不同排矸年限矸石山自然植被恢复规律研究

杨 燕，王丽艳

（1.晋中职业技术学院，山西 晋中030600；2.江西省林业科学院，江西 南昌330013）

1 引言

山西是一产煤大省，随着煤炭生产的进行，其伴生矿物煤矸石的排放与堆积也成了一大难题。煤矸石不仅占压土地，破坏景观，污染土壤和水体，而且其自燃会释放大量有毒有害物质，对大气造成严重污染，其绿化势在必行。然而矿区的植被恢复是一个复杂的问题，它与生态、土壤、林业、环境保护、地理等学科有关，但理论基础是恢复生态学。总的来说，其恢复过程可分为自然恢复和人工恢复。矸石山自然植被恢复的研究对建立适合煤矸石环境的人工植被生态系统具有重要意义。

2 研究内容与方法

2.1 样地调查

在煤矸石排放场设定的不同排矸年限（Ⅰ类5～10年、Ⅱ类10～20年、Ⅲ类20～30年、IV类30～50年）的样地内，在不同排矸年限煤矸石上，分别在煤矸石山的坡地和矸石山平台各随机设置3个20m×20m样地，在每个样地内取3个样方（10m×10m、2m×2m和1m×1m）进行乔木、灌木、草本的调查。在每个样地都分别调查并记录乔木的种类、盖度、密度、高度、株数和胸径等，草本的种类、盖度、密度、高度等指标，灌木的种类、盖度和高度；群落综合特征和生境特征等。盖度用样点法测定，3次重复；并用样圆（直径35.6cm）法测定每种植物的频度，30次重复（任继周，1998）。最后将所调查数据带回实验室进行整理分析。

2.2 土壤调查

在2.1中4类样地的不同位置挖土壤剖面，分别记录土层厚度、颜色、质地、结构、湿度、根系分布特征等，同时采取样品在实验室内测定土壤物理性质，包括含水量、容重、孔隙度等，以及土壤化学性质，包括土壤p H值、全氮、全磷、速效钾和有机质等。土壤含水量测定使用烘干法；p H值测定采用电位法；全氮测定采用凯氏定氮法；全磷测定采用酸溶－钼锑抗比色法；速效钾测定采用醋酸铵溶－火焰光度法；有机质测定采用重铬酸钾氧化－外加热法。

2.3 数据处理

2.3.1 群落重要值

根据所调查群落的特征数据，计算其重要值，以重要值确定群落主要成分，并以优势植物来区分群落，分析其动态变化。计算公式如下：

重要值（SDR4）＝

式中：相对密度＝某一植物种的个体数／全部植物种的个体数×100；相对盖度＝某一植物种的盖度／群落中所有种分盖度之和×100；相对频度＝某一植物种的频度／全部种的频度之和×100；相对高度＝某一植物种的高度／全部种的高度之和×100。

2.3.2 土壤数据

土壤数据采用实测值。

3 结果与分析

3.1 不同排矸年限煤矸石山自然恢复植被的情况

从图1～图4看出，Ⅰ类煤矸石山的植被总盖度为30%，其中黄花蒿、野艾蒿、狗尾草、鬼针草处于优势地位，这类植物的特点是耐旱、耐瘠薄。Ⅱ类矸石山植被总盖度约为50%。白羊草、狗尾草和牛皮消在Ⅱ类矸石山上的频度较高，说明此立地条件逐渐好转，有所改善。Ⅲ类煤矸石山植物总盖度达到60%，植被呈块状群居分布，主要植被为草本类，已有散生的臭椿生长。除了有部分自燃过，山体总体风化较好，颗粒中等偏小。在山体的低洼地段草本生长较茂盛，可见少量灌乔木，山坡侧面亦有禾本科生长。在Ⅲ类煤矸石山的植被中，白羊草、尖叶铁扫帚、阿尔泰紫苑及牛皮消占据了大多数的覆盖度。植物种类进一步丰富，但是，所占份额尚不多。图4可以看出在Ⅳ类煤矸石山上，芦苇、白羊草、风毛菊、小蓟为优势植物，主要以群居形态存在，盖度分别达到了28%、15%、12.4%和12.2%。

3.2 不同排矸年限煤矸石山物种重要值

图1 Ⅰ类煤矸石山植被情况

图2 Ⅱ类煤矸石山植被情况

图3 Ⅲ类煤矸石山植被情况

图4 Ⅳ类煤矸石山植被情况

（1）排矸10年以下样地。为野艾蒿＋黄花蒿群落，处于矸石山植被演替的初级阶段。该阶段物种简单，均为1年生耐旱草本，两种优势植物的重要值分别为28.13%和32.32%，占群落总重要值的60.45%，它们是矸石山植被演替的先锋植物。在排矸时间短、石块粒度大且极端贫瘠干旱的矸石堆上，最常见到的是黄花蒿、狗尾草和野艾蒿，其次是鬼针草、刺藜和猪毛蒿，其植株低矮，平均高仅有0.23m。

（2）排矸10～20年样地。草本的物种组成变化较大，不仅增加了1年生的藜、狗尾草和蒺藜，而且多年生物种大量生长，如牛皮消、白莲蒿、阿尔泰紫苑、茵陈蒿、蒲公英等，多年生草本占总物种数的67%。初期的先锋植物生长衰退甚至消亡。随着矸石的风化，该地段优势草本植物为白羊草、尖叶铁扫帚和藜，三者重要值的贡献率分别为19.53%、17.47%和15.28%，三者累计贡献率为52.28%。该阶段草本盖度增至50%，平均高达0.4m。

（3）排矸20～30年样地。白羊草、尖叶铁扫帚、阿尔泰紫苑和牛皮消，优势植物重要值的贡献率分别为28.65%、14.23%、11.63%和12.35%，累计48.85%，草本盖度达到60%，高度为0.58m。该地段明显的变化是出现了多年生禾本科草类，如风毛菊和白莲蒿的逐渐侵入，多年生草本的物种数占70%。此外，随着臭椿的生长，在榆树树冠下，由于光照条件较差，较耐阴狗尾草密集生长；而在光照条件较好处，多年生草本则长势旺盛，这就是1年生草本仍然为该地段林下优势植物的缘由。此阶段出现乔木臭椿，平均高达到1.63m。

（4）排矸30～50年样地。随着生境条件的改善，臭椿的平均高增至2.2m，草本层盖度增至80%，平均高为0.65m。优势草本植物依次是芦苇、白羊草、风毛菊和小蓟，其重要值贡献率分别为24.32%、11.53%、9.48%和8.60%，累计53.93%。群落中出现了多年生禾本科草类芦苇，并新增山蒿等多年生草本，多年生草本的物种数占72%。与前一地段相比，芦苇草成为优势种，而在光照条件较好处，山蒿生长旺盛，并且出现了鼠李科的酸枣灌木，植物的种类进一步丰富（表1）。

3.3 不同煤矸石山物种多样性与土壤因子的关系

从表2可知，Shannon－Wiener多样性指数（－0.842＊＊）与容重呈极显著负相关，Alatalo均匀度指数Ea与容重（0.642＊）呈正相关。田间持水量与Shannon－Wiene多样性指数 H′（0.862＊＊）、丰富度指数 Margalef（0.791＊＊）和Pielou均匀度指数Jp（0.842＊＊）呈显著正相关。田间持水量与Alatalo均匀度指数Ea（－0.795＊＊）呈极显著负相关。

表1 同煤矸石山植物群落物种重要值 %

表2 不同煤矸石山物种多样性与土壤物理指标的相关性

从表3的分析看出，物种的丰富度与土壤有机质呈线性关系。土壤因子的氮、磷、钾三种元素中，磷和钾与各多样性指数的相关性不明显，说明元素磷和钾在矿区复垦中，不会成为绿化种植过程中的限制因子。而碱解氮与群落的Pielou均匀度指数（0.742＊）、Patrick丰富度指数（0.709＊）和Shannon－Wiener多样性指数（0.737＊）呈正相关，反映出氮素是限制群落均匀度变化的显著因子。

从丰富度指数来看，有机质与群落的丰富度指数的相关性较大，从Simpson多样性指数看，该指数与有机质（0.688＊）呈正相关。而 Alatalo均匀度指数（－0.780＊）与有机质呈显著负相关，与p H值（0.769＊）呈显著正相关。有关土壤有机质与多样性的关系，多数人认为植物群落的多样性出现在土壤养分梯度的中间位置，但Gentry在1988年提到，物种多样性最高的群落是在土壤最肥沃的地方。

表3 不同煤矸石山物种多样性与土壤化学指标的相关性

4 结论与讨论

（1）随着排矸年限的增加，物种数由初期的4科7种增至后期的11科19种。其中，菊科与禾本科物种居多，占总物种数的80%。臭椿幼树最早出现于排矸20～30年的地段，随排矸年限递增其高度和盖度也增大，至排矸30～50年的地段，平均高2.2m，群落呈现明显的复层结构。草本也由1年生物种占优势发展为多年生物种占优势（72%）的群落，盖度由20%增至80%。群落演替序列为：黄花蒿＋野艾蒿群落→白羊草＋尖叶铁扫帚＋狗尾草群落→臭椿群落。因此，建议在煤矸石山人工植被恢复时，耐旱乔木臭椿、刺槐可作为植被恢复的先锋植物，同时可配置耐旱灌木紫穗槐等，以快速改善生境条件。

（2）多样性指数与土壤田间持水量、有机质、碱解氮呈正相关，均匀度指数与土壤p H值呈正相关。均匀度指数与碱解氮呈正相关关系。各土壤因子与植物作为一个系统而存在，其中各因子之间有相互影响、相互作用，任何一个因子的作用都不可能离开其它因子而独立发挥作用。物种多样性与环境因子的关系有待进一步研究。

［1］范英宏，陆兆华，程建龙，等.中国煤矿区主要生态环境问题及生态重建技术［J］.生态学报，2003（10）.

［2］彭少麟，露宏芳.恢复生态学焦点问题［J］.生态学报，2003，23（10）：2144～2152.

［3］任继周.草业科学研究方法［M］.北京：中国农业出版社，1998.

［4］谷金锋.煤矿矸石山植被恢复机理研究——以鸡西市滴道矿区和城子河矿区为例［D］.哈尔滨：东北林业大学，2004：35～36.

［5］赵思金.北方地区两种主要类型裸露坡面植被恢复及生态功能评价研究［D］.北京：北京林业大学，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.