砒砂岩是由风化、干旱和沉积作用形成的结构较为松散的岩层，指古生代二叠纪和中生代三叠纪、侏罗纪和白垩纪的厚层砂岩、砂页岩和泥质砂岩组成的岩石互层，包括灰黄、灰白、紫红色的石英沙岩， 灰色、灰黄色、灰紫色的沙质页岩，紫红色的泥岩，泥沙岩等^［1］。中国砒砂岩主要分布于陕北、内蒙古、山西等地，砒砂岩区是黄河粗泥沙的主要来源地，更是黄土高原侵蚀最为剧烈的区域，砒砂岩曾被许多学者称为“世界水土流失之最”和“环境癌症”^［2］，砒砂岩区总面积为1.67万km²，按分布形式可以分为盖沙区、裸露区和盖土区^［3-4］。砒砂岩结构较为松散，易受环境的影响，经常受到风蚀、降雨等因素的影响，易发生水土流失^［5］。砒砂岩在干旱环境下抗压强度较大，而在遇到降雨后其抗压强度和抗拉强度都会大幅下降，这是砒砂岩地区水土流失严重的主要原因，虽然砒砂岩分布区面积占黄土高原水土流失区面积的比例较小，但输入黄河泥沙量所占比例很大^［6］。因此，砒砂岩区水土流失的治理对解决黄河粗泥沙来源区问题有着重要意义。

植物种组成及多样性对维持一个地区群落稳定性具有重要的作用，物种多样性一方面指一定区域内物种的丰富程度，另一方面是指物种在一定区域内分布的均匀程度。砒砂岩地区由于砒砂岩裸露，环境条件较为恶劣，植物种组成较少。近年来，为了缓解砒砂岩地区水土流失及增加物种多样性，开展了大量的人工林建设，对林下草本物种的组成，生物量及物种多样性有着重要作用，同时也对砒砂岩地区植被恢复起着促进作用^［7］。目前对于砒砂岩地区人工林的研究较多，而对于不同类型砒砂岩区草本物种研究较少^［8］。因此，研究不同类型砒砂岩区草本物种组成及多样性，可以更加深入地了解砒砂岩地区的植物种配置，从而为砒砂岩地区植被恢复及水土流失治理提供重要依据。本文以砒砂岩盖沙区、裸露区、盖土区为研究对象，对比了不同类型砒砂岩区、不同地形部位的草本植物种类、物种组成及多样性，分析了不同类型砒砂岩区、不同地形部位以及环境因子对草本物种组成及多样性的影响，旨在为砒砂岩地区植被恢复和水土保持提供科学依据。

内蒙古鄂尔多斯高原地处河套平原黄河弯道中，地势比较平缓，整体从西北向东南微倾。研究区位于鄂尔多斯高原（图1），海拔1 100~1 500 m，砒砂岩面积为1.67万km²，位于温带季风区，属于典型的温带大陆性气候。土壤类型东部为栗钙土，西部为棕钙土。该区年平均气温6~8 ℃，1月平均气温-14~-8 ℃，7月平均气温22~24 ℃，≥10 ℃积温2 500~3 200 ℃，无霜期130~170天，积温高，昼夜温差大。年降水量150~200 mm，集中于7—9月，蒸发量较大，年均潜在蒸发量2 384 mm。

2022年8月，在内蒙古自治区鄂尔多斯市选择不同类型砒砂岩区，即盖土区、盖沙区和裸露区进行样地设置（图1）。其中盖土区主要是皇甫川沿线，调查线路为南北向；盖沙区主要是悖牛川沿线，调查线路为南北向；裸露区调查路线从东到西，主线路沿达拉特旗马呼线（G210），西起卜尔色太沟、东至东柳沟。每个类型砒砂岩区设置3个调查点，共9个调查点，在每个调查点进行草本样方的设置。每个调查点上样方的设置分为黄土塬（坡顶）、山坡（坡中）、沟坡（坡底）3个部位（图1），对于坡太陡峭而无法到达坡中和坡底的地点，则只在坡顶进行样方的设置，样方大小为0.5 m×0.5 m，重复2~3次，其中盖土区共10个样方，全在坡顶；盖沙区共15个样方，坡顶7个，坡中4个，坡底4个；裸露区共13个样方，坡顶6个，坡中4个，坡底3个，总共设置了38个草本样方。调查每个草本样方中草本物种的种类、高度、生物量、盖度、多度。同时，用GPS仪定位，用角度仪测量每个样方的坡度。用土钻采集1.5 m深不同层次土样，装入自封袋在现场称取鲜重，之后将土样带回实验室，105 ℃下烘干24 h后测量干重，用烘干法计算土壤质量含水量；土钻采样过程中记录土层厚度，如果土层厚度超过采样深度1.5 m，在样方附近悬崖用皮尺测量。现场测量得到盖土区、盖沙区和裸露区平均坡度分别为11.4°、9.3°、5.5°，盖土区、盖沙区和裸露区平均坡高分别为32.4、21.5、19.6 m。最后，根据样方经纬度用ArcGIS Desktop10.8在中国气象要素平均状况空间插值数据集获得当地的气象数据（1960—2021年）。

在调查过程中对样方中的草本植物进行现场鉴定，统计出不同类型砒砂岩区草本物种的组成，对不同类型砒砂岩区的科、属、种情况进行统计分析。同时计算不同类型砒砂岩区草本物种相似性指数Sprenson系数，对不同类型砒砂岩区草本物种差异性进行分析^［9］。

式中：A代表某一区域全部物种数；B代表另一区域全部物种数；C代表A、B区域共有物种数。

根据样方调查的草本物种的种类、盖度、多度计算出物种丰富度指数（R）、Shannon-Wiener指数（H'）、Simpson指数（D）、均匀度指数（E）^［10-14］。

式中：S代表样方内物种数目；P_i 代表样方内种的相对重要值，Pi=（相对多度+相对盖度+相对频度）/3。

使用Excel 2010和IBM SPSS Statistics 26软件对数据进行统计分析，使用Excel 2010和Origin Pro 2021作图。采用裂区试验设计二因素方差分析（Two-Way ANOVA）法进行数据分析，主因子为不同类型砒砂岩区，副因子为地形部位（坡顶、坡中、坡底），采用LSD法进行多重比较（α=0.05）。结合气象因子、地理信息及土壤因子进行主成分分析，分析环境因子对不同类型砒砂岩区物种组成及多样性的影响，根据主成分分析的结果，对影响显著的单个因子进行散点图拟合，分析这些环境因子与草本物种多样性的关系。

砒砂岩区草本物种共有16科、34属、40种（表1）。其中盖土区13科、21属、23种，双子叶植物11科、14属、16种，单子叶植物2科、7属、7种；盖沙区10科、20属、21种，双子叶植物7科、11属、12种，单子叶植物3科、9属、9种；裸露区12科、22属、23种，双子叶植物9科、14属、15种，单子叶植物3科、8属、8种。对不同类型砒砂岩区物种组成及重要值比较发现，盖土区中针茅（Stipa capillata）、刺蓬（Salsola tragus）、胡枝子（Lespedeza bicolor）、蒺藜（Tribulus terrestris）占优势地位，重要值均在10%以上，其余物种重要值均在10%以下；盖沙区中针茅、狗尾草（Setaria viridis）、艾蒿（Artemisia argyi）占优势地位，重要值均在10%以上，其余物种重要值均在10%以下；裸露区中刺藜（Chenopodium aristatum）占绝对优势地位，重要值在30%以上，其他物种重要值均在10%以下。

不同类型砒砂岩区草本物种相似性指数存在差异。盖沙区和裸露区以及盖沙区和盖土区的共有物种数较多，盖土区和裸露区的共有物种数相较于盖沙区和盖土区来说较少。盖沙区和裸露区相似性指数为50.0%；盖沙区和盖土区为63.6%，较高；盖土区和裸露区为39.1%，较低（表2）。

即盖沙区、裸露区、盖土区的草本物种丰富度指数、Shannon-Wiener多样性指数、Simpson优势度指数和均匀度指数差异均不显著（P>0.05）；除均匀度指数外，不同地形部位，即坡顶、坡中、坡底的草本物种丰富度指数、Shannon-Wiener多样性指数和Simpson优势度指数也差异不显著（P>0.05）；而不同地形部位的均匀度指数差异显著（P=0.027），坡顶为0.721，显著高于坡中的0.647和坡底的0.653，坡中和坡底则差异不显著（图2）。

对不同类型砒砂岩区、不同部位平均土壤含水量进行二因素方差分析可知，盖土区和盖沙区1.5 m深土壤含水量差异不显著（P=0.224），而裸露区7.6%显著低于盖沙区12.0%（P=0.0024）和盖土区10.7%（P=0.012）；不同地形部位的1.5 m深土壤含水量差异显著，坡底11.4%显著高于坡顶10.2%（P=0.027）和坡中（P=0.002），坡顶10.2%显著高于坡中6.9%（P=0.021，图3）。

对不同类型砒砂岩区物种组成、多样性及环境因子进行主成分分析（图4），环境因子分为三大类，分别是气象因子、地理信息和土壤因子。第一主成分（PC1）解释了物种组成及多样性51.7%的变异，第二主成分（PC2）解释20.9%的变异。盖土区和裸露区在PCA图中得到了较好的区分，盖土区主要分布于PC1的正半轴，与1.5 m深土壤含水量、相对湿度、降水量、气温紧密相关；盖沙区在PC1和PC2的正半轴和负半轴都有分布，与土壤含水量、坡度、年潜在蒸发量紧密相关；裸露区主要分布于PC1和PC2

的零点附近，主要受坡度、干燥度指数、土层厚度的影响。由此可知，影响草本植物物种组成及多样性的主要因素有相对湿度、降水量、气温和土壤含水量等。

把主成分分析载荷量较高的环境因子与物种多样性进行拟合发现：砒砂岩地区相对湿度与草本物种均匀度指数（R²=0.184，P=0.007）、土壤含水量与草本物种Shannon-Wiener指数（R²=0.166，P=0.011）、土壤含水量与草本物种Simpson指数（R²=0.163，P=0.012）显著正相关，降水量与草本物种均匀度指数（R²=0.223，P=0.012）、气温与草本物种均匀度指数（R²=0.173，P=0.036）、气温与草本物种丰富度指数（R²=0.148，P=0.061）呈二次函数关系（图5）。虽然这些因子对物种多样性有显著影响，但R²都比较小，说明解释程度都不是太高，但这些载荷量较高的环境因子大多与水分条件相关。由此可知，不同类型砒砂岩地区草本物种多样性主要受到水分的影响。

砒砂岩地区植被以人工林为主，但我们发现不同类型砒砂岩区草本物种组成不同，优势物种也不同。造成不同类型砒砂岩区草本优势物种不同的原因可能是不同类型区的土壤类型不同，土壤的储水能力不同、土壤水分也不同，从而导致草本优势物种存在差异。有研究发现，砒砂岩草本植物有针茅、百里香、糙隐子草、狼毒、刺藜、阿尔泰狗娃花、猪毛菜、艾蒿等，同本研究结果基本一致，这与该地区独特的环境和气候类型相符^［15-16］。盖沙区和盖土区的相似性指数较高，盖沙区和裸露区的居中，盖土区和裸露区的较低。研究发现相似性指数的大小一般与两个区域的距离有关，如果两地越近，其相似性指数越大，而两个地点距离越小，则两地的环境因子就越相似，它们的相同物种类型就可能越多，物种的相似程度也会越大；反之，物种的相似指数就会越小^［17］。

本研究发现不同类型砒砂岩区草本物种多样性指数并没有显著差异，可能是由于3种类型砒砂岩区生境条件相近，因此物种多样性差异小，但裸露区的草本物种盖度要低于盖土区和盖沙区，盖土区的草本物种盖度较高，是因为裸露区水土流失更加严重，受到的侵蚀程度大。砒砂岩区不同地形部位的草本物种盖度为坡中最低，坡底最高。有研究表明砒砂岩区坡顶和坡中的土壤侵蚀程度高于坡底^［18］，这影响了不同部位的植物组成和多样性。根据分析发现砒砂岩不同部位的均匀度指数差异显著，其中坡顶草本物种的均匀度指数最高，坡底草本物种均匀度指数最低，这可能也与砒砂岩地区水土流失问题有关。不同地形部位由于相隔较近、高度差较小，所以各个部位的降雨、温度、湿度等环境因子比较一致，可能导致了不同地形部位的物种组成及多样性比较相似。

对多种环境因子进行主成分分析表明，影响砒砂岩地区草本物种组成及多样性的重要因子主要有相对湿度、降水量、气温和土壤含水量，这些因子都与水分条件有关。地形因子对于物种组成及多样性的影响不明显，但有研究表明地形因子是间接的影响因子，其主要通过对降水、光照、温度、湿度的影响，从而间接影响到物种组成及多样性^［19］。通过对砒砂岩草本物种多样性与主成分分析载荷量较高环境因子关系进一步分析可知，相对湿度与均匀度指数显著正相关，空气湿度对植物的生存及生长都有着很大的影响，降水量的多少也会影响湿度，从而也可能对砒砂岩地区物种组成及多样性造成影响，年平均气温对物种组成的影响可能主要通过影响植物物候而体现。土壤含水量同Shannon-Wiener指数呈显著正相关关系，土壤含水量对于草本物种多样性的增加起到促进作用^［20］，与本文中分析结果一致。本研究发现土壤含水量是影响砒砂岩物种组成及多样性的重要因子，同前人研究一致，说明土壤水分是影响植物物种组成和多样性的关键因子^［21］。虽然相对湿度、气温、降水量和土壤含水量与物种组成及多样性有一定的相关关系，但由于距离较近导致生境条件相近，所以不同类型砒砂岩区、不同地形部位物种组成及多样性差异较小。

综上所述，不同类型砒砂岩区草本物种组成及优势物种均有差异，草本物种相似性指数也因距离远近不同而不同，草本物种盖度裸露区低于盖土区和盖沙区，不同地形部位草本物种盖度坡中最低，坡底最高。但由于3种类型砒砂岩区生境条件比较相近，所以草本物种多样性指数没有明显差异，而不同地形部位的均匀度指数差异显著。影响砒砂岩地区物种组成及多样性的主要因素是水分条件，一个地区的空气湿度、土壤水分、温度、降水都是决定该区域水分条件的因子，因而也是影响一定区域物种组成及多样性的因素。水分条件决定了植物适合生长的地理位置，影响植物的分布。而在砒砂岩地区水是限制因子，所以明确砒砂岩地区水分条件和物种组成及多样性的关系，可以为该地植被恢复中物种的选择提供参考，有利于植被恢复的设计，从而提高植被恢复的效率^［22］，同时本研究可以为砒砂岩区植被恢复提供近自然的植物空间配置模式，从而达到促进植被恢复的效果。因此，今后砒砂岩地区的植被恢复，都应该首先考虑水分条件和气象条件的影响。