宁东矿区天然植物群落特征及其与土壤理化性质的关系

丰 菲, 许 丽, 顾清敏, 刘 莹, 杨宇平, 刘瑞瑶

(1.内蒙古农业大学 沙漠治理学院, 内蒙古 呼和浩特 010018; 2.荒漠生态系统保护与修复国家林业局重点实验室,内蒙古 呼和浩特 010018; 3.国家能源集团 宁夏煤业有限责任公司 羊场湾煤矿, 宁夏 银川 751409)

宁东煤田含煤面积3 500 km2，目前已探明储量2.73×1014kg，占宁夏回族自治区煤炭资源探明储量的88.6%[1]，煤炭开采为人类带来经济效益的同时，也会致使矿区生态环境遭到破坏[2]。国内外研究[3-4]表明，植被的恢复是改变矿区恶劣生态环境的有效途径，植被恢复不仅可以构建退化矿区生态系统初始群落，还可以在短期时间内有效的改良土壤结构，增加肥力，恢复土壤微生物种类及数量，促使矿区整个生态系统朝正向发展。而矿区极端的生境使得植被的自然恢复极其缓慢，一般需要50～100 a才能达到满意的覆盖度，而土壤则需要100～10 000 a才能恢复[5]，因此矿区生态修复过程中采取人工植被重建显得尤为重要。近年来，国内外对煤矸石山的复垦大多通过灭火，覆土整地和植被重建等方法；由于煤矸石山与其他土壤存在差异，因此需要参照区域群落组成，选择适生的乡土优势种和建群种，辅助外来树种进行植被恢复[6]。众多学者在矿区生态修复过程中提出了近自然生态修复的理念，借鉴矿区周围未扰动区域的生态系统结构、组成和功能，在尊重自然格局的基础上有效地结合人工诱导方式，逐步接近或达到矿区周围未扰动生态系统结构和功能等[7]。王晓春等人[8]研究表明，在人工加快矸石山植被恢复过程中，优先选择原始自然植物为首选种类，因此对矿区天然植物的研究尤为重要。目前，对于宁东矿区煤矸石山的治理多进行覆土，且覆土来源于矸石山周边土壤，平整土地后进行植被的栽植。许丽等人[9]对宁东枣泉煤矸石山平台人工种植的侧柏(Platycladusorientalis)、侧柏+柠条锦鸡儿(Caraganakorshinskii)+沙拐枣(Calligonummongolicum)和柠条锦鸡儿+沙拐枣3种植被配置类型植物群落特征进行研究，结果表明枣泉煤矸石山植被建制初期，侧柏乔木型较为适宜。姚丽霞等人[10]对宁东羊场湾排矸场人工种植的乔灌草、灌草、观赏性灌草和灌木林4种配置类型的植物群落特征及各配置模式与保育系统环境经济效益进行研究，从能值产出率、投资率等不同角度分别选出最优模式。郜超等人[11]通过对宁东羊场湾排矸场植被配置模式评价的研究表明，植被的恢复重建是干旱区排矸场生态修复的主要技术，研究区采取黄土覆盖+乔灌草结合种植是最佳的技术措施。目前，一些学者对于宁东矿区排矸场生态重建的研究中普遍存在植被建制时间短的问题，只能在植被建制短期时间内筛选较适宜的模式，由于排矸场覆土来源于矸石山周边，因此对于矿区天然植物群落特征及土壤的研究至关重要。为此，本文将通过研究宁东矿区天然植物群落特征及其与土壤理化因子的关系，选择当地的适生植物种并了解影响植被自然分布的理化因子，从而为宁东矿区煤矸石山生态重建过程中植物种的选择提供科学依据。

1 研究区概况

宁东矿区位于宁夏回族自治区灵武市境内，地理坐标为105°35′24″—106°22′12″E，37°36′0″—38°0′36″N，气候类型为典型的中温带大陆性气候，年平均气温6.8～8.7 ℃，年平均降水量255 mm，年平均蒸发量2 088.20 mm，区内干旱少雨，蒸发强烈，地形以低山丘陵为主，地势大致呈东南向西北倾斜，土壤类型有淡灰钙土和风沙土等，有机质含量较低；植被主要以荒漠草原植被和草原带沙生植被为主[12-13]。灵武地区主要的灌木植物群落有猫头刺(Oxytropisaciphylla)、沙蒿(Artemisiadesertorum)、柠条锦鸡儿、红砂(Reaumuriasoongarica)和沙冬青(Ammopiptanthusmongolicus)等，常见的草本植物群落有沙生冰草(Agropyrondesertorum)、芨芨草(Achnatherumsplendens)和沙蓬(Agriophyllumsquarrosum)等[14]。宁东矿区天然植物群落以灌木为主，主要有柠条锦鸡儿、细枝岩黄耆(Corethrodendronscoparium)、黑沙蒿(Artemisiaordosica)、沙冬青和藏锦鸡儿(Caraganatibetica)等。

2 研究方法

2.1 样地设置与调查取样

本研究以宁东矿区天然植物群落及土壤为研究对象，选取矿区内低缓半沙丘，固定、半固定沙地和低山丘陵3种主要地貌类型典型分布的柠条锦鸡儿+黑沙蒿—拐轴鸦葱(Scorzoneradivaricata，Ⅰ)、细枝岩黄耆+柠条锦鸡儿—白莲蒿(Artemisiasacrorum，Ⅱ)、细枝岩黄耆+沙拐枣—披碱草(Elymusdahuricus，Ⅲ)、黑沙蒿+白刺(Nitrariatangutorum)—狗尾草(Setariaviridis，Ⅳ)、沙冬青+柠条锦鸡儿—地肤(Kochiascoparia，Ⅴ)和藏锦鸡儿—猪毛菜(Salsolacollina)+芨芨草(Ⅵ)6种天然植物群落进行研究，调查取样于2019年8月进行，在各个天然植物群落中设置3个5 m×5 m灌木样方，并以对角线形式设置3个1 m×1 m草本样方，在具有乔木树种的柠条锦鸡儿群落设置3个10 m×10 m乔木样方，分别调查样方内植被种类、盖度、高度、密度、胸径(基径)、冠幅等指标，取植被的地上部分带回实验室烘干称重，计算生物量。土壤样品的采集，在各群落的灌木样方内以对角线形式采集0—20 cm层土样1 kg，以备土壤理化学性质(土壤砾石含量(>2 mm)、pH值、速磷、速钾、碱解氮、有机质)的测定。同时取环刀及铝盒土壤样品，以备土壤容重和田间持水量的测定。样地及天然植物群落分布情况详见表1。

表1 宁东矿区样地基本概况

2.2 植物群落特征指标计算

2.2.1 重要值计算 重要值可以反映一个物种在群落中的地位和作用，是该物种的综合数量指标。计算公式[9,15]为：

Ⅳ=(Hr+Cr+Dr+Br)/4

(1)

式中：Hr为相对高度(%);Cr为相对盖度(%);Dr为相对密度(%);Br为相对生物量(%)。

2.2.2α多样性指数计算 为了反映群落的物种组成、功能和结构的异质性，采用α多样性指数进行分析，其计算公式[16]为：

Patrick丰富度指数(R)：

R=S

(2)

Shannon-Wiener多样性指数(H′)：

H′=-∑Piln(Pi)

(3)

Simpson多样性指数(D)：

D=1-∑(Pi)2

(4)

Pielou均匀度指数(JSW)：

JSW=H′/lnS

(5)

式中：S为物种i所在群落的物种总数(种);Pi为物种i的相对重要值(%)。

2.2.3 Sorenson相似性系数 Sorenson相似性指数测度各群落间相似性，计算公式[17]为：

Cj=2j/(a+b)

(6)

式中：a，b分别为两植被群落的植物种数(种);j为两群落共有的植物种数(种)。

2.3 土壤理化因子的测定方法

土壤砾石含量为大于2 mm筛的土壤质量所占的百分数，并依据土壤机械组成划分土壤质地类型[12]。铝盒土样于105 ℃烘干24 h称其干重计算土壤容重，实验室测定田间持水量。采用pH计、重铬酸钾氧化—外加热法、碱解扩散法、0.5 mol/L碳酸氢钠法提取、NH4OAc浸提—火焰光度法分别测定土壤pH值、有机质、碱解氮、速效磷和速效钾[18]。

2.4 数据处理

采用单因素方差分析法(one-way ANOVA)分析不同群落间植物种生长状况和α多样性指数的差异显著性，单因素方差分析在SPSS 22.0中进行，植物种多样性指数和土壤理化因子的冗余分析(RDA)在Canoco 5.0中进行。

3 结果与分析

3.1 不同群落类型植被组成特征

由表2和图1可知，宁东矿区6种典型天然植物群落共调查到植物15科48属55种，集中分布于菊科、豆科、藜科和禾本科4科。各群落在物种组成上存在一定差异，6个群落中藏锦鸡儿—猪毛菜+芨芨草群落的灌木层植物种类最多为8种，均为矮小灌木且呈簇状分布，藏锦鸡儿盖度最大为7%，灌木植物的平均高度为24.56 cm，其灌木层平均高度与其他5个群落差异显著；黑沙蒿+白刺—狗尾草群落灌木层植物种组成最少，仅有黑沙蒿和白刺两种，黑沙蒿的重要值占到67.44%。6个群落中的细枝岩黄耆+柠条锦鸡儿—白莲蒿群落林下草本植物种组成最少，主要由于该群落灌木物种所占比例较大，其灌木物种平均高度为202.54 cm，灌木植物的地上生物量在6个群落中最大为141.28 g/m2，且其草本植物优势种白莲蒿分布广泛，因此导致其他草本植物生长受到限制，该群落灌木层和草本层的平均高度和地上生物量在6个群落中均最大。6个群落类型中只有沙冬青+柠条锦鸡儿—地肤群落和藏锦鸡儿—猪毛菜+芨芨草群落林下草本以一年生草本植物为主，且草本层优势种均为藜科植物，主要由于两群落分布区域相近；且土壤质地均为砾质砂土，其砾石含量所占的百分数分别为3.89%和22.11%，与其他群落土壤质地存在差异。

表2 宁东矿区不同群落类型植被组成及其重要值

各群落灌木层的植被盖度和高度均大于其林下草本植物的盖度和高度。由差异显著性可知，群落Ⅵ灌木层的盖度、高度与群落Ⅰ，Ⅱ，Ⅳ和Ⅴ之间均存在显著差异，群落Ⅱ灌木层和草本层生物量与其他群落间差异均显著。

3.2 不同群落类型α多样性指数变化

图2为研究区不同植被群落类型的α多样性指数特征。由图2可知，Patrick丰富度指数和Shannon-Wiener多样性指数数值在各群落中均表现为：草本层>灌木层，Pielou均匀度指数则表现为：草本层<灌木层。

图2 宁东矿区不同植被群落类型α多样性指数特征

续表2：

均匀度反映样地植物分布的均匀程度，矿区6个天然植物群落灌木层和草本层Pielou均匀度均无显著差异，细枝岩黄耆+沙拐枣—披碱草群落灌木层和草本层的Pielou均匀度指数在6个群落中均为最高，其数值分别为0.94，0.91；沙冬青群落均最低，其数值为0.88和0.85，由于其灌木层植物约55%个体数为沙冬青，草本植物个体数多集中于其草本植物优势种地肤上，因此该群落均匀度较低。多样性指数是物种丰富度和均匀度综合的数量指标，6个群落中细枝岩黄耆+柠条锦鸡儿—白莲蒿群落灌木层Simpson多样性和Shannon-Wiener多样性指数数值均为最高，草本层则均最低其数值分别为0.67和1.27，主要由于其灌木物种在每个样方中出现，均匀性较好，草本层多样性低由于其草本植物优势种白莲蒿所占比例较高。

注：图中小写字母表示差异性，不同小写字母表示同一层次不同群落类型差异显著(p<0.05)。下同。

3.3 不同群落类型物种Sorenson相似性

由表3灌木层物种相似性指数可知，群落Ⅱ和Ⅲ物种相似性最高为0.75，两群落共有物种细枝岩黄耆、柠条锦鸡儿和沙拐枣3种，主要由于两样地灌木层优势种均为细枝岩黄耆，因此在灌木物种组成上相似性较高。群落Ⅳ与Ⅱ和Ⅴ物种相似性指数均为0.00，由于群落Ⅳ所含灌木物种仅有黑沙蒿和白刺两种。灌木物种柠条锦鸡儿在Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅴ和Ⅵ这5个群落中均有分布且生长良好，由此可知柠条锦鸡儿在当地生长较为适宜。群落Ⅵ所含灌木种类最多而与其他群落相似性较低，主要由于藏锦鸡儿—猪毛菜+芨芨草群落灌木层的藏锦鸡儿、裸果木、霸王、蒙古犹和华北驼绒藜仅在群落Ⅵ生长。由表3草本层物种相似性指数可知，群落Ⅲ和Ⅴ共有黎和角蒿等12种，其物种相似性最高为0.62，群落Ⅱ和Ⅵ物种相似性最低为0.22。其中草本植物地肤在6个群落中均有分布，角蒿、蓝刺头和狗尾草在其中5个群落分布。

表3 研究区不同群落物种Sorenson相似性指数(Cj)

3.4 不同群落类型α多样性指数与土壤理化因子的相关关系

进行冗余分析(RDA)过程中，分别以宁东矿区6种典型的天然植物群落灌木层和草本层的Patrick丰富度、Pielou均匀度、Shannon-Wiener多样性和Simpson多样性4个指数作为响应变量，以各群落土壤理化因子(土壤容重、田间持水量、砾石含量、有机质、pH值、碱解氮、有效磷和速效钾)作为解释变量，进行两者之间的冗余分析，以期得到影响各群落植物种多样性指数的土壤理化因子。由冗余分析结果可知，灌木层冗余分析前两个排序轴解释率为72.37%。由图3可知，灌木层Pielou均匀度指数与土壤田间持水量呈正相关关系，与土壤容重呈负相关；Patrick丰富度指数与土壤碱解氮、砾石含量、速效钾和有机质呈正相关，与pH值呈负相关；总体来看，土壤容重和pH对各群落植物种多样性贡献率较大，分别为33.3%和33.1%。由图3可知，草本层植物种Patrick丰富度指数与土壤有机质、田间持水量和速效磷呈正相关关系，土壤田间持水量和有机质对群落草本层植物种多样性贡献率较大，分别为28.5%和24.5%。

4 讨 论

本研究通过对宁东矿区6种天然植物群落类型进行研究，共调查到植物55种，隶属于15科48属，集中分布于菊科、豆科、藜科和禾本科。许丽等人[9]对宁东枣泉煤矸石山人工配置类型样地植物种研究结果表明，植物种也集中分布于这4科，可能由于研究样地均属于宁东矿区。研究区灌木物种柠条锦鸡儿在其中5个群落中均有分布且长势较好，在干旱半干旱区种植柠条锦鸡儿具有显著的生态恢复效应[15]，因此在宁东矿区植被重建时可优先选择灌木物种柠条锦鸡儿。植物种多样性可以反映群落结构特征，稳定性和发展阶段等问题[19]。6个群落中藏锦鸡儿—猪毛菜+芨芨草群落的灌木层植物种类最多为8种，均为矮小灌木且呈簇状分布，藏锦鸡儿盖度最大为7%，灌木植物的平均高度为24.56 cm，其灌木层平均高度与其他5个群落显著差异；主要由于该样地砾石含量所占的百分数在6个群落中最大，为22.11%，与其他群落土壤质地存在差异，因此其物种组成与其他群落间存在显著差异。矿区6个天然植物群落灌木层和草本层Pielou均匀度均无显著差异，草本层和灌木层均匀度指数最低为0.85，最高为0.94；且各群落Pielou均匀度指数均表现为灌木层>草本层，主要由于各群落以灌木植物为主且均为当地原始天然植被类型，因此其灌木层均匀度均较高。

注：S-R为灌木层Patrick丰富度指数； S-H为灌木层Shannon-Wiener多样性指数； S-D为灌木层Simpson多样性指数； S-Jsw为灌木层Pielou均匀度指数； H-R为草本层Patrick丰富度指数； H-H为草本层Shannon-Wiener多样性指数； H-D为草本层Simpson多样性指数； H-Jsw为草本层Pielou均匀度指数。

通过冗余分析可知，灌木层Patrick丰富度指数与土壤碱解氮、砾石含量、速效钾和有机质呈正相关，土壤容重对各群落植物种多样性贡献率较大；草本层植物种Patrick丰富度指数与土壤有机质、田间持水量和速效磷呈正相关关系，土壤田间持水量和有机质对群落草本层植物种多样性贡献率较大。李学斌等人[20]通过对宁夏盐池县荒漠草原的土壤粒径及养分关系的研究表明，不同群落间土壤粒径分布差异明显，土壤颗粒组成、结构和孔隙数量影响植被的生长，与本研究结果相似。李向磊等人[21]通过对内蒙古胜利煤矿周边不同距离草地植物与土壤因子冗余分析结果表明，植物多样性指数与土壤有机质，含水量，速效磷等呈正相关。Noumi[22]研究表明土壤有机质，磷含量对植被有一定影响。贾荣等人[23]在宁夏东北部荒漠草原区研究样地调查可知，其土壤平均pH值8.81与本研究样地pH值均值8.84仅差0.03，均属于碱性土，可能由于研究样地均在干旱区的宁夏回族自治区镜内，且研究区均与灵武市较近，因此土壤pH相近。藏锦鸡儿—猪毛菜+芨芨草群落与其他群落Sorenson相似性较低，由于其土壤类型的不同，因此在物种组成上存在明显差异，李亚等人[24]通过对甘肃引黄灌区天然植被的研究表明，种群不同其土壤特性和立地条件也存在差异。

5 结 论

(1) 宁东矿区6种天然植物群落中共调查到植物55种，隶属于15科48属，集中分布于菊科、豆科、藜科和禾本科4科。

(2) 宁东矿区煤矸石山植被重建时，对于覆土土质为壤质砂土或砂质壤土，优先选择柠条锦鸡儿、细枝岩黄耆、黑沙蒿和沙拐枣等灌木树种；少砾质砂土选沙冬青和柠条锦鸡儿；多砾质砂土可选藏锦鸡儿、裸果木和胡枝子等灌木物种。

(3) 灌木层Patrick丰富度指数与土壤碱解氮、砾石含量、速效钾和有机质呈正相关，与pH值呈负相关；土壤容重对各群落灌木层植物种多样性贡献率较大；草本层植物种Patrick丰富度指数与土壤有机质、田间持水量和速效磷呈正相关关系，土壤田间持水量和有机质对群落草本层植物种多样性贡献率较大。