不同矿山修复模式植被多样性研究：以冷水江锡矿山为例

胡治远，刘 俊，田 宇，李燕子，李兰军，库文珍，赵运林，徐正刚,*

(1. 湖南城市学院 材料与化学工程学院，湖南 益阳 413000；2. 中南林业科技大学 湖南省环境资源植物开发与利用工程技术研究中心，长沙 410004；3. 西北农林科技大学 林学院，陕西 杨凌 712100；4. 湖南林科达农林技术服务有限公司，长沙 410004)

随着人们对生态环境的日益重视和美丽中国建设的持续推进，矿山修复被不断推进，并成为生态修复研究工作领域的热点.矿山修复不仅仅要关注土壤环境质量改善，更应该关注生态系统的功能修复.生物多样性恢复是矿山修复的重要内容，也是矿山修复的目标之一.物种多样性作为生物多样性的重要有机组成部分，是退化生态系统修复与重建的重要特性之一，以生物多样性为基础建立矿山修复工程的效果评价体系是矿山修复的重要保障[1].对特定区域下植物群落结构及其多样性的研究，将有助于认识退化生态系统修复过程中物种与环境因子及物种之间相互作用的关系和机理，对人工调控植被修复进程，提升生态修复效果具有重要作用[2].

冷水江锡矿山是我国锑储量最丰富、开采时间最长的锑矿山之一.在长期的开采过程中，受开采技术限制和开发理念的影响，形成了水土流失、土壤重金属污染、生物多样性锐减等系列问题[3].随着人们对生态环境质量的日益重视，矿山修复工程被不断推进.近年来，诸多矿山修复工程在锡矿山地区被实施，植物修复技术、植物-微生物联合修复技术等被广泛应用[4].上述工程在改善锡矿山环境污染的同时对当地植物群落结构造成了重大影响.不少专家和学者对锡矿山山地造林模式、造林技术和保育措施，以及优势种植物更新演替和生理生态方面开展了较为深入的研究[5-6].然而，经过人工植被群落构建后的植物多样性如何形成和维持，人工植被修复如何影响植物多样性，以及构建何种植被群落才有利于该区域多样性的保护等问题亟待探索.为此，本研究对比分析了锡矿山不同植物修复模式下植物群落的组成、结构和物种多样性，探讨了不同修复模式下植物多样性的形成与维持，以期为全国类似矿区植被生态保护和生态系统修复提供参考.

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于湖南省冷水江锡矿山.冷水江市地处湖南省中部丘陵区，雪峰山北段南麓，资江中游，东与涟源市、南与新邵县、西北与新化县接壤，地理位置为北纬27°30′49"～27°50′38"，东经111°18′57"～111°36′40"，最高海拔1 072 m，最低海拔162 m，地势高差910 m[7].该区属亚热带季风性湿润气候，年平均气温16.8 ℃，1 月平均气温4.9 ℃，7 月平均气温28.2 ℃，极端最高温度39.7 ℃，极端最低温度-10.9 ℃，年平均有效积温5 118.5 ℃，年平均无霜期279 d，年平均降水量为1 457.0 mm，年相对湿度为53.1%.冷水江市是湖南省重要的能源原材料基地，以盛产锑矿和原煤而闻名.锡矿山锑矿区距冷水江市13 km，矿区面积26 km2.锡矿山锑矿是世界上规模最大的锑矿床，锑储量达到2.11×106t，拥有百年的锑矿开采历史，具有“世界锑都”之称[8].由于百余年来的开采，锑矿区出现了一系列的矿山地质环境问题，如露天开采、地面塌陷、采选矿废弃物的堆存等对该地区的环境和植被造成了严重的破坏[9].

1.2 样地调查

在对锡矿山植被类型全面考察的基础上，选出 6 个具有代表性的群落：马尾松(Pinus massoniana) 群落(Ⅰ) 、 五节芒(Miscanthus floridulus)群落(Ⅱ)、红叶石楠(Photinia×fraseri Dress)群落(Ⅲ)、柏树(Platycladus orientalis)群落(Ⅳ)、盐肤木(Rhus chinensis)群落(Ⅴ)、醉鱼草(Buddleja lindleyana)群落(Ⅵ).各群落基本信息见表1.

表1 样地植被群落概况

采用标准方法，进行典型随机抽样调查.乔木样方大小设置为10 m×10 m，灌木样方大小为5 m×5 m，草本群落样方大小为1 m×1 m.在各样方中记录物种种类、盖度、数量、高度、乔木的胸径和冠幅等指标，同时记录样地经纬度、海拔、坡度、坡向、坡位、林冠郁闭度等环境特征.

1.3 植物群落物种多样性测度方法

计算出样方物种丰富度(S)、物种多样性指数(Shannon-Wiener 指数H′和Simpson 指数D)、均匀度指数(E)和单个物种的重要值[10]，其计算公式分别如下：

1)相对多度＝某物种的个体数／全部物种的个体数之和×100%.

2)相对频度＝某物种的频度／全部物种的频度之和×100%.

3)重要值=(相对多度+相对频度)/2.

4)物种丰富度S=样方中物种总数.

2 结果与分析

2.1 植物群落物种组成

通过对锡矿山6 个具有代表性的群落进行实地踏查并统计植物物种，发现锡矿山植物涉及34科57 属64 种.其中，乔木3 科4 属4 种，占比6.25%；灌木13 科18 属22 种，占比34.38%；草本18 科35 属38 种，占比59.38%.锡矿山植物主要以草本和灌木为主，数量比例超过3%的草本植物种类有野豌豆(Vicia sepium)、醉鱼草(B.Lindleyana)、狗牙根(Cynodon dactylon)、五节芒(M. floridulus)、结缕草(Zoysia japonica)、金丝草(Pogonatherum crinitum).乔木物种除了作为对照的马尾松群落有较多的马尾松(P. massoniana)，盐肤木群落偶见刺槐(Robinia pseudoacacia)、皂荚(Gleditsia sinensis)和泡桐(Paulownia fortune)外，其他群落几乎没有乔木出现.各群落灌木层出现的物种有灰白毛莓(Rubus tephrodes)、红叶石楠(Photinia×fraseri Dress)、盐肤木(Rhus chinensis)等，其中盐肤木占比达1.06%(见表2).

表2 锡矿山代表群落植被种类

表2(续)

2.2 群落物种组成结构

植被物种调查结果(见表3)显示，不同修复模式下植被物种的组成存在明显差异.与马尾松群落对比分析可知，盐肤木和柏树人工配置模式群落物种较多样化，其他修复模式植被组成较为简单.研究组调查到的马尾松群落植被种类16 科28 种，分别占总数的47.1%和43.8%；柏树群落植被种类12 科23 种，分别占总数的35.3%和35.9%；红叶石楠群落植被种类5 科8 种，分别占总数的14.7%和12.5%；盐肤木群落植被种类15 科21 种，分别占总数的44.1%和32.8%；五节芒群落植被种类7 科7 种，分别占总数的20.6%和10.9%；醉鱼草群落植被种类10 科14 种，分别占总数的29.4%和21.9%.各样地群落物种丰富度大小顺序为：马尾松群落A(28 种)＞柏树群落B(23 种)＞盐肤木群落D(21 种)＞醉鱼草群路F(14种)＞红叶石楠群落C(8 种)＞五节芒群落E(7 种).

由表3 还可以看出，各样地群落中乔木层物种仅A、D、E 3 个群落有乔木出现，且重要值很低，这说明乔木尚未大面积进入锡矿山自然演替的群落中来.在灌木层物种组成中，马尾松群落灌木物种数11 种，其中盐肤木、枹栎、灰白毛莓较多；柏树是柏树群落灌木层的优势种，重要值为7.69；红叶石楠群落灌木层以红叶石楠为建群种，重要值为18.13；盐肤木群落灌木层以盐肤木为主要优势种或建群种，重要值为16.01；五节芒和醉鱼草群落灌木层中的物种仅偶见少数的盐肤木、柏树、构树、棕榈，且重要值都很小.在草本层物种组成中，红叶石楠群落和五节芒群落与其他群落相比较，差异明显，其物种丰富度显著偏低.单从植物角度分析，禾本科植物中的金丝草、五节芒、狗牙根、荩草和菊科植物中的青蒿重要值都较大，为主要的优势植物.

表3 不同植被群落物种组成及其重要值

由此可知，各群落的乔灌草植被按其重要值大小组成的结构为：1)马尾松群落，马尾松+盐肤木+金丝草；2)柏树群落，柏树+结缕草+狗牙根；3)红叶石楠群落，红叶石楠+五节芒+荩草+狗牙根；4)盐肤木群落，盐肤木+苎麻+五节芒；5)五节芒群落，五节芒；6)醉鱼草群落，结缕草+醉鱼草+狗牙根.

表3(续)

2.3 不同群落植被类型物种多样性分析

物种多样性研究结果(见表4)表明，不同群落类型的物种多样性存在明显差异.各植被修复群落类型中，作为对照的马尾松群落除了乔木层的多样性指数低于盐肤木群落外，灌木层和草本层的多样性指数均为最高.

表4 不同群落类型的物种多样性指数

其他群落类型中的多样性指数和均匀度指数均以盐肤木群落样地为最高：其灌木和草本层的Shannon-wiener 指数分别为0.57 和2.15；Simpson指数分别为0.24 和0.87；Pielou 指数分别为0.35和0.90.这说明盐肤木群落以盐肤木+苎麻+五节芒的人工配置修复模式较其他模式更有利于提高植物群落物种多样性.

3 讨论与结论

3.1 讨论

生物多样性是维持生态系统稳定的基础.物种多样性的丧失将损害生态系统的结构、功能和过程，而提高物种多样性则有利于生态系统的平衡和发展[11].植物物种多样性的变化在一定程度上反映了环境变化和人类干预活动对植被修复的影响[12].随着矿产的开采，冷水江锡矿山的土壤环境污染严重，植物的生长艰难，植被自然恢复缓慢.该锡矿山植被主要通过人工种植加速自然恢复的途径进行修复.本研究中柏树+结缕草+狗牙根、红叶石楠+五节芒+荩草+狗牙根、盐肤木+苎麻+五节芒和结缕草+醉鱼草+狗牙根模式均为人工配置方式.盐肤木+苎麻+五节芒模式表现出较高的物种多样性，这表明其对生态系统修复可以发挥较好的作用.盐肤木、苎麻和五节芒均能适应矿区的恶劣环境，说明其具有很好的重金属运输能力，可被选作矿区耐性植物，这与黄凯等[13]的研究结果一致.五节芒模式和醉鱼草模式的多样性明显低于其他模式，这可能是因为植物配置不合理形成了单一优势群落，造成了物种丰富度和多样性的降低[14].水分是矿区植物生长的重要限制因子之一[15].锡矿山露天开采产生的矿坑使矿区周边土壤的水分向矿坑中心聚流，而草地出现沙化又增加了水分的垂直入渗深度，从而减小了表层土壤的持水能力.经调查发现，草本植物中禾本科的金丝草、五节芒、狗牙根、荩草、结缕草和菊科植物中的青蒿在不同群落中出现的次数较多且其重要值相对较大，这表明这几种植物对矿山废弃地的生境条件适应能力较强，可以作为植被修复初期的先锋植物，该结果与秦剑桥等[16]的研究结论一致.

3.2 结论

通过对冷水江锡矿山在不同修复模式下各群落的物种组成、结构和植被多样性的分析与研究发现，人工辅助植被修复是实现矿区植物多样性恢复的重要途径.经过前期系统的生态修复工程，锡矿山地区植物种类得到了较好的恢复，其中灌木和草本较乔木具有更好的恢复效果.在几种典型植被修复模式中，盐肤木群落以盐肤木+苎麻+五节芒的人工配置修复模式，较其他模式更有利于提高植物群落的物种多样性.同时，通过调查确定了大量可适用于锡矿山生态修复的植物种类，可为其他地区矿山修复植物的选择提供参考.