门头沟区煤矿废弃地自然恢复植被数量分类与排序1)

程小琴 赵方莹

(北京林业大学，北京，100083)

矿产资源的开发利用曾为北京地区经济发展和社会进步做出了一定贡献，但在矿业取得巨大成就的同时，矿区生态环境也普遍受到严重破坏［1］。为了改变矿山生态环境恶化趋势，世界各国相继开展了生态环境的修复工作［2］。门头沟区位于北京市西郊，是北京的西大门。随着北京市对门头沟区功能定位的转变，门头沟将由过去的“京西矿山”转变为“生态涵养发展区”。北京市政府已将门头沟地区的整治工程列为重点项目。对矿山废弃地的生态修复又是该地区整治的关键。而要制定对矿山废弃地的生态修复计划，对矿山废弃地基本情况及早期植被的自然入侵状况的了解十分重要。目前，对门头沟区煤矿废弃地的研究多侧重于退化生态系统人工恢复与重建的方法与技术，而对于其自然恢复植物群落与环境因子关系的研究不多。分类和排序是研究群落生态关系的重要数量方法［3－4］。TWINSPAN由Hill首先形成，是20世纪80年代至今使用最多的植被多元等级分类方法［5］。DCA排序是植被排序分析中最为有效的一种方法［6－8］。Braak［9］将CCA和DCA结合起来发展了DCCA。目前，DCCA是分析植被—环境关系最先进的多元分析技术［10－11］。笔者应用TWINSPAN分类和DCA、DCCA排序的分析方法，对门头沟区内煤矿废弃地自然恢复植被进行了数量分类和排序，以深入探讨影响植物分布的主要环境因子，分析群落分布的差异及原因。并以此为基础，提出了不同恢复阶段植被的恢复途径，以期为门头沟区煤矿废弃地植被的迅速恢复与生态重建提供理论依据和实践参考。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

门头沟区地处华北平原向蒙古高原过渡地带，地势西北高，东南低。东经115°25'00″～116°10'07″，北纬39°48'34″～40°10'37″。属中纬度大陆性季风气候，春季干旱多风，夏季炎热多雨，秋季凉爽湿润，冬季寒冷干燥。西部山区与东部平原气候呈明显差异。年平均气温东部平原11.7℃，西部斋堂一带10.2℃。日照时数较多，年平均日照2 470 h。降水量自东向西逐渐减少，降水量年际变化大，多年平均降水量约600 mm。土壤属地带性褐土。境内植被属暖温带落叶阔叶林类型，已无原始森林，仅在深山区残存一些天然次生林。一般林地均为灌木林或杂木混交林，森林覆盖率为40%～60%。种类繁多，水平、垂直地带性明显。

1.2 调查样方设置

在对门头沟区煤矿废弃地植被类型进行全面考查的基础上，了解到调查区域植被类型以稀树灌草丛为主，故选择煤矿废弃地上具有代表性的不同群落类型地段，共设置53个10 m×10 m样方。对于森林地段，在10 m×10 m样方内逐株调查乔木种名、高度、胸径和冠幅，并将每个乔木样方划分为4个5 m×5 m样方，调查任意2个处于对角线的5 m×5 m样方内乔木幼树、幼苗与灌木的种名、高度和冠幅，同时在每个5 m×5 m样方中随机设置1个具有代表性的1 m×1 m小样方调查草本种名、高度和盖度;对于灌木样地，在每个10 m×10 m样方内对任意2个对角线的5 m×5 m样方中的乔木幼树、幼苗与灌木进行调查，同时在每个5 m×5 m样方中随机设置1个具有代表性的1 m×1 m小样方调查草本;对于草本样地，在每个10 m×10 m样方内随机设置1个具有代表性的1 m×1 m小样方调查草本。同时记录每个样方经纬度、海拔高度、坡向、坡度、坡位、自然恢复年限等环境特征。

1.3 数据处理

根据所调查群落的特征数据，计算每一个样方内不同物种的重要值，计算公式如下:

乔灌木重要值=(相对盖度+相对高度+相对密度)/3;草本的重要值=(相对盖度+相对高度)/2。

53个样方共计68个物种，剔除出现次数少于3次的物种，剩余26种，因而得到53×26样方—物种重要值数据矩阵。选择经度、纬度、海拔、坡度、坡向、坡位、植被总盖度、恢复年限8个因子，其中坡向、坡位等非数值指标按经验式建立隶属函数并换算成编码［12］。坡向:阳坡(0.3)、半阳(0.5)、半阴(0.8)、阴坡(1.0);坡位:上坡位(0.4)、中坡位(1.0)、下坡位(0.8)，得到53×8样方—环境因子矩阵。

采用TWINSPAN和DCA、DCCA，利用PC－ORD 4.41(Multivariate Analysis of Ecological Data)和CANOCO4.5软件，以样方—物种重要值数据矩阵和样方—环境因子矩阵，对群落进行分类与排序。

2 结果与分析

2.1 TWINSPAN分类

对门头沟区煤矿废弃地自然恢复植物群落53个样方用TWINSPAN进行等级分类(图1)，结合调查区域的实际生态意义，采用第4级的划分结果，将53个样方划分为11组。图1中的每一级划分的指示种都分为正负两类，分别指示相应的两歧类型。从图1可知，臭椿(Ailanthus altissima)、荆条(Vitex negundo)、铁杆蒿(Artemisia sacrorum)(－)和鬼针草(Bidens parviflora)(+)将作为第一级分类的指示种，将所有样方划分为两类。负组D2的指示种是蒙古蒿(Artemisia mongolica)(－)，正组D3的指示种是铁苋菜(Acalypha australis)(+)。其他级别分类指示种详见图1。最后TWINSPAN将53个样方划分为11个植物群落类型。依据各层的优势种和群落生境特征的指示种命名群落类型［13－14］。

群落Ⅰ荆条－蒙古蒿群落(Comm.Vitex negundo－Artemisia mongolica)。包含样方10、13。该群落分布于龙泉煤矿废弃地阳坡、半阴坡山地。海拔196 m，坡度5°～42°。灌木层优势种为荆条，草本层以蒙古蒿占优势。

群落Ⅱ臭椿－荆条+杠柳－铁杆蒿群落(Comm.Ailanthus altissima－Vitex negundo+Periploca sepium－Artemisia sacrorum)。包含样方28～30、46、51、52。该群落分布于王平、龙泉、军庄煤矿废弃地，海拔152～448 m，坡向以阳坡为主，坡度5°～40°。臭椿为乔木层的优势种，灌木层主要有荆条、杠柳(Periploca sepium)，草本层主要有铁杆蒿、狗尾草(Setaria viridis)、地梢瓜(Cynanchum thesioides)、荩草(Arthraxon hispidus)、细杆羊胡子草(Eriophorum gracile)等。

图1 煤矿废弃地53个样方植物群落的TWINSPAN树状分类图

群落Ⅲ荆条－狗尾草+艾蒿群落(Comm.Vitex negundo－Setaria viridis+Artemisia lavandulaefolia)。包含样方14、26、37、38、43、44。该群落分布于王平、潭柘寺、龙泉、永定煤矿废弃地。海拔192～448 m，坡向为阳坡，坡度5°～37°。灌木层优势种为荆条，伴生种有酸枣(Ziziphus jujuba)、胡枝子(Lespedeza bicolor);草本层主要有狗尾草、艾蒿(Artemisia princeps)、铁杆蒿、黄花蒿(Artemisia annua)。

群落Ⅳ臭椿－荆条－荩草群落(Comm.Ailanthus altissima－Vitex negundo－Arthraxon hispidus)。包含样方31、45、47～49、53。该群落分布于王平和军庄煤矿废弃地。海拔152～323 m，坡度15°～45°，坡向为阳坡、半阴坡和阴坡。乔木层优势种为臭椿，伴生种有榆树;灌木层优势种为荆条，伴生种有杠柳、酸枣;草本层主要有荩草、鬼针草、铁杆蒿等。

群落Ⅴ臭椿+榆树－荆条－鬼针草群落(Comm.Ailanthus altissima+Ulmus pumila－Vitex negundo－Bidens parviflora)。包括样方6、17、18、24、32、41。分布于门头沟大部分煤矿废弃地，海拔高度变化较大，坡度5°～70°，坡向为阳坡、半阴坡和阴坡。乔木层主要有臭椿、榆树(Ulmus pumila)、刺槐(Robinia pseucdoacacia);灌木层优势种为荆条;草本主要以鬼针草、狗尾草为主，伴生种有艾蒿、臭蒿(Artemisia hedinii)、水棘针(Amethystea caerulea)、铁杆蒿等。

群落Ⅵ榆树－荆条－鬼针草+狗尾草群落(Comm.Ulmus pumila－Vitex negundo－Bidens parviflora+Setaria viridis)。包括样方7、15、42。该群落分布于潭柘寺、永定煤矿废弃地，海拔192～302 m，坡度5°～42°，坡向为阳坡、半阳坡和半阴坡。乔木层优势种为榆树;灌木层优势种为荆条;草本层主要以鬼针草、狗尾草为主。

群落Ⅶ鬼针草+狗尾草群落(Comm.Bidens parviflora+Setaria viridis)。包含样方1、4、5、8、9、11、12、16、21、22、33、35、36。该群落也分布于门头沟大部分煤矿废弃地，海拔高度变化较大，各坡向均有，坡度5°～44°。鬼针草、狗尾草为草本层优势种。样方中有榆树和臭椿幼苗。

群落Ⅷ狗尾草+大籽蒿群落(Comm.Setaria viridis+Artemisia sievrsiana)。包含样方2、3、19、25。该群落分布于清水、斋堂煤矿废弃地，海拔501～736 m，坡度5°～75°，坡向为阳坡、半阳坡和阴坡。草本层主要有狗尾草、灰藜(Chenopodium album)等。

群落Ⅸ狗尾草+牵牛群落(Comm.Setaria viridis+Pharbitis nil)。包含样方27、50。该群落分布于龙泉和军庄煤矿废弃地，海拔152～448 m，坡度34°～40°，坡向为阳坡。狗尾草、牵牛(Pharbitis nil)为草本层优势种。

群落Ⅹ鬼针草+铁苋菜群落(Comm.Bidens parviflora+Acalypha australis)。包含样方20、23。该群落分布于清水煤矿废弃地，海拔710 m，坡度5°～39°，坡向为阳坡和半阳坡。鬼针草和铁苋菜为草本层优势种。

群落Ⅺ铁苋菜+狗尾草群落(Comm.Acalypha australis+Setaria viridis)。包含样方34、39、40。该群落分布于潭柘寺煤矿废弃地，海拔377～428 m，坡度5°～35°，坡向为阳坡和半阴坡。铁苋菜和狗尾草为草本层优势种。

表1 门头沟煤矿废弃地植物群落的特征及其主要环境特征

2.2 DCA排序

利用DCA对门头沟煤矿废弃地自然恢复植物群落53个样方进行分析，并根据前两个排序轴作出二维排序图(图2)，结果表明:TWINSPAN群路数量分类类型在DCA排序图上具有比较明确的分布范围和界限。从排序轴来看，第一轴基本上反映了自然植物群落的生长年限，演替时间从左到右逐渐缩短;第二轴反映的群落坡度的梯度变化，即沿第二轴由下到上坡度逐渐升高。图2中53个样方11个群落类型可以划分成A、B、C、D4个生态区。

图2 53个样方的DCA二维排序图

A生态区演替阶段为乔木群落阶段，包括群落Ⅱ和群落Ⅳ，该生态区植物群落的生长年限为15～25 a，群落类型为臭椿－荆条+杠柳－铁杆蒿群落和臭椿－荆条－荩草群落。群落盖度为40%～90%。前3位优势种分别是:臭椿、荆条、荩草，该生态区群落已经稳定。

B生态区为灌丛向乔木群落过渡阶段，包括群落Ⅴ和群落Ⅵ，该生态区植物群落的生长年限10～15 a，群落类型为臭椿+榆树－荆条－鬼针草群落和榆树－荆条－鬼针草+狗尾草群落。群落盖度为20%～85%。样方内分布有乔木臭椿、榆树、刺槐，灌木有荆条、杠柳、酸枣等，草本植物分布种类多样。

C生态区为灌丛群落阶段，包括群落Ⅰ和群落Ⅲ，该生态区植物群落的生长年限7～10 a，群落类型为荆条－蒙古蒿群落和荆条－狗尾草+艾蒿群落。群落盖度为15%～70%。群落内除分布荆条是优势物种外，还分布有酸枣、胡枝子等伴生灌木种。

D生态区为草本群落阶段，包括群落Ⅶ～Ⅺ，该生态区植物群落的生长年限1～6 a，群落类型为鬼针草+狗尾草、狗尾草+大籽蒿、狗尾草+牵牛、鬼针草+铁苋菜、铁苋菜+狗尾草群落。群落盖度为15%～90%。1年生草本如狗尾草、鬼针草、铁苋菜等在群落中占优势。

2.3 DCCA排序

植被与环境因子的DCCA排序结果见图3:环境因子用带箭头的线段(矢量)表示，箭头所处象限，代表着环境因子与排序轴间的正负相关性，箭头连线的长度表示该环境因子与植物群落分布关系的大小，箭头连线在排序图中的斜率表示环境因子与排序轴相关性的大小，箭头所指方向表示该环境因子的变化趋势［11］。

DCCA第一排序轴的特征值为0.408，第二排序轴的特征值为0.211，排序图中第一、二轴可以解释环境变异的51.8%(P＜0.01，Monte Carlo测验)和26.8%，即前两轴可以代表78.6%的信息量，说明排序结果较好。代表各环境因子的矢量线以自然恢复年限、海拔、经度、纬度等较长，说明这几个环境因子与植物群落的分布关系密切。而坡度、坡向、坡位、盖度等矢量线较短，对植物群落分布影响较小。上述几个环境因子中，经度、纬度、自然恢复年限、海拔、坡位与第一轴夹角较小，沿第一排序轴，样方排列呈现朝向低经纬度、自然恢复年限较长、低海拔方向的一个综合梯度。坡度、坡向、盖度与第二轴夹角较小，沿第二排序轴，样方排列呈现朝陡峭(干燥)、偏阳(温暖)方向的一个综合梯度，即对水热关系的表达是综合作用的结果。

图3反映了53个样方随自然恢复年限的变化而发生的群落结构的变化，但这种排序又不是简单地呈线性状，说明门头沟区煤矿废弃地自然恢复植被物种种类组成主要受自然恢复年限的影响，此外还受海拔梯度、经纬度等其他一些原因的影响。

图3 53个样方的DCCA二维排序

2.4 DCA与DCCA排序比较

从以上研究可以看出，DCA和DCCA两种排序所解释的煤矿废弃地上的自然恢复植被与环境的关系是一致的，但结果有所差异。由表2可见，DCA的特征值高于DCCA，但在描述群落与环境关系则不如DCCA。从样方在DCA排序图(图2)和DCCA排序图(图3)上可以看出，后者较前者分布更加集中，群落间的界限变得更加模糊，因此，如果同分类方法结合使用，DCA的效果要好于DCCA，这与文献［14］的研究结果一致。

表2 DCA、DCCA排序轴的特征值及种—环境相关系数

3 结论与讨论

植被分类不仅能够根据植被组成反映环境特点和植被动态，而且对评价一个地区植被的生长潜力也非常有用［15－16］。文中应用TWINSPAN等级分类，将门头沟煤矿废弃地自然恢复植被53个样方划分为11个群落类型，直观地体现了群落类型、地形、人为干扰的综合差异，从其群落类型来看，臭椿、荆条将成为适应当地环境的优势种，它们均具有喜光、耐干旱、瘠薄土壤适应性强等特征，是门头沟矿区废弃地常见的野生植物。在调查的样地中，臭椿最优的生境是群落类型Ⅳ，荆条最优的生境是群落类型Ⅲ。

对自然恢复群落演替来说，植物种、植物群落的分布格局在不同尺度上是由各种环境因子综合作用的结果［17］。门头沟煤矿废弃地自然恢复植被各群落类型在DCA排序图上较有规律地分布，演替时间最长的群落Ⅱ和群落Ⅳ位于排序图上最左端，群落Ⅶ～Ⅺ演替时间较短，位于排序图上右侧，这充分说明从排序图中可以明显反映随自然恢复年限的增加群落间的相关性及演替趋势。

DCCA排序轴分类结合了植被因子与环境因子，能较好地表达群落的环境梯度，反映环境的空间变异特点［18］。门头沟煤矿废弃地自然恢复植被具有较高的植被复杂性，第一排序轴表达了朝植被演替方向的一个综合梯度，主要反映低经纬度、低海拔、自然恢复年限长的环境因子，这与该地区从颇具地理优势的低海拔、低经纬度的矿山开始开采的顺序一致。第二轴表达了朝干暖方向的梯度。两者综合作用，表达该地区植物群落随自然恢复年限增加的空间梯度。

利用群落演替规律，根据矿山废弃地立地条件，通过植物种类筛选和合理的植被顺序，达到矿山废弃地利用和植被恢复的目的，是世界各地应用最广泛的一种复垦方法［19－20］。从上述研究可以看到煤矿废弃地自然恢复群落的最典型的演替模式表现为:草本群落→灌丛群落→灌丛向乔木群落过渡→乔木群落，说明森林群落能够适合门头沟煤矿废弃地特殊生境的群落类型。按照群落发展规律和影响群落发展的主要环境因素，应适时适地引入自然植被演替后期的植物种对门头沟煤矿废弃地进行植被重建，以促进自然植被的演替，改善生态环境。

［1］武雄，韩兵，管清花，等.北京市固体矿山生态环境现状及修复对策［J］.地学前缘，2008，15(5):324－329.

［2］祝怡斌，周连碧，林海.矿山生态修复及考核指标［J］.金属矿山，2008(8):109－112.

［3］张金屯.模糊数学排序及其应用［J］.生态学报，1992，12(4):325－331.

［4］党承林，姜汉侨.云南西畴县草果山常绿阔叶林的数量分类研究［J］.生态学报，1982，2(2):111－132.

［5］张金屯.数量生态学［M］.北京:科学出版社，2004:121－242.

［6］Gauch H G.Multivariate analysis in community ecology［M］.London:Cambridge University Press，1982.

［7］Causton D R.Introduction to vegetation analysis［M］.Loundon:Unwin Hyman，1988.

［8］邱扬，张金屯.关帝山八水沟天然植物群落时空梯度的数量分析［J］.应用与环境学报，1999，5(2):113－120.

［9］Ter Braak C J F.The analysis of vegetation-environment relationships by canonical correspondence analysis［J］.Plant Ecology，1987，69(1/3):69－77.

［10］冯云，马克明，张育新，等.辽东栎林不同层植物沿海拔梯度分布的DCCA分析［J］.植物生态学报，2008，32(3):568－573.

［11］张峰，张金屯，张峰.历山自然保护区猪尾沟森林群落植被格局及环境解释［J］.生态学报，2003，23(3):421－427.

［12］刘创民，李昌哲，史敏华，等.多元统计分析在森林土壤肥力类型分辨中的应用［J］.生态学报，1996，16(4):444－447.

［13］何惠琴，李绍才，孙海龙，等.锦屏水电站植被数量分类与排序［J］.生态学报，2008，28(8):3706－3712.

［14］张先平，王孟本，佘波，等.庞泉沟国家自然保护区森林群落的数量分类和排序［J］.生态学报，2006，26(3):754－761.

［15］De Wolf J.Species composition and structure of the woody vegetation of the Middle Casamance region(Senegal)［J］.Forest Ecology and Management，1998，111(2/3):249－264.

［16］关文彬，曾德慧，姜凤岐.中国东北西部地区沙质荒漠化过程与植被动态关系的生态学研究:植被的分类［J］.应用生态学报，2000，11(6):907－911.

［17］Burke A.Classification and ordination of plant communities of the Naukluft Mountains，Namibia［J］.Journal of Vegetation Science，2001，12(1):53－60.

［18］邱扬，张金屯.DCCA排序轴分类及其在关帝山八水沟植物群落生态梯度分析中的应用［J］.生态学报，2000，20(2):199－206.

［19］McNearny R L，Wheeler K R.Knight mine reclamation:A study of revegetation difficulties in a semi-arid environment［J］.International Journal of Mining，Reclamation and Environment，1995，9(3):113－119.

［20］杨修，高林.德兴铜矿矿山废弃地植被恢复与重建研究［J］.生态学报，2001，21(11):1932－1940.