煤礦復(fù)墾區(qū)不同修復(fù)年限林下草本群落特征及其與土壤耦合關(guān)系

高瑞，艾寧，*，劉廣全，劉長(zhǎng)海，強(qiáng)方方

（1. 延安大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，陜西省紅棗重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 延安 716000；2. 中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100038）

我國(guó)是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)，煤炭資源產(chǎn)量約占一次性能源供給比例的70%［1］。煤炭資源大量開(kāi)采，形成了大面積的塌陷地和工礦廢棄地，對(duì)礦區(qū)及其周邊生態(tài)環(huán)境造成極大的破壞，生態(tài)系統(tǒng)嚴(yán)重失衡。我國(guó)于20 世紀(jì)80年代開(kāi)始重視廢棄礦區(qū)的土地復(fù)墾與修復(fù)，且主要從地貌重塑、土壤理化性質(zhì)重構(gòu)及植被恢復(fù)技術(shù)等方面開(kāi)展相關(guān)工作與研究［2?4］。近年來(lái)，礦區(qū)土地復(fù)墾和生態(tài)修復(fù)，已成為國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者普遍關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題之一［5?7］。研究表明，植被修復(fù)是改善礦區(qū)生態(tài)環(huán)境最直接、最有效的方式［8?11］。一方面土壤為植物生長(zhǎng)提供了水分與養(yǎng)分，另一方面植被栽植促進(jìn)土壤的改良［12］，而土壤性質(zhì)的優(yōu)化有利于植被的恢復(fù)，二者相輔相成，構(gòu)成了礦區(qū)土地復(fù)墾和生態(tài)修復(fù)過(guò)程相互反饋的一個(gè)綜合系統(tǒng)。

目前關(guān)于礦區(qū)植物多樣性與土壤因子相互關(guān)系的研究較多［13?15］，但縱觀已有研究，礦區(qū)土地復(fù)墾后土壤與植被的耦合關(guān)系主要從線性關(guān)系出發(fā)，比如采用相關(guān)性分析與回歸分析等方法進(jìn)行，缺乏兩者間系統(tǒng)性的耦合協(xié)調(diào)度研究。因此，以聚鑫龍煤礦復(fù)墾區(qū)修復(fù)年限為3～7年的林下草本植物群落與土壤因子為研究對(duì)象，并以人工草地與撂荒草地為對(duì)照，采用灰色關(guān)聯(lián)耦合模型法，對(duì)研究區(qū)土壤與植被現(xiàn)狀進(jìn)行系統(tǒng)性的耦合度分析，從而明確研究區(qū)土地復(fù)墾后植被與土壤的耦合協(xié)調(diào)度關(guān)系，進(jìn)一步了解研究區(qū)不同修復(fù)年限礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)進(jìn)程，旨在為研究區(qū)以及相似區(qū)域的礦區(qū)生態(tài)修復(fù)重建提供科學(xué)依據(jù)與數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯聚鑫龍煤礦（110°4′2″E，39°54′16″N），海拔約1360 m，地勢(shì)平坦，屬于溫帶大陸性氣候，全年無(wú)霜期約135 d；降水年際變化較大，多年平均降水量約400 mm，主要集中在每年的7?9月。研究區(qū)進(jìn)行土地復(fù)墾始于2011年，選取的植被主要有沙棘（Hippophae rhamnoidoes）和檉柳（Tamarix chinensis）等灌木以及芨芨草（Achnatherum splendens）為主的草本植物。

1.2 樣地設(shè)置與樣品采集

通過(guò)對(duì)研究區(qū)進(jìn)行實(shí)地考察與調(diào)研，于2017年8月進(jìn)行土壤樣品采集，選取修復(fù)年限為3～7年的沙棘林下草本群落作為研究對(duì)象，并以相鄰的撂荒地和人工草地作為對(duì)照，在各修復(fù)年限沙棘林草本群落分布區(qū)分別布設(shè)3 塊10 m×10 m 標(biāo)準(zhǔn)樣地，每塊樣地內(nèi)按對(duì)角線法設(shè)置5 個(gè)1 m×1 m 草本樣方。調(diào)查并記錄各樣地信息及樣方內(nèi)的草本植物種數(shù)、高度和蓋度等指標(biāo)。在每個(gè)草本樣方內(nèi)，沿對(duì)角線，設(shè)置3 個(gè)1 m 深土壤剖面，采用環(huán)刀進(jìn)行土壤樣品采集，去除地表枯落物，自地表垂直向下分為5 層，即0～20 cm，20～40 cm，40～60 cm，60～80 cm，80～100 cm，同一剖面每層取3 個(gè)重復(fù)，用于測(cè)定土壤物理性質(zhì)，同時(shí)將剖面每一層采集的土壤樣品裝入自封袋帶回實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干，過(guò)篩進(jìn)行土壤理化指標(biāo)測(cè)定。樣地信息見(jiàn)表1。

表1 標(biāo)準(zhǔn)地基本信息Table 1 Basic information of sample land

1.3 土壤樣品測(cè)定

采用烘干法測(cè)定土壤水分，采用環(huán)刀浸水法測(cè)定與計(jì)算土壤容重、總孔隙度、飽和含水量和毛管持水量指標(biāo)；土壤粒徑采用BT-9300S 激光粒度分布儀（遼寧）測(cè)定（土壤粒徑分級(jí)根據(jù)美國(guó)制土壤質(zhì)地分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)）；土壤pH 值和電導(dǎo)率分別由PHS-320 高精度智能酸度計(jì)（成都）和DDS-608 多功能電導(dǎo)率儀（成都）測(cè)定；采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定堿解氮；醋酸銨浸提?火焰光度法測(cè)定速效鉀；0.5 mol·L?1的碳酸氫鈉法測(cè)定速效磷；氫氧化鈉熔融法測(cè)定全磷；重鉻酸鉀容量法測(cè)定有機(jī)質(zhì)［16］。

1.4 草本植物多樣性計(jì)算

本研究采用Margalef 指數(shù)、Pielou 指數(shù)、Simpson 指數(shù)和Shannon?Wiener 指數(shù)研究煤礦復(fù)墾區(qū)林下草本群落的多樣性。

式中：S為出現(xiàn)在樣地的物種數(shù)，N為所有物種的個(gè)體數(shù)之和。

1.5 灰色關(guān)聯(lián)耦合分析

運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)分析法對(duì)研究區(qū)草本植物多樣性與土壤因子進(jìn)行關(guān)聯(lián)度分析，通過(guò)建立灰色關(guān)聯(lián)度模型［17］探究研究區(qū)草本植物群落與土壤系統(tǒng)的耦合協(xié)調(diào)關(guān)系。

式中：ε為分辨系數(shù)，取值范圍一般為0＜ε＜1，一般取值為ε=0.5。

式中：m為土壤指標(biāo)數(shù)，l為多樣性指標(biāo)數(shù)。

系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)程度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2。

表2 系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Standard of system coupling coordination

1.6 數(shù)據(jù)處理及分析

采用SPSS 22.0、Excel 2010 和Origin 2018 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與圖形繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 煤礦復(fù)墾區(qū)林下草本群落組成及群落多樣性分析

2.1.1 林下草本群落組成 由表3 可知，研究區(qū)林下草本植物種類(lèi)共55 種，其中菊科占29%，禾本科占18%，豆科占13%，藜科占7%，莧科、石竹科、唇形科各占3%，蔥科、田苣科、百合科、蓼科、牻牛苗兒科、瑞香科、堇菜科、紫葳科、景天科、敗醬科、夾竹桃科、十字花科均為單科單屬，各占2%。隨著修復(fù)年限的增加，林下草本植物種數(shù)呈現(xiàn)先減少后增多的趨勢(shì)，其中人工草地物種數(shù)最多，修復(fù)5年樣地林下草本植物種類(lèi)最少。

表3 不同修復(fù)年限林下草本植物群落概況Table 3 General situation of herbaceous plant communities under forests with different restoration years

2.1.2 林下草本群落多樣性分析 如圖1 所示，隨著修復(fù)年限的增加，研究區(qū)林下草本植物的Margalef 指數(shù)與Shannon?Weiner 指數(shù)變化趨勢(shì)相似，均表現(xiàn)為先減小后增大的趨勢(shì)，且均小于人工草地和撂荒地。不同修復(fù)年限林下草本植物的Pielou 指數(shù)與Simpson 指數(shù)無(wú)明顯變化，其中修復(fù)5年樣地林下草本植物的Pielou 指數(shù)（0.948）最大，而撂荒地Pielou 指數(shù)（0.474）最小，二者差異較大；人工草地的Simpson 指數(shù)（0.949）最大，修復(fù)4年樣地林下草本植物的Simpson 指數(shù)（0.893）最小，二者差異不大。

圖1 不同修復(fù)年限林下草本植物群落多樣性指數(shù)Fig. 1 Diversity index of understory herbaceous plant community in different restoration years

2.2 植物群落多樣性與土壤因子耦合關(guān)聯(lián)分析

由表4 可知，各植物群落多樣性指數(shù)與土壤因子間的關(guān)聯(lián)度值范圍在0.50～0.84 之間，均值為0.65，關(guān)聯(lián)度均處于中等關(guān)聯(lián)及以上，表明研究區(qū)草本植物多樣性與土壤因子之間關(guān)系較為密切。其中Margalef 指數(shù)與粉粒（0.78）關(guān)聯(lián)度最高，為較高關(guān)聯(lián)，與pH（0.58）關(guān)聯(lián)度最低，為中等關(guān)聯(lián)；Pielou 指數(shù)與pH（0.75）關(guān)聯(lián)度最高，為較高關(guān)聯(lián)，與全磷（0.53）關(guān)聯(lián)度最低，為中等關(guān)聯(lián)；Simpson 指數(shù)與砂粒（0.71）關(guān)聯(lián)度最高，為較高關(guān)聯(lián)，與速效氮（0.50）和黏粒（0.50）關(guān)聯(lián)度最低，為中等關(guān)聯(lián)；Shannon?Wiener 指數(shù)與土壤容重（0.84）關(guān)聯(lián)度最高，為高關(guān)聯(lián)，與pH（0.54）關(guān)聯(lián)度最低，為中等關(guān)聯(lián)。

表4 植物多樣性與土壤耦合矩陣Table 4 Plant diversity and soil coupling matrix

2.3 植物群落多樣性與土壤因子耦合協(xié)調(diào)度分析

由表5 可知，本研究系統(tǒng)耦合度的范圍在0.48～0.72 之間，其中，修復(fù)7年樣地林下草本植物多樣性與土壤系統(tǒng)耦合度（0.72）最高，為中度協(xié)調(diào)；而人工草地的植物多樣性與土壤系統(tǒng)耦合度（0.48）最低，為中度不協(xié)調(diào)。隨著修復(fù)年限的增加，沙棘林下草本植物多樣性與土壤系統(tǒng)的耦合度呈現(xiàn)“升高?降低?升高”的變化趨勢(shì)。

表5 不同修復(fù)年限樣地植物多樣性與土壤系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)評(píng)價(jià)模型Table 5 Coordination evaluation model of plant diversity and soil system coupling in different restoration years

3 討論

3.1 煤礦復(fù)墾區(qū)林下草本植物群落組成及多樣性分析

研究發(fā)現(xiàn)本研究區(qū)禾本科、菊科和豆科的草本植物種類(lèi)，占所有草本植物種類(lèi)的60%，這與原野等［19］、尚志［20］的研究結(jié)果相似，其原因?yàn)楹瘫究?、菊科植物耐干旱、耐貧瘠且有較強(qiáng)的適應(yīng)環(huán)境能力［21］，禾本科植物根系為須根系，側(cè)根發(fā)達(dá)，分布于淺層土壤且吸收養(yǎng)分能力較強(qiáng)，生產(chǎn)能力較強(qiáng)；菊科植物種子傳播迅速，易入侵到當(dāng)?shù)氐闹参锶郝洌毖苣芰^強(qiáng)［22］。豆科植物的根瘤固氮作用，可為植株生長(zhǎng)提供氮元素，在缺水、貧瘠、沒(méi)有人工施肥干預(yù)的廢棄地上具有強(qiáng)烈的適應(yīng)性［23］。

隨著恢復(fù)年限的增加，研究區(qū)沙棘林下草本植物種數(shù)的變化趨勢(shì)為先減小后增大，主要原因?yàn)閺?fù)墾初期草本群落物種受人工干預(yù)，物種構(gòu)成豐富，隨著后期人工干預(yù)退出，沙棘林的退化以及物種種間競(jìng)爭(zhēng)等群落活動(dòng)，使得林下草本植物群落表現(xiàn)出該趨勢(shì)。

物種多樣性是生物群落的重要特征，是草地生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的基礎(chǔ)［24］。本研究中，隨著修復(fù)年限的增加，林下草本植物的Margalef 指數(shù)與Shannon?Wiener 指數(shù)變化趨勢(shì)與草本植物種數(shù)變化趨勢(shì)一致，均為先減小后增大，且均小于人工草地和撂荒地；而Pielou 指數(shù)與Simpson 指數(shù)隨恢復(fù)年限增加無(wú)明顯變化，這與馮倩男等［25］的研究結(jié)果相似。人工草地的Margalef 指數(shù)、Simpson 指數(shù)、Shannon?Wiener 指數(shù)均為最大值，這與人工草地的物種數(shù)目最多且分布較均勻有著直接的關(guān)系，該群落較復(fù)雜且穩(wěn)定。撂荒地的Pielou 指數(shù)最小，雖然其物種豐富但是個(gè)體數(shù)量分布不均勻，說(shuō)明均勻度與物種數(shù)及群落內(nèi)植物的多度沒(méi)有明顯關(guān)系，與個(gè)體的分布狀況有很大的關(guān)系。

3.2 煤礦復(fù)墾區(qū)林下草本植物群落與土壤因子耦合分析

不同修復(fù)年限林下草本植物群落物種多樣性與各理化因子的關(guān)聯(lián)度均為中等關(guān)聯(lián)以上，其中砂粒、粉粒、pH和土壤容重與物種多樣性關(guān)系較緊密。耦合協(xié)調(diào)度能夠定量判斷植物多樣性與土壤理化性質(zhì)的耦合協(xié)調(diào)發(fā)展程度［26］，本研究中，修復(fù)7年樣地林下草本植物多樣性與土壤系統(tǒng)耦合度最高，為中度協(xié)調(diào)，這可能是草本植被群落經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的自我調(diào)整優(yōu)化，與土壤的反饋機(jī)制逐漸穩(wěn)定所形成的結(jié)果。人工草地雖然物種數(shù)最多且物種多樣性指數(shù)較高，但其植物多樣性與土壤系統(tǒng)耦合度最低，為中度不協(xié)調(diào)，其原因?yàn)槿斯げ莸氐慕ㄈ悍N是人為建植的，人工篩選草本植物的適應(yīng)性存在差異，以及種植數(shù)量超過(guò)了當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的水土承載力。隨著修復(fù)年限的增加，林下草本植物多樣性與土壤系統(tǒng)的耦合度呈現(xiàn)“升高?降低?升高”的變化趨勢(shì)，說(shuō)明植物多樣性與土壤系統(tǒng)的協(xié)調(diào)程度正在呈良性發(fā)展，但還未達(dá)到最佳的協(xié)調(diào)程度。Zhao 等［27］研究山西平朔露天煤礦復(fù)墾廢棄地也發(fā)現(xiàn)隨著修復(fù)年限的增加，土壤發(fā)育水平明顯提高。本研究結(jié)果與其相互印證。

4 結(jié)論

1）研究區(qū)草本植物種類(lèi)共有55 種，其中以禾本科、菊科和豆科為主，三者共占比為60%。

2）草本植物多樣性表現(xiàn)出明顯的時(shí)間異質(zhì)性，隨著修復(fù)年限的增加，其物種數(shù)呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢(shì)，且逐漸接近于人工草地的物種數(shù)；植物的Margalef 指數(shù)和Shannon?Wiener 指數(shù)均呈現(xiàn)出先下降后上升的趨勢(shì)，而Pielou 指數(shù)和Simpson 指數(shù)隨時(shí)間變化不明顯。

3）研究區(qū)草本植物群落多樣性與土壤因子關(guān)聯(lián)度均在中等關(guān)聯(lián)以上，特別是土壤粉粒、砂粒、pH 和土壤容重與其關(guān)聯(lián)度較高。

4）研究區(qū)不同修復(fù)年限草本植物多樣性與土壤因子耦合協(xié)調(diào)度不同，樣地植物多樣性與土壤的耦合協(xié)調(diào)程度隨修復(fù)年限增加呈現(xiàn)“升高?降低?升高”的變化趨勢(shì)，修復(fù)7年樣地的草本植物多樣性與土壤耦合協(xié)調(diào)度最高，植物多樣性與土壤系統(tǒng)的協(xié)調(diào)程度表現(xiàn)出良性發(fā)展的趨勢(shì)，但還未達(dá)到最佳的協(xié)調(diào)程度。