不同排矸年限矸石山自然植被恢復(fù)規(guī)律研究

楊 燕，王麗艷

（1.晉中職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 晉中030600；2.江西省林業(yè)科學(xué)院，江西 南昌330013）

1 引言

山西是一產(chǎn)煤大省，隨著煤炭生產(chǎn)的進(jìn)行，其伴生礦物煤矸石的排放與堆積也成了一大難題。煤矸石不僅占?jí)和恋兀茐木坝^，污染土壤和水體，而且其自燃會(huì)釋放大量有毒有害物質(zhì)，對(duì)大氣造成嚴(yán)重污染，其綠化勢(shì)在必行。然而礦區(qū)的植被恢復(fù)是一個(gè)復(fù)雜的問題，它與生態(tài)、土壤、林業(yè)、環(huán)境保護(hù)、地理等學(xué)科有關(guān)，但理論基礎(chǔ)是恢復(fù)生態(tài)學(xué)?？偟膩碚f，其恢復(fù)過程可分為自然恢復(fù)和人工恢復(fù)。矸石山自然植被恢復(fù)的研究對(duì)建立適合煤矸石環(huán)境的人工植被生態(tài)系統(tǒng)具有重要意義。

2 研究內(nèi)容與方法

2.1 樣地調(diào)查

在煤矸石排放場(chǎng)設(shè)定的不同排矸年限（Ⅰ類5～10年、Ⅱ類10～20年、Ⅲ類20～30年、IV類30～50年）的樣地內(nèi)，在不同排矸年限煤矸石上，分別在煤矸石山的坡地和矸石山平臺(tái)各隨機(jī)設(shè)置3個(gè)20m×20m樣地，在每個(gè)樣地內(nèi)取3個(gè)樣方（10m×10m、2m×2m和1m×1m）進(jìn)行喬木、灌木、草本的調(diào)查。在每個(gè)樣地都分別調(diào)查并記錄喬木的種類、蓋度、密度、高度、株數(shù)和胸徑等，草本的種類、蓋度、密度、高度等指標(biāo)，灌木的種類、蓋度和高度；群落綜合特征和生境特征等。蓋度用樣點(diǎn)法測(cè)定，3次重復(fù)；并用樣圓（直徑35.6cm）法測(cè)定每種植物的頻度，30次重復(fù)（任繼周，1998）。最后將所調(diào)查數(shù)據(jù)帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行整理分析。

2.2 土壤調(diào)查

在2.1中4類樣地的不同位置挖土壤剖面，分別記錄土層厚度、顏色、質(zhì)地、結(jié)構(gòu)、濕度、根系分布特征等，同時(shí)采取樣品在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測(cè)定土壤物理性質(zhì)，包括含水量、容重、孔隙度等，以及土壤化學(xué)性質(zhì)，包括土壤p H值、全氮、全磷、速效鉀和有機(jī)質(zhì)等。土壤含水量測(cè)定使用烘干法；p H值測(cè)定采用電位法；全氮測(cè)定采用凱氏定氮法；全磷測(cè)定采用酸溶－鉬銻抗比色法；速效鉀測(cè)定采用醋酸銨溶－火焰光度法；有機(jī)質(zhì)測(cè)定采用重鉻酸鉀氧化－外加熱法。

2.3 數(shù)據(jù)處理

2.3.1 群落重要值

根據(jù)所調(diào)查群落的特征數(shù)據(jù)，計(jì)算其重要值，以重要值確定群落主要成分，并以優(yōu)勢(shì)植物來區(qū)分群落，分析其動(dòng)態(tài)變化。計(jì)算公式如下：

重要值（SDR4）＝

式中：相對(duì)密度＝某一植物種的個(gè)體數(shù)／全部植物種的個(gè)體數(shù)×100；相對(duì)蓋度＝某一植物種的蓋度／群落中所有種分蓋度之和×100；相對(duì)頻度＝某一植物種的頻度／全部種的頻度之和×100；相對(duì)高度＝某一植物種的高度／全部種的高度之和×100。

2.3.2 土壤數(shù)據(jù)

土壤數(shù)據(jù)采用實(shí)測(cè)值。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同排矸年限煤矸石山自然恢復(fù)植被的情況

從圖1～圖4看出，Ⅰ類煤矸石山的植被總蓋度為30%，其中黃花蒿、野艾蒿、狗尾草、鬼針草處于優(yōu)勢(shì)地位，這類植物的特點(diǎn)是耐旱、耐瘠薄。Ⅱ類矸石山植被總蓋度約為50%。白羊草、狗尾草和牛皮消在Ⅱ類矸石山上的頻度較高，說明此立地條件逐漸好轉(zhuǎn)，有所改善。Ⅲ類煤矸石山植物總蓋度達(dá)到60%，植被呈塊狀群居分布，主要植被為草本類，已有散生的臭椿生長。除了有部分自燃過，山體總體風(fēng)化較好，顆粒中等偏小。在山體的低洼地段草本生長較茂盛，可見少量灌喬木，山坡側(cè)面亦有禾本科生長。在Ⅲ類煤矸石山的植被中，白羊草、尖葉鐵掃帚、阿爾泰紫苑及牛皮消占據(jù)了大多數(shù)的覆蓋度。植物種類進(jìn)一步豐富，但是，所占份額尚不多。圖4可以看出在Ⅳ類煤矸石山上，蘆葦、白羊草、風(fēng)毛菊、小薊為優(yōu)勢(shì)植物，主要以群居形態(tài)存在，蓋度分別達(dá)到了28%、15%、12.4%和12.2%。

3.2 不同排矸年限煤矸石山物種重要值

圖1 Ⅰ類煤矸石山植被情況

圖2 Ⅱ類煤矸石山植被情況

圖3 Ⅲ類煤矸石山植被情況

圖4 Ⅳ類煤矸石山植被情況

（1）排矸10年以下樣地。為野艾蒿＋黃花蒿群落，處于矸石山植被演替的初級(jí)階段。該階段物種簡單，均為1年生耐旱草本，兩種優(yōu)勢(shì)植物的重要值分別為28.13%和32.32%，占群落總重要值的60.45%，它們是矸石山植被演替的先鋒植物。在排矸時(shí)間短、石塊粒度大且極端貧瘠干旱的矸石堆上，最常見到的是黃花蒿、狗尾草和野艾蒿，其次是鬼針草、刺藜和豬毛蒿，其植株低矮，平均高僅有0.23m。

（2）排矸10～20年樣地。草本的物種組成變化較大，不僅增加了1年生的藜、狗尾草和蒺藜，而且多年生物種大量生長，如牛皮消、白蓮蒿、阿爾泰紫苑、茵陳蒿、蒲公英等，多年生草本占總物種數(shù)的67%。初期的先鋒植物生長衰退甚至消亡。隨著矸石的風(fēng)化，該地段優(yōu)勢(shì)草本植物為白羊草、尖葉鐵掃帚和藜，三者重要值的貢獻(xiàn)率分別為19.53%、17.47%和15.28%，三者累計(jì)貢獻(xiàn)率為52.28%。該階段草本蓋度增至50%，平均高達(dá)0.4m。

（3）排矸20～30年樣地。白羊草、尖葉鐵掃帚、阿爾泰紫苑和牛皮消，優(yōu)勢(shì)植物重要值的貢獻(xiàn)率分別為28.65%、14.23%、11.63%和12.35%，累計(jì)48.85%，草本蓋度達(dá)到60%，高度為0.58m。該地段明顯的變化是出現(xiàn)了多年生禾本科草類，如風(fēng)毛菊和白蓮蒿的逐漸侵入，多年生草本的物種數(shù)占70%。此外，隨著臭椿的生長，在榆樹樹冠下，由于光照條件較差，較耐陰狗尾草密集生長；而在光照條件較好處，多年生草本則長勢(shì)旺盛，這就是1年生草本仍然為該地段林下優(yōu)勢(shì)植物的緣由。此階段出現(xiàn)喬木臭椿，平均高達(dá)到1.63m。

（4）排矸30～50年樣地。隨著生境條件的改善，臭椿的平均高增至2.2m，草本層蓋度增至80%，平均高為0.65m。優(yōu)勢(shì)草本植物依次是蘆葦、白羊草、風(fēng)毛菊和小薊，其重要值貢獻(xiàn)率分別為24.32%、11.53%、9.48%和8.60%，累計(jì)53.93%。群落中出現(xiàn)了多年生禾本科草類蘆葦，并新增山蒿等多年生草本，多年生草本的物種數(shù)占72%。與前一地段相比，蘆葦草成為優(yōu)勢(shì)種，而在光照條件較好處，山蒿生長旺盛，并且出現(xiàn)了鼠李科的酸棗灌木，植物的種類進(jìn)一步豐富（表1）。

3.3 不同煤矸石山物種多樣性與土壤因子的關(guān)系

從表2可知，Shannon－Wiener多樣性指數(shù)（－0.842＊＊）與容重呈極顯著負(fù)相關(guān)，Alatalo均勻度指數(shù)Ea與容重（0.642＊）呈正相關(guān)。田間持水量與Shannon－Wiene多樣性指數(shù) H′（0.862＊＊）、豐富度指數(shù) Margalef（0.791＊＊）和Pielou均勻度指數(shù)Jp（0.842＊＊）呈顯著正相關(guān)。田間持水量與Alatalo均勻度指數(shù)Ea（－0.795＊＊）呈極顯著負(fù)相關(guān)。

表1 同煤矸石山植物群落物種重要值 %

表2 不同煤矸石山物種多樣性與土壤物理指標(biāo)的相關(guān)性

從表3的分析看出，物種的豐富度與土壤有機(jī)質(zhì)呈線性關(guān)系。土壤因子的氮、磷、鉀三種元素中，磷和鉀與各多樣性指數(shù)的相關(guān)性不明顯，說明元素磷和鉀在礦區(qū)復(fù)墾中，不會(huì)成為綠化種植過程中的限制因子。而堿解氮與群落的Pielou均勻度指數(shù)（0.742＊）、Patrick豐富度指數(shù)（0.709＊）和Shannon－Wiener多樣性指數(shù)（0.737＊）呈正相關(guān)，反映出氮素是限制群落均勻度變化的顯著因子。

從豐富度指數(shù)來看，有機(jī)質(zhì)與群落的豐富度指數(shù)的相關(guān)性較大，從Simpson多樣性指數(shù)看，該指數(shù)與有機(jī)質(zhì)（0.688＊）呈正相關(guān)。而 Alatalo均勻度指數(shù)（－0.780＊）與有機(jī)質(zhì)呈顯著負(fù)相關(guān)，與p H值（0.769＊）呈顯著正相關(guān)。有關(guān)土壤有機(jī)質(zhì)與多樣性的關(guān)系，多數(shù)人認(rèn)為植物群落的多樣性出現(xiàn)在土壤養(yǎng)分梯度的中間位置，但Gentry在1988年提到，物種多樣性最高的群落是在土壤最肥沃的地方。

表3 不同煤矸石山物種多樣性與土壤化學(xué)指標(biāo)的相關(guān)性

4 結(jié)論與討論

（1）隨著排矸年限的增加，物種數(shù)由初期的4科7種增至后期的11科19種。其中，菊科與禾本科物種居多，占總物種數(shù)的80%。臭椿幼樹最早出現(xiàn)于排矸20～30年的地段，隨排矸年限遞增其高度和蓋度也增大，至排矸30～50年的地段，平均高2.2m，群落呈現(xiàn)明顯的復(fù)層結(jié)構(gòu)。草本也由1年生物種占優(yōu)勢(shì)發(fā)展為多年生物種占優(yōu)勢(shì)（72%）的群落，蓋度由20%增至80%。群落演替序列為：黃花蒿＋野艾蒿群落→白羊草＋尖葉鐵掃帚＋狗尾草群落→臭椿群落。因此，建議在煤矸石山人工植被恢復(fù)時(shí)，耐旱喬木臭椿、刺槐可作為植被恢復(fù)的先鋒植物，同時(shí)可配置耐旱灌木紫穗槐等，以快速改善生境條件。

（2）多樣性指數(shù)與土壤田間持水量、有機(jī)質(zhì)、堿解氮呈正相關(guān)，均勻度指數(shù)與土壤p H值呈正相關(guān)。均勻度指數(shù)與堿解氮呈正相關(guān)關(guān)系。各土壤因子與植物作為一個(gè)系統(tǒng)而存在，其中各因子之間有相互影響、相互作用，任何一個(gè)因子的作用都不可能離開其它因子而獨(dú)立發(fā)揮作用。物種多樣性與環(huán)境因子的關(guān)系有待進(jìn)一步研究。

［1］范英宏，陸兆華，程建龍，等.中國煤礦區(qū)主要生態(tài)環(huán)境問題及生態(tài)重建技術(shù)［J］.生態(tài)學(xué)報(bào)，2003（10）.

［2］彭少麟，露宏芳.恢復(fù)生態(tài)學(xué)焦點(diǎn)問題［J］.生態(tài)學(xué)報(bào)，2003，23（10）：2144～2152.

［3］任繼周.草業(yè)科學(xué)研究方法［M］.北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，1998.

［4］谷金鋒.煤礦矸石山植被恢復(fù)機(jī)理研究——以雞西市滴道礦區(qū)和城子河礦區(qū)為例［D］.哈爾濱：東北林業(yè)大學(xué)，2004：35～36.

［5］趙思金.北方地區(qū)兩種主要類型裸露坡面植被恢復(fù)及生態(tài)功能評(píng)價(jià)研究［D］.北京：北京林業(yè)大學(xué)，2008.

［6］Gentry AH.1988.Changes in plant community diversity and floris－tic composition on environmental and geographical gradients.Ann Missour Bot Gard，75：1～34.