礦山自然恢復(fù)中植物多樣性與生物量關(guān)系研究

翟正江 楊漢宏 張勇 吳麗萍 柴志福 王鐵軍

摘要：為了更好地揭示黃土高原區(qū)礦山恢復(fù)過程中的植物多樣性與生物量的關(guān)聯(lián)機制，以黑岱溝露天礦不同自然恢復(fù)年限排土場為研究對象，采用統(tǒng)計學(xué)分析方法對植物種豐富度和swi指數(shù)（Shannon-Wiener Index）與地上生物量的關(guān)系進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：物種多樣性指數(shù)和地上生物量在恢復(fù)18a達(dá)到最大，之后隨恢復(fù)年限增加，物種多樣性指數(shù)和生物量均減??；種豐富度和SWI指數(shù)與生物量的關(guān)系在不同的恢復(fù)時間成正相關(guān)關(guān)系，當(dāng)恢復(fù)時間達(dá)到（或超過）10a時，種豐富度和swi指數(shù)與生物量的關(guān)系達(dá)到顯著水平；SWI指數(shù)與生物量的關(guān)系較種豐富度敏感，一元線性回歸方程有較大的斜率。利用種豐富度和SWI指數(shù)構(gòu)建的回歸關(guān)系預(yù)測地上生物量，其精度隨植被恢復(fù)時間增加而提高，在恢復(fù)22a時分別達(dá)到91.6%和92.0%。

關(guān)鍵詞：礦山自然恢復(fù)；物種豐富度；swi指數(shù)；回歸分析；黃土高原區(qū)

中圖分類號：S157.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.03.021

半干旱黃土高原草原區(qū)露天礦開采和排土場表土堆積導(dǎo)致的植被破壞是局地植被退化的主要原因之一。為了恢復(fù)和改善環(huán)境，排土場植被恢復(fù)是露天礦開采中一個必不可少的環(huán)節(jié)。在露天礦開采過程中，排土場棄土堆放并沒有把表層土壤覆蓋在最上層，而是按照開采順序?qū)⑸顚油寥溃ɑ蚰纲|(zhì)）覆蓋在表層土上面，這樣不僅破壞原生地貌和土壤結(jié)構(gòu)，而且直接導(dǎo)致原生植被的滅絕。半干旱草原區(qū)露天礦排土場植被恢復(fù)有兩種方式：一是通過人工措施營造不同喬、灌、草組合的人工恢復(fù)過程，二是在人工植被恢復(fù)措施保護(hù)下的植被自然恢復(fù)過程。后一種方式形成的區(qū)域成為研究半干旱黃土高原草原區(qū)植被自然恢復(fù)機制的天然場所。不同植被恢復(fù)年限的植物種多樣性與地上生物量關(guān)系的研究，不僅是對植物多樣性研究的擴展，而且是揭示半干旱草原區(qū)生態(tài)恢復(fù)機制的主要途徑之一。

植被群落特征與生境關(guān)系分析是對生態(tài)脆弱地區(qū)植被過程認(rèn)知的基礎(chǔ)，也是生態(tài)學(xué)研究的熱點，特別是針對人工和自然植被演替過程的研究，露天煤礦排土場發(fā)生的始于裸地的自然演替過程，成為恢復(fù)生態(tài)學(xué)研究的一個熱點。已有的人工排土場植被恢復(fù)研究表明，在人工恢復(fù)（治理）過程的早期（5a之內(nèi)），禾本科和菊科植物是優(yōu)勢植物，10～20a禾本科、豆科和菊科植物為優(yōu)勢植物，20a之后禾本科和菊科植物為優(yōu)勢植物。針對露天礦排土場自然植被恢復(fù)過程中植物多樣性與地上生物量關(guān)系的研究相對較少，已有的報道集中在不同恢復(fù)階段人工植物群落組成、結(jié)構(gòu)與生物多樣性方面，而尚未涉及自然恢復(fù)植被地上生物量與多樣性的研究。此外，以植物種豐富度和香農(nóng)一威納指數(shù)（Shannon-Wiener Index，SWI）為指標(biāo)進(jìn)行的研究成為多樣性與生產(chǎn)力關(guān)系研究的熱點。由于自然界中植被組成的復(fù)雜性、多變性和對環(huán)境尺度的依賴性，因此有關(guān)植物多樣性對生態(tài)系統(tǒng)地上生物量影響的研究結(jié)果有較大差別?，F(xiàn)有的研究難以涵蓋不同的生境，特別是對于露天礦排土場這種特定的人為干擾生境。

針對這種情況，筆者采用物種豐富度和SWI指數(shù)為植物多樣性描述指標(biāo)，在半干旱黃土高原區(qū)露天礦排土場對不同自然恢復(fù)年限（階段）植物地上生物量與物種多樣性的關(guān)系進(jìn)行研究，旨在揭示排土場形成的裸地上不同自然恢復(fù)年限對植物多樣性與地上生物量關(guān)系的影響機制。

1 研究區(qū)概況

以內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市準(zhǔn)格爾旗東部的黑岱溝露天煤礦為研究區(qū)，地理坐標(biāo)為東經(jīng)111°10′-111°25′、北緯39°25′-39°59′，面積為55km2，屬于晉、陜、蒙接壤的黃土高原地區(qū)，是我國乃至世界上土壤侵蝕最嚴(yán)重地區(qū)之一。該區(qū)屬于中溫帶半干旱大陸性氣候區(qū)，冬季嚴(yán)寒而漫長，夏季溫?zé)岫虝?，晝夜溫差較大，多年平均氣溫為6.5℃；多年平均降水量為408mm，其中60%～70%集中在7-9月；年水面蒸發(fā)量為1824.7～2896.1mm，日照時數(shù)為3119.3h。排土場自然恢復(fù)樣地選擇在北排土場（恢復(fù)22a）、東排土場（恢復(fù)18a）、東沿幫排土場（恢復(fù)10a）和內(nèi)排土場（恢復(fù)7a）的自然植被恢復(fù)小區(qū)內(nèi)。區(qū)內(nèi)的優(yōu)勢植物種為克氏針茅、賴草、百里香、糙隱子草、鐵桿篙及畫眉草等。

2 研究方法

2.1 植被調(diào)查

植被調(diào)查時間為2015年8月12-25日。在選定的4個研究樣區(qū)共調(diào)查了20個樣地，每個樣地調(diào)查10個1m×1m的植物樣方（完整樣方3個、頻度樣方7個）。調(diào)查內(nèi)容包括植物種個體數(shù)、高度、出現(xiàn)頻率和分種生物量等。地上生物量測定方法為沿地面剪下植物并用布袋取回，放入烘箱內(nèi)，80℃恒溫烘12h后稱重。不同樣地植被特征用4個樣區(qū)的平均值表示，采用方差分析（ANOVA）進(jìn)行顯著性檢驗。在樣方調(diào)查中共發(fā)現(xiàn)39種植物，其中恢復(fù)年限為7、10、18、22a的樣地上分別出現(xiàn)14、23、28、26種（見表1）。

2.2 多樣性指數(shù)計算與統(tǒng)計分析

植物種多樣性指數(shù)的計算有許多方法，應(yīng)用較為廣泛的主要有種豐富度（即樣方中植物種的數(shù)量）和香農(nóng)一威納指數(shù)（SWI）。

3 結(jié)果分析

3.1 群落特征差異

從表2可以看出，不同恢復(fù)年限樣地植被特征在物種豐富度、SWI和地上生物量等指標(biāo)上存在較大差異。從物種豐富度來看，恢復(fù)18 a后最多為12.4（13.8）個種，其余由多到少依次為10、22、7a；ANOVA分析顯示，自然恢復(fù)7a的植物種豐富度與其他恢復(fù)年限有較顯著性差異（Sig.<0.01），恢復(fù)10a與18a之間、18a與22a之間均存在較顯著性差異。從SWI來看，自然恢復(fù)22a后達(dá)到最大值，為6.8（±1.1）；恢復(fù)10、18、22a之間差別不大，最大極差為1.2；ANVOA分析表明，自然恢復(fù)7、10、18a相互間存在較顯著性差異，而恢復(fù)22a僅與恢復(fù)7a存在較顯著性差異。從地上生物量來看，恢復(fù)18a的最高，為154.5（±46.1）g/m2，其余由高到低依次為22、10、7a的；除恢復(fù)22a與10a之間無顯著性差異外，其他年份之間都存在較顯著性差異。

3.2 植物種多樣性與地上生物量的關(guān)系

在自然恢復(fù)7、10、18、22a的排土場，物種豐富度和SWI指數(shù)與地上生物量之間均成正相關(guān)關(guān)系，地上生物量隨物種豐富度和SWI指數(shù)增大而增大（見圖1）。但是，在統(tǒng)計學(xué)顯著性檢驗上存在明顯區(qū)別。

首先，從植物種豐富度與地上生物量的關(guān)系來看，在恢復(fù)7a后（見圖1（a）），二者的線性回歸擬合方程F檢驗顯著性較低（F=5.282F19，0.01=8.180，Sig.<0.001），回歸方程常數(shù)項和自變量種豐富度t檢驗都達(dá)到了顯著水平（Sig.<0.001）。在自然恢復(fù)達(dá)到22a后，物種豐富度和SWI與地上生物量之間的關(guān)系也比較密切（見圖1（g）），二者擬合回歸方程F檢驗達(dá)到顯著水平（Sig.<0.001，F(xiàn)=29.617>F19，0.01=8.180，），自變量t檢驗為顯著，但常數(shù)項t檢驗沒有達(dá)到顯著水平（Sig.=0.930）。以上分析表明：在礦山復(fù)墾恢復(fù)過程中植物種豐富度與地上生物量關(guān)系成正相關(guān)，但是在線性回歸分析中只有在恢復(fù)18a時構(gòu)建的回歸方程通過了方程F檢驗和自變量、常數(shù)項t檢驗；在恢復(fù)10a和22a中分別有一項參數(shù)沒有通過t檢驗；恢復(fù)7a的回歸方程等都未通過顯著性檢驗，表明除恢復(fù)7a外，其他恢復(fù)階段構(gòu)建的回歸方程可預(yù)測物種豐富度與地上生物量之間的關(guān)系。

其次，從SWI與地上生物量的關(guān)系來看，恢復(fù)7a后（見圖1（b）），二者回歸擬合方程F檢驗顯著性較低（F= 7.446