阜新礦區(qū)煤矸石山植被演替過程中物種多樣性變化研究

張卓

(阜新市彰武縣章古臺(tái)林場(chǎng)，遼寧 阜新 123000)

人類對(duì)資源以及能源的需求隨著人口的增長(zhǎng)而不斷提高，礦產(chǎn)資源大規(guī)模開采導(dǎo)致的礦區(qū)生態(tài)環(huán)境問題引起了世界各國(guó)與相關(guān)專家學(xué)者的廣泛重視，如今已經(jīng)成為礦區(qū)環(huán)境演變研究的熱點(diǎn)問題[1]。通過植被恢復(fù)，建立穩(wěn)定、高效的矸石廢棄地人工植被生態(tài)系統(tǒng)是改善矸石山條件最常用也是最有效的方法之一[2]。我國(guó)學(xué)者對(duì)復(fù)墾7年后的矸石山觀測(cè)表明，直徑小于1 mm的沙粒含量在復(fù)墾種植4年后，與未進(jìn)行復(fù)墾地相對(duì)比增加了9%～20%，直徑小于0.25 mm的顆粒在沒有覆土的種植區(qū)內(nèi)增加了將近1倍[3]。Baneijee等對(duì)復(fù)墾4～5年后的種植區(qū)進(jìn)行研究，結(jié)果表明，風(fēng)化物中的細(xì)菌、真菌和放射菌類增加了許多倍[4-5]。因此，對(duì)煤矸石山的復(fù)墾與重建是當(dāng)前面臨的首要問題?；谶@種實(shí)際需要，研究探索植被自然恢復(fù)條件下，煤矸石山植物演替過程中物種的多樣性，并對(duì)矸石山植被的物種質(zhì)量?jī)?yōu)劣進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，以期為礦區(qū)煤矸石山的生態(tài)恢復(fù)模式調(diào)整提供理論依據(jù)[6-8]。

1 研究區(qū)概況

阜新市位于遼寧省西部，地理坐標(biāo)41°1′—42°56′ N，121°01′～122°56′ E。全境呈長(zhǎng)矩形，中軸斜交于42°10′ N和122°0′ E的交點(diǎn)上，全境東西長(zhǎng)170 km，南北寬84 km總面積10 355 km2。氣候?qū)俦睖貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候區(qū)，四季分明，雨熱同季，光照充足。河流主要有細(xì)河、繞陽河、柳河等。細(xì)河是大凌河下游左側(cè)最大支流。代表植物有樟子松、油松、沙棘、白榆等。

2 研究方法

2.1 樣地選擇與布設(shè)

試驗(yàn)地點(diǎn)選擇在阜新礦區(qū)孫家灣矸石山的陰坡與陽坡。在試驗(yàn)區(qū)內(nèi)布設(shè)不同排矸年限(小于8 a、8～15 a，15～25 a，25～40 a)的樣地，首先在樣點(diǎn)內(nèi)觀測(cè)喬木的相關(guān)指標(biāo)，如種類、高度、密度與蓋度等；然后在每一樣地內(nèi)設(shè)置草本樣方，大小為1 m×1 m，作9次重復(fù)。草本的各項(xiàng)指標(biāo)，采用樣點(diǎn)法來調(diào)查，并作3次重復(fù)；植物的頻度采用樣圓法測(cè)定[9]。

2.2 數(shù)據(jù)分析

2.2.1 群落重要值分析 計(jì)算重要值采用實(shí)地測(cè)定所得群落特征數(shù)據(jù)，繼而明確群落的主要成分與優(yōu)勢(shì)植物用來區(qū)分群落，計(jì)算公如下[10]:

重要值(SDR4)=(A+B+C+D)×100%/4

式中：A-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%；B-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%；C-相對(duì)頻度=某一植物種的頻度/全部種的頻度之和×100%；D-相對(duì)高度=某一植物種的高度/全部種的高度之和×100%。

2.2.2 α多樣性指數(shù)分析 采用馬克平[11，12]論述的測(cè)定方法，選擇Shannon-Wrener多樣性指數(shù)(H')、Simpson多樣性指數(shù)(D)、Pielon均勻度指數(shù)(Jp)、Alatalo均勻度指數(shù)(Ea)、Margalef豐富度指數(shù)(Ma)和Patrick豐富度指數(shù)(Pa)等6種數(shù)據(jù)對(duì)植物群落多樣性進(jìn)行分析。

3 試驗(yàn)分析

3.1 煤矸石山陰坡物種多樣性變化

在試驗(yàn)地點(diǎn)孫家灣矸石山陰坡上，物種數(shù)最初為5科5種，隨著排矸年限的增長(zhǎng)增加到7科23種。禾本科與菊科比例最多，占總物種數(shù)的75%。在調(diào)查的群落中的演替順序依次為：

鵝絨藤+豬毛菜群落→香青蘭+艾蒿+狗尾草群落→榆樹群落

以榆樹為例，其幼樹最早出現(xiàn)于排矸8～15 a的樣地內(nèi)，高度與蓋度均隨著排矸年限增長(zhǎng)而降低，在排矸25～40 a的樣地內(nèi)，榆樹蓋度達(dá)25%，平均高2.2 m。在本次試驗(yàn)的群落內(nèi)所呈現(xiàn)出的復(fù)層結(jié)構(gòu)中，草本蓋度由原來的20%增至90%，從1年生物種占優(yōu)勢(shì)發(fā)展為多年生物種占優(yōu)勢(shì)的群落。因此，建議在陰坡進(jìn)行人工植被恢復(fù)時(shí)，可選用耐旱喬木榆樹、刺槐等，同時(shí)可選用耐旱灌木檸條、沙棘、紫穗槐等，達(dá)到快速改善生境的效果。

表1 陰坡不同樣地草本層α多樣性指數(shù)

從表1可得，H′和D指數(shù)與排矸年限呈正相關(guān)，H′指數(shù)隨著排矸年限的增長(zhǎng)由初期的1.283 4增至2.822 8，D從0.668 8增至0.920 4。多樣性指數(shù)隨著排矸年限增長(zhǎng)而增加、兩個(gè)豐富度指數(shù)也與排矸年限呈正相關(guān)關(guān)系，并且十分顯著。在均勻度指數(shù)方面，Ea指數(shù)隨著排矸年限增長(zhǎng)而降低，而Jp均勻度指數(shù)與排矸年限呈顯著的正相關(guān)。

3.2 煤矸石山陽坡物種多樣性變化

在試驗(yàn)地點(diǎn)孫家灣矸石山的陽坡上，物種數(shù)最初為4科4種，隨著排矸年限的增長(zhǎng)增加到6科19種。占總物種數(shù)最多的為菊科與禾本科。群落演替按照以下順序進(jìn)行：

鵝絨藤+豬毛菜群落→大籽蒿+狗尾草+阿爾泰狗娃花群落→狗尾草+茵陳蒿+多葉隱子草群落→榆樹疏林

由于礦區(qū)內(nèi)的矸石在長(zhǎng)久以來的風(fēng)化與環(huán)境改變的條件下得到改良，試驗(yàn)區(qū)內(nèi)的草本植物的種類以及植物蓋度和高度也不斷增加。榆樹等木本植物較少存活，是因?yàn)殛柶聹囟雀咔宜稚?，而且蓋度低、長(zhǎng)勢(shì)差。因此，在排矸25～40 a的地段，也并不適合喬木樹種的生長(zhǎng)，所以建議在本地矸石山陽坡植被重建時(shí)，應(yīng)以耐旱草本為主并少量配置耐旱灌木酸棗、杠柳、荊條等。

表2 陽坡不同樣地草本層α多樣性指數(shù)

從表2可得，H′和D指數(shù)與排矸年限呈正相關(guān)，H′指數(shù)隨著排矸年限的增長(zhǎng)由初期的1.136 0增至2.532 1，D從0.633 7增至0.900 1。在均勻度方面，Ea均勻度指數(shù)隨著排矸年限增長(zhǎng)而減小，而Jp均勻度指數(shù)的變化趨勢(shì)不明顯，與排矸年限相關(guān)性較差。

4 結(jié)論與建議

4.1 隨著排矸年限的增加植物種類隨之遞增，植物主要為耐貧瘠、耐旱的蒿類、隱子草和狗尾草等菊科與禾本科植物，陰、陽坡水分條件的差別導(dǎo)致陰坡的植物種數(shù)及其蓋度、高度與生物多樣性指數(shù)均高于陽坡。

4.2 建議在陰坡進(jìn)行人工植被恢復(fù)時(shí)，可選用耐旱喬木榆樹、刺槐等，同時(shí)可選用耐旱灌木檸條、沙棘、紫穗槐等，達(dá)到快速改善生境的效果。建議在本地矸石山陽坡植被重建時(shí)，應(yīng)以耐旱草本為主并少量配置耐旱灌木酸棗、杠柳、荊條等。