究

張晉英

（山西省林科院，山西 太原 030012）

矸石山屬于嚴重退化的生態系統類型之一，其主要組成物質是煤炭開采和加工過程中的產物--煤矸石。由于煤矸石特殊的物理與化學性質，對礦區植被的生存環境造成特定的影響。煤矸石山屬于原生裸地，植物群落演替為原生演替，在植被恢復技術中植物物種要選擇具有適應性強、耐干旱和速生等優良特性的喬灌草種類，以便在煤矸石山上迅速生長并獲得穩定持久的生長和生態效益。物種多樣性是衡量一定地區生物資源豐富程度的一個客觀指標。

作者對山西汾西集團河東礦區煤矸石山的植物進行多次采集，并對其多樣性做了初步探究，不僅有助于全面認識煤矸石山的植被性質和特征，完善該區植被生態系統結構與功能的研究，而且為該區進一步加快矸石山修復進程、提高植被恢復質量提供理論基礎。

1 研究區域概況

山西汾西集團河東礦區位于山西省晉中市靈石縣東部邊緣---崔家溝村。靈石縣位于山西省中部，晉中盆地南端，距省會太原市150km，北臨介休市，南接霍州市，東靠沁源縣，西連交口縣、孝義市，有“燕冀之御、秦蜀之經”之稱。全縣總面積1206km2，東西寬53.5km，南北長39km。境內群山起伏，溝壑縱橫，大運公路、南同蒲鐵路沿汾河并行而下，是山西南北交通運輸之要沖。崔家溝地處靈石縣東部邊緣，西臨汾河，北臨108國道，南同蒲鐵路穿村而過，自然資源豐富，交通快捷便利。縣域境內地下礦藏資源豐富，平均海拔800m，平均氣溫9.9~10.6℃，年平均降水量為320~738mm，平均無霜期144~184d。

2 研究方法

由于矸石山植被的主要限制因子為水分、溫度、土體構造不良、容重大、土壤養分貧乏、矸石自燃等不利因素，因此研究時充分考慮了這些不利因素，通過資料查詢、實地考查、走訪，首先對矸石山植物進行統計、分析，然后進行實地調查、取樣和實驗，最后進行總的室內分析，同時進行植被恢復的設計研究。

3 研究結果和分析

3.1 煤矸石山植物種類的多樣性

作者參照所采集的植物標本以及調查的相關數據，并參考相關植物文獻，將全區的植物按照科屬的劃分如下。

經鑒定，本區共有植物61種，屬23科，53屬（見表1）。

在本區23個科中，含5種以下的科有20個，其中，單種科15個；優勢科（含5種及5種以上）有3個，為豆科、禾本科、菊科。這3個科所占的種數占該區植物總數的一半以上（見表2）。

表2 按含種多少對河東礦區矸石山植物科/種的分析

在本區植物的53個屬中，全部為含5種以下的屬。其中含1種的屬46個，含2～4種的7個。由此可以看出，該區的單種科和單種屬占優勢。

從屬的組成上看，單屬科16個，含2屬及2屬以上的科7個（見表3）。

表3 按含屬多少對河東礦區植物多樣性的研究

表1 河東礦區煤矸石山植物名錄

3.2 煤矸石山優勢科的多樣性分析

在本區含5種及5種以上的優勢科有3個，為豆科、禾本科、菊科。這3個科所占的種數占該區植物總數的一半以上，達35種。

菊科包含11個屬，14種植物，分別為：狗娃花屬—阿爾泰狗娃花；鬼針草屬—大花鬼針草；飛廉屬—飛廉；蒲公英屬—蒲公英；苦苣菜屬—苣荬菜；飛蓬屬—小飛蓬；蒿屬—黃花蒿；艾屬—野艾蒿，指葉蒿（茶絨）；菊屬—野菊花，牛皮削，伏茜草；葎草屬—葎草；蒼耳屬—蒼耳。

禾本科包含10個屬，12種植物，分別為：羊茅屬—高羊茅；馬唐屬—馬唐；稗屬—稗草；穇屬—牛荕草；畫眉草屬—畫眉草，知風草；狗尾草屬—狗尾草，谷；高粱屬—高粱；黍屬—黍；虎尾草屬—虎尾草；披堿草屬—披堿草。

豆科包含7個屬，9種植物，分別為：苜蓿屬—紫花苜蓿；草木樨屬—黃花草木樨，白花草木樨；紫穗槐屬—紫穗槐；胡枝子屬—胡枝子，達烏里胡枝子；黃芪屬—沙打旺；錦雞兒屬—小葉錦雞兒；刺槐屬—刺槐。

菊科植物多為直立或匍匐草本，或禾質藤本或灌木，稀為喬木。禾本科植物多年生、1a生或越年生草本，僅在少數如竹類中，其莖為木質，呈喬木或灌木狀。而豆科植物主要為木本或草本。

本區植物物種統計結果顯示，多數為草本植物，少數為藤本或灌木，稀為喬木。

可見草本植物在煤矸石山的植被恢復中起著重要的作用。草本植物體木質部較不發達至不發達，莖多汁，較柔軟。只有初生結構，沒有次生結構且植物體較低矮，草本植物多數在生長季節終了時，其整體部分死亡，包括1a生和2a生的草本植物。多年生草本植物的地上部分每年死去，而地下部分的根 、根狀莖及鱗莖等能生活多年。

在煤矸石山植被恢復初期生長的多為淺根系的草本植物，尤其是鄉土植物為主。此作物由于根系淺，抗逆性強，能適應這類惡劣生存環境并能成功定居，在土壤保持一定的水分時就開始生長，對環境及有機物質、能量要求較低。此種自然定居植物，可以使煤矸石山迅速被覆蓋的同時適當改良土壤，為矸石山的土壤理化性質恢復及植被恢復奠定基礎。草本植物在毒性較高的廢棄地上能成功定居，主要有3種生態對策：耐性對策、微生境對策和根莖對策。選擇性種植先鋒草類植物就能達到加速生態系統演替的進程，從而達到加速植被重建的目的。草本植物與環境在長期的相互作用中形成了具有適應惡劣生境、生活周期長、繁殖系數高等特點，因而是恢復植被、改善生態環境條件的先鋒物種。因此，篩選具有特殊耐性的草類植物種進行受損生態系統早期的恢復能更有效地進行植被恢復。

3.3 煤矸石山植物生態功能多樣性

植物的多樣性意味著生態系統的結構復雜，網絡化程度高，異質性強，能量、物質和信息輸入輸出的渠道眾多而密集，縱橫交錯，暢通無阻，因而流量大、流速快、生產力高。即使個別途徑被破壞，系統也會因多樣物種之間的相生相克、相互補償和替代而保證能量流、物質流、信息流的正常運轉，使系統結構被破壞的部分迅速得到修復，恢復系統原有的穩定態，或形成新的穩定態。

草本植物具有增加生物多樣性、防止水土流失、改良土壤結構、保持和提高土壤肥力、促進林木生長、改善林地小氣候、加速生態恢復等方面的功效，其功能是相當強大且多種多樣的。

改良土壤:植物對環境的適應性強，耐寒、耐旱、耐瘠薄。因此，植物可以改造貧瘠的荒山和石質的山地。如紫花苜蓿根部共生有根瘤固氮菌。可以利用生物固氮作用增加土壤中的氮素含量。如紫穗槐適應性很強，耐寒，耐瘠薄，耐鹽堿，有一定的耐澇能力，根部有根疣可改良土壤。

防止水土流失：草本植物種類多，適應性強，能較好的覆蓋矸石山表層，有效地涵養水源，防止水土流失。如飛廉主根肥大，側根發達，莖直立或匍匐生長，能夠很好的固定根系周圍土質，保持土壤養分。

防風固沙：植物根系發達，能夠防固土壤，保持其土表結構。如紫穗槐側根發達，萌芽力強，是固土護坡的優良樹種。

調節區域氣候凈化大氣：利用植物改良和保持煤矸石及其風化物，達到吸附有害物質和凈化空氣的目的，從而改善煤矸石山及其周圍地區的生態環境。如紫穗槐枝葉對煙塵有較強的抗性，可以調節空氣中的煙塵含量。

維持生態系統平衡：草本植物的種植，增加了系統生物的多樣性，使系統內生物與環境、作物與害蟲、害蟲與天敵都維持在相對平衡狀態，減少了害蟲種群數量，同時還能增加土壤的有機質，使土壤肥力逐步改善并對土壤微生物數量及組成產生明顯的影響。

構建優美環境：植物本身而言及其所具有的一系列的特性，都有助于美好生態環境的構建，創造美好生活。

3.4 恢復植物多樣性的措施

既然植物在礦地上的自然定居過程極其緩慢，那么，為了加速礦地的生態恢復，開展人工修復，特別是根據礦地的具體條件．利用一定的技術措施開展人工修復工作，則是十分必要的。

具體地說，對礦地開展人工生態恢復與重建，特別是要恢復成原有的或與周圍一致的植被類型與生態景觀時，，根據河東礦區的特性，所采用的主要措施是對礦區矸石山廢棄地的恢復。

3.4.1 礦區廢棄地恢復的主要技術 目前在礦區廢棄地恢復方面的主要技術是礦區廢棄地的基質改良。基質改良的關鍵在于解決土壤熱化和培肥問題，只有提高了土壤肥力，才能真正創造植物生長的條件，達到復墾的目的。所以土壤改良在整個工作中占有舉足輕重的地位。基質的改良方法主要有綠肥法、微生物法、施肥法、客土法、化學法、管理法等。

3.4.2 礦區廢棄地生態恢復樹種選擇的研究 樹種選擇一直是備受重視的問題。在選擇樹種時，除考慮地帶性規律外，還堅持以下原則：耐寒性、抗旱性、耐貧瘠、生長快和一定的土壤改良作用。所選的植物種類應具有抗污染、速生、良好發育、水土保持、衛生保健、綠化及經濟功能等生物生態系統特性。大量的資料表明，固氮植物能適應嚴酷的立地條件，特別是豆科植物，因而，它們常作為先鋒樹種。針對礦區廢棄地生態恢復研究表明，應該選擇耐貧瘠的豆科植物，并注重喬灌草合理配置，既有利于控制水土流失，也有利于植物對土壤的改良。而且，一般條件下，低營養狀態下選育的生態型植物比高營養條件下選育的生態型植物生長慢得多。在低營養狀態下選擇的生態型無性系雖然生長慢，但需肥少，在劣質條件下成活率高，能長期生長，有助于土壤有機物的積累和營養物質的循環。

所以針對本研究區而言，應選擇低營養狀態下選育的豆科草本植物來種植，以加快植物多樣性恢復的進程。

4 結論與建議

通過對山西汾西集團河東礦區煤矸石山的植物進行研究，可得知該礦區共有植物23科，53屬，61種。在這23個科中，含5種以下的科有20個，其中，單種科15個；優勢科（含5種及5種以上）有3個，為豆科、禾本科、菊科。這3個科所占的種數占該區植物總數的一半以上。在本區植物的53個屬中，全部為含5種以下的屬。從屬的組成上看，單屬科16個，含2屬及2屬以上的科7個。其中含1種的屬46個，含2～4種的7個。分析得出，該區的單種科和單種屬占優勢。

綜觀本區植物物種，多數為草本植物，少數為藤本或灌木，稀為喬木。綜合本區地理性質特質，由于煤矸石山存在的影響，區內植物進行著緩慢的初生演替，所以具有適應性強、耐干旱和速生等優良特性的喬灌草種類，優先在研究區域內生長。通過植物、動物的共同作用，在優化礦區生態環境的同時，也對土壤的恢復、改良具有顯著地作用。為較高級物種的生存、繁衍奠定物質基礎。

全區植物的多樣性，意味著生態系統網絡化程度高，異質性強，能量、物質和信息輸入輸出的渠道縱橫交錯，暢通無阻，因而流量大、流速快、生產力高。即使個別途徑被破壞，系統也會因多樣物種之間的相生相克、相互補償和替代而保證能量流、物質流、信息流的正常運轉，使系統結構被破壞的部分得到修復，恢復系統穩定態。全區植物不僅具有改良土壤、防止水土流失、防風固沙、調節區域氣候、凈化大氣的作用，而且還對維持當地生態系統平衡、構建優美環境起著非常重要的作用。

針對本礦區矸石山的研究，植物多樣性豐富度還是比較低，建議今后應加強對煤矸石及其風化物理化性質改良方法的研究，為植物生長提供適合的環境；同時結合人工培育的方法，種植適合礦區生長的先鋒植物，進一步增強植物物種的多樣性。

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