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植被自然恢复过程中物种多样性变化

2020-10-21 312 上传者：管理员

摘要：为探讨不同废弃年限的矿区植被恢复过程中植物群落特征，对太原东山地区废弃煤矿区的植被进行了实地调查。结果表明，在所调查的10个废弃矿区的205个样方中共有高等植物121种，分属于43科86属，其中，菊科11属20种，豆科7属18种，禾本科12属15种，3个科合计30属53种，占全部种数的43.80%。表明3个科的植物在东山矿区植被的自然恢复演替过程中所起的作用最大，在该地区的植物区系中占据着重要地位。

关键词：
太原东山
植物群落
植被演替
生态保护
生态恢复
矿区废弃地
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煤炭资源作为山西省主要的能源之一，其开发对我国国民经济建设和社会发展起到了极其重要的支撑作用。但采矿导致植被破坏，土壤性质发生了很大变化，造成当地生态环境恶化[1,2]。利用抗逆性强的草灌物种，可以有效地控制水土流失，改善土壤有机质含量，从而改善生态环境。

太原市东山地区煤矿具有煤层位置浅、分布广泛的特点，所以，在20世纪初遭遇了大规模的露天开采以及疯狂的私挖乱采，使岩石、土壤、煤矸石等物质发生大规模的迁移和堆积，植被破坏，从而形成各种立地条件，并随之带来一系列的生态环境问题。总体来看，生态破坏后形成的矿区废弃地的恢复过程分为人工恢复和自然恢复两类。目前，人工重建植被是快速恢复复垦地生态功能、防止生态环境进一步恶化的重要途径[3]，不少学者已进行了研究[4,5,6,7]，但针对矿区自然恢复下的植被演替特点、群落结构变化的研究却较少。

笔者对太原东山煤矿废弃地的生态自然恢复下的物种多样性进行调查并探讨其演变规律，为今后人工恢复矿区生态系统提供科学依据[8,9]。

1、材料和方法

1.1研究区概况

太原东山位于112°45.774′E,37°54.530′N。境内无河流，地下水位较低，主要依赖大气降水，年平均气温10.1℃左右，最冷1月平均气温-14.6℃，最热7月平均气温24.4℃。年均降水量462mm左右，年蒸发量1877mm。区域气候属暖温带大陆性季风气候区，气候温和，四季分明。研究区地带性土壤多煤矸石、碎石，砂粒、土壤母质、母岩组成，少土和少肥，植被自然恢复较困难。

1.2样地调查

于2016年4月对太原东山地区已关闭采煤矿区进行了筛选，以确定不同关停年份、不同矿区类型，最终选择了关闭年限11～22a不等的10个废弃矿区作为研究对象（表1）。

表1样地基本情况

1.3研究方法

每个样地采用“梅花五”式设置大样方，即四角和中间共设立5个（10m×10m）大样方，样方内全部采样调查了解矿场内植被自然恢复情况，共设置有代表性的68个（5m×5m）灌木样方和137个（1m×1m）草本样方，分别于2016年7月和2017年7月进行2次灌木和草本的调查和复核，调查时记载每样植物的编码、植物名称、株高等指标以及植物的生长状况，同时测定群落学特征，如群落主要种类组成、盖度、频度等。

采用Simpson指数（D）、Shannon-Wiener指数（H）、Pielou均匀度指数（J）进行物种多样性的计算[10,11]。

公式1

公式2

公式3

公式4

某物种的重要值=（相对高度+相对盖度+相对频度）/3(5)

式中，S为样地中的物种总数；Pi为群落内第i种的重要值；N为样方中各物种多度指标总和；Ni为第i个种的多度。

1.4数据处理

利用Excel和SPSS13.0统计软件对数据进行处理。

2、结果与分析

2.1矿区植物群落的物种构成分析

东山采矿区的植被自然演替过程中共出现高等植物121种，分属于43科86属。其中，乔木共有3科3属4种，分别为榆科榆属白榆、杨柳科小叶杨和山杨、蔷薇科山杏；半灌木共有2科2属5种，分别为豆科胡枝子属达乌里胡枝子、细梗胡枝子、多花胡枝子、灯芯草状胡枝子和菊科蒿属铁杆蒿；灌木共出现11科14属16种，均为喜光、耐干旱的灌木。137个草本样方中，草本植物共有25科65属94种，木质藤本植物2科2属2种，构成表现为多数种属于少数科，少数种属于多数科，单种单属植物共10种，占到草本总数的40%。其中，菊科11属20种，豆科7属18种，禾本科12属15种，这三大科共30属53种，占全部种数的43.80%。

由此可见，菊科和禾本科、豆科植物是该区次生演替的优势科，在东山矿区植被的自然恢复演替过程中所起的作用最大，同时还表明在该地区的植物区系中占居着重要地位。各矿区根据物种丰富度排序为：小返乡>占山岭中段>黄嘴山>黄嘴梁>独山煤矿>流家河>寿阳沟背>占道南沟>占道村南>占道东沟。

2.2矿区植物优势种及丰富度分析

随着矿区废弃时间的延长，植物群落也逐渐由草本群落演替到草本—灌丛群落，虽然各样地的豆科、禾本科、菊科三大科优势植物种各不相同，但是草本群落在各个立地类型上的优势差异不大，草本层明显为优势层，表明调查矿区处于群落演替的初级阶段。除小返乡、占山岭中段、寿阳沟背外，其他区域群落的优势群丛是一二年生草本和多年生草本植物。根据各物种的重要值总结出各样地的优势植被类型。

不同立地条件草本群落优势种差异不大（表2），小红菊、凤毛菊在10个矿区的草本群落中均作为优势种或亚优势种存在，披碱草、大籽蒿、硬质早熟禾、披针苔草是在大多数样地中也表现出很强的生长优势。乔木以白榆为主，可能是由于白榆是当地适生树种，抗逆性高于其他树种的原因。灌木以樱草蔷薇为主，这可能与樱草蔷薇分布于干旱生境和本身的生物学特性有关。木质藤本以杠柳在样方中出现最多，随着恢复年限的增长，植物种类的丰富，根系及枯萎物对表土土壤的改善以及改善后豆科植物的出现，都为植物演替提供了条件。

表2不同矿区植物优势种重要值及物种丰富度情况

2.3不同矿区物种多样性与均匀性指数分析

废弃矿区植被恢复中以草本和灌木为主，鲜有乔木（表3）。对不同恢复年限矿区中的植物类群分别进行了多样性和均匀性分析发现，各调查区域中物种均匀度指数在调查区域中以草本群落最高，多样性的变化在相同恢复年限的群落中具有不同步性，这可能是由于立地条件和小气候以及人为干扰的原因造成的。在恢复22a的小返乡矿区草本层多样性最大，草本植物仍是群落的建群种，群落结构并不稳定，但受到人为干扰的影响较大，群落层次中多年生草本和灌木出现并占到优势，说明在东山采矿废弃地植被群落特征明显受到所在环境的影响。

表3不同矿区物种多样性及均匀性指数分析

3、结论与讨论

太原东山废弃矿区在19世纪初经历大规模的开采破坏后，其自然恢复是一个缓慢的过程。它包括土壤基质的富集恢复及植物种的自然侵入和演替[12]。草本层为东山废弃地的优势层，以一二年生为主，组成丰富，共有25科65属94种，以耐干旱、耐贫瘠的禾本科、豆科、菊科为主要物种，说明调查矿区处于群落演替的初级阶段。以空间序列代替时间序列的方法初步研究东山采矿废弃地自然演替初期的植物多样性变化规律，结果显示，在10个调查区域内共计205个样方内共出现高等植物121种，分属于43科86属，其中，菊科11属20种，豆科7属18种，禾本科12属15种，这3个科共30属53种，占全部种数的43.80%。

当群落环境中土层加厚，地表中营养成分增加，生境才可能提高稳定性[13]。各废弃地由于受人为干扰和具体立地条件的不同，植被恢复情况不同。整体来说，乔木未形成群落，共有3科3属4种，分别为榆科榆属白榆、杨柳科小叶杨和山杨、蔷薇科山杏；灌木、半灌木也是小范围分布，且均为喜光、耐干旱的种类，半灌木共有2科2属5种，分别为豆科胡枝子属达乌里胡枝子、细梗胡枝子、多花胡枝子、灯芯草状胡枝子和菊科蒿属铁杆蒿；灌木共出现11科14属16种，以樱草蔷薇为主，木质藤本和草本藤本都有出现，木质藤本植物2科2属2种，以杠柳为主。各矿区根据物种丰富度排序为：小返乡>占山岭中段>黄嘴山>黄嘴梁>独山煤矿>流家河>寿阳沟背>占道南沟>占道村南>占道东沟。由于该地植被破坏严重，经过近20a的恢复，入侵植物大多数为一二年生草本植物，群落结构和组成也较简单，表明其恢复过程困难而缓慢。

调查发现，虽然有乔木出现，但都以单株小苗形式零星存在或山体滑坡落入调查区域，除小返乡矿区和占山岭中段群落中以灌木为优势种群外，其他矿区以草本为主，草本植物以集群形式分布在道路两侧或坡面凹陷等稍缓有土壤聚集处，可能是受雨水冲刷土壤积累在道路两侧的原因，因此，土壤在废弃地植被恢复中在很大程度上影响着植物的生长，土层厚度是提高群落结构的限制因子；以小返乡为例，植物丰富度较高，这与它位于道路旁，与其他调查区域相比受到更多的人为条件干扰较多有关。说明植物的演替受到人为干扰、立地小环境的影响[14,15]。

调查发现，东山采矿废弃地植被恢复过程中，草本层的整体构成表现为多数种属于少数科，少数种属于多数科，单种单属植物共10种，占草本总数的40%，先锋优势种主要集中在少数物种，群落相应的多样性与均匀度指数较低。各调查区域中物种均匀度指数在调查区域中以草本群落最高，灌木层次之，乔木层最低。多样性的变化在相同恢复年限的群落中具有不同步性，说明在东山采矿废弃地植被群落特征明显受到所在环境的影响[16]。根据东山具体立地条件的复杂性和植被恢复演替的长期性，结合太原东山采矿废弃地建立复合生态系统的生态修复的目标，单纯靠植被自然恢复很难形成稳定乔灌群落，要达到相对稳定演替阶段需要更长时间，因此，应以保护原有当地先锋物种为主，发展群落多样性，增加群落层次结构[17,18]。由于矿区土壤条件恶劣，各立地条件的坡位、土壤厚度、土壤类型对土壤营养物质积累和发挥水土保持作用等会造成不同程度的影响。在恢复过程中都会影响群落的差异性[19,20]，因此，后期人工恢复时应结合选择具体环境下的先锋物种、乡土物种，并结合一系列生物和工程措施加快其生态修复进程[21]，运用不同工艺促进植物群落的演替及长期稳定性，创造丰富的植物群落，不仅加速矿区的植被恢复，还可达到绿化效果。

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