煤炭開采對(duì)油松林下植物多樣性的影響研究

趙 娟

(山西省林業(yè)科學(xué)研究院)

煤炭開采作為一種強(qiáng)烈的人為干擾，對(duì)森林群落包括喬木層、灌木層、草本層多樣性影響的研究一直是人們關(guān)注的重點(diǎn)。目前，國內(nèi)外學(xué)者的討論熱點(diǎn)主要有兩方面:一方面，有些學(xué)者認(rèn)為礦山開采對(duì)群落多樣性有降低作用或影響不大(Bell，F(xiàn).G.，2001;Bell，T.J.and Ungar，I.A.1981;Boone，R.B.＆ Galvin，K.A.2000);另一方面，有些學(xué)者認(rèn)為礦山開采對(duì)森林群落多樣性有增大的趨勢(shì)，特別是對(duì)灌木、草本層影響較為明顯(Lyngdoh，1995;Gupta，1999 年;Sarma，2002 年)。

1 研究地區(qū)概況

本項(xiàng)研究的試驗(yàn)開采區(qū)觀測(cè)地點(diǎn)選在太原市西山礦務(wù)局的杜兒坪礦、西銘礦和西曲礦區(qū)，地理坐標(biāo)為 112°19'－ 112°21'E，37°48'－ 37°50'N，海拔1470－1576 m。試驗(yàn)的非開采區(qū)觀測(cè)點(diǎn)選在關(guān)帝山林區(qū)，地理坐標(biāo)大約在 111°34'－111°37'E，37°29'－37°32'N，海拔1576 －1815 m。

由于所選樣地均為油松人工林，喬木樹種只有油松這一種，因此，對(duì)于非開采區(qū)和不同開采強(qiáng)度下的生物多樣性研究?jī)H從灌木和草本兩個(gè)方面進(jìn)行研究。

2 研究方法

根據(jù)研究需要，將研究地點(diǎn)依據(jù)西曲礦、杜兒坪礦、西銘礦的煤炭開采統(tǒng)計(jì)資料選取單位面積上的開采量(t/km2)為標(biāo)準(zhǔn)劃分為三個(gè)梯度，分別是T1西曲礦21.1 萬 t/km2，T2 杜兒平礦 23.2 萬 t/km2，T3西銘礦28.7萬t/km2，該開采梯度由T1到T3開采強(qiáng)度逐漸增加。并在關(guān)帝山中支溝選取對(duì)照樣地的試驗(yàn)點(diǎn)。在每個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)內(nèi)各選擇三塊30 m×40 m的具有代表性的標(biāo)準(zhǔn)地。具體樣地情況見表1。

表1 標(biāo)準(zhǔn)地基本情況表

調(diào)查和測(cè)定灌木和草本的名稱、高度、株數(shù)、多度、蓋度、生活力、起源等。依據(jù)馬克平等(1994)的方法，用重要值作為數(shù)量指標(biāo)。依據(jù) Ludwig等(1988)和參考目前國內(nèi)植物群落物種多樣性研究中常用的指數(shù)，本研究選取以下多樣性指數(shù)，其公式表達(dá)如下:

上述各式中，ni為每個(gè)物種的個(gè)體數(shù)，S為樣地面積，Pi為每個(gè)物種的胸高斷面積，fi為每個(gè)物種出現(xiàn)的樣地?cái)?shù)，f為調(diào)查樣方總數(shù)，Ci為某一種物種的基蓋度。

Shannon－Wienner指數(shù):

在上述各式中，Pi為每個(gè)物種的個(gè)體數(shù)或斷面積所占比例，ni為每個(gè)物種的個(gè)體數(shù)或斷面積，N為樣地內(nèi)所有物種的個(gè)體數(shù)或斷面積和，H為Shannon-Wienner指數(shù)，λ為Simpson指數(shù)，E為均勻度指數(shù)，R1為豐富度指數(shù)，S為物種數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 灌木層植物

3.1.1 調(diào)查情況及重要值比較

在開采區(qū)三個(gè)林分內(nèi)對(duì)灌木進(jìn)行調(diào)查，共發(fā)現(xiàn)灌木18科、26屬、40種，其中在選定的樣地內(nèi)共涉及9科、11屬、19種灌木，優(yōu)勢(shì)種為黃刺玫、金銀忍冬。T2和T3兩個(gè)開采強(qiáng)度下的灌木種類明顯多于T1開采強(qiáng)度下的灌木種類;非開采區(qū)的灌木植物種多于開采區(qū)。

表2 灌木重要值排序

由表2以看出，T1開采強(qiáng)度的樣地內(nèi)灌木有黃刺玫、金銀忍冬和虎榛子3種，該樣地的灌木層是由金銀忍冬和黃刺玫兩個(gè)優(yōu)勢(shì)種組成的，其重要值分別為46.96%和41.96%;T2開采強(qiáng)度的樣地共有灌木11種，該樣地是以小葉懸鉤子、土莊繡線菊、鼠李為主要優(yōu)勢(shì)種組成的，這三者的重要值分別為7.22%、17.49%、11.87%;T3 開采強(qiáng)度的樣地共有灌木9種，該樣地是以黃刺玫為絕對(duì)優(yōu)勢(shì)種構(gòu)成的，其重要值為44.22%，另外在該樣地中山杏也占有相對(duì)比較重要的位置，其重要值為14.05%。

在非開采區(qū)共有灌木18種，主要以小葉懸鉤子、北京丁香為優(yōu)勢(shì)種，重要值為 26.77%和21.56%。與開采區(qū)相比，耐蔭性植物種的重要值排序明顯提前。

3.1.2 灌木層植物多樣性指數(shù)比較

由圖1可以看出，三個(gè)開采梯度下的灌木層多樣性指數(shù)整體呈T2＞T3＞T1。T2開采梯度灌木層的Simpson指數(shù)、Shannon－Weiner指數(shù)、豐富度指數(shù)、均勻度指數(shù)都不同程度地高于其他兩個(gè)開采梯度的灌木層。從植物種數(shù)量上來看，T2開采梯度樣地共調(diào)查灌木種11種，高出T1、T3兩個(gè)開采梯度3種和9種。T2、T3兩個(gè)開采梯度下的灌木層Simpson指數(shù)、Shannon－Weiner指數(shù)、豐富度指數(shù)、均勻度指數(shù)均高于T1開采梯度的灌木層多樣性指數(shù)。隨著煤炭開采強(qiáng)度的增加，在灌木層中多樣性指數(shù)出現(xiàn)了在中度開采強(qiáng)度上明顯增加的趨勢(shì)。在非開采區(qū)，灌木層Simpson指數(shù)、Shannon－Weiner指數(shù)、豐富度指數(shù)、均勻度指數(shù)均高于開采區(qū)。

圖1 不同開采梯度下灌木層多樣性指數(shù)

3.2 草本層植物

3.2.1 調(diào)查情況及重要值比較

在T1、T2、T3三個(gè)開采強(qiáng)度的林分內(nèi)共調(diào)查發(fā)現(xiàn)草本19科、34屬、68種。在選定的樣地內(nèi)總共涉及12科、19屬、27種，其中優(yōu)勢(shì)種為賴草、披針葉苔草、異葉敗醬。T1開采梯度草本21種，明顯多于T2和T3開采梯度8種和7種。在非開采區(qū)CK1有草本植物24種，CK2有草本植物29種，明顯多于開采區(qū)草本層植物種數(shù)。

由表3可以看出草本層的重要值排序，T1開采強(qiáng)度的草本層是以賴草、拂紫茅、小紅菊為主要植物種組成的，其重要值分別為 27.06%、12.79%、17.06%;T2開采強(qiáng)度的草本層共有8種草本植物，其中重要值最高的為披針葉苔草，為47.93%，是該草本層的最主要構(gòu)成種;T3開采強(qiáng)度的草本層植物種類相對(duì)最少，重要值最高的為披針葉苔草，為40.88%。

在非開采區(qū)，草本層以等齒委陵菜、龍牙草為主要構(gòu)成種，重要值為13.21%、14.38%。與開采區(qū)相比，偏向于中生的植物種明顯比開采區(qū)多，且他們的重要值排序也均靠前。

表3 草本重要值排序

3.2.2 草本層植物多樣性指數(shù)比較

由圖2可以看出，草本層的Simpson指數(shù)、Shannon-Weiner指數(shù)、豐富度指數(shù)、均勻度指數(shù)隨著開采強(qiáng)度的增加逐漸降低。Margalef指數(shù)，T1開采梯度下的西曲礦樣地明顯高于其他兩個(gè)樣地，其值為3.60，在該樣地里共有草本植物21種，遠(yuǎn)多于其他兩個(gè)樣地的8種和7種。三個(gè)開采強(qiáng)度樣地的Margalef指數(shù)呈現(xiàn)T1＞T2＞T3的規(guī)律。在非開采區(qū)，草本層Simpson指數(shù)、Shannon-Weiner指數(shù)、豐富度指數(shù)、均勻度指數(shù)均明顯高于開采區(qū)。

圖2 不同開采梯度下草本層多樣性指數(shù)

在低開采強(qiáng)度下，灌木層植物多樣性低;中等開采強(qiáng)度下，灌木層植物多樣性最高;隨著開采強(qiáng)度的進(jìn)一步增大，灌木層植物多樣性又出現(xiàn)下降的趨勢(shì)。煤炭開采區(qū)灌木層的各項(xiàng)多樣性指數(shù)均低于非開采區(qū)。草本層植物多樣性隨開采強(qiáng)度的增加而降低，耐旱物種的重要值排序有明顯提前，且在高強(qiáng)度開采區(qū)域出現(xiàn)了地椒、黃芩等強(qiáng)耐旱植物，說明隨著煤炭開采強(qiáng)度的增加，林地的水分條件發(fā)生改變，林地生境趨于干旱，群落發(fā)展逆向演替。

4 結(jié)論與討論

本項(xiàng)研究結(jié)果表明，在T2開采梯度下，群落內(nèi)灌木層的物種數(shù)明顯多于T1和T3梯度。從重要值排序上，隨著開采強(qiáng)度的增加較為耐旱的植物種逐漸成為優(yōu)勢(shì)種。從多樣性指數(shù)來看，T2開采梯度的Simpson指數(shù)、Shannon-Weiner指數(shù)均高于T1和T3開采梯度，這可能是由于中等強(qiáng)度的開采活動(dòng)增加了新物種進(jìn)入群落的機(jī)會(huì)。但是，嚴(yán)重的開采活動(dòng)又會(huì)使灌木的立地條件發(fā)生惡化，淘汰一部分不適應(yīng)的物種。表明中等強(qiáng)度開采活動(dòng)下灌木層的生物多樣性要高于低強(qiáng)度開采活動(dòng)和高強(qiáng)度開采活動(dòng)下的灌木層生物多樣性。這與Cornell等人提出的中度干擾假說相符合，即中等程度的干擾將使多樣性最高，它允許更多的物種入侵和建立種群。

對(duì)于群落中草本層多樣性的研究，本項(xiàng)研究結(jié)果表明，在不同開采梯度下草本層的植物種組成有明顯不同，隨著開采強(qiáng)度的增加，草本層的植物種明顯減少。在重要值排序上也沒有明顯的優(yōu)勢(shì)種，Simpson指數(shù)、Shannon-Weiner指數(shù)、均勻度指數(shù)也隨著開采強(qiáng)度的增加而降低。但是與開采強(qiáng)度較輕的T1相比，T2和T3梯度下明顯出現(xiàn)了較為耐旱的典型旱生種，如T2梯度下出現(xiàn)了T1梯度沒有的鐵稈蒿并且在群落中的重要值排序靠前;T3開采梯度下不僅有重要值排序較為靠前的鐵稈蒿，而且還出現(xiàn)了強(qiáng)耐旱種地椒和黃芩。這與 Lyngdoh，1995、Das Gupta，1999、Sarma，2002在印度 Jaintia山和 Garo山的研究結(jié)果相一致。

［1］ Bell，F(xiàn).G.;Bullock，S.E.T.;Halbich，T.E.J.and Lindsey，P.Environmental impacts associated with an abandoned mine in the Witbank Coalfield，South Africa.International Journal of coal Geology，2001，45:195-216.

［2］Bell，T.J.and Ungar，I.A.Factor affecting the establishment of natural vegetation on a coal strip mine spoil bank in the south eastern Ohio.American Midland Naturalist，1981，105:19-31.

［3］Boone，R.B.and Galvin，K.A.Generalizing E1 Nino effects upon Maasai livestock using hierarchical clusters of vegetation patterns.Photogrammetric Engineering＆Remote sensing，2000，66(6):737-744.

［4］ Lyngdoh，T.Community dynamics and edaphic changes in relation to coal mining in Jaintia Hills，Meghalays.Ph.D.Thesis，North-Eastern Hilll University，Shillong，India.1995.

［5］DasGupta，S.;1999.Studies in vegetal and microbiological processes in coal mining affected areas.Ph.D.Thesis，North-Eastern Hilll University，Shillong，India.

［6］ DasGupta，S .;Tiwari，B.K.and Tripathi，R.S.2002.Coal mining in Jaintia Hills，Meghalya:An Ecological perspective.In:Passah，P.M.and Sarma，A.K.(eds.)，Jaintia Hills，A Meghalya Tribe:Its Environment，Land and People.Reliance Publishing House.New Delhi.Pp.121-128.