神东矿区不同治理年限樟子松群落特征分析

曹雪峰，行仙峰，徐 佳，韩 帅，李 骁

(黄河水利委员会 黄河上中游管理局，陕西 西安 710021)

神东矿区地处毛乌素沙地东部，是国家规划的13个大型煤炭基地之一，也是我国首个年产亿吨的煤炭生产基地和重要的优质动力煤出口基地。矿区水资源贫乏，地表为黄土、流动沙丘、半固定沙丘所覆盖，生态环境十分脆弱，面临超大规模的开采与极脆弱生态环境保护的矛盾。神东矿区积极响应国家水土保持生态文明建设的号召，不断创新生产方式，探索生态治理与环境保护的新理念，走出了一条资源保护性开采与生态治理相协调的绿色矿业之路。为评价矿区植被恢复治理成效，选取矿区典型乔木植物群落——樟子松群落，从群落物种组成、指标特征、物种多样性和群落结构等方面，分析群落随治理年限增加而呈现出的发展变化趋势，旨在为更好地进行生态治理提供参考。

樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)，松科松属植物，常绿乔木，为喜光性强、深根性树种，能适应土壤水分较少的山脊及向阳山坡，以及较干旱的砂地及石砾砂土地区。在神东矿区，樟子松主要分布于大柳塔矿、哈拉沟矿、石圪台矿、上湾矿、补连塔矿、寸草塔二矿、锦界矿和榆家梁矿。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

神东矿区位于毛乌素沙漠南缘与黄土高原北缘的过渡地带，区内大部分为典型的风成沙丘及沙滩地地貌，地表支离破碎，水土流失十分严重，侵蚀类型包括水力侵蚀、风力侵蚀和重力侵蚀。矿区属温带半干旱大陆性季风气候区，土壤主要有风沙土、黄土性土、红土性土、淤土、沼泽土、栗钙土、黑垆土等，主要植被类型为干草原、落叶阔叶灌丛和沙生植被。

1.2 研究方法

1.2.1 群落调查

在研究区内选择不同地段，采用样地调查方法，按不同立地条件(包括各种地貌类型、海拔、坡度、坡向、坡位等)设置样地(样地分布见图1)。样地要具有一定的代表性，样地大小为10 m×10 m。在样地内进行植物群落调查。

图1 樟子松群落调查样地分布

记录样地所处的地貌类型、海拔、坡度、坡向、坡位等立地条件概况。

调查样地群落的生长型、总盖度，记载样地内的植物种名和种类数以及每一种的个体数，并对群落水平结构、垂直结构特征进行描述。

记载样地内植物种类的多度；测量样地内各种植物的平均高度，以及乔木的平均胸径、平均冠幅和灌木的平均地径等生长因子。

1.2.2 群落分析

通过群落物种组成、指标特征、物种多样性和群落结构来进行樟子松群落分析。群落物种组成通过群落生长型构成和重要值来体现；群落指标特征通过物种丰富度(即样地内物种数量)、物种个体总数、群落总盖度及优势种来反映；物种多样性采用Margalef物种丰富度指数、Simpson指数、Shannon-Wiener指数、种间相遇率和Pielou群落均匀度等指标来分析；群落结构通过植物群落水平结构和垂直结构来反映。按照5、10、15 a三个治理年限，对樟子松群落进行分析评价。其中，物种多样性计算公式为

F=(S-1)/lnN

(1)

D=1-∑Pi2

(2)

H′=-∑PilnPi

(3)

PIE=∑(Ni/N)(N-Ni)/(N-1)

(4)

R=-∑PilnPi/lnS

(5)

上五式中：F为Margalef物种丰富度指数；S为样地内物种数量；N为样地内物种个体总数；Ni为第i种物种的个体总数；Pi=Ni/N；D为Simpson指数；H′为Shannon-Wiener指数；PIE为种间相遇率；R为Pielou群落均匀度。

2 结果与分析

2.1 不同治理年限樟子松群落物种组成分析

由图2可知，研究区樟子松群落植物生长型的优势物种是一年生草本植物，占比为42%～53%，而大灌木总体占比较低，其极大值为13%，出现在治理年限为15 a的群落中。从治理5 a到治理15 a，乔木占比逐年减少；大灌木占比持续增加；小灌木和一年生草本植物占比整体呈现先减少后增加趋势，但在治理5 a时占比最高；而多年生草本植物占比先增加后减少，在治理15 a时占比最低。

图2 不同治理年限樟子松群落生长型构成

研究区植物生长型构成以一年生和多年生草本为主，这些植物的生活史相对较短，但对该区生态环境具有较高的耐受力[1]。而乔木在治理初期可能对环境适应性较弱，甚至出现部分死亡现象，在5～10 a时比例明显降低；到治理10 a以后，乔木对环境有了较高的适应能力，比例逐渐稳定。大灌木随着治理年限的增加占比呈增加趋势，而小灌木占比先减少后又增加。

由表1可知，研究区樟子松群落主要的广布种为针茅(Stipacapillata)、黑沙蒿(Artemisiaordosica)、稗(Echinochloacrusgalli)、狗尾草(Setariaviridis)、牛筋草(Eleusineindica)、白茅(Imperatacylindrica)、赖草(Leymussecalinus)等一年生和多年生草本，尤其在治理5 a和治理10 a时表现明显。但随着治理年限的增加，到治理15 a时，小灌木比例增加，如兴安胡枝子(Lespedezadavurica)，表现出较高的重要值。

表1 不同治理年限下樟子松群落物种重要值排名(取前10名)

2.2 不同治理年限樟子松群落指标特征分析

表2反映了不同治理年限樟子松群落的指标特征。从表2可以看出：治理年限为5和10 a的樟子松群落物种丰富度变化不大，而治理年限为15 a的樟子松群落物种丰富度有所增加；樟子松群落物种个体总数随治理年限增加明显呈现递增的趋势，群落物种个体总数在5～10 a显著增加，而到10～15 a增加缓慢；治理年限为10 a的樟子松群落总盖度最大，为75%～80%，治理年限为15 a的樟子松群落总盖度略微降低，而治理年限为5 a的樟子松群落总盖度最低。这表明随着治理年限的增加，樟子松树高、胸径和冠幅都在增长，群落物种个体总数也在增加，群落总盖度相应提高，但随着樟子松树高和冠幅的明显增长，林下越来越荫蔽，加上树冠对降雨的拦截作用，影响了林下灌草的生长，特别是对草本植物影响较大，喜阳植物逐渐减少，喜阴植物开始增加，而由于喜阴植物初期个体较小、数量较少，总体上使草本植物长势减弱，因此群落总盖度略微降低。

治理年限为5 a的樟子松群落形成以樟子松为单一优势种或以樟子松和草本为优势种的乔木林，而治理年限为10和15 a的樟子松群落开始形成以樟子松加灌木或半灌木和草本为优势种的乔木林，群落结构中明显出现了灌木或半灌木，表明群落结构还未达到稳定阶段。另外，同一治理年限的樟子松群落物种丰富度、物种个体总数、多度及群落总盖度也存在不同程度的差异，这可能与生境条件有着直接的关系。

表2 不同治理年限樟子松群落指标特征

2.3 不同治理年限樟子松群落物种多样性分析

群落物种多样性是群落重要的特征之一，也是群落生态学的重要研究内容，它不仅反映了群落中物种的丰富度和分布的均匀性，也在一定程度上反映了群落组成结构的复杂性和稳定性。通常情况下，植物群落的物种组成结构会直接影响到物种多样性的表征。一方面，群落内物种越丰富，群落多样性值越大；另一方面，群落内有机体分配越均匀，则物种均匀度越高，群落多样性值也越大[2]。

表3反映了不同治理年限樟子松群落物种多样性的变化情况。由表3可以看出，Margalef物种丰富度指数、Simpson指数、Shannon-Wiener指数、种间相遇率和Pielou群落均匀度在治理年限为5、10和15 a时呈现先减后增的趋势，而且除Pielou群落均匀度外，其他指数值在治理年限为15 a时最大，10 a时最小。这可能是由于治理5～10 a过程中群落内某几种植物个体数显著增加，导致群落均匀度明显下降，因而指数值降低。但10～15 a过程中群落物种个体总数增加缓慢，群落内有机体分配越来越均匀，群落物种组成越来越丰富，群落物种多样性提高。

从表3还可以看出，Margalef物种丰富度指数的变化范围是1.378 7～2.011 0，平均值为1.657 9；Simpson指数的变化范围是0.320 1～0.872 8，平均值为0.652 2；Shannon-Wiener指数的变化范围是0.833 8～2.262 3，平均值为1.560 3；种间相遇率的变化范围是0.320 2～0.874 2，平均值为0.653 3，与Simpson指数大小极为接近；Pielou群落均匀度变化范围是0.335 5～0.864 8，平均值为0.626 9。其中，Shannon-Wiener指数的极值差值最大，为1.428 5；Pielou群落均匀度的极值差值最小，为0.529 3。可见总体上来说，不同治理年限樟子松群落的复杂程度相差较大，而群落的均匀度却差异相对较小。

表3 不同治理年限樟子松群落物种多样性

2.4 不同治理年限樟子松群落结构分析

群落结构是植物群落的基本属性[3]，也是生物多样性研究中至关重要的方面[4]。群落的水平结构是群落在水平空间上的分化或水平格局，或称之为群落的二维结构[5-6]。治理年限为5 a的樟子松群落物种丰富度相对稳定，群落内各物种分布比较均匀；到10 a时，群落物种丰富度有所增长，部分物种的个体数显著增加，群落均匀度有所下降，群落在水平空间上开始分化；再到15 a时，群落内各物种的个体数继续增加，群落内物种在水平空间上明显呈团块状或集群状分布，镶嵌性明显。

群落的垂直结构是群落中植物在垂直空间上的排列和组织，反映出其对自然条件尤其是对光、温度和湿度的适应，是群落的成层现象[7-8]。治理年限为5 a的樟子松群落垂直结构层次明显而简单，常分为乔木层和草本层两个层片，草本层主要物种有黑沙蒿、针茅、地梢瓜(Cynanchumthesioides)、白草(Pennisetumflaccidum)、狗尾草、地锦草(Euphorbiahumifusa)等。治理年限为10 a的樟子松群落开始出现灌木或半灌木，形成灌木层，主要物种有兴安胡枝子、杨柴(Corethrodendronfruticosumvar.mongolicum)、紫穗槐(Amorphafruticosa)等。到治理15 a时，由于建群种樟子松树高、冠幅明显增长，枝叶密实，群落内部小环境改变，湿度增大，温差减小，因而出现了小面积地被层。

3 结 论

(1)不同治理年限的樟子松群落物种种类数变化不大，而物种个体总数随治理年限增加明显呈递增趋势，群落总盖度随治理年限增加先升高而后又降低。

(2)不同治理年限的樟子松群落物种多样性整体上随治理年限增加呈现先减后增的趋势，表明群落丰富程度和复杂性先降低后上升。另外，不同治理年限的樟子松群落复杂程度相差较大，而群落的均匀度差异相对较小。

(3)不同治理年限的樟子松群落在水平结构上由分布比较均匀逐渐开始分化，最后呈团块状或集群状分布，在垂直结构上由简单的乔木层和草本层两个层片到开始出现灌木层，甚至出现小面积的地被层。

4 讨 论

樟子松群落适应在神东矿区生长，随治理年限增加群落表现出总体向好的发展趋势，后期基本无需人为干预，有较好的水土保持效益，宜在矿区推广种植。在治理年限为5～15 a的樟子松群落中，治理年限为10 a的樟子松群落水土保持效益最好；超过10 a，为了达到更好的水土保持效益，可人为少量补植补种其他灌木或草本植物，以提高群落植被总盖度。