黄土区露天煤矿排土场复垦初期人工植被动态

赵冰清

（晋中学院化学化工系，山西晋中030619）

生物多样性和生态系统功能（Biodiversity-E-cosystemFunctioning，BEF）的研究始于 20 世纪 90 年代初的英国生态箱试验，之后美国和欧洲国家也相继开展了这方面的研究。以往关于生物多样性与生态系统功能试验的研究多以草地为主，目前森林生物多样性的生态系统功能试验研究也越来越多，因为森林试验更便于密度和均匀度控制，可以在个体数水平上更加充分地观测物种间及其与环境因子间的相互作用随时间的变化[1]。然而，已有的生物多样性与生态系统功能研究主要集中于自然生态系统，对于矿区生态系统的研究尚不多见。

矿区生态系统是一种极度退化的生态系统，要恢复重建结构合理、功能高效的生态系统，必须在遵循自然规律的基础上，通过一系列生物和工程措施加快其生态恢复的进程[2]。植被恢复是矿区生态修复的有效途径。人工植被的生长变化及恢复状况能够表征矿区土地复垦的程度和质量[3]。目前，有关矿区植被动态的研究已取得丰硕的研究成果[4-7]，但由于前期缺乏系统的监测数据，一些复垦经验缺乏科学的数据支撑。为了科学评价不同恢复阶段的生态修复效果和各物种的作用，从复垦初期开展生物多样性与生态系统功能试验，筛选适宜的生态修复树种和不同树种的组合方式，研究矿区生态修复过程中的生物多样性与生态系统服务，对于客观评价矿区生态修复的短期、中期和长期效应具有重要意义[8]。

本研究基于安太堡露天煤矿内排土场已建立的2.8 hm2BEF 试验样地，通过比较15 种配置模式人工复垦植被的存活和生长状况，以及土壤养分含量的差异，探讨复垦初期（复垦5 a）影响人工复垦植被存活的关键因素，以期为矿区植被恢复提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

研究区位于安太堡露天煤矿内排土场生态复垦地，该区为温带半干旱大陆性季风气候，平均降雨量为428.2～449.0 mm，年蒸发量为1 786.6～2 598.0 mm，平均气温为4.8～7.8 ℃，无霜期为115～130 d，年平均风速为2.5～4.2 m/s。矿区地带性土壤为栗钙土与栗褐土的过渡带，本研究区属于温带草原区域晋北山地森林草原区。矿区排土场经土地重塑后，地面铺垫的土层主要是黄土类物质及少量红土，有时还混有少量煤矸石和碎石等物质，质地一般为沙壤至壤土。

1.2 野外调查方法

2013 年7 月，在安太堡露天煤矿内排土场建立了1 个面积为2.8 hm2的BEF 试验样地。整个样地地势较为平坦。样地内共设置45 个25 m×25 m 的种植单元。每个种植单元内按照东西方向和南北方向各1～12 行的方式设置了144 株植物幼苗移栽位点。每个位点与相邻的横向位点和纵向位点之间的距离均为2 m，最外侧的位点距种植单元边距为1.5 m。选择研究区种植较多且长势较好的4 个树种，包括刺槐（Robinia pseudoacacia）和油松（Pinus tabulaeformis）2 个乔木树种，沙棘（Hippophae rhamnoides）和柠条（Caragana korshinskii）2 个灌木树种，按照物种完全随机组合的方式，形成15 种植被配置模式，每种配置模式设置3 次重复。按照表1 设定的物种和数量，从苗圃中将相应物种和数量的植株幼苗移栽至样地内指定的种植单元，每个物种幼苗被随机分配到种植单元内的144 个移栽位点。所有种植单元中均没有人工引种草本植物。

表1 BEF 试验样地15 种植被配置模式

2018 年7 月，对样地内所有木本植物进行每木检尺，记录物种名称，测量所有存活树种的胸径（或基径）、高度和冠幅。同时，在每个25 m×25 m 种植单元内均匀布设草本样方13 个，记录草本层植物的物种名称、多度、平均高度、种盖度及样方总盖度。

1.3 土壤样品采集与测定

在BEF 试验样地每个25 m×25 m 种植单元，随机选取3 个土壤采样点，采集0～10 cm 的土壤样品，将3 个采样点的土壤均匀混合后作为1 个分析样品。将土壤样品放入自封袋中带回实验室，风干后粉碎，过2 mm 土壤筛，测定土壤pH 值、有机质、全氮、有效磷和速效钾含量。其中，土壤pH 值采用电位法测定，有机质含量采用重铬酸钾容量法-外加热法测定，全氮含量采用半微量凯氏定氮法测定，有效磷含量采用0.5 mol/L 的NaHCO3浸提- 钼锑抗比色法测定，速效钾含量采用1 mol/L 的NH4OAc 浸提- 火焰光度法测定。

1.4 数据分析

1.4.1 胸（基）径（D）级和高度（H）级划分 针对刺槐生长相对较快的特性，以1 cm 为递增单位，将刺槐的胸径划分为1 cm≤D＜2 cm、…、D≥11 cm 共11 个等级；由于其他树种生长相对缓慢，以0.5 cm为递增单位，将油松和沙棘的基径（D）划分为11 个等级（D＜0.5 cm、0.5 cm≤D＜1.0 cm、…、D≥5.0 cm），柠条的基径划分为9 个等级（D＜0.5 cm、0.5 cm≤D＜1.0 cm、…、D≥4.0 cm）。

刺槐高度级以0.5 m 为递增单位，划分为H＜1.0 m、1.0 m≤H＜1.5 m、…、H≥7.0 m 共 14 个等级；其他树种的高度级以0.25 m 为递增单位，将油松和柠条的高度划分为9 个等级（H＜0.50 m、0.50 m≤H＜0.75 m、…、H≥2.25 m），沙棘的高度划分为 14 个等级（H＜0.50 m、0.50 m≤H＜0.75 m、…、H≥3.50 m）。

1.4.2 单因素方差分析 采用SPSS 19.0 软件中的单因素方差分析（One-way ANOVA）、最小显著差数法（LSD）检验不同配置模式下树种存活率、平均胸径（或基径）、平均高度及各项土壤养分含量的差异。

1.4.3 多元逐步回归分析 采用多元逐步回归分析法分析各树种的存活率与生物和非生物因素的关系。所有自变量在进入模型前，都先进行数据标准化处理。以上多元逐步回归分析使用R 3.4.1 完成。

2 结果与分析

2.1 不同配置模式下各树种的存活率分析

由图1 可知，不同配置模式的存活率存在显著差异（P＜0.05），各配置模式存活率平均值为71.43%，其中，配置模式2（油松纯林）、配置模式5（刺槐×油松）和配置模式8（油松×沙棘）的存活率均显著高于其他配置模式，配置模式10（柠条×沙棘）、13（刺槐×柠条×沙棘） 的存活率较低，分别为49.54%和48.61%。因沙棘纯林模式中沙棘生长过密无法进行测量，未分析其存活率。总体来看，不同配置模式下4 个树种的存活率存在显著差异（P＜0.05），从大到小表现为油松（95.13%）＞刺槐（78.22%）＞柠条（59.00%）＞沙棘（44.33%）（图2）。

从图3 可以看出，刺槐、油松和柠条的存活率在不同配置模式之间不存在显著差异，而沙棘的存活率在不同配置模式之间存在显著差异（P＜0.05）。刺槐在配置模式5（刺槐×油松）的存活率最高（81.94%），配置模式12（刺槐×油松×柠条）次之（81.25%），配置模式6（刺槐×沙棘）中刺槐的存活率最低（70.83%）。油松在所有配置模式中的存活率均在90%以上，其中以配置模式5（刺槐×油松）的存活率最高（99.31%），其次为配置模式15（刺槐×油松×柠条×沙棘）（98.15%），配置模式14（油松×柠条×沙棘）的存活率最低（90.97%）。沙棘在配置模式8（油松×沙棘）、配置模式6（刺槐×沙棘）和配置模式14（油松×柠条×沙棘）的存活率分别为65.28%、63.89%和63.54%，显著高于其他配置模式，在配置模式13（刺槐×柠条×沙棘）中的存活率最低（18.06%）。柠条在配置模式15（刺槐×油松×柠条×沙棘） 中的存活率最高（71.30%），配置模式10（柠条×沙棘）和配置模式13（刺槐×柠条×沙棘）中，柠条的存活率均低于50%。

2.2 不同配置模式下各树种的径级结构分析

由图4 可知，刺槐除了配置模式11、12 外，其他配置模式的胸径结构均呈正态分布。其中，配置模式12（刺槐×油松×柠条）中，69.17%的个体胸径集中于3～8 cm，并且以6～7 cm 的个体数最多；配置模式11（刺槐×油松×沙棘）中80.87%的个体胸径分布于2～6 cm，且以5～6 cm 的个体最多；配置模式5 中，胸径在3～4、4～5 cm 的个体数最多，均占总个体数的25.42%。总体来看，刺槐的平均胸径以配置模式12（刺槐×油松×柠条）最高（5.87 cm），配置模式 6 次之（5.35 cm），配置模式 11最低（4.23 cm），但不同配置模式之间没有显著差异。

油松的基径结构除了配置模式12 为正偏态分布外，其他配置模式均呈正态分布。其中，配置模式2（油松纯林）中油松的基径以4.0～4.5 cm 的个体数最多，占总数的20.15%；配置模式11 中，油松的基径分布于5 个径级内，44.53%的个体基径集中于1.0～1.5 cm；其他配置模式个体数最多的基径介于1.5～3.0 cm 之间。油松的平均基径以配置模式2 最高（3.54 cm），配置模式 12、11 中油松的平均基径较低，分别为1.96、1.54 cm，其他配置模式中油松的平均基径均在2～3 cm，不同配置模式之间不存在显著差异。

沙棘的基径结构在配置模式11 中为正态分布，在其他配置模式中均为正偏态分布。其中，配置模式13、14 中，沙棘的基径均以1.5～2.0 cm 的个体数最多，分别占总个体数的38.46%和32.31%；其他配置模式均以基径1.0～1.5 cm 的个体数所占比例最大。沙棘的平均基径以配置模式13（刺槐×柠条×沙棘）最大（1.98 cm），其次为配置模式14（1.81 cm），配置模式 10 的平均基径最小（1.45 cm），不同配置模式之间沙棘的平均基径没有显著差异。因沙棘纯林模式中沙棘生长过密无法进行测量，本研究未分析其径级结构。

柠条的基径结构除了配置模式10 为正偏态分布外，在其他配置模式中均呈正态分布，且以1～2 cm 的个体数居多。其中，配置模式9（油松×柠条）中，柠条的基径宽幅分化成 8 个，1.5～2.0 cm 的个体数最多，占总数的28.13%，平均基径最大（1.80 cm）；配置模式 13、15 中，柠条的基径均分布在 5 个径级内，分别以 1.5～2.0、1.0～1.5 cm 的个体所占比例最大；配置模式12 的平均基径最小（1.41 cm），基径在1.0～1.5 cm 的个体数最多，占总数的46.59%。柠条的平均基径在不同配置模式之间没有显著差异。

2.3 不同配置模式下各树种的高度结构分析

从图5 可以看出，刺槐的高度结构与其径级结构分布类似，除配置模式11、12 外，其他配置模式均呈正态分布。各配置模式的刺槐高度以4～5 m的个体数最多。刺槐的平均高度最高和最低值分别出现在配置模式6（刺槐×沙棘）（4.36 m）和配置模式11（3.90 m）。尽管不同配置模式中刺槐的平均高度有所差异，但均没有达到显著性水平。

油松的高度结构除配置模式8、12 外，其他配置模式均呈正态分布。其中，配置模式12（刺槐×油松×柠条）中油松高度在1.50～1.75 m 的个体数最多，占总个体数的38.46%，平均高度最高（1.47 m）；配置模式9 中油松的平均高度最低（1.21 m），71.15%的个体高度分布于1.0～1.5 m。油松的平均高度在不同配置模式之间差异显著（P＜0.05），配置模式8、11、12、15 中油松的平均高度显著高于其他配置模式。

沙棘的高度结构除配置模式10、13、15 以外，其他配置模式均呈正态分布。其中，配置模式15中，沙棘高度以 1.00～1.25、1.25～1.50 m 的个体数最多，均占总数的20%；其他配置模式中沙棘的高度均以1.50～1.75 m 的个体数最多。不同配置模式中，沙棘的平均高度以配置模式13（刺槐×柠条×沙棘）最高（2.00 m），配置模式 10 最低（1.51 m），但不同配置模式之间差异不显著。因沙棘纯林模式中沙棘生长过密无法进行测量，本研究未分析其高度结构。

柠条的高度结构除配置模式15 外，在其他配置模式中均呈正态分布。其中，配置模式4（柠条纯林）的平均高度最高（1.49 m），94.57%的个体高度分布于1～2 m；配置模式7 中柠条的树高集中在1.00～1.25 m，占总个体数的29.25%，平均高度最低（1.29 m）。柠条的平均高度在不同配置模式之间不存在显著差异。

2.4 不同配置模式下土壤养分含量差异分析

通过比较不同配置模式土壤养分含量的差异，结果表明，配置模式12（刺槐×油松×柠条）的pH值最低（8.70），配置模式8（油松×沙棘）的pH 值最高（8.83），15 种配置模式之间土壤pH 值不存在显著差异。有机质含量以配置模式15（刺槐×油松×柠条×沙棘）最高（15.32 g/kg），其次为配置模式7（刺槐×柠条）（15.30 g/kg），配置模式 6（刺槐×沙棘）最低（5.69 g/kg），虽然不同配置模式下土壤有机质含量有所差异，但未达到显著水平。全氮含量以配置模式12（刺槐×油松×柠条）最高（0.57 g/kg），其次为配置模式11（刺槐×油松×沙棘）（0.52 g/kg），配置模式4（柠条纯林）的全氮含量最低（0.16 g/kg）；15 种配置模式之间全氮含量表现出显著差异（P＜0.05），其中，配置模式 1、7、11、12、14 全氮含量显著高于其他配置模式。有效磷含量在15 种配置模式间没有显著性差异，最高值和最低值分别出现在配置模式13（刺槐×柠条×沙棘）（8.53 mg/kg）和配置模式10（柠条×沙棘）（4.23 mg/kg）。速效钾含量在不同配置模式之间存在显著差异（P＜0.05），配置模式11（刺槐×油松×沙棘）和配置模式7（刺槐×柠条）的速效钾含量分别为187.67、186.00 mg/kg，显著高于其他配置模式（图6）。

2.5 不同配置模式下各树种存活的影响因素分析

本研究综合分析了生物因素和非生物因素对各树种存活率的影响，其中，生物因素包括目标树种所在25 m×25 m 种植单元内的同种种植密度（ConD）、树种丰富度（TR）、草本层丰富度（HR）、草本层盖度（HC），非生物因素包括土壤pH 值、有机质（SOM）、全氮（TN）、有效磷（AP）和速效钾（AK）。根据各树种在不同配置模式中的存活率与上述生物和非生物因素之间的相关性分析（表2），不同配置模式中刺槐存活率（S1）、油松存活率（S2）和柠条存活率（S4）与上述生物和非生物因素之间均没有表现出显著相关性（P＞0.05）。沙棘存活率（S3）与种植单元内同种种植密度呈极显著正相关（P＜0.01），与树种丰富度呈极显著负相关（P＜0.01），与草本层丰富度呈显著负相关（P＜0.05），与草本层盖度、土壤因子均没有显著相关性（P＞0.05）。

表2 各树种存活率与生物和非生物因子的相关性分析

由于生物和非生物各项指标会综合作用于不同配置模式下各树种的存活率，因此，在相关分析的基础上，以各树种的存活率为因变量，以上述生物和非生物因素为自变量，采用多元线性逐步回归法建立逐步回归方程。由表3 可知，刺槐、油松和柠条3 个树种的存活率与各项因子的多元逐步回归方程拟合效果不佳，均没有通过显著性检验（P＞0.05）。不同配置模式下沙棘的存活率与各项因子的回归方程通过了显著性检验（P＜0.01），模型选择了树种丰富度、土壤全氮和速效钾含量进入方程，但土壤速效钾含量的影响并不显著（P＞0.05），说明沙棘的存活率主要受到种植单元内树种丰富度和土壤全氮含量的影响。

表3 不同树种存活率与各因子的多元逐步回归方程

3 结论与讨论

复垦5 a 后，油松和刺槐2 个乔木树种表现出较高的存活率，其中，油松的存活率高达95.13%。相比之下，柠条和沙棘2 个灌木树种的存活率相对较低，尤其是沙棘，存活率仅为44.33%。在相同气候条件和立地条件下，不同树种的存活率表现出极显著差异，一方面各树种自身的生物学特性紧密相关，另一方面周围的生物和非生物因素有关。油松根系发达，抗寒耐旱，具有良好的水土保持和改善生态环境的特点，是黄土高原生态恢复的主要造林树种之一。油松为乡土树种，耗水性低，更加适应复垦地的环境条件，表现出较高的存活率。刺槐原产于美国东部，是一种喜光、中型的豆科落叶阔叶先锋树种，具有一定的固氮作用，根系发达，耐旱性强，生长迅速，存活率高，常常作为生态恢复的先锋树种，其存活率也相对较高。柠条为豆科灌木树种，耐旱耐寒，耐瘠薄，是黄土高原半干旱丘陵区的主要人工造林树种[9]。柠条在幼龄期生长缓慢，主要利用天然降水，土壤水分仅作为补充利用[10]。如天然降水不足，其存活和生长必然受到抑制。沙棘属落叶灌木，其生长和繁殖具有明显的克隆特征[11]。沙棘一方面通过分株实现资源共享和资源储藏，降低基株的死亡风险，另一方面通过林隙更新和自然稀疏调节种群[12]。本研究中，沙棘和柠条较低的存活率主要与研究区自然降水稀少密切相关。沙棘适宜生长的年降水量为500～600 mm[13]，而本研究区的年均降水量仅为450 mm 左右，降水量不足且较为集中，蒸发量超过降水量的4 倍，降水量稀少成为制约其生长的一个重要因素。植物的存活受生物和非生物多种因素的影响，甚至在某些情况下，生物因素也会成为影响植物生长的主要因素[14]。一定空间范围内，不同植物个体之间存在互利作用，也存在竞争作用。不同配置模式下各树种的存活率对于本研究所考虑的生物和非生物因素的响应不同。沙棘的存活率与种植单元内木本植物的物种丰富度呈极显著负相关。野外调研时发现，沙棘在纯林模式中，植株稠密，根蘖能力旺盛，基本形成郁闭，并且有向宽阔地带四周延伸的趋势。与其他树种混交，尤其是混交度较高时，沙棘的死亡率较高，可能是因高大乔木的生长达到郁闭后，沙棘因得不到充足的阳光和需要的营养面积，出现大面积死亡。沙棘的存活率与土壤全氮含量呈显著负相关，可能是因为沙棘属落叶灌木，生长迅速，地上生物量较大，每年有大量的枯枝落叶归还土壤，其根系主要密集于浅层土壤，一方面这些根系固着的根瘤菌可吸收大气中的氮素[15]，另一方面根系残体和分泌物较多，经腐殖化后增加了营养物质积累，过高的土壤氮素可能会对其存活产生不利影响。刺槐、油松和柠条的存活率与本研究所有考虑的因子均没有显著相关性，一方面可能是由于本研究复垦时间相对较短，仅生长了5 a 的各树种与周围植物的冠层之间还没有发生交叉，各树种之间还没有表现出强烈的竞争作用或互补作用；另一方面，在复垦初期，植物群落可能以自发演替作用较为明显，复垦植被可以促进生境条件的改善，如加速岩石风化，增加土壤营养物质积累和发挥水土保持作用等[16-17]。但值得注意的是，本研究中，种植单元的树种丰富度对大部分树种的存活率都没有显著影响，这与以往的研究中关于树种丰富度对个体植物存活率没有影响的结论基本一致[18]。此外，也可能是由于本研究种植单元中树种丰富度的梯度范围较小，最多只有4 个物种。因此，如果想要进一步研究树种丰富度对树种存活的影响，除继续对复垦植被及其邻株植物进行长期的监测分析外，也可在种植单元增加树种的丰富度水平。

从各树种的高度结构来看，刺槐的平均高度（4.17 m）明显高于其他3 个树种。刺槐树高快速生长期通常在前5 a，且持续时间相对较短[19]。刺槐×沙棘配置模式中，刺槐的平均高度最高，主要原因是：复垦初期，沙棘起到保持水土的作用，促进了刺槐生长。油松的平均高度（1.32 m）普遍低于其他树种，主要与常绿木本植物的耐阴、生长速度较为缓慢的特性相符。过去的研究也证实，落叶树种的相对生长率要高于常绿树种，而且落叶阔叶型腐殖质比常绿针叶腐殖质能更好地促进幼龄个体的生长[20]。从胸径（或基径）来看，刺槐在复垦前5 a 显示出较快的胸径生长速率，与胡振琪等[19]的研究结果一致。

总体来看，复垦5 a 后，油松纯林、刺槐×油松和油松×沙棘混交林模式的存活率显著高于其他配置模式；油松和刺槐的存活率显著高于柠条和沙棘。各树种的径级结构和高度结构主要呈正态分布，不同配置模式各树种的平均胸径（或基径）和平均高度间普遍无显著差异。种植单元内树种丰富度和土壤全氮含量主要影响沙棘的存活率，各因素对其他树种的存活率无显著影响。