吳訓(xùn)鋒，劉強(qiáng)，邢海濤，唐宗英，段利武

(云南林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，云南 昆明 650224)

地下開采是我國(guó)礦產(chǎn)資源主要的獲取方式，探究地下開采對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響是井工礦山可持續(xù)發(fā)展的需要。炭井開采將會(huì)造成生境的破壞、地表的塌陷和裂縫等一系列環(huán)境問題[1-2]。

礦區(qū)通過植被恢復(fù)與重建，可以改善土壤結(jié)構(gòu)、提升土壤肥力，也可以對(duì)重金屬也起到一定去除作用，進(jìn)而促使植物群落回到穩(wěn)定狀態(tài)[3-4]。目前，對(duì)于礦區(qū)植被恢復(fù)的研究主要集中在恢復(fù)技術(shù)的提升[5-6]、植被及土壤恢復(fù)效果[7]、植被對(duì)土壤的改良效果[8]以及植被配置模式[9]等方面，而植被演替階段植物群落結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性之間的關(guān)系研究較為少見[10]。

群落的穩(wěn)定性是保證生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的重要指標(biāo)[11]，為礦區(qū)人工植被恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。結(jié)合群落生態(tài)特征進(jìn)行線性分析的定量化方法能夠反映群落整體的穩(wěn)定性高低[12],M.Godron穩(wěn)定性測(cè)度是目前定量化分析群落穩(wěn)定性的一種主要方法[12]，穩(wěn)定性系數(shù)的變化可以較清楚地表明植被恢復(fù)和演替過程中植物的種間競(jìng)爭(zhēng)，并在一定程度上體現(xiàn)群落抵抗自然環(huán)境壓力和人為擾動(dòng)的能力。本文以云南省宣威市寶山鎮(zhèn)的茶園煤礦為研究對(duì)象，通過對(duì)礦區(qū)農(nóng)田撂荒地自然演替植被和人工種植的不同恢復(fù)樹種的植被組成特征、物種多樣性以及群落穩(wěn)定性的調(diào)查與分析，研究該礦區(qū)植被恢復(fù)效果及群落的穩(wěn)定性，探討群落演替過程，篩選出礦區(qū)的礦區(qū)植被恢復(fù)的優(yōu)勢(shì)物種和不同演替階段的先鋒樹種，為該區(qū)域深井煤礦的植被恢復(fù)提供重要的理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

茶園煤礦位于云南省宣威市寶山鎮(zhèn)，該地區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，海拔為1 900～2 800 m，年平均降雨量1 100 mm，日照時(shí)數(shù)1 900 h，無霜期180～200 d，年均氣溫10 ℃，成土母質(zhì)為玄武巖紅壤，表層為棕壤土、紅壤土，表層厚10～25 cm[13]。植被類型主要有山地灌草叢、高山草甸等，山地灌草叢群落中主要植物種類有火絨草(Leontopodiumleontopodiodes)、西南委陵菜(Potentillafulyens)、戟葉酸模(Rumexhastatus)、銹葉杜鵑(Rhododendronsiderophyllm)、畫眉草(Eragrostisnigra)、大籽獐芽菜(Swertiamacrosperma)、大車前(Plantagomajor)等[13]。茶園煤礦為深井采挖礦井，礦區(qū)植被大部分區(qū)域?yàn)榱袒牡霓r(nóng)田經(jīng)自然恢復(fù)而成的灌草植被，另外礦區(qū)還種植了云南松(Pinusyunnanensis)+華山松(P.armandii)混交林、滇楊(Populusyunnanensis)、柳杉(Cryptomeriajaponicavar.sinensis)以及杉木(Cunninghamialanceolata)作為植被恢復(fù)的人工林。其中農(nóng)田撂荒至今已有10～15 a，人工林種植年限已達(dá)30 a。

1.2 野外植被的調(diào)查與取樣

對(duì)茶園煤礦開展野外實(shí)地植被調(diào)查，依據(jù)《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則 生態(tài)影響》(生態(tài)環(huán)境部發(fā)布)的要求，在整個(gè)礦區(qū)的灌草植被中隨機(jī)選取8個(gè)斑塊設(shè)置5 m×5 m的樣方，而對(duì)于人工林的植被類型則各隨機(jī)選取3個(gè)斑塊設(shè)置20 m×20 m 的樣方，共計(jì)20個(gè)樣方。記錄每個(gè)固定樣方的經(jīng)緯度和海拔信息，以及記錄樣方內(nèi)出現(xiàn)的植物的種類、株數(shù)、蓋度以及喬木樹種的胸徑、樹高，以及坡度、坡向等信息。

1.3 數(shù)據(jù)處理

1.3.1 群落多樣性

群落多樣性是描述群落功能和穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，在一定程度上反映了群落的結(jié)構(gòu)和特征[14]。本研究選取Alpha多樣性指數(shù)分析群落的多樣性，常用的指標(biāo)有：Margalef物種豐富度指數(shù)(DMG)、Shannon -Wiener多樣性指數(shù)(H)、Pielou均勻度指數(shù)(J)、Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)(D)來進(jìn)行計(jì)算[15]。

(1)Margalef 物種豐富度指數(shù)(DMG)

式中：DMG為Margalef 物種豐富度指數(shù)，S為調(diào)查區(qū)域內(nèi)物種種類總數(shù)，N為調(diào)查區(qū)域內(nèi)所有植物種類的個(gè)體數(shù)總和。

(2)Shannon-Wiener多樣性指數(shù)

式中：H’為Shannon-Wiener多樣性指數(shù)；S為調(diào)查區(qū)域內(nèi)物種種類總數(shù)；Pi為調(diào)查區(qū)域內(nèi)屬于第i種的個(gè)體比例，如總個(gè)體數(shù)為N，第i種個(gè)體數(shù)為ni，則Pi=ni/N。

(3)Pielou均勻度指數(shù)

式中：J為Pielou均勻度指數(shù)，S為調(diào)查區(qū)域內(nèi)物種種類總數(shù)，Pi為調(diào)查區(qū)域內(nèi)屬于第i種的個(gè)體比例。

(4)Simpson 優(yōu)勢(shì)度指數(shù)(D)

式中：D為Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)，S為調(diào)查區(qū)域內(nèi)物種種類總數(shù)，Pi為調(diào)查區(qū)域內(nèi)屬于第i種的個(gè)體比例。

1.3.2 群落穩(wěn)定性

本研究中采用M.Godron法來計(jì)算群落穩(wěn)定性[12]。群落中所有植物物種按頻度大小進(jìn)行排序，并計(jì)算其相對(duì)頻度，將總種數(shù)的倒數(shù)和相對(duì)頻度進(jìn)行累積，用百分?jǐn)?shù)表示；以植物種倒數(shù)的累積百分?jǐn)?shù)為x軸，以相對(duì)頻度的累積百分?jǐn)?shù)為y軸，建立曲線圖，使之與直線y=100-x相交，其交點(diǎn)(x，y)即為穩(wěn)定性參考點(diǎn)。交點(diǎn)坐標(biāo)與點(diǎn)(20，80)的距離稱為歐式距離，該距離越小說明植物群落越穩(wěn)定，越大則越不穩(wěn)定。計(jì)算方程如下。

種累積百分?jǐn)?shù)(X)X=m/S

平滑曲線擬合方程y=ax3+bx2+cx+d

直線方程y=100-x

式中：m為第m個(gè)物種；S為群落中植物種數(shù)；Ci為第i個(gè)物種的相對(duì)蓋度。根據(jù)實(shí)際情況，求得平滑曲線與直線的交點(diǎn)，舍棄無效值，得到的交點(diǎn)坐標(biāo)(x，y)。

本文采用Pearson和Spearman相關(guān)系數(shù)分析群落穩(wěn)定性與群落多樣性指數(shù)之間的相關(guān)性，統(tǒng)計(jì)分析軟件使用SPSS Statistics 20。

2 結(jié)果與分析

2.1 茶園煤礦植物群落特征

2.1.1 茶園煤礦植物群落物種組成

調(diào)查結(jié)果顯示，茶園礦區(qū)植被類型可以分為自然恢復(fù)的灌草植被類型和人工種植林兩大類，其中人工林分為：云南松+華山松林、柳杉林、滇楊林、杉木林四種類型。不同植被類型的植物物種組成情況詳述如下。

(1)整個(gè)煤礦區(qū) 該煤礦分布的原生植物有83種，隸屬41科，主要以薔薇科(Rosaceae)(10種)、杜鵑花科(Ericaceae)(10種)、菊科(9種)(Asteraceae)、禾本科(Poaceae)(8種)為主。從生活型來看，草本植物46種，灌木植物30種、 喬木植物7種。另外，從物種的分布情況來看，草本類群主要以青蒿(Artemisiacarvifolia)、雀稗(Paspalumthunbergii)、白茅(Imperatacylindrica)、茅葉藎草(Arthraxonprionodes)、絲毛雀稗(Paspalumurvillei)為主，重要值分別為38.690、31.022、22.168、22.145、18.164；灌木類群主要以金絲桃(Hypericummonogynum)、珍珠莢蒾(Viburnumfoetidumvar.ceanothoidesum)、珍珠花(Lyoniaovalifolia)、小葉栒子(Cotoneastermicrophyllus)為主，其重要值分別為13.836、7.462、6.019、5.820；喬木類群在礦區(qū)只是零星分布，重要值都很低。茶園礦區(qū)調(diào)查植物的具體信息見表1。

(2)灌草植被群落物種組成 灌草植被類型在礦區(qū)所占的面積最大，是前期農(nóng)田的撂荒地演替而來。物種種類多達(dá)46種，其中草本植物以青蒿、雀稗、白茅、絲毛雀稗、尖裂假還陽(yáng)參(Crepidiastrumsonchifolium)、擬金茅(Eulaliopsisbinata)、茅葉藎草、黃茅(Heteropogoncontortus)為主，其重要值分別為：42.836、39.783、26.155、16.685、13.419、11.761、10.746、10.064；灌木類植物以金絲桃、珍珠花、截葉鐵掃帚(Lespedezacuneata)、小葉栒子為主，重要值分別為16.928、6.769、5.785、5.655。

(3)云南松+華山松(人工林)群落物種組成 云南松+華山松人工林下調(diào)查結(jié)果顯示，植物種類非常豐富，數(shù)量多達(dá)49種，其中喬木樹種除了云南松、華山松之外，還有響葉楊(Populusadenopoda)、亮葉樺(Betulaluminifera)、滇青岡(Cyclobalanopsisglaucoides)以及高山錐(Castanopsisdelavayi)，但是這些原生的喬木樹種在云南松+華山松人工林下零星分布，數(shù)量很少，因此重要值都偏低(表1)；而灌木類群植物以云南楊梅(Myricanana)、小葉栒子、珍珠花、野丁香、珍珠莢蒾為主，其重要值分別為19.153、9.549、9.327、7.591、6.448；草本植物類群主要以絲毛雀稗、雀稗、喜冬草(Chimaphilajaponica)、石松(Lycopodiumjaponicum)為主，其重要值分別為：43.177、22.022、14.092、8.599。

(4)柳杉人工林群落物種組成 調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，柳杉林下植物物種的種類有14種，其中：?jiǎn)棠居?種，漆樹(Toxicodendronvernicifluum)，其重要值為10.055；灌木類群有6種，主要以珍珠莢蒾、金絲桃為主，其重要值分別為10.447、10.004；草本類群有7種，主要以茅葉藎草、毛花雀稗(Paspalumdilatatum)、長(zhǎng)葉鳳尾蕨(Pterislongipinna)、蹄蓋蕨(Athyriumsinense)為主，其重要值分別為77.135、20.647、18.165、13.485。

表1 茶園礦區(qū)植物種類以及相關(guān)信息Tab.1 The species information and important value(IV)of plant species in Chayuan coal mine

續(xù)表1

(5)滇楊人工林群落物種組成 在滇楊林下，植物種類數(shù)量為24種，其中喬木樹種除滇楊之外，還有逸生的胡桃(Juglansregia)零星地分布在林下；灌木類群有9種，以珍珠莢蒾、金絲桃為主，其重要值分別為15.895、12.587；而草本類群有13種，主要以青蒿、茅葉藎草、雀稗、白茅、長(zhǎng)葉鳳尾蕨為主，其重要值分別為41.211、39.099、25.435、24.655、17.013。

(6)杉木人工林群落物種組成 調(diào)查結(jié)果顯示，杉木林下植物種類僅有6種，其中喬木樹種有漆樹零星分布其中，而草本類群有5種，分別為青蒿、白茅、蹄蓋蕨、長(zhǎng)葉鳳尾蕨、千里光(Senecioscandens)，重要值分別為76.738、23.579、21.926、21.192、11.856。

2.2 礦區(qū)不同植被類型的物種多樣性

調(diào)查結(jié)果顯示(表2)，整個(gè)礦區(qū)物種的數(shù)量多達(dá)83種，Margalef物種豐富度指數(shù)(DMG)為8.102 2，Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H)為 2.826 5。從多樣性指數(shù)來看，均高于非礦區(qū)群落的植物多樣性，但群落的穩(wěn)定性方面(J=0.639 6)稍微低于非礦區(qū)植被群落(J=0.655 4)。另外，礦區(qū)不同的植被類群多樣性指數(shù)顯著不同，其中Margalef物種豐富度指數(shù)(DMG)依次為：云南松+華山松林(DMG=5.675 5)>灌草植被(DMG=4.783 7)>滇楊林(DMG= 2.667 4)>柳杉林(DMG=1.846 5)>杉木林(DMG=0.802 2)，表明在云南松+華山松人工林內(nèi)物種的種類多樣性最高(49種)，依次為灌草植被(46種)、滇楊林(24種)、柳杉林(15種)，而在杉木林內(nèi)最少，僅有7種。Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)(H)依次為：云南松+華山松林(H=2.729 8)>灌草植被(H=2.468 0)>滇楊林(H=2.197 8)>柳杉林(H=1.566 5)>杉木林(H=1.191 7)，表明物種的多樣性與環(huán)境的異質(zhì)性呈正相關(guān)，環(huán)境異質(zhì)性越高，群落內(nèi)物種的種類越豐富。Pielou均勻度指數(shù)(J)依次為：云南松+華山松林(J=0.701 4)>滇楊林(J=0.691 5)>灌草植被(J=0.644 6)>杉木林(J=0.612 4)>柳杉林(J=0.578 4)，結(jié)果表明，云南松+華山松林的群落最為穩(wěn)定，而柳杉林群落的穩(wěn)定性最差。Simpson 優(yōu)勢(shì)度指數(shù)(D)依次為：云南松+華山松林(D=0.881 1)>灌草植被(D=0.877 4)>滇楊林(D=0.845 6)>柳杉林(D=0.687 8)>杉木林(D=0.604 8)，結(jié)果顯示，在云南松+華山松林、灌草植被、滇楊林都有明顯的優(yōu)勢(shì)物種。

表2 茶園煤礦不同植被類型的多樣性指數(shù)Tab.2 Species diversity index of different vegetation types in Chayuan coal mine

圖1 茶園煤礦礦區(qū)M.Godron群落穩(wěn)定性擬合曲線Fig.1 M.Godron stability simulated curves of Chayuan coal mine

2.3 礦區(qū)不同植被類型的群落穩(wěn)定性

茶園礦區(qū)植物群落M.Godron 穩(wěn)定性擬合曲線(圖1，表3)可知，礦區(qū)整體植被群落歐式系數(shù)為1.31，群落穩(wěn)定性最高，而灌草植被歐氏距離為5.72、云南松+華山松歐氏距離為3.95、柳杉林歐氏距離為12.07、滇楊林歐氏距離為2.06、杉木林歐氏距離為6.85，由此可得礦區(qū)不同的植被群落穩(wěn)定性依次為：滇楊林>云南松+華山松>灌草植被>杉木林>柳杉林。

通過對(duì)礦區(qū)5個(gè)不同群落的穩(wěn)定性與Shannon-Weiner多樣性指數(shù)、Margalef物種豐富度指數(shù)進(jìn)行相關(guān)性檢驗(yàn)，結(jié)果顯示：無論是Pearson還是Spearman檢驗(yàn)，均未表現(xiàn)出兩者之間具有任何相關(guān)性(P>0.05)，表明該礦區(qū)不同植物群落的穩(wěn)定性并未隨著物種多樣性的高低而產(chǎn)生相關(guān)的變化。

表3 茶園礦區(qū)植被群落的穩(wěn)定性Tab.3 The community stability of Chayuan coal mine

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

(1)礦區(qū)植被群落特征變化 優(yōu)勢(shì)種的更替反映了礦區(qū)植被恢復(fù)過程中群落生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的變化特征，恢復(fù)群落逐漸向礦區(qū)特有群落類型進(jìn)行演替，說明群落向更穩(wěn)定的方向發(fā)展[16]。茶園煤礦地處云南省曲靖市，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候。研究結(jié)果顯示，現(xiàn)演替階段主要以草本和灌木為主，其草本主要以菊科、禾本科類群為主，灌木以薔薇科、杜鵑花科物種為主。若沒有其他因素的干擾、破壞，礦區(qū)植被會(huì)逐年自行恢復(fù)，自然演替至穩(wěn)定群落。

(2)礦區(qū)植物群落穩(wěn)定性變化 從目前的調(diào)查結(jié)果來看，茶園煤礦植被類型主要以撂荒地灌草植被為主，但是M.Godron穩(wěn)定性的歐氏距離并非最小，群落穩(wěn)定性低于云南松+華南松人工林和滇楊人工林，但高于柳杉林和杉木林人工林。主要原因是從群落穩(wěn)定性來看，森林生態(tài)系統(tǒng)層次和結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)比其他生態(tài)系統(tǒng)復(fù)雜，系統(tǒng)內(nèi)部各組分間的反饋及自我調(diào)節(jié)能量較大，穩(wěn)定性較高[17]。因此，礦區(qū)大面積的灌草植被(撂荒地)如果沒有外界的干擾，將隨著恢復(fù)年限的增加，優(yōu)勢(shì)種更替明顯，物種多樣性下降，群落將逐步趨于穩(wěn)定。同時(shí)，從礦區(qū)植被恢復(fù)的角度來看，人工林的選擇還是非常重要，云南松、華山松、滇楊等本土的樹種作為當(dāng)?shù)刂脖换謴?fù)樹種，其林內(nèi)物種的多樣性和穩(wěn)定性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于柳杉林和杉木林。

(3)物種多樣性與群落穩(wěn)定性的關(guān)系 一般認(rèn)為群落的結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，物種多樣性越高，群落也越為穩(wěn)定，并把群落多樣性作為其穩(wěn)定性的一個(gè)重要尺度[18]。但是，也有學(xué)者認(rèn)為物種多樣性并非與穩(wěn)定性呈線性相關(guān)[19-20]，主要原因是物種多樣性導(dǎo)致穩(wěn)定性的驅(qū)動(dòng)力并不在于物種多樣性的本身，而是群落包含物種或功能群的能力。從礦區(qū)群落多樣性與穩(wěn)定性的相關(guān)性分析結(jié)果可知，該地區(qū)群落物種多樣性與穩(wěn)定性之間并沒有顯著的相關(guān)性。

本研究區(qū)域?yàn)榈V區(qū)，生態(tài)環(huán)境較為脆弱，主要的自然演替灌草植被類型也是由撂荒地演替而來，目前還處于演替的初級(jí)階段，植物種類稀少并未形成成熟的功能群。另外，人工林中本土物種云南松+華山松林內(nèi)物種多樣性是最高，但群落穩(wěn)定性卻低于滇楊林。這說明該礦區(qū)群落的穩(wěn)定性是與多種因素密切相關(guān)，單純的采用物種多樣性來說明群落的穩(wěn)定性尚存在一定的不足之處，尤其是處于群落的構(gòu)建初期階段。

3.2 結(jié)論

(1)茶園煤礦植被自然群落目前的恢復(fù)過程中以草本植物為主，其中菊科(青蒿、尖裂假還陽(yáng)參)和禾本科植物(雀稗、白茅、絲毛雀稗、擬金茅、茅葉藎草、黃茅)物種占據(jù)主要地位，而灌木類群以金絲桃、珍珠花、截葉鐵掃帚、小葉栒子為主。隨著恢復(fù)年限的增加，多年生植物比例增加，當(dāng)?shù)貑棠緲浞N如響葉楊、亮葉樺、滇青岡等在植被恢復(fù)與演替的過程中逐漸成為優(yōu)勢(shì)種，群落演替也會(huì)趨于穩(wěn)定。

(2)今后的礦區(qū)以及周邊區(qū)域開展人工植被恢復(fù)時(shí)，禾本科、菊科植物作為建群種可優(yōu)先選擇，金絲桃、珍珠莢蒾、珍珠花、小葉栒子等適應(yīng)性較強(qiáng)的本土灌木類群作為伴生種進(jìn)行植被恢復(fù)會(huì)在一定程度上促進(jìn)群落演替進(jìn)程，提高群落穩(wěn)定性，達(dá)到更好的植被恢復(fù)效果。

(3)宣威地區(qū)種植著大面積的經(jīng)濟(jì)林木，就茶園煤礦植被調(diào)查顯示，本地物種如云南松、華山松、滇楊的林內(nèi)生物多樣性和群落穩(wěn)定性遠(yuǎn)高于柳杉、杉木林。所以，今后在該地礦區(qū)種植人工林時(shí)，盡量選擇本土樹種。