貴州中部煤矸石堆場(chǎng)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(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550003)

1 研究地區(qū)概況及研究方法

1.1 研究地區(qū)概況

研究地區(qū)為貴州中部貴陽(yáng)市花溪區(qū)，該區(qū)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(qū)是貴陽(yáng)的重要產(chǎn)煤區(qū)，歷史上曾擁有大小煤窯200余口，廢棄煤矸石污染問(wèn)題是當(dāng)?shù)刂匾h(huán)境問(wèn)題。

花溪是貴陽(yáng)市重要農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)基地，約有20000hm2耕地，養(yǎng)殖場(chǎng)10余座。是貴陽(yáng)市重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及供應(yīng)基地。該區(qū)處于貴陽(yáng)“三大水缸”之一的阿哈水庫(kù)的上游。研究花溪區(qū)煤矸石廢棄地的植被對(duì)下游水質(zhì)的保護(hù)和改善以及花溪區(qū)農(nóng)產(chǎn)的食品安全有重要意義。

1.2 研究方法

選取調(diào)查區(qū)域內(nèi)面積超過(guò)500m2的煤矸石堆場(chǎng)，按照煤矸石堆放年限不同，進(jìn)行植物群落樣方調(diào)查，橫向模擬煤矸石植被群落演替過(guò)程。分別為＜10a(樣地編號(hào)1)，10～30a(樣地編號(hào)2)，30～50a(樣地編號(hào)3)和50～70a(樣地編號(hào)4)4個(gè)類別，并對(duì)煤矸石廢棄地周邊自然土壤 (樣地編號(hào)5)植物群落進(jìn)行調(diào)查研究。對(duì)不同堆放年限煤矸石堆場(chǎng)其自然恢復(fù)調(diào)查邊界為每塊煤矸石堆場(chǎng)的全土壤為界，在界內(nèi)由堆場(chǎng)主體區(qū)域向邊緣區(qū)域分別按照喬木植物和草本植物樣方調(diào)查的不同方法，連續(xù)設(shè)置10m×10m大樣方進(jìn)行喬木植被調(diào)查，并在10m×10m樣方內(nèi)設(shè)置2m×1m［4］樣方進(jìn)行林下植被樣方調(diào)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(gè)生態(tài)學(xué)指標(biāo)。

2 數(shù)據(jù)處理

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

2.1 物種重要值計(jì)算 (important value)

計(jì)算5個(gè)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(duì)密度、相對(duì)頻度和相對(duì)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(shù)中的物種多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)以及生態(tài)優(yōu)勢(shì)度來(lái)分析花溪區(qū)不同煤矸石堆場(chǎng)植物群落的物種多樣性，公式如下:

(1)物種多樣性指數(shù) (Index of species diversity)，計(jì)算時(shí)采用以信息論范疇的Shannon－Wiener函數(shù)為基礎(chǔ)的Shannon－Wiener多樣性指數(shù) (H')［6］。

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

(3)生態(tài)優(yōu)勢(shì)度 (Ecological Dominance)，用Simpson指數(shù) (SN)表示，采用生態(tài)優(yōu)勢(shì)度可對(duì)群落的物種多樣性結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)水平進(jìn)行更為透徹的說(shuō)明［8］。

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

生態(tài)優(yōu)勢(shì)度、均勻度和物種多樣性指數(shù)有密切的關(guān)系，可從三方面表征群落的組成和結(jié)構(gòu)水平［9］。

3 結(jié)果與分析

棄煤矸石堆場(chǎng)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(duì)各組成植物數(shù)量進(jìn)行總結(jié)，同矸石堆廢棄地周邊自然土壤作比較，統(tǒng)計(jì)5個(gè)樣地的植物群落組成及每個(gè)物種數(shù)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(gè)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?tīng)柹?(Cyperus amuricus)、魚(yú)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(gè)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(gè)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(xì)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(gè)種。

表1 調(diào)查區(qū)不同樣地植物種類及數(shù)量統(tǒng)計(jì)表

表2 樣地物種數(shù)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(shù)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(shí)間及煤矸石廢棄地矸石污染物濃度高的影響，麥坪鄉(xiāng)煤矸石廢棄地植物群落物種數(shù)量和分類小于其周邊自然土壤，植物群落組成較簡(jiǎn)單。

3.2 煤矸石堆場(chǎng)植被自然演替過(guò)程中群落組成變化

植物群落演替過(guò)程中會(huì)在不同演替階段出現(xiàn)不同的植物群落組成。

首先，對(duì)植物群落組成的物種數(shù)量和分類組成變化進(jìn)行分析。

由表1可知，10～30a、30～50a和50～70a煤矸石廢棄地3個(gè)樣地中，物種數(shù)量相對(duì)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(gè)樣地植物物種數(shù)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(shù)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(shù)目和灌木植物種類數(shù)目隨著煤矸石堆放年限增加，沒(méi)有增加;草本植物數(shù)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(shù)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(chǎng)上沒(méi)有增加，而在50～70a煤矸石堆場(chǎng)上較少于50a堆放年限的3個(gè)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(gè)體特點(diǎn)及各個(gè)物種間的不同關(guān)聯(lián)而表現(xiàn)出明顯的差異。除了研究群落的物種組成，對(duì)其群落內(nèi)物種優(yōu)勢(shì)度研究，也是對(duì)群落組成的一個(gè)重要研究?jī)?nèi)容。

花溪廢棄煤矸石堆場(chǎng)植物群落組成及主要樹(shù)種在不同樣方中的重要值的大小所表明的是一個(gè)樹(shù)種在群落中的優(yōu)勢(shì)地位，它在一定程度上表明了一個(gè)物種相對(duì)于群落中其它物種對(duì)生態(tài)資源的占據(jù)和利用能力的大小。表3是花溪煤矸石堆場(chǎng)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(chǎng)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(nèi)，木本植物以光皮樺 (16.97) (括號(hào)內(nèi)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(yōu)勢(shì)物種;堆放年限為10～30a的煤矸石廢棄地內(nèi)，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(yōu)勢(shì)物種;堆放年限為30～50a的煤矸石廢棄地內(nèi)，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(yōu)勢(shì)物種;堆放年限為50～70年的煤矸石廢棄地內(nèi)，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(yōu)勢(shì)物種。4個(gè)樣地優(yōu)勢(shì)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(gè)樣地的共同優(yōu)勢(shì)物種。在植物群落演替過(guò)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(fù)過(guò)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(jìn)行，花溪廢棄煤礦煤矸石堆場(chǎng)自然恢復(fù)植物群落中物種數(shù)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(diào)查的4個(gè)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(yōu)勢(shì)物種，且形成了一定的先鋒群落。以上優(yōu)勢(shì)物種可作為貴州中部煤矸石廢棄地人工植被修復(fù)的參考物種。

3.3 煤矸石堆場(chǎng)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(jié)構(gòu)決定，亦受其演替階段、微生物及其人為活動(dòng)的影響。運(yùn)用α－多樣性指數(shù)中的物種多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)以及生態(tài)優(yōu)勢(shì)度對(duì)花溪4個(gè)廢棄煤矸石堆場(chǎng)樣方和1個(gè)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(chǎng)植物群落物種多樣性指數(shù)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(shù)增加。由于Shannon－Wiener物種多樣性指數(shù)是對(duì)富有種相對(duì)多度敏感，群落中擁有越多的稀有種，則該指數(shù)越低，群落演替等級(jí)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(jí)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(nèi)污染物濃度較低，對(duì)植物生長(zhǎng)不利，且周邊物種遷移時(shí)間短，故其Shannon－Wiener物種多樣性指數(shù)數(shù)值明顯低于其他3個(gè)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(shù)數(shù)值相對(duì)接近，且呈增加趨勢(shì)，是由于10～70a堆放年限內(nèi)，煤矸石內(nèi)污染物濃度降低到較低較平穩(wěn)水平，且降低速度較＜10a的煤矸石堆場(chǎng)明顯降低，樣地土壤狀況更利于植物生存。

生態(tài)優(yōu)勢(shì)度可對(duì)群落的物種多樣性結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)水平進(jìn)行更為透徹的說(shuō)明。Simpson指數(shù)可以反應(yīng)群落物種多樣性結(jié)構(gòu)，該指數(shù)與物種多樣性指數(shù)成反比關(guān)系。由表4可看出，隨著煤矸石堆場(chǎng)矸石堆放年限增加，Simpson指數(shù)數(shù)值降低。堆放年限為50～70a煤矸石廢棄地Simpson指數(shù)數(shù)值與堆放年限＜10a煤矸石廢棄地較接近，兩地生態(tài)優(yōu)勢(shì)度為5個(gè)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(nèi)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(nóng)民放牧區(qū)，大型動(dòng)物活動(dòng)較多所致;堆放年限＜10a煤矸石廢棄地其Simpson指數(shù)數(shù)值也處于較高水平是因?yàn)闃拥孛喉肥瘍?nèi)污染物較高，樣地植物群落演替時(shí)間短、等級(jí)低。

群落的物種多樣性指數(shù)除與群落內(nèi)種類數(shù)目，即豐富度有關(guān)外，還與種類中個(gè)體分配上的均勻性有關(guān)。故是反映種群多樣性的一個(gè)重要指標(biāo)。由表4可知，隨著堆放年限增加，群落物種均勻度指數(shù)基本呈增加趨勢(shì)。堆放年限為50～70a煤矸石廢棄地植物群落均勻度指數(shù)為0.68，處于5個(gè)樣地最低，同其他3個(gè)樣地差異最大。經(jīng)分析是由于樣地處于當(dāng)?shù)鼐用裥竽粱顒?dòng)頻繁區(qū)，區(qū)內(nèi)植物分布受人類和大型動(dòng)物活動(dòng)對(duì)物種個(gè)體分配影響較大。堆放年限＜10a煤矸石廢棄地其均勻度指數(shù)為0.74，處于5個(gè)樣地較低水平，是因?yàn)闃拥刂苓呂锓N遷移時(shí)間較短，物種分布受周邊環(huán)境影響極大，在樣地內(nèi)呈樣地周邊分布植物較多，中心分布植物較少的趨勢(shì)，物種個(gè)體分布不均勻。

對(duì)花溪4個(gè)典型煤矸石堆場(chǎng)樣方的α－多樣性指數(shù)分析表明:隨著煤矸石堆放年限增高，樣地內(nèi)植物群落物種多樣性隨之增高，群落演替等級(jí)也隨著增加。但是人類和大型動(dòng)物對(duì)煤矸石廢棄地影響較大，會(huì)導(dǎo)致植物群落的Simpson生態(tài)優(yōu)勢(shì)度指數(shù)和Pielous均勻度指數(shù)產(chǎn)生明顯變化，故人類和大型動(dòng)物的活動(dòng)會(huì)對(duì)煤矸石廢棄地的生態(tài)群落產(chǎn)生較大影響。

4 結(jié)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(gè)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(fù)雜。優(yōu)勢(shì)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(yōu)勢(shì)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(guò)程中起著重要作用。在人工植被修復(fù)煤矸石廢棄地污染的過(guò)程中，可以采用上述優(yōu)勢(shì)物種，能縮短群落演替周期，且可建立穩(wěn)定植物群落。

4.2 植物群落演替過(guò)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(fù)雜。4個(gè)樣地物種數(shù)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(shù)量基本隨著煤矸石堆放年限的增加而增加，樣地內(nèi)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(nèi)，隨著煤矸石堆放年限的增加，群落內(nèi)優(yōu)勢(shì)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(guò)程中的先鋒物種，也是人工植被修復(fù)的重要參考物種。

4.3 植物群落物種多樣性變化

4個(gè)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(shì)。但是人類和大型動(dòng)物的活動(dòng)會(huì)導(dǎo)致植物群落的Simpson生態(tài)優(yōu)勢(shì)度指數(shù)和Pielous均勻度指數(shù)產(chǎn)生明顯變化，故會(huì)對(duì)煤矸石廢棄地的生態(tài)群落的多樣性產(chǎn)生較大影響。在煤矸石植被修復(fù)過(guò)程中，要減少人類活動(dòng)的不利影響。

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