神東礦區不同治理年限樟子松群落特征分析

曹雪峰，行仙峰，徐 佳，韓 帥，李 驍

(黃河水利委員會 黃河上中游管理局，陜西 西安 710021)

神東礦區地處毛烏素沙地東部，是國家規劃的13個大型煤炭基地之一，也是我國首個年產億噸的煤炭生產基地和重要的優質動力煤出口基地。礦區水資源貧乏，地表為黃土、流動沙丘、半固定沙丘所覆蓋，生態環境十分脆弱，面臨超大規模的開采與極脆弱生態環境保護的矛盾。神東礦區積極響應國家水土保持生態文明建設的號召，不斷創新生產方式，探索生態治理與環境保護的新理念，走出了一條資源保護性開采與生態治理相協調的綠色礦業之路。為評價礦區植被恢復治理成效，選取礦區典型喬木植物群落——樟子松群落，從群落物種組成、指標特征、物種多樣性和群落結構等方面，分析群落隨治理年限增加而呈現出的發展變化趨勢，旨在為更好地進行生態治理提供參考。

樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)，松科松屬植物，常綠喬木，為喜光性強、深根性樹種，能適應土壤水分較少的山脊及向陽山坡，以及較干旱的砂地及石礫砂土地區。在神東礦區，樟子松主要分布于大柳塔礦、哈拉溝礦、石圪臺礦、上灣礦、補連塔礦、寸草塔二礦、錦界礦和榆家梁礦。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

神東礦區位于毛烏素沙漠南緣與黃土高原北緣的過渡地帶，區內大部分為典型的風成沙丘及沙灘地地貌，地表支離破碎，水土流失十分嚴重，侵蝕類型包括水力侵蝕、風力侵蝕和重力侵蝕。礦區屬溫帶半干旱大陸性季風氣候區，土壤主要有風沙土、黃土性土、紅土性土、淤土、沼澤土、栗鈣土、黑壚土等，主要植被類型為干草原、落葉闊葉灌叢和沙生植被。

1.2 研究方法

1.2.1 群落調查

在研究區內選擇不同地段，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(樣地分布見圖1)。樣地要具有一定的代表性，樣地大小為10 m×10 m。在樣地內進行植物群落調查。

圖1 樟子松群落調查樣地分布

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。

調查樣地群落的生長型、總蓋度，記載樣地內的植物種名和種類數以及每一種的個體數，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，以及喬木的平均胸徑、平均冠幅和灌木的平均地徑等生長因子。

1.2.2 群落分析

通過群落物種組成、指標特征、物種多樣性和群落結構來進行樟子松群落分析。群落物種組成通過群落生長型構成和重要值來體現；群落指標特征通過物種豐富度(即樣地內物種數量)、物種個體總數、群落總蓋度及優勢種來反映；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；群落結構通過植物群落水平結構和垂直結構來反映。按照5、10、15 a三個治理年限，對樟子松群落進行分析評價。其中，物種多樣性計算公式為

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為樣地內物種數量；N為樣地內物種個體總數；Ni為第i種物種的個體總數；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 結果與分析

2.1 不同治理年限樟子松群落物種組成分析

由圖2可知，研究區樟子松群落植物生長型的優勢物種是一年生草本植物，占比為42%～53%，而大灌木總體占比較低，其極大值為13%，出現在治理年限為15 a的群落中。從治理5 a到治理15 a，喬木占比逐年減少；大灌木占比持續增加；小灌木和一年生草本植物占比整體呈現先減少后增加趨勢，但在治理5 a時占比最高；而多年生草本植物占比先增加后減少，在治理15 a時占比最低。

圖2 不同治理年限樟子松群落生長型構成

研究區植物生長型構成以一年生和多年生草本為主，這些植物的生活史相對較短，但對該區生態環境具有較高的耐受力[1]。而喬木在治理初期可能對環境適應性較弱，甚至出現部分死亡現象，在5～10 a時比例明顯降低；到治理10 a以后，喬木對環境有了較高的適應能力，比例逐漸穩定。大灌木隨著治理年限的增加占比呈增加趨勢，而小灌木占比先減少后又增加。

由表1可知，研究區樟子松群落主要的廣布種為針茅(Stipacapillata)、黑沙蒿(Artemisiaordosica)、稗(Echinochloacrusgalli)、狗尾草(Setariaviridis)、牛筋草(Eleusineindica)、白茅(Imperatacylindrica)、賴草(Leymussecalinus)等一年生和多年生草本，尤其在治理5 a和治理10 a時表現明顯。但隨著治理年限的增加，到治理15 a時，小灌木比例增加，如興安胡枝子(Lespedezadavurica)，表現出較高的重要值。

表1 不同治理年限下樟子松群落物種重要值排名(取前10名)

2.2 不同治理年限樟子松群落指標特征分析

表2反映了不同治理年限樟子松群落的指標特征。從表2可以看出：治理年限為5和10 a的樟子松群落物種豐富度變化不大，而治理年限為15 a的樟子松群落物種豐富度有所增加；樟子松群落物種個體總數隨治理年限增加明顯呈現遞增的趨勢，群落物種個體總數在5～10 a顯著增加，而到10～15 a增加緩慢；治理年限為10 a的樟子松群落總蓋度最大，為75%～80%，治理年限為15 a的樟子松群落總蓋度略微降低，而治理年限為5 a的樟子松群落總蓋度最低。這表明隨著治理年限的增加，樟子松樹高、胸徑和冠幅都在增長，群落物種個體總數也在增加，群落總蓋度相應提高，但隨著樟子松樹高和冠幅的明顯增長，林下越來越蔭蔽，加上樹冠對降雨的攔截作用，影響了林下灌草的生長，特別是對草本植物影響較大，喜陽植物逐漸減少，喜陰植物開始增加，而由于喜陰植物初期個體較小、數量較少，總體上使草本植物長勢減弱，因此群落總蓋度略微降低。

治理年限為5 a的樟子松群落形成以樟子松為單一優勢種或以樟子松和草本為優勢種的喬木林，而治理年限為10和15 a的樟子松群落開始形成以樟子松加灌木或半灌木和草本為優勢種的喬木林，群落結構中明顯出現了灌木或半灌木，表明群落結構還未達到穩定階段。另外，同一治理年限的樟子松群落物種豐富度、物種個體總數、多度及群落總蓋度也存在不同程度的差異，這可能與生境條件有著直接的關系。

表2 不同治理年限樟子松群落指標特征

2.3 不同治理年限樟子松群落物種多樣性分析

群落物種多樣性是群落重要的特征之一，也是群落生態學的重要研究內容，它不僅反映了群落中物種的豐富度和分布的均勻性，也在一定程度上反映了群落組成結構的復雜性和穩定性。通常情況下，植物群落的物種組成結構會直接影響到物種多樣性的表征。一方面，群落內物種越豐富，群落多樣性值越大；另一方面，群落內有機體分配越均勻，則物種均勻度越高，群落多樣性值也越大[2]。

表3反映了不同治理年限樟子松群落物種多樣性的變化情況。由表3可以看出，Margalef物種豐富度指數、Simpson指數、Shannon-Wiener指數、種間相遇率和Pielou群落均勻度在治理年限為5、10和15 a時呈現先減后增的趨勢，而且除Pielou群落均勻度外，其他指數值在治理年限為15 a時最大，10 a時最小。這可能是由于治理5～10 a過程中群落內某幾種植物個體數顯著增加，導致群落均勻度明顯下降，因而指數值降低。但10～15 a過程中群落物種個體總數增加緩慢，群落內有機體分配越來越均勻，群落物種組成越來越豐富，群落物種多樣性提高。

從表3還可以看出，Margalef物種豐富度指數的變化范圍是1.378 7～2.011 0，平均值為1.657 9；Simpson指數的變化范圍是0.320 1～0.872 8，平均值為0.652 2；Shannon-Wiener指數的變化范圍是0.833 8～2.262 3，平均值為1.560 3；種間相遇率的變化范圍是0.320 2～0.874 2，平均值為0.653 3，與Simpson指數大小極為接近；Pielou群落均勻度變化范圍是0.335 5～0.864 8，平均值為0.626 9。其中，Shannon-Wiener指數的極值差值最大，為1.428 5；Pielou群落均勻度的極值差值最小，為0.529 3。可見總體上來說，不同治理年限樟子松群落的復雜程度相差較大，而群落的均勻度卻差異相對較小。

表3 不同治理年限樟子松群落物種多樣性

2.4 不同治理年限樟子松群落結構分析

群落結構是植物群落的基本屬性[3]，也是生物多樣性研究中至關重要的方面[4]。群落的水平結構是群落在水平空間上的分化或水平格局，或稱之為群落的二維結構[5-6]。治理年限為5 a的樟子松群落物種豐富度相對穩定，群落內各物種分布比較均勻；到10 a時，群落物種豐富度有所增長，部分物種的個體數顯著增加，群落均勻度有所下降，群落在水平空間上開始分化；再到15 a時，群落內各物種的個體數繼續增加，群落內物種在水平空間上明顯呈團塊狀或集群狀分布，鑲嵌性明顯。

群落的垂直結構是群落中植物在垂直空間上的排列和組織，反映出其對自然條件尤其是對光、溫度和濕度的適應，是群落的成層現象[7-8]。治理年限為5 a的樟子松群落垂直結構層次明顯而簡單，常分為喬木層和草本層兩個層片，草本層主要物種有黑沙蒿、針茅、地梢瓜(Cynanchumthesioides)、白草(Pennisetumflaccidum)、狗尾草、地錦草(Euphorbiahumifusa)等。治理年限為10 a的樟子松群落開始出現灌木或半灌木，形成灌木層，主要物種有興安胡枝子、楊柴(Corethrodendronfruticosumvar.mongolicum)、紫穗槐(Amorphafruticosa)等。到治理15 a時，由于建群種樟子松樹高、冠幅明顯增長，枝葉密實，群落內部小環境改變，濕度增大，溫差減小，因而出現了小面積地被層。

3 結 論

(1)不同治理年限的樟子松群落物種種類數變化不大，而物種個體總數隨治理年限增加明顯呈遞增趨勢，群落總蓋度隨治理年限增加先升高而后又降低。

(2)不同治理年限的樟子松群落物種多樣性整體上隨治理年限增加呈現先減后增的趨勢，表明群落豐富程度和復雜性先降低后上升。另外，不同治理年限的樟子松群落復雜程度相差較大，而群落的均勻度差異相對較小。

(3)不同治理年限的樟子松群落在水平結構上由分布比較均勻逐漸開始分化，最后呈團塊狀或集群狀分布，在垂直結構上由簡單的喬木層和草本層兩個層片到開始出現灌木層，甚至出現小面積的地被層。

4 討 論

樟子松群落適應在神東礦區生長，隨治理年限增加群落表現出總體向好的發展趨勢，后期基本無需人為干預，有較好的水土保持效益，宜在礦區推廣種植。在治理年限為5～15 a的樟子松群落中，治理年限為10 a的樟子松群落水土保持效益最好；超過10 a，為了達到更好的水土保持效益，可人為少量補植補種其他灌木或草本植物，以提高群落植被總蓋度。