矿山自然恢复中植物多样性与生物量关系研究

翟正江 杨汉宏 张勇 吴丽萍 柴志福 王铁军

摘要：为了更好地揭示黄土高原区矿山恢复过程中的植物多样性与生物量的关联机制，以黑岱沟露天矿不同自然恢复年限排土场为研究对象，采用统计学分析方法对植物种丰富度和swi指数（Shannon-Wiener Index）与地上生物量的关系进行了研究。结果表明：物种多样性指数和地上生物量在恢复18a达到最大，之后随恢复年限增加，物种多样性指数和生物量均减小；种丰富度和SWI指数与生物量的关系在不同的恢复时间成正相关关系，当恢复时间达到（或超过）10a时，种丰富度和swi指数与生物量的关系达到显著水平；SWI指数与生物量的关系较种丰富度敏感，一元线性回归方程有较大的斜率。利用种丰富度和SWI指数构建的回归关系预测地上生物量，其精度随植被恢复时间增加而提高，在恢复22a时分别达到91.6%和92.0%。

关键词：矿山自然恢复；物种丰富度；swi指数；回归分析；黄土高原区

中图分类号：S157.1 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.03.021

半干旱黄土高原草原区露天矿开采和排土场表土堆积导致的植被破坏是局地植被退化的主要原因之一。为了恢复和改善环境，排土场植被恢复是露天矿开采中一个必不可少的环节。在露天矿开采过程中，排土场弃土堆放并没有把表层土壤覆盖在最上层，而是按照开采顺序将深层土壤（或母质）覆盖在表层土上面，这样不仅破坏原生地貌和土壤结构，而且直接导致原生植被的灭绝。半干旱草原区露天矿排土场植被恢复有两种方式：一是通过人工措施营造不同乔、灌、草组合的人工恢复过程，二是在人工植被恢复措施保护下的植被自然恢复过程。后一种方式形成的区域成为研究半干旱黄土高原草原区植被自然恢复机制的天然场所。不同植被恢复年限的植物种多样性与地上生物量关系的研究，不仅是对植物多样性研究的扩展，而且是揭示半干旱草原区生态恢复机制的主要途径之一。

植被群落特征与生境关系分析是对生态脆弱地区植被过程认知的基础，也是生态学研究的热点，特别是针对人工和自然植被演替过程的研究，露天煤矿排土场发生的始于裸地的自然演替过程，成为恢复生态学研究的一个热点。已有的人工排土场植被恢复研究表明，在人工恢复（治理）过程的早期（5a之内），禾本科和菊科植物是优势植物，10～20a禾本科、豆科和菊科植物为优势植物，20a之后禾本科和菊科植物为优势植物。针对露天矿排土场自然植被恢复过程中植物多样性与地上生物量关系的研究相对较少，已有的报道集中在不同恢复阶段人工植物群落组成、结构与生物多样性方面，而尚未涉及自然恢复植被地上生物量与多样性的研究。此外，以植物种丰富度和香农一威纳指数（Shannon-Wiener Index，SWI）为指标进行的研究成为多样性与生产力关系研究的热点。由于自然界中植被组成的复杂性、多变性和对环境尺度的依赖性，因此有关植物多样性对生态系统地上生物量影响的研究结果有较大差别。现有的研究难以涵盖不同的生境，特别是对于露天矿排土场这种特定的人为干扰生境。

针对这种情况，笔者采用物种丰富度和SWI指数为植物多样性描述指标，在半干旱黄土高原区露天矿排土场对不同自然恢复年限（阶段）植物地上生物量与物种多样性的关系进行研究，旨在揭示排土场形成的裸地上不同自然恢复年限对植物多样性与地上生物量关系的影响机制。

1 研究区概况

以内蒙古自治区鄂尔多斯市准格尔旗东部的黑岱沟露天煤矿为研究区，地理坐标为东经111°10′-111°25′、北纬39°25′-39°59′，面积为55km2，属于晋、陕、蒙接壤的黄土高原地区，是我国乃至世界上土壤侵蚀最严重地区之一。该区属于中温带半干旱大陆性气候区，冬季严寒而漫长，夏季温热而短暂，昼夜温差较大，多年平均气温为6.5℃；多年平均降水量为408mm，其中60%～70%集中在7-9月；年水面蒸发量为1824.7～2896.1mm，日照时数为3119.3h。排土场自然恢复样地选择在北排土场（恢复22a）、东排土场（恢复18a）、东沿帮排土场（恢复10a）和内排土场（恢复7a）的自然植被恢复小区内。区内的优势植物种为克氏针茅、赖草、百里香、糙隐子草、铁杆篙及画眉草等。

2 研究方法

2.1 植被调查

植被调查时间为2015年8月12-25日。在选定的4个研究样区共调查了20个样地，每个样地调查10个1m×1m的植物样方（完整样方3个、频度样方7个）。调查内容包括植物种个体数、高度、出现频率和分种生物量等。地上生物量测定方法为沿地面剪下植物并用布袋取回，放入烘箱内，80℃恒温烘12h后称重。不同样地植被特征用4个样区的平均值表示，采用方差分析（ANOVA）进行显著性检验。在样方调查中共发现39种植物，其中恢复年限为7、10、18、22a的样地上分别出现14、23、28、26种（见表1）。

2.2 多样性指数计算与统计分析

植物种多样性指数的计算有许多方法，应用较为广泛的主要有种丰富度（即样方中植物种的数量）和香农一威纳指数（SWI）。

3 结果分析

3.1 群落特征差异

从表2可以看出，不同恢复年限样地植被特征在物种丰富度、SWI和地上生物量等指标上存在较大差异。从物种丰富度来看，恢复18 a后最多为12.4（13.8）个种，其余由多到少依次为10、22、7a；ANOVA分析显示，自然恢复7a的植物种丰富度与其他恢复年限有较显著性差异（Sig.<0.01），恢复10a与18a之间、18a与22a之間均存在较显著性差异。从SWI来看，自然恢复22a后达到最大值，为6.8（±1.1）；恢复10、18、22a之间差别不大，最大极差为1.2；ANVOA分析表明，自然恢复7、10、18a相互间存在较显著性差异，而恢复22a仅与恢复7a存在较显著性差异。从地上生物量来看，恢复18a的最高，为154.5（±46.1）g/m2，其余由高到低依次为22、10、7a的；除恢复22a与10a之间无显著性差异外，其他年份之间都存在较显著性差异。

3.2 植物种多样性与地上生物量的关系

在自然恢复7、10、18、22a的排土场，物种丰富度和SWI指数与地上生物量之间均成正相关关系，地上生物量随物种丰富度和SWI指数增大而增大（见图1）。但是，在统计学显著性检验上存在明显区别。

首先，从植物种丰富度与地上生物量的关系来看，在恢复7a后（见图1（a）），二者的线性回归拟合方程F检验显著性较低（F=5.282F19，0.01=8.180，Sig.<0.001），回归方程常数项和自变量种丰富度t检验都达到了显著水平（Sig.<0.001）。在自然恢复达到22a后，物种丰富度和SWI与地上生物量之间的关系也比较密切（见图1（g）），二者拟合回归方程F检验达到显著水平（Sig.<0.001，F=29.617>F19，0.01=8.180，），自变量t检验为显著，但常数项t检验没有达到显著水平（Sig.=0.930）。以上分析表明：在矿山复垦恢复过程中植物种丰富度与地上生物量关系成正相关，但是在线性回归分析中只有在恢复18a时构建的回归方程通过了方程F检验和自变量、常数项t检验；在恢复10a和22a中分别有一项参数没有通过t检验；恢复7a的回归方程等都未通过显著性检验，表明除恢复7a外，其他恢复阶段构建的回归方程可预测物种丰富度与地上生物量之间的关系。

其次，从SWI与地上生物量的关系来看，恢复7a后（见图1（b）），二者回归拟合方程F检验显著性较低（F= 7.446