黄土区场刺槐×油松复垦地物种演替规律分析

王怀泉，潘子关，赵中秋,2，白中科,2

(1.中国地质大学(北京) 土地科学技术学院，北京 100083；2.国土资源部 土地整治重点实验室, 北京 100035)

复垦是指对生产建设活动和自然灾害损毁的土地采取整治措施，使其达到可供利用状态的活动。通过复垦活动，可以重建植被群落，甚至恢复原地貌植被群落，改善生态环境。近几十年来，土地复垦与生态恢复技术取得了重要进展，矿区土地复垦与生态恢复工作失败或未达到理想的复垦效果的情况却时有发生[1]，主要因为仍有大量的科学问题尚不清楚，包括对恢复生态系统的内在机制了解甚少[2]。因此，长期深入研究和了解复垦生态系统的演变规律、驱动机制及其环境效应，可为矿区土地复垦与生态恢复提供科学数据和理论支持，促进复垦植被向稳定、持续更新的生态系统演变[3～5]。目前我国对黄土区露天煤矿复垦地植被的研究有郭逍宇、许建伟等[6～8]对安太堡露天矿复垦地植物多样性和物种数量进行的研究和王改玲等[9]对安太堡露天矿排土场刺槐生长状况进行的研究等。

本文通过对比复垦初期植被群落和复垦17年后植被群落的生长状况，对刺槐×油松复垦地植被的种群结构特征、物种的重要值和乔木空间分布格局进行分析，为以后的复垦活动和复垦树种选择提供借鉴。

1 研究区概况和样地概况

1.1 研究区概况

研究区位于山西省朔州市大宁煤田中段，地理坐标为东经112°10′13.4″～112°30′48.6″，北纬39°23′32.6″～39°37′52.1″。研究区地带性土壤为栗钙土和栗褐土的过渡带，该土壤物理风化比较强烈，土壤质地偏砂，地表植被稀疏、沟壑纵深、水土流失十分严重。研究区属典型的北温带半干旱大陆性季风气候，夏秋降水集中、温冷少风，冬季干旱少雨、寒冷、多风。矿区年降水量为428.2～449.0 mm，降水集中分布在7～9月，全年的平均气温为4.8～7.8℃，≥10℃的年积温总量为2200～2500℃，全年日温差范围为18～25℃，年温差最高可达61.8℃，无霜期大约为115～130 d。研究区多西北风，全年平均风速为2.3～4.7 m·s-1，8级以上大风年平均为35 d。

1.2 样地概况

样地位于安太堡露天矿区南排土场复垦地，海拔1337.15～1367.05 m，地理坐标为东经112°20′10.9″～112°20′16.1″，北纬39°27′37.4″～39°27′41.6″，样地坡向为南偏西65°，坡度为3°～23°，面积0.8 hm2，其中长100 m，宽80 m。样地土壤为轻壤土，复垦初期栽种的刺槐均为一年生幼苗，高均为30 cm，复垦模式为刺槐×油松，种植模式为刺槐|油松隔行间种，行距为2 m，刺槐株距为1 m，油松株距为5 m。复垦初期共种植乔木植株1796株，其中刺槐1600株，油松196株，种植密度为2245株·hm-2。样地的复垦时间为1993年，样地地形和种植方式如图1所示。

图1 样地地形与种植模式Fig.1 Sample Terrain and Planting Mode

2 研究方法

2.1 调查方法

乔木调查采用样方法，在样地内用全站仪将其划分为80个10 m×10 m的乔木样方，样方内用插值法细分为4个5 m×5 m的小样方。乔木层调查内容包括：名称、高度、胸径、基径、冠幅、物候期、枝下高、植株个体在样地内的坐标信息等内容,同时调查并记录样地的地形条件如坡度、坡向和海拔高度等。

草本调查时，在上述划分的5 m×5 m的小样方内利用测绳等分出1个1 m×1 m样方。草本层调查内容包括草本植物种类(样方内高度小于30 cm的乔木和灌木幼苗归入草本)、多度(采用Drude七级制多度标准)、盖度、平均高度等。

2.2 乔木更新个体分类方法

样地内胸高直径(DBH)<7 cm的刺槐为刺槐更新个体，其中3 cm≤DBH<7 cm的个体为刺槐幼树；DBH<3 cm的个体为刺槐幼苗。样地内DBH<3 cm的油松为更新个体。样地中DBH≥7 cm的个体为榆树大树；3 cm≤DBH<7 cm的个体为榆树幼树；DBH<3 cm的个体为榆树幼苗。杨树数量较少，未进行分类。

2.3 植被物种重要值计算方法

本文采用的重要值计算公式为：

3 结果与分析

3.1 物种组成及数量特征分析

3.1.1 乔木物种组成及数量特征分析

复垦初期在样地内种植了刺槐和油松两种乔木物种，共计1796株，林分密度2245株·hm-2，其中刺槐1600株，油松196株。17年后样地共发现刺槐、油松、榆树和杨树4种乔木物种，共计1920株，林分密度为2400株·hm-2，其中刺槐1436株，油松188株，榆树278株，杨树18株。

复垦17年后，样地乔木总的存活率为41.09%。初期种植的刺槐存活553株，存活率为34.56%(不包括伐桩数量)，更新个体623株，更新个体占该种群数量的43.38%。其中幼苗和幼树占种群数量的比例分别为36.35%和7.03%。初期种植的油松存活185株，存活率为94.39%，更新幼树数量为3株，占种群数量的1.60%。除了复垦初期种植的刺槐和油松外，还有侵入物种榆树和杨树。调查发现，该样地侵入榆树278株，杨树18株，分别占乔木物种个体总数的14.48%和0.94%，其中侵入榆树幼苗、幼树和大树的数量分别为146株、30株和18株，占榆树种群的52.52%、10.79%和6.47%。据管理需要，对死去的树木进行伐桩，17年间刺槐的伐桩数量为260株，榆树的伐桩数量为84株。

表1 样地乔木物种数量变化

3.1.2 乔木径级结构分析

调查发现，样地中共有刺槐1436株，油松188株，DBH≥7 cm的刺槐和DBH≥3 cm的油松为初期种植存活个体。刺槐径级结构图(图2)中有两个径级高峰，两个高峰期为1 cm和10 cm。1 cm高峰说明样地中新生刺槐数目较多，径级结构在1～2 cm范围的刺槐个体占刺槐更新个体的76.61%，但胸径为3～6 cm范围的个体数目较少，仅占刺槐更新个体的23.39%。胸径径级在10 cm范围的刺槐个体数目占刺槐存活木个体数目的19.19%，存活个体数目自10 cm向两侧递减。存活木个体径级在7～15 cm范围内的个体数目占油松存活个体数目的94.55%，大于15 cm的存活木个体仅占刺槐存活个体的5.45%。样地内刺槐存活个体的平均胸径为10.88 cm，更新刺槐个体的平均胸径为2.03 cm，刺槐种群个体平均胸径为6.72 cm。

由图3可见，油松种群个体径级结构的径级高峰为7 cm，个体数目自7 cm向两侧递减。存活个体大多在5～10 cm的范围内，在该范围内油松个体数目占油松存活个体数目的86.96%。径级结构大于10 cm和小于5 cm的油松存活个数目体仅占存活总数的8.15%和4.89%。油松种群的平均胸径为7.50 cm。

图2 刺槐径级结构Fig.2 The DBH class structure of locust

图3 油松径级结构Fig.3 The DBH class structure of pine

3.1.3 草本物种组成及数量特征分析

在样地内共调查到草本植物55种，分别隶属于17科39属，其中最多的为菊科植物，其次为禾本科植物，分别占草本物种总数的33.33%和19.30%，豆科、苋科和萝藦科均为3种，其它12科所含种数共占样地草本层植物种数的29.09%。复垦17年后样地植物多样性丰富，对样地水土保持及土壤改良起到了积极作用。

3.2 植物物种重要值分析

3.2.1 乔木物种重要值分析

由表2可见，样地中复垦初期种植的刺槐和油松的物种重要值分别为0.49和0.20，侵入的榆树和杨树重要值分别为0.14和0.16。刺槐表现出明显的优势，为优势物种。与榆树相比，杨树个体数仅为18，但表现出了较高的重要值，因其有较高的相对优势度。复垦初期种植的物种均表现出明显的优势，后期侵入的榆树在群落内也表现出一定的优势，反映出样地植物正处在演替阶段。

表2样地乔木物种重要值计算结果

Table2 The important value of calculation results of tree species in sample land

物种名Species相对高度Relativeheight相对频度Relativefrequency相对优势度Relativedominance重要值Importantvalue刺槐0.220.460.800.49油松0.220.250.140.20榆树0.090.260.030.14杨树0.030.020.410.16

3.2.2 草本物种重要值分析

样地草本中菊科的重要值最高，为37.38，其次为禾本科，其重要值为13.33，两科物种重要值和为50.71，占样地草本全部物种重要值和的75.69%，因此，菊科和禾本科是样地草本层植物中的优势科。从物种重要值来分析，大籽蒿的重要值为22.65，占样地草本层全部物种重要值和的33.81%，大籽蒿相对盖度为64.64，占据了草本层的大量空间，能够充分利用太阳光进行光合作用，大籽蒿相对频度为0.22，是草本层物种相对频度的最大值，成为群落中的优势物种。

3.3 乔木空间分布格局变化分析

3.3.1 存活木空间分布格局分析

复垦初期，样地坡上50 m刺槐和油松间种，坡下30 m全部种植刺槐，油松存活个体均分布于坡上区域。调查发现(图4)，油松DBH<5 cm个体主要分布在样地西北部，表现出聚集性。5 cm≤DBH<10 cm个体在坡上呈随机分布，10 cm≤DBH<15 cm个体较少，主要分布在样地西南和西北部。刺槐存活个体随机分布于整个样地，表现出一定的均匀性。坡下30 m为刺槐纯林，此区域无DBH≥15 cm的个体分布，说明在此种植密度下，刺槐油松混交林比刺槐纯林更利于刺槐个体的生长。

图4 存活木空间分布图Fig.4 The survival tree spatial distribution map

3.3.2 主要更新物种个体空间分布格局分析

样地坡下初期只种植了刺槐，植物种群单一，郁闭度低，种间竞争压力小，刺槐更新个体和侵入的榆树主要分布在这一范围内。下层的更新群落分布明显较坡上密集，坡上的刺槐和油松较好地保持了初期种植时的原貌。

由图5可见，样地内刺槐更新个体中DBH<3 cm的个体大多集中东南部，坡下DBH<3 cm的更新个体数明显多于坡上。坡下两行刺槐之间无其他乔木与新生刺槐个体形成竞争关系，新生刺槐个体较多。3 cm≤DBH<7 cm的刺槐更新个体在样地内呈随机分布。样地内榆树种群空间分布格局与刺槐更新个体格局相似，榆树更新个体中DBH<3 cm的个体在样地的东南部坡下分布较密集，坡下DBH<3 cm的榆树个体数目高于坡上，在坡上和坡下榆树都为随机分布。3 cm≤DBH<7 cm的榆树更新个体在样地内呈随机分布。

图5 刺槐更新个体和榆树个体空间分布图Fig.5 The spatial distribution map of update locust individual and elms individual

4 结论

在复垦初期种植树木生长过程中，大量当地植物侵入样地，复垦样地中初期种植树种会与当地树种产生竞争关系。复垦样地中侵入树种以榆树、杨树为主。复垦物种群落结构会向当地物种群落结构演替。从1993年复垦初期到2010年，样地中复垦初期种植的刺槐成活率仅为34.56%，油松的成活率高达94.39%，在此复垦模式下刺槐成活率较低。复垦17年时，样地内刺槐存活个体的平均胸径为10.88 cm，油松存活个体平均胸径为7.50 cm。目前样地内刺槐的重要值为0.49、油松的重要值0.20、榆树的重要值为0.14、杨树的重要值为0.16。虽然刺槐更新个体较多，种内竞争等原因使得最初种植的刺槐成活率较低，但样地内刺槐重要值明显高于其他乔木物种，刺槐目前仍为该乔木群落的优势物种。后期侵入的物种也表现出一定的优势度，各物种的优势度还处在较大幅度的变化中，反映出该群落还处在演替阶段。刺槐和油松间种能够较好地保持复垦地原地貌，坡下刺槐纯林中刺槐更新个体较多且更易被其他树种侵入。

复垦17年时，样地内草本植物物种达到55种，其中菊科和禾本科植物重要值最高，从物种重要值来看，大籽蒿为优势物种，在样地内分布广泛。复垦地草本生长情况较好，对样地水土保持以及土壤改良起到一定的作用。

参 考 文 献

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