新疆阿爾泰山富蘊(yùn)礦區(qū)草地物種多樣性與地形因子關(guān)系

郭建興，羅騰飛，葉 茂*，殷錫凱，張凱麗，趙凡凡

（1.新疆師范大學(xué)，新疆烏魯木齊830054；2.新疆干旱區(qū)湖泊環(huán)境與資源實(shí)驗(yàn)室，新疆烏魯木齊830054；3.阿爾泰山國(guó)有林管理局阿勒泰分局，新疆阿勒泰市836500）

礦產(chǎn)資源開采業(yè)是新疆阿勒泰地區(qū)主要的產(chǎn)業(yè)之一，其礦產(chǎn)開發(fā)對(duì)新疆地區(qū)乃至我國(guó)西北經(jīng)濟(jì)發(fā)展、工業(yè)建設(shè)起著積極的作用［1］。但礦區(qū)開采活動(dòng)也產(chǎn)生了水土流失、土地質(zhì)量下降、植被破壞、物種多樣性改變等一系列生態(tài)環(huán)境問題［2-6］。我國(guó)自20 世紀(jì)70 年代以來便進(jìn)行了相應(yīng)的礦區(qū)修復(fù)治理，并取得了很多的成就［7-8］。新疆阿爾泰山富蘊(yùn)礦區(qū)在建國(guó)初期進(jìn)行了大規(guī)模的露天開采，使土壤、植被等遭到破壞，進(jìn)而帶來很多生態(tài)環(huán)境問題［9］。近年來，富蘊(yùn)礦區(qū)恢復(fù)治理過程主要分為人工恢復(fù)和自然恢復(fù)，在以自然恢復(fù)為主的方針指導(dǎo)下，取得了不錯(cuò)的效果［10］。生物多樣性是當(dāng)前群落生態(tài)學(xué)中十分重要的研究?jī)?nèi)容之一，目前生物多樣性的研究以物種多樣性的研究較多［11-12］。通過分析不同礦區(qū)生態(tài)自然恢復(fù)草地物種多樣性變化對(duì)于完善礦區(qū)生態(tài)修復(fù)理論，進(jìn)行礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)重建具有積極作用。當(dāng)下，有研究者進(jìn)行過阿勒泰兩河源植被多樣性相關(guān)研究［13］，對(duì)富蘊(yùn)礦區(qū)的研究則主要集中在礦區(qū)地質(zhì)［14］、礦區(qū)勘探［15］及采挖［16］等領(lǐng)域，但對(duì)自然恢復(fù)下的富蘊(yùn)礦區(qū)草地植被多樣性的研究卻很少。因此，本文基于草地群落物種多樣性的調(diào)查實(shí)驗(yàn)，定量分析了富蘊(yùn)礦區(qū)的草地物種多樣性現(xiàn)況及一些影響因素，進(jìn)而為阿爾泰山礦區(qū)草地恢復(fù)治理和草地可持續(xù)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

阿勒泰富蘊(yùn)縣位于新疆阿爾泰山南麓、準(zhǔn)噶爾盆地北緣，東臨青河縣，西連福?？h，南延準(zhǔn)噶爾盆地與昌吉州毗鄰，北與蒙古國(guó)接壤，地理坐標(biāo)88°10′~90°31′E、45°00′~48°03′N；地勢(shì)北高南低，屬北溫帶大陸性氣候。年平均氣溫1.8℃，年平均降水量158.3 mm，年平均蒸發(fā)量1 692.5 mm。土壤以棕鈣土、栗鈣土、灰色森林土及棕色針葉林土為主；草地植被種類繁多，如蒲公英（Taraxacum mongolicum）、野苜蓿（Medicago falcata）、老鸛草（Geranium wilfordii）和千葉蓍（Achillea millefolium）等?？h境內(nèi)礦種齊全，以黃金、寶石、有色金屬、稀有金屬為主，其中有色金屬居全疆之首、全國(guó)第二。

1.2 野外采樣

2020 年6～7 月對(duì)富蘊(yùn)典型礦區(qū)進(jìn)行草地群落調(diào)查。選取一個(gè)典型的監(jiān)測(cè)樣點(diǎn)，根據(jù)樣點(diǎn)選擇3個(gè)不同方向樣帶，在每個(gè)樣帶里設(shè)置不同距離20 m×20 m 的樣地，每個(gè)樣地內(nèi)選取3 個(gè)1 m×1 m 的小樣方，調(diào)查樣地的坡度、海拔、物種、數(shù)量、長(zhǎng)勢(shì)、高度和地上生物量等。具體方法為在富蘊(yùn)縣庫(kù)依地區(qū)設(shè)置一個(gè)典型礦區(qū)樣點(diǎn)，首先記錄礦區(qū)的經(jīng)緯度與海拔高度，其次，以礦區(qū)這個(gè)樣點(diǎn)為中心設(shè)置輔射狀向外的3條監(jiān)測(cè)樣帶。在富蘊(yùn)典型礦區(qū)選擇了監(jiān)測(cè)樣點(diǎn)，根據(jù)監(jiān)測(cè)樣點(diǎn)選擇3 條樣帶做草地樣帶調(diào)查，每個(gè)樣帶選取5個(gè)樣地，距監(jiān)測(cè)樣點(diǎn)距離分別為100、300、500、700、1 000 m。主要調(diào)查了礦區(qū)草地的海拔、經(jīng)緯度、蓋度、物種、數(shù)量、高度和物種地上生物量等指標(biāo)；根據(jù)相關(guān)計(jì)算方法得出3 條樣帶的草地物種多樣性和生物量；再對(duì)比不同樣帶的物種多樣性、生物量特征，明確其與地形因子存在的關(guān)系。各樣地的基本信息見表l。

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

1.3 物種多樣性方法

群落的物種多樣性可反映群落中植物種類的豐富程度，群落物種多樣性研究的測(cè)度常采用α-多樣性和β-多樣性體現(xiàn)；α-多樣性不僅能反映群落中物種豐富度和群落內(nèi)物種組成還可反映物種在群落中分布的均勻程度。在本研究中草地物種多樣性采用α-多樣性測(cè)度中的Margalef 豐富度指數(shù)、Simpson 優(yōu)勢(shì)度指數(shù)、Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)、Alatalo 均勻度指數(shù)，比較不同樣帶草地多樣性的變化特征，計(jì)算公式如下［17-18］：

S 為樣方中的總物種數(shù)；N 為樣方中的總個(gè)體數(shù)；Ni為第i種物種的個(gè)體數(shù)；Pi為i種物種個(gè)體數(shù)占總個(gè)體數(shù)比例。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

利用Excel 2010 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)初步處理，再利用SPSS 20.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，主要分析方法有單因素方差分析、相關(guān)性分析和回歸方程分析；用Origin 2018軟件進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同樣帶礦區(qū)草地物種多樣性和生物量特征

不同距離各樣帶Margalef 豐富度指數(shù)無明顯規(guī)律（圖1），在500 m 距離Margalef 豐富度指數(shù)差異最大（0.70～1.10），100 m 則差異最小（0.79～0.88）；各樣帶在700～1 000 m 范圍內(nèi)Margalef 豐富度指數(shù)都呈現(xiàn)升高趨勢(shì)。不同樣帶Simpson 優(yōu)勢(shì)度指數(shù)和Shannon-Wiener多樣性指數(shù)變化趨勢(shì)一致，在樣帶1和樣帶2 中Simpson 優(yōu)勢(shì)度指數(shù)和Shannon-Wiener多樣性指數(shù)隨距離不同都呈“M”型，而樣帶3 則呈“N”型，其中樣帶3整體高于其他樣帶。Alatalo均勻度指數(shù)各樣帶隨距離變化趨勢(shì)基本一致，都呈“M”型，樣帶3整體高于其他樣帶，其中300 m和700 m為兩個(gè)高值，1 000 m 時(shí)Alatalo 均勻度指數(shù)差異最大（0.6～0.8）。由圖2 可知，不同距離各樣帶生物量各不相同，樣帶1 在700 m 時(shí)生物量最低（36.7 g·m-2），100 m時(shí)最高（111.7 g·m-2），樣帶2則在1 000 m時(shí)生物量最低（51.7 g·m-2），700 m 時(shí)最高（66.8 g·m-2），樣帶3 在100 m 時(shí)生物量最低（89.5 g·m-2），300 m 時(shí)最高（126.8 g·m-2）；各樣帶離監(jiān)測(cè)點(diǎn)500 m 距離時(shí)生物量差異最小，700 m 時(shí)差異最大。整體而言，三條樣帶中樣帶3物種多樣性和生物量相比其他樣帶變幅較小，指數(shù)較高，這與其海拔落差?。? 906～1 922 m），坡度和緩（10～20°）等因素有直接關(guān)系。

圖1 富蘊(yùn)礦區(qū)草地不同距離各樣帶物種多樣性指數(shù)Fig.1 Species diversity index of different distances and different belts of grassland in Fuyun mining area

圖2 富蘊(yùn)礦區(qū)草地不同距離各樣帶生物量Fig.2 Biomass in different distances and belts of grassland in Fuyun mining area

2.2 不同樣帶礦區(qū)草地物種多樣性和生物量的關(guān)系

礦區(qū)草地物種多樣性與生物量之間呈二次函數(shù)變化（圖3）。其中樣帶3物種多樣性指數(shù)與生物量呈“單峰”關(guān)系，樣帶2中Margalef豐富度指數(shù)和Alatalo均勻度指數(shù)與生物量則呈“U”型關(guān)系，而樣帶1 除Margalef豐富度指數(shù)與生物量呈“單峰”關(guān)系，其他多樣性指數(shù)與生物量沒有表現(xiàn)出顯著的關(guān)系。Margalef 豐富度指數(shù)與生物量中樣帶1 的R2（0.864）最大，擬合效果最好；Simpson 優(yōu)勢(shì)度指數(shù)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)和Alatalo均勻度指數(shù)與生物量中樣帶3中R2最大，分別為0.635、0.558和0.795。研究結(jié)果表明富蘊(yùn)礦區(qū)草地物種多樣性指數(shù)與生物量存在一定的相關(guān)關(guān)系，隨著草地物種多樣性的增加，樣方的草地生物量會(huì)出現(xiàn)先升高后下降的趨勢(shì)。同時(shí)樣帶3的相關(guān)性較好，這與海拔變幅和坡度和緩有著一定的關(guān)聯(lián)性。其海拔和坡度變幅越大，生物量與物種多樣性之間的關(guān)聯(lián)性就會(huì)降低。

圖3 不同樣帶礦區(qū)草地物種多樣性和生物量的相關(guān)關(guān)系Fig.3 Correlation between grassland species diversity and biomass in mining areas in different belts

2.3 富蘊(yùn)礦區(qū)草地物種多樣性和坡度的關(guān)系

富蘊(yùn)礦區(qū)物種多樣性各項(xiàng)指數(shù)均與坡度存在負(fù)相關(guān)關(guān)系（表2），其中Alatalo 均勻度指數(shù)與坡度存在顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。通過對(duì)各樣地草地Margalef豐富度指數(shù)、Simpson 優(yōu)勢(shì)度指數(shù)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)和Alatalo 均勻度指數(shù)與坡度分別進(jìn)行回歸擬合，擬合結(jié)果如圖4。擬合結(jié)果表明：坡度與物種多樣性指數(shù)也存在“單峰”關(guān)系，隨著坡度的增加，樣方的草地物種多樣性呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)。坡度與物種多樣性存在一定的相關(guān)性，但坡度變化只能解釋23.9%的Margalef 豐富度指數(shù)變化，34.4%的Simpson 優(yōu)勢(shì)度指數(shù)變化，36.2%的Shannon-Wiener多樣性指數(shù)變化以及34.4%的Alatalo 均勻度指數(shù)變化。雖然坡度與草地物種多樣性存在一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系，但坡度不能作為富蘊(yùn)礦區(qū)物種多樣性變化的決定因素之一。

表2 草地物種多樣性與坡度的相關(guān)性分析Tab.2 Correlation analysis of grassland species diversity and slope

圖4 富蘊(yùn)礦區(qū)草地物種多樣性和坡度的關(guān)系Fig.4 Relationship between grassland species diversity and slope in Fuyun mining area

2.4 富蘊(yùn)礦區(qū)草地物種多樣性與海拔的關(guān)系

富蘊(yùn)礦區(qū)草地植物Simpson 優(yōu)勢(shì)度指數(shù)、Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)和Alatalo 均勻度指數(shù)與海拔存在負(fù)相關(guān)關(guān)系（表3），其中Simpson 優(yōu)勢(shì)度指數(shù)和Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)與海拔存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。通過對(duì)各樣地草地物種多樣性與海拔分別進(jìn)行回歸分析發(fā)現(xiàn)，除了Margalef 豐富度指數(shù)外，其他均呈二次函數(shù)變化，且擬合關(guān)系較好；海拔與物種多樣性呈現(xiàn)“U”型關(guān)系。研究結(jié)果表明：Simpson 優(yōu)勢(shì)度指數(shù)和Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)與海拔均存在較顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系（P<0.05），同時(shí)隨著海拔的增加，富蘊(yùn)礦區(qū)草地樣方的物種多樣性呈下降趨勢(shì)。

3 討論

很多研究發(fā)現(xiàn)物種多樣性與生物量的關(guān)系有很多種類型，包括“單峰”、“正相關(guān)”、“負(fù)相關(guān)”、“U”型和“不顯著相關(guān)”等［19-24］。同時(shí)“單峰”關(guān)系在群落間出現(xiàn)的頻率很高，在小地理尺度上出現(xiàn)的頻率也高［12］。本研究通過選擇3 條樣帶作對(duì)比，發(fā)現(xiàn)在富蘊(yùn)典型礦區(qū)草地物種多樣性和生物量存在“單峰”、“U”型和“不顯著相關(guān)”的關(guān)系；其中樣帶3“單峰”關(guān)系的前半段，物種多樣性隨著生物量的增加而增加，后半段則呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。值得注意的是，在樣帶3 物種多樣性和生物量均很高，這與海拔變幅和坡度和緩有重要關(guān)系即海拔坡度變幅越小，生物量和物種多樣性之間的關(guān)系越緊密，同時(shí)這也是環(huán)境異質(zhì) 性 產(chǎn)生的 結(jié)果，與Kassen 等［25］的 研 究結(jié)論一致。

圖5 富蘊(yùn)礦區(qū)草地物種多樣性和海拔的關(guān)系Fig.5 Relationship between grassland species diversity and altitude in Fuyun mining area

針對(duì)坡度與物種多樣性關(guān)系的結(jié)論，基本呈現(xiàn)單峰或者負(fù)相關(guān)格局，本研究中坡度為10°～15°間物種多樣性相對(duì)較高，15°以上則逐漸呈下降趨勢(shì)，研究結(jié)果為單峰曲線；這種規(guī)律的形成可能與多種自然人為原因具有關(guān)聯(lián)。干珠扎布等［26］研究認(rèn)為水分條件差異是影響物種多樣性的關(guān)鍵因素，本研究中坡度較大區(qū)域物種多樣性低可能與水分易于流失有關(guān)；袁建立等［27］認(rèn)為過度放牧?xí)?dǎo)致物種多樣性降低，該研究中坡度較低地區(qū)物種多樣性低可能是因?yàn)榉拍敛忍び绊懰?。雖然本研究坡度與草地物種多樣性存在一定的關(guān)系，但坡度并不是唯一的影響因素。

在海拔與物種多樣性的關(guān)系研究中，大部分呈現(xiàn)單峰格局，部分為負(fù)相關(guān)［28］。本研究中海拔與物種多樣性呈現(xiàn)“U”型關(guān)系，同時(shí)相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)二者具有負(fù)相關(guān)關(guān)系，特別是Simpson 優(yōu)勢(shì)度指數(shù)和Shannon-Wiener多樣性指數(shù)與海拔存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系；該結(jié)果周蕓蕓等［29］對(duì)大坂山不同海拔高寒植被物種多樣性研究結(jié)果一致。本研究中伴隨著海拔的升高，物種多樣性先呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，而后又逐漸升高；產(chǎn)生這種原因可能是生境水分、養(yǎng)分以及物種情況、放牧破壞及礦區(qū)草地恢復(fù)程度有關(guān)。同時(shí)牟曉明等［30］對(duì)高寒草甸不同生境研究表明海拔對(duì)生境水分、養(yǎng)分以及物種情況和放牧破壞有關(guān)，本研究中海拔高的區(qū)域物種多樣性下降，這可能是不同海拔水熱搭配不均和放牧活動(dòng)造成的。值得關(guān)注的是該區(qū)域?qū)儆诘湫偷V區(qū)，不同海拔礦區(qū)的草地恢復(fù)情況也是影響草地物種多樣性的重要原因。

4 結(jié)論

本研究根據(jù)富蘊(yùn)礦區(qū)草地物種多樣性各項(xiàng)指數(shù)，對(duì)研究區(qū)物種多樣性現(xiàn)狀及其生物量和地形因子的關(guān)系進(jìn)行了探討。結(jié)果表明：富蘊(yùn)典型礦區(qū)不同樣帶草地物種多樣性和生物量存在“單峰”、“U”型以及“不顯著相關(guān)”的關(guān)系，二者關(guān)系受海拔和坡度變幅的影響；坡度與物種多樣性指數(shù)存在“單峰”和“負(fù)相關(guān)”關(guān)系；海拔與物種多樣性呈“U”型和“負(fù)相關(guān)”關(guān)系。同時(shí)本研究?jī)H探究了富蘊(yùn)礦區(qū)物種多樣性與生物量和地形因子的關(guān)系，并沒有涉及其他相關(guān)的人為因子和環(huán)境因子。今后的工作應(yīng)同時(shí)考慮不同影響因子，才能更好地了解阿爾泰山礦區(qū)草地物種多樣性與各因子的關(guān)系，并深人探討其中的機(jī)制，為阿爾泰山礦區(qū)草地恢復(fù)理論提供一定的依據(jù)。