門頭溝區(qū)煤礦廢棄地自然恢復(fù)植被數(shù)量分類與排序1)

程小琴 趙方瑩

(北京林業(yè)大學(xué)，北京，100083)

礦產(chǎn)資源的開發(fā)利用曾為北京地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展和社會進步做出了一定貢獻，但在礦業(yè)取得巨大成就的同時，礦區(qū)生態(tài)環(huán)境也普遍受到嚴(yán)重破壞［1］。為了改變礦山生態(tài)環(huán)境惡化趨勢，世界各國相繼開展了生態(tài)環(huán)境的修復(fù)工作［2］。門頭溝區(qū)位于北京市西郊，是北京的西大門。隨著北京市對門頭溝區(qū)功能定位的轉(zhuǎn)變，門頭溝將由過去的“京西礦山”轉(zhuǎn)變?yōu)椤吧鷳B(tài)涵養(yǎng)發(fā)展區(qū)”。北京市政府已將門頭溝地區(qū)的整治工程列為重點項目。對礦山廢棄地的生態(tài)修復(fù)又是該地區(qū)整治的關(guān)鍵。而要制定對礦山廢棄地的生態(tài)修復(fù)計劃，對礦山廢棄地基本情況及早期植被的自然入侵狀況的了解十分重要。目前，對門頭溝區(qū)煤礦廢棄地的研究多側(cè)重于退化生態(tài)系統(tǒng)人工恢復(fù)與重建的方法與技術(shù)，而對于其自然恢復(fù)植物群落與環(huán)境因子關(guān)系的研究不多。分類和排序是研究群落生態(tài)關(guān)系的重要數(shù)量方法［3－4］。TWINSPAN由Hill首先形成，是20世紀(jì)80年代至今使用最多的植被多元等級分類方法［5］。DCA排序是植被排序分析中最為有效的一種方法［6－8］。Braak［9］將CCA和DCA結(jié)合起來發(fā)展了DCCA。目前，DCCA是分析植被—環(huán)境關(guān)系最先進的多元分析技術(shù)［10－11］。筆者應(yīng)用TWINSPAN分類和DCA、DCCA排序的分析方法，對門頭溝區(qū)內(nèi)煤礦廢棄地自然恢復(fù)植被進行了數(shù)量分類和排序，以深入探討影響植物分布的主要環(huán)境因子，分析群落分布的差異及原因。并以此為基礎(chǔ)，提出了不同恢復(fù)階段植被的恢復(fù)途徑，以期為門頭溝區(qū)煤礦廢棄地植被的迅速恢復(fù)與生態(tài)重建提供理論依據(jù)和實踐參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

門頭溝區(qū)地處華北平原向蒙古高原過渡地帶，地勢西北高，東南低。東經(jīng)115°25'00″～116°10'07″，北緯39°48'34″～40°10'37″。屬中緯度大陸性季風(fēng)氣候，春季干旱多風(fēng)，夏季炎熱多雨，秋季涼爽濕潤，冬季寒冷干燥。西部山區(qū)與東部平原氣候呈明顯差異。年平均氣溫東部平原11.7℃，西部齋堂一帶10.2℃。日照時數(shù)較多，年平均日照2 470 h。降水量自東向西逐漸減少，降水量年際變化大，多年平均降水量約600 mm。土壤屬地帶性褐土。境內(nèi)植被屬暖溫帶落葉闊葉林類型，已無原始森林，僅在深山區(qū)殘存一些天然次生林。一般林地均為灌木林或雜木混交林，森林覆蓋率為40%～60%。種類繁多，水平、垂直地帶性明顯。

1.2 調(diào)查樣方設(shè)置

在對門頭溝區(qū)煤礦廢棄地植被類型進行全面考查的基礎(chǔ)上，了解到調(diào)查區(qū)域植被類型以稀樹灌草叢為主，故選擇煤礦廢棄地上具有代表性的不同群落類型地段，共設(shè)置53個10 m×10 m樣方。對于森林地段，在10 m×10 m樣方內(nèi)逐株調(diào)查喬木種名、高度、胸徑和冠幅，并將每個喬木樣方劃分為4個5 m×5 m樣方，調(diào)查任意2個處于對角線的5 m×5 m樣方內(nèi)喬木幼樹、幼苗與灌木的種名、高度和冠幅，同時在每個5 m×5 m樣方中隨機設(shè)置1個具有代表性的1 m×1 m小樣方調(diào)查草本種名、高度和蓋度;對于灌木樣地，在每個10 m×10 m樣方內(nèi)對任意2個對角線的5 m×5 m樣方中的喬木幼樹、幼苗與灌木進行調(diào)查，同時在每個5 m×5 m樣方中隨機設(shè)置1個具有代表性的1 m×1 m小樣方調(diào)查草本;對于草本樣地，在每個10 m×10 m樣方內(nèi)隨機設(shè)置1個具有代表性的1 m×1 m小樣方調(diào)查草本。同時記錄每個樣方經(jīng)緯度、海拔高度、坡向、坡度、坡位、自然恢復(fù)年限等環(huán)境特征。

1.3 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)所調(diào)查群落的特征數(shù)據(jù)，計算每一個樣方內(nèi)不同物種的重要值，計算公式如下:

喬灌木重要值=(相對蓋度+相對高度+相對密度)/3;草本的重要值=(相對蓋度+相對高度)/2。

53個樣方共計68個物種，剔除出現(xiàn)次數(shù)少于3次的物種，剩余26種，因而得到53×26樣方—物種重要值數(shù)據(jù)矩陣。選擇經(jīng)度、緯度、海拔、坡度、坡向、坡位、植被總蓋度、恢復(fù)年限8個因子，其中坡向、坡位等非數(shù)值指標(biāo)按經(jīng)驗式建立隸屬函數(shù)并換算成編碼［12］。坡向:陽坡(0.3)、半陽(0.5)、半陰(0.8)、陰坡(1.0);坡位:上坡位(0.4)、中坡位(1.0)、下坡位(0.8)，得到53×8樣方—環(huán)境因子矩陣。

采用TWINSPAN和DCA、DCCA，利用PC－ORD 4.41(Multivariate Analysis of Ecological Data)和CANOCO4.5軟件，以樣方—物種重要值數(shù)據(jù)矩陣和樣方—環(huán)境因子矩陣，對群落進行分類與排序。

2 結(jié)果與分析

2.1 TWINSPAN分類

對門頭溝區(qū)煤礦廢棄地自然恢復(fù)植物群落53個樣方用TWINSPAN進行等級分類(圖1)，結(jié)合調(diào)查區(qū)域的實際生態(tài)意義，采用第4級的劃分結(jié)果，將53個樣方劃分為11組。圖1中的每一級劃分的指示種都分為正負兩類，分別指示相應(yīng)的兩歧類型。從圖1可知，臭椿(Ailanthus altissima)、荊條(Vitex negundo)、鐵桿蒿(Artemisia sacrorum)(－)和鬼針草(Bidens parviflora)(+)將作為第一級分類的指示種，將所有樣方劃分為兩類。負組D2的指示種是蒙古蒿(Artemisia mongolica)(－)，正組D3的指示種是鐵莧菜(Acalypha australis)(+)。其他級別分類指示種詳見圖1。最后TWINSPAN將53個樣方劃分為11個植物群落類型。依據(jù)各層的優(yōu)勢種和群落生境特征的指示種命名群落類型［13－14］。

群落Ⅰ荊條－蒙古蒿群落(Comm.Vitex negundo－Artemisia mongolica)。包含樣方10、13。該群落分布于龍泉煤礦廢棄地陽坡、半陰坡山地。海拔196 m，坡度5°～42°。灌木層優(yōu)勢種為荊條，草本層以蒙古蒿占優(yōu)勢。

群落Ⅱ臭椿－荊條+杠柳－鐵桿蒿群落(Comm.Ailanthus altissima－Vitex negundo+Periploca sepium－Artemisia sacrorum)。包含樣方28～30、46、51、52。該群落分布于王平、龍泉、軍莊煤礦廢棄地，海拔152～448 m，坡向以陽坡為主，坡度5°～40°。臭椿為喬木層的優(yōu)勢種，灌木層主要有荊條、杠柳(Periploca sepium)，草本層主要有鐵桿蒿、狗尾草(Setaria viridis)、地梢瓜(Cynanchum thesioides)、藎草(Arthraxon hispidus)、細桿羊胡子草(Eriophorum gracile)等。

圖1 煤礦廢棄地53個樣方植物群落的TWINSPAN樹狀分類圖

群落Ⅲ荊條－狗尾草+艾蒿群落(Comm.Vitex negundo－Setaria viridis+Artemisia lavandulaefolia)。包含樣方14、26、37、38、43、44。該群落分布于王平、潭柘寺、龍泉、永定煤礦廢棄地。海拔192～448 m，坡向為陽坡，坡度5°～37°。灌木層優(yōu)勢種為荊條，伴生種有酸棗(Ziziphus jujuba)、胡枝子(Lespedeza bicolor);草本層主要有狗尾草、艾蒿(Artemisia princeps)、鐵桿蒿、黃花蒿(Artemisia annua)。

群落Ⅳ臭椿－荊條－藎草群落(Comm.Ailanthus altissima－Vitex negundo－Arthraxon hispidus)。包含樣方31、45、47～49、53。該群落分布于王平和軍莊煤礦廢棄地。海拔152～323 m，坡度15°～45°，坡向為陽坡、半陰坡和陰坡。喬木層優(yōu)勢種為臭椿，伴生種有榆樹;灌木層優(yōu)勢種為荊條，伴生種有杠柳、酸棗;草本層主要有藎草、鬼針草、鐵桿蒿等。

群落Ⅴ臭椿+榆樹－荊條－鬼針草群落(Comm.Ailanthus altissima+Ulmus pumila－Vitex negundo－Bidens parviflora)。包括樣方6、17、18、24、32、41。分布于門頭溝大部分煤礦廢棄地，海拔高度變化較大，坡度5°～70°，坡向為陽坡、半陰坡和陰坡。喬木層主要有臭椿、榆樹(Ulmus pumila)、刺槐(Robinia pseucdoacacia);灌木層優(yōu)勢種為荊條;草本主要以鬼針草、狗尾草為主，伴生種有艾蒿、臭蒿(Artemisia hedinii)、水棘針(Amethystea caerulea)、鐵桿蒿等。

群落Ⅵ榆樹－荊條－鬼針草+狗尾草群落(Comm.Ulmus pumila－Vitex negundo－Bidens parviflora+Setaria viridis)。包括樣方7、15、42。該群落分布于潭柘寺、永定煤礦廢棄地，海拔192～302 m，坡度5°～42°，坡向為陽坡、半陽坡和半陰坡。喬木層優(yōu)勢種為榆樹;灌木層優(yōu)勢種為荊條;草本層主要以鬼針草、狗尾草為主。

群落Ⅶ鬼針草+狗尾草群落(Comm.Bidens parviflora+Setaria viridis)。包含樣方1、4、5、8、9、11、12、16、21、22、33、35、36。該群落也分布于門頭溝大部分煤礦廢棄地，海拔高度變化較大，各坡向均有，坡度5°～44°。鬼針草、狗尾草為草本層優(yōu)勢種。樣方中有榆樹和臭椿幼苗。

群落Ⅷ狗尾草+大籽蒿群落(Comm.Setaria viridis+Artemisia sievrsiana)。包含樣方2、3、19、25。該群落分布于清水、齋堂煤礦廢棄地，海拔501～736 m，坡度5°～75°，坡向為陽坡、半陽坡和陰坡。草本層主要有狗尾草、灰藜(Chenopodium album)等。

群落Ⅸ狗尾草+牽牛群落(Comm.Setaria viridis+Pharbitis nil)。包含樣方27、50。該群落分布于龍泉和軍莊煤礦廢棄地，海拔152～448 m，坡度34°～40°，坡向為陽坡。狗尾草、牽牛(Pharbitis nil)為草本層優(yōu)勢種。

群落Ⅹ鬼針草+鐵莧菜群落(Comm.Bidens parviflora+Acalypha australis)。包含樣方20、23。該群落分布于清水煤礦廢棄地，海拔710 m，坡度5°～39°，坡向為陽坡和半陽坡。鬼針草和鐵莧菜為草本層優(yōu)勢種。

群落Ⅺ鐵莧菜+狗尾草群落(Comm.Acalypha australis+Setaria viridis)。包含樣方34、39、40。該群落分布于潭柘寺煤礦廢棄地，海拔377～428 m，坡度5°～35°，坡向為陽坡和半陰坡。鐵莧菜和狗尾草為草本層優(yōu)勢種。

表1 門頭溝煤礦廢棄地植物群落的特征及其主要環(huán)境特征

2.2 DCA排序

利用DCA對門頭溝煤礦廢棄地自然恢復(fù)植物群落53個樣方進行分析，并根據(jù)前兩個排序軸作出二維排序圖(圖2)，結(jié)果表明:TWINSPAN群路數(shù)量分類類型在DCA排序圖上具有比較明確的分布范圍和界限。從排序軸來看，第一軸基本上反映了自然植物群落的生長年限，演替時間從左到右逐漸縮短;第二軸反映的群落坡度的梯度變化，即沿第二軸由下到上坡度逐漸升高。圖2中53個樣方11個群落類型可以劃分成A、B、C、D4個生態(tài)區(qū)。

圖2 53個樣方的DCA二維排序圖

A生態(tài)區(qū)演替階段為喬木群落階段，包括群落Ⅱ和群落Ⅳ，該生態(tài)區(qū)植物群落的生長年限為15～25 a，群落類型為臭椿－荊條+杠柳－鐵桿蒿群落和臭椿－荊條－藎草群落。群落蓋度為40%～90%。前3位優(yōu)勢種分別是:臭椿、荊條、藎草，該生態(tài)區(qū)群落已經(jīng)穩(wěn)定。

B生態(tài)區(qū)為灌叢向喬木群落過渡階段，包括群落Ⅴ和群落Ⅵ，該生態(tài)區(qū)植物群落的生長年限10～15 a，群落類型為臭椿+榆樹－荊條－鬼針草群落和榆樹－荊條－鬼針草+狗尾草群落。群落蓋度為20%～85%。樣方內(nèi)分布有喬木臭椿、榆樹、刺槐，灌木有荊條、杠柳、酸棗等，草本植物分布種類多樣。

C生態(tài)區(qū)為灌叢群落階段，包括群落Ⅰ和群落Ⅲ，該生態(tài)區(qū)植物群落的生長年限7～10 a，群落類型為荊條－蒙古蒿群落和荊條－狗尾草+艾蒿群落。群落蓋度為15%～70%。群落內(nèi)除分布荊條是優(yōu)勢物種外，還分布有酸棗、胡枝子等伴生灌木種。

D生態(tài)區(qū)為草本群落階段，包括群落Ⅶ～Ⅺ，該生態(tài)區(qū)植物群落的生長年限1～6 a，群落類型為鬼針草+狗尾草、狗尾草+大籽蒿、狗尾草+牽牛、鬼針草+鐵莧菜、鐵莧菜+狗尾草群落。群落蓋度為15%～90%。1年生草本如狗尾草、鬼針草、鐵莧菜等在群落中占優(yōu)勢。

2.3 DCCA排序

植被與環(huán)境因子的DCCA排序結(jié)果見圖3:環(huán)境因子用帶箭頭的線段(矢量)表示，箭頭所處象限，代表著環(huán)境因子與排序軸間的正負相關(guān)性，箭頭連線的長度表示該環(huán)境因子與植物群落分布關(guān)系的大小，箭頭連線在排序圖中的斜率表示環(huán)境因子與排序軸相關(guān)性的大小，箭頭所指方向表示該環(huán)境因子的變化趨勢［11］。

DCCA第一排序軸的特征值為0.408，第二排序軸的特征值為0.211，排序圖中第一、二軸可以解釋環(huán)境變異的51.8%(P＜0.01，Monte Carlo測驗)和26.8%，即前兩軸可以代表78.6%的信息量，說明排序結(jié)果較好。代表各環(huán)境因子的矢量線以自然恢復(fù)年限、海拔、經(jīng)度、緯度等較長，說明這幾個環(huán)境因子與植物群落的分布關(guān)系密切。而坡度、坡向、坡位、蓋度等矢量線較短，對植物群落分布影響較小。上述幾個環(huán)境因子中，經(jīng)度、緯度、自然恢復(fù)年限、海拔、坡位與第一軸夾角較小，沿第一排序軸，樣方排列呈現(xiàn)朝向低經(jīng)緯度、自然恢復(fù)年限較長、低海拔方向的一個綜合梯度。坡度、坡向、蓋度與第二軸夾角較小，沿第二排序軸，樣方排列呈現(xiàn)朝陡峭(干燥)、偏陽(溫暖)方向的一個綜合梯度，即對水熱關(guān)系的表達是綜合作用的結(jié)果。

圖3反映了53個樣方隨自然恢復(fù)年限的變化而發(fā)生的群落結(jié)構(gòu)的變化，但這種排序又不是簡單地呈線性狀，說明門頭溝區(qū)煤礦廢棄地自然恢復(fù)植被物種種類組成主要受自然恢復(fù)年限的影響，此外還受海拔梯度、經(jīng)緯度等其他一些原因的影響。

圖3 53個樣方的DCCA二維排序

2.4 DCA與DCCA排序比較

從以上研究可以看出，DCA和DCCA兩種排序所解釋的煤礦廢棄地上的自然恢復(fù)植被與環(huán)境的關(guān)系是一致的，但結(jié)果有所差異。由表2可見，DCA的特征值高于DCCA，但在描述群落與環(huán)境關(guān)系則不如DCCA。從樣方在DCA排序圖(圖2)和DCCA排序圖(圖3)上可以看出，后者較前者分布更加集中，群落間的界限變得更加模糊，因此，如果同分類方法結(jié)合使用，DCA的效果要好于DCCA，這與文獻［14］的研究結(jié)果一致。

表2 DCA、DCCA排序軸的特征值及種—環(huán)境相關(guān)系數(shù)

3 結(jié)論與討論

植被分類不僅能夠根據(jù)植被組成反映環(huán)境特點和植被動態(tài)，而且對評價一個地區(qū)植被的生長潛力也非常有用［15－16］。文中應(yīng)用TWINSPAN等級分類，將門頭溝煤礦廢棄地自然恢復(fù)植被53個樣方劃分為11個群落類型，直觀地體現(xiàn)了群落類型、地形、人為干擾的綜合差異，從其群落類型來看，臭椿、荊條將成為適應(yīng)當(dāng)?shù)丨h(huán)境的優(yōu)勢種，它們均具有喜光、耐干旱、瘠薄土壤適應(yīng)性強等特征，是門頭溝礦區(qū)廢棄地常見的野生植物。在調(diào)查的樣地中，臭椿最優(yōu)的生境是群落類型Ⅳ，荊條最優(yōu)的生境是群落類型Ⅲ。

對自然恢復(fù)群落演替來說，植物種、植物群落的分布格局在不同尺度上是由各種環(huán)境因子綜合作用的結(jié)果［17］。門頭溝煤礦廢棄地自然恢復(fù)植被各群落類型在DCA排序圖上較有規(guī)律地分布，演替時間最長的群落Ⅱ和群落Ⅳ位于排序圖上最左端，群落Ⅶ～Ⅺ演替時間較短，位于排序圖上右側(cè)，這充分說明從排序圖中可以明顯反映隨自然恢復(fù)年限的增加群落間的相關(guān)性及演替趨勢。

DCCA排序軸分類結(jié)合了植被因子與環(huán)境因子，能較好地表達群落的環(huán)境梯度，反映環(huán)境的空間變異特點［18］。門頭溝煤礦廢棄地自然恢復(fù)植被具有較高的植被復(fù)雜性，第一排序軸表達了朝植被演替方向的一個綜合梯度，主要反映低經(jīng)緯度、低海拔、自然恢復(fù)年限長的環(huán)境因子，這與該地區(qū)從頗具地理優(yōu)勢的低海拔、低經(jīng)緯度的礦山開始開采的順序一致。第二軸表達了朝干暖方向的梯度。兩者綜合作用，表達該地區(qū)植物群落隨自然恢復(fù)年限增加的空間梯度。

利用群落演替規(guī)律，根據(jù)礦山廢棄地立地條件，通過植物種類篩選和合理的植被順序，達到礦山廢棄地利用和植被恢復(fù)的目的，是世界各地應(yīng)用最廣泛的一種復(fù)墾方法［19－20］。從上述研究可以看到煤礦廢棄地自然恢復(fù)群落的最典型的演替模式表現(xiàn)為:草本群落→灌叢群落→灌叢向喬木群落過渡→喬木群落，說明森林群落能夠適合門頭溝煤礦廢棄地特殊生境的群落類型。按照群落發(fā)展規(guī)律和影響群落發(fā)展的主要環(huán)境因素，應(yīng)適時適地引入自然植被演替后期的植物種對門頭溝煤礦廢棄地進行植被重建，以促進自然植被的演替，改善生態(tài)環(huán)境。

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