貴州中部煤矸石堆場廢棄地自然植被的群落組成及物種多樣性

趙曉燕，劉 方

(貴州大學資源與環境工程學院，貴州 貴陽 550003)

1 研究地區概況及研究方法

1.1 研究地區概況

研究地區為貴州中部貴陽市花溪區，該區屬低山地貌，主要土壤類型為黃壤。年平均氣溫14.9℃，年降雨量1100～1200mm。該區是貴陽的重要產煤區，歷史上曾擁有大小煤窯200余口，廢棄煤矸石污染問題是當地重要環境問題。

花溪是貴陽市重要農產品生產基地，約有20000hm2耕地，養殖場10余座。是貴陽市重要的農業生產以及供應基地。該區處于貴陽“三大水缸”之一的阿哈水庫的上游。研究花溪區煤矸石廢棄地的植被對下游水質的保護和改善以及花溪區農產的食品安全有重要意義。

1.2 研究方法

選取調查區域內面積超過500m2的煤矸石堆場，按照煤矸石堆放年限不同，進行植物群落樣方調查，橫向模擬煤矸石植被群落演替過程。分別為＜10a(樣地編號1)，10～30a(樣地編號2)，30～50a(樣地編號3)和50～70a(樣地編號4)4個類別，并對煤矸石廢棄地周邊自然土壤 (樣地編號5)植物群落進行調查研究。對不同堆放年限煤矸石堆場其自然恢復調查邊界為每塊煤矸石堆場的全土壤為界，在界內由堆場主體區域向邊緣區域分別按照喬木植物和草本植物樣方調查的不同方法，連續設置10m×10m大樣方進行喬木植被調查，并在10m×10m樣方內設置2m×1m［4］樣方進行林下植被樣方調查，記錄苔蘚和蕨類植物、草本植物、藤本植物、灌木和喬木的各個生態學指標。

2 數據處理

群落內各物種的重要值以綜合數值來表示，它是確定群落中每一植物種相對重要性的一個綜合指標［5］;而群落物種多樣性則可用表征生境內多樣性的α－多樣性指數來反映［6］。本文即采用重要值和α－多樣性指數來分析花溪廢棄煤矸石堆場不同群落的組成特征及物種多樣性。

2.1 物種重要值計算 (important value)

計算5個樣地中群落的重要值 (important value)，方法如下:

公式中RD、RF和RP分別為相對密度、相對頻度和相對顯著度，群落中所有物種重要值IV之和等于 300［5］。

2.2 物種多樣性分析

本研究采用α－多樣性指數中的物種多樣性指數、均勻度指數以及生態優勢度來分析花溪區不同煤矸石堆場植物群落的物種多樣性，公式如下:

(1)物種多樣性指數 (Index of species diversity)，計算時采用以信息論范疇的Shannon－Wiener函數為基礎的Shannon－Wiener多樣性指數 (H')［6］。

(2)均勻度指數 (Index of evenness)，以Shannon－Wiener指數為基礎的Pielous均勻度指數 (PIE)［7］。

(3)生態優勢度 (Ecological Dominance)，用Simpson指數 (SN)表示，采用生態優勢度可對群落的物種多樣性結構和動態水平進行更為透徹的說明［8］。

上述公式中，ni為第i個種的個體數;N為群落 (樣地)全部個體總數，s為群落 (樣地)中的物種數。

生態優勢度、均勻度和物種多樣性指數有密切的關系，可從三方面表征群落的組成和結構水平［9］。

3 結果與分析

棄煤矸石堆場植物群落組成按照喬木、灌木、藤本植物、草本植物和蕨類植物分類，并對各組成植物數量進行總結，同矸石堆廢棄地周邊自然土壤作比較，統計5個樣地的植物群落組成及每個物種數量及分布，得分析表如表1和表2。

3.1 煤矸石廢棄地植物群落組成分析

由表1可知，4個煤矸石樣地中，共有馬尾松(Pinus massoniana)、亮葉樺 (Betula luminifera)、青岡 (Cyclobalanopsis glauca)、油茶 (Camellia oleifera)、白車軸草 (Trifolium repens)、小蓬草(Conyza canadensis)、曼陀羅 (Datura stramonium)、阿穆爾莎草 (Cyperus amuricus)、魚腥草(Geranium robertianum)、紫花地丁 (Viola philippica)、匍根大戟 (Euphorbia serpens)、滇西北虎耳草 (Saxifraga dianxibeiensis)、狗尾草 (Setaria viridis)、類蘆 (Neyraudia reynaudiana)、狗牙根(Cynodon dactylon)、毛果金星蕨 (Parathelypteris chinensis)和擬附干蘚 (Schwetschkeopsi denticulata)17個物種，屬15科17屬。

煤矸石廢棄地周邊自然土壤植物群落中含有所有煤矸石廢棄地植物群落中植物，共含38個物種，屬26科36屬。除了含有上述煤矸石廢棄地植物物種，還含茅栗 (Castanea seguinii)、山茶 (Camellia japonica)、繅絲花 (Rosa roxburghii)、火棘(Pyracantha fortuneana)、珍珠莢蒾 (Viburnum foetidum)、煙管莢蒾 (Viburnum utile)、六月雪(Serissa japonica)、粘山藥 (Dioscorea hemsleyi)、圓葉牽牛 (Pharbitis purpurea)、車前 (Plantago asiatica)、黃毛萼葛 (Pueraria calycina)、褪粉獼猴 桃 (Actinidia melanandra)、柔 毛 艾 納 香(Blumea mollis)、鬼針草 (Bidens pilosa)、蒲公英(Taraxacum mongolicum)、菊狀千里光 (Senecio laetus)、細葉鼠麴草 (Gnaphalium japonicum)、山飛蓬 (Erigeron komarovii)、苦蕎麥 (Fagopyrum tataricum)、鳳尾蕨 (Pteris cretica var．nervossa)和腎蕨 (Nephrolepis auriculata)共21個種。

表1 調查區不同樣地植物種類及數量統計表

表2 樣地物種數量及組成分析表

由表2可知，煤矸石廢棄地周邊自然土壤植物群落較煤矸石廢棄地植物群落多的為:喬木種1種、灌木種6種、草本11種、蕨類及蘚類2種和藤本植物2種 (煤矸石廢棄地藤本物種數量為0)。

綜上，由于煤矸石廢棄地受周圍自然土壤物種遷移影響，所含物種均為自然土壤物種。受演替時間及煤矸石廢棄地矸石污染物濃度高的影響，麥坪鄉煤矸石廢棄地植物群落物種數量和分類小于其周邊自然土壤，植物群落組成較簡單。

3.2 煤矸石堆場植被自然演替過程中群落組成變化

植物群落演替過程中會在不同演替階段出現不同的植物群落組成。

首先，對植物群落組成的物種數量和分類組成變化進行分析。

由表1可知，10～30a、30～50a和50～70a煤矸石廢棄地3個樣地中，物種數量相對于堆放年限＜10a煤矸石廢棄地，分別增加11.11%、22.22%和88.89%。4個樣地植物物種數量隨著煤矸石堆放年限由低到高，由9種增至17種。

各類植物數量基本隨著煤矸石堆放年限的增加而增加。喬木種類植物數目和灌木植物種類數目隨著煤矸石堆放年限增加，沒有增加;草本植物數目按照煤矸石堆放年限增加分別增加1，1，1和4種，是群落中物種增加數量最快的一類;蕨類和苔蘚類植物在堆放年限少于50a煤矸石堆場上沒有增加，而在50～70a煤矸石堆場上較少于50a堆放年限的3個煤矸石廢棄地增加了1種。增加速度最快的植物種類為草本植物。草本植物及蕨類植物在增加煤矸石廢棄地蓋度上起著重要作用。

另外，植被群落由于群落的物種組成、個體特點及各個物種間的不同關聯而表現出明顯的差異。除了研究群落的物種組成，對其群落內物種優勢度研究，也是對群落組成的一個重要研究內容。

花溪廢棄煤矸石堆場植物群落組成及主要樹種在不同樣方中的重要值的大小所表明的是一個樹種在群落中的優勢地位，它在一定程度上表明了一個物種相對于群落中其它物種對生態資源的占據和利用能力的大小。表3是花溪煤矸石堆場各種植物在不同樣方中的重要值。

表3 花溪不同堆放年限煤矸石堆場植物群落中物種重要性比較

由表3可知，堆放年限＜10a的煤矸石廢棄地樣地內，木本植物以光皮樺 (16.97) (括號內為重要值，以下同)和馬尾松 (11.97)、草本植物以小蓬草 (56.77)和類蘆 (55.58)為優勢物種;堆放年限為10～30a的煤矸石廢棄地內，木本植物以光皮樺 (18.03)和馬尾松 (12.91)、草本植物以類蘆 (82.05)和小蓬草 (42.06)為優勢物種;堆放年限為30～50a的煤矸石廢棄地內，木本植物以青岡 (9.38)和馬尾松 (8.21)、草本植物以類蘆 (68.45)和狗牙根 (65.09)為優勢物種;堆放年限為50～70年的煤矸石廢棄地內，木本植物以馬尾松 (6.48)和油茶 (3.81)、草本植物以狗牙根 (43.74)和類蘆 (27.12)為優勢物種。4個樣地優勢物種基本一致，馬尾松、光皮樺、小蓬草、類蘆、狗牙根和毛果金星蕨為4個樣地的共同優勢物種。在植物群落演替過程中，這6種植物為樣地植物群落演替的先鋒物種，在植物群落自然恢復過程中形成了以油茶+青岡+馬尾松+光皮樺+狗牙根+類蘆+小蓬草+毛果金星蕨組成的先鋒群落。

由以上分析可知，隨著堆放年限的增加，群落演替的進行，花溪廢棄煤礦煤矸石堆場自然恢復植物群落中物種數量增加;喬木、灌木、草本植物和蕨類及苔蘚植物種類分別增加，增加速度最快的植物種類為草本植物;在調查的4個煤矸石群落中，馬尾松、光皮樺、小蓬草、類蘆、狗牙根和毛果金星蕨為主要優勢物種，且形成了一定的先鋒群落。以上優勢物種可作為貴州中部煤矸石廢棄地人工植被修復的參考物種。

3.3 煤矸石堆場物種多樣性變化分析

植物群落物種多樣性不僅由群落本身類型結構決定，亦受其演替階段、微生物及其人為活動的影響。運用α－多樣性指數中的物種多樣性指數、均勻度指數以及生態優勢度對花溪4個廢棄煤矸石堆場樣方和1個自然土壤樣方的物種多樣性分析如表4。

表4 花溪不同堆放年限煤矸石堆場植物群落物種多樣性指數比較

由表4可知，隨著煤矸石堆放年限的增加，物種多樣性指數增加。由于Shannon－Wiener物種多樣性指數是對富有種相對多度敏感，群落中擁有越多的稀有種，則該指數越低，群落演替等級越低。故隨著煤矸石堆放年限的增加，煤矸石廢棄地植物群落的演替等級越高。由于堆放年限＜10a的煤矸石廢棄地煤矸石堆放年限較少，矸石內污染物濃度較低，對植物生長不利，且周邊物種遷移時間短，故其Shannon－Wiener物種多樣性指數數值明顯低于其他3個煤矸石廢棄地。堆放年限為10～30a、30～50a和50～70a的煤矸石廢棄地 Shannon－Wiener物種多樣性指數數值相對接近，且呈增加趨勢，是由于10～70a堆放年限內，煤矸石內污染物濃度降低到較低較平穩水平，且降低速度較＜10a的煤矸石堆場明顯降低，樣地土壤狀況更利于植物生存。

生態優勢度可對群落的物種多樣性結構和動態水平進行更為透徹的說明。Simpson指數可以反應群落物種多樣性結構，該指數與物種多樣性指數成反比關系。由表4可看出，隨著煤矸石堆場矸石堆放年限增加，Simpson指數數值降低。堆放年限為50～70a煤矸石廢棄地Simpson指數數值與堆放年限＜10a煤矸石廢棄地較接近，兩地生態優勢度為5個樣地最高水平，堆放年限為50～70a煤矸石廢棄地是由于樣地內含一條1m寬人行便道、樣地周圍含兩條地表徑流且樣地處于周邊農民放牧區，大型動物活動較多所致;堆放年限＜10a煤矸石廢棄地其Simpson指數數值也處于較高水平是因為樣地煤矸石內污染物較高，樣地植物群落演替時間短、等級低。

群落的物種多樣性指數除與群落內種類數目，即豐富度有關外，還與種類中個體分配上的均勻性有關。故是反映種群多樣性的一個重要指標。由表4可知，隨著堆放年限增加，群落物種均勻度指數基本呈增加趨勢。堆放年限為50～70a煤矸石廢棄地植物群落均勻度指數為0.68，處于5個樣地最低，同其他3個樣地差異最大。經分析是由于樣地處于當地居民畜牧活動頻繁區，區內植物分布受人類和大型動物活動對物種個體分配影響較大。堆放年限＜10a煤矸石廢棄地其均勻度指數為0.74，處于5個樣地較低水平，是因為樣地周邊物種遷移時間較短，物種分布受周邊環境影響極大，在樣地內呈樣地周邊分布植物較多，中心分布植物較少的趨勢，物種個體分布不均勻。

對花溪4個典型煤矸石堆場樣方的α－多樣性指數分析表明:隨著煤矸石堆放年限增高，樣地內植物群落物種多樣性隨之增高，群落演替等級也隨著增加。但是人類和大型動物對煤矸石廢棄地影響較大，會導致植物群落的Simpson生態優勢度指數和Pielous均勻度指數產生明顯變化，故人類和大型動物的活動會對煤矸石廢棄地的生態群落產生較大影響。

4 結論

4.1 煤矸石廢棄地植物群落的組成

花溪煤矸石廢棄地植物群落共有17個物種，屬15科17屬。植物分類有喬木、灌木、草本植物、蕨類植物和苔蘚植物，組成較復雜。優勢物種為油茶、青岡、馬尾松、光皮樺、狗牙根、類蘆、小蓬草和毛果金星蕨，并形成了以優勢物種為主的先鋒植物演替群落，在煤矸石廢棄地植物群落演替過程中起著重要作用。在人工植被修復煤矸石廢棄地污染的過程中，可以采用上述優勢物種，能縮短群落演替周期，且可建立穩定植物群落。

4.2 植物群落演替過程物種變化分析

花溪麥坪煤矸石廢棄地植物群落隨著煤矸石堆放年限的增加而復雜。4個樣地物種數量隨著煤矸石堆放年限的增加而增加，由9種增至17種。各類植物數量基本隨著煤矸石堆放年限的增加而增加，樣地內物種增加速度最快的為草本植物;煤矸石廢棄地植物群落內，隨著煤矸石堆放年限的增加，群落內優勢物種基本均為馬尾松、光皮樺、小蓬草、類蘆、狗牙根和毛果金星蕨，以上為花溪麥坪煤矸石廢棄地植物群落演替過程中的先鋒物種，也是人工植被修復的重要參考物種。

4.3 植物群落物種多樣性變化

4個樣地植物群落物種多樣性隨著煤矸石堆放年限增高基本呈增高趨勢。但是人類和大型動物的活動會導致植物群落的Simpson生態優勢度指數和Pielous均勻度指數產生明顯變化，故會對煤矸石廢棄地的生態群落的多樣性產生較大影響。在煤矸石植被修復過程中，要減少人類活動的不利影響。

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