某金礦排水溝沿線植物多度和物種多樣性分析

摘要：以潼關(guān)縣某金礦生產(chǎn)區(qū)廢水溝沿線植物為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行抽樣調(diào)查、標(biāo)本采集和鑒定，分析各物種組成的數(shù)量特征及各樣區(qū)植物的多樣性。結(jié)果表明，污水道沿途各樣區(qū)受污染影響植物組成偏少；所有植物中分布極多的植物種類較少，僅有葎草（Humulus scandens）和狗牙根[Cynodondactylon（Linn.）Pers.]；分布稀少和個(gè)別的植物種類較多，占全部植物種類的38%；樣區(qū)11的物種多樣性指數(shù)為所有調(diào)查樣區(qū)中最高，香農(nóng)-威納指數(shù)為2.47，均勻度為0.82；而樣區(qū)32無(wú)植物生長(zhǎng)，為大片裸地。

關(guān)鍵詞：香農(nóng)-威納指數(shù)；均勻度；物種多樣性；多度

中圖分類號(hào)：S728.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2013）15-3510-04

礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)活動(dòng)過(guò)程中，廢石尾渣、選礦廢水、廢氣浮塵中的多種重金屬元素成為礦區(qū)環(huán)境的主要污染源，通過(guò)污染灌溉、大氣降塵等導(dǎo)致礦區(qū)土壤重金屬污染。而礦山土壤的重金屬污染，不僅可以通過(guò)雜草、糧食、蔬菜等各級(jí)食物鏈對(duì)人體健康造成影響[1，2]，而且長(zhǎng)期礦業(yè)開(kāi)采地區(qū)，一系列的開(kāi)發(fā)活動(dòng)對(duì)這些地區(qū)的物種多樣性造成威脅，生態(tài)平衡遭到破壞，長(zhǎng)此以往人類將無(wú)法在此生存[3]。潼關(guān)金礦區(qū)位于秦嶺北麓，由于該地區(qū)的礦業(yè)開(kāi)采，致使土壤受到了嚴(yán)重污染，當(dāng)?shù)厝藗円呀?jīng)“意識(shí)到”自己腳下的水不能飲用，只能用于洗衣和灌溉[4]；多種國(guó)家保護(hù)的動(dòng)、植物已經(jīng)不能在此棲息，當(dāng)?shù)匚锓N多樣性受到嚴(yán)重威脅。本研究以金礦生產(chǎn)區(qū)廢水溝沿線植物為研究對(duì)象，對(duì)植物進(jìn)行抽樣調(diào)查、標(biāo)本采集、鑒定，分析和研究植物的構(gòu)成特點(diǎn)和各調(diào)查樣區(qū)植物多樣性，為金礦區(qū)及周邊土壤重金屬污染的植物修復(fù)研究提供科學(xué)依據(jù)，并對(duì)該區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的自然演替規(guī)律、生態(tài)保護(hù)、資源開(kāi)發(fā)利用、區(qū)域生態(tài)體系安全以及經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于潼關(guān)縣附近某金礦排水溝沿岸區(qū)域。該區(qū)域地理坐標(biāo)34°23′-34°35′N，110°15′-110°25′E。海拔高度為400～500 m，土壤主要為黃土質(zhì)棕壤，屬暖溫帶大陸性半干旱季風(fēng)氣候。光能資源較充足，熱量和降水量偏少，常年平均日照時(shí)間為2 269 h。年平均氣溫12.8 ℃，年平均降水量為625 mm，年植被蒸發(fā)量1 193 mm，四季多風(fēng)，年平均風(fēng)速3.2 m/s。

2 研究方法

2.1 樣地調(diào)查

2011年9月，通過(guò)踏查和路線標(biāo)記對(duì)潼關(guān)縣某金礦污水流經(jīng)區(qū)域及周圍植物進(jìn)行實(shí)地調(diào)查并照相，選取有代表性的樣地，樣地面積為10 m×10 m，選2～6個(gè)1 m×1 m草本樣方。共設(shè)草本樣方32個(gè)。

2.2 樣品采集及鑒定

以典型抽樣的方法[5]對(duì)樣地植物進(jìn)行采集、標(biāo)記并拍照，根據(jù)《中國(guó)植物志》相關(guān)卷冊(cè)、《中國(guó)高等植物圖鑒》及其補(bǔ)編、《中國(guó)西北內(nèi)陸鹽地植物圖譜》、《黃土高原植物志》、《秦嶺植物志》等植物分類工具書對(duì)所采集的標(biāo)本進(jìn)行鑒定。記錄群落的數(shù)量標(biāo)志，灌木層和草本層要求調(diào)查多度、蓋度和頻度。

2.3 計(jì)算方法

2.3.1 香農(nóng)-威納指數(shù) 香農(nóng)-威納指數(shù)用來(lái)描述種的個(gè)體出現(xiàn)的紊亂和不確定性。不確定性越高多樣性也就越高。其計(jì)算公式為：

2.3.2 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)[6] 計(jì)算公式為：

3 結(jié)果與分析

3.1 各樣區(qū)土壤污染分析

內(nèi)梅羅指數(shù)法是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外進(jìn)行綜合污染指數(shù)計(jì)算的最常用的方法之一，考慮到多種污染物的綜合效應(yīng)。本試驗(yàn)以各樣區(qū)土壤中Pb、Cr、Cd、Ni等21種重金屬為研究對(duì)象，以中國(guó)土壤元素背景值算術(shù)平均數(shù)[7]為標(biāo)準(zhǔn)，采用內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)各種重金屬對(duì)該區(qū)域的污染程度。各樣區(qū)污染指數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2。

由表1和表2可知，礦區(qū)沿線區(qū)域的綜合污染指數(shù)高出國(guó)家背景值的100倍之多，污染非常嚴(yán)重。該區(qū)域生長(zhǎng)的雜草及各種農(nóng)作物產(chǎn)品中含有的重金屬通過(guò)各級(jí)食物鏈在人體內(nèi)富集，嚴(yán)重威脅著人類的健康[8]。另外本地區(qū)如果不及時(shí)處理各種污染物，長(zhǎng)期污染物的積累會(huì)導(dǎo)致生態(tài)退化，環(huán)境更加惡劣。因此，必須采取相關(guān)措施治理污染，恢復(fù)生態(tài)平衡。

3.2 物種組成的數(shù)量特征

多度是衡量植物群落中物種個(gè)體數(shù)目多少的一種指標(biāo)，在植物群落的野外調(diào)查中，采用Drude的七級(jí)制多度[9]，各級(jí)表示如下：

對(duì)礦區(qū)排水溝沿線調(diào)查的32個(gè)樣方中，各種植物多度的結(jié)果見(jiàn)表3。

由表3可知，礦區(qū)周圍各種植物中禾本科的狗牙根[Cynodondactylon（Linn.） Pers.]和?？频娜劜輀Humulus scandens （Lour.） Merr.]分布極多，特別是葎草是蔓生植物且地上部分生物量較大，生長(zhǎng)旺盛，適應(yīng)性強(qiáng)。旋花科的打碗花、禾本科的擬金茅和狗尾巴草以及菊科的艾蒿分布也很多，對(duì)環(huán)境有較好的適應(yīng)性。分布極多、很多的植物多為該生態(tài)系統(tǒng)中的優(yōu)勢(shì)種類，對(duì)礦區(qū)環(huán)境的改善起良性作用。而在整個(gè)調(diào)查樣區(qū)中分布稀少和個(gè)別的物種數(shù)目較多，分別占物種總數(shù)的22%和16%。其中禾本科的竹節(jié)草、豆科的野大豆和傘形科的水芹菜等，不僅在礦區(qū)的數(shù)量分布很少，在調(diào)查樣方內(nèi)僅有1株或兩株，是偶見(jiàn)種，且地上部分生物量較少，在物種之間的競(jìng)爭(zhēng)中處于劣勢(shì)。隨著環(huán)境的繼續(xù)惡化，最終在此地區(qū)可能瀕臨滅絕。早開(kāi)堇菜、灰灰菜和蒲公英分布較少或稀少的植物種類在治理污染、恢復(fù)生態(tài)平衡的過(guò)程中也是重點(diǎn)保護(hù)的種類，以增加物種多樣性，利于改善生態(tài)環(huán)境。

3.3 各樣區(qū)植物多樣性

物種多樣性具有兩種涵義，一方面是物種的數(shù)目，即一個(gè)群落中物種數(shù)目的多少；另一方面是一個(gè)群落中個(gè)體數(shù)目的分配狀況。而多樣性指數(shù)是反映豐富度和均勻度的綜合指標(biāo)，本研究采用香農(nóng)-威納指數(shù)來(lái)確定樣地群落的植物多樣性。

由表4可知，不同樣方的多樣性指數(shù)不同，樣方4、11、12、17、24的香農(nóng)-威納指數(shù)和均勻度均較高，說(shuō)明樣區(qū)中物種組成較豐富且各物種個(gè)體數(shù)目分配較均勻，物種多樣性較其他樣區(qū)高，其中樣區(qū)11的香農(nóng)-威納指數(shù)為所有調(diào)查樣方中最高，其值為2.47，且均勻度也較高，其值為0.82；根據(jù)實(shí)地調(diào)查結(jié)果可知，這些樣區(qū)多位于較濕潤(rùn)的陰面或農(nóng)田附近，受環(huán)境或人為施肥的影響綜合體現(xiàn)較其他樣區(qū)更適合于植物品種的生長(zhǎng)。樣方32位于三條污水河的交叉口附近，生態(tài)污染非常嚴(yán)重，此樣區(qū)已被污水長(zhǎng)時(shí)間沖刷為裸地，無(wú)植物組成。而樣方9、20、22、23、27中雖然生長(zhǎng)植物，但各樣區(qū)的植物組成匱乏，香農(nóng)-威納指數(shù)和均勻度均較低，物種多樣性較低，可見(jiàn)土壤的污染已嚴(yán)重威脅到當(dāng)?shù)刂脖坏纳L(zhǎng)。但這些樣方中生長(zhǎng)的葎草、叉枝蒿和狗牙根等植物能夠在高重金屬濃度和高污染的環(huán)境中生長(zhǎng)良好，說(shuō)明這些植物具有抗逆性較強(qiáng)的特點(diǎn)，可以為建立人工生態(tài)系統(tǒng)、治理污染和恢復(fù)生態(tài)平衡時(shí)利用。

4 結(jié)論

1）本次調(diào)查結(jié)果中各調(diào)查樣區(qū)物種總體組成單一，許多樣方只有一種或兩種植物，且多為常見(jiàn)種類，無(wú)稀有種。植物多樣性低，各個(gè)樣方的植物多樣性指數(shù)值差異大，平均值在0.42左右。本次調(diào)查區(qū)域?yàn)榻鸬V廢水溝附近土壤和植物，由于受到礦區(qū)污染影響，許多生物不能長(zhǎng)期適應(yīng)當(dāng)?shù)丨h(huán)境條件，生長(zhǎng)狀況不良或不能生存，所以，綜合導(dǎo)致各樣區(qū)植物種類減少，生物多樣性降低。而植物多樣性的提高不僅可以增強(qiáng)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而且可以提高生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力[10]，生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)生物多樣性越高或群落結(jié)構(gòu)越復(fù)雜， 系統(tǒng)就越穩(wěn)定[11]。所以，改善礦區(qū)環(huán)境，提高生物多樣性，治理礦區(qū)污染迫在眉睫。

2）本次調(diào)查結(jié)果中各樣區(qū)中分布稀少的植物種類較多，占整個(gè)調(diào)查物種的38%，并常以偶見(jiàn)種或伴生種形式存在，可能是對(duì)該礦區(qū)的污染環(huán)境不適應(yīng)，生態(tài)位逐漸縮小的種類，也有可能是適應(yīng)性很強(qiáng)的物種擴(kuò)大其生態(tài)位，剛剛在本地區(qū)定居的植物種類。在所有調(diào)查樣區(qū)中，禾本科植物分屬13個(gè)屬，共14種，為最多；菊科植物分屬10個(gè)屬，共13種，居其次。其中禾本科的狗牙根和桑科的葎草，分布極多，特別是葎草是蔓生植物且地上部分生物量較大，生長(zhǎng)旺盛，適應(yīng)性強(qiáng)。這些植物種類在建立人工生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)土壤污染時(shí)，為增加物種多樣性，改善區(qū)域環(huán)境，是可以利用的種類。

參考文獻(xiàn)：

[1] NICHOLSON F A， SMITH S R， ALLOWAY B J. An inventory of heavy metals inputs to agricultural soils in England and Wales[J]. Sci Total Environ，2003，311：205-219.

[2] 張涪平，曹湊貴，李 蘋，等.藏中礦區(qū)重金屬污染對(duì)土壤微生物學(xué)特性的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)，2010，29（4）：698-704.

[3] 張 明，李 靜，荀彥平. 內(nèi)蒙古地區(qū)礦區(qū)總體規(guī)劃開(kāi)展生物多樣性評(píng)價(jià)的情況和建議[J]. 北方環(huán)境，2010，22（4）：25-26.

[4] 李庚飛.潼關(guān)縣廢棄金礦周圍土壤重金屬研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，40（2）：825-827.

[5] 袁傳武，史玉虎，潘 磊，等.長(zhǎng)江中游濕地植被調(diào)查初探[J].湖北林業(yè)科技，2002，12：13-15.

[6] 丁桑嵐. 環(huán)境評(píng)價(jià)概論[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001.

[7] 中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站.中國(guó)土壤元素背景值[M].北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，1990.

[8] 常學(xué)秀.重金屬污染與人類健康[J].云南環(huán)境科學(xué)，2000，9（1）：59-61.

[9] 牛翠娟，婁安如，孫儒泳，等.基礎(chǔ)生態(tài)學(xué)[M].第二版.北京：高等教育出版社，2002.

[10] BASKIN Y. Ecosystem function of biodiversity[J].Bio Science，1994，44（10）：657-660.

[11] MACARTHUR R H. Fluctuations of animal populations and a measure of community stability[J].Ecology，1955，36（3）：533-536.