黄土区大型露天矿复垦地土壤对植物多样性的影响研究——以平朔安太堡露天矿排土场为例

许建伟，李晋川，白中科，岳建英，韩 静

（1.煤炭工业太原设计研究院，山西太原030001；2.山西省生物研究所，山西太原030006；3.中国地质大学土地科学技术学院，北京100083；4.山西农业大学工程技术学院，山西太谷030801）

矿产资源是工农业生产和社会经济发展必不可少的物质基础，是社会财富的重要源泉。我国是矿产资源大国，近年来其采掘量在逐年增加，矿产资源的开发和利用对经济发展起到了巨大的推动作用，但同时也带来了巨大的破坏。现在对矿山生态环境的破坏和污染十分严重。陈昌笃[1]指出，恢复受损的生态系统是我国当前面临的紧迫任务。其中，采矿废弃地的恢复又是首先应当给予重视的。赵桂久等[2]指出，在退化生态系统的综合整治、恢复与重建试验示范研究中，应将其研究重点放在脆弱生态系统与矿山生态系统的综合整治上。

土壤是陆生植物生活的基质，它提供了植物生活所必需的营养和水分，是生态系统中物质与能量交换的重要场所。植物多样性是生态系统多样性形成的基础，是反映群落结构和功能特征的有效指标，是生态系统稳定性的量度，可以反映废弃地复垦的现状。植物多样性的大小随某一生态因子梯度有规律性的变化，目前进行较多的研究有气候、海拔、水分、土壤、斜坡等[3]。

本研究采用样方调查法及SPSS 分析法，对安太堡露天矿开采后排土场植物的生长、多样性的变化及立地条件等环境因子进行了调查和分析，这对矿区土地复垦及植物多样性形成具有重要意义。

1 研究区概况

平朔矿区地处黄土高原东部晋陕蒙接壤的黑三角地带、山西省北部的朔州市平鲁区境内，地理坐标为东经112°11′～112°30′，北纬39°23′～39°37′，属温带半干旱大陆性季风气候区，冬春干旱少雨、寒冷、多风，夏秋降水集中、温凉少风。区内年平均降雨量为428.2～449.0 mm，年蒸发量为1 786.6～2 598.0 mm，年平均气温为4.8～7.8 ℃，冻土最大深度1.31 m，风沙日数29 d。

本区地带性土壤为栗钙土与栗褐土的过渡带，其成土母质多为黄土性的冲积物、洪积物、坡积物，也有部分地带性的风积物，且多数为花岗岩、片麻岩的风化产物，因而土壤的物理风化强烈，土质偏沙，土体干旱，通气良好，好气微生物活动旺盛，碳酸盐含量在8%以上，石灰反应通体强烈。土壤贫瘠，耕层土壤有机质含量一般在5.0～9.0 g/kg 之间；全氮含量一般在0.3～0.6 g/kg 之间；速效磷含量一般在5.0～8.0 mg/kg 之间，少数在10 mg/kg 以上，低的只有2.0～3.0 mg/kg；速效钾含量一般在50～90 mg/kg 之间，少数超过100 mg/kg[4]。

2 研究方法

为研究复垦前后植被的变化，以及植被变化的影响因素，在排土场根据复垦时间和复垦模式的不同布设样地，通过对典型样地的多样性分析，了解复垦过程中植被恢复的状况。

2.1 调查方法

依据安太堡煤矿复垦区工程图，应用地理定位系统，参照地理信息系统，2006 年8 月根据复垦时间和复垦模式的不同，在复垦区（南排、西排、西扩、内排）内设置样地（样带），样地面积为2 000 m2，样带面积为20 m2，样地的长宽依实际情况而定，长与环境梯度平行，并在样地（样带）内设置样方，共设置样地17 个，样方203 个，调查数据采用平均值。在原地貌的样地选择上，选取撂荒地作为典型样地。

（1）乔木样方：在样地内设10 m×10 m 的乔木样方3 个，每个样方内取4 m×4 m 的灌木样方2 个，1 m×1 m 的草本样方4 个。

（2）灌木样方：样地内设4 m×4 m 样方3～4个，每个样方内设置1 m×1 m 草本样方2 个。

（3）草本样方：在样地内根据实际情况设置样带，样带长度为20 m，宽度为1 m，长与环境梯度平行，并在每个样带内设置1 m×1 m 的草本样方5 个。

调查内容：乔灌木包括乔灌木的树高、胸径、地径、冠幅和盖度等；草本群落包括植物种类、盖度、高度等。同时登记样地的立地条件，即地理位置、海拔高度、坡度、坡向、坡位，了解植被恢复年限及恢复方式。

2.2 资料整理及计算

将野外收集到的植被分为乔木、灌木、草本的数据进行统计整理，并对各个样地的植物多样性进行测定分析[5，6]。

（1）物种丰富度指数：R=（S-1）/LnN

（3）均匀度指数：E=H/LnS

式中，R 为Margalef 指数；S 为群落中的总种数；N 为观察到的个体总数（随样本大小而增减）；H 为香农-威纳多样性指数；Pi 为种i 的个体数占群落中总个体数的比例；E 为Pielou 均匀度指数。

数据采用SPSS 进行统计分析，图表在Excel中完成。

2.3 土壤分析方法[7～9]

土壤养分分析选择撂荒地和复垦1 年的沙打旺样地作为参照，方法如表1 所示。

表1 土壤分析方法

3 结果与分析

3.1 立地条件对植物形态的影响分析

3.1.1 不同母质类型对刺槐生长的影响 矿区排土场主要的地表物质（母质）类型有黄土、红土、岩石风化物及土石混排物等。刺槐在不同母质上的生长状况如表2 所示。

表2 不同母质的刺槐生长情况

从表2 可以看出，黄土母质有利于1 年生刺槐的生长；随着刺槐的生长，黄土与矸石风化物上的刺槐整体要好于其他。其原因为：1 年生刺槐的根系主要分布于表层，而黄土母质能保持较多的水分来满足其根系生长的需要[10]；但随刺槐树龄的增大，下层黄土由于容重大而使根系不易向下扎，水分、养分的吸收受到限制，不利于刺槐的生长。

3.1.2 不同地表组成对人工植被的影响 本研究选取了相同种植年限、相同种植模式、相同管理措施的2 个不同地表物质组成的样地进行了分析。

从表3 可以看出，对于经大型机械化作业形成的特殊地貌单元，地表含有的一定量石砾（直径5 cm 以下）对于植被的生长不但没有害处，而且有利于植被的生长。地表石砾较多的样地，其人工植被生长明显好于较少的、土壤板结的样地，对柠条生长的影响最为显著，石砾较多的样地比石砾较少的样地柠条平均增高1.1 m，增长65%，沙枣平均增高37 cm，增长13%，刺槐平均增高65 cm，增长41%。

表3 地表组成对人工植被生长的影响

3.1.3 不同地表类型草本植物多样性比较 草本植物大多为浅根系物种，受土壤变化的影响较大。而且草本植物的变化会影响到植物多样性的变化。因此，本研究选择了2 块种植年限相同、模式相同、覆土类型相同及管理措施相同的样地进行研究。

从表4 可以看出，在矿区特殊的土壤环境中，地表石砾较多的样地，草本的植物多样性指数明显高于较少的、土壤板结的样地。这可能是因为（1）该矿区位于黄土高原，水土流失严重，且采用黄土直接复垦工艺会使地表含有大量生土，地表有机质含量降低。同时大型排土设备的反复碾压，增加了土壤容重，虽然在种植过程中采用设备翻松，但是土壤团粒结构已被破坏，如果植被生长不好或没有必要的措施，黄土会在几年内沉降，土壤容重回升，从而加重土壤板结情况。而地表有较多石砾时，可以增加土壤孔隙，减少地表径流的形成，增加雨水入渗，有利于近地面草本植物的生长。草本植物的增加又可以有效拦蓄降水，提高水分利用率，增加土壤含水量；另一方面草本植物枯死后可以增加土壤有机质含量，有利于团粒结构的形成，从而形成良性循环。（2）矿区石砾主要为矸石或页岩等，随着树龄的增大，植物根系会加强石砾的生物风化，释放作用逐渐加强，使刺槐可吸收更多的水分、养分，其生长环境也可逐渐改善。

表4 不同地表组成对草本植物多样性的影响

3.2 土壤因子对植物多样性的影响

根据调查数据，本研究选取了种植年限相近（10～13 年）、种植模式相近、管理措施相同的样地通过SPSS 作Pearson 相关性分析，结果表明，均匀度指数与容重呈极显著负相关，与总孔度呈极显著正相关。香农-威纳指数与速效Cu 呈显著正相关。植物多样性指数与土壤化学性状都没有达到显著相关性。

从表5，6，7 可以看出，有机质和N 作为植物生长的营养物质对矿区多年复垦地植物各样性影响较小。本研究选择的3 个多样性指数与有机质、全N 和速效N 均未达到显著性相关，而土壤容重、总孔度与均匀度指数关系密切。这说明经过10 多年的复垦后，尤其是固氮植物的种植，氮肥已经不再是植被生长发展的限制性因子。土壤容重大、总孔度小会限制植被的广泛分布，是影响植被传播、分布的重要限制因子。有益元素铜的影响机理，还有待进一步研究。

表5 土壤化学性状对植被香农-威纳指数影响的相关分析

表6 土壤微量元素对香农-威纳指数影响的相关分析

表7 土壤物理性状对均匀度指数影响的相关分析

4 结论与讨论

（1）立地条件在一定程度上影响着植物的生长，立地条件好，含有一定量石砾的样地，植物生长就较好，多样性指数较高。

（2）植物均匀度与土壤容重呈极显著负相关，与总孔度呈极显著正相关，植物香农-威纳指数与土壤速效Cu 呈显著正相关。草灌乔配置模式为植物的生长提供更大的生态位，其样地内的植物多样性指数较高。

（3）土壤是植物群落的主要环境因子，而土壤肥力作为土壤的基本属性，它对群落演替的影响不容忽视。众多研究表明，在植被群落演替的前期阶段，土壤性质影响着植被的变化，同时也因植被的变化而发生改变。植物群落与土壤间的这种彼此影响，相互促进的作用，是植被恢复演替的动力；某一演替类型不仅改变了土壤肥力的状况，也反映了群落与土壤相互作用的结果，同时也决定了后续演替过程的土壤肥力的初始状态。而不同植物群落对土壤条件的适应性以及在不同土壤肥力下的植物种群繁殖能力也不同。因此，关于黄土区复垦地土壤与植物群落的相互关系还有待进一步研究。

［1］ 陈昌笃.注目世界动向，迎接21 世纪中国生态学新发展[J].科技导报，1996（2）：7-9.

［2］ 赵桂久，刘燕华，赵名茶.生态环境综合整治与恢复技术研究[M].北京：北京科学技术出版社，1995.

［3］ 李建华，郜春花，卢朝东.山西省矿区土地复垦的初步探讨[J].山西农业科学，2008，36（3）：69-72.

［4］ 白中科.中国山西平朔安太堡大型露天煤矿退化土地生态重建研究[J].中国土地科学，2000，14（4）：1-4.

［5］ 王伯荪，余世孝，彭少麟，等.植物群落试验手册[M].广州：广东教育出版社，1996：100-103.

［6］ 包秀霞，易津，廉勇，等.典型草原不同放牧方式植物群落多样性研究[J].华北农学报，2009，24（5）：229-233.

［7］ 鲍士旦.土壤农化分析[M].北京：中国农业出版社，2000.

［8］ 林大仪.土壤学实验指导[M].北京：中国林业出版社，2004：15-35.

［9］ 郝蓉.黄土区大型露天煤矿废弃地的植被研究[D].太谷：山西农业大学，2004.

［10］ 于淼，魏忠义，王秋兵，等.不同粒级煤矸石风化物矿质元素的含量变化及风化程度分析 [J]. 山西农业科学，2008，36（5）：66-69.