立地條件對露天礦排土場植被重建的影響

楊卓 周國馳 盛世博 辛建寶 劉娜

摘要 為了研究不同立地條件對露天礦排土場植被重建的影響，選取了5種不同立地條件下的復墾地進行植物群落調查，結合重要值、Margalef 豐富度指數（Ma）、Shannon-Wiener多樣性指數（H′）、Shannon 優勢度指數（D）和Pielou均勻度指數（Jws）等植物多樣性指標對5種立地條件下植物群落構成進行了分析，并對群落之間的相似性系數和群落的穩定性指數進行了探討。結果表明：5種不同立地條件下共出現植物22種，隸屬于8科20屬，人工種植的多年生豆科、禾本科植物是排土場植被重建初期的優勢種;立地條件對生物多樣性影響顯著，經客土改良的平面復墾地Ma指數最高且豐富性閾值達到“豐富”水平，地形為坡面的兩個樣地具有較高的H′指數和Jws指數;立地條件可以對重建植物群落的相似性產生影響，且地表物質性質對群落相似性的影響大于地形對群落相似性的影響;監測的5個群落處于演替初期，群落不穩定，相比之下，客土樣地的平面群落穩定性最高。

關鍵詞 立地條件;植被重建;群落組成;物種多樣性;群落穩定性

中圖分類號 X-171.4? 文獻標識碼 A? 文章編號 0517-6611（2021）22-0080-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.22.019

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Influence of Site Conditions on Vegetation Reconstruction of Open Pit Dump

YANG Zhuo， ZHOU Guo-chi， SHENG Shi-bo et al

（CTEG Shenyang Engineering Company， Shenyang， Liaoning 110015）

Abstract In order to study the influence of different site conditions on vegetation reconstruction of open-pit dump， five reclaimed lands with different site conditions were selected for plant community investigation. Combined with the important value， Ma index， H′ index， D index and Jws index， the composition of plant community under five site conditions was analyzed. The similarity coefficient and stability index of communities were discussed. The results show that： there are 22 species of plants in 5 different site conditions， belonging to 8 families and 20 genera. The perennial legumes and Gramineae are the dominant species in the early stage of vegetation reconstruction. Site conditions had a significant impact on biodiversity， and the Ma index of reclaimed land improved by foreign soil was the highest， and the richness threshold reached the “rich” level. The two plots with slope topography had higher H′ index and Jws index. Site conditions can affect the similarity of reconstructed plant communities， and the influence of surface material properties on community similarity is greater than that of topography. The five communities monitored in this study all in the early stage of succession， and the communities are unstable. In contrast， the stability of the plane community in the foreign soil sample plot was the highest.

Key words Site conditions;Vegetation reconstruction;Community composition;Species diversity;Community stability

露天開采造成土地受損嚴重，植被恢復被認為是礦區損毀土地生態恢復的前提和基礎[1]，內蒙古處于干旱半干旱草原區，相對脆弱的生態環境和惡劣的自然環境使排土場及礦區其他廢棄地的生態恢復和重建成為一項艱巨、長期的工作。礦區排土場基質主要為采礦剝離物，相對于漫長的自我生態修復和自然演替，人工植被恢復可以在短期內取得較好的恢復效果。但受采礦作業方式影響，需要進行植被恢復的場地立地條件復雜，不同的立地類型決定著植被恢復的難易程度、植被類型的配置類型及演替規律，只有針對不同立地條件進行植物的配置、栽植及管護才能達到對礦區排土場生態修復與恢復的目的。

物種多樣性是檢驗植被是否成功恢復的重要標準[2]，立地條件差異決定了其環境因子不同，不同立地條件使植物群落物種組成、優勢種群、群落類型以及群落結構產生差異，進而改變了植物群落的演替特征[3]。該文通過研究不同立地條件下露天礦排土場植被恢復過程中的植被群落組成、物種多樣性、群落的相似性和穩定性，分析不同立地條件的生態恢復效果，以期為露天礦排土場生態恢復和重建提供理論依據。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

以內蒙古某露天礦排土場植被為研究對象，所在位置無霜期為91～134 d。該礦煤炭生產能力為1 800萬t/年，露天采場面積為849 hm 最大采深為 305 m。經過多年開采，礦山排土場總占地面積為1 449 hm 現已開展生態修復面積844 hm2。因該礦大部分地塊不具備覆土條件，以往生態修復以近自然修復為主導，自2018年建設綠色礦山工作開展以來，采取了水土保持、土壤改良、植被重建等修復措施對排土場進行生態修復工作，以期恢復近自然生態系統。

選取排土場內5種典型的立地條件（表1）作為觀測樣地。礦山剝離物以栗鈣土為主，為表土、泥巖、高灰分劣質煤、煤矸石和砂巖的混合物，堆砌前對礦山剝離物進行破碎，使粒徑小于20 mm，整平后進行種植。客土來自采礦掘進方向草場，覆蓋深度0.3～0.5 m。有機肥施用方式按雞糞與牛羊糞有機肥質量比1∶1混合撒施深耕，平面用肥量為 25 t/hm 坡面用肥量27 t/hm2。

礦區于2019年展開大范圍植被重建工作，草本植物搭配為無芒雀麥、披堿草、冰草、短芒大麥草、燕麥草、雜花苜蓿、紫花苜蓿、黃花草木樨、達烏里胡枝子、紅豆草、檸條、矮生波斯菊、紫花地丁、冷蒿等植物，按禾本科∶豆科∶菊科=12∶6∶1的比例進行條播，栽植的灌木有沙棘和小葉錦雞兒。

1.2 研究方法

1.2.1 植物群落學特征調查。

調查工作于2020年7月進行，樣方設計、數據采集按照中華人民共和國國家環境標準HJ 710.1—2014《生物多樣性觀測技術導則 陸生維管植物》執行，調查記錄每個樣方內植物種類、分枝（蘗）數、高度、蓋度。

1.2.2 重要值計算。

重要值（IV）的計算公式為：

IV=RCO+RHE+RDE （1）

式中，RCO 為相對蓋度，是樣方內某一種植物的蓋度占群落中總蓋度的百分比;RHE 為相對高度，是樣方內某一種植物的自然高度占所有植物種自然高度的百分比;RDE 為相對密度，是樣方內某一種植物的密度占群落總密度的百分比[4]。

1.2.3 植物多樣性統計。

植物多樣性統計采用以下4類指數：Margalef 豐富度指數（Ma）、Shannon-Wiener多樣性指數（H′）、Simpson優勢度指數（D）和Pielou均勻度指數（Jws），計算公式如下：

Margalef 豐富度指數（Ma）：

Ma=（S-1）/lnN（2）

Shannon-Wiener多樣性指數（H′）：

H′=-Si=1PilnPi（3）

Simpson 優勢度指數（D）：

D=-P2i（4）

Pielou均勻度指數（Jws）：

Jws=H′/lnMa（5）

多樣性閾值（Dv）：

Dv=H′/Jws（6）

式中，S為調查樣方內物種數目，N為調查樣方內所有物種個體總數，Pi為樣方內某一種植物的密度占群落總密度的百分比。

植物物種多樣性閾值的分級評價標準見表2。

1.2.4 群落相似性系數。

群落相似性采用Whittaker相似性指數，計算公式如下：

PS=1-0.5Si=1|ai-bi|（7）

式中，S為植物群落A和群落B中所記錄的物種總數;ai是群落為種i在群落A全部個體中的比例;bi為種i在群落B全部個體中的比例。

1.2.5 群落穩定性指數。

群落穩定性的計算方法采用改進后的M.Godron穩定性測定方法[6]。坐標（20，80）為群落的穩定點，植物種類累積百分數和累積相對頻度比值越接近（20，80）群落就越穩定，反之就越不穩定。

1.3 數據統計與分析

采用Excel 2010對數據進行基礎處理，SPSS 22.0軟件進行單因素方差分析，Duncan法進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 不同立地條件的植物群落組成

對排土場不同立地條件下植物種類進行統計（表3）。在調查的5個樣地中，共出現22種植物種，分別屬于8科20屬，其中豆科5屬6種，禾本科5屬5種，菊科3屬3種，蓼科2屬3種，藜科2屬2種，薔薇科1屬1種，木賊科1屬1種，胡頹子科1屬1種。豆科、禾本科兩大科共計有10屬11種，占全部種數的50.00%，豆科和禾本科植物在排土場植被重建過程中占據著重要地位。對比5個樣地，坡面礦山剝離物混施有機肥樣地人工種植種比例最大，客土樣地中侵入物種比例最大。監測發現，菊科、薔薇科植物只出現在平面，這也說明立地條件會對生物多樣性產生影響。從重要值看，披堿草、冰草、草木樨為主要建群種。紫花苜蓿、草木樨、披堿草和豬毛菜4種植物在5個樣地中均有出現，說明4種植物的適生性較強，能夠適應礦區土地復墾植被重建初期不同立地條件。依據群落的植物生長型看，多年生草本植物是排土場生態恢復初期的主要物種，也是優勢種。

群落的重要值是群落內物種組成、數量、分布等各因素的綜合指標，可以直接反映出物種對群落的適應能力，分析其重要值發現，披堿草、冰草等多年生禾本科植物在采礦剝離物中具有較高的重要值，成為優勢種，而紫花苜蓿和草木樨在立地條件為坡面的群落中具有較高的重要值，多年生豆科植物在坡面更占優勢。綜合而言，各樣地優勢種以人工植物為主，主要伴生一年生雜草如：扁蓄、豬毛菜、灰菜等，這說明在排土場植被重建過程中，人工植被種植是加速生態恢復的有效方式。犬問荊在客土樣地的重要值為105.18，在客土樣地中達到最大值，客土樣地位于露天礦采坑區北側，臨近自然草場，受西北風影響，草場種子借助風力入侵復墾區，客土樣地采用客土改良方式進行植被重建，客土取自露天礦掘進方向草場，客土中自帶種子庫也使該樣地成為物種豐富度指數最高的植被重建區。

2.2 不同立地條件的物種多樣性

植物多樣性是反應群落變化進程中的一個重要指標[7]，不同立地條件下物種多樣性結果見圖1。Ma指數是衡量群落物種豐富程度最簡單的方法，在所調查樣地中，Ma指數大小表現為：T3>T2>T5>T4>T 客土樣地中出現植物種類最多，礦山剝離物混施有機肥樣地次之。5個樣地H′指數大小關系表現為：T5>T4> T1> T2>T 雖然客土樣地物種數目較高，但個體數目多集中在犬問荊上，與之相比，兩處坡面不僅植物總數多，而且物種的數目在個體之間分布較均勻。D指數除物種數目因素外，還考慮了每個物種的相對多度，D指數越高，表示優勢種越少，物種集中性越低，群落多樣性程度和豐富度越高。D指數和Jws指數表現出相同的大小關系，T4>T5>T1>T2>T 客土樣地D指數顯著低于其他樣地（P<0.05），樣地內大多數植物個體集中在犬問荊上，這是因為客土樣地臨近自然草場，犬問荊作為入侵物種，在其適應的立地條件下迅速占據生態位，成為優勢種。坡面的礦山剝離物樣地D指數最高，說明在該樣地中沒有明顯的優勢種。

對照植物多樣性閾值的分級評價標準，平面的客土樣地與礦山剝離物混施有機肥兩個樣地物種豐富度達到“豐富”水平，平面與坡面的礦山剝離物樣地與坡面的礦山剝離物混施有機肥3個樣地物種豐富度處于“較好”水平。3種地表物質性質中，礦山剝離物混施有機肥與客土樣地的植物多樣性高于礦山剝離物，與坡面相比，在植被重建過程中平面更有利于植物多樣性的提高。

2.3 不同立地條件的群落相似性分析

由表4可知，不同立地條件各樣地之間群落相似性指數變化幅度較大，相似性指數在0.434 9～0.827 2。總體來看，平面礦山剝離物樣地與其他各樣地相似性系數均小于0.563 ?該樣地未經有機肥或客土改良處理，作為沙打旺試驗地塊，在種植過程中加入沙打旺種子，委陵菜作為入侵成功的物種，與沙打旺一樣取得相對較高的重要值，因此該樣地與其他群落產生相似性差異。坡面礦山剝離物樣地與平面礦山剝離物混施有機肥樣地和平面客土樣地相似性系數分別為0.720 3和0.649 ?相似性指數均在0.50～0.75屬于中等相似群落。坡面礦山剝離物混施有機肥樣地與平面礦山剝離物混施有機肥樣地、客土樣地相似性系數分別為0.795 0、0.808 ?平面礦山剝離物混施有機肥樣地與客土樣地相似性指數為0.827 ?相似性指數均在0.75～1.00，屬于極相似群落[8]，具有極相似的幾個群落均經過客土或有機肥改良。平面礦山剝離物樣地與坡面礦山剝離物樣地的群落相似性系數為0.561 ?屬于中等相似群落，兩個樣地雖然地標物質性質相同，但是地形條件不同，影響了太陽輻射和降水的空間再分配，改變局部生境的小氣候條件，進而影響群落的物種構成[9]。

上述分析說明，經過土壤改良的兩處群落間具有極強的相似性，這種相似性的出現不會受到改良方式、地形條件2個因素的影響，經過土壤改良的群落與未經土壤改良的群落間表現為明顯的相似性。說明是否進行土壤改良對群落相似性的影響大于不同改良方式對群落相似性的影響，立地條件會對群落相似性產生影響。

2.4 不同立地條件的群落穩定性分析

群落穩定性是研究植物種群競爭和群落演替的有效方法[10-11]。采用改進的M.Godron穩定性測定方法，各樣地Godron散點圖見圖2、5種不同立地條件下的群落穩定性見表5。由圖2、表5可知，5個群落的模擬曲線的R2值分別為0.999 9、0.999 1、0.998 9、0.990 5和0.999 ?方程顯著性檢驗表明回歸方程極顯著（P<0.01），因此可以進行分析。從穩定性分析結果看，5個平滑曲線模型 y=ax2+bx+c與直線y=-x+100的交點（x，y）交點坐標均遠離（20，80）穩定交點坐標，說明5個樣地均處于不穩定演替階段。研究認為[12-13]，物種的冗余能提高系統恢復力和緩沖能力，群落穩定性由功能冗余決定，該礦植被重建工作啟動僅兩年，目前群落正處于演替的初期，排土場的土壤腐殖質少、弱黏化、肥力低，不利于植被的生理活性和生長發育，人工種植的一年生植物未能完成自繁，物種豐富度受到影響，沒有足夠的冗余維持其結構和功能的正常進行，因此群落處于不穩定狀態。

生物多樣性與生態系統穩定性之間存在正相關關系[14]。所調查的5處樣地穩定性排序為T3>T5>T2>T1>T 客土樣地物種豐富度指數最高，多樣性閾值最大，其焦點坐標（36.26 63.735）距離穩定點的歐氏距離最近，客土樣地的穩定性處于最高水平。經過客土改良的平面復墾地在5處樣地中具有最高的群落穩定性，兩個混施有機肥的樣地次之，兩個礦山剝離物樣地的穩定性最差。此外，多年生草本植物具有一定的抵抗力和較高的恢復能力，草地植被的穩定性離不開植物自身的抵抗力和恢復力[15-16]。在植被重建過程中，5處樣地采用相同的植物種類和比例，但是人工種植的多年生植物在不同立地條件下的分布有差異，這是因為不同立地條件會對小氣候產生影響，群落穩定性與水熱條件有關，調控植物群落的生長[17]。

3 結論與討論

3.1 結論

（1）該研究調查的5個樣地共出現22種植物，分別屬于8科20屬，以披堿草、冰草、紫花苜蓿為代表的人工種植禾本科、豆科為優勢種，紫花苜蓿和草木樨在坡面中的重要值高于平面。

（2）經過客土改良的平面復墾地物種數目最高，物種豐富度達到“豐富”水平;地形為坡面的兩個樣地具有較高的H′指數和Jws指數，經過有機肥改良和客土改良過的坡面植物個體分布均勻程度較高。立地條件會對生物多樣性產生影響。

（3）植物配置模式在一定程度上不能決定群落間的相似性，地表物質性質對群落相似性的影響大于地形對群落相似性的影響。立地條件可以對重建植物群落的相似性產生影響。

（4）受物種多樣性影響，所調查的5處樣地目前尚處于不穩定演替階段，經過客土改良的平面復墾地群落穩定性最高，立地條件影響群落穩定性。

3.2 討論

植物群落多樣性可以促進生態系統的穩定性，植被重建過程中，選擇合適的植被配置方式至關重要，地理位置以及坡度角度是影響植被配置模式的重要因素。臺培東等[18]研究認為沙棘是草原露天礦排土場植被重建的最佳植物，沙棘可以短期內郁閉成林并留住豬毛菜等風滾植物。該研究認為灌木率先成林，生態位降低，會造成植物多樣性降低，生態系統穩定性差，與之相比，禾本科、豆科等多年生草本植物是較為理想的先鋒植物，其具有耐貧瘠、抗逆性強等特點，可在短期內形成較高的蓋度與密集的根系，改善土壤環境，為喬灌植物生長提供條件，提高喬灌植物移栽成活率，同時保證植物多樣性與重建群落的穩定性。也有學者認為[19-20]，以牧草作為先鋒植物，2年后進行喬灌草的植物配置是一種較好的植被重建措施。

該文只研究了排土場植被重建演替初期不同立地條件下群落組成、物種多樣性及群落相似性，生態系統的穩定性受物種多樣性、環境因素、人工干預以及外界擾動等諸多因素影響，并且隨著復墾時間的變化，土壤質量隨之改善，植物群落動態過程中各種群的自疏和他疏也發生著動態變化[21]，對于未來排土場植物群落結構、穩定性及演替方向還有待進一步觀察和研究;隨著復墾工作的推進與復墾技術的提高，最佳的植被配置模式也會相應發生變化[22]，對于不同恢復年限的植物適應性與植物配置模式的研究也將是未來礦區排土場植被重建工作的關注重點。

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