元寶山露天煤礦復墾排土場植被組成及群落多樣性分析

摘要：為分析元寶山露天煤礦排土場復墾效果，以元寶山露天煤礦西排土場和南排土場為監測區，選取植被組成、植被覆蓋度、群落多樣性指數等指標，計算多樣性閾值，并通過M.Godron穩定性測定法量化排土場群落穩定性。結果表明：豆科、禾本科、莧科、菊科是監測區內植被組成的基礎和主體，西排東坡擁有最大物種數；排土場平均植被覆蓋度為88.00%；西排東坡的Margalef豐富度指數最高，說明該監測區有較為豐富的物種；2號排土場有較高的Shannon-Wiener多樣性指數和相對較低的Simpson優勢度指數，說明該監測區種數、各物種間分布較為均勻；監測區物種多樣性閾值達到“豐富”水平；西排東坡處于演替相對穩定的狀態。

關鍵詞：露天煤礦； 土地復墾； 物種多樣性； 群落穩定性

中圖分類號：S184 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2024）04-0013-06

露天采煤是中國煤炭開采的主要方式。露天采煤產生的排土場占據了露天煤礦一半以上的生產用地，對原地貌產生嚴重破壞[1-2]。因此，排土場植被恢復工作已成為近年來土地復墾關注的焦點[3-4]。植被恢復是以人工干預的方式，通過植物的演替，恢復遭受破壞的生態系統及其功能[5-6]。對排土場進行植被恢復具有成本小、效果好、易維護等優點[7]。目前，在植被恢復技術[4]、土壤改良[8]及植被配置模式[6]方面已有諸多研究成果，但針對復墾初期的物種組成及群落穩定性的研究相對薄弱。群落多樣性指數可以反映群落結構的變化，并體現出植被恢復的豐富性[9]。研究群落穩定性，直觀體現植被恢復狀態，可為礦區植被恢復提供科學參考[10]。

以元寶山露天煤礦為例，通過監測排土場植被組成、計算群落多樣性指數和分析群落穩定性，為該露天煤礦排土場復墾效果分析和綠色礦山建設工作提供一定的理論依據。

1 材料與方法

1.1 礦區概況

1.1.1 地理位置 元寶山露天煤礦位于內蒙古自治區赤峰市東35 km，礦區地理坐標：東經119°17'15″—119°19'55″，北緯42°19'13″—42°22'21″。

1.1.2 地貌信息 元寶山露天煤礦為低山丘陵地貌，東西元寶山構成玄武巖臺地。煤田賦存于兩臺地之間的沖積平原內。區內地表高程一般為海拔450～485 m，比東西元寶山低約200 m。

1.1.3 土壤信息 元寶山露天煤礦主要土壤類型為黃綿土和褐土。黃綿土主要分布于礦區西部的丘陵山地區，為土層深厚而性狀松脆的黃土母質，土體疏松、軟綿，土色淺淡，具有良好的通透性和保水保肥性；抗沖性弱，在缺少植被覆蓋下，易遭受水蝕和風蝕；富含碳酸鈣，在半濕潤和半干旱生物氣候影響下，鈣有輕度淋移與淀積。褐土主要分布于礦區東部的沖積平原區，發育在現代河流沖、洪積物母質上，表土呈褐色至棕黃色，是在溫帶半濕潤地區旱生灌叢草原植被下生長成的地帶性土壤。

1.1.4 氣象信息 元寶山露天煤礦屬中溫帶半干旱大陸性氣候。多年平均氣溫7.5 ℃，全年最高氣溫40.4 ℃ ，最低氣溫-31.4 ℃ 。多年平均降水量377.8 mm，多集中在每年的6—8 月。年蒸發量1 940.0 mm。全年主導風向為WSW，全年平均風速2.5 m/s，最大風速可達19.0 m/s，全年大風日數20.8 d。無霜期153.0 d。最大凍結深度2.0 m。

1.1.5 植被信息 元寶山露天煤礦植被類型以典型草原植被為主，群落結構簡單，草層低矮稀疏，群落的數量特征普遍偏低。零星分布的天然植物有本氏針茅、甘草、雜類草等植物群系。人工牧草品種主要有紫花苜蓿、披堿草、羊草、沙打旺等。

1.2 現場植被調查與取樣

通過資料收集并結合實地調查，于2023年8月對元寶山露天煤礦各排土場進行野外植被調查。監測區包括元寶山露天礦的西排土場和南排土場，其中西排土場細分為西卡車排土場、1號排土場、2號排土場、3號排土場和西排東坡。

西排土場每個監測區設置5 個監測樣地，南排土場監測區設置6 個樣地，共31 個樣地。每個樣地采用五點取樣法，記錄各樣地內出現植物的物種組成、株高、植被覆蓋度、頻度等指標，取平均值。

1.3 數據處理

1.3.1 重要值 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。

1.3.2 群落多樣性指數及分級評價 群落多樣性統計采用Margalef豐富度指數、Shannon-Wiener多樣性指數及Simpson優勢度指數。計算公式為：

植物物種多樣性閾值的分級評價標準見表1。

1.3.3 植被穩定性 采取M.Godron貢獻定律法[11]量化群落穩定性。其原理是以樣方內植物種數倒數的累積百分數為x 軸，將樣地內所有物種的頻度進行大小排序后，計算其相對頻度，以相對頻度的累積百分數為y 軸，擬合曲線，使之與直線y=100-x 相交，其交點（x，y）與穩定性參考點（20，80）的距離稱為歐式距離。計算公式為：

1.4 數據統計與分析

利用EXCEL 2019 進行數據基礎處理，利用EXCEL 2019 和ORIGIN 2019 進行制圖，利用SPSS22.0軟件進行數據分析。

2 結果與分析

2.1 排土場植被群落特征

2.1.1 物種組成 物種組成是植物群落的基本特征之一[12]。經統計，調查區內共發現18科52屬61種。各監測區植物科組成多樣性見表2。

由表2可知，西卡車排土場有1個小型科，為豆科，占總科數的9.09%；有3個寡種科，分別為禾本科、莧科、菊科，占總科數的27.27%；單種科包括唇形科、蒺藜科等7 科，占總科數的63.64%。1 號排土場有2個小型科，為禾本科和莧科，占總科數的20.00%；有3個寡種科，分別為豆科、菊科、十字花科，占總科數的30.00%；單種科包括唇形科、蒺藜科等5科，占總科數的50.00%。2號排土場有1個小型科，為豆科，占總科數的10.00%；有3個寡種科，分別為禾本科、菊科、莧科，占總科數的30.00%；單種科包括唇形科、蒺藜科等6科，占總科數的60.00%。3號排土場有2個小型科，為菊科和莧科，占總科數的20.00%；有2個寡種科，分別為菊科、禾本科，占總科數的20.00%；單種科包括唇形科、夾竹桃科等6科，占總科數的60.00%。西排東坡有2個小型科，為菊科和禾本科，占總科數的16.67%；有3個寡種科，分別為豆科、蓼科、莧科，占總科數的25.00%；單種科包括唇形科、蒺藜科等7科，占總科數的58.33%。南排土場有3個小型科，為菊科、豆科、莧科，占總科數的30.00%；有2個寡種科，分別為禾本科和大麻科，占總科數的20.00%；單種科包括車前科、唇形科、蒺藜科等5 科，占總科數的50.00%。

物種組成變化可在一定程度上表達群落環境變化過程[13]。研究表明，該露天煤礦排土場植被恢復過程中，以草本群落為主，豆科、禾本科、莧科、菊科植物在各監測區內均含有最大的種數，是監測區內植被組成的基礎和主體。其原因在于這幾科植物是該礦恢復的優勢植物，具有生長較快的特點，并可通過改善周邊微環境促進自身生長，從而適應惡劣的環境。

隨著恢復年限增加，植物在與環境的長期相互作用中產生適應性[14-15]，增強排土場的生態功能，從而在演替過程中逐漸占據優勢地位，促進排土場群落正向演替進程[13]。

2.1.2 物種重要值 監測區植被優勢種及其重要值見表3。

由表3 可知，各監測區優勢種較為相似，均以狗尾草、虎尾草、紫花苜蓿為主，其中狗尾草和虎尾草為本土物種，紫花苜蓿為人工種植種。這說明隨著恢復年限增加，監測區優勢種更替較為明顯，人工種植種有退化的趨勢，狗尾草、虎尾草等本土植物重要值呈上升趨勢，逐漸成為優勢種。張琳[10]在內蒙古自治區錫林郭勒盟某露天煤礦研究中也得出相同的結論。在植被恢復過程中，優勢種的比重決定M.Godron穩定性，并且對植物群落功能的變化有重要影響[16]。隨著物種的自身演替，本土物種逐漸成為優勢種，而物種組成的變化也勢必影響其群落的穩定性，由于自然環境條件的差異性，物種組成的變化對群落的穩定性、演替速度及方向的影響也有較大不同[17]。

監測區的物種數見表4。

由表4可知，各樣地物種數量趨于豐富。其中，西排東坡的物種數最多，達到32種；西卡車排土場和1號排土場的物種數相對較少，為27種；其余監測區的物種數由多到少排序為3號排土場gt;南排土場gt;2號排土場。

2.1.3 物種數量特征 選取植物株高和植被覆蓋度表示排土場物種數量特征，以了解監測區物種的變化情況。監測區植物平均株高如圖1所示。

由圖1可以看出，各監測區植物株高表現為：2號排土場（36.13 cm）gt;西排東坡（35.53 cm）gt;南排土場（33.96 cm）gt;3 號排土場（33.23 cm）gt;西卡車排土場（31.59 cm）gt;1號排土場（26.37 cm）。其中，2號排土場的植物株高離散程度較大；西卡車排土場存在1個異常值，經查找監測表發現該物種為小葉錦雞兒，株高為104.25 cm。

植被覆蓋度是指植物地上部分垂直投影的面積占統計區總面積的比例，是反映綠化水平和生態系統質量的重要指標。各監測區植被覆蓋度如圖2所示。

由圖2可以看出，監測區植被覆蓋度表現為：2號排土場（90.66%）gt;3 號排土場（88.82%）gt;西排東坡（88.54%）gt;南排土場（87.27%）gt;1號排土場（87.10%）gt;西卡車排土場（85.62%）。其中，2號排土場、3號排土場及西排東坡均高于監測區平均植被覆蓋度（88.00%）。

2.2 排土場群落多樣性特征

2.2.1 群落多樣性指數 Margalef豐富度指數是用來描述一個群落的多樣性的統計量。監測區Margalef豐富度指數如圖3所示。

由圖3可以看出，各監測區Margalef豐富度指數不存在差異（Pgt;0.05），表現為：西排東坡（3.23）gt;3號排土場（3.18）gt;2號排土場（3.07）gt;1號排土場（3.03）gt;西卡車排土場（2.82）gt;南排土場（2.79）。西排東坡有最大的Margalef豐富度指數，說明該監測區有最高的物種數，而前文對物種數的分析也印證了這一觀點。

Shannon-Wiener 多樣性指數包含2 個成分：種數和各種間個體分配的均勻性。監測區Shannon-Wiener多樣性指數如圖4所示。

由圖4 可以看出，各監測區Shannon-Wiener 多樣性指數不存在差異（Pgt;0.05），表現為：2號排土場（2.04）gt;1 號排土場（1.99）gt;3 號排土場（1.99）gt;南排土場（1.84）gt; 西卡車排土場（1.80）gt; 西排東坡（1.77）。2 號排土場具有較高的Shannon-Wiener 多樣性指數和較低的Simpson優勢度指數。結合前文對重要值的分析，2 號排土場優勢物種為狗尾草、虎尾草和紫花苜蓿，其重要值分別為1.00、1.00 和0.85，說明該監測區植物種數在不同種間分布均勻，沒有明顯的優勢種。

Simpson優勢度指數是在群落的類群組成基礎上進一步推算出來以表達群落組成狀況的指標。監測區Simpson優勢度指數如圖5所示。

由圖5可以看出，各監測區Simpson優勢度指數不存在差異（Pgt;0.05），表現為：西排東坡（0.32）gt;西卡車排土場（0.24）gt; 南排土場（0.24）gt;1 號排土場（0.20）gt;3號排土場（0.20）gt;2號排土場（0.17）。

2.2.2 群落多樣性評價 監測區群落物種多樣性閾值見表5。

由表5 可知，對照群落多樣性閾值的分級評價標準，監測區物種多樣性等級達到“豐富”水平。

2.2.3 植物穩定性評價 采用M.Godron穩定性測定方法進行擬合，結果見表6。

由表6 可知，監測區R2 分別為0.996、0.998、0.999、0.998、0.997、0.999，群落穩定性予以量化。根據M.Godron 的方法定義：距離穩定點（20，80）越遠者穩定性越差，說明排土場的群落穩定性較差。分析其原因為該礦植被復墾工作開展時間相對較短，植被恢復過程中存在排土場土壤養分不足等客觀因素，導致植被生長和物種多樣性受限，而物種的冗余能夠提高群落穩定性[18]，因此群落尚處于不穩定狀態。對不同區域的群落穩定性進行排序，表現為：2號排土場lt;西卡車排土場lt;南排土場lt;3號排土場lt;1號排土場lt;西排東坡，各監測區中西排東坡處于演替相對穩定的狀態。

由表7可知，植被覆蓋度與Margalef豐富度指數、Shannon-Wiener多樣性指數呈負相關性（Plt;0.05），與Simpson 優勢度指數間相關性均不顯著（Pgt;0.05）；Margalef豐富度指數與Shannon-Wiener多樣性指數呈正相關性（Plt;0.05），與Simpson優勢度指數呈負相關性（Plt;0.05）；Shannon-Wiener 多樣性指數與Simpson優勢度指數呈負相關性（Plt;0.05）。研究表明，植被覆蓋度受Margalef豐富度指數、Shannon-Wiener多樣性指數影響較大，受Simpson 優勢度指數影響較小。Margalef 豐富度指數、Shannon-Wiener 多樣性指數、Simpson優勢度指數均對群落多樣性產生影響。

3 結論

以元寶山露天煤礦為例，通過監測排土場植被組成、計算群落多樣性指數和分析群落穩定性，得出結論：豆科、禾本科、莧科、菊科在各監測區內均擁有最大的種數，是監測區內植被組成的基礎和主體。

在監測區物種數方面，西排東坡擁有最大物種數，為32種。整個監測區平均植被覆蓋度為88.00%，各監測區植被覆蓋度表現為：2號排土場（90.66%）gt;3號排土場（88.82%）gt;西排東坡（88.54%）gt;南排土場（87.27%）gt;1 號排土場（87.10%）gt; 西卡車排土場（85.62%）。西排東坡的Margalef豐富度指數最高，說明該監測區有較為豐富的物種；2號排土場有較高的Shannon-Wiener多樣性指數和相對較低的Simpson優勢度指數，說明該監測區種數、各物種間分布較為均勻。監測區植物物種多樣性閾值達到“豐富”水平。

排土場的群落穩定性較差，各監測區群落穩定性表現為：2號排土場lt;西卡車排土場lt;南排土場lt;3號排土場lt;1號排土場lt;西排東坡，西排東坡處于演替相對穩定的狀態。

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