井陘縣采石場(chǎng)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(xué)研究院，河北省農(nóng)業(yè)節(jié)水工程技術(shù)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(chǎng)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(xué)研究院，河北省農(nóng)業(yè)節(jié)水工程技術(shù)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(chǎng)廢棄地的植被自然恢復(fù)過(guò)程，為人工輔助其生態(tài)恢復(fù)提供依據(jù)。[方法]在對(duì)河北省井陘縣不同恢復(fù)年限采石場(chǎng)廢棄地進(jìn)行植物調(diào)查的基礎(chǔ)上，對(duì)其群落特征、物種組成及物種多樣性進(jìn)行了分析。[結(jié)果]自然演替2 a采石平臺(tái)和自然演替2 a道路邊坡的植物群落結(jié)構(gòu)相似，物種組成較簡(jiǎn)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(tái)和自然演替13 a道路邊坡物種多樣性較演替2 a標(biāo)準(zhǔn)地有較大提高，物種以多年生草本和灌木為主。[結(jié)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(tái)植被，通過(guò)改善采石廢棄地的立地條件，遵循植被的演替規(guī)律，可以加快其植被演替進(jìn)程。

關(guān)鍵詞采石場(chǎng)廢棄地；自然演替群落；植被結(jié)構(gòu)特征

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人類(lèi)對(duì)礦產(chǎn)資源的需求日益增大。對(duì)礦產(chǎn)資源的開(kāi)采不可避免地對(duì)植被和生態(tài)產(chǎn)生破壞，露天開(kāi)采、采選礦廢棄物的堆積形成了大量礦山廢棄地，造成了嚴(yán)重的水土流失[1]。隨著人們對(duì)生態(tài)文明重視程度的日益提高，礦山廢棄地的生態(tài)恢復(fù)已成為當(dāng)前環(huán)境科學(xué)界亟需解決的重大問(wèn)題[2]。尋求采石場(chǎng)廢棄地自然演替規(guī)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(chǎng)人工恢復(fù)植被成本。礦山廢棄地的生態(tài)恢復(fù)工程主要是在對(duì)廢棄礦山、棄渣邊坡等進(jìn)行適當(dāng)工程處治的基礎(chǔ)上，開(kāi)展植被重建和生態(tài)系統(tǒng)功能恢復(fù)等工程建設(shè)，從而恢復(fù)自然生態(tài)環(huán)境[3-4]。目前對(duì)自然植被恢復(fù)的研究主要集中于采石場(chǎng)廢棄地不同恢復(fù)年限的植物群落類(lèi)型[5]、物種多樣性變化特征[6]等方面，針對(duì)采石場(chǎng)廢棄地相同立地類(lèi)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(tái)和道路邊坡廢棄地的植物群落為研究對(duì)象，對(duì)其植被特征進(jìn)行了分析，以期為太行山區(qū)采石場(chǎng)廢棄地低成本生態(tài)修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

1材料與方法

1.1研究地區(qū)概況研究地位于河北省井陘縣秀林鎮(zhèn)(114°05′ E，37°59′ N)，地貌為低山丘陵類(lèi)型，海拔為200～700 m，為黃壁莊水庫(kù)集水區(qū)。井陘縣位于太行山東側(cè)，屬溫帶大陸季風(fēng)氣候，四季分明，春季干燥多風(fēng)，夏季濕熱多雨，秋季天高氣爽，冬季寒冷干燥。無(wú)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(fā)量1 756 mm，土壤最大凍土層深度0.7 m。母巖為石灰?guī)r，地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，適宜露天開(kāi)采。該地區(qū)在中國(guó)植被區(qū)劃中屬于暖溫帶落葉闊葉林區(qū)域，地現(xiàn)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(diào)查該研究分別選取自然演替2年采石平臺(tái)、自然演替2年道路邊坡、自然演替11年采石平臺(tái)和自然演替13年的道路邊坡4種類(lèi)型標(biāo)準(zhǔn)地進(jìn)行調(diào)查。所選采石場(chǎng)，采石作業(yè)時(shí)將原有植被全部破壞，采石平臺(tái)和道路邊坡無(wú)植被，采石場(chǎng)廢棄后開(kāi)始自然演替。采石平臺(tái)地勢(shì)較為平緩，采石場(chǎng)廢棄后采石平臺(tái)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(diào)查。每個(gè)類(lèi)型標(biāo)準(zhǔn)地設(shè)置投影面積為10 m×10 m標(biāo)準(zhǔn)地16塊，在每塊標(biāo)準(zhǔn)地的左上角及中間部位各設(shè)置1個(gè)1 m×1 m草本樣方，共計(jì)調(diào)查草本樣方32個(gè)。草本樣方調(diào)查指標(biāo)主要有各物種名稱(chēng)、平均高度、蓋度，并對(duì)其生長(zhǎng)狀況、分布狀況進(jìn)行描述等。

1.2.2木本植物調(diào)查。對(duì)于存在木本植物的標(biāo)準(zhǔn)地進(jìn)行木本植物調(diào)查，灌木調(diào)查指標(biāo)主要有各物種名稱(chēng)、蓋度、平均高度；對(duì)樣方內(nèi)高度值大于1 m的喬木進(jìn)行每木檢尺，調(diào)查指標(biāo)為物種名稱(chēng)、冠幅、樹(shù)高等。

1.3數(shù)值計(jì)算選用物種豐富度指數(shù)(S)和Shannon-Wiener指數(shù)對(duì)各標(biāo)準(zhǔn)地群落的物種多樣性進(jìn)行測(cè)度[7]，其中，物種豐富度指數(shù)(S)為在標(biāo)準(zhǔn)地中出現(xiàn)的物種種類(lèi)數(shù)量。

重要值的計(jì)算公式見(jiàn)下：

P=(相對(duì)蓋度+相對(duì)高度+相對(duì)頻度)/3

(1)

Shannon-Wiener 指數(shù)的計(jì)算公式見(jiàn)下：

(2)

式中，Pi=Ni/N為第i個(gè)物種的相對(duì)重要值，其中Ni為第i個(gè)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(jié)果與分析

2.1各標(biāo)準(zhǔn)地植被群落特征

2.1.1自然演替2a采石平臺(tái)植被群落特征。由于立地條件較差，加之所調(diào)查標(biāo)準(zhǔn)地處于自然演替初期階段，自然演替2a采石平臺(tái)的植物種類(lèi)組成較為簡(jiǎn)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(qū)域，蓋度約0.2～0.5，其垂直結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(tái)植被群落特征。自然演替11a的采石平臺(tái)群落的垂直結(jié)構(gòu)與自然演替2a采石平臺(tái)一樣，只有1層，有少量灌木進(jìn)入群落，但灌木數(shù)量較少，且植株較為矮小。由于樣地土壤養(yǎng)分環(huán)境因素的逐漸改善，群落類(lèi)型和植物種類(lèi)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(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)閱?、灌、?層，喬木不規(guī)則稀疏分布，灌木群落和草本的水平結(jié)構(gòu)斑塊性較明顯，這與立地空間分布的異質(zhì)性有關(guān)，通常在有一定土層且水分條件好的小環(huán)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(jié)構(gòu)的斑塊性減弱，群落環(huán)境土層加厚，地表的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)增加，生境的穩(wěn)定性大大提高[8]。

2.2各標(biāo)準(zhǔn)地植被群落物種組成自然演替2a的采石平臺(tái)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(huán)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(yōu)勢(shì)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(tái)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(tái)優(yōu)勢(shì)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(xì)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(jìn)入灌木層占優(yōu)勢(shì)層的演替階段。由于土壤、水分等生境條件惡劣，演替時(shí)間短，群落中木本植物物種種類(lèi)較少，喬木物種有臭椿、君遷子、榆樹(shù)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(yáng)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(tái)主要草本物種相差不大，在土層薄、無(wú)灌木生長(zhǎng)的區(qū)域，艾蒿、北京隱子草、藎草等為優(yōu)勢(shì)種，紫菀、鴨跖草和野菊花等在草本群落中增多。

2.3各標(biāo)準(zhǔn)地植被物種多樣性

2.3.1物種豐富度。隨著演替的進(jìn)行，采石平臺(tái)和道路邊坡植物的科、種數(shù)量均呈現(xiàn)較明顯的增長(zhǎng)趨勢(shì)(表1)。自然演替2a采石平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)地植被共計(jì)7科15種，自然演替11a的采石平臺(tái)增加為9科25種。自然演替2a道路邊坡標(biāo)準(zhǔn)地植被共計(jì)7科14種，自然演替13a道路邊坡增加為15科41種，科數(shù)、種數(shù)都超過(guò)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(tái)物種數(shù)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(tái)的1.64倍。

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

3結(jié)論與討論

(1)該研究結(jié)果表明，井陘采石場(chǎng)自然演替2 a采石平臺(tái)和自然演替2 a道路邊坡的物種組成較簡(jiǎn)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(zhì)土壤含量相關(guān)性較大。自然演替11 a采石平臺(tái)和自然演替13 a道路邊坡物種多樣性較演替2 a標(biāo)準(zhǔn)地有較大提高，物種由1年生陽(yáng)性草本演變?yōu)橐远嗄晟荼竞凸嗄緸橹鳌?/p>

(2)自然演替2 a采石平臺(tái)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(tái)和自然演替13 a道路邊坡不論物種組成、植被結(jié)構(gòu)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(zhì)條件決定了其植被演替較采石平臺(tái)快。時(shí)間是植被演替的重要因素，但是通過(guò)改善立地條件，遵循植被的演替規(guī)律，可以大大加快植被的演替進(jìn)程[9]。

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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(xiàng)目河北省科技計(jì)劃項(xiàng)目(14234202D-2)；河北水利科研計(jì)劃項(xiàng)目(2015-07)。

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

收稿日期2016-02-19

中圖分類(lèi)號(hào)S 181

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)0517-6611(2016)07-116-02