植被恢复是矿区生态修复的有效途径。植被的生长变化及恢复状况可以表征矿区土地复垦的程度与质量。植物群落的组成和结构动态变化,对揭示植被恢复过程中的物种共存和生物多样性维持机制具有重要意义。本研究以自然资源部矿区土地复垦——山西朔州野外科学观测研究基地为依托,分析了半干旱黄土区大型露天煤矿排土场不同配置模式的植被演替规律。主要研究结果如下:(1)采用永久性固定监测样地的研究方法,基于样地两次调查数据,对比分析了4种配置模式的人工复垦植被17年和22年群落特征。结果表明:各样地树种组成较为稳定,胸径1 cm以上的独立个体数增加量为SⅢ样地(刺槐(Robinia pseudoacacia)×榆树(Ulmus pumil)×臭椿(Ailanthus altissima))>SⅣ样地(刺槐×油松(Pinus tabuliformis))>SⅠ样地(刺槐×油松)>SⅤ样地(刺槐纯林)。每年死亡率为SⅢ样地>SⅠ样地>SⅣ样地>SⅤ样地,每年增补率为SⅢ样地>SⅣ样地>SⅠ样地>SⅤ样地,死亡量和增补量最大的分别是刺槐和榆树。胸高断面积净增加量为SⅣ样地>SⅠ样地>SⅤ样地>SⅢ样地,刺槐的损失量和新增量最多。各样地的径级结构发生了较大变化,小径级个体死亡量较大。除了榆树以外,刺槐、油松和臭椿的平均胸径均增加。刺槐和臭椿种群普遍减小,油松种群基本维持原有规模,榆树种群快速增长。刺槐×油松混交林模式具有较高的存活率且长势良好,刺槐纯林模式长势相对较差。(2)采用多项指标对4种配置模式的草本层物种多样性进行了测度。利用方差比率法(VR)、χ~2检验和Spearman秩相关系数检验对草本层物种总体关联性和优势种的种间联结性进行了分析。结果表明:两次调查期间,各样地以多年生和中生草本植物为主,随着复垦年限增加,1年生或1、2年生及中生植物重要值下降,多年生和旱生、中旱生植物的重要值有所增加。草本层物种丰富度指数下降,Shannon-Weiner指数和Pielou均匀度指数增加。草本层物种正负关联比呈增加趋势,群落结构逐渐趋向于稳定。刺槐×油松混交林模式草本层物种多样性中等,群落稳定性最高,刺槐纯林模式草本层物种表现为显著负关联,种间竞争激烈。(3)采用线性混合模型分析了胸径、邻体竞争和环境因素(土壤养分和地形)对4种配置模式的人工复垦植被生长的影响。采用多元逐步回归法分析了草本层物种多样性的影响因素。结果表明:胸径是影响人工复垦植被生长最重要的因素,乔木指标(平均高度、平均胸径和冠层开阔度)和土壤因子(表层土壤pH值、有机质和有效磷含量)共同对复垦22年后草本层物种多样性产生影响。(4)基于BEF(Biodivesity-ecosystem functioning)实验,比较了15种配置模式人工复垦植被的存活和生长以及草本层植物自然侵入特征差异,采用多元逐步回归法分析了演替早期(复垦5年)影响人工复垦植被存活和草本层物种多样性的关键因素。结果表明:油松纯林、刺槐×油松和油松×沙棘(Hippophae rhamnoides)混交林模式的存活率显著高于其他配置模式。4个实验树种的存活率存在极显著差异,表现为油松>刺槐>柠条(Caragana korshinskii)>沙棘。配置模式和表层土壤养分含量对75%的树种存活无显著影响。土壤pH值和有效磷含量对演替早期草本层物种多样性的影响最为显著。(5)采用永久性固定监测样地与传统样方相结合的研究方法,比较了人工修复与自然修复途径下草本层物种多样性和表层土壤养分含量的差异。结果表明:经过5年修复,15种配置模式的人工植物群落与自然修复的植物群落草本层物种组成较为相似,物种多样性和土壤养分含量普遍无显著差异,均低于原地貌,短期内植被恢复对土壤养分状况的改良作用相对较为有限。经过22年修复,4种配置模式的人工植物群落与自然修复植物群落的土壤养分含量均已超过原地貌,前者草本层的物种多样性已接近或超过原地貌的90%,而后者植被恢复较为缓慢,草本层物种多样性仅为原地貌的68.50%,且在短期内难以形成乔灌草的复合结构。