贵州中部煤矸石堆场废弃地自然植被的群落组成及物种多样性

赵晓燕，刘 方

(贵州大学资源与环境工程学院，贵州 贵阳 550003)

1 研究地区概况及研究方法

1.1 研究地区概况

研究地区为贵州中部贵阳市花溪区，该区属低山地貌，主要土壤类型为黄壤。年平均气温14.9℃，年降雨量1100～1200mm。该区是贵阳的重要产煤区，历史上曾拥有大小煤窑200余口，废弃煤矸石污染问题是当地重要环境问题。

花溪是贵阳市重要农产品生产基地，约有20000hm2耕地，养殖场10余座。是贵阳市重要的农业生产以及供应基地。该区处于贵阳“三大水缸”之一的阿哈水库的上游。研究花溪区煤矸石废弃地的植被对下游水质的保护和改善以及花溪区农产的食品安全有重要意义。

1.2 研究方法

选取调查区域内面积超过500m2的煤矸石堆场，按照煤矸石堆放年限不同，进行植物群落样方调查，横向模拟煤矸石植被群落演替过程。分别为＜10a(样地编号1)，10～30a(样地编号2)，30～50a(样地编号3)和50～70a(样地编号4)4个类别，并对煤矸石废弃地周边自然土壤 (样地编号5)植物群落进行调查研究。对不同堆放年限煤矸石堆场其自然恢复调查边界为每块煤矸石堆场的全土壤为界，在界内由堆场主体区域向边缘区域分别按照乔木植物和草本植物样方调查的不同方法，连续设置10m×10m大样方进行乔木植被调查，并在10m×10m样方内设置2m×1m［4］样方进行林下植被样方调查，记录苔藓和蕨类植物、草本植物、藤本植物、灌木和乔木的各个生态学指标。

2 数据处理

群落内各物种的重要值以综合数值来表示，它是确定群落中每一植物种相对重要性的一个综合指标［5］;而群落物种多样性则可用表征生境内多样性的α－多样性指数来反映［6］。本文即采用重要值和α－多样性指数来分析花溪废弃煤矸石堆场不同群落的组成特征及物种多样性。

2.1 物种重要值计算 (important value)

计算5个样地中群落的重要值 (important value)，方法如下:

公式中RD、RF和RP分别为相对密度、相对频度和相对显著度，群落中所有物种重要值IV之和等于 300［5］。

2.2 物种多样性分析

本研究采用α－多样性指数中的物种多样性指数、均匀度指数以及生态优势度来分析花溪区不同煤矸石堆场植物群落的物种多样性，公式如下:

(1)物种多样性指数 (Index of species diversity)，计算时采用以信息论范畴的Shannon－Wiener函数为基础的Shannon－Wiener多样性指数 (H')［6］。

(2)均匀度指数 (Index of evenness)，以Shannon－Wiener指数为基础的Pielous均匀度指数 (PIE)［7］。

(3)生态优势度 (Ecological Dominance)，用Simpson指数 (SN)表示，采用生态优势度可对群落的物种多样性结构和动态水平进行更为透彻的说明［8］。

上述公式中，ni为第i个种的个体数;N为群落 (样地)全部个体总数，s为群落 (样地)中的物种数。

生态优势度、均匀度和物种多样性指数有密切的关系，可从三方面表征群落的组成和结构水平［9］。

3 结果与分析

弃煤矸石堆场植物群落组成按照乔木、灌木、藤本植物、草本植物和蕨类植物分类，并对各组成植物数量进行总结，同矸石堆废弃地周边自然土壤作比较，统计5个样地的植物群落组成及每个物种数量及分布，得分析表如表1和表2。

3.1 煤矸石废弃地植物群落组成分析

由表1可知，4个煤矸石样地中，共有马尾松(Pinus massoniana)、亮叶桦 (Betula luminifera)、青冈 (Cyclobalanopsis glauca)、油茶 (Camellia oleifera)、白车轴草 (Trifolium repens)、小蓬草(Conyza canadensis)、曼陀罗 (Datura stramonium)、阿穆尔莎草 (Cyperus amuricus)、鱼腥草(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)、类芦 (Neyraudia reynaudiana)、狗牙根(Cynodon dactylon)、毛果金星蕨 (Parathelypteris chinensis)和拟附干藓 (Schwetschkeopsi denticulata)17个物种，属15科17属。

煤矸石废弃地周边自然土壤植物群落中含有所有煤矸石废弃地植物群落中植物，共含38个物种，属26科36属。除了含有上述煤矸石废弃地植物物种，还含茅栗 (Castanea seguinii)、山茶 (Camellia japonica)、缫丝花 (Rosa roxburghii)、火棘(Pyracantha fortuneana)、珍珠荚蒾 (Viburnum foetidum)、烟管荚蒾 (Viburnum utile)、六月雪(Serissa japonica)、粘山药 (Dioscorea hemsleyi)、圆叶牵牛 (Pharbitis purpurea)、车前 (Plantago asiatica)、黄毛萼葛 (Pueraria calycina)、褪粉猕猴 桃 (Actinidia melanandra)、柔 毛 艾 纳 香(Blumea mollis)、鬼针草 (Bidens pilosa)、蒲公英(Taraxacum mongolicum)、菊状千里光 (Senecio laetus)、细叶鼠麴草 (Gnaphalium japonicum)、山飞蓬 (Erigeron komarovii)、苦荞麦 (Fagopyrum tataricum)、凤尾蕨 (Pteris cretica var．nervossa)和肾蕨 (Nephrolepis auriculata)共21个种。

表1 调查区不同样地植物种类及数量统计表

表2 样地物种数量及组成分析表

由表2可知，煤矸石废弃地周边自然土壤植物群落较煤矸石废弃地植物群落多的为:乔木种1种、灌木种6种、草本11种、蕨类及藓类2种和藤本植物2种 (煤矸石废弃地藤本物种数量为0)。

综上，由于煤矸石废弃地受周围自然土壤物种迁移影响，所含物种均为自然土壤物种。受演替时间及煤矸石废弃地矸石污染物浓度高的影响，麦坪乡煤矸石废弃地植物群落物种数量和分类小于其周边自然土壤，植物群落组成较简单。

3.2 煤矸石堆场植被自然演替过程中群落组成变化

植物群落演替过程中会在不同演替阶段出现不同的植物群落组成。

首先，对植物群落组成的物种数量和分类组成变化进行分析。

由表1可知，10～30a、30～50a和50～70a煤矸石废弃地3个样地中，物种数量相对于堆放年限＜10a煤矸石废弃地，分别增加11.11%、22.22%和88.89%。4个样地植物物种数量随着煤矸石堆放年限由低到高，由9种增至17种。

各类植物数量基本随着煤矸石堆放年限的增加而增加。乔木种类植物数目和灌木植物种类数目随着煤矸石堆放年限增加，没有增加;草本植物数目按照煤矸石堆放年限增加分别增加1，1，1和4种，是群落中物种增加数量最快的一类;蕨类和苔藓类植物在堆放年限少于50a煤矸石堆场上没有增加，而在50～70a煤矸石堆场上较少于50a堆放年限的3个煤矸石废弃地增加了1种。增加速度最快的植物种类为草本植物。草本植物及蕨类植物在增加煤矸石废弃地盖度上起着重要作用。

另外，植被群落由于群落的物种组成、个体特点及各个物种间的不同关联而表现出明显的差异。除了研究群落的物种组成，对其群落内物种优势度研究，也是对群落组成的一个重要研究内容。

花溪废弃煤矸石堆场植物群落组成及主要树种在不同样方中的重要值的大小所表明的是一个树种在群落中的优势地位，它在一定程度上表明了一个物种相对于群落中其它物种对生态资源的占据和利用能力的大小。表3是花溪煤矸石堆场各种植物在不同样方中的重要值。

表3 花溪不同堆放年限煤矸石堆场植物群落中物种重要性比较

由表3可知，堆放年限＜10a的煤矸石废弃地样地内，木本植物以光皮桦 (16.97) (括号内为重要值，以下同)和马尾松 (11.97)、草本植物以小蓬草 (56.77)和类芦 (55.58)为优势物种;堆放年限为10～30a的煤矸石废弃地内，木本植物以光皮桦 (18.03)和马尾松 (12.91)、草本植物以类芦 (82.05)和小蓬草 (42.06)为优势物种;堆放年限为30～50a的煤矸石废弃地内，木本植物以青冈 (9.38)和马尾松 (8.21)、草本植物以类芦 (68.45)和狗牙根 (65.09)为优势物种;堆放年限为50～70年的煤矸石废弃地内，木本植物以马尾松 (6.48)和油茶 (3.81)、草本植物以狗牙根 (43.74)和类芦 (27.12)为优势物种。4个样地优势物种基本一致，马尾松、光皮桦、小蓬草、类芦、狗牙根和毛果金星蕨为4个样地的共同优势物种。在植物群落演替过程中，这6种植物为样地植物群落演替的先锋物种，在植物群落自然恢复过程中形成了以油茶+青冈+马尾松+光皮桦+狗牙根+类芦+小蓬草+毛果金星蕨组成的先锋群落。

由以上分析可知，随着堆放年限的增加，群落演替的进行，花溪废弃煤矿煤矸石堆场自然恢复植物群落中物种数量增加;乔木、灌木、草本植物和蕨类及苔藓植物种类分别增加，增加速度最快的植物种类为草本植物;在调查的4个煤矸石群落中，马尾松、光皮桦、小蓬草、类芦、狗牙根和毛果金星蕨为主要优势物种，且形成了一定的先锋群落。以上优势物种可作为贵州中部煤矸石废弃地人工植被修复的参考物种。

3.3 煤矸石堆场物种多样性变化分析

植物群落物种多样性不仅由群落本身类型结构决定，亦受其演替阶段、微生物及其人为活动的影响。运用α－多样性指数中的物种多样性指数、均匀度指数以及生态优势度对花溪4个废弃煤矸石堆场样方和1个自然土壤样方的物种多样性分析如表4。

表4 花溪不同堆放年限煤矸石堆场植物群落物种多样性指数比较

由表4可知，随着煤矸石堆放年限的增加，物种多样性指数增加。由于Shannon－Wiener物种多样性指数是对富有种相对多度敏感，群落中拥有越多的稀有种，则该指数越低，群落演替等级越低。故随着煤矸石堆放年限的增加，煤矸石废弃地植物群落的演替等级越高。由于堆放年限＜10a的煤矸石废弃地煤矸石堆放年限较少，矸石内污染物浓度较低，对植物生长不利，且周边物种迁移时间短，故其Shannon－Wiener物种多样性指数数值明显低于其他3个煤矸石废弃地。堆放年限为10～30a、30～50a和50～70a的煤矸石废弃地 Shannon－Wiener物种多样性指数数值相对接近，且呈增加趋势，是由于10～70a堆放年限内，煤矸石内污染物浓度降低到较低较平稳水平，且降低速度较＜10a的煤矸石堆场明显降低，样地土壤状况更利于植物生存。

生态优势度可对群落的物种多样性结构和动态水平进行更为透彻的说明。Simpson指数可以反应群落物种多样性结构，该指数与物种多样性指数成反比关系。由表4可看出，随着煤矸石堆场矸石堆放年限增加，Simpson指数数值降低。堆放年限为50～70a煤矸石废弃地Simpson指数数值与堆放年限＜10a煤矸石废弃地较接近，两地生态优势度为5个样地最高水平，堆放年限为50～70a煤矸石废弃地是由于样地内含一条1m宽人行便道、样地周围含两条地表径流且样地处于周边农民放牧区，大型动物活动较多所致;堆放年限＜10a煤矸石废弃地其Simpson指数数值也处于较高水平是因为样地煤矸石内污染物较高，样地植物群落演替时间短、等级低。

群落的物种多样性指数除与群落内种类数目，即丰富度有关外，还与种类中个体分配上的均匀性有关。故是反映种群多样性的一个重要指标。由表4可知，随着堆放年限增加，群落物种均匀度指数基本呈增加趋势。堆放年限为50～70a煤矸石废弃地植物群落均匀度指数为0.68，处于5个样地最低，同其他3个样地差异最大。经分析是由于样地处于当地居民畜牧活动频繁区，区内植物分布受人类和大型动物活动对物种个体分配影响较大。堆放年限＜10a煤矸石废弃地其均匀度指数为0.74，处于5个样地较低水平，是因为样地周边物种迁移时间较短，物种分布受周边环境影响极大，在样地内呈样地周边分布植物较多，中心分布植物较少的趋势，物种个体分布不均匀。

对花溪4个典型煤矸石堆场样方的α－多样性指数分析表明:随着煤矸石堆放年限增高，样地内植物群落物种多样性随之增高，群落演替等级也随着增加。但是人类和大型动物对煤矸石废弃地影响较大，会导致植物群落的Simpson生态优势度指数和Pielous均匀度指数产生明显变化，故人类和大型动物的活动会对煤矸石废弃地的生态群落产生较大影响。

4 结论

4.1 煤矸石废弃地植物群落的组成

花溪煤矸石废弃地植物群落共有17个物种，属15科17属。植物分类有乔木、灌木、草本植物、蕨类植物和苔藓植物，组成较复杂。优势物种为油茶、青冈、马尾松、光皮桦、狗牙根、类芦、小蓬草和毛果金星蕨，并形成了以优势物种为主的先锋植物演替群落，在煤矸石废弃地植物群落演替过程中起着重要作用。在人工植被修复煤矸石废弃地污染的过程中，可以采用上述优势物种，能缩短群落演替周期，且可建立稳定植物群落。

4.2 植物群落演替过程物种变化分析

花溪麦坪煤矸石废弃地植物群落随着煤矸石堆放年限的增加而复杂。4个样地物种数量随着煤矸石堆放年限的增加而增加，由9种增至17种。各类植物数量基本随着煤矸石堆放年限的增加而增加，样地内物种增加速度最快的为草本植物;煤矸石废弃地植物群落内，随着煤矸石堆放年限的增加，群落内优势物种基本均为马尾松、光皮桦、小蓬草、类芦、狗牙根和毛果金星蕨，以上为花溪麦坪煤矸石废弃地植物群落演替过程中的先锋物种，也是人工植被修复的重要参考物种。

4.3 植物群落物种多样性变化

4个样地植物群落物种多样性随着煤矸石堆放年限增高基本呈增高趋势。但是人类和大型动物的活动会导致植物群落的Simpson生态优势度指数和Pielous均匀度指数产生明显变化，故会对煤矸石废弃地的生态群落的多样性产生较大影响。在煤矸石植被修复过程中，要减少人类活动的不利影响。

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