阜新矿区煤矸石山植被演替过程中物种多样性变化研究

张卓

(阜新市彰武县章古台林场，辽宁 阜新 123000)

人类对资源以及能源的需求随着人口的增长而不断提高，矿产资源大规模开采导致的矿区生态环境问题引起了世界各国与相关专家学者的广泛重视，如今已经成为矿区环境演变研究的热点问题[1]。通过植被恢复，建立稳定、高效的矸石废弃地人工植被生态系统是改善矸石山条件最常用也是最有效的方法之一[2]。我国学者对复垦7年后的矸石山观测表明，直径小于1 mm的沙粒含量在复垦种植4年后，与未进行复垦地相对比增加了9%～20%，直径小于0.25 mm的颗粒在没有覆土的种植区内增加了将近1倍[3]。Baneijee等对复垦4～5年后的种植区进行研究，结果表明，风化物中的细菌、真菌和放射菌类增加了许多倍[4-5]。因此，对煤矸石山的复垦与重建是当前面临的首要问题。基于这种实际需要，研究探索植被自然恢复条件下，煤矸石山植物演替过程中物种的多样性，并对矸石山植被的物种质量优劣进行综合评价，以期为矿区煤矸石山的生态恢复模式调整提供理论依据[6-8]。

1 研究区概况

阜新市位于辽宁省西部，地理坐标41°1′—42°56′ N，121°01′～122°56′ E。全境呈长矩形，中轴斜交于42°10′ N和122°0′ E的交点上，全境东西长170 km，南北宽84 km总面积10 355 km2。气候属北温带大陆性季风气候区，四季分明，雨热同季，光照充足。河流主要有细河、绕阳河、柳河等。细河是大凌河下游左侧最大支流。代表植物有樟子松、油松、沙棘、白榆等。

2 研究方法

2.1 样地选择与布设

试验地点选择在阜新矿区孙家湾矸石山的阴坡与阳坡。在试验区内布设不同排矸年限(小于8 a、8～15 a，15～25 a，25～40 a)的样地，首先在样点内观测乔木的相关指标，如种类、高度、密度与盖度等；然后在每一样地内设置草本样方，大小为1 m×1 m，作9次重复。草本的各项指标，采用样点法来调查，并作3次重复；植物的频度采用样圆法测定[9]。

2.2 数据分析

2.2.1 群落重要值分析 计算重要值采用实地测定所得群落特征数据，继而明确群落的主要成分与优势植物用来区分群落，计算公如下[10]:

重要值(SDR4)=(A+B+C+D)×100%/4

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

2.2.2 α多样性指数分析 采用马克平[11，12]论述的测定方法，选择Shannon-Wrener多样性指数(H')、Simpson多样性指数(D)、Pielon均匀度指数(Jp)、Alatalo均匀度指数(Ea)、Margalef丰富度指数(Ma)和Patrick丰富度指数(Pa)等6种数据对植物群落多样性进行分析。

3 试验分析

3.1 煤矸石山阴坡物种多样性变化

在试验地点孙家湾矸石山阴坡上，物种数最初为5科5种，随着排矸年限的增长增加到7科23种。禾本科与菊科比例最多，占总物种数的75%。在调查的群落中的演替顺序依次为：

鹅绒藤+猪毛菜群落→香青兰+艾蒿+狗尾草群落→榆树群落

以榆树为例，其幼树最早出现于排矸8～15 a的样地内，高度与盖度均随着排矸年限增长而降低，在排矸25～40 a的样地内，榆树盖度达25%，平均高2.2 m。在本次试验的群落内所呈现出的复层结构中，草本盖度由原来的20%增至90%，从1年生物种占优势发展为多年生物种占优势的群落。因此，建议在阴坡进行人工植被恢复时，可选用耐旱乔木榆树、刺槐等，同时可选用耐旱灌木柠条、沙棘、紫穗槐等，达到快速改善生境的效果。

表1 阴坡不同样地草本层α多样性指数

从表1可得，H′和D指数与排矸年限呈正相关，H′指数随着排矸年限的增长由初期的1.283 4增至2.822 8，D从0.668 8增至0.920 4。多样性指数随着排矸年限增长而增加、两个丰富度指数也与排矸年限呈正相关关系，并且十分显著。在均匀度指数方面，Ea指数随着排矸年限增长而降低，而Jp均匀度指数与排矸年限呈显著的正相关。

3.2 煤矸石山阳坡物种多样性变化

在试验地点孙家湾矸石山的阳坡上，物种数最初为4科4种，随着排矸年限的增长增加到6科19种。占总物种数最多的为菊科与禾本科。群落演替按照以下顺序进行：

鹅绒藤+猪毛菜群落→大籽蒿+狗尾草+阿尔泰狗娃花群落→狗尾草+茵陈蒿+多叶隐子草群落→榆树疏林

由于矿区内的矸石在长久以来的风化与环境改变的条件下得到改良，试验区内的草本植物的种类以及植物盖度和高度也不断增加。榆树等木本植物较少存活，是因为阳坡温度高且水分少，而且盖度低、长势差。因此，在排矸25～40 a的地段，也并不适合乔木树种的生长，所以建议在本地矸石山阳坡植被重建时，应以耐旱草本为主并少量配置耐旱灌木酸枣、杠柳、荆条等。

表2 阳坡不同样地草本层α多样性指数

从表2可得，H′和D指数与排矸年限呈正相关，H′指数随着排矸年限的增长由初期的1.136 0增至2.532 1，D从0.633 7增至0.900 1。在均匀度方面，Ea均匀度指数随着排矸年限增长而减小，而Jp均匀度指数的变化趋势不明显，与排矸年限相关性较差。

4 结论与建议

4.1 随着排矸年限的增加植物种类随之递增，植物主要为耐贫瘠、耐旱的蒿类、隐子草和狗尾草等菊科与禾本科植物，阴、阳坡水分条件的差别导致阴坡的植物种数及其盖度、高度与生物多样性指数均高于阳坡。

4.2 建议在阴坡进行人工植被恢复时，可选用耐旱乔木榆树、刺槐等，同时可选用耐旱灌木柠条、沙棘、紫穗槐等，达到快速改善生境的效果。建议在本地矸石山阳坡植被重建时，应以耐旱草本为主并少量配置耐旱灌木酸枣、杠柳、荆条等。