煤矸石山植物物种多样性与土壤化学因子的关系
——以灵武矿区生态修复初期为例

许 丽,丰 菲,刘 莹,杨宇平,郑雯丹

(内蒙古农业大学沙漠治理学院,内蒙古呼和浩特 010018)

摘 要:为了得到灵武矿区枣泉煤矸石山生态修复初期优化的植被配置模式,以及影响植物物种多样性的土壤化学因子。 通过野外调查结合重要值、α 多样性指数和群落相似性系数,对枣泉煤矸石山平台人工重建的乔木林、乔灌木混交林和灌木林3 种植被配置类型的植物种类组成、群落结构及α 多样性指数的变化,以及各指数与土壤化学因子间的相关关系进行研究,并以矸石山周边自然地貌上的植被为对照。 结果表明:①枣泉煤矸石山3 种植被配置类型的样地共有植物8 科22 属24 种,菊科植物7 种,占总物种数的29.17%;藜科植物6 种,占总物种数的25%;豆科和禾本科植物均为4 种,各占16.67%。 ②3 种植被配置类型林下多年生草本植物种数占草本层总数的比例大小顺序为:乔木林地(50.00%)>灌木林地(46.67%)>乔灌混交林(38.46%),自然地貌的多年生草本植物占其草本层的比例为68.75%。 ③3 种植被配置类型中灌木林地草本层植物种Shannon-Wiener 多样性指数和Simpson多样性指数、Patrick 丰富度指数和Pielou 均匀度指数数值均为最高。 ④土壤碱解氮与各指数间相关性最高,说明土壤碱解氮含量对植物物种多样性的影响作用较大。 ⑤3 种植被配置类型中乔木林地草本植物种类组成在科、属及种的层次上与自然地貌草本植物组成相似性最高,其林下草本植物盖度、密度、生物量、土壤含水量、土壤有机质和全氮含量均高于乔灌木混交林和灌木林。 枣泉煤矸石山生态修复初期3 种植被配置类型中乔木林地配置模式较为适宜,且影响植物物种多样性的土壤化学因子主要为土壤碱解氮。

关键词:灵武矿区;煤矸石山;生态修复;植物物种多样性;土壤化学因子

0 引 言

煤矸石是煤炭开采、分选及加工过程中产生的固体废弃物,占原煤产量的10%~30%[1],煤矸石的大量堆积是矿区生态环境恶化的主要原因之一[2]。矸石的堆弃不仅对大气、水体及土体造成污染,而且对植被资源形成破坏[3],最终导致矿区植物物种多样性降低,生态系统稳定性下降以及生态功能的退化。 根据相关研究[4],矿区矸石山植被的自然恢复是一个极其缓慢的过程,一般需要50 ~100 年才能达到预期的恢复效果。 灵武矿区枣泉煤矿矸石山地处我国西北干旱荒漠区的宁夏灵武市境内,具有干旱风大,降水稀少,地表蒸发强烈,土地沙化严重,植被退化及生态系统及其脆弱的特点[5]。 因此人工植被的重建是矿区生态环境修复的首要工作,而分析人工植被重建效果是评价生态环境修复的重要环节[6-7]。 其中植物与环境之间相互联系,植物物种多样性不仅可以反映群落的稳定程度、结构类型及其空间分布格局,而且可以评价植物群落的发展变化,同时预测环境的保护状态[8-10]。 目前,对于灵武矿区枣泉煤矸石山植物物种多样性的研究还未见报道。 有学者对灵武市地带性植被做了相关研究,唐志海等[11]通过对宁夏灵武市荒漠化草原人工补植柠条、沙打旺等灌草种的封育地进行调查,结果表明,封育区植被得到恢复且荒漠化得到有效遏制。陈晶[12]对宁夏盐池县荒漠草原植被研究发现,6—9月封育草地、沙打旺补播草地和柠条补播草地的植被高度、密度、盖度和生物量,以及物种Shannon-Wiener 多样性指数、Pielou 均匀度指数和丰富度指数均高于未封育草地。 珊丹等[13]通过对典型草原露天矿排土场不同植被配置类型物种组成进行研究,发现采取人工措施的样地植物种类明显增加,且排土场采取柠条+紫花苜蓿的配置模式恢复效果良好。 郝志远[14]通过对山西潞安矿区2 座煤矸石山复垦地植被与土壤进行研究,结果表明矸石山植被建植初期,不同植被恢复模式和坡向是影响植被分布的主导因素。 至2018 年以来,当地政府及有关部门高度重视矿区的修复,并在灵武矿区开展了大量的修复工程,而对于矿区煤矸石山植物物种多样性的研究还未见报道。 基于此,笔者通过野外调查结合室内研究,对灵武矿区枣泉煤矸石山生态修复初期植物物种多样性及其与土壤化学性质的关系进行了研究,以期在现有的乔木林、乔灌木混交林和灌木林3 种植被配置类型中选择优化的配置模式,从而为矸石山植被重建提供依据。

1 矿区概况

枣泉煤矿位于宁夏灵武市东南62 km 的毛乌素沙 地 边 缘, 地 理 坐 标 为 E106° 30′—106° 35′,N37°52′—38°02′[15]。 气候类型为典型的大陆性季风气候,年平均降水量为203.4 mm,年蒸发量为2 114.4 mm,年平均气温 8.8 ℃[16];海拔高度为1 300—1 435 m;区内沙丘广布,新月形沙丘居多,四周由固定、半固定沙地和低山丘环绕,属低缓半沙丘地貌,呈现为北高南低的地势,地形总体比较简单,属荒漠半荒漠地带,土壤类型主要为风砂土、粉细砂及盐碱土[17-18];地带性植被为荒漠草原,天然植被有猫头刺(Oxytropis aciphylla)、沙蒿(Artemisia desertorum)、 白 刺 (Nitraria tangutorum)、 芨 芨 草(Achnatherum splendens)、沙生冰草(Agropyron desertorum)和沙蓬(Agriophyllum squarrosum)等[11]。 枣泉煤矿开采方式为地下开采,井田南北长13 km,东西宽4 km,井田面积52 km2,设计生产能力1 000 万t/a[19]。 矸石场位于枣泉煤矿工业广场西侧,占地21.8 hm2。 矸石场平台采取压实、平整治理之后覆盖周边沙性土,覆土厚度为0.5 ~1.0 m。 对覆土后的矸石山平台进行植被重建,矸石山人工栽植植被有 侧 柏 ( Platycladus orientalis)、 柠 条 锦 鸡 儿(Caragana korshinskii)和沙拐枣(Calligonum mongolicum),并于后期进行人工灌溉。

2 样地选取与测定方法

2.1 样地设置与调查取样

研究以灵武矿区枣泉煤矸石山平台人工重建的植被及土壤为研究对象,植被重建2 年后,根据不同的植被配置模式,选以下3 种人工植被类型:乔木林、乔灌木混交林和灌木林,以矸石山周边自然地貌的植被为对照,并于2019 年8 月进行植被调查与取样。 在调查植被种类组成及其生长状况时,各样地随机设置3 个10 m×10 m 的乔木样方,3 个 5 m×5 m 的灌木样方,并在每个5 m×5 m 的灌木样方中随机设置3 个1 m×1 m 的草本样方。 共调查植物木本和草本样方54 个。 木本植物调查其密度、高度、盖度、冠幅和胸径(基径)等指标,草本样方调查植被种类、密度、盖度、高度,并取灌木和草本地上部分带回实验室称其鲜重并在85 ℃下烘干24 h,称量干重计算生物量。 土壤样品的采集,在各样地每个灌木样方中以对角线形式取0 ~20 cm 层土样,混合均匀后采用四分法取1 kg 带回实验室风干,以备土壤化学性质(有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、速效磷和速效钾)的测定,同时在0~20 cm 层土样中取3个10~15 g 土样分别装于空重铝盒中称其鲜重,带回实验室于105 ℃烘箱中烘至恒重以备土壤含水量测定。 样地基本概况见表1。

表1 样地基本概况
Table 1 Basic overview of plot

植被类型 人工植被配置形式 覆土厚度/m 植被生长状况乔木林 以株行距2.5 m×2.5 m 栽植侧柏大苗 1.0 样地群落盖度65%;侧柏平均高205.0 cm,冠幅105 cm×116 cm,地径45.12 mm;林下自然生草本:盖度32%,平均高12.31 cm乔灌混交林侧柏、柠条锦鸡儿和沙拐枣6 ∶3 ∶1 种植,以株行距2.5 m×2.5 m 栽植侧柏大苗,以株行距1 m×2 m 相间扦插柠条锦鸡儿和沙拐枣枝条1.0样地群落盖度60%;侧柏平均高222.4 cm,冠幅104 cm×96 cm,地径40.67 mm;柠条锦鸡儿平均高78.67 cm,冠幅70.33 cm×76.33 cm,地径7.76 mm;沙拐枣平均高125 cm,冠幅95 cm×125 cm,地径9.71 mm;林下自然生草本:盖度15%,平均高9.67 cm灌木林柠条锦鸡儿与沙拐枣3 ∶1 种植,以株行距1 m×2 m 相间扦插柠条锦鸡儿和沙拐枣枝条0.5样地群落盖度50%;柠条锦鸡儿平均高75.33 cm,冠幅65.67 cm×71 cm,地径12.37 mm;沙拐枣平均高 131.57 cm,冠幅 134.71 cm×133.29 cm,地径 18.59 mm;林下自然生草本:盖度 13%,平均高14.58 cm自然地貌的植被 — —样地群落盖度70%;柠条锦鸡儿平均高92 cm,冠幅165 cm×120 cm,地径6.33 mm;沙冬青平均高108 cm,冠幅240 cm×170 cm,地径19.24 mm;黑沙蒿平均高41 cm,冠幅178 cm×140 cm,地径13.54 mm;林下草本:盖度24%,平均高17.30 cm

2.2 测定方法

2.2.1 植物群落分析计算

1)物种重要值(IV)是反映物种在群落中作用与地位的综合数量指标,计算公式[20-21]

式中:Hr为物种相对高度;Cr为物种相对盖度;Dr为物种相对密度;Br为物种相对生物量。

2)为了反映群落的物种组成、结构类型及其空间分布格局,采用Patrick 丰富度指数R、Shannon-Wiener 多样性指数 H′、Simpson 多样性指数 D 和Pielou 均匀度指数JSW等4 种α 多样性指数进行分析,其计算式[3,22]

式中:R 为反映群落中物种数量的多少;H′和D 是反映植物群落丰富度与均匀度的综合数量指标;JSW为反映群落个体分布的均匀程度的数量指标; S 为物种i 所在群落的物种总数; Pi 为物种i 的相对重要值。

3)Jaccard 群落相似性系数。 根据文献[23]Jaccard 群落相似性C′计算公式为

式中:a 为群落 A 与 B 共有物种数量;b 为仅有 B 群落有,而A 群落没有的物种数量;c 为仅有A 群落有,而B 群落没有的物种数量。

2.2.2 土壤化学因子测定

土壤化学因子的测定参见鲍士旦的《土壤农化分析》[24],土壤含水量采用烘干法;土壤有机质采用重铬酸钾氧化-外加热法;全氮采用半微量开氏法测定;全磷采用NaOH 熔融-钼锑抗比色法测定;全钾采用NaOH 熔融-火焰光度法测定;速效磷采用0.5 mol/L 碳酸氢钠法提取;速效钾采用NH4OAc 浸提-火焰光度法测定;碱解氮采用碱解扩散法测定。

3 结果分析与讨论

3.1 不同植被配置类型的植物群落组成变化

3.1.1 群落组成的科属特征

枣泉煤矿矸石山研究样地内共出现植物27 种,隶属于9 科25 属,多集中于菊科、藜科、豆科和禾本科。 黄锐兴等[25]在相邻的宁夏盐池县植被调查的研究结果表明:研究区以菊科、禾本科、豆科和藜科为主,物种在科的层次上所占比例的差异是由于土壤质地的不同,研究样地湿地是陆生生态系统和水生生态系统之间的过渡性地带,其季节性积水明显,土壤水分状况良好,植被种类丰富,而该研究区土壤为沙性土持水能力较湿地相对较低,因此植物种在科的层次上所占比例差异较大。 该矸石山生态修复初期3 种人工植被配置类型的样地共出现植物24种,隶属于8 科22 属,8 个科中单种科占37.5%,22个属中单种属占90.91%,说明单种属比较占优势[26]。 其中24 种植物中菊科植物7 种,占总物种数的29.17%;藜科植物6 种,占总物种数的25%;豆科和禾本科植物均为4 种,各占16.67%。 自然地貌共出现植物19 种,隶属于7 科17 属,其中菊科和豆科植物种数共10 种,占总物种数的52.63%(表2)。由表2 可知,3 种植被配置类型样地间植物种数差异较小,藜科植物种数在各配置样地中所占比例最大。

3.1.2 群落组成的物种特征

以各植被配置类型样地的草本植物种为依据,将草本植被生活型划分为一年生草本和多年生草本2 种,对其所占比例进行分析(图1)。 由图1 可知,3 种植被配置类型的林下草本植物中,多年生草本植物种数占其草本层植物种数的比例γ 由大到小表现为:乔木林地(50%)>灌木林地(46.67%)>乔灌混交林地(38.46%),自然地貌上多年生草本植物种数占其草本层植物种数的比例为68.75%。

不同植被配置类型植物群落物种组成及其重要值见表3。 由表3 可知,研究样地共有植物27 种,乔木1 种,灌木4 种,草本植物22 种,其占总物种数的81.48%。 3 种植被配置类型中人工种植侧柏、柠条锦鸡儿和沙拐枣3 种,并于后期进行人工灌溉,植被重建2 年后新增自然生植被21 种,其中黑沙蒿(Artemisia ordosica)为3 种植被配置类型样地灌木层的优势种,主要由于研究样地覆盖土壤为沙性土,且柠条锦鸡儿和沙拐枣枝条在植被建植初期生长较为缓慢,而沙蒿作为干旱半干旱区固沙的先锋物种,具有抗旱能力强、耐贫瘠等特性,因此黑沙蒿在3 种植被配置类型样地灌木层占据了主要地位。 乔木林地和灌木林地草本植物的优势种均为雾冰藜(Bassia dasyphylla),其重要值分别为31.91%和18.59%;乔灌木混交林草本植物的优势种为地肤(Kochia scoparia)其重要值为39.83%,伴生种为白莲蒿(Artemisia sacrorum)和狗尾草(Setaria viridis)等;3 种植被配置类型样地林下草本植物的优势种均以藜科植物为主,由于矸石山植被重建初期水肥条件的限制,使得多数物种生长受到抑制,而雾冰藜在干旱情况下,其枝条含水量和水势会大幅增加以提高植株的抗旱能力[27]。 矸石山周边自然地貌灌木层的优势种为柠条锦鸡儿,其重要值为45.57%,草本植物的优势种为拐轴鸦葱( Scorzonera divaricata)其重要值为16.77%,伴生种有角蒿(Incarvillea sinensis)和阿尔泰狗娃花(Heteropappus altaicus)等。 植被重建2 年后,3 种植被配置类型样地的植被生长状况相较于复垦设计初期均有不同程度的增长,其中侧柏的平均高度、地径和冠幅在乔木林地分别增长了约15 cm、11.3 mm 和12 cm×26 cm,在乔灌混交林地分别增长了约32.4 cm、6.85 mm 和11 cm×6 cm,由于乔木林与乔灌混交林地覆土厚度均为1 m 且有人工灌溉,因此侧柏各指标均有不同程度增长。

表2 不同植被配置类型植物群落科的分布特征
Table 2 Distribution characteristics of plant community families in different vegetation types

注:“—”为各植被配置类型中未出现该科。

植物物种数序号 植物科 乔木林 乔灌混交林 灌木林 自然地貌1 菊科Compositae 4 4 6 6 2 禾本科Gramineae 3 2 1 2 3 藜科Chenopodiaceae 5 6 6 3 4 豆科Leguminosae 1 2 2 4 5 萝藦科Asclepiadaceae 1 1 1 2 6 蓼科Polygonaceae — 1 1 —7 紫葳科Bignoniaceae — — 1 1 8 柏科Cupressaceae Bartling 1 1 — —9 大戟科Euphorbiaceae — — — 1植物科数量合计 6 7 7 7植物物种数量合计 16 17 18 19

图1 不同植被配置类型草本层植被生活型组成
Fig.1 Life-style composition of herbaceous vegetation in different vegetation configuration types

表3 不同植被配置类型植物群落物种组成及其重要值
Table 3 Species composition and important values of plant communities in different vegetation types

注:“—”为各植被配置类型中未出现该种。

重要值/%植物乔木林 乔灌混交林 灌木林 自然地貌侧柏Platycladus orientalis 100.00 100.00 — —黑沙蒿Artemisia ordosica 100.00 62.03 40.41 32.71柠条锦鸡儿Caragana korshinskii — 21.68 35.11 45.57沙拐枣Calligonum mongolicum — 16.30 24.48 —沙冬青Ammopiptanthus mongolicus — — — 21.72雾冰藜Bassia dasyphylla 31.91 10.19 18.59 —刺沙蓬Salsola ruthenica 25.07 4.01 6.52 2.97拐轴鸦葱Scorzonera divaricata — — — 16.77白茎盐生草Halogeton arachnoideus 15.99 0.87 4.78 —甘草Glycyrrhiza uralensis Fisch — — 7.16 2.98角蒿Incarvillea sinensis 5.63 — 9.50 13.03苦荬菜Ixeris polycephala 4.36 1.48 1.03 —芦苇Phragmites australis — 3.99 — —中华小苦荬Ixeridium chinense 3.26 — 6.96 4.63狼尾草Pennisetum alopecuroides 3.25 — — —蓝刺头Echinops latifolius — 2.84 4.85 3.99阿尔泰狗娃花Heteropappus altaicus — — 2.78 12.42地锦Euphorbia humifusa — — — 2.74地梢瓜Cynanchum thesioides — — 2.72 5.44白莲蒿Artemisia sacrorum 1.96 15.38 13.15 5.47藜Chenopodium album 1.86 1.25 4.76 —狗尾草Setaria viridis 1.85 10.30 5.00 4.32沙蓬Agriophyllum squarrosum — 1.59 7.13 1.64紫花苜蓿Medicago sativa 1.50 6.51 — 5.80芨芨草Achnatherum splendens 1.44 — — 6.66鹅绒藤Cynanchum chinense 1.25 1.76 — 2.66地肤Kochia scoparia 0.68 39.83 5.06 8.50

3.2 不同植被配置类型草本层α多样性变化

物种丰富度、多样性和均匀度指数比较见表4。由表4 可知,3 种植被配置类型林下草本植物的Patrick 丰富度指数、Shannon-Wiener 多样性指数和Simpson 多样性指数均表现为灌木林地>乔木林地>乔灌木混交林地,Pielou 均匀度指数表现为灌木林地(0.924 3)>乔灌木混交林地(0.870 9)>乔木林地(0.813 5)。 灌木林地草本植物的均匀度指数高于乔木林和乔灌混交林,可能由于灌木林下光照相对充足,使得草本植物生长比较均匀。 3 种植被配置类型林下草本植物的Patrick 丰富度指数、Simpson多样性指数和Pielou 均匀度指数的数值均低于自然地貌。

表4 物种丰富度、多样性和均匀度指数比较
Table 4 Richness,diversity and evenness indices of plant communities

植被类型 Patrick 丰富度指数多样性指数Shannon-Wiener Simpson Pielou 均匀度指数乔木林 14 1.713 1 0.758 5 0.813 5乔灌木混交林 13 1.327 0 0.649 3 0.870 9灌木林 16 2.124 7 0.861 0 0.924 3自然地貌 16 2.082 5 0.862 6 0.950 9

乔灌木混交林下草本植物Shannon-Wiener 指数和Simpson 指数低,主要由于植物个体数的80%为其优势种地肤,使得其他植物生长受到抑制,多样性指数的大小不仅与植物种丰富度有关还与物种个体间分配均匀性程度有关[13]。 灌木林地与自然地貌草本植物种数均为16,而Pielou 均匀度指数表现为自然地貌(0.950 9)>灌木林地(0.924 3),说明均匀度指数与植物种数无关,在植物种数一定时均匀度指数与生物量等指标或个体植物种数在群落中分布的均匀性程度有关。 3 种植被配置类型中乔木林地草本植物Pielou 均匀度指数低,由于植物种个体数集中在少数植物种上。 以各样地林下草本植物的密度、盖度、高度和生物量指标为依据,研究草本植物的生长状况。 3 种植被配置类型中乔木林地的盖度、密度和地上生物量均高于其他样地,由于乔木林地土壤含水量(8.96%)高于乔灌木混交林和灌木林地(图2),由此可知,土壤含水量对其林下草本植被生长状况影响作用较大。 乔木林地土壤有机质和全氮含量较乔灌混交林和灌木林地高,由于乔木林下大量草本植物的枯枝落叶归还于土壤,枯落物的分解有利于土壤肥力的增加[13]

3.3 不同植被配置类型群落相似性变化

以各样地草本植物种的科、属及种数量特征为基础,计算不同植被配置类型的样地与自然地貌间科与科,属与属及种与种之间的相似系数。 根据Jaccard 群落相似性原理,C′取值为[0,0.25)时,属于极不相似;C′取值为[0.25,0.50)时,属于中等不相似;C′取值为[0.50,0.75)时,属于中等相似;C′取值为[0.75,1.00)时,属于极相似[23](表5)。 由表5 可知,在科的层次上,乔木林和灌木林地与自然地貌的相似性达到0.85 属于极相似。 在属与种的层次上,乔木林地与自然地貌的相似性均为最高,灌木林地次之,乔灌混交林与自然地貌的相似性最低。

图2 不同植被配置类型林下植物生长状况特征
Fig.2 Characteristics of undergrowth plants under different vegetation types

表5 各样地植物群落科、属、种的相似性
Table 5 Similarity of plant community families,genera and species in each plot

注:Ⅰ为乔木林;Ⅱ为乔灌木混交林;Ⅲ为灌木林;Ⅳ为自然地貌。

科属种样地 共有科总科数相似性共有属总属数相似性共有种总种数相似性Ⅰ和Ⅳ 6 7 0.85 9 20 0.45 9 21 0.43Ⅱ和Ⅳ 5 7 0.71 8 20 0.40 8 21 0.38Ⅲ和Ⅳ 6 7 0.85 9 21 0.43 9 22 0.41

3.4 不同植被配置类型α多样性指数与土壤化学因子间的相关分析

通过对不同植被配置类型样地的草本层α 多样性指数与土壤化学性质指标间进行相关性分析(表6),相关性分析在SPSS22.0 中进行。 土壤碱解氮与植物Patrick 丰富度指数和物种多样性指数呈极显著正相关关系,与Pielou 均匀度指数呈显著正相关关系,土壤碱解氮与各指数间相关性最高,说明土壤碱解氮含量对植物物种多样性的影响作用较大。 速效钾与丰富度指数和均匀度指数呈显著相关关系,全氮含量与Pielou 均匀度指数呈显著正相关关系。 在3 种植被配置类型的样地中,土壤有机质与全氮含量在乔木林样地均为最高,其数值分别为2.37、0.09 g/kg。

表6 植物物种多样性指数与土壤化学因子间的相关分析
Table 6 Correlation analysis between plant species diversity index and soil chemical factors

注:∗表示在P≤0.05 水平显著相关;∗∗表示在P≤0.01 水平极显著相关。

指标 相关系数有机质 全氮 全磷 全钾 碱解氮 速效磷 速效钾R 0.532 0.550 -0.185 0.306 0.917∗∗ -0.007 0.598∗H′ 0.443 0.428 -0.375 0.310 0.764∗∗ -0.136 0.462 D 0.479 0.494 -0.287 0.223 0.773∗∗ -0.233 0.518 JSW 0.564 0.626∗ -0.251 -0.145 0.592∗ -0.514 0.629∗

4 结 论

1)枣泉煤矸石山生态修复初期3 种人工植被配置类型的样地共出现植物24 种,隶属于8 科22属,多集中于菊科、藜科、豆科和禾本科;其林下草本植物中藜科植物重要值所占比例均最大。

2)3 种植被配置类型中乔木林地草本植物种类组成在科、属及种的层次上与自然地貌草本植物组成相似性最高,其林下草本植物盖度、密度、生物量、土壤含水量、土壤有机质和全氮含量均高于乔灌木混交林和灌木林。

3)枣泉煤矸石山平台生态修复初期的乔木林、乔灌木混交林及灌木林3 种植被配置类型林下草本植物α 多样性指数与土壤碱解氮的相关性最高,说明土壤碱解氮含量对植物物种多样性的影响作用较大。

参考文献(References)

[1]杜 韬,王冬梅,张泽洲,等.煤矸石植生基质保水性能对黑麦草生长的影响[J].中国水土保持科学,2019,17(4):75-84.DU Tao, WANG Dongmei, ZHANG Zezhou, et al.Effect of the water-retaining property of coal gangue planting substrate on the growth of Lolium perenne [J].Science of Soil and Water Conservation, 2019,17(4):75-84.

[2]李 侠,邵 洋,王润梅,等.不同恢复方式煤矸石山植物群落差异及影响因子[J].土壤通报,2018,49(6):1370-1376.LI Xia, SHAO Yang, WANG Runmei, et al.Plant community diversity and its impact factors in coal gangue hill under different restoration patterns[J].Chinese Journal of Soil Science, 2018,49(6):1370-1376.

[3]许 丽,樊金栓,周心澄,等.阜新市海州露天煤矿排土场植被自然恢复过程中物种多样性研究[J].干旱区资源与环境,2005,19(6):154-159.XU Li,FAN Jinshuan,ZHOU Xincheng,et al.Study on plant species diversity of opencast coal mine spoils in Haizhou,Fuxin RejoinDuring natural plant restoration [J].Journal of Arid Land Resources and Environment, 2005,19(6):154-159.

[4]JIN Jiasheng, WANG Rusong, FENG Li, et al.Conjugate ecological restoration approach with a case study in Mentougou district,Beijing [J].Ecological Complexity, 2011,8(2):161-170.

[5]赵廷宁,张玉秀,曹 兵,等.西北干旱荒漠区煤炭基地生态安全保障技术[J].水土保持学报,2018,32(1):1-5.ZHAO Tingning,ZHANG Yuxiu,CAO Bing,et al.Eco-security technology for coal mining bases in the northwestern arid desert Regions in China[J].Journal of Soil and Water Conservation,2018,32(1):1-5.

[6]李林霞,王瑞君,辜 彬,等.海岛矿区岩质边坡植物群落演替中物种多样性的变化[J].生态学杂志,2014,33 (7):1741-1747.LI Linxia,WANG Ruijun,GU Bin,et al.Changes in biodiversity during the succession of plant communities on the rocky slopes of mine in islands [J].Chinese Journal of Ecology,2014,33(7):1741-1747.

[7]陈 航,雷少刚.基于面向对象的矿区人工植被提取与重建效果分析[J].干旱区资源与环境,2018,32(7):98-103.CHEN Hang, LEI Shaogang.Artificial vegetation extraction for mining area based on object-oriented techniques and the analysis of reconstruction[J].Resources and Environment in the Arid Areas, 2018,32(7):98-103.

[8]乔亚玲,刘政鸿,郝文芳,等.陕南秦巴山区药用植物群落物种多样性研究[J].植物科学学报,2016,34(2):200-210.QIAO Yaling,LIU Zhenghong,HAO Wenfang,et al.Species diversity of the medicinal plant community in the Qin-BaMountainous area of southern Shaanxi [J].Plant Science Journal, 2016, 34(2):200-210.

[9]赵清贺,马丽娇,刘 倩,等.黄河中下游典型河岸带植物物种多样性及其对环境的响应[J].生态学杂志,2015,34(5):1325-1331.ZHAO Qinghe, MA Lijiao, LIU Qian, et al.Plant species diversity and its response to environmental factors in typical river riparian zone in the middle and lower reaches of Yellow River [J].Chinese Journal of Ecology,2015,34(5):1325-1331.

[10]ENDER Makineci,BEYZA Satgungor,MERIC Kumbasli.Natural plant revegetation on reclaimed coal mine landscapes in Agacli-Istanbul[J].African Journal of Biotechnology,2011,10(16):3248-3259.

[11]唐志海,黄少军,周更生,等.封育对宁夏灵武市山沙区荒漠化草原植被恢复作用的研究[J].内蒙古林业科技,2005(2):6-8.TANG Zhihai, HUANG Shaojun, ZHOU Gengsheng, et al.Role of forest reservation on restoration of desertification steppe vegetation in mountainous and sandy area in Lingwu, Ningxia [J].Inner Mongolia Forestry Science and Technology, 2005(2):6-8.

[12]陈 晶.干旱风沙区不同植被恢复模式生态效应研究[D].银川:宁夏大学,2015.

[13]珊 丹,邢恩德,荣 浩,等.草原矿区排土场不同植被配置类型生态恢复[J].生态学杂志,2019,38(2):336-342.SHAN Dan, XING Ende, RONG Hao, et al.Ecological restoration of different vegetation collocations of coal mine dump in typical steppe[J].Chinese Journal of Ecology, 2019,38(2):336-342.

[14]郝志远.潞安矿区煤矸石山复垦地植被-土壤系统互作关系研究[D].太原:山西大学,2019.

[15]王 军.枣泉煤矿回采巷道支护技术研究[D].西安:西安科技大学,2013.

[16]刘 凯.宁夏枣泉电厂建设项目地下水环境影响评价预测分析[D].长安:长安大学,2013.

[17]郭天辉.宁东枣泉煤矿矿井水文地质类型划分探讨[J].中国煤炭地质,2011,23(9):34-37.GUO Tianhui.Probe into mine hydrogeological type classification in Zaoquan Coal Mine, Eastern Ningxia [J].Coal Geology of China,2011,23(9):34-37.

[18]柯海玲,徐友宁,张江华,等.基于生态重建的宁东煤炭基地土壤环境质量评价[J].地质通报,2018,37(12):2208-2214.KE Hailing, XU Youning, ZHANG Jianghua, et al.Quality evaluation of soil based on the ecological reconstruction in Ningdong coal base[J].Geological Bulletin of China, 2018,37(12):2208-2214.

[19]马万祥,陈治中,汪占领.煤岩强度原位快速测试技术与应用[J].煤炭科学技术,2012,40(2):22-24.MA Wanxiang, CHEN Zhizhong, Wang Zhanling.In-Situ Rapid Measuring Technology and Application of Coal and Rock Strength[J].Coal Science and Technology, 2012,40(2):22-24.

[20]王育松,上官铁梁.关于重要值计算方法的若干问题[J].山西大学学报:自然科学版,2010,33(2):312-316.WANG Yusong, SHANGGUAN Tieliang.Discussion on calculating method of important values [J].Journal of Shanxi U-niversity:Natural Science Edition,2010,33(2):312-316.

[21]孙永秀,严 成,徐海量,等.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[J].草业学报,2017,26(1):54-62.SUN Yongxiu,YAN Cheng,XU Hailiang,et al.Grassland community species diversity and aboveground biomass responses to difference in cover soil thinkness in restoration after mining damage[J].Acta Prataculturae Sinica,2017,26(1):54-62.

[22]张晓佩,高承芳,刘 远,等.长汀废矿区生态修复后草本植物多样性研究[J].中国农学通报,2018,34(5):78-81.ZHANG Xiaopei, GAO Chengfang, LIU Yuan, et al.Diversity of herbaceous plants in Changting waste mine after ecological remediation [J].Chinese Agricultural Science Bulletin, 2018,34(5):78-81.

[23]黄晓敏,杨盛昌,彭 建,等.派河流域滨岸带植物群落物种多样性和群落相似性分析及滨岸缓冲带模型构建[J].环境工程,2019,37(12):55-59,70.HUANG Xiaomin, YANG Shengchang, PENG Jian, et al.Analysis of species diversity and community similarity of plant communities in riparian zone of the Peihe river :constructing the model of riparian buffer strips[J].Environmental Engineering,2019,37(12):55-59,70.

[24]鲍士旦.土壤农化分析[M].北京:中国农业出版社,2000.

[25]黄锐兴,杨斌元,于晓芳,等.半干旱区湿地植物群落多样性研究[J].中国水土保持,2017(5):40-43,69.HUANG Ruixing,YANG Binyuan,YU Xiaofang,et al.Study on plant community diversity of wetlands in semi-arid area[J].Soil and Water Conservation in China,2017(5):40-43,69.

[26]李 楠,郭晋平,米文精,等.潞安集团煤矸石山植被恢复植物多样性研究[J].山西农业大学学报:自然科学版,2013,33(5):408-412.LI Nan,GUO Jinping,MI Wenjing,et al.Study on the plant recovery and plant diversity of the montain around Lu’an Coal Mine[J].Journal of Shanxi Agricultural University:Nature Science E-dition,2013,33(5):408-412.

[27]王 琦,全占军,韩 煜,等.采煤塌陷区不同地貌类型植物群落多样性变化及其与土壤理化性质的关系[J].西北植物学报,2014,34(8):1642-1651.WANG Qi, QUAN Zhanjun, HAN Yu, et al.Variation of vegetation diversity and its soil relationship with soil physical and chemical property in lands of different geomorphic types in coal mining subsidence area[J].Acta Botanica Boreali-Occidentalia Sinica,2014,34(8):1642-1651.

Relationship between plant species diversity and soil chemical properties in coal gangue dump:early stage of ecological restoration in Lingwu Mining Area

XU Li,FENG Fei, LIU Ying,YANG Yuping,ZHENG Wendan
(College of Desert Management, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018,China)

Abstract:In order to obtain the optimal vegetation configuration model in the early stage of Zaoquan coal gangue dump ecological restoration in Lingwu Mining Area and the soil chemical factors that affect the plant species diversity.Combined field investigation with the important value, alpha diversity index and community similarity coefficient, meanwhile,took the vegetation on the natural landform surrounding the gangue mountains as the control, this paper studied the changes of plant species composition, community structure and alpha diversity index of planting configuration types in the artificial reconstruction of arboreal forest, mixed forest of trees and shrub, shrubbery on Zaoquan coal gangue dump, as well as the correlation between each index and soil chemical factors.The tests results revealed:①According to the three typical area of vegetation configuration types on Zaoquan coal gangue dump, there are totally 24 species of plants in eight families, 22 genera, including seven species of compositae, which accounting for 29.17% of the total species.Six species of Chenopodiace-ae accounting for 25%; and each four of Leguminosae and gramineae accounting for 16.67% respectively.②Among the three vegetation configuration types, the proportions of undergrowth perennial herbs to the total herb layer amounts are in the order of arboreal forest(50.00%)>shrubbery (46.67%)>mixed forest of shrubs and tree (38.48%), and in natural landform, the proportion of perennials in herbaceous layer is 68.75%.③Among the three vegetation configuration types, Shannon-wiener diversity index and Simpson diversity index, Patrick richness index and Pielou evenness index of herbaceous layer plant species in shrubbery are the highest.④The correlation between the soil alkaline nitrogen and each index is the most significant, indicating that soil alkaline nitrogen content has a great influence on plant species diversity.⑤Among the three vegetation configuration types, the composition of herbaceous species in arbor woodlands is the most similar to that of natural landform herbaceous plants at the levels of family, genus and species.The coverage, density, biomass,soil moisture, soil organic matter and total nitrogen content of herbaceous plants in understory forests are all higher than that in mixed of tree & shrubs and shrubbery.In the early stage of ecological restoration of the Zaoquan Gangue Mountain, among the three planting configuration types,the arbor woodland configuration mode is more suitable, and the soil chemical factors affecting plant species diversity are mainly soil alkali-hydrolyzable nitrogen.

Key words:Lingwu Mining Area; coal gangue dump; ecological restoration;plant species diversity; soil chemical factors

中图分类号:TD88

文献标志码:A

文章编号:0253-2336(2020)04-0097-08

移动扫码阅读

许 丽,丰 菲,刘 莹,等.煤矸石山植物物种多样性与土壤化学因子的关系:以灵武矿区生态修复初期为例[J].煤炭科学技术,2020,48(4):97-104.doi:10.13199/j.cnki.cst.2020.04.009

XU Li,FENG Fei, LIU Ying,et al.Relationship between plant species diversity and soil chemical properties in coal gangue dump:early stage of ecological restoration in Lingwu Mining Area[J].Coal Science and Technology,2020,48(4):97-104.doi:10.13199/j.cnki.cst.2020.04.009

收稿日期:2019-10-25;

责任编辑:王晓珍

基金项目:国家重点研发计划资助项目(2017YFC0504402)

作者简介:许 丽(1965—),女,内蒙古巴彦淖尔人,教授,博士。 E-mail:xulinmg@ 163.com