四川盆地西北部磷矿废弃采石场自然演替初期植被特征

尤继勇，吴雨峰，张小平，康钉荣，杨育林，陈涤非，张 好，李佳泳

(1.四川省林业科学研究院，四川 成都 610081, 2.石棉县林业局，四川 石棉 625400)

四川盆地西北部磷矿废弃采石场自然演替初期植被特征

尤继勇1，吴雨峰1，张小平1，康钉荣2，杨育林1，陈涤非1，张 好1，李佳泳1

(1.四川省林业科学研究院，四川 成都 610081, 2.石棉县林业局，四川 石棉 625400)

通过实地调查的方法，调查了四川盆地西北部磷矿废弃采石场的植被组成和自然演替情况。结果表明：该地自然定居植物共46种，隶属于20科37属，以菊科(12种)、禾本科(9种)最多。废弃地的初期演替状态可以总结为：裸地→草丛→草灌丛→灌丛，在演替早期(<10 a)，植被主要物种多为以禾本科和菊科植物为主体的先锋植物群落，演替中期(10 a～20 a)的植物群落构成则较为稳定的草本灌木优势群落，而到了演替后期(20 a～30 a)，植物群落则形成了大量的灌丛。随着演替过程的进行，植物的多样性总体呈现逐渐增长的趋势，草本植物多样性相对稳定，而木本植物多样性呈现显著增加的趋势。本研究发现磷矿废弃地自然演替过程和植物多样性变化与其他矿种废弃地的植被演替是类似的，说明不同矿种废弃地的初期植被演替过程是大体一致的。

废弃采石场；群落特征；自然演替；多样性

随着四川社会经济的快速发展，矿山资源的开发程度也日益增大。矿山资源的开采不可避免地对植被和生态产生破坏，形成了大量矿山废弃地，由此带来了植被受损严重、大量土壤流失、自然景观破坏等[1～3]一系列的环境问题，严重威胁着社会经济的可持续发展。矿山废弃地的生态恢复已成为当前环境科学的重点研究之一，目前已有大量研究主要集中于废弃地的土壤修复、植被筛选、植被配置模式、植物群落类型、物种多样性变化特征[4～7]等方面，而针对矿山废弃地自然恢复演替特征的研究相对较少。采石场是数量较多的一类矿山, 其对自然生态系统造成无法估量的损伤, 特别是造成土壤侵蚀和植被破坏[8]。本研究针对四川盆地西北部现存的主要磷矿废弃采石场，开展自然恢复调查研究，旨在为磷矿废弃地科学合理地进行植被选择和恢复提供参考依据。

1 研究区概况

研究区主要位于四川盆地西北部，主要包括了彭州、什邡、绵竹、北川和安县等市县。区内海拔分布在500 m～2 400 m，地貌以盆地和低山丘陵为主。该区属北亚热带山地湿润季风气候区，全年平均气温为13℃～18℃，平均日照时数 1 000 h～1 300 h，≥0℃的活动积温为 5 500℃～6 000℃，四季分明，雨量充沛，多年平均降雨量为800 mm～1 400 mm。地带性土壤以山地黄壤为主，植被类型主要为温带针阔叶混交林，常见树种有马尾松、杉木、桤木、臭椿等。目前研究区内分布着大量的磷矿，经过长期的开山采石，形成了大量的废弃采石场。这不仅给区内自然风光带来了不利的影响，同时也存在着滑坡、崩塌等地质灾害隐患。

2 研究方法

2.1 样地设置

调查采用典型抽样法进行，共设置16个20 m×20 m样地。在每个样地的四角和中心分别设置5个5 m×5 m的灌木样方调查灌木，同时在每个灌木样方中各设置1个1 m×1 m的草本样方，分别调查乔木的种类、数量、株高、胸径、冠幅、枝下高，灌木或草本的种类、数量、株高或平均高、盖度，群落垂直结构和各层生长状况，5个点取平均值作为该样地对应的取值，并详细记录海拔、坡度、坡向等地形因子。根据废弃年限的差异，废弃地年限分为<5 a，5 a～10 a，10 a～20 a，20 a～30 a 4个阶段(见表1)。

表1废弃地基本信息

Tab. 1 Information of wasteland

2.2 分析方法

物种多样性指数用Shannorr-Weine指数，物种分布均匀度用Pielou指数[9～11]，计算公式如下:

(1)多样性指数D：

(2)均匀度指数E：

式子中，S为样方面积群落中植物种数；Ni为群落中第i种植物的个体数或盖度。

3 结果与分析

3.1 废弃地主要植被组成

磷矿废弃地现有植被隶属于20科37属46种。其中草本植物为29种，占总种数的63%；其次为灌木12种，占总种数的26.1%；而乔木树种为5种，仅占10.9%。各科中，以菊科(12种)和禾本科(9种)植物居多，分别占总种数的26.1%，19.6%，其次是豆科(4种)、蔷薇科植物(3种)、桑科(2种)和漆树科植物(均2种)，而其余科植物均为单种(见表2)。从调查结果可见禾本科和菊科植物是废弃地早期定居的主要植物，也是各样地中的优势植物和先锋植物，它们属于较耐贫瘠的植物种类，适应性极强，说明这两科植物在煤矿废弃地植被恢复过程中扮演重要角色，这与杨礼攀等人[12]的研究有共同之处。

表2废弃地自然植被类型

Tab. 2 Vegetation types of wasteland

3.2 废弃地群落特征研究

不同样地的植被群落特征见表3。废弃时间<5 a的样地，发现植物6种～9种，全部为草本植物，以青蒿+飞蓬+芒+三芒草+岩蕨的植物群落为主体，偶见灌木如马桑、荆条、四照花等，几乎没有乔木出现，这一阶段植被群落结构相对单一，主要以禾本科和菊科草本植物这类先锋植被为主；废弃时间5 a～10 a的样地发现植物11种～19种，其中草本植物为8种～14种，木本植物为3种～5种，植被主要是青蒿+飞蓬+芒+三芒草+岩蕨+狗尾草+悬钩子的优势群落，灌木树种为马桑、荆条、水麻、四照花等，不占优势；废弃时间10 a～20 a年的样地，木本植物明显增多，植物种类共20种～30种，其中草本种数15种～21种，木本种数5种～9种，草本群落主要为青蒿+飞蓬+芒+三芒草+狗尾草+悬钩子，这一阶段形成了马桑+水麻+荆条为主的优势灌丛群落，可见年限超过10 a的废弃地可以逐步形成相对稳定的灌草群；废弃时间为20 a～30 a的样地，发现植物31种～38种，其中草本植物24种～28种，木本植物7种～10种，以青蒿+飞蓬+芒+三芒草 + 狗尾草 + 悬钩子为主体的草本，与马桑 + 构树 + 荆条 + 四照花 + 领春木组成的优势灌丛，共同构成了稳定的灌草丛，这一阶段乔木呈零星出现，主要是野胡桃、野漆和臭椿，年龄多为8 a～10 a，长势一般。根据调查结果，磷矿废弃地的初期演替趋势可以总结为：裸地→草丛→灌草丛→灌丛。廖富林[13]、彭东海[14]、储玲[15]等分别在煤矿、金矿和铜矿废弃地中也发现了类似的演替过程，这说明不同矿种废弃地的自然恢复过程具有相同之处，均呈现由草丛向灌草的演替趋势。

表3不同样地植被群落特征

Tab. 3 Vegetation features in different plots

3.3 废弃地植被多样性研究

物种多样性可以定量地表征植物群落和生态系统的特征，可直接或者间接的体现群落和生态系统的结构类型、组织水平、发展阶段、稳定程度、生境差异等[16]。各样地植物群落的多样性指标见表4。从调查结果可见：不管是多样性指数还是均匀度指数，都是草本层>灌木层，尤其多样性指数两者差异显著，这说明废弃地自然恢复过程中，草本层的恢复能力明显优于灌木层，陈璟[17]在研究中得到了相似的结果。这主要是由于废弃地立地条件比较差，对灌木来说影响比较明显，而草本层(如蕨类、禾本科)对立地因子相对不是很敏感。

从不同废弃年限的植被多样性变化来看，植被多样性总体呈现增长的趋势，这与陈芳清等人[18]的研究结果是相同的，而植被均匀度总体变化不大。废弃时间<5 a的样地，地表仍然以碎石为主，缺乏植物所需的营养条件，主要生长耐贫瘠的草本植物，其多样性指数和均匀度指数分别为1.782和0.861，而灌木多样性与均匀度指数均为0；而废弃年限5 a～10 a的样地，植被仍然以草本植物为主，多样性指数和均匀度指数达到2.158和0.768，这一阶段灌木植物开始出现，种类较少，灌木多样性指数和均匀度指数为1.343和0.715；废弃年限10 a～20 a的样地，草本植物和灌木植物均有不同程度的增长，草本多样性指数和均匀度指数分别为2.423和0.831，而灌木多样性指数和均匀度指数分别为1.535和0.794，可见年限超过10 a的废弃地群落灌木恢复情况良好；废弃年限20 a～30 a的样地，草本植物的多样性指数和均匀度指数分别为2.514和0.847，而灌木的多样性指数和均匀度指数分别增加到1.881和0.813，多样性指数达到最大值，这主要是由于土壤持水持肥能力逐步增强，木本植物快速增加，从而形成复杂群落。

表4不同样地植被丰富度与多样性指数

Tab. 4 Diversity and evenness indices in different wasteland plots

废弃年限(a)多样性指数D均匀度指数E灌木草本群落灌木草本群落0～501.7821.78200.8610.8615～101.3432.1582.5260.7150.7680.73610～201.5352.4232.8550.7940.8310.82220～301.8812.5143.1670.8130.8470.826

4 讨论

(1)根据本研究结果，磷矿废弃地的初期自然演替状态可以总结为：裸地→草丛→灌草丛→灌丛。在演替早期(<10 a)，植被主要物种多为以禾本科和菊科植物为主体的先锋草本群落，演替中期(10 a～20 a)的植物群落构成则为较稳定的灌草丛群落，而到了演替后期(20 a～30 a)，废弃地形成了大量的灌丛，这一演替过程与其他金属矿废弃地演替过程是相似的。

(2)研究结果表明废弃地植被的多样性总体呈现逐渐增长的趋势，且草本植物多样性在不同演替阶段往往高于灌木多样性。草本植物的多样性在不同演替阶段呈现比较稳定的状态，而木本植物多样性则呈现明显增加的趋势。研究中发现废弃年限超过10 a的废弃地群落灌木恢复情况良好，可以逐步形成相对稳定的灌草群。

(3)本研究显示木本植物恢复周期较长，且长势一般，不容易形成优势种。目前大量学者[19～21]的研究结果表明：人为恢复可在一定程度上改变生态系统演替的方向和速度, 并可缩短其恢复周期。因此，要促进废弃地上植被的恢复与重建，最重要的是对废弃地进行及时的人工治理，本研究可为废弃地的植物选择提供一定的参考依据。

(4)植被的自然恢复是一个长时间的演替过程，本研究主要针对废弃年限不超过30 a的废弃地开展初期植被特征与自然演替研究，而关于废弃地植被自然演替的中后期特征则还需对废弃年限更久的废弃地开展进一步研究。

[1] 李红月. 矿区水土流失特征及生态修复[J]. 水土保持应用技术, 2006(5):20～22.

[2] TAMAR M. Environmental aspects of rehabilitating abandoned quarries：Israel as a case study[J]. Landscape and Urban Planning, 2008, 87(3):172～179．

[3] LU Y, LIU X Y, LU B Y, et al. Study on ecological reclamation of the deserted quarries in JiangyinMunicipality[J]. Journal of Southwest Forestry University, 2010, 30(4):16～20．

[4] 赵默涵. 矿山废弃地土壤基质改良研究[J]. 农业基础科学, 2008, 24(12)：128～131.

[5] 李莹．矿业废弃地景观修复与营造研究[D]. 长春: 东北林业大学, 2011．

[6] 李道亮，王莹．煤矿废弃地植物恢复品种选择模型研究[J]. 系统工程理论与实践, 2005(8): 140～144.

[7] 孙翠玲，顾万春．矿区及废弃矿造林绿化工程[J]. 世界林业研究, 1995(2): 30～35.

[8] 沈刚, 李香梅, 赵艳. 矿山植被恢复演替研究进展[J]. 现代矿业, 2010, 10(10): 70～73.

[9] 马克平. 生物群落多样性的测度方法: iv. α多样性的测度方法(上)[J]. 生物多样性, 1994, 2(3): 162～168.

[10] 马克平,刘玉明. 生物群落多样性的测度方法: iv. α多样性的测度方法(下)[J]. 生物多样性, 1994, 2(4): 231～239.

[11] 张金屯. 数量生态学[M].北京: 科学出版社, 2004: 86～94.

[12] 杨礼攀, 王宝荣, 杨树华. 抚仙湖流域区磷矿开采废弃地植物群落演替的研究[J]. 西部林业科学, 2004, 33(1): 94～100.

[13] 廖富林, 杨期和, 颜幼平, 等. 广东梅州明山煤矿废弃地的自然定居植物[J]. 华南农业大学学报. 2006, 27(2): 65～69.

[14] 彭东海, 侯晓龙, 何宗明, 等. 金尾矿废弃地不同植被恢复阶段物种多样性与土壤特性的演变[J]. 水土保持学报, 2016, 30(1): 159～164.

[15] 储玲, 王友保, 刘登义. 安徽铜陵五公里铜尾矿废弃地的植被调查[J]. 生物学杂志, 2003, 20(1): 14～19.

[16] 张丽霞, 张峰, 上官铁梁.芦芽山植物群落的多样性研究[J].生物多样性, 2000, 8(4):361～369.

[17] 陈璟.废弃采石场植被自然恢复初期物种多样性的研究[J].中国农学通报,2009, 25(6):210 ～214.

[18] 陈芳清, 卢斌, 王详荣. 樟村坪磷矿废弃地植物群落形成与演替[J]. 生态学报, 2001, 21(8): 1347～1351.

[19] 章家恩, 徐琪.恢复生态学研究的一些基本问题探讨[J].应用生态学报, 1999,10(1):109～113.

[20] 李玉臣, 吉日格拉.矿区废弃地的生态恢复研究[J].生态学报, 1995, 15(3):339～343.

[21] 庄凯. 福建不同类型矿山废弃地植被的恢复与重建研究[D]. 福州: 福建农林大学, 2009.

AStudyofEarlyVegetationFeaturesandNaturalSuccessionofPhosphateWastedQuarryinNorthwestoftheSichuanBasin

YOU Ji-yong WU Yu-feng ZHANG Xiao-ping KANG Ding-rong YANG Yu-Lin CHEN Di-fei ZHANG Hao LI Jia-yong

(1.Sichuan Academy of Forestry, Chengdu 610081,China; 2. Forestry bureau of Shimian, Shimian 625400，China)

In this study, vegetation types and natural succession of phosphate wasted quarry in northwest of the Sichuan Basin were researched by field investigation. The result showed that there were 46 species living in wasteland, belonging to 20 families and 37 genera, Asteraceae (12 species) and Gramineae(9 species) plants were the most. Natural succession of phosphate wasted quarry could be summarized in four stages: bareland→ grassland →brush and grass land →brushland. In early period of succession (waste time was below 10 years), Gramineae and Asteraceae plants were main vegetation comnnities in wasteland, which played an important role as pioneers.Stable grass and brush communities were found in the middle period of succession (waste time from 10 to 20 years) and a large number of brushes were formed in the late period of succession(waste time from 20 to 30 years). Diversity of vegetation in wasteland was increasing with the process of succession, diversity of grass vegetation was relatively stable during the period of succession and brush vegetation had a significant increment. It was also found that there was a similar trend between natural succession of phosphate wasted quarry and other kinds of wasteland, which proved that early natural succession were homologous in different kinds of wasteland.

Wasted quarry,Community feature,Nnatural succession,Diversity

2017-09-11

四川省公益性科研院所基本科研项目JB2017-07。

尤继勇(1977-)，男，学士，高级工程师，主要从事林业科研和林业规划调查设计等工作，E-mail:youjiyong@126.com。

10.16779/j.cnki.1003-5508.2017.06.021

S718.54

A

1003-5508(2017)06-0084-05