受损矿区草原群落物种多样性和地上生物量对覆土厚度的响应

孙永秀，严成， 徐海量，姚艳丽

(1.中国科学院新疆生态与地理研究所，新疆 乌鲁木齐 830011；2.中国科学院大学，北京 100049)

受损矿区草原群落物种多样性和地上生物量对覆土厚度的响应

孙永秀1,2，严成1*， 徐海量1，姚艳丽1,2

(1.中国科学院新疆生态与地理研究所，新疆 乌鲁木齐 830011；2.中国科学院大学，北京 100049)

为修复库尔木图矿区受损草原植被群落，对矿区受损草原实施覆土0，10，14和18 cm恢复措施，实地调查分析群落盖度、高度、地上生物量和物种多样性，以研究不同覆土厚度对矿区受损草原群落物种多样性和生物量的影响。结果表明，1)覆土厚度在14和18 cm时，矿区草地植物种类和数量频度最多，物种组成最为丰富，且随着覆土厚度的增加，草地植物群落的盖度、高度和地上生物量呈逐渐增加趋势，但覆土14和18 cm草地的植物高度、盖度和地上生物量差异不显著。2)在4种覆土厚度样地中，覆土14 cm草地的物种丰富度指数和多样性指数均最高，均匀度指数最低，具体表现为：群落均匀度指数(Jsw和Ea)排列顺序为覆土0 cm>覆土18 cm>覆土10 cm>覆土14 cm，群落丰富度指数(R和Ma) 为覆土14 cm>覆土10 cm>覆土18 cm>覆土0 cm，群落多样性指数(D和H′)为覆土14 cm>覆土18 cm>覆土10 cm>覆土0 cm。3)不同覆土厚度样地群落生产力与Shannon-Wiener和Simpson多样性指数之间呈弱正相关关系。因此，综合考虑该地区恢复受损草原的经济投入和所产生的生态效益，进行草原植被生态恢复的适宜覆土厚度为14 cm。

库尔木图矿区；温带典型草原；覆土厚度；物种多样性；地上生物量

阿勒泰地区位于新疆北端，阿尔泰山南麓，额尔齐斯河畔，因其独特的气候、水源条件，丰富的矿产、草场和旅游资源而闻名[1]。其中，库尔木图矿区作为阿勒泰的主要矿藏产区，富含丰富的砂金及稀有金属。但是，长期以来，人们在经济利益的驱使下，忽视长远生态利益，不惜一切代价开矿、采金，并且加之其特殊的地理和气候条件，生态环境十分脆弱，最终导致矿区大片草场遭到破坏，地表裸露，水土流失，土壤环境恶化(砂石中土壤含量<3%)、草场退化，造成物种多样性严重丧失和生产力下降[2]。而矿区表层土保存和再运用是矿区植被恢复与重建的关键部分，将会对草原生态过程产生重要的影响。土壤厚度是植物生长的重要物质基础，是影响陆地水文过程和土壤养分存储的重要因素，在营养元素含量基本类同的条件下，土层深厚的土壤要比在土层浅薄的土壤所产生的植物总量多[3-6]。同时水分也是影响植物生长和植被恢复的重要因子，尤其在干旱半干旱地区适当的水分灌溉有利于植物的生长和生物多样性的增加[7]。

目前矿区退化草地生态系统的恢复与重建工作受到广泛关注[8-9]。国外许多学者已对覆土质量和厚度以及水分对植物群落的响应进行了大量研究，得出采取适宜的覆土厚度和灌溉量，更加有利于生物群落的多样性和可持续发展[10-14]，而目前我国的研究主要集中在天然土壤厚度与植物生长的关系上[4,15-16]，但对破坏地区人为施加土壤厚度对植被恢复的影响较少。本文主要通过研究在一定灌溉量条件下不同覆土厚度对库尔木图矿区草原植被群落物种组成、结构、地上生物量变化和物种多样性的影响，综合考虑覆土的经济和生态效益，以期寻求适宜覆土厚度，将有助于矿区植被的保护、恢复和重建，改善退化草地的生态环境，提高草地生产力，促进矿区草地资源的合理利用和畜牧业的可持续发展，进而为草原生物多样性的保护和管理提供科学参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于新疆阿勒泰库尔木图矿区(北纬46°30′-48°10′，东经87°30′-91°00′)，海拔1715 m。本区属大陆性寒温带寒冷气候，年平均气温在-9 ℃以下，7月平均温度仅15 ℃左右，气温年较差约30 ℃，日较差约12 ℃；年日照2800.0～3157.5 h，植物生长季(4-9月)日照数达1800 h，约占全年日照数60%，十分有利于植物的生长；年平均降水量300～500 mm，降水季节分配不均，主要集中在6-8月，且降雪期长达7～8个月，积雪融水和降雨占山区河流年补给量的72%，年蒸发量838.3～1469.6 mm[17]。土壤类型主要为高山草甸土。矿区草地类型多样，主要为真草原。主要草本植物有瑞士羊茅(Festucavalesiaca)、发草(Deschampsiacaespitosa)、蒲公英(Taraxacummongolicum)、紫羊茅(Festucarubra)、早熟禾(Poaannua)等。

1.2 研究方法

在新疆阿勒泰库尔木图矿区大南沟附近，于2012年10月，采用典型样地法选择环境条件一致的4块样地进行覆土试验布置。外文文献[13]设置的覆土厚度为15，30，45和60 cm，得出覆土15 cm有利于提高牧场植被生产力，中文文献[4,13]得出利于植物生长的土壤厚度条件应该是大于8 cm，综合考虑设置覆土厚度分别为0， 10，14 和18 cm，样地大小为10 m×10 m，重复3次。首先利用推土机等设备将试验样地凹凸不平的地方推平，然后挖掘当地其他未破坏草地肥沃适宜的表层土，采挖深度为50 cm(表层土厚度为>80 cm)，最后按照所设置的覆土厚度在各样地进行均匀撒土。表土取样地为真草原，植物主要有发草、紫羊茅、蒲公英、早熟禾、阿魏(Resinaferulae)、黄花苜蓿(Medicagofalcata)等(表1)。因适当的水分灌溉有利于加快植被的恢复[18]，应根据自然条件下植物生长地的年降水量，确定灌溉量为每年900 m3/hm2，采用喷灌，以水表来计量，灌溉周期为在2012年覆土时进行一次充分灌溉后，2013，2014年5，6，7，8，9月各月灌溉1次，2015年不进行灌溉，植被生长依靠自然降水量。样地布置完成后在其周边添加围栏，以防止动物践踏和啃食，同时在试验区附近的未破坏草原(顶级群落)的周边也添加围栏，与经过覆土而恢复的草原作对比。2015年7月，采用样方法进行野外取样，样方大小为 1 m×1 m，重复5次，调查并记录每个样方内的植物种类，各物种在样方中的频度、盖度和高度。频度测定方法：对样方中出现的植物进行分类，记录同一种植物出现的个数；盖度测定：采用针刺法测定样方总盖度和每种植物的分盖度；高度测定：样方中每种植物随机选取5株，用直尺测量高度。同时采用收获法[19]进行地上生物量测定，将各样方内的植物齐地面刈割，除去粘附的土壤、砾石等杂质后带回室内，在65 ℃烘箱内烘干至恒重，称量其干重，地上生物量均采用干重计算。

1.3 指标计算方法

1.3.1 群落内物种重要值[20]是综合衡量物种在群落中地位和作用的有效指标，重要值越大，说明物种在群落中的地位越重要，通过分析群落中各物种的重要值，可以有效了解群落种群的动态变化特征[21]。

重要值=(相对盖度+相对密度+相对高度)/3

式中：相对高度=某一植物种的高度/各植物种高度之和×100；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/各植物种的分盖度之和×100。

1.3.2 物种多样性分析 根据物种数目、所有植物种的个体数和重要值，利用以下公式计算群落多样性指数[22]。

1)丰富度指数

Patrick 指数(R)：R=S

Margarlef指数(Ma)：Ma=(S-1)/lnN

2)多样性指数

Shannon-Wiener多样性指数(H′)：H′=-∑Piln(Pi)

Simpson多样性指数(D)：D=1-∑(Pi)2

3)均匀度指数

Pielou均匀度指数(Jsw)：Jsw=H′/lnS

Alatalo指数(Ea)：Ea=[(∑Pi2)-1-1]/[exp(H′)-1]

式中：S为样地物种总数；Pi为物种i的重要值，Pi=Ni/N，Ni为第i物种的个体数，N为所在群落的物种总个体数。

1.4 数据处理与分析

用Excel软件对数据进行预处理，使用SPSS 19.0和 Origin 9.0统计分析软件对数据进行分析和作图，采用单因素ANOVA 分析方法检验各处理之间的差异，显著性水平P=0.05，如果差异显著，则采用LSD法在P=0.05显著水平上进行多重比较，最后采用Pearson 相关分析法分析多样性和生产力间的相关性。

2 结果与分析

2.1 不同覆土厚度对群落物种组成和结构的影响

不同覆土厚度样地因优势种不同，群落外貌特征表现出不同[23]。不同覆土厚度样地共出现27种植物，分属15个科，优势种主要为禾本科、豆科和菊科(表1)。其中，覆土18 cm样地出现植物较多，有20 种，重要值最高为典型草原的指示植物瑞士羊茅，其次是早熟禾、发草和紫羊茅；覆土14 cm样地也出现植物20种，发草的重要值最高，因其较强的抗旱能力和根蘖性，遭到破坏后成为群落的优势种，其次为瑞士羊茅和蒙新凤毛菊；覆土10 cm样地植物有15种，瑞士羊茅、金丝桃叶绣线菊和发草占优势地位；未破坏草地仅出现植物14种，发草、瑞士羊茅和紫羊茅重要值较高。覆土0 cm草地出现的植物种类最少，仅有5种，生长着少量的瑞士羊茅、发草、芹叶荠和蒲公英等耐贫瘠植物。

植物群落结构可以通过其高度和总盖度来进行反映[24]。不同覆土厚度草地的群落盖度为覆土14 cm>覆土18 cm>覆土10 cm>覆土0 cm，分别为65.00%，51.67%，35.00%和6.33%，其中未破坏草地的群落盖度为93.33%，显著高于其他4种覆土草地(P<0.05)。LSD多重方差分析表明，覆土厚度14 cm草地的盖度与覆土0 cm、覆土10 cm、未破坏草地的盖度差异显著(P<0.05)，但与覆土18 cm草地的盖度差异不显著(P>0.05)。未破坏草地，覆土18 cm，覆土14 cm，覆土10 cm，覆土0 cm草地的群落高度分别为55.34，37.99，32.91，28.62和13.30 cm，其中未破坏草地的群落高度显著高于其他4种覆土样地(P<0.05)，但覆土10 cm，覆土14 cm和覆土18 cm 3种草地之间差异不显著(P>0.05)(图1)。

表1 不同覆土厚度下矿区草原群落物种组成和重要值Table 1 Species composition and important values of the community under different cover-soil thickness in mining steppe %

图1 不同覆土厚度下典型草原群落的高度和盖度特征Fig.1 High and cover features of different cover-soil thickness in typical steppe UG:未破坏Undisturbed grassland. 不同字母表示差异显著(P<0.05),下同。Different letters mean significantly different (P<0.05)，the same below.

2.2 不同覆土厚度对群落地上生物量的影响

图2 不同覆土厚度对矿区草原群落地上生物量的影响Fig.2 Effect of different cover-soil thickness on above-ground biomass in mining steppe

研究草食动物的环境容纳量、草地植被恢复主要的定量指标为草地植被地上生物量[24]。覆土措施作为人类干扰类型之一，实施不同的覆土厚度对地上生物量的影响存在很大的差异。不同覆土厚度草地的地上生物量分别为覆土18 cm>覆土14 cm>覆土10 cm>覆土0 cm，分别为190.1，156.2，103.5，20.8 g/m2(图2)，其中除未破坏草地外，覆土18 cm草地的地上生物量最高，覆土0 cm草地的地上生物量最低，覆土18 cm草地的地上生物量较覆土0 cm草地的地上生物量增加了813.94%。 LSD多重方差分析表明，未破坏草地与覆土0，10，14，18 cm草地地上生物量之间存在显著差异(P<0.05)，而覆土14 cm的草地与覆土18 cm草地的地上生物量之间差异不显著(P>0.05)。

2.3 不同覆土厚度对群落物种多样性的影响

草地群落物种多样性因不同的覆土厚度条件而变化不同。物种均匀度指数反映群落中物种个体数分布的均匀程度[25]，由图3可以看出，覆土0 cm草地的均匀度指数最高，覆土14 cm草地的均匀度指数最低。不同样地的Pielou和Alatalo均匀度指数都按覆土0 cm>覆土18 cm>覆土10 cm>覆土14 cm的顺序递减。物种丰富度指数是表明群落中物种个体数多寡的参数[25]。覆土14 cm群落的物种丰富度(Ma)最高，为1.547，覆土0 cm草地群落的物种丰富度最低，为0.701。不同覆土厚度草地的丰富度指数(R和Ma) 为覆土14 cm>覆土10 cm>覆土18 cm>覆土0 cm。LSD多重方差分析表明，覆土14 cm草地的Patrick和Margarlef丰富度指数显著高于其他3种草地的Patrick和Margarlef丰富度指数(P<0.05)。多样性指数(D和H′)是物种水平上多样性和异质性程度的度量，是群落物种丰富度和均匀度的综合反映[26]，与物种丰富度和均匀度反映的结果存有差异。本研究中，覆土14 cm草地的Simpson和Shannon-Wiener多样性指数最高，分别为0.548和1.154。LSD多重方差分析表明，覆土14 cm草地的Simpson和Shannon-Wiener多样性指数与其他3种草地的Simpson和Shannon-Wiener多样性指数差异显著(P<0.05)。不同覆土厚度样地的群落多样性指数(D和H′)为覆土14 cm>覆土18 cm >覆土10 cm>覆土0 cm。

2.4 群落生产力与多样性指数的关系

群落物种多样性既是丰富度和均匀度的综合反映，又是判断生物群落结构变化或生态系统稳定性的指标[23]。开展生物多样性和生产力关系的研究，将有利于科学调控和可持续经营植物群落多样性和生物产量之间的关系[27]。本研究通过对多样性指数和地上生物量的相关分析表明(图4): Simpson多样性、Shannon-Wiener多样性与生产力之间虽都有一定的正相关性，但呈弱相关，显著性低。

图3 不同覆土厚度对矿区草原群落物种多样性的影响Fig.3 Effects of the different cover-soil thickness on the diversity index of community in mining steppe

图4 矿区草原地上生物量与物种多样性的关系Fig.4 The relationships between above-ground biomass and diversity index in mining steppe

3 结论与讨论

土壤是影响植被生长的重要因素，土壤厚度影响土壤水分、养分的储存能力以及土壤水分植被的承载能力，进一步影响到植被盖度、高度和生物量以及植被的生长状况[5,15,28-29]。本研究，覆土厚度在14和18 cm时，矿区草地植物种类和数量频度最多，物种组成最为丰富，主要优势种为发草、瑞士羊茅、紫羊茅等；且随着覆土厚度的增加，植被高度、盖度和地上生物量均增加，但不同覆土厚度各指标的增加幅度不同，覆土厚度10和0 cm相比，植被高度、盖度和地上生物量增加，差异显著(P<0.05)，覆土14 cm相比10 cm，植被盖度和地上生物量同时发生较大变化，植被高度虽增加，幅度较小，而覆土14 cm和18 cm相比，植被高度、盖度和地上生物量变化差异均不显著(P>0.05)。李程程等[15]研究得出，当土壤厚度大于8 cm 时，有一个利于植物生长的水分条件和养料条件。王志强等[4]认为覆土厚度小于20 cm时，植被盖度、高度和地上生物量随着土壤厚度的降低急剧减少，且随着土壤厚度的增加其变化比较平缓。本研究表明，覆土14和18 cm都具备一个有利于植物生长的群落环境，各植物群落特征表现良好。美国学者Wick 等[10]对矿业废弃地长期复垦地覆土厚度及地形对植物群落的影响研究和李树彬[30]对覆土厚度和地形对废弃地植物群落的影响研究结果得出应根据土壤稳定性和多样性及最初的经济投入来确定适宜覆土厚度，才能有效节约覆土成本，提高生物群落多样性。因此，在库尔木图矿区鉴于两处理植物群落特征差异不显著，考虑到土壤的运输、覆盖等经济成本，覆土14 cm更为适宜。

多样性是生态系统群落结构和功能复杂性的综合度量，是丰富度指数和均匀度指数的综合反映，是最能反映生态系统恢复程度的生态学指标[25,31-32]。植被恢复过程中植物物种丰富度、多样性指数和均匀度指数的变化，都表明了植被群落生态功能的恢复，有研究表明恢复群落的Shannon-Wiener和Simpson多样性指数、Pielou均匀度指数和丰富度指数增加，恢复群落物种组成与结构逐渐向良性方向发展[33]。研究得出，库尔木图矿区覆土厚度14 cm草地的多样性指数和丰富度指数最高、均匀度指数最低，原因可能是随着覆土厚度的增加，植物种类数量逐渐增加，群落结构趋于复杂化，物种丰富度显著提高，但是由于群落中建群种和优势种的作用越来越明显，可能导致群落的均匀性降低[25,34]。研究表明，库尔木图矿区覆土14 cm较有利于加快植被恢复进程，在丰富度指数显著增高而均匀度指数降低的情况下，综合多样性指数增大。研究还得出，覆土厚度18 cm草地的多样性指数和丰富度指数下降，而均匀度指数升高，原因可能是一些植物因本身的生物特性和生长习性，不适宜深度种植，覆土厚度过厚不利于其生长和发育，反而降低其生物多样性，研究表明在提高植物多样性、促进植被恢复方面，覆土18 cm次于覆土14 cm。因此，从植物多样性方面考虑，覆土厚度14 cm有利于库尔木图矿区植被的恢复与重建。

多样性-生产力第一假说认为建立在不同物种利用不同资源的基础上，复杂多样性的植物群落能利用更多的有限资源从而获得更高的生产力[35]。物种多样性越高会导致更高的群落生产力和生态系统稳定性，因此生态系统的物种丰富度越大，越能有效地利用各种资源，从而产生更高的生产力[36-37]。库尔木图矿区受损草地覆土植被恢复试验表明，群落的物种多样性与初级生产力虽呈弱正相关关系，但随着生态系统生物多样性的增加，生产力也相应增加，与Naeem等[38]和吕亭亭等[39]对草地群落多样性与生产力的关系的研究结果一致。

References：

[1] Wang S, Narbay A. The protection of species diversity of the two river area in Altay mountains. Journal of Gansu Lianhe University： Natural Sciences Edition, 2006, 20(5): 83-86. 王山, 努尔巴衣·阿不都沙勒克. 阿尔泰两河源物种多样性及其保护. 甘肃联合大学学报: 自然科学版, 2006, 20(5): 83-86.

[2] Wang S P, Li Y H, Wang Y F,etal. Influence of different stocking rates on plant diversity ofArtemisiafrigidacommunity in Inner Mongolia Steppe. Acta Botanica Sinica, 2001, 43(1): 89-96. 汪诗平, 李永宏, 王艳芬, 等. 不同放牧率对内蒙古冷蒿草原植物多样性的影响. 植物学报, 2001, 43(1): 89-96.

[3] Wang Q, Wu B F, Zhu L. Review of soil depth. Journal of Anhui Agricultural Science, 2012, 40(9): 5273-5277, 5287. 王强, 吴炳方, 朱亮. 土壤厚度研究进展. 安徽农业科学, 2012, 40(9): 5273-5277, 5287.

[4] Wang Z Q, Liu B Y, Hai C X. Effects of soil depth on vegetation cover and above ground biomass in east part of Inner Mongolia. Journal of Soil and Water Conservation, 2007, 21(4): 164-167. 王志强, 刘宝元, 海春兴. 土壤厚度对天然草地植被盖度和生物量的影响. 水土保持学报, 2007, 21(4): 164-167.

[5] Zeng X Q, Liu B Y, Liu Y N,etal. Soil depth distribution characteristics on the lithoidal mountainous slope of northern China: A case study of Miyun County, Beijing. Geographical Research, 2008, 27(6): 1281-1289. 曾宪勤, 刘宝元, 刘瑛娜, 等. 北方石质山区坡面土壤厚度分布特征——以北京市密云县为例. 地理研究, 2008, 27(6): 1281-1289.

[6] Shi D M, Wei Q P, Liang Y,etal. Study on degradation index system of eroded soils in southern China. Journal of Soil and Water Conservation, 2000, 14(3): 1-9. 史德明, 韦启潘, 梁音, 等. 中国南方侵蚀土壤退化指标体系研究. 水土保持学报, 2000, 14(3): 1-9.

[7] Xu H L, Qiao M, Zhou S B,etal. Water characteristics of plant diversity in temperate desert grassland. Agricultural Research in the Arid Areas, 2006, 24(2): 105-109. 徐海量, 乔木, 周生斌, 等. 荒漠草地物种多样性的水分特征研究. 干旱地区农业研究, 2006, 24(2): 105-109.

[8] Rong Y P, Han J G, Wang P. Effects of different range restorations on soil and vegetation of Russian wildrye (Psathyrostachysjuncea) pasture. Acta Prataculturae Sinica, 2002, 11(1): 17-23. 戎郁萍, 韩建国, 王培. 不同草地恢复方式对新麦草草地土壤和植被的影响. 草业学报, 2002, 11(1): 17-23.

[9] Wang H, Wang H, Huang R,etal. Effects of different enclosure management on soil and plant characteristics of sandy grassland. Acta Prataculturae Sinica, 2012, 21(6): 15-22. 王蕙, 王辉, 黄蓉, 等. 不同封育管理对沙质草地土壤与植被特征的影响. 草业学报, 2012, 21(6): 15-22.

[10] Wick A F, Merrill S D, Toy T J,etal. Effect of soil depth and topographic position on plant productivity and community development on 28-year-old reclaimed mine lands. Journal of Soil and Water Conservation, 2011, 66(3): 201-213.

[11] Bowen C K, Schuman G E, Olson R A,etal. Influence of topsoil depth on plant and soil attributes of 24-year old reclaimed mined lands. Arid Land Research and Management, 2005, 19(3): 267-284.

[12] Buchanan B, Owens M, Mexal J,etal. Long-term Effects of Cover Soil Depth on Plant Community Development for Reclaimed Mined Lands in New Mexico[M]. Breckenridge: National Meeting of the American Society of Mining and Reclamation (ASMR), 2005: 115-126.

[13] Redente E F, McLendon T, Agnew W. Influence of topsoil depth on plant community dynamics of a seeded site in northwest Colorado. Arid Land Research and Management, 1997, 11(2): 139-149.

[14] Zhang T, Zhao H, Zhao X Y. Effect of irrigation and fertilizer on sandy grassland productivity in Horqin Sandy Land, North China. Energy Procedia, 2011, (11): 2413-2421.

[15] Li C C, Cheng X, Yang S C. Study on the soil thickness factor of plant growth in Karst mountains—Take the Guizhou Xiangbao Mountain as an example. Journal of Guizhou Normal College, 2013, 28(9): 38-41. 李程程, 程星, 杨士超. 岩溶山区植物生长的土壤厚度因素研究——以贵州相宝山为例. 贵州师范学院学报, 2013, 28(9): 38-41.

[16] Wang L, Feng J X, Wan X C. Effects of soil thickness on dry-season water relations and growth inRobiniapseudoacacia. Chinese Journal of Plant Ecology, 2013, 37(3): 248-255. 王林, 冯锦霞, 万贤崇. 土层厚度对刺槐旱季水分状况和生长的影响. 植物生态学报, 2013, 37(3): 248-255.

[17] Xinjiang Forestry Bureau of Altay Mountains. Comprehensive Scientific Investigation of Liangheyuan of Altay Mountains of Xinjiang[M]. Urumqi: Xinjiang Science and Technology’s Press, 2004: 7. 新疆阿尔泰山林业局. 新疆阿勒泰山两河源综合科学考察[M]. 乌鲁木齐： 新疆科学技术出版社, 2004: 7.

[18] Zhang J Q, Chen W Y, Kang J J,etal. Dunhuang west lake salt meadow reed plant community structure and diversity distribution pattern along altitudinal gradient. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2013, 33(2): 173-176. 张继强, 陈文业, 康建军, 等. 敦煌西湖盐化草甸芦苇群落特征及多样性沿水分梯度的分布格局. 水土保持通报, 2013, 33(2): 173-176.

[19] Anwar M, Yang Y H, Guo Z D,etal. Grassland aboveground biomass in Xinjiang. Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis: Natural Science Edition, 2006, 42(4): 521-526. 安尼瓦尔·买买提, 杨元合, 郭兆迪, 等. 新疆草地植被的地上生物量. 北京大学学报: 自然科学版, 2006, 42(4): 521-526.

[20] Li R, Zhang K B, Liu Y F,etal. Plant community spatial distribution pattern of wetland ecosystem in a semi-arid region of northwestern China. Journal of Beijing Forestry University, 2008, 30(1): 6-13. 李瑞, 张克斌, 刘云芳, 等. 西北半干旱区湿地生态系统植物群落空间分布特征研究. 北京林业大学学报, 2008, 30(1): 6-13.

[21] Liu X D, Zhang K B, Wang X,etal. Influence of enclosure ages on community structure and species diversity of sandy grassland. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2015, 35(3): 39-43. 刘小丹, 张克斌, 王晓, 等. 围封年限对沙化草地群落结构及物种多样性的影响. 水土保持通报, 2015, 35(3): 39-43.

[22] Gui H, Wurenqiqige, Yuan W. Species diversity of different communities in meadow steppe natural reserve under different disturbances. Journal of Southern Agriculture, 2012, 43(9): 1339-1343. 桂花, 乌仁其其格, 袁伟. 不同干扰因素下草甸草原自然保护区群落物种多样性研究. 南方农业学报, 2012, 43(9): 1339-1343.

[23] Chen F R, Cheng J M, Liu W,etal. Effects of different disturbances on diversity and biomass of communities in the typical steppe of loess region. Acta Ecologica Sinica, 2013, 33(9): 2856-2866. 陈芙蓉, 程积民, 刘伟, 等. 不同干扰对黄土区典型草原物种多样性和生物量的影响. 生态学报, 2013, 33(9): 2856-2866.

[24] Ren J Z. Research Methods of Pratacultural Science[M]. Beijing: Chinese Agricultural Press, 1998: 1-30. 任继周. 草业科学研究方法[M]. 北京: 中国农业出版社, 1998: 1-30.

[25] Guo X Y, Zhang J T, Gong H L,etal. Analysis of changes of the species diversity in the process of vegetation restoration in Antaibao Mining Field, China. Acta Ecologica Sinica, 2005, 25(4): 763-770. 郭逍宇, 张金屯, 宫辉力, 等. 安太堡矿区复垦地植被恢复过程多样性变化. 生态学报, 2005, 25(4): 763-770.

[26] Yang J, Bao Q H. Effects of different disturbances on species diversity and biomass of community in the typical steppe. Acta Prataculturae Sinica, 2009, 18(3): 6-11. 杨劼, 包青海. 不同干扰对典型草原群落物种多样性和生物量的影响. 草业学报, 2009, 18(3): 6-11.

[27] Wang R, Kang S R L, Niu J M,etal. Plant diversity dynamics in the recovery process of restoration ecosystem in Inner Mongolia grasslands: a case study of Yimin opencast mine. Journal of Inner Mongolia University： Natural Science Edition, 2013, 44(6): 597-606. 王蓉, 康萨如拉, 牛建明, 等. 草原区露天煤矿复垦恢复过程中植物多样性动态——以伊敏矿区为例. 内蒙古大学学报: 自然科学版, 2013, 44(6): 597-606.

[28] Buttle J M, Dillon P J, Eerkes G R. Hydrologic coupling of slopes, riparian zones and streams: an example from the Canadian Shield. Journal of Hydrology, 2004, 287(1/4): 161-177.

[29] Nie Y P, Chen H S, Wang K L. Seasonal variation of water sources for plants growing on continuous rock outcrops in limestone area of Southwest China. Chinese Journal of Plant Ecology, 2011, 35(10): 1029-1037. 聂云鹏, 陈洪松, 王克林. 石灰岩地区连片出露石丛生境植物水分来源的季节性差异. 植物生态学报, 2011, 35(10): 1029-1037.

[30] Li S B. Influence of soil thickness and topography on plant community in the abandoned land. Application Technology of Soil and Water Conservation, 2012, (1): 12-14. 李树彬. 覆土厚度和地形对废弃地植物群落的影响. 水土保持应用技术, 2012, (1): 12-14.

[31] Ma K P, Huang J H, Yu S L,etal. Plant community diversity in Dong Ling mountain, Beijing, China: II species richness, eveness and species diversities. Acta Ecologica Sinica, 1995, 15(3): 268-277. 马克平, 黄建辉, 于顺利, 等. 北京东灵山地区植物群落多样性的研究Ⅱ丰富度、均匀度和物种多样性指数. 生态学报, 1995, 15(3): 268-277.

[32] Wang Z H. Dynamic principle of ecosystem restoration based on plant diversity. Chinese Journal of Applied Ecology, 2007, 18(9): 1965-1971. 王震洪. 基于植物多样性的生态系统恢复动力学原理. 应用生态学报, 2007, 18(9): 1965-1971.

[33] Li Q F, Liu W Y, Shen Y X,etal. Change of plant diversity of different rehabilitated communities on degraded mountainous area of Dry-hot Valley in Nanjian. Journal of Mountain Science, 2005, 23(5): 557-564. 李全发, 刘文耀, 沈有信, 等. 南涧干热退化山地植被恢复的植物多样性变化. 山地学报, 2005, 23(5): 557-564.

[34] Chen T G, Zhang J T, Shangguan T L,etal. The study of diversity in Shenweigou of Guandi Mountain, Shanxi province. Acta Botanica Boreali-Occidentalia Sinica, 2000, 20(4): 638-646. 陈廷贵, 张金屯, 上官铁梁, 等. 山西关帝山神尾沟植物群落多样性研究. 西北植物学报, 2000, 20(4): 638-646.

[35] McCann K S. The diversity-stability debate. Nature, 2000, 405: 228-233.

[36] Tilman D, Wedin D, Knops J. Productivity and sustainability influenced by biodiversity in grassland ecosystems. Nature, 1996, 379: 718-720.

[37] Wang C T, Long R J, Ding L M. Species diversity, community stability and ecosystem function—extension of the continuous views. Pratacultural Science, 2005, 22(6): 1-7. 王长庭, 龙瑞军, 丁路明. 草地生态系统中物种多样性、群落稳定性和生态系统功能的关系. 草业科学, 2005, 22(6): 1-7.

[38] Naeem S, Thompson L J, Lawler S P,etal. Declining biodiversity can alter the performance of ecosystem. Nature, 1994, 368: 734-737.

[39] Lv T T, Wang P, Yan H. Relationship between functional diversity and productivity in meadow and marsh plant communities. Chinese Journal of Plant Ecology, 2014, 38(5): 405-416. 吕亭亭, 王平, 燕红. 草甸和沼泽植物群落功能多样性与生产力的关系. 植物生态学报, 2014, 38(5): 405-416.

Grassland community species diversity and aboveground biomass responses to difference in cover soil thickness in restoration after mining damage

SUN Yong-Xiu1,2, YAN Cheng1*, XU Hai-Liang1, YAO Yan-Li1,2

1.XinjiangInstituteofEcologyandGeography,ChineseAcademyofSciences,Urumqi830011,China; 2.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China

This experiment examined different options for restoration of damaged steppe vegetation in the Kurt Kizu mining area, Xinjiang province, China. Different depths of cover soil (0, 10, 14, and 18 cm) were applied to mine-damaged steppe, and ground cover, height, aboveground biomass and species richness, diversity and evenness of the vegetation were measured. Key results were: 1) The number of species present and the diversity were highest when cover soil was applied at a thickness of 14 or 18 cm. The cover, height, and aboveground biomass of the vegetation generally increased with the thickness of cover soil, but the differences between 14 and 18 cm cover soil thickness were not statistically significant. 2) Species richness indices (RandMa) ranked: 14 cm cover soil thickness>10 cm cover soil thickness>18 cm cover soil thickness>0 cm cover soil thickness, while diversity indices (DandH′) ranked: 14 cm cover soil thickness>18 cm cover soil thickness>10 cm cover soil thickness>0 cm cover soil thickness. The community evenness indices (JswandEa) showed an inverse ranking to richness and diversity with 0 cm cover soil thickness>18 cm cover soil thickness>10 cm cover soil thickness>14 cm cover soil thickness. 3) There was a low positive correlation between community productivity and Shannon-Wiener and Simpson indices. Therefore, for the Kurt Kizu mining area, considering economic cost against ecological benefits when restoring damaged steppe, the appropriate cover soil thickness for ecological restoration of grassland vegetation is 14 cm.

Kurt Kizu mining area; temperate typical steppe; cover soil thickness; species diversity; aboveground biomass

10.11686/cyxb2016072

http://cyxb.lzu.edu.cn

2016-03-02；改回日期：2016-04-28

自治区科技支撑计划项目(201533110)和乌鲁木齐科技局科学技术计划项目(Y553141001)资助。

孙永秀(1990-)，女，山东临沂人，在读硕士。E-mail:1528775036@qq.com*通信作者Corresponding author. E-mail: yancheng@ms.xjb.ac.cn

孙永秀， 严成， 徐海量， 姚艳丽. 受损矿区草原群落物种多样性和地上生物量对覆土厚度的响应. 草业学报, 2017, 26(1): 54-62.

SUN Yong-Xiu, YAN Cheng, XU Hai-Liang, YAO Yan-Li. Grassland community species diversity and aboveground biomass responses to difference in cover soil thickness in restoration after mining damage. Acta Prataculturae Sinica, 2017, 26(1): 54-62.