某金礦排水溝沿線植物多度和物種多樣性分析

摘要：以潼關縣某金礦生產(chǎn)區(qū)廢水溝沿線植物為研究對象，對其進行抽樣調(diào)查、標本采集和鑒定，分析各物種組成的數(shù)量特征及各樣區(qū)植物的多樣性。結(jié)果表明，污水道沿途各樣區(qū)受污染影響植物組成偏少；所有植物中分布極多的植物種類較少，僅有葎草（Humulus scandens）和狗牙根[Cynodondactylon（Linn.）Pers.]；分布稀少和個別的植物種類較多，占全部植物種類的38%；樣區(qū)11的物種多樣性指數(shù)為所有調(diào)查樣區(qū)中最高，香農(nóng)-威納指數(shù)為2.47，均勻度為0.82；而樣區(qū)32無植物生長，為大片裸地。

關鍵詞：香農(nóng)-威納指數(shù)；均勻度；物種多樣性；多度

中圖分類號：S728.9 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）15-3510-04

礦產(chǎn)資源開發(fā)活動過程中，廢石尾渣、選礦廢水、廢氣浮塵中的多種重金屬元素成為礦區(qū)環(huán)境的主要污染源，通過污染灌溉、大氣降塵等導致礦區(qū)土壤重金屬污染。而礦山土壤的重金屬污染，不僅可以通過雜草、糧食、蔬菜等各級食物鏈對人體健康造成影響[1，2]，而且長期礦業(yè)開采地區(qū)，一系列的開發(fā)活動對這些地區(qū)的物種多樣性造成威脅，生態(tài)平衡遭到破壞，長此以往人類將無法在此生存[3]。潼關金礦區(qū)位于秦嶺北麓，由于該地區(qū)的礦業(yè)開采，致使土壤受到了嚴重污染，當?shù)厝藗円呀?jīng)“意識到”自己腳下的水不能飲用，只能用于洗衣和灌溉[4]；多種國家保護的動、植物已經(jīng)不能在此棲息，當?shù)匚锓N多樣性受到嚴重威脅。本研究以金礦生產(chǎn)區(qū)廢水溝沿線植物為研究對象，對植物進行抽樣調(diào)查、標本采集、鑒定，分析和研究植物的構成特點和各調(diào)查樣區(qū)植物多樣性，為金礦區(qū)及周邊土壤重金屬污染的植物修復研究提供科學依據(jù)，并對該區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的自然演替規(guī)律、生態(tài)保護、資源開發(fā)利用、區(qū)域生態(tài)體系安全以及經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于潼關縣附近某金礦排水溝沿岸區(qū)域。該區(qū)域地理坐標34°23′-34°35′N，110°15′-110°25′E。海拔高度為400～500 m，土壤主要為黃土質(zhì)棕壤，屬暖溫帶大陸性半干旱季風氣候。光能資源較充足，熱量和降水量偏少，常年平均日照時間為2 269 h。年平均氣溫12.8 ℃，年平均降水量為625 mm，年植被蒸發(fā)量1 193 mm，四季多風，年平均風速3.2 m/s。

2 研究方法

2.1 樣地調(diào)查

2011年9月，通過踏查和路線標記對潼關縣某金礦污水流經(jīng)區(qū)域及周圍植物進行實地調(diào)查并照相，選取有代表性的樣地，樣地面積為10 m×10 m，選2～6個1 m×1 m草本樣方。共設草本樣方32個。

2.2 樣品采集及鑒定

以典型抽樣的方法[5]對樣地植物進行采集、標記并拍照，根據(jù)《中國植物志》相關卷冊、《中國高等植物圖鑒》及其補編、《中國西北內(nèi)陸鹽地植物圖譜》、《黃土高原植物志》、《秦嶺植物志》等植物分類工具書對所采集的標本進行鑒定。記錄群落的數(shù)量標志，灌木層和草本層要求調(diào)查多度、蓋度和頻度。

2.3 計算方法

2.3.1 香農(nóng)-威納指數(shù) 香農(nóng)-威納指數(shù)用來描述種的個體出現(xiàn)的紊亂和不確定性。不確定性越高多樣性也就越高。其計算公式為：

2.3.2 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)[6] 計算公式為：

3 結(jié)果與分析

3.1 各樣區(qū)土壤污染分析

內(nèi)梅羅指數(shù)法是當前國內(nèi)外進行綜合污染指數(shù)計算的最常用的方法之一，考慮到多種污染物的綜合效應。本試驗以各樣區(qū)土壤中Pb、Cr、Cd、Ni等21種重金屬為研究對象，以中國土壤元素背景值算術平均數(shù)[7]為標準，采用內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)評價各種重金屬對該區(qū)域的污染程度。各樣區(qū)污染指數(shù)統(tǒng)計結(jié)果見表2。

由表1和表2可知，礦區(qū)沿線區(qū)域的綜合污染指數(shù)高出國家背景值的100倍之多，污染非常嚴重。該區(qū)域生長的雜草及各種農(nóng)作物產(chǎn)品中含有的重金屬通過各級食物鏈在人體內(nèi)富集，嚴重威脅著人類的健康[8]。另外本地區(qū)如果不及時處理各種污染物，長期污染物的積累會導致生態(tài)退化，環(huán)境更加惡劣。因此，必須采取相關措施治理污染，恢復生態(tài)平衡。

3.2 物種組成的數(shù)量特征

多度是衡量植物群落中物種個體數(shù)目多少的一種指標，在植物群落的野外調(diào)查中，采用Drude的七級制多度[9]，各級表示如下：

對礦區(qū)排水溝沿線調(diào)查的32個樣方中，各種植物多度的結(jié)果見表3。

由表3可知，礦區(qū)周圍各種植物中禾本科的狗牙根[Cynodondactylon（Linn.） Pers.]和桑科的葎草[Humulus scandens （Lour.） Merr.]分布極多，特別是葎草是蔓生植物且地上部分生物量較大，生長旺盛，適應性強。旋花科的打碗花、禾本科的擬金茅和狗尾巴草以及菊科的艾蒿分布也很多，對環(huán)境有較好的適應性。分布極多、很多的植物多為該生態(tài)系統(tǒng)中的優(yōu)勢種類，對礦區(qū)環(huán)境的改善起良性作用。而在整個調(diào)查樣區(qū)中分布稀少和個別的物種數(shù)目較多，分別占物種總數(shù)的22%和16%。其中禾本科的竹節(jié)草、豆科的野大豆和傘形科的水芹菜等，不僅在礦區(qū)的數(shù)量分布很少，在調(diào)查樣方內(nèi)僅有1株或兩株，是偶見種，且地上部分生物量較少，在物種之間的競爭中處于劣勢。隨著環(huán)境的繼續(xù)惡化，最終在此地區(qū)可能瀕臨滅絕。早開堇菜、灰灰菜和蒲公英分布較少或稀少的植物種類在治理污染、恢復生態(tài)平衡的過程中也是重點保護的種類，以增加物種多樣性，利于改善生態(tài)環(huán)境。

3.3 各樣區(qū)植物多樣性

物種多樣性具有兩種涵義，一方面是物種的數(shù)目，即一個群落中物種數(shù)目的多少；另一方面是一個群落中個體數(shù)目的分配狀況。而多樣性指數(shù)是反映豐富度和均勻度的綜合指標，本研究采用香農(nóng)-威納指數(shù)來確定樣地群落的植物多樣性。

由表4可知，不同樣方的多樣性指數(shù)不同，樣方4、11、12、17、24的香農(nóng)-威納指數(shù)和均勻度均較高，說明樣區(qū)中物種組成較豐富且各物種個體數(shù)目分配較均勻，物種多樣性較其他樣區(qū)高，其中樣區(qū)11的香農(nóng)-威納指數(shù)為所有調(diào)查樣方中最高，其值為2.47，且均勻度也較高，其值為0.82；根據(jù)實地調(diào)查結(jié)果可知，這些樣區(qū)多位于較濕潤的陰面或農(nóng)田附近，受環(huán)境或人為施肥的影響綜合體現(xiàn)較其他樣區(qū)更適合于植物品種的生長。樣方32位于三條污水河的交叉口附近，生態(tài)污染非常嚴重，此樣區(qū)已被污水長時間沖刷為裸地，無植物組成。而樣方9、20、22、23、27中雖然生長植物，但各樣區(qū)的植物組成匱乏，香農(nóng)-威納指數(shù)和均勻度均較低，物種多樣性較低，可見土壤的污染已嚴重威脅到當?shù)刂脖坏纳L。但這些樣方中生長的葎草、叉枝蒿和狗牙根等植物能夠在高重金屬濃度和高污染的環(huán)境中生長良好，說明這些植物具有抗逆性較強的特點，可以為建立人工生態(tài)系統(tǒng)、治理污染和恢復生態(tài)平衡時利用。

4 結(jié)論

1）本次調(diào)查結(jié)果中各調(diào)查樣區(qū)物種總體組成單一，許多樣方只有一種或兩種植物，且多為常見種類，無稀有種。植物多樣性低，各個樣方的植物多樣性指數(shù)值差異大，平均值在0.42左右。本次調(diào)查區(qū)域為金礦廢水溝附近土壤和植物，由于受到礦區(qū)污染影響，許多生物不能長期適應當?shù)丨h(huán)境條件，生長狀況不良或不能生存，所以，綜合導致各樣區(qū)植物種類減少，生物多樣性降低。而植物多樣性的提高不僅可以增強生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而且可以提高生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力[10]，生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)生物多樣性越高或群落結(jié)構越復雜， 系統(tǒng)就越穩(wěn)定[11]。所以，改善礦區(qū)環(huán)境，提高生物多樣性，治理礦區(qū)污染迫在眉睫。

2）本次調(diào)查結(jié)果中各樣區(qū)中分布稀少的植物種類較多，占整個調(diào)查物種的38%，并常以偶見種或伴生種形式存在，可能是對該礦區(qū)的污染環(huán)境不適應，生態(tài)位逐漸縮小的種類，也有可能是適應性很強的物種擴大其生態(tài)位，剛剛在本地區(qū)定居的植物種類。在所有調(diào)查樣區(qū)中，禾本科植物分屬13個屬，共14種，為最多；菊科植物分屬10個屬，共13種，居其次。其中禾本科的狗牙根和桑科的葎草，分布極多，特別是葎草是蔓生植物且地上部分生物量較大，生長旺盛，適應性強。這些植物種類在建立人工生態(tài)系統(tǒng)修復土壤污染時，為增加物種多樣性，改善區(qū)域環(huán)境，是可以利用的種類。

參考文獻：

[1] NICHOLSON F A， SMITH S R， ALLOWAY B J. An inventory of heavy metals inputs to agricultural soils in England and Wales[J]. Sci Total Environ，2003，311：205-219.

[2] 張涪平，曹湊貴，李 蘋，等.藏中礦區(qū)重金屬污染對土壤微生物學特性的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學，2010，29（4）：698-704.

[3] 張 明，李 靜，荀彥平. 內(nèi)蒙古地區(qū)礦區(qū)總體規(guī)劃開展生物多樣性評價的情況和建議[J]. 北方環(huán)境，2010，22（4）：25-26.

[4] 李庚飛.潼關縣廢棄金礦周圍土壤重金屬研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學，2012，40（2）：825-827.

[5] 袁傳武，史玉虎，潘 磊，等.長江中游濕地植被調(diào)查初探[J].湖北林業(yè)科技，2002，12：13-15.

[6] 丁桑嵐. 環(huán)境評價概論[M].北京：化學工業(yè)出版社，2001.

[7] 中國環(huán)境監(jiān)測總站.中國土壤元素背景值[M].北京：中國環(huán)境科學出版社，1990.

[8] 常學秀.重金屬污染與人類健康[J].云南環(huán)境科學，2000，9（1）：59-61.

[9] 牛翠娟，婁安如，孫儒泳，等.基礎生態(tài)學[M].第二版.北京：高等教育出版社，2002.

[10] BASKIN Y. Ecosystem function of biodiversity[J].Bio Science，1994，44（10）：657-660.

[11] MACARTHUR R H. Fluctuations of animal populations and a measure of community stability[J].Ecology，1955，36（3）：533-536.