寧東礦區(qū)天然植物群落特征及其與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系

豐 菲, 許 麗, 顧清敏, 劉 瑩, 楊宇平, 劉瑞瑤

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 沙漠治理學(xué)院, 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018; 2.荒漠生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)與修復(fù)國家林業(yè)局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018; 3.國家能源集團(tuán) 寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司 羊場灣煤礦, 寧夏 銀川 751409)

寧東煤田含煤面積3 500 km2，目前已探明儲量2.73×1014kg，占寧夏回族自治區(qū)煤炭資源探明儲量的88.6%[1]，煤炭開采為人類帶來經(jīng)濟(jì)效益的同時，也會致使礦區(qū)生態(tài)環(huán)境遭到破壞[2]。國內(nèi)外研究[3-4]表明，植被的恢復(fù)是改變礦區(qū)惡劣生態(tài)環(huán)境的有效途徑，植被恢復(fù)不僅可以構(gòu)建退化礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)初始群落，還可以在短期時間內(nèi)有效的改良土壤結(jié)構(gòu)，增加肥力，恢復(fù)土壤微生物種類及數(shù)量，促使礦區(qū)整個生態(tài)系統(tǒng)朝正向發(fā)展。而礦區(qū)極端的生境使得植被的自然恢復(fù)極其緩慢，一般需要50～100 a才能達(dá)到滿意的覆蓋度，而土壤則需要100～10 000 a才能恢復(fù)[5]，因此礦區(qū)生態(tài)修復(fù)過程中采取人工植被重建顯得尤為重要。近年來，國內(nèi)外對煤矸石山的復(fù)墾大多通過滅火，覆土整地和植被重建等方法；由于煤矸石山與其他土壤存在差異，因此需要參照區(qū)域群落組成，選擇適生的鄉(xiāng)土優(yōu)勢種和建群種，輔助外來樹種進(jìn)行植被恢復(fù)[6]。眾多學(xué)者在礦區(qū)生態(tài)修復(fù)過程中提出了近自然生態(tài)修復(fù)的理念，借鑒礦區(qū)周圍未擾動區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成和功能，在尊重自然格局的基礎(chǔ)上有效地結(jié)合人工誘導(dǎo)方式，逐步接近或達(dá)到礦區(qū)周圍未擾動生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能等[7]。王曉春等人[8]研究表明，在人工加快矸石山植被恢復(fù)過程中，優(yōu)先選擇原始自然植物為首選種類，因此對礦區(qū)天然植物的研究尤為重要。目前，對于寧東礦區(qū)煤矸石山的治理多進(jìn)行覆土，且覆土來源于矸石山周邊土壤，平整土地后進(jìn)行植被的栽植。許麗等人[9]對寧東棗泉煤矸石山平臺人工種植的側(cè)柏(Platycladusorientalis)、側(cè)柏+檸條錦雞兒(Caraganakorshinskii)+沙拐棗(Calligonummongolicum)和檸條錦雞兒+沙拐棗3種植被配置類型植物群落特征進(jìn)行研究，結(jié)果表明棗泉煤矸石山植被建制初期，側(cè)柏喬木型較為適宜。姚麗霞等人[10]對寧東羊場灣排矸場人工種植的喬灌草、灌草、觀賞性灌草和灌木林4種配置類型的植物群落特征及各配置模式與保育系統(tǒng)環(huán)境經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行研究，從能值產(chǎn)出率、投資率等不同角度分別選出最優(yōu)模式。郜超等人[11]通過對寧東羊場灣排矸場植被配置模式評價的研究表明，植被的恢復(fù)重建是干旱區(qū)排矸場生態(tài)修復(fù)的主要技術(shù)，研究區(qū)采取黃土覆蓋+喬灌草結(jié)合種植是最佳的技術(shù)措施。目前，一些學(xué)者對于寧東礦區(qū)排矸場生態(tài)重建的研究中普遍存在植被建制時間短的問題，只能在植被建制短期時間內(nèi)篩選較適宜的模式，由于排矸場覆土來源于矸石山周邊，因此對于礦區(qū)天然植物群落特征及土壤的研究至關(guān)重要。為此，本文將通過研究寧東礦區(qū)天然植物群落特征及其與土壤理化因子的關(guān)系，選擇當(dāng)?shù)氐倪m生植物種并了解影響植被自然分布的理化因子，從而為寧東礦區(qū)煤矸石山生態(tài)重建過程中植物種的選擇提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

寧東礦區(qū)位于寧夏回族自治區(qū)靈武市境內(nèi)，地理坐標(biāo)為105°35′24″—106°22′12″E，37°36′0″—38°0′36″N，氣候類型為典型的中溫帶大陸性氣候，年平均氣溫6.8～8.7 ℃，年平均降水量255 mm，年平均蒸發(fā)量2 088.20 mm，區(qū)內(nèi)干旱少雨，蒸發(fā)強(qiáng)烈，地形以低山丘陵為主，地勢大致呈東南向西北傾斜，土壤類型有淡灰鈣土和風(fēng)沙土等，有機(jī)質(zhì)含量較低；植被主要以荒漠草原植被和草原帶沙生植被為主[12-13]。靈武地區(qū)主要的灌木植物群落有貓頭刺(Oxytropisaciphylla)、沙蒿(Artemisiadesertorum)、檸條錦雞兒、紅砂(Reaumuriasoongarica)和沙冬青(Ammopiptanthusmongolicus)等，常見的草本植物群落有沙生冰草(Agropyrondesertorum)、芨芨草(Achnatherumsplendens)和沙蓬(Agriophyllumsquarrosum)等[14]。寧東礦區(qū)天然植物群落以灌木為主，主要有檸條錦雞兒、細(xì)枝巖黃耆(Corethrodendronscoparium)、黑沙蒿(Artemisiaordosica)、沙冬青和藏錦雞兒(Caraganatibetica)等。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置與調(diào)查取樣

本研究以寧東礦區(qū)天然植物群落及土壤為研究對象，選取礦區(qū)內(nèi)低緩半沙丘，固定、半固定沙地和低山丘陵3種主要地貌類型典型分布的檸條錦雞兒+黑沙蒿—拐軸鴉蔥(Scorzoneradivaricata，Ⅰ)、細(xì)枝巖黃耆+檸條錦雞兒—白蓮蒿(Artemisiasacrorum，Ⅱ)、細(xì)枝巖黃耆+沙拐棗—披堿草(Elymusdahuricus，Ⅲ)、黑沙蒿+白刺(Nitrariatangutorum)—狗尾草(Setariaviridis，Ⅳ)、沙冬青+檸條錦雞兒—地膚(Kochiascoparia，Ⅴ)和藏錦雞兒—豬毛菜(Salsolacollina)+芨芨草(Ⅵ)6種天然植物群落進(jìn)行研究，調(diào)查取樣于2019年8月進(jìn)行，在各個天然植物群落中設(shè)置3個5 m×5 m灌木樣方，并以對角線形式設(shè)置3個1 m×1 m草本樣方，在具有喬木樹種的檸條錦雞兒群落設(shè)置3個10 m×10 m喬木樣方，分別調(diào)查樣方內(nèi)植被種類、蓋度、高度、密度、胸徑(基徑)、冠幅等指標(biāo)，取植被的地上部分帶回實(shí)驗(yàn)室烘干稱重，計算生物量。土壤樣品的采集，在各群落的灌木樣方內(nèi)以對角線形式采集0—20 cm層土樣1 kg，以備土壤理化學(xué)性質(zhì)(土壤礫石含量(>2 mm)、pH值、速磷、速鉀、堿解氮、有機(jī)質(zhì))的測定。同時取環(huán)刀及鋁盒土壤樣品，以備土壤容重和田間持水量的測定。樣地及天然植物群落分布情況詳見表1。

表1 寧東礦區(qū)樣地基本概況

2.2 植物群落特征指標(biāo)計算

2.2.1 重要值計算 重要值可以反映一個物種在群落中的地位和作用，是該物種的綜合數(shù)量指標(biāo)。計算公式[9,15]為：

Ⅳ=(Hr+Cr+Dr+Br)/4

(1)

式中：Hr為相對高度(%);Cr為相對蓋度(%);Dr為相對密度(%);Br為相對生物量(%)。

2.2.2α多樣性指數(shù)計算 為了反映群落的物種組成、功能和結(jié)構(gòu)的異質(zhì)性，采用α多樣性指數(shù)進(jìn)行分析，其計算公式[16]為：

Patrick豐富度指數(shù)(R)：

R=S

(2)

Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H′)：

H′=-∑Piln(Pi)

(3)

Simpson多樣性指數(shù)(D)：

D=1-∑(Pi)2

(4)

Pielou均勻度指數(shù)(JSW)：

JSW=H′/lnS

(5)

式中：S為物種i所在群落的物種總數(shù)(種);Pi為物種i的相對重要值(%)。

2.2.3 Sorenson相似性系數(shù) Sorenson相似性指數(shù)測度各群落間相似性，計算公式[17]為：

Cj=2j/(a+b)

(6)

式中：a，b分別為兩植被群落的植物種數(shù)(種);j為兩群落共有的植物種數(shù)(種)。

2.3 土壤理化因子的測定方法

土壤礫石含量為大于2 mm篩的土壤質(zhì)量所占的百分?jǐn)?shù)，并依據(jù)土壤機(jī)械組成劃分土壤質(zhì)地類型[12]。鋁盒土樣于105 ℃烘干24 h稱其干重計算土壤容重，實(shí)驗(yàn)室測定田間持水量。采用pH計、重鉻酸鉀氧化—外加熱法、堿解擴(kuò)散法、0.5 mol/L碳酸氫鈉法提取、NH4OAc浸提—火焰光度法分別測定土壤pH值、有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷和速效鉀[18]。

2.4 數(shù)據(jù)處理

采用單因素方差分析法(one-way ANOVA)分析不同群落間植物種生長狀況和α多樣性指數(shù)的差異顯著性，單因素方差分析在SPSS 22.0中進(jìn)行，植物種多樣性指數(shù)和土壤理化因子的冗余分析(RDA)在Canoco 5.0中進(jìn)行。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同群落類型植被組成特征

由表2和圖1可知，寧東礦區(qū)6種典型天然植物群落共調(diào)查到植物15科48屬55種，集中分布于菊科、豆科、藜科和禾本科4科。各群落在物種組成上存在一定差異，6個群落中藏錦雞兒—豬毛菜+芨芨草群落的灌木層植物種類最多為8種，均為矮小灌木且呈簇狀分布，藏錦雞兒蓋度最大為7%，灌木植物的平均高度為24.56 cm，其灌木層平均高度與其他5個群落差異顯著；黑沙蒿+白刺—狗尾草群落灌木層植物種組成最少，僅有黑沙蒿和白刺兩種，黑沙蒿的重要值占到67.44%。6個群落中的細(xì)枝巖黃耆+檸條錦雞兒—白蓮蒿群落林下草本植物種組成最少，主要由于該群落灌木物種所占比例較大，其灌木物種平均高度為202.54 cm，灌木植物的地上生物量在6個群落中最大為141.28 g/m2，且其草本植物優(yōu)勢種白蓮蒿分布廣泛，因此導(dǎo)致其他草本植物生長受到限制，該群落灌木層和草本層的平均高度和地上生物量在6個群落中均最大。6個群落類型中只有沙冬青+檸條錦雞兒—地膚群落和藏錦雞兒—豬毛菜+芨芨草群落林下草本以一年生草本植物為主，且草本層優(yōu)勢種均為藜科植物，主要由于兩群落分布區(qū)域相近；且土壤質(zhì)地均為礫質(zhì)砂土，其礫石含量所占的百分?jǐn)?shù)分別為3.89%和22.11%，與其他群落土壤質(zhì)地存在差異。

表2 寧東礦區(qū)不同群落類型植被組成及其重要值

各群落灌木層的植被蓋度和高度均大于其林下草本植物的蓋度和高度。由差異顯著性可知，群落Ⅵ灌木層的蓋度、高度與群落Ⅰ，Ⅱ，Ⅳ和Ⅴ之間均存在顯著差異，群落Ⅱ灌木層和草本層生物量與其他群落間差異均顯著。

3.2 不同群落類型α多樣性指數(shù)變化

圖2為研究區(qū)不同植被群落類型的α多樣性指數(shù)特征。由圖2可知，Patrick豐富度指數(shù)和Shannon-Wiener多樣性指數(shù)數(shù)值在各群落中均表現(xiàn)為：草本層>灌木層，Pielou均勻度指數(shù)則表現(xiàn)為：草本層<灌木層。

圖2 寧東礦區(qū)不同植被群落類型α多樣性指數(shù)特征

續(xù)表2：

均勻度反映樣地植物分布的均勻程度，礦區(qū)6個天然植物群落灌木層和草本層Pielou均勻度均無顯著差異，細(xì)枝巖黃耆+沙拐棗—披堿草群落灌木層和草本層的Pielou均勻度指數(shù)在6個群落中均為最高，其數(shù)值分別為0.94，0.91；沙冬青群落均最低，其數(shù)值為0.88和0.85，由于其灌木層植物約55%個體數(shù)為沙冬青，草本植物個體數(shù)多集中于其草本植物優(yōu)勢種地膚上，因此該群落均勻度較低。多樣性指數(shù)是物種豐富度和均勻度綜合的數(shù)量指標(biāo)，6個群落中細(xì)枝巖黃耆+檸條錦雞兒—白蓮蒿群落灌木層Simpson多樣性和Shannon-Wiener多樣性指數(shù)數(shù)值均為最高，草本層則均最低其數(shù)值分別為0.67和1.27，主要由于其灌木物種在每個樣方中出現(xiàn)，均勻性較好，草本層多樣性低由于其草本植物優(yōu)勢種白蓮蒿所占比例較高。

注：圖中小寫字母表示差異性，不同小寫字母表示同一層次不同群落類型差異顯著(p<0.05)。下同。

3.3 不同群落類型物種Sorenson相似性

由表3灌木層物種相似性指數(shù)可知，群落Ⅱ和Ⅲ物種相似性最高為0.75，兩群落共有物種細(xì)枝巖黃耆、檸條錦雞兒和沙拐棗3種，主要由于兩樣地灌木層優(yōu)勢種均為細(xì)枝巖黃耆，因此在灌木物種組成上相似性較高。群落Ⅳ與Ⅱ和Ⅴ物種相似性指數(shù)均為0.00，由于群落Ⅳ所含灌木物種僅有黑沙蒿和白刺兩種。灌木物種檸條錦雞兒在Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅴ和Ⅵ這5個群落中均有分布且生長良好，由此可知檸條錦雞兒在當(dāng)?shù)厣L較為適宜。群落Ⅵ所含灌木種類最多而與其他群落相似性較低，主要由于藏錦雞兒—豬毛菜+芨芨草群落灌木層的藏錦雞兒、裸果木、霸王、蒙古猶和華北駝絨藜僅在群落Ⅵ生長。由表3草本層物種相似性指數(shù)可知，群落Ⅲ和Ⅴ共有黎和角蒿等12種，其物種相似性最高為0.62，群落Ⅱ和Ⅵ物種相似性最低為0.22。其中草本植物地膚在6個群落中均有分布，角蒿、藍(lán)刺頭和狗尾草在其中5個群落分布。

表3 研究區(qū)不同群落物種Sorenson相似性指數(shù)(Cj)

3.4 不同群落類型α多樣性指數(shù)與土壤理化因子的相關(guān)關(guān)系

進(jìn)行冗余分析(RDA)過程中，分別以寧東礦區(qū)6種典型的天然植物群落灌木層和草本層的Patrick豐富度、Pielou均勻度、Shannon-Wiener多樣性和Simpson多樣性4個指數(shù)作為響應(yīng)變量，以各群落土壤理化因子(土壤容重、田間持水量、礫石含量、有機(jī)質(zhì)、pH值、堿解氮、有效磷和速效鉀)作為解釋變量，進(jìn)行兩者之間的冗余分析，以期得到影響各群落植物種多樣性指數(shù)的土壤理化因子。由冗余分析結(jié)果可知，灌木層冗余分析前兩個排序軸解釋率為72.37%。由圖3可知，灌木層Pielou均勻度指數(shù)與土壤田間持水量呈正相關(guān)關(guān)系，與土壤容重呈負(fù)相關(guān)；Patrick豐富度指數(shù)與土壤堿解氮、礫石含量、速效鉀和有機(jī)質(zhì)呈正相關(guān)，與pH值呈負(fù)相關(guān)；總體來看，土壤容重和pH對各群落植物種多樣性貢獻(xiàn)率較大，分別為33.3%和33.1%。由圖3可知，草本層植物種Patrick豐富度指數(shù)與土壤有機(jī)質(zhì)、田間持水量和速效磷呈正相關(guān)關(guān)系，土壤田間持水量和有機(jī)質(zhì)對群落草本層植物種多樣性貢獻(xiàn)率較大，分別為28.5%和24.5%。

4 討 論

本研究通過對寧東礦區(qū)6種天然植物群落類型進(jìn)行研究，共調(diào)查到植物55種，隸屬于15科48屬，集中分布于菊科、豆科、藜科和禾本科。許麗等人[9]對寧東棗泉煤矸石山人工配置類型樣地植物種研究結(jié)果表明，植物種也集中分布于這4科，可能由于研究樣地均屬于寧東礦區(qū)。研究區(qū)灌木物種檸條錦雞兒在其中5個群落中均有分布且長勢較好，在干旱半干旱區(qū)種植檸條錦雞兒具有顯著的生態(tài)恢復(fù)效應(yīng)[15]，因此在寧東礦區(qū)植被重建時可優(yōu)先選擇灌木物種檸條錦雞兒。植物種多樣性可以反映群落結(jié)構(gòu)特征，穩(wěn)定性和發(fā)展階段等問題[19]。6個群落中藏錦雞兒—豬毛菜+芨芨草群落的灌木層植物種類最多為8種，均為矮小灌木且呈簇狀分布，藏錦雞兒蓋度最大為7%，灌木植物的平均高度為24.56 cm，其灌木層平均高度與其他5個群落顯著差異；主要由于該樣地礫石含量所占的百分?jǐn)?shù)在6個群落中最大，為22.11%，與其他群落土壤質(zhì)地存在差異，因此其物種組成與其他群落間存在顯著差異。礦區(qū)6個天然植物群落灌木層和草本層Pielou均勻度均無顯著差異，草本層和灌木層均勻度指數(shù)最低為0.85，最高為0.94；且各群落Pielou均勻度指數(shù)均表現(xiàn)為灌木層>草本層，主要由于各群落以灌木植物為主且均為當(dāng)?shù)卦继烊恢脖活愋?，因此其灌木層均勻度均較高。

注：S-R為灌木層Patrick豐富度指數(shù)； S-H為灌木層Shannon-Wiener多樣性指數(shù)； S-D為灌木層Simpson多樣性指數(shù)； S-Jsw為灌木層Pielou均勻度指數(shù)； H-R為草本層Patrick豐富度指數(shù)； H-H為草本層Shannon-Wiener多樣性指數(shù)； H-D為草本層Simpson多樣性指數(shù)； H-Jsw為草本層Pielou均勻度指數(shù)。

通過冗余分析可知，灌木層Patrick豐富度指數(shù)與土壤堿解氮、礫石含量、速效鉀和有機(jī)質(zhì)呈正相關(guān)，土壤容重對各群落植物種多樣性貢獻(xiàn)率較大；草本層植物種Patrick豐富度指數(shù)與土壤有機(jī)質(zhì)、田間持水量和速效磷呈正相關(guān)關(guān)系，土壤田間持水量和有機(jī)質(zhì)對群落草本層植物種多樣性貢獻(xiàn)率較大。李學(xué)斌等人[20]通過對寧夏鹽池縣荒漠草原的土壤粒徑及養(yǎng)分關(guān)系的研究表明，不同群落間土壤粒徑分布差異明顯，土壤顆粒組成、結(jié)構(gòu)和孔隙數(shù)量影響植被的生長，與本研究結(jié)果相似。李向磊等人[21]通過對內(nèi)蒙古勝利煤礦周邊不同距離草地植物與土壤因子冗余分析結(jié)果表明，植物多樣性指數(shù)與土壤有機(jī)質(zhì)，含水量，速效磷等呈正相關(guān)。Noumi[22]研究表明土壤有機(jī)質(zhì)，磷含量對植被有一定影響。賈榮等人[23]在寧夏東北部荒漠草原區(qū)研究樣地調(diào)查可知，其土壤平均pH值8.81與本研究樣地pH值均值8.84僅差0.03，均屬于堿性土，可能由于研究樣地均在干旱區(qū)的寧夏回族自治區(qū)鏡內(nèi)，且研究區(qū)均與靈武市較近，因此土壤pH相近。藏錦雞兒—豬毛菜+芨芨草群落與其他群落Sorenson相似性較低，由于其土壤類型的不同，因此在物種組成上存在明顯差異，李亞等人[24]通過對甘肅引黃灌區(qū)天然植被的研究表明，種群不同其土壤特性和立地條件也存在差異。

5 結(jié) 論

(1) 寧東礦區(qū)6種天然植物群落中共調(diào)查到植物55種，隸屬于15科48屬，集中分布于菊科、豆科、藜科和禾本科4科。

(2) 寧東礦區(qū)煤矸石山植被重建時，對于覆土土質(zhì)為壤質(zhì)砂土或砂質(zhì)壤土，優(yōu)先選擇檸條錦雞兒、細(xì)枝巖黃耆、黑沙蒿和沙拐棗等灌木樹種；少礫質(zhì)砂土選沙冬青和檸條錦雞兒；多礫質(zhì)砂土可選藏錦雞兒、裸果木和胡枝子等灌木物種。

(3) 灌木層Patrick豐富度指數(shù)與土壤堿解氮、礫石含量、速效鉀和有機(jī)質(zhì)呈正相關(guān)，與pH值呈負(fù)相關(guān)；土壤容重對各群落灌木層植物種多樣性貢獻(xiàn)率較大；草本層植物種Patrick豐富度指數(shù)與土壤有機(jī)質(zhì)、田間持水量和速效磷呈正相關(guān)關(guān)系，土壤田間持水量和有機(jī)質(zhì)對群落草本層植物種多樣性貢獻(xiàn)率較大。