阜新露天礦排土場邊坡植物多樣性與生產力特征

王 凱, 劉 鋒, 祝 暢, 王道涵, 宋子嶺

(遼寧工程技術大學 環境科學與工程學院, 遼寧 阜新 123000)

阜新露天礦排土場邊坡植物多樣性與生產力特征

王 凱, 劉 鋒, 祝 暢, 王道涵, 宋子嶺

(遼寧工程技術大學 環境科學與工程學院, 遼寧 阜新 123000)

摘要：[目的] 以阜新露天礦排土場邊坡為對象，分析坡向、坡位和恢復年限對植物多樣性和生產力的影響，探討二者的關系。[方法] 采用植物群落多樣性測度方法分析植物多樣性、均勻度和豐富度，用烘干法測量植物生產力，并運用相關分析法分析植物多樣性與生產力的關系。[結果] 排土場陰坡坡下植物多樣性和均勻度最高，而陽坡在坡上最高；隨著恢復年限增加，陰坡植物多樣性逐漸下降，而陽坡表現出增加趨勢。排土場陰坡地上植被、枯落物和地上總生物量的最大值在坡上，而陽坡在坡中最大；陰坡的枯落物和地上總生物量顯著大于陽坡(p<0.05)。排土場陰坡地上植被、枯落物和地上總生物量均與Shannon—Wiener多樣性指數呈顯著負相關(p<0.05)，而其他多樣性指標與生產力之間無顯著相關關系(p>0.05)。[結論] 坡位和坡向是影響阜新露天礦排土場邊坡生態恢復過程中植物多樣性和生產力的重要因子，應根據不同生境特性，采取不同恢復措施，才能完成生態恢復。

關鍵詞：生態恢復; 排土場; 坡向; 坡位; 生物量

阜新露天礦開采已有百年歷史，在煤炭開采過程中，排出大量的廢棄物，包括不同地層巖土、煤矸石和尾礦等，經人為運輸堆積形成排土場。礦區共有排土場(矸石山)240余座，占地面積2 894 hm2，總堆積量為1.20×109m3。排土場是一種巨型人工松散堆墊體，侵占大量土地，污染土壤、地下水和空氣，破壞自然景觀和植物群落，導致生態系統退化，影響生態環境的可持續發展；其邊坡水土流失嚴重，土壤退化，穩定性差，易發生山體滑坡，誘發地質災害[1-3]。因此對排土場邊坡進行生態恢復已迫在眉睫。

植物多樣性是維持群落穩定性和影響養分循環的重要因子[4]，生產力是生態系統功能狀況的具體體現[5]，二者均是衡量生態恢復程度的重要指標[6]。不同坡向和坡位的植被生長狀況、生物量、水土保持效果具有明顯差異，是影響邊坡植被多樣性的主要因素[7-8]。以往對于邊坡植物多樣性的研究報道多集中于公路和鐵路[9]，而對于污染更嚴重、穩定性更差的排土場邊坡研究報道較少。

本研究以阜新海州露天礦排土場邊坡為對象，分析邊坡自然恢復過程中坡向和坡位對群落植物多樣性和生產力的影響，并探討植物多樣性與生產力的關系，為了解排土場邊坡植被演替規律以及進行生態恢復提供理論依據。

1研究地區概況

研究區位于海州露天礦排土場，地處遼寧省阜新市(121°38′33″E,41°57′16″N)，屬于溫帶半干旱大陸性季風氣候區。年均降水量539 mm，蒸發量1 800 mm，年平均氣溫7～10 ℃，平均相對濕度50%~60%。地帶性土壤主要為淋溶褐色土和褐土性土，排土場基質除地帶性土壤外，還夾雜著大量不同地層的粉沙巖、礫巖、煤頁巖等巖石成分以及采煤廢棄物。排土場邊坡土層厚度較薄，在5~20 cm之間，土壤容重為1.27～1.57 g/cm，pH值為7.06～7.42，有機質含量為6.7～9.5 mg/g，速效N為5.6～12.3 mg/kg，速效P為12.9～19.6 mg/kg；土壤顆粒分布為<0.05 mm占3.7%±0.5%，0.05～0.1 mm占6.8%±0.6%，0.1～0.25 mm占37.9%±1.5%，0.25～0.5 mm占15.8%±2.0%和>0.5 mm占16.7%±2.6%。植被屬華北與蒙古植物區系的過渡地帶，分布著較為旱生的草本和灌木。

根據遼寧省礦務局資料記載和實地勘查，選擇2個坡面相對的自然恢復3，5和10 a的陰坡及5和10 a的陽坡(陽坡植被演替緩慢，在5 a以內植被變化較小)為研究對象，坡向采用手持羅盤儀測得，陰坡朝向為NE24°，陽坡朝向為SW22°；坡度均在35°左右，坡長約60 m(坡長與坡度為排土場堆積的常見狀態)。排土場附近無高大山脈遮光，均為自然光照水平。將每個邊坡按坡位不同劃分成坡上、坡中、坡下3個樣地，共計15個樣地。各樣地植物群落基本特征見表1。

表1　排土場邊坡樣地植物群落特征

2研究方法

2.1　野外調查與實驗室分析

在該地區植物群落生長達到高峰期時間內(2012年7—8月)進行群落調查，每個樣地設置3個20 m×20 m的大樣方，由于樣地內無高大喬木，在每個大樣方內隨機取3個5 m×5 m樣方調查喬木幼苗和灌木，在每個灌木樣方內隨機設置1個1 m×1 m小樣方調查草本植物。記錄每個樣方內的植物種類、數量、高度和蓋度，同時將小樣方內的植物地上部分全部剪割下來，并收集小樣方內地表枯落物，帶回實驗室放入80 ℃烘箱中烘干24 h后稱重，計算樣方內植物地上部分生物量、枯落物生物量和地上總生物量。

2.2　數據處理

根據馬克平等[10-11]描述的植物群落多樣性測度方法，選擇以下指標進行測度：

(1) 植物群落多樣性指數：

Shannon—Wiener=-∑PilnPi

(2) 植物群落均勻度指數：

Pielou=(-∑PilnPi)/lnS

(3) 植物群落豐富度指數：

Margalef=(S-1)/InN

Patrick=S

式中：S——樣方內植物種數；N——物種的總個體數；Pi=Ni/N，其中Ni——樣方中第i種物種的個體數。

以植物群落多樣性(Shannon—Wiener多樣性指數、Simpson多樣性指數、Pielou均勻度指數、Alatalo均勻度指數、Margalef豐富度指數和Patrick豐富度指數)和生產力(地上植被、枯落物和地上總生物量)指標作為自變量，坡位、坡向和恢復年限為變量，進行三因素方差分析(Three-way ANOVA)，分析坡位、坡向和恢復年限及其交互作用對各多樣性和生產力指標的影響；對于不同坡位、坡向和不同恢復年限的植物多樣性和生產力指標間的差異采用Duncan檢驗方法進行多重比較。同時分別對陰坡和陽坡各植物群落多樣性指標與生產力的關系進行相關分析，若某樣方的多樣性或生物量指標出現異常數據，采用其他樣方的平均值代替，所有數據均運用SPSS 16.0統計分析。

3結果與分析

3.1　排土場邊坡植物多樣性特征

3.1.1坡位、坡向和恢復年限對排土場邊坡植物多樣性的影響坡位對排土場邊坡植物的多樣性(Shannon—Wiener和Simpson多樣性指數)影響不顯著(p>0.05)，而坡位與坡向、坡位與恢復年限及坡向與恢復年限間具有顯著的交互作用(p<0.05)(表2)。

表2　坡位、坡向和恢復年限對排土場邊坡植物多樣性和生產力影響的方差分析

注：*表示方差分析的顯著性為p<0.05； **表示方差分析的顯著性為p<0.01； ***表示方差分析的顯著性為p<0.001。

排土場陰坡Shannon—Wiener多樣性指數從坡上到坡下表現為逐漸降低的規律，而陽坡表現出增加趨勢；恢復5和10 a陰坡的坡下Shannon—Wiener多樣性指數顯著大于陽坡(p<0.05)，而恢復10 a陰坡的坡上顯著小于陽坡(p<0.05)；隨著恢復年限增加，陰坡Shannon—Wiener多樣性指數表現出逐漸下降的規律，而陽坡表現出增加趨勢(表3)。恢復3和5 a陰坡Simpson多樣性指數的最大值出現在坡下，而陽坡的最大值在坡上；恢復10 a陰坡的坡上Simpson多樣性指數顯著小于恢復3和5 a(p<0.05)，而恢復10 a陽坡的坡下顯著大于恢復5 a(p<0.05)(表3)。

3.1.2坡位、坡向和恢復年限對排土場邊坡植物均勻度的影響坡位對排土場邊坡植物Pielou和Alatalo均勻度指數的影響不顯著(p>0.05)，而坡向、恢復年限、坡位×坡向、坡位×恢復年限對邊坡植物均勻度具有顯著影響(p<0.05)(表2)。排土場陰坡Pielou均勻度指數從坡上到坡下表現為逐漸增加的規律，而陽坡的坡上顯著大于坡下(p<0.05)；恢復5和10 a陰坡的坡中和坡下Pielou均勻度指數顯著大于陽坡(p<0.05)；隨著恢復年限增加，陰坡坡上Pielou均勻度指數逐漸增加，坡中和坡下先降低后增加，而恢復10 a陽坡的坡下顯著大于恢復5 a(p<0.05)(表3)。恢復3，5和10 a陰坡Alatalo均勻度指數的最大值分別在坡下、坡上和坡中，而恢復5和10 a陽坡最大值分別在坡上和坡下；恢復5 a陰坡坡上和恢復10 a陰坡坡下Alatalo均勻度指數顯著大于陽坡(p<0.05)；隨著恢復年限增加，陰坡坡下、陽坡坡上和坡中Alatalo均勻度指數逐漸下降(表3)。

3.1.3坡位、坡向和恢復年限對排土場邊坡植物豐富度的影響坡向、恢復年限、坡位×恢復年限和坡向×恢復年限對排土場邊坡植物Margalef和Patrick豐富度指數顯著影響(p<0.05)(表2)。恢復3和5 a的排土場陰坡Margalef豐富度指數最大值在坡中，恢復10 a陰坡的最大值在坡下，而恢復5和10 a陽坡的最大值分別在坡上和坡中；恢復5 a陰坡的坡上、坡中和坡下Margalef豐富度指數顯著大于陽坡(p<0.05)，而恢復10 a陰坡和陽坡間無顯著差異(p>0.05)；隨著恢復年限增長，陰坡Margalef豐富度指數表現出先增加后減少的趨勢，而陽坡表現出增加趨勢(表3)。恢復3和5 a陰坡Patrick豐富度指數最大值在坡中，恢復10 a陰坡的最大值在坡下，而恢復10 a陽坡的3個坡位相等；恢復5 a陰坡的坡中和坡下Patrick豐富度指數顯著大于陽坡(p<0.05)，而恢復10 a陰坡的坡上和坡中顯著小于陽坡(p<0.05)；陰坡Patrick豐富度指數隨著恢復年限增加而逐漸降低，而陽坡變化不大(表3)。

表3　排土場邊坡植物多樣性指數

注：數據為平均值±標準誤； 不同字母表示相同恢復年限不同坡位間差異顯著(p<0.05)。下同。

3.2　排土場邊坡植物生產力特征

坡位、坡向和恢復年限對排土場邊坡地上植被、枯落物和地上總生物量均具有顯著影響(p<0.001)(表2)。恢復3 a陰坡地上植被生物量在坡上、坡中和坡下間無顯著差異(p>0.05)，而恢復5和10 a陰坡的坡上顯著高于坡中和坡下(p<0.05)；陰坡坡上枯落物和地上總生物量顯著大于坡中和坡下(p<0.05)。陽坡地上植被和地上總生物量在坡上、坡中和坡下間差異不顯著(p>0.05)，而枯落物生物量在坡中顯著高于坡下(p<0.05)。陰坡枯落物和地上總生物量顯著高于陽坡(p<0.05)，恢復10 a陰坡地上植被生物量顯著大于陽坡(p<0.05)。隨著恢復年限增長，陰坡坡中和坡下地上植被和總生物量顯著增加(p<0.05)，恢復10 a陽坡枯落物生物量顯著大于5 a(p<0.05)(表4)。

表4　排土場邊坡植物生產力

2.3　排土場邊坡植物群落多樣性與生產力的關系

排土場陰坡植物群落多樣性(多樣性指數、均勻度指數和豐富度指數)與群落生產力(地上植被、枯落物和地上總生物量)之間大部分呈負相關關系，但只有Shannon—Wiener多樣性指數表現出顯著性(p<0.05)。陽坡植物群落Shannon—Wiener多樣性指數、Simpson多樣性指數、Pielou均勻度指數、Margalef豐富度指數和Patrick豐富度指數均與地上植被、枯落物生物量和地上總生物量呈正相關關系，但相關性均不顯著(p>0.05)(表5)。

表5　排土場邊坡群落多樣性與生產力的關系

注：*表示相關性達到顯著水平(p<0.05)。

4討論與結論

4.1　排土場邊坡植物多樣性的影響因素

植物多樣性是群落物種多樣性的基礎，其能夠改善土壤結構，提高肥力，增強土壤動物和微生物活性[12]，從而促進整個群落結構與功能的恢復與重建[13]。Esther等[8]研究發現坡位是影響邊坡植物多樣性的重要因子，而本研究發現，坡位對排土場邊坡植物多樣性無顯著影響(p>0.05)(表2)。這可能由于排土場自然恢復時間較短(10 a以內)，不同坡位間土壤性狀差異不大。而坡位與坡向間具有顯著交互作用(p<0.05)，陰坡坡下植物多樣性和均勻度最高，而陽坡的最大值在坡上，這可能由于陰坡坡下土壤水分含量較高，為植物定居、生長及繁殖提供了較好的立地條件；而陽坡土壤水分含量較低，立地條件較差，主要分布著耐旱喜光的植物，如蒺藜、旱稗等，其存活和生長主要受光照和溫度影響，陽坡坡上無其他樹木遮光，光照更充足，植物數量較多，分布較均勻；這與王倩等[9]的研究結果一致。

此外，排土場邊坡的坡向與恢復年限對植物多樣性具有顯著交互作用(p<0.05)，陰坡植物多樣性隨著恢復年限逐漸下降，而陽坡表現為增加趨勢，這主要由于演替初期，陽坡立地條件較差，只能有少量耐旱的1 a生植物在這里定居存活，這些植物枯萎死亡后具有一定的遮陰和蓄水功能，逐漸為新生植物提供了相對適宜的生境；植被群落類型從1 a生植物逐步過渡到多年生植物，植物多樣性增加。而排土場陰坡，在演替初期土壤含水量較高，立地條件較好，植物分布數量較多；隨著邊坡演替，土壤養分和水分資源消耗較多，且邊坡土壤保水保肥能力差，枯落物保存較少且分解緩慢，養分無法得到補充，導致物種開始競爭，植物多樣性下降。

4.2　排土場邊坡植物生產力的影響因素

生產力是植物群落功能的綜合指標[5]，其隨著環境發生變化，能夠衡量群落的健康程度[14]。本研究發現排土場陰坡的地上植被、枯落物和地上總生物量的最大值出現在坡上，而陽坡在坡中最大。這可能與坡位的具體微環境和水土流失程度有關[15]，排土場陰坡坡上水土流失較為嚴重，鐵桿蒿占據優勢地位，植株高達60～80 cm，呈半木質化狀態，即使枯萎后仍能留在原地幾年之久，所以生物量較高；而坡中和坡下大部分為草本植物，即使數量較多，但總體生物量較低。排土場陽坡坡上的水分和養分有向下流失的趨勢，坡中枯落物生物量顯著高于坡下(p<0.05)，具有一定的截留、保水和遮光功能，坡中更利于植物生長和繁殖[9]，所以生產力較高。

4.3　排土場邊坡植物群落多樣性與生產力的關系

植物多樣性與生產力的關系一直是生態學研究的熱點問題，其表現形式通常有3種：線性關系、單峰關系和不相關形式[16-18]，但由于觀測時間和空間尺度不同，至今仍未得出一致模式。本研究結果發現排土場陰坡的地上植被、枯落物和地上總生物量均與Shannon—Wiener多樣性指數呈顯著負相關(p<0.05)。這可能由于演替初期陰坡立地條件較好，植物種類和數量較多，植被枯萎死亡后仍留在原地，覆蓋地表；而陰坡光照和溫度不足，枯落物無法腐爛分解，轉化為養分，同時枯落物覆蓋阻止了其他植物種子在這里定居和生長，所以群落植物種類逐漸減少。然而，這些枯落物具有截留和蓄水功能，促進了鐵桿蒿的旺盛生長，生物量增加。本研究中其他多樣性指標與生產力之間未發現顯著相關關系，由于排土場邊坡植物群落處于演替早期階段，對于中、后期植物群落多樣性與生產力關系還有待進一步研究。

致謝：本文在寫作過程中得到中國科學院植物研究所陳全勝副研究員的幫助，在此表示感謝。

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Plant Diversity and Productivity on Dump Slopes of Fuxin Opencast Coalmines

WANG Kai, LIU Feng, ZHU Chang, WANG Daohan, SONG Ziling

(CollegeofResourceandEnvironmentEngineering,LiaoningTechnicalUniversity,Fuxin,Liaoning123000,China)

Abstract：[Objective] To investigate the effects of different slope aspect, slope position and difference succession stages on species diversity and productivity of vegetation in dump slopes of opencast coalmine in Fuxin City, Liaoning Province.[Methods] The plant diversity, evenness and richness indices were calculated. The plant productivity was measured by drying method. The relationship between diversity index and biomass was explored by correlation analysis.[Results] For shady slopes, the plant diversity and evenness was higher at the lower part of slopes while they were higher at the upper parts of sunny slopes. With the succession, the plant diversity gradually declined on the shady slopes, while it increased on the sunny slopes. The aboveground vegetation, litter, and aboveground total biomass were greatest at the upper part of shady slope and at the middle part of sunny slope, respectively. The litter and aboveground total biomass were significantly greater on the shady slope than those on the sunny slope(p<0.05). Shannon—Wiener diversity index was significantly correlated with productivity(aboveground vegetation, litter, and aboveground total biomass, p<0.05). However, we did not find any significant relationship between productivity and other plant diversity indexes(p>0.05). [Conclusions] Vegetation succession and restoration processes of coalmine dumps in Fuxin City might depended on slope aspect and slope position. When vegetation reclamation was carried out for coalmine dumps, the differences in the characteristics of habitats should be considered.

Keywords:ecological restoration; dumps; slope aspect; slope position; biomass

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)01-0338-06

中圖分類號：Q948

收稿日期：2014-01-06修回日期：2014-01-27

資助項目：國家自然科學基金項目“基于綠色度的露天煤礦生態環境恢復與開采一體化技術”(51474119)

第一作者：王凱(1981—),男(漢族),黑龍江省齊齊哈爾市人，博士,講師,主要從事水土保持與生態恢復研究。E-mail:wangkai_2005@hotmail.com。