金属矿产开采过程中形成的大量尾矿给当地带来了严重的生态环境问题，因此对于尾矿的生态治理一直是人们关注的焦点(蓝崇钰等，1996；束文圣等，2000；郝秀珍等，2005)。铁尾矿是尾矿的一种，它是由铁矿石直接粉碎而成，其物理化学性质与普通土壤有很大不同，给生态治理带来很大困难。从化学性质来看，由于铁尾矿没有经过由生物因素驱动的有机质及其他养分的积累过程，其肥力较低；从物理性质来看，其结构松散，质地较粗，导致其保水性较差，因此水分条件较为恶劣(郝秀珍等，2005)。铁尾矿的这些特征都不利于植物的生长，因此给生态治理带来很大难度(束文圣等，2000)。由生物与土壤之间相互影响的生态学原理可以知道，在土壤的形成过程中生物因素发挥着至关重要的作用，它对土壤结构的改善、肥力的提高都具有重要的促进作用(林大仪等, 2002；田胜尼等，2005；孙庆业等，2005)。由此提出如下假设：选择对铁尾矿具有较强适应性的植物进行人工植被的构建，植被形成后将会对铁尾矿的物理性质及化学性质产生有利影响，使其肥力状况逐步得到改善，从而为其他生物的进入和定居创造有利的生态条件。为了验证该假说，本文对栽植了紫穗槐(Amorpha fruticosa)和沙棘(Hippophae rhamnoides)的尾矿地以及未造林尾矿地的有机质及速效氮含量进行了测定，并对其草本植物多样性进行了调查。以期在验证该假说的基础之上明晰铁尾矿本身的肥力状况以及生物措施对它的影响，乃至由此导致的尾矿地物种多样性的变化，为铁尾矿的生态治理提供科学依据。

1 试验地概况

本研究试验地位于河北省迁安市马兰庄镇，39°51′—40°51′N，118°29′—118°56′E，属暖温带大陆性季风气候。年日照时数2 675.3 h，平均气温10.1℃，最高气温38.9℃，最低气温-28.2℃，有效积温3 854℃，无霜期168 d，年均降水量722 mm，最少年份只有284.4 mm。全年大于6级以上大风平均11.3 d (次)，大于4级以上风平均67.64 d (次)。全年气候特点是：春季干燥多风，夏季闷热多雨，秋季昼暖夜凉，冬季寒冷少雪，昼夜温差在5.4 ~15.6℃之间。

迁安市马兰庄镇铁矿资源非常丰富，在多年的开采过程中形成大量的尾矿山和尾矿坝。为了实现尾矿的生态治理，进行尾矿山生物治理试验，主要是选择沙棘、紫穗槐等耐干旱、耐瘠薄的树种进行了造林试验。本研究中的沙棘林为1997年栽植；紫穗槐林为2004年栽植；未造林尾矿地是没有进行造林的尾矿地；天然灌丛是指尾矿山周围自然发育的灌丛植被。另外，在调查物种多样性时，增加了一个刺槐(Robinia pseudoacacia)林类型，刺槐林是在经过填埋和客土等处理措施的采矿坑上栽植的，也是采矿地生态恢复的一种类型。各样地状况如表 1所示。

2 研究方法 2.1 土壤的调查与分析

分别在营造了沙棘林、紫穗槐林及未造林的尾矿地上以及天然灌丛中采用随机布点的方法设置取样点3个(3个重复)，在每个取样点上进行分层取样：0~5、5~10、10~20、20~40、40~60 cm。将所采样品带回室内进行分析。主要对有机质和速效氮进行了分析。有机质的测定采用重铬酸钾容量法-稀释热法；速效氮的测定用碱解扩散法。

2.2 物种多样性调查

分别在营造了沙棘林、刺槐林及未造林的尾矿地上以及营造了刺槐林的采矿地上，采用随机布点的方法布设1 m×1 m的样方各25块，在各样方内进行草本植物物种多样性(将植株矮小，位于草本层的木本植物也记录在内)的调查，记录每种植物的株(丛)数、盖度、高度；同时，采用同样方法对尾矿坝周围山地上的天然灌丛进行草本植物的物种多样性调查，以便与上面的各种类型进行对照。

采用重要值、丰富度指数、多样性指数等数量指标对各样地的物种多样性进行分析。各数量指标的计算公式如下：

各物种的重要值：重要值=相对密度+相对盖度+相对频度。

丰富度指数(S)：指单位面积内的物种数目，本研究中为每个样方的平均物种数目。

多样性指数采用Simpson指数和Shannon-Wiener指数(马克平等，1995)，其计算公式如下：

Simpson多样性指数(D)：；Shannon-Wiener多样性指数(H′)：。其中，S为物种丰富度。P_i代表相对密度。

采用群落系数CC对不同样地间物种组成的相似性进行分析(李景文，1994)。群落系数CC的计算公式如下：

其中，CC为群落系数，S_a为样地a的物种数，S_b为样地b的物种数，S_ab为样地a和样地b共有种数。

3 结果与分析 3.1 生物措施对铁尾矿有机质含量的影响

土壤有机质含量是土壤肥力的重要指标。各样地土壤或尾矿的有机质含量如图 1所示。从图 1可以看出，各尾矿地的有机质含量明显低于天然灌丛土壤；而未造林尾矿地有机质的含量明显低于紫穗槐林和沙棘林下的尾矿地，而紫穗槐林地又低于沙棘林地。在各种土壤及尾矿中，随着深度的增加机质含量都呈依次降低的趋势。

以上研究结果一方面表明尾矿地中的有机质含量很低，远低于天然灌丛土壤，另一方面也说明生物措施，如造林可以明显提高尾矿中的有机质含量。由于尾矿直接由铁矿石粉碎而成，并没有经过一般土壤形成所需要的各种成土因素(母质、气候、生物、地形和人为因素)的长期影响(林大仪等，2002)，尤其是生物因素的影响，因此其有机质含量明显低于天然灌丛土壤。土壤有机质主要来源于地面植物凋落物、根系残体和根系分泌物，尾矿地进行造林后，每年都会有地上及地下的凋落物的产生和积累，导致尾矿地的有机质含量逐渐增加。另外，沙棘林中的有机质又高于紫穗槐林，这主要是由于沙棘林的林龄高于紫穗槐林(沙棘林是1997年栽植，紫穗槐为2004年栽植)。同时，随着深度的增加，土壤及尾矿中的有机质含量呈逐渐降低的趋势，这主要是由于林地内地表积累的凋落物对表层尾矿中的有机质含量影响较大，而对深层土壤或尾矿的影响较小，而地下根系也集中于土壤浅层，死亡的根系是表层有机质的重要来源，这两方面的原因导致表层土壤或尾矿的有机质含量较高，随着深度的增加，有机质含量逐渐下降。

另外，造林后尾矿有机质含量增加的另外一个原因是，造林增加了地表粗糙度，使得近地面层的风速减小，有利于凋落物的积累，从而增加尾矿的有机质。裸露的尾矿地，凋落物的积累较少，因此有机质含量较低。

3.2 生物措施对铁尾矿速效氮含量的影响

不同样地土壤及尾矿速效氮含量如图 2所示。不同样地间速效氮的变化规律与有机质相似。各尾矿地速效氮的含量远低于天然灌丛土壤，天然灌丛表层土壤中的速效氮含量为220.24 mg·kg^-1，而各种尾矿地中速效氮含量最高值也只有48.87 mg·kg^-1(沙棘林表层土壤)，由此可见尾矿地的速效氮含量极低；在各种尾矿地中，未造林尾矿地低于沙棘林地和紫穗槐地；紫穗槐地又低于沙棘林地。在4种样地中，速效氮含量基本上都表现出从上往下依次降低的趋势，天然灌丛表层土壤速效氮含量高达220.24 mg·kg^-1，底层只有25.69 mg·kg^-1。

一般来讲，土壤中氮素来源主要有3个，有机质的分解、生物固氮以及降水。在没有采取生物措施的情况下，尾矿中没有有机质的积累，或含量极低，来源于有机质分解的氮素较少，同时，在没有采取生物措施的情况下，尾矿中也没有固氮生物存在，因此尾矿中的氮素来源只有降水，氮素积累的速率较慢，氮素含量远远低于自然发育的天然灌丛土壤。在进行造林以后，通过有机质的分解过程而进入到尾矿的氮素会逐渐增加；更为重要的是，紫穗槐为豆科植物, 根系形成的根瘤具有固氮作用, 通过根瘤的固氮作用可以将空气中的分子态氮元素转化为离子态的氮，从而使尾矿中的氮元素含量逐渐增加。紫穗槐在栽植了2~3 a后, 但其表层速效氮含量已达到28.80 mg·kg^-1, 远高于未造林尾矿地的6.31 mg·kg^-1, 可见促进作用非常明显。沙棘是一种非豆科的固氮植物，沙棘林下的尾矿速效氮含量也有明显的增加，达到了48.87 mg·kg^-1。

采取生物措施后，尾矿中的速效氮含量会有明显的增加，这对于尾矿的生态恢复乃至进一步的资源化利用具有非常重要的意义。从尾矿的发生来看，尾矿地属于原生裸地的一种，从原生裸地开始的植被恢复过程可以看作是一种植被的原生演替过程。植被原生演替过程进行缓慢的重要限制因素之一就是氮素的不足，因此，在自然条件下，原生裸地中最早出现的植物种类都是有固氮作用的种类(Titus et al., 1998；Liengen et al., 1997, 许中旗等，2005)。通过固氮植物的固氮作用使原生裸地中的氮素含量逐渐增加，从而为其他生物的进入和定居创造条件。但是在自然条件下，这一过程非常漫长。本研究中，通过人工的方法将具有固氮作用的沙棘或紫穗槐引入到尾矿地，使得尾矿中的氮元素含量有了明显的增加，为其他生物的进入和定居创造了条件。这一研究结果对于尾矿的生态恢复及植被重建具有重要的指导意义。

3.3 生物措施对物种多样性的影响

生物多样性的恢复是尾矿地生态恢复的一个重要标志(孙庆业等，2001；奥斯兰·伊思迈尔，2006)。分别采用Simpson指数和Shannon-Wiener指数以及物种的丰富度对不同样地的物种多样性进行比较。从Simpson指数来看，各样地从大到小依次为沙棘林、天然灌丛、刺槐林、紫穗槐林和未造林尾矿地，分别为0.78、0.75、0.61、0.41、0.28；从Shannon-Wiener指数来看，其排列顺序也大致相似，依次为天然灌丛、沙棘林(尾矿地)、刺槐林、紫穗槐林(尾矿地)和未造林尾矿地，分别为1.74、1.69、1.24、1.01和0.45。

从以上结果可以看，尾矿地在没有造林的情况下，物种多样性指数是最低的，而进行造林后，多样性指数有明显的提高，其中沙棘林的多样性指数甚至高于天然灌丛。铁尾矿又称为尾矿砂，质地较粗，保水性能差，因此较为干燥，同时，结构松散，流动性强；另外，尾矿砂直接由铁矿石粉碎而成，其养分状况较差(束文圣等，2000；郝秀珍等，2005)。尾矿砂的这些特点使得植物的定居非常困难，因此在没有进行造林的条件下其物种多样性较低。在进行造林后，林木对于尾矿地土壤及小环境具有明显的改善作用，主要表现为表层尾矿中水分含量增加以及尾矿肥力的提高，这些作用为其他物种的进入和定居创造了条件，使得物种多样性明显增加。天然灌丛是在自然条件下发育起来的植被，其土壤条件相对较好，适宜植被生长，因此具有较高的物种多样性指数。通过造林这种生物措施可以使尾矿地上的物种多样性达到或接近天然植被的水平。

从物种丰富度的比较来看，也可以得出类似的结论。紫穗槐林、天然灌丛、沙棘林3种样地的物种丰富度较为接近，分别为5.75，5.46，4.96；其次为刺槐林，为3.00，未造林尾矿地最低，只有0.90。其生态学意义为各林分在每平方米样地上出现的物种数分别平均为5.75，5.46，4.96，3和0.9个。该结果表明，在没有造林的情况下，尾矿地的物种丰富度很低，只有沙蓬和沙芦草等对尾矿具有较强适应能力的物种能够生存。而尾矿地在造林后，立地条件得到改善，能够生存的物种逐渐增加，使得物种丰富度明显提高。

另外，比较紫穗槐林的多样性指数与丰富度可以看出，在几种样地中，紫穗槐的丰富度是最高的，但其物种多样性指数却仅高于未造林尾矿地，而低于其他样地。出现这种结果的原因主要在于紫穗槐林下不同植物物种的多度分布不均匀造成的，紫穗槐由于结实量很大，因此林下形成数量很多的紫穗槐的幼苗，其数量远高于其他物种，造成了分布上的不均匀性，导致紫穗槐林尽管具有较高的物种丰富度，但物种多样性却比较低的结果。

以上研究结论对于尾矿的生态治理具有重要的指导意义。尾矿因其恶劣的理化性质给其生态治理带来了极大困难，选择对尾矿具有较强适应能力的树种重建植被，如沙棘、紫穗槐等，一方面可以防止扬尘、滑坡、垮坝等环境问题及自然灾害的发生，同时还可以使生物多样性得到很好的恢复。生物多样性的恢复是退化生态系统得到恢复的重要标志(任海等，2001)。

3.4 不同样地主要物种组成及其群落相似性

不同样地物种多样性的差异除了表现在物种多样性指数上以外，还表现在具体的物种组成方面。各样地中重要值最高的5个物种如表 2所示。从表 2可以看出，不同样地中的主要物种组成具有很大差别。物种组成上的差别可能与它们的土壤及环境条件不同有关。天然灌丛是在自然发育土壤上发育起来的植被，没有乔木层，因此光照充足，且相对干旱。刺槐林是在经过改土后的土壤上发育起来的，土层较薄，上层郁闭。其余3种类型基质都为尾矿，但环境条件有很大差别，因此物种组成也明显不同。未造林尾矿地，尾矿裸露，流动性强，且干旱，只有沙蓬和沙芦草能够生长。而紫穗槐林与沙棘林的立地条件相对一致，二者的基质都为铁尾矿，而且上层都有冠层存在，这样形成了相似的立地条件，因此其物种组成也具有较高的相似性，在重要值最高的5个物种中，有3个物种是相同的，分别为苦荬菜、狗尾草和猪毛菜。从群落系数也可以看出其相似程度(表 3)，它们之间的群落系数最高，为0.38，而其他类型间的相似程度则相对较低，这种差异也说明沙棘林与紫穗槐林与其他类型相比，立地条件具有一定的特殊性。未造林尾矿地也因其特殊的环境特征，其物种组成与其他样地具有明显的不同。

4 结论

通过对不同尾矿地的物种多样性及养分含量的调查和分析，研究了生物措施—造林对尾矿地肥力状况及物种多样性的影响，得出如下结论。

1) 铁尾矿地的有机质及速效氮含量远低于天然灌丛土壤，其速效氮含量偏低可能是影响铁尾矿地植被重建的重要限制因素。

2) 采用具有固氮作用的适生树种进行造林后，铁尾矿的速效氮及有机质含量都有明显提高。

3) 采取生物措施，即造林后，不同铁尾矿地草本植物的综合物种多样性指数、丰富度指数都有明显增加，表明生物措施可以明显提高铁尾矿地的物种多样性。

通过本研究可以知道，在贫瘠、干旱的铁尾矿地上首先引进耐贫瘠、具有固氮作用的植物种类，形成稳定的人工群落，一方面可以逐步实现对铁尾矿的改良，使尾矿的肥力状况逐步得到改善，另一方面还可以形成相对适宜群落环境，为更多的植物种类的进入创造条件，使物种多样性得到提高，从而可以实现铁尾矿的全面治理。