新疆阿尔泰山富蕴矿区草地物种多样性与地形因子关系

郭建兴，罗腾飞，叶 茂*，殷锡凯，张凯丽，赵凡凡

（1.新疆师范大学，新疆乌鲁木齐830054；2.新疆干旱区湖泊环境与资源实验室，新疆乌鲁木齐830054；3.阿尔泰山国有林管理局阿勒泰分局，新疆阿勒泰市836500）

矿产资源开采业是新疆阿勒泰地区主要的产业之一，其矿产开发对新疆地区乃至我国西北经济发展、工业建设起着积极的作用［1］。但矿区开采活动也产生了水土流失、土地质量下降、植被破坏、物种多样性改变等一系列生态环境问题［2-6］。我国自20 世纪70 年代以来便进行了相应的矿区修复治理，并取得了很多的成就［7-8］。新疆阿尔泰山富蕴矿区在建国初期进行了大规模的露天开采，使土壤、植被等遭到破坏，进而带来很多生态环境问题［9］。近年来，富蕴矿区恢复治理过程主要分为人工恢复和自然恢复，在以自然恢复为主的方针指导下，取得了不错的效果［10］。生物多样性是当前群落生态学中十分重要的研究内容之一，目前生物多样性的研究以物种多样性的研究较多［11-12］。通过分析不同矿区生态自然恢复草地物种多样性变化对于完善矿区生态修复理论，进行矿区生态恢复重建具有积极作用。当下，有研究者进行过阿勒泰两河源植被多样性相关研究［13］，对富蕴矿区的研究则主要集中在矿区地质［14］、矿区勘探［15］及采挖［16］等领域，但对自然恢复下的富蕴矿区草地植被多样性的研究却很少。因此，本文基于草地群落物种多样性的调查实验，定量分析了富蕴矿区的草地物种多样性现况及一些影响因素，进而为阿尔泰山矿区草地恢复治理和草地可持续利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

阿勒泰富蕴县位于新疆阿尔泰山南麓、准噶尔盆地北缘，东临青河县，西连福海县，南延准噶尔盆地与昌吉州毗邻，北与蒙古国接壤，地理坐标88°10′~90°31′E、45°00′~48°03′N；地势北高南低，属北温带大陆性气候。年平均气温1.8℃，年平均降水量158.3 mm，年平均蒸发量1 692.5 mm。土壤以棕钙土、栗钙土、灰色森林土及棕色针叶林土为主；草地植被种类繁多，如蒲公英（Taraxacum mongolicum）、野苜蓿（Medicago falcata）、老鹳草（Geranium wilfordii）和千叶蓍（Achillea millefolium）等。县境内矿种齐全，以黄金、宝石、有色金属、稀有金属为主，其中有色金属居全疆之首、全国第二。

1.2 野外采样

2020 年6～7 月对富蕴典型矿区进行草地群落调查。选取一个典型的监测样点，根据样点选择3个不同方向样带，在每个样带里设置不同距离20 m×20 m 的样地，每个样地内选取3 个1 m×1 m 的小样方，调查样地的坡度、海拔、物种、数量、长势、高度和地上生物量等。具体方法为在富蕴县库依地区设置一个典型矿区样点，首先记录矿区的经纬度与海拔高度，其次，以矿区这个样点为中心设置辅射状向外的3条监测样带。在富蕴典型矿区选择了监测样点，根据监测样点选择3 条样带做草地样带调查，每个样带选取5个样地，距监测样点距离分别为100、300、500、700、1 000 m。主要调查了矿区草地的海拔、经纬度、盖度、物种、数量、高度和物种地上生物量等指标；根据相关计算方法得出3 条样带的草地物种多样性和生物量；再对比不同样带的物种多样性、生物量特征，明确其与地形因子存在的关系。各样地的基本信息见表l。

表1 样地基本信息Tab.1 Basic information of the plot

1.3 物种多样性方法

群落的物种多样性可反映群落中植物种类的丰富程度，群落物种多样性研究的测度常采用α-多样性和β-多样性体现；α-多样性不仅能反映群落中物种丰富度和群落内物种组成还可反映物种在群落中分布的均匀程度。在本研究中草地物种多样性采用α-多样性测度中的Margalef 丰富度指数、Simpson 优势度指数、Shannon-Wiener 多样性指数、Alatalo 均匀度指数，比较不同样带草地多样性的变化特征，计算公式如下［17-18］：

S 为样方中的总物种数；N 为样方中的总个体数；Ni为第i种物种的个体数；Pi为i种物种个体数占总个体数比例。

1.4 数据处理与分析

利用Excel 2010 进行实验数据初步处理，再利用SPSS 20.0软件进行统计分析，主要分析方法有单因素方差分析、相关性分析和回归方程分析；用Origin 2018软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 不同样带矿区草地物种多样性和生物量特征

不同距离各样带Margalef 丰富度指数无明显规律（图1），在500 m 距离Margalef 丰富度指数差异最大（0.70～1.10），100 m 则差异最小（0.79～0.88）；各样带在700～1 000 m 范围内Margalef 丰富度指数都呈现升高趋势。不同样带Simpson 优势度指数和Shannon-Wiener多样性指数变化趋势一致，在样带1和样带2 中Simpson 优势度指数和Shannon-Wiener多样性指数随距离不同都呈“M”型，而样带3 则呈“N”型，其中样带3整体高于其他样带。Alatalo均匀度指数各样带随距离变化趋势基本一致，都呈“M”型，样带3整体高于其他样带，其中300 m和700 m为两个高值，1 000 m 时Alatalo 均匀度指数差异最大（0.6～0.8）。由图2 可知，不同距离各样带生物量各不相同，样带1 在700 m 时生物量最低（36.7 g·m-2），100 m时最高（111.7 g·m-2），样带2则在1 000 m时生物量最低（51.7 g·m-2），700 m 时最高（66.8 g·m-2），样带3 在100 m 时生物量最低（89.5 g·m-2），300 m 时最高（126.8 g·m-2）；各样带离监测点500 m 距离时生物量差异最小，700 m 时差异最大。整体而言，三条样带中样带3物种多样性和生物量相比其他样带变幅较小，指数较高，这与其海拔落差小（1 906～1 922 m），坡度和缓（10～20°）等因素有直接关系。

图1 富蕴矿区草地不同距离各样带物种多样性指数Fig.1 Species diversity index of different distances and different belts of grassland in Fuyun mining area

图2 富蕴矿区草地不同距离各样带生物量Fig.2 Biomass in different distances and belts of grassland in Fuyun mining area

2.2 不同样带矿区草地物种多样性和生物量的关系

矿区草地物种多样性与生物量之间呈二次函数变化（图3）。其中样带3物种多样性指数与生物量呈“单峰”关系，样带2中Margalef丰富度指数和Alatalo均匀度指数与生物量则呈“U”型关系，而样带1 除Margalef丰富度指数与生物量呈“单峰”关系，其他多样性指数与生物量没有表现出显著的关系。Margalef 丰富度指数与生物量中样带1 的R2（0.864）最大，拟合效果最好；Simpson 优势度指数、Shannon-Wiener多样性指数和Alatalo均匀度指数与生物量中样带3中R2最大，分别为0.635、0.558和0.795。研究结果表明富蕴矿区草地物种多样性指数与生物量存在一定的相关关系，随着草地物种多样性的增加，样方的草地生物量会出现先升高后下降的趋势。同时样带3的相关性较好，这与海拔变幅和坡度和缓有着一定的关联性。其海拔和坡度变幅越大，生物量与物种多样性之间的关联性就会降低。

图3 不同样带矿区草地物种多样性和生物量的相关关系Fig.3 Correlation between grassland species diversity and biomass in mining areas in different belts

2.3 富蕴矿区草地物种多样性和坡度的关系

富蕴矿区物种多样性各项指数均与坡度存在负相关关系（表2），其中Alatalo 均匀度指数与坡度存在显著负相关关系。通过对各样地草地Margalef丰富度指数、Simpson 优势度指数、Shannon-Wiener多样性指数和Alatalo 均匀度指数与坡度分别进行回归拟合，拟合结果如图4。拟合结果表明：坡度与物种多样性指数也存在“单峰”关系，随着坡度的增加，样方的草地物种多样性呈现出先上升后下降的趋势。坡度与物种多样性存在一定的相关性，但坡度变化只能解释23.9%的Margalef 丰富度指数变化，34.4%的Simpson 优势度指数变化，36.2%的Shannon-Wiener多样性指数变化以及34.4%的Alatalo 均匀度指数变化。虽然坡度与草地物种多样性存在一定的负相关关系，但坡度不能作为富蕴矿区物种多样性变化的决定因素之一。

表2 草地物种多样性与坡度的相关性分析Tab.2 Correlation analysis of grassland species diversity and slope

图4 富蕴矿区草地物种多样性和坡度的关系Fig.4 Relationship between grassland species diversity and slope in Fuyun mining area

2.4 富蕴矿区草地物种多样性与海拔的关系

富蕴矿区草地植物Simpson 优势度指数、Shannon-Wiener 多样性指数和Alatalo 均匀度指数与海拔存在负相关关系（表3），其中Simpson 优势度指数和Shannon-Wiener 多样性指数与海拔存在显著的负相关关系。通过对各样地草地物种多样性与海拔分别进行回归分析发现，除了Margalef 丰富度指数外，其他均呈二次函数变化，且拟合关系较好；海拔与物种多样性呈现“U”型关系。研究结果表明：Simpson 优势度指数和Shannon-Wiener 多样性指数与海拔均存在较显著的负相关关系（P<0.05），同时随着海拔的增加，富蕴矿区草地样方的物种多样性呈下降趋势。

3 讨论

很多研究发现物种多样性与生物量的关系有很多种类型，包括“单峰”、“正相关”、“负相关”、“U”型和“不显著相关”等［19-24］。同时“单峰”关系在群落间出现的频率很高，在小地理尺度上出现的频率也高［12］。本研究通过选择3 条样带作对比，发现在富蕴典型矿区草地物种多样性和生物量存在“单峰”、“U”型和“不显著相关”的关系；其中样带3“单峰”关系的前半段，物种多样性随着生物量的增加而增加，后半段则呈现下降趋势。值得注意的是，在样带3 物种多样性和生物量均很高，这与海拔变幅和坡度和缓有重要关系即海拔坡度变幅越小，生物量和物种多样性之间的关系越紧密，同时这也是环境异质 性 产生的 结果，与Kassen 等［25］的 研 究结论一致。

图5 富蕴矿区草地物种多样性和海拔的关系Fig.5 Relationship between grassland species diversity and altitude in Fuyun mining area

针对坡度与物种多样性关系的结论，基本呈现单峰或者负相关格局，本研究中坡度为10°～15°间物种多样性相对较高，15°以上则逐渐呈下降趋势，研究结果为单峰曲线；这种规律的形成可能与多种自然人为原因具有关联。干珠扎布等［26］研究认为水分条件差异是影响物种多样性的关键因素，本研究中坡度较大区域物种多样性低可能与水分易于流失有关；袁建立等［27］认为过度放牧会导致物种多样性降低，该研究中坡度较低地区物种多样性低可能是因为放牧踩踏影响所致。虽然本研究坡度与草地物种多样性存在一定的关系，但坡度并不是唯一的影响因素。

在海拔与物种多样性的关系研究中，大部分呈现单峰格局，部分为负相关［28］。本研究中海拔与物种多样性呈现“U”型关系，同时相关性分析发现二者具有负相关关系，特别是Simpson 优势度指数和Shannon-Wiener多样性指数与海拔存在显著的负相关关系；该结果周芸芸等［29］对大坂山不同海拔高寒植被物种多样性研究结果一致。本研究中伴随着海拔的升高，物种多样性先呈现下降趋势，而后又逐渐升高；产生这种原因可能是生境水分、养分以及物种情况、放牧破坏及矿区草地恢复程度有关。同时牟晓明等［30］对高寒草甸不同生境研究表明海拔对生境水分、养分以及物种情况和放牧破坏有关，本研究中海拔高的区域物种多样性下降，这可能是不同海拔水热搭配不均和放牧活动造成的。值得关注的是该区域属于典型矿区，不同海拔矿区的草地恢复情况也是影响草地物种多样性的重要原因。

4 结论

本研究根据富蕴矿区草地物种多样性各项指数，对研究区物种多样性现状及其生物量和地形因子的关系进行了探讨。结果表明：富蕴典型矿区不同样带草地物种多样性和生物量存在“单峰”、“U”型以及“不显著相关”的关系，二者关系受海拔和坡度变幅的影响；坡度与物种多样性指数存在“单峰”和“负相关”关系；海拔与物种多样性呈“U”型和“负相关”关系。同时本研究仅探究了富蕴矿区物种多样性与生物量和地形因子的关系，并没有涉及其他相关的人为因子和环境因子。今后的工作应同时考虑不同影响因子，才能更好地了解阿尔泰山矿区草地物种多样性与各因子的关系，并深人探讨其中的机制，为阿尔泰山矿区草地恢复理论提供一定的依据。