井陘縣采石場廢棄地自然演替初期植被特征研究

張栓堂，石麗麗，李 潔，王雄賓*

(1.河北省水利科學研究院，河北省農業節水工程技術研究中心，河北石家莊 050051；2.河北省水土保持工作總站，河北石家莊 050000)

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井陘縣采石場廢棄地自然演替初期植被特征研究

張栓堂1，石麗麗2，李 潔1，王雄賓1*

(1.河北省水利科學研究院，河北省農業節水工程技術研究中心，河北石家莊 050051；2.河北省水土保持工作總站，河北石家莊 050000)

摘要[目的]分析采石場廢棄地的植被自然恢復過程，為人工輔助其生態恢復提供依據。[方法]在對河北省井陘縣不同恢復年限采石場廢棄地進行植物調查的基礎上，對其群落特征、物種組成及物種多樣性進行了分析。[結果]自然演替2 a采石平臺和自然演替2 a道路邊坡的植物群落結構相似，物種組成較簡單，以1年生草本為主，且物種多樣性低；自然演替11 a采石平臺和自然演替13 a道路邊坡物種多樣性較演替2 a標準地有較大提高，物種以多年生草本和灌木為主。[結論]自然演替13 a道路邊坡植被明顯好于自然演替11 a采石平臺植被，通過改善采石廢棄地的立地條件，遵循植被的演替規律，可以加快其植被演替進程。

關鍵詞采石場廢棄地；自然演替群落；植被結構特征

隨著社會經濟的發展，人類對礦產資源的需求日益增大。對礦產資源的開采不可避免地對植被和生態產生破壞，露天開采、采選礦廢棄物的堆積形成了大量礦山廢棄地，造成了嚴重的水土流失[1]。隨著人們對生態文明重視程度的日益提高，礦山廢棄地的生態恢復已成為當前環境科學界亟需解決的重大問題[2]。尋求采石場廢棄地自然演替規律，分析不同演替階段植被物種組成及多樣性，可有效提高植物成活率，降低采石場人工恢復植被成本。礦山廢棄地的生態恢復工程主要是在對廢棄礦山、棄渣邊坡等進行適當工程處治的基礎上，開展植被重建和生態系統功能恢復等工程建設，從而恢復自然生態環境[3-4]。目前對自然植被恢復的研究主要集中于采石場廢棄地不同恢復年限的植物群落類型[5]、物種多樣性變化特征[6]等方面，針對采石場廢棄地相同立地類型自然演替植被特征的研究較少。筆者以河北省井陘縣不同自然演替年限采石平臺和道路邊坡廢棄地的植物群落為研究對象，對其植被特征進行了分析，以期為太行山區采石場廢棄地低成本生態修復提供科學依據。

1材料與方法

1.1研究地區概況研究地位于河北省井陘縣秀林鎮(114°05′ E，37°59′ N)，地貌為低山丘陵類型，海拔為200～700 m，為黃壁莊水庫集水區。井陘縣位于太行山東側，屬溫帶大陸季風氣候，四季分明，春季干燥多風，夏季濕熱多雨，秋季天高氣爽，冬季寒冷干燥。無霜期189 d左右，年平均氣溫13 ℃，多年平均降雨量568 mm，6～8月降雨量占全年的70%，多年平均蒸發量1 756 mm，土壤最大凍土層深度0.7 m。母巖為石灰巖，地質條件簡單，適宜露天開采。該地區在中國植被區劃中屬于暖溫帶落葉闊葉林區域，地現存天然植被主要有臭椿、荊條、皂角、酸棗等喬、灌木。

1.2樣地調查該研究分別選取自然演替2年采石平臺、自然演替2年道路邊坡、自然演替11年采石平臺和自然演替13年的道路邊坡4種類型標準地進行調查。所選采石場，采石作業時將原有植被全部破壞，采石平臺和道路邊坡無植被，采石場廢棄后開始自然演替。采石平臺地勢較為平緩，采石場廢棄后采石平臺上以不同粒徑石粒為主，石粒間有少量泥土。道路邊坡坡度為30～45°，泥石混合，泥土含量分布不均勻，高泥土含量部位呈斑塊狀分布。

1.2.1草本植物調查。每個類型標準地設置投影面積為10 m×10 m標準地16塊，在每塊標準地的左上角及中間部位各設置1個1 m×1 m草本樣方，共計調查草本樣方32個。草本樣方調查指標主要有各物種名稱、平均高度、蓋度，并對其生長狀況、分布狀況進行描述等。

1.2.2木本植物調查。對于存在木本植物的標準地進行木本植物調查，灌木調查指標主要有各物種名稱、蓋度、平均高度；對樣方內高度值大于1 m的喬木進行每木檢尺，調查指標為物種名稱、冠幅、樹高等。

1.3數值計算選用物種豐富度指數(S)和Shannon-Wiener指數對各標準地群落的物種多樣性進行測度[7]，其中，物種豐富度指數(S)為在標準地中出現的物種種類數量。

重要值的計算公式見下：

P=(相對蓋度+相對高度+相對頻度)/3

(1)

Shannon-Wiener 指數的計算公式見下：

(2)

式中，Pi=Ni/N為第i個物種的相對重要值，其中Ni為第i個種的重要值，N為種i 所在群落的所有物種重要值之和。

2結果與分析

2.1各標準地植被群落特征

2.1.1自然演替2a采石平臺植被群落特征。由于立地條件較差，加之所調查標準地處于自然演替初期階段，自然演替2a采石平臺的植物種類組成較為簡單，植被稀疏，植被的鑲嵌性較明顯，呈叢狀分布于有一定粉塵、泥土積聚低洼處，只有草本層1層，蓋度0.1～0.4，主要植物有黃花蒿、豬毛蒿、狗尾草等1年生草本植物。

2.1.2自然演替2a道路邊坡植被群落特征。自然演替2a道路邊坡植被群落呈斑塊狀分布，植被聚集于有土層區域，蓋度約0.2～0.5，其垂直結構簡單，只有草本植物1層，以狗尾草、豬毛蒿、灰菜等為1年生草本主。

2.1.3自然演替11a采石平臺植被群落特征。自然演替11a的采石平臺群落的垂直結構與自然演替2a采石平臺一樣，只有1層，有少量灌木進入群落，但灌木數量較少，且植株較為矮小。由于樣地土壤養分環境因素的逐漸改善，群落類型和植物種類成分較多，但其群落仍以菊科和禾本科植物為主。

2.1.4自然演替13a道路邊坡植被群落特征。自然演替13a道路邊坡的垂直結構轉變為喬、灌、草3層，喬木不規則稀疏分布，灌木群落和草本的水平結構斑塊性較明顯，這與立地空間分布的異質性有關，通常在有一定土層且水分條件好的小環境存在喬木和灌木植物群落。與自然演替2a道路邊坡相比，植物水平結構的斑塊性減弱，群落環境土層加厚，地表的營養物質增加，生境的穩定性大大提高[8]。

2.2各標準地植被群落物種組成自然演替2a的采石平臺植物主要有狗尾草、豬毛菜、艾蒿、地黃、牛筋草、葎草和鬼針草等，由于群落環境惡劣，能夠在群落中生存的物種不多，禾本科和菊科植物優勢度較大。自然演替2a道路邊坡植被物種組成和自然演替2a采石平臺較為相似，主要植物有狗尾草、牛筋草、馬唐、艾蒿、苦苣菜、蒲公英、鬼針草和鵝絨藤等。

自然演替11a的采石平臺優勢植物以多年生草本植物為主，北京隱子草、藎草、南牡蒿、艾蒿、細葉苔草和鵝絨藤等物種的重要值較高，木本植物僅有少量胡枝子、酸棗和荊條。自然演替13a的道路邊坡進入灌木層占優勢層的演替階段。由于土壤、水分等生境條件惡劣，演替時間短，群落中木本植物物種種類較少，喬木物種有臭椿、君遷子、榆樹3種，灌木有荊條、酸棗、杠柳、胡枝子、葎葉蛇葡萄、錦雞兒、小葉鼠李7種，且以陽性、耐干旱貧瘠的先鋒種荊條、酸棗為主。自然演替13a的道路邊坡草本層與自然演替11a的采石平臺主要草本物種相差不大，在土層薄、無灌木生長的區域，艾蒿、北京隱子草、藎草等為優勢種，紫菀、鴨跖草和野菊花等在草本群落中增多。

2.3各標準地植被物種多樣性

2.3.1物種豐富度。隨著演替的進行，采石平臺和道路邊坡植物的科、種數量均呈現較明顯的增長趨勢(表1)。自然演替2a采石平臺標準地植被共計7科15種，自然演替11a的采石平臺增加為9科25種。自然演替2a道路邊坡標準地植被共計7科14種，自然演替13a道路邊坡增加為15科41種，科數、種數都超過自然演替2a道路邊坡的2.00倍。自然演替2a道路邊坡和自然演替2a采石平臺物種數接近，但自然演替13a道路邊坡物種豐富度是自然演替11a采石平臺的1.64倍。

2.3.2物種多樣性。自然演替2a采石平臺的物種Shannon-Wiener指數為2.15，自然演替2a道路邊坡Shannon-Wiener指數為2.24，二者較為接近。自然演替11a采石平臺灌木Shannon-Wiener指數為0.79，草本為2.69；自然演替13a道路邊坡喬木Shannon-Wiener指數為0.89，灌木為1.41，草本為3.12。

3結論與討論

(1)該研究結果表明，井陘采石場自然演替2 a采石平臺和自然演替2 a道路邊坡的物種組成較簡單，以1年生草

本為主，且物種多樣性低，植被分布與本底基質土壤含量相關性較大。自然演替11 a采石平臺和自然演替13 a道路邊坡物種多樣性較演替2 a標準地有較大提高，物種由1年生陽性草本演變為以多年生草本和灌木為主。

(2)自然演替2 a采石平臺和自然演替2 a道路邊坡的物種組成較為相似，而自然演替11 a采石平臺和自然演替13 a道路邊坡不論物種組成、植被結構還是物種多樣性均有較大差距。道路邊坡含有一定量的泥土，較好的基質條件決定了其植被演替較采石平臺快。時間是植被演替的重要因素，但是通過改善立地條件，遵循植被的演替規律，可以大大加快植被的演替進程[9]。

參考文獻

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[2] 么春華.對采礦塌陷區進行生態修復的認識[J].河北林業科技，2008(4)：79-81.

[3] 廖怡斐，康喬煌，達峰，等.古交西山礦區煤矸石山生態修復模式研究與探討[J].山西煤炭，2009，29(3)：9-10.

[4] 石麗麗.京西石灰石采石場廢棄地植被恢復效果及其評價研究[D].北京：北京林業大學，2014.

[5] 趙方瑩，程小琴.采石場廢棄地自然恢復植物群落類型研究[J].林業科技開發，2010，24(5)：25-29.

[6] 王瓊，辜再元，史春華，等.廢棄采石場植被自然恢復過程中物種多樣性變化特征[J].環境科學研究，2009，22(11)：1305-1311.

[7] 石麗麗，王雄賓，徐成立.間伐干擾對冀北山地油松人工林群落演替趨勢影響[J].東北林業大學學報，2013，41(4)：43-45.

[8] 袁劍剛，周先葉，陳 彥，等.采石場懸崖生態系統自然演替初期土壤和植被特征[J].生態學報，2005，25(6)：1517-1522.

[9] 韓芳.四寶山廢棄采石場山體自然恢復初期群落演替規律研究[D].泰安：山東農業大學，2008.

Vegetation Structure of Early Restoration on Abandoned Quarries in Jingxing County

ZHANG Shuan-tang1, SHI Li-li2, LI Jie1,WANG Xiong-bin1*

(1.Water Resources Institute of Hebei/Engineering Research Center for Water Saving in Agriculture of Hebei, Shijiazhuang, Hebei 050051; 2. General Station of Soil and Water Conservation of Hebei Province, Shijiazhuang, Hebei 050011)

Key wordsAbandoned quarries; Natural community succession; Vegetation structure characteristics

Abstract[Objective] To analyze the natural vegetation restoration process of abandoned quarries, and to provide important references for the restoration by artificial supplementation. [Method] Based on the plant sample investigation of abandoned quarries with different natural recovery period in Jingxing County of Hebei Province, we analyzed the community characteristics, species composition and species diversity. [Result] Pant community structures of quarries platform and road slopes were similar after two years with simple species composition and low species diversity. Among them, annual herb was the dominant. The species diversity of eleven years’ natural community succession on the quarries platform and thirteen years’ natural community succession on the road slop had considerable improvement, compared with two years’ natural community succession. Among them, perennial herb and shrub were the dominant. [Conclusion] Plant of thirteen years’ natural community succession on the road slop is superior to the plant of eleven years’ natural community succession on the quarries platform. Improving the site conditions and following the vegetation succession rule can greatly accelerate the vegetation succession process.

基金項目河北省科技計劃項目(14234202D-2)；河北水利科研計劃項目(2015-07)。

作者簡介張栓堂(1964- )，男，河北晉州人，高級工程師，碩士，從事水土保持和生態治理研究。*通訊作者，高級工程師，博士，從事水土保持和生態修復研究。

收稿日期2016-02-19

中圖分類號S 181

文獻標識碼A

文章編號0517-6611(2016)07-116-02