神東礦區不同治理年限典型灌木群落調查與分析

郭玉濤，王 義，曹雪峰，馬 寧

(1.黃河水利委員會 黃河上中游管理局，陜西 西安 710021；2.神華神東煤炭集團有限責任公司，陜西 神木 719300)

近年來，我國煤炭生產與消費約占主體能源的70%，煤炭在能源構成中的主體地位不可替代。神東礦區是國家能源戰略西移的重點工程，也是我國目前最大的煤炭生產基地和重要的優質動力煤出口基地。礦區地處黃土高原北部與毛烏素沙地交錯區，區域生態環境脆弱，土地沙化和水土流失嚴重。神東公司經過多年潛心治理，恢復和改善了礦區植被。為評估其治理成效，我們從群落物種豐富度、物種個體總數、群落總蓋度及物種多樣性等方面來分析礦區典型植物群落隨治理年限延長而呈現出的發展趨勢。

1 群落調查

1.1 調查區概況與調查方法

神東礦區位于陜西省榆林市北部和內蒙古自治區鄂爾多斯市南部，地理坐標為109°51′～110°46′E、38°52′～39°41′N。礦區南北長38～90 km，東西寬5～55 km，地質儲量338.8億t。

在調查范圍內選擇不同地段，采用樣地調查方法，按不同立地條件(包括各種地貌類型、海拔、坡度、坡向、坡位等)設置樣地，樣地大小為5 m×5 m。在樣地內進行植物群落調查。

1.2 調查內容與指標

記錄樣地所處的地貌類型、海拔、坡度、坡向、坡位等立地條件概況。

調查樣地群落的總蓋度，記載樣地內的植物種名、種類數及每一種的個體數，并對群落水平結構、垂直結構特征進行描述。

記載樣地內植物種類的多度。測量樣地內各種植物的平均高度，喬木的平均胸徑、平均冠幅，灌木的平均地徑等生物因子。

2 群落分析

2.1 分析方法

植物群落分析通過植物群落基本特征、植物群落物種多樣性和植物群落結構來進行。植物群落基本特征通過物種豐富度(即樣地內物種數目)、群落物種個體總數、群落總蓋度及優勢種來反映；植物群落物種多樣性采用Margalef物種豐富度指數、Simpson指數、Shannon-Wiener指數、種間相遇率和Pielou群落均勻度等指標來分析；植物群落結構通過群落水平結構和垂直結構來反映。其中，植物群落物種多樣性的計算公式為

F=(S-1)/lnN

(1)

D=1-∑Pi2

(2)

H′=-∑PilnPi

(3)

PIE=∑[(Ni/N)(N-Ni)/(N-1)]

(4)

R=-∑PilnPi/lnS

(5)

上五式中：F為Margalef物種豐富度指數；S為樣地內物種數目；N為樣地內物種個體總數；Ni為第i種的個體數；Pi=Ni/N；D為Simpson指數；H′為Shannon-Wiener指數；PIE為種間相遇率；R為Pielou群落均勻度。

2.2 群落基本特征分析

按5、10、15 a 3個治理年限，選取沙棘、沙柳(烏柳)和檸條(檸條錦雞兒)3種典型灌木群落進行分析。

2.2.1 沙棘群落

表1反映了不同治理年限沙棘群落的基本特征。從表1可以看出：治理年限分別為5、10和15 a的沙棘群落物種豐富度變化不大，整體上呈現先增后減的趨勢，這可能是由于隨著沙棘的迅速生長，群落總蓋度急劇增加，林下比較蔭蔽，因而導致某些喜陽植物逐漸消失，物種豐富度減少；沙棘群落物種個體總數、總蓋度隨治理年限延長明顯呈現遞增的趨勢，尤其是在10～15 a之間增加顯著，群落總蓋度在15 a時達到85%～98%；治理年限為5 a的沙棘群落形成以沙棘為單一優勢種或沙棘和多種草本為優勢種的灌木林，而治理年限為10和15 a的沙棘群落形成以沙棘和單種草本為優勢種或以沙棘為單一優勢種的灌木林。可見，治理年限為15 a左右的沙棘群落已經達到水土保持效益最好的時期，群落物種豐富度變化不大，蓋度很高，群落逐漸形成以沙棘為單一優勢種的灌木林。

表1 不同治理年限沙棘群落基本特征

注：表中COP3表示“很多”，COP2表示“多”，COP1表示“尚多”，SP表示“少”,余同。

2.2.2 沙柳群落

表2反映了不同治理年限沙柳群落的基本特征。從表2可以看出：治理年限為5、10和15 a的沙柳群落物種豐富度、物種個體總數、群落總蓋度整體上均隨治理年限延長呈現遞減的趨勢，尤其是物種個體總數遞減比較明顯，這可能是由于沙柳吸水性較強，年限越長吸水性越明顯，導致土壤含水量較低，因而導致其他物種個體減少，這反映了物種競爭和適者生存的道理；群落總蓋度雖有降低，但變化不顯著，5 a時的群落總蓋度在45%～55%之間，平均蓋度52%，15 a時的群落總蓋度在35%～55%之間，平均蓋度45%。治理年限為5和10 a的沙柳群落形成以沙柳和其他灌木或半灌木或草本為優勢種的灌木林，而治理年限為15 a的沙柳群落常形成以沙柳為單一優勢種的灌木林。可見治理年限為5 a左右的沙柳群落可能是水土保持效益最好的時期，超過5 a則需要對沙柳群落進行人工干預，采取平茬措施，或補植補種其他物種，以阻止群落衰退。這一點印證了沙柳像韭菜一樣，具有平茬復壯的生物習性，越割越旺，割過的沙柳3～5 a長成，如果不割掉長成的枝干，那么不到7 a老枝就會逐漸枯死。

表2 不同治理年限沙柳群落基本特征

2.2.3 檸條群落

表3反映了不同治理年限檸條群落的基本特征。從表3可以看出：治理年限為5和10 a的檸條群落物種豐富度變化很小，到了15 a物種豐富度有所增加，整體上物種豐富度呈現遞增的趨勢；物種個體總數在5～10 a過程中顯著增加，到了15 a又有所下降，這可能是由于隨著檸條的生長，灌木層蓋度明顯增加，影響了林下草本植物的生長發育，因而導致物種個體總數減少；群落總蓋度在5、10和15 a之間穩步提升，尤其是在10～15 a之間增加較明顯，群落總蓋度在5 a時為50%～58%，15 a時達到了55%～75%；治理年限為5和10 a的檸條群落形成以檸條為單一優勢種或檸條和單種草本為優勢種的灌木林，而治理年限為15 a的檸條群落常形成以檸條和單種或多種草本為優勢種的灌木林。可見，治理年限為15 a的檸條群落是水土保持效益最好的時期，群落物種豐富度增加，蓋度達到75%，群落復雜程度提高。

表3 不同治理年限檸條群落基本特征

注：表中SOC表示“極多”。

2.3 群落物種多樣性分析

2.3.1 沙棘群落

表4反映了不同治理年限沙棘群落物種多樣性的變化情況。由表4可以看出，物種豐富度指數在治理年限為10 a時最大，隨年限延長呈現先增后減的趨勢；Simpson指數、Shannon-Wiener指數、種間相遇率和群落均勻度隨治理年限延長均呈現遞減的趨勢。這表明治理年限為10 a的沙棘群落物種豐富度較高，但治理年限為5 a的沙棘群落結構組成更復雜，群落均勻度更高。這可能是由于從5 a到15 a的過程中群落內某幾種植物個體數量顯著增加，而物種數目有所減少，導致群落均勻度和復雜程度明顯降低，因而指數值降低。

表4 不同治理年限沙棘群落物種多樣性

另外，從表4中可知，Shannon-Wiener指數的極值差值最大，為1.167 5；群落均勻度的極值差值最小，為0.512 8。總體上來說，不同治理年限沙棘群落的復雜程度相差較大，而群落的均勻度差別較小。

2.3.2 沙柳群落

表5反映了不同治理年限沙柳群落物種多樣性的變化情況。由表5可以看出，物種豐富度指數、Simpson指數、Shannon-Wiener 指數、種間相遇率和群落均勻度隨治理年限延長均表現出遞減的趨勢，指數值在治理年限為5 a時最大，15 a時最小。即治理年限為5 a的沙柳群落物種組成更豐富，群落復雜程度和均勻度更高，隨著治理年限的延長，群落物種組成越來越簡單，群落復雜程度和均勻度越來越低。這表明治理年限從5 a增加到15 a的過程中沙柳群落呈衰退趨勢，也驗證了沙柳需要平茬的道理。

另外，從表5中可知，物種豐富度指數的極值差值最大，為1.894 8；群落均勻度的極值差值最小，為0.463 4。總體上來說，不同治理年限沙柳群落的物種組成相差較大，而群落的均勻度差別相對較小。

表5 不同治理年限沙柳群落物種多樣性

2.3.3 檸條群落

表6反映了不同治理年限檸條群落物種多樣性的變化情況。由表6可以看出，物種豐富度指數、Simpson指數、Shannon-Wiener指數、種間相遇率和群落均勻度隨治理年限延長表現出一致的規律性，即從5 a到10 a過程中指數值略微減小，從10 a到15 a過程中指數值顯著增加，說明治理年限為10 a的檸條群落物種組成、群落復雜程度和均勻度稍有下降，這可能與5 a到10 a過程中群落物種個體總數顯著增加有關，此時群落物種豐富度基本沒有變化，物種個體的顯著增加導致了群落均勻度下降，因此指數值相應下降，但10 a到15 a過程中群落物種個體總數下降，均勻度升高，再加上物種豐富度明顯增加，群落物種組成和復雜程度上升，因而指數值也顯著增加。這表明治理年限從5 a增加到15 a的過程中檸條群落整體上向良性發展，群落物種組成和結構及群落復雜性和均勻度明顯提升。

表6 不同治理年限檸條群落物種多樣性

另外，從表6中可知，Shannon-Wiener指數的極值差值最大，為1.158 4；Simpson指數的極值差值最小，為0.365 9。總體上來說，不同治理年限檸條群落的復雜程度相差較大，而群落的物種均勻度差別較小。

2.4 群落結構分析

2.4.1 沙棘群落

治理年限為5、10和15 a的沙棘群落物種豐富度相對穩定，群落物種個體總數在5 a到15 a過程中雖有增加，但變化不大，因此群落內各物種分布比較均勻，群落在水平空間上分化不明顯，沒有團塊狀或集群狀分布現象，鑲嵌性不明顯。

治理年限為5、10和15 a的沙棘群落垂直結構基本上分為兩層，即灌木層和草本層。治理年限為5 a的沙棘群落草本層主要物種有黑沙蒿(ArtemisiaordosicaKrasch)、角蒿(IncarvilleasinensisLam.)、斜莖黃耆(AstragalusadsurgensPall.)、狗尾草〔Setariaviridis(L.) Beauv.〕、豬毛菜(SalsolacollinaPall.)、紫花苜蓿(MedicagosativaL.)、沙蓬〔Agriophyllumsquarrosum(L.) Moq.〕等。治理年限為10 a的沙棘群落草本層主要物種有白草(PennisetumcentrasiaticumTzvel.)、白茅〔Imperatacylindrica(L.) Beauv.〕、針茅(StipacapillataL.)、黑沙蒿等。到15 a時，沙棘群落草本層主要物種有針茅、青杞(SolanumseptemlobumBunge)、狗尾草、牛筋草〔Eleusineindica(L.) Gaertn.〕、青蒿(ArtemisiacarvifoliaBuch.-Ham. ex Roxb. Hort. Beng.)等。

2.4.2 沙柳群落

治理年限為5 a到15 a的沙柳群落物種豐富度和群落物種個體總數顯著下降，群落內物種常呈散狀分布，不成規模，因此群落在水平空間上分化不明顯，沒有團塊狀或集群狀分布現象，鑲嵌性不明顯。

治理年限為5、10和15 a的沙柳群落垂直結構基本上也分為兩層，即灌木層和草本層。治理年限為5 a的沙柳群落草本層主要物種有阿爾泰狗娃花〔Heteropappusaltaicus(Willd.) Novopokr.〕、豬毛菜、牛筋草、土荊芥(ChenopodiumambrosioidesL.)、針茅等，灌木層除沙柳外，伴生灌木還有興安胡枝子〔Lespedezadaurica(Laxm.) Schindl. var.daurica〕。治理年限為10 a的沙柳群落草本層主要物種有土荊芥、狗尾草、黑沙蒿、針茅等，灌木層除沙柳外，伴生灌木還是興安胡枝子。到15 a時，沙柳群落草本層主要物種有狗尾草、沙蓬、牛筋草等，灌木層基本上為純沙柳。

2.4.3 檸條群落

治理年限為5和10 a的檸條群落物種豐富度相對穩定，群落物種個體總數在5～10 a過程中顯著增加，群落內某幾種物種呈現成片集中分布現象，群落在水平空間上分化較明顯，鑲嵌性較明顯。到了15 a，群落物種豐富度增加，但物種個體總數卻有所下降，群落內物種成片集中分布現象不明顯，鑲嵌性不明顯。

治理年限為5、10和15 a的檸條群落垂直結構也分為兩層，即灌木層和草本層。治理年限為5 a的檸條群落草本層主要物種有針茅、牛筋草、灰蒿(ArtemisiaglaucaPall)、阿爾泰狗娃花、豬毛菜、青蒿等。治理年限為10 a的檸條群落草本層主要物種有阿爾泰狗娃花、豬毛菜、白茅、牛筋草、堿蓬〔Suaedaglauca(Bunge) Bunge〕、針茅、狗尾草、蒙古韭(AlliummongolicumRegel)等。到15 a時，檸條群落草本層主要物種有牛筋草、狗尾草、蒙古韭、白草、阿爾泰狗娃花、豬毛菜、黑沙蒿、土荊芥、平車前(PlantagodepressaWilld.)等。

3 結 論

(1)從群落基本特征分析來看，沙棘群落物種豐富度隨治理年限延長表現出先增后減的變化趨勢，群落物種個體總數、總蓋度隨治理年限延長而增加；檸條群落物種豐富度、總蓋度隨治理年限延長而增加，物種個體總數隨治理年限延長表現出先增后減的變化趨勢；沙柳群落物種豐富度、物種個體總數、群落總蓋度均隨治理年限延長而減小。可見，沙棘群落和檸條群落隨治理年限延長表現出總體向好的發展趨勢，后期基本不需人為干預，群落能表現出良好的水土保持效益；而沙柳群落隨治理年限延長表現出總體向差的發展趨勢，后期需要人為干預和管理才能發揮群落較好的水土保持效益。

(2)從群落物種多樣性分析來看，沙棘群落和沙柳群落的物種多樣性從5 a到10 a再到15 a整體呈現遞減的變化趨勢，而檸條群落物種多樣性呈現在5～10 a之間略微降低，在10～15 a之間顯著升高的變化趨勢。

(3)從群落結構分析來看，治理年限為5、10和15 a的沙棘群落和沙柳群落水平結構上鑲嵌性都不明顯，而檸條群落在5～10 a過程中鑲嵌性較明顯，10～15 a過程中鑲嵌性不明顯；3種灌木植物群落垂直結構上基本都分為兩層，即灌木層和草本層。