露天煤礦生態(tài)復墾地刺槐+油松混交林樣地：物種組成及空間格局變化研究

趙冰清吳兆飛許子藝陰紫璇王倩芝王學為王甲璞王麗媛郭東罡

(1.山西大學環(huán)境與資源學院，太原 030006;2.山西大學黃土高原研究所，太原 030006)

大型露天煤礦的開采造成了大規(guī)模的土地破壞，排出的大量廢棄巖土形成露天排土場，不僅壓占大量土地，而且污染大氣、土壤和水體，對當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境造成嚴重威脅。因此，恢復重建排土場植被生態(tài)系統(tǒng)意義重大。許多學者對此進行了研究，郝蓉等對安太堡礦區(qū)主要復墾植物群落進行分析，研究了大型露天煤礦廢棄地植被恢復過程中的植被動態(tài)［1］，郭逍宇等研究了安太堡礦區(qū)植被恢復過程中優(yōu)勢種生態(tài)位的梯度變化，以及這些種在不同群落類型中的地位及各群落之間的關(guān)系［2］。張桂蓮等采用同樣的方法從植物種、植物群落與環(huán)境因子關(guān)系方面，對安太堡礦區(qū)的人工植被在恢復過程中的生態(tài)關(guān)系也進行了研究［3］。郭逍宇等還對安太堡礦區(qū)復墾地植被恢復過程中的多樣性變化進行了研究［4］，眾多研究結(jié)果表明：安太堡礦區(qū)復墾地的植物群落，隨著復墾時間的增加，其多樣性水平顯著提高，森林群落的植被恢復效果最好，灌叢群落植被恢復效果普遍好于草地群落，而森林群落中刺槐和油松混交恢復效果最好。此外，還有一些學者對阜新市海州露天煤礦［5］、準格爾煤田黑岱溝露天煤礦［6］復墾地的植物群落學特征及生態(tài)效應(yīng)進行了研究。上述研究豐富了復墾土地植被恢復的研究內(nèi)容，然而，基于長期定位監(jiān)測的復墾土地植被恢復研究尚不多見［7］。

為了更深入的了解復墾地不同植物配置模式的群落學特征，更好的進行復墾地不同植物配置模式物種多樣性監(jiān)測，采用CTFS樣地建立標準［8］，于2010年在安太堡露天煤礦排土場生態(tài)復墾區(qū)建立了0.8hm2刺槐(Robinia pseudoacacia)+油松(Pinus tabuliformis)混交林固定監(jiān)測樣地。樣地的建立可有效監(jiān)測物種的時空分布格局，為研究物種多樣性的維持機制、物種空間分布格局、群落動態(tài)等提供重要的研究平臺。本文對復墾初期與復墾17年后刺槐+油松混交林樣地的物種數(shù)量特征、徑級結(jié)構(gòu)與空間分布格局變化等進行了初步的對比研究。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于安太堡露天煤礦南排土場生態(tài)復墾地，該區(qū)為溫帶半干旱大陸性季風氣候，平均降雨量為428.2～449.0mm，年蒸發(fā)量1786.6～2598.0mm，平均氣溫4.8～7.8℃，無霜期約115～130d，年平均風速為2.5～4.2m·s－1［9－10］。露天開采后，所有的土多由人工鋪墊至排土場，鋪墊的土層主要是黃土類物質(zhì)及少量紅土，有時還混有少量煤矸石和碎石等物質(zhì)，質(zhì)地一般為沙壤至壤土［10］。復墾初期(1993年)樣地為三排刺槐間種一排油松，栽植行間距為1m，刺槐株距1.5m，油松株距5m，刺槐為1年生幼苗，平均高度30cm，油松為5年生幼苗，平均高度1m。草本層人工撒種種植種有扁穗冰草(Agropyroncristatum)、花苜蓿(Medicago ruthenica)和無芒雀麥(Bromus inermis)。

1.2 野外調(diào)查方法

刺槐+油松混交林樣地位于安太堡露天礦南排土場復墾地1380～1460m(海拔)邊坡，面積為0.8hm2，長100m，寬80m。樣地內(nèi)最高海拔1450m，最低海拔1425 m，坡度5°～15°，樣地地形見圖1。按照CTFS樣地建立標準，用全站儀將樣地劃分為80個10m×10m的樣方，樣方的4個角用水泥樁作永久標記。在每個10m×10m的樣方內(nèi)用插值法細分為4個5m×5m的小樣方。野外調(diào)查以10m×10m樣方為樹種編號單元，以樣地的坐標原點順序排列10m×10m樣方的行、列號。以5m×5m小樣方為基本測樹單元，按順時針掛牌標記每個胸徑DBH(Diameterat breast height)≥1cm的個體，且不掛牌測定高度低于1.3m的個體(測基徑)，記錄樹種名稱、胸徑、坐標和生長狀況等信息，并建立數(shù)據(jù)庫。采用R2.11.1(http：//www.r－project.org)和EXCEL對數(shù)據(jù)進行相關(guān)統(tǒng)計分析和制圖。

圖1 樣地等高線圖

2 結(jié)果與分析

2.1 數(shù)量特征

復墾初期，樣地種植樹種為均高30cm的一年生刺槐幼苗，間種均高1m的五年生油松幼苗。樣地種植密度為0.64株·m－2，其中刺槐種植密度是0.6株·m－2，大于油松的種植密度(0.04株·m－2)。

經(jīng)過17年恢復，樣地內(nèi)除初期種植樹種刺槐和油松外，還有入侵定居種榆樹(Ulmus pumila)，三個樹種的生長密度分別為0.16株·m－2、0.02株·m－2和1.07株·m－2，總平均生長密度為1.26株·m－2，可見，總的生長密度和單種生長密度與初期種植差異較大。綜合考慮物種生長特性及研究區(qū)實際情況，認為樣地中DBH≥7 cm的刺槐為初期種植存活個體，DBH≥3cm的油松為初期種植存活個體。刺槐初期種植現(xiàn)存?zhèn)€體數(shù)為797，與初期種植數(shù)差值較大，可能是由于密度效應(yīng)樹種在生長過程中進行了自疏的結(jié)果。油松存活情況較好，其現(xiàn)存活個體數(shù)為186，占初期種植數(shù)的57.4%。入侵定居種榆樹的個體數(shù)所占樣地調(diào)查個體總數(shù)的比例遠大于刺槐和油松，但大多數(shù)個體為更新幼苗，占其活個體總數(shù)的98.8%，占樣地更新苗總數(shù)的94.2%。樣地內(nèi)整體存活情況較好，現(xiàn)存活個體接近初期種植總數(shù)的兩倍，且枯死個體較少，僅占樣地內(nèi)個體總數(shù)的0.7%(表1)。

表1 樣地物種組成統(tǒng)計

2.2 優(yōu)勢度

按樹種重要值(Important value，簡稱IV)((相對高度+相對多度+相對胸高斷面積)/3)排序，復墾17年后樣地內(nèi)優(yōu)勢種明顯為刺槐，為建群種。優(yōu)勢種刺槐的胸高斷面積在樣地內(nèi)占有顯著優(yōu)勢(表2)，其胸高斷面積(9.40m2·hm－2)占樣地總胸高斷面積的82.0%。其次為榆樹，雖然個體數(shù)目遠大于刺槐，但其重要值較小，分析其原因可能是由于榆樹大多數(shù)個體為更新苗(表1)，大徑級的個體僅占個體總數(shù)的1.25%。由表2可看出，多度較高的種優(yōu)勢度不一定高;在反應(yīng)物種優(yōu)勢度上，胸高斷面積與重要值表現(xiàn)出較好的一致性。

表2 物種優(yōu)勢度統(tǒng)計

2.3 徑級結(jié)構(gòu)

徑級結(jié)構(gòu)是植物群落穩(wěn)定性與生長發(fā)育狀況的重要指標。復墾初期，刺槐高30cm，油松高1 m，均為低于1.3 m的幼苗。復墾17年后，樣地內(nèi)所有個體總胸高斷面積為11.47 m2·hm－2，喬木最大胸徑為19.98cm(刺槐)，平均胸徑為5.72cm。樣地內(nèi)DBH＜1cm的活個體量居多，占78.44%，DBH≥1cm的活個體數(shù)有2136個，其中DBH≥7cm的有957個，占樣地總個體數(shù)的9.5%，DBH≥12cm的有196個，僅占1.95%。

對DBH≥1cm的個體作徑級結(jié)構(gòu)圖(圖2)，分析可知，樣地內(nèi)所有個體的總徑級分布呈現(xiàn)倒“J”型，1≤DBH＜3cm的個體數(shù)為900個，占DBH≥1cm總個體數(shù)的42.13%，在DBH為9～11cm間出現(xiàn)峰值。各樹種的徑級結(jié)構(gòu)分析表明，刺槐的徑級結(jié)構(gòu)類似于正態(tài)分布，個體主要集中在中徑級，72.12%的個體集中在4cm＜DBH＜15cm的區(qū)間內(nèi)，小徑級與大徑級則相對較少，呈峰型(中徑級個體儲備型)，有明顯斷層現(xiàn)象。油松的徑級結(jié)構(gòu)與刺槐類似，同樣呈現(xiàn)峰型，83.87%的個體DBH在3～15cm之間，沒有斷層出現(xiàn)。榆樹由于個體數(shù)集中在1≤DBH≤3的小徑級個體上，而只有10.89%的個體DBH＞3cm，徑級分布呈明顯“L”型，并且徑級分布出現(xiàn)明顯的斷層現(xiàn)象(圖2)。

圖2 樣地樹種的徑級結(jié)構(gòu)

2.4 空間分布格局

由刺槐和油松種植初期的空間分布格局(圖3)的分析可以看出：種植初期，刺槐和油松在樣地內(nèi)呈明顯均勻分布，且刺槐的種植密度遠高于油松。樣地栽植行間距為1m，刺槐株距1.5m，油松株距5m，三排刺槐間種一排油松。

對復墾17年后刺槐、油松和榆樹不同徑級個體的空間分布格局(圖3)的分析可以看出：刺槐在各個徑級均無明顯的聚集分布，呈隨機分布且趨向于均勻分布，但個體在空間上存在一定的空間互補性，中徑級(3cm≤DBH＜7cm)的個體在樣地東南角分布較少，但大徑級(DBH≥7cm)個體在東南角分布較多;小徑級(DBH＜3cm)與大徑級個體分布規(guī)律基本一致。油松的小徑級個體較少且隨機分布于樣地東側(cè)，聚集程度不明顯，同樣可看出中徑級與大徑級個體存在空間互補性，小徑級與大徑級個體的分布也表現(xiàn)出較好的一致性。入侵種榆樹個體呈聚集分布，特別是小徑級(DBH＜3cm)個體在樣地的中部、東南、西南和北側(cè)均呈明顯聚集分布，且大徑級的刺槐在這些區(qū)域分布也較多，而榆樹的大徑級(DBH≥7cm)個體多分布于樣地的西側(cè)。并且從圖3可明顯看出，油松雖與刺槐同一時期種植且栽植初期個體較大，但DBH≥12cm的個體多為刺槐分布，明顯體現(xiàn)了刺槐這一樹種的速生性，以及被選作復墾地主要栽植樹種的優(yōu)越性。大徑級的刺槐與油松個體與種植初期還存在一定的位移。

3 討論

通過對刺槐油松混交林固定監(jiān)測樣地野外調(diào)查資料的初步分析以及與復墾初期種植模式對比分析，在個體數(shù)量特征上，復墾17年后樣地內(nèi)除初期種植樹種刺槐和油松外，還有入侵定居種榆樹，共10073個活個體，其中榆樹活個體數(shù)遠大于刺槐和油松，但更新苗居多。樣地內(nèi)整體存活情況較好，枯死個體僅占樣地內(nèi)個體總數(shù)的0.7%?？梢?，刺槐、油松和榆樹對復墾地環(huán)境均較適應(yīng)。刺槐林是黃土高原半干旱地區(qū)植被恢復和重建的主要人工林類型之一，作為一種典型的中生樹種，既喜濕潤肥沃的土壤又耐干旱瘠薄，有較強的適應(yīng)性和抗逆性，它對改善生態(tài)環(huán)境、防治水土流失、調(diào)節(jié)水文狀況發(fā)揮著重要的作用［11］。油松為喜光的陽性樹種，即使是幼齡階段，耐陰性也很弱，亦為較耐寒樹種，可耐絕對低溫－3－0℃，且油松耐干旱瘠薄土壤，對土壤要求不嚴［12］。因此幾十年來，作為復墾地主要的水土保持樹種，人工刺槐油松混交林得到大面積的營造。而榆樹為陽性樹種，喜光，耐旱，生長快，對氣候適應(yīng)性強，在寒溫帶、溫帶及亞熱帶地區(qū)均能生長，對土壤要求不嚴，耐瘠薄，適應(yīng)性很強［13］，因此，樣地中大徑級榆樹的存在說明其在林分郁閉度較低透光性較好時期就已入侵定居，且長勢較快。

物種優(yōu)勢度分析得出，復墾17年后樣地優(yōu)勢種為刺槐，從胸高斷面積和重要值方面均表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢度。榆樹多度雖高，但由于更新幼苗個體占絕大多數(shù)，優(yōu)勢度不及刺槐。可見多度較高的物種優(yōu)勢度不一定較高。胸高斷面積和重要值在反應(yīng)物種優(yōu)勢度上表現(xiàn)出較好的一致性。

復墾17年后，樣地內(nèi)所有個體徑級呈明顯倒“J”型分布，總體更新狀況較好。對各樹種的徑級結(jié)構(gòu)分析，刺槐和油松的徑級結(jié)構(gòu)均呈峰型，個體多集中于中徑級，榆樹的徑級結(jié)構(gòu)呈明顯“L”型，個體多集中于小徑級，中徑級和大徑級個體較少。

在樹種的空間分布格局上，初期種植刺槐和油松均呈明顯均勻分布，復墾17年后刺槐和油松在各徑級均無顯著的聚集分布，呈隨機分布且趨向于均勻分布，刺槐的小徑級個體呈明顯聚集分布，刺槐和油松小徑級與大徑級分布表現(xiàn)一致，而榆樹小徑級和大徑級個體的分布呈相反趨勢，這可能與區(qū)域氣候特征及種子的特性有關(guān)。刺槐種子屬莢果，外殼堅硬不易傳播和萌發(fā)，因此，少量種子在母樹周圍落地萌芽生長。油松林齡較短，個體較小，結(jié)實率較低，且其種子屬堅果不易傳播和萌發(fā)，油松亦屬喜陽的針葉樹種，上層大徑級刺槐分布使郁閉度達85%，透光性較差，幼苗成活率也較低，所以更新苗數(shù)量較少，小徑級個體多分布在大徑級周圍。而榆樹的種子屬翅果，可以靠風傳播，而且復墾地干旱多風，所以榆樹種子在下風向及刺槐生長較好郁閉度較高水熱條件相對較好的區(qū)域萌發(fā)。但具體與哪種因素呈顯著相關(guān)還需進一步的分析和研究。樣地初期植被根系覆蓋率低，坡地地形土壤條件較不穩(wěn)定，因此，土體自然滑動及雨水沖刷還造成了復墾17年后刺槐和油松個體發(fā)生了一定的位移。

圖3 樣地各樹種在4個不同徑級的空間分布格局

4 結(jié)論

(1)從物種組成來看，樣地共調(diào)查到獨立存活個體10073株，除復墾初期栽植的刺槐和油松外，還有入侵定居種榆樹，樣地內(nèi)整體存活情況較好，枯死個體僅占樣地內(nèi)個體總數(shù)的0.7%。

(2)物種優(yōu)勢度分析表明，樣地內(nèi)總胸高斷面積為11.47m2·hm－2，刺槐的胸高斷面積占樣地總胸高斷面積的82.0%，占據(jù)絕對優(yōu)勢地位。

(3)徑級結(jié)構(gòu)分析表明，樣地內(nèi)所有個體徑級呈明顯倒“J”型分布，總體更新狀況較好。刺槐和油松的徑級結(jié)構(gòu)均呈峰型，個體多集中于中徑級，榆樹的徑級結(jié)構(gòu)呈明顯“L”型，個體多集中于小徑級，中徑級和大徑級個體較少。

(4)空間分布格局分析表明，初期種植刺槐和油松均呈明顯均勻分布，復墾17年后，刺槐和油松在各徑級呈隨機分布且趨向于均勻分布，由于初期植被根系覆蓋率低，地形土壤條件較不穩(wěn)定，自然滑動及雨水沖刷，復墾17年后刺槐和油松個體發(fā)生了一定的位移。

［1］郝蓉，白中科，趙景逵，等.黃土區(qū)大型露天煤礦廢棄地植被恢復過程中的植被動態(tài)［J］.生態(tài)學報，2003，23(8)：1470－1476.

［2］郭逍宇，張金屯，宮輝力，等.安太堡礦區(qū)植被恢復過程主要種生態(tài)位梯度變化研究［J］.西北植物學報，2004，24(12)：2329－2334.

［3］張桂蓮，張金屯，郭逍宇.安太堡礦區(qū)人工植被在恢復過程中的生態(tài)關(guān)系［J］.應(yīng)用生態(tài)學報，2005，16(1)：151－155.

［4］郭逍宇，張金屯，宮輝力，等.安太堡礦區(qū)復墾地植被恢復過程多樣性變化［J］.生態(tài)學報，2005，25(4)：763－770.

［5］許麗，樊金栓，周心澄，等.阜新市海州露天煤礦排土場植被自然恢復過程中物種多樣性研究［J］.干旱區(qū)資源與環(huán)境，2005，19(6)：152－157.

［6］張樹禮，曹江營，薛玲，等.準格爾煤田黑岱溝露天煤礦排土場植被恢復的生態(tài)效應(yīng)研究［J］.內(nèi)蒙古環(huán)境保護，1996，8(1)：24－28.

［7］劉衛(wèi)華，趙冰清，白中科，等.半干旱區(qū)露天礦生態(tài)復墾土壤養(yǎng)分與植物群落相關(guān)分析［J］.生態(tài)學雜志，2014，33(9)：2369－2375.

［8］Condit R.Research in large，long－term tropical forest plots［J］.Trends in Ecology＆Evolution，1995，10：18－22.

［9］李晉川，白中科.露天煤礦土地復墾與生態(tài)重建—平朔露天礦的研究與實踐［M］.北京：科學出版社，2000.

［10］白中科.工礦區(qū)土地復墾與生態(tài)重建［M］.北京：中國農(nóng)業(yè)科技出版社，2001.

［11］曹奇光，張學培，牛麗麗，等.晉西黃土區(qū)人工刺槐林生理生態(tài)特點分析與研究［J］.水土保持研究，2007，14(3)：330－335.

［12］高芳玲，秦小龍，楊振.油松生物學特性及其生長規(guī)律探討［J］.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2008，21：19.

［13］張暢，姜衛(wèi)兵，韓健.論榆樹及其在園林綠化中的應(yīng)用［J］.中國農(nóng)學通報，2010，26(10)：202－206.

［14］李慶瑞.實行最嚴密的環(huán)境法治為生態(tài)文明建設(shè)提供保障［J］.環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2014，39(2)：5－6.

［15］夏光.建立系統(tǒng)完整的生態(tài)文明制度體系［J］.環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2014，39(2)：9－11.

［16］周珂.生態(tài)文明建設(shè)與環(huán)境法制理念更新［J］.環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2014，39(2)：72－74.

［17］羅麗.論生態(tài)文明理念指導下的環(huán)境法體系的完善［J］.環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2014，39(2)：75－78.

［18］楊朝霞.破解生態(tài)文明法制建設(shè)的五大瓶頸問題［J］.環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2014，39(2)：82－85.

［19］中國環(huán)境與發(fā)展國際合作委員會.中國環(huán)境與發(fā)展國際合作委員會2013年年會給中國政府的政策建議［J］.環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2014，39(4)：10－14.

［20］中國環(huán)境與發(fā)展國際合作委員會.中國環(huán)境與發(fā)展國際合作委員會2013年關(guān)注問題報告：環(huán)境與社會［J］.環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2014，39(4)：15－27.

［21］俞海，夏光，楊小明等.生態(tài)文明建設(shè)：認識特征和實踐基礎(chǔ)及政策路徑［J］.環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2013，38(1)：05－11.