神東礦區(qū)不同治理年限典型灌木群落調(diào)查與分析

郭玉濤，王 義，曹雪峰，馬 寧

(1.黃河水利委員會 黃河上中游管理局，陜西 西安 710021；2.神華神東煤炭集團有限責任公司，陜西 神木 719300)

近年來，我國煤炭生產(chǎn)與消費約占主體能源的70%，煤炭在能源構(gòu)成中的主體地位不可替代。神東礦區(qū)是國家能源戰(zhàn)略西移的重點工程，也是我國目前最大的煤炭生產(chǎn)基地和重要的優(yōu)質(zhì)動力煤出口基地。礦區(qū)地處黃土高原北部與毛烏素沙地交錯區(qū)，區(qū)域生態(tài)環(huán)境脆弱，土地沙化和水土流失嚴重。神東公司經(jīng)過多年潛心治理，恢復(fù)和改善了礦區(qū)植被。為評估其治理成效，我們從群落物種豐富度、物種個體總數(shù)、群落總蓋度及物種多樣性等方面來分析礦區(qū)典型植物群落隨治理年限延長而呈現(xiàn)出的發(fā)展趨勢。

1 群落調(diào)查

1.1 調(diào)查區(qū)概況與調(diào)查方法

神東礦區(qū)位于陜西省榆林市北部和內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市南部，地理坐標為109°51′～110°46′E、38°52′～39°41′N。礦區(qū)南北長38～90 km，東西寬5～55 km，地質(zhì)儲量338.8億t。

在調(diào)查范圍內(nèi)選擇不同地段，采用樣地調(diào)查方法，按不同立地條件(包括各種地貌類型、海拔、坡度、坡向、坡位等)設(shè)置樣地，樣地大小為5 m×5 m。在樣地內(nèi)進行植物群落調(diào)查。

1.2 調(diào)查內(nèi)容與指標

記錄樣地所處的地貌類型、海拔、坡度、坡向、坡位等立地條件概況。

調(diào)查樣地群落的總蓋度，記載樣地內(nèi)的植物種名、種類數(shù)及每一種的個體數(shù)，并對群落水平結(jié)構(gòu)、垂直結(jié)構(gòu)特征進行描述。

記載樣地內(nèi)植物種類的多度。測量樣地內(nèi)各種植物的平均高度，喬木的平均胸徑、平均冠幅，灌木的平均地徑等生物因子。

2 群落分析

2.1 分析方法

植物群落分析通過植物群落基本特征、植物群落物種多樣性和植物群落結(jié)構(gòu)來進行。植物群落基本特征通過物種豐富度(即樣地內(nèi)物種數(shù)目)、群落物種個體總數(shù)、群落總蓋度及優(yōu)勢種來反映；植物群落物種多樣性采用Margalef物種豐富度指數(shù)、Simpson指數(shù)、Shannon-Wiener指數(shù)、種間相遇率和Pielou群落均勻度等指標來分析；植物群落結(jié)構(gòu)通過群落水平結(jié)構(gòu)和垂直結(jié)構(gòu)來反映。其中，植物群落物種多樣性的計算公式為

F=(S-1)/lnN

(1)

D=1-∑Pi2

(2)

H′=-∑PilnPi

(3)

PIE=∑[(Ni/N)(N-Ni)/(N-1)]

(4)

R=-∑PilnPi/lnS

(5)

上五式中：F為Margalef物種豐富度指數(shù)；S為樣地內(nèi)物種數(shù)目；N為樣地內(nèi)物種個體總數(shù)；Ni為第i種的個體數(shù)；Pi=Ni/N；D為Simpson指數(shù)；H′為Shannon-Wiener指數(shù)；PIE為種間相遇率；R為Pielou群落均勻度。

2.2 群落基本特征分析

按5、10、15 a 3個治理年限，選取沙棘、沙柳(烏柳)和檸條(檸條錦雞兒)3種典型灌木群落進行分析。

2.2.1 沙棘群落

表1反映了不同治理年限沙棘群落的基本特征。從表1可以看出：治理年限分別為5、10和15 a的沙棘群落物種豐富度變化不大，整體上呈現(xiàn)先增后減的趨勢，這可能是由于隨著沙棘的迅速生長，群落總蓋度急劇增加，林下比較蔭蔽，因而導(dǎo)致某些喜陽植物逐漸消失，物種豐富度減少；沙棘群落物種個體總數(shù)、總蓋度隨治理年限延長明顯呈現(xiàn)遞增的趨勢，尤其是在10～15 a之間增加顯著，群落總蓋度在15 a時達到85%～98%；治理年限為5 a的沙棘群落形成以沙棘為單一優(yōu)勢種或沙棘和多種草本為優(yōu)勢種的灌木林，而治理年限為10和15 a的沙棘群落形成以沙棘和單種草本為優(yōu)勢種或以沙棘為單一優(yōu)勢種的灌木林。可見，治理年限為15 a左右的沙棘群落已經(jīng)達到水土保持效益最好的時期，群落物種豐富度變化不大，蓋度很高，群落逐漸形成以沙棘為單一優(yōu)勢種的灌木林。

表1 不同治理年限沙棘群落基本特征

注：表中COP3表示“很多”，COP2表示“多”，COP1表示“尚多”，SP表示“少”,余同。

2.2.2 沙柳群落

表2反映了不同治理年限沙柳群落的基本特征。從表2可以看出：治理年限為5、10和15 a的沙柳群落物種豐富度、物種個體總數(shù)、群落總蓋度整體上均隨治理年限延長呈現(xiàn)遞減的趨勢，尤其是物種個體總數(shù)遞減比較明顯，這可能是由于沙柳吸水性較強，年限越長吸水性越明顯，導(dǎo)致土壤含水量較低，因而導(dǎo)致其他物種個體減少，這反映了物種競爭和適者生存的道理；群落總蓋度雖有降低，但變化不顯著，5 a時的群落總蓋度在45%～55%之間，平均蓋度52%，15 a時的群落總蓋度在35%～55%之間，平均蓋度45%。治理年限為5和10 a的沙柳群落形成以沙柳和其他灌木或半灌木或草本為優(yōu)勢種的灌木林，而治理年限為15 a的沙柳群落常形成以沙柳為單一優(yōu)勢種的灌木林。可見治理年限為5 a左右的沙柳群落可能是水土保持效益最好的時期，超過5 a則需要對沙柳群落進行人工干預(yù)，采取平茬措施，或補植補種其他物種，以阻止群落衰退。這一點印證了沙柳像韭菜一樣，具有平茬復(fù)壯的生物習性，越割越旺，割過的沙柳3～5 a長成，如果不割掉長成的枝干，那么不到7 a老枝就會逐漸枯死。

表2 不同治理年限沙柳群落基本特征

2.2.3 檸條群落

表3反映了不同治理年限檸條群落的基本特征。從表3可以看出：治理年限為5和10 a的檸條群落物種豐富度變化很小，到了15 a物種豐富度有所增加，整體上物種豐富度呈現(xiàn)遞增的趨勢；物種個體總數(shù)在5～10 a過程中顯著增加，到了15 a又有所下降，這可能是由于隨著檸條的生長，灌木層蓋度明顯增加，影響了林下草本植物的生長發(fā)育，因而導(dǎo)致物種個體總數(shù)減少；群落總蓋度在5、10和15 a之間穩(wěn)步提升，尤其是在10～15 a之間增加較明顯，群落總蓋度在5 a時為50%～58%，15 a時達到了55%～75%；治理年限為5和10 a的檸條群落形成以檸條為單一優(yōu)勢種或檸條和單種草本為優(yōu)勢種的灌木林，而治理年限為15 a的檸條群落常形成以檸條和單種或多種草本為優(yōu)勢種的灌木林?？梢姡卫砟晗逓?5 a的檸條群落是水土保持效益最好的時期，群落物種豐富度增加，蓋度達到75%，群落復(fù)雜程度提高。

表3 不同治理年限檸條群落基本特征

注：表中SOC表示“極多”。

2.3 群落物種多樣性分析

2.3.1 沙棘群落

表4反映了不同治理年限沙棘群落物種多樣性的變化情況。由表4可以看出，物種豐富度指數(shù)在治理年限為10 a時最大，隨年限延長呈現(xiàn)先增后減的趨勢；Simpson指數(shù)、Shannon-Wiener指數(shù)、種間相遇率和群落均勻度隨治理年限延長均呈現(xiàn)遞減的趨勢。這表明治理年限為10 a的沙棘群落物種豐富度較高，但治理年限為5 a的沙棘群落結(jié)構(gòu)組成更復(fù)雜，群落均勻度更高。這可能是由于從5 a到15 a的過程中群落內(nèi)某幾種植物個體數(shù)量顯著增加，而物種數(shù)目有所減少，導(dǎo)致群落均勻度和復(fù)雜程度明顯降低，因而指數(shù)值降低。

表4 不同治理年限沙棘群落物種多樣性

另外，從表4中可知，Shannon-Wiener指數(shù)的極值差值最大，為1.167 5；群落均勻度的極值差值最小，為0.512 8?？傮w上來說，不同治理年限沙棘群落的復(fù)雜程度相差較大，而群落的均勻度差別較小。

2.3.2 沙柳群落

表5反映了不同治理年限沙柳群落物種多樣性的變化情況。由表5可以看出，物種豐富度指數(shù)、Simpson指數(shù)、Shannon-Wiener 指數(shù)、種間相遇率和群落均勻度隨治理年限延長均表現(xiàn)出遞減的趨勢，指數(shù)值在治理年限為5 a時最大，15 a時最小。即治理年限為5 a的沙柳群落物種組成更豐富，群落復(fù)雜程度和均勻度更高，隨著治理年限的延長，群落物種組成越來越簡單，群落復(fù)雜程度和均勻度越來越低。這表明治理年限從5 a增加到15 a的過程中沙柳群落呈衰退趨勢，也驗證了沙柳需要平茬的道理。

另外，從表5中可知，物種豐富度指數(shù)的極值差值最大，為1.894 8；群落均勻度的極值差值最小，為0.463 4?？傮w上來說，不同治理年限沙柳群落的物種組成相差較大，而群落的均勻度差別相對較小。

表5 不同治理年限沙柳群落物種多樣性

2.3.3 檸條群落

表6反映了不同治理年限檸條群落物種多樣性的變化情況。由表6可以看出，物種豐富度指數(shù)、Simpson指數(shù)、Shannon-Wiener指數(shù)、種間相遇率和群落均勻度隨治理年限延長表現(xiàn)出一致的規(guī)律性，即從5 a到10 a過程中指數(shù)值略微減小，從10 a到15 a過程中指數(shù)值顯著增加，說明治理年限為10 a的檸條群落物種組成、群落復(fù)雜程度和均勻度稍有下降，這可能與5 a到10 a過程中群落物種個體總數(shù)顯著增加有關(guān)，此時群落物種豐富度基本沒有變化，物種個體的顯著增加導(dǎo)致了群落均勻度下降，因此指數(shù)值相應(yīng)下降，但10 a到15 a過程中群落物種個體總數(shù)下降，均勻度升高，再加上物種豐富度明顯增加，群落物種組成和復(fù)雜程度上升，因而指數(shù)值也顯著增加。這表明治理年限從5 a增加到15 a的過程中檸條群落整體上向良性發(fā)展，群落物種組成和結(jié)構(gòu)及群落復(fù)雜性和均勻度明顯提升。

表6 不同治理年限檸條群落物種多樣性

另外，從表6中可知，Shannon-Wiener指數(shù)的極值差值最大，為1.158 4；Simpson指數(shù)的極值差值最小，為0.365 9?？傮w上來說，不同治理年限檸條群落的復(fù)雜程度相差較大，而群落的物種均勻度差別較小。

2.4 群落結(jié)構(gòu)分析

2.4.1 沙棘群落

治理年限為5、10和15 a的沙棘群落物種豐富度相對穩(wěn)定，群落物種個體總數(shù)在5 a到15 a過程中雖有增加，但變化不大，因此群落內(nèi)各物種分布比較均勻，群落在水平空間上分化不明顯，沒有團塊狀或集群狀分布現(xiàn)象，鑲嵌性不明顯。

治理年限為5、10和15 a的沙棘群落垂直結(jié)構(gòu)基本上分為兩層，即灌木層和草本層。治理年限為5 a的沙棘群落草本層主要物種有黑沙蒿(ArtemisiaordosicaKrasch)、角蒿(IncarvilleasinensisLam.)、斜莖黃耆(AstragalusadsurgensPall.)、狗尾草〔Setariaviridis(L.) Beauv.〕、豬毛菜(SalsolacollinaPall.)、紫花苜蓿(MedicagosativaL.)、沙蓬〔Agriophyllumsquarrosum(L.) Moq.〕等。治理年限為10 a的沙棘群落草本層主要物種有白草(PennisetumcentrasiaticumTzvel.)、白茅〔Imperatacylindrica(L.) Beauv.〕、針茅(StipacapillataL.)、黑沙蒿等。到15 a時，沙棘群落草本層主要物種有針茅、青杞(SolanumseptemlobumBunge)、狗尾草、牛筋草〔Eleusineindica(L.) Gaertn.〕、青蒿(ArtemisiacarvifoliaBuch.-Ham. ex Roxb. Hort. Beng.)等。

2.4.2 沙柳群落

治理年限為5 a到15 a的沙柳群落物種豐富度和群落物種個體總數(shù)顯著下降，群落內(nèi)物種常呈散狀分布，不成規(guī)模，因此群落在水平空間上分化不明顯，沒有團塊狀或集群狀分布現(xiàn)象，鑲嵌性不明顯。

治理年限為5、10和15 a的沙柳群落垂直結(jié)構(gòu)基本上也分為兩層，即灌木層和草本層。治理年限為5 a的沙柳群落草本層主要物種有阿爾泰狗娃花〔Heteropappusaltaicus(Willd.) Novopokr.〕、豬毛菜、牛筋草、土荊芥(ChenopodiumambrosioidesL.)、針茅等，灌木層除沙柳外，伴生灌木還有興安胡枝子〔Lespedezadaurica(Laxm.) Schindl. var.daurica〕。治理年限為10 a的沙柳群落草本層主要物種有土荊芥、狗尾草、黑沙蒿、針茅等，灌木層除沙柳外，伴生灌木還是興安胡枝子。到15 a時，沙柳群落草本層主要物種有狗尾草、沙蓬、牛筋草等，灌木層基本上為純沙柳。

2.4.3 檸條群落

治理年限為5和10 a的檸條群落物種豐富度相對穩(wěn)定，群落物種個體總數(shù)在5～10 a過程中顯著增加，群落內(nèi)某幾種物種呈現(xiàn)成片集中分布現(xiàn)象，群落在水平空間上分化較明顯，鑲嵌性較明顯。到了15 a，群落物種豐富度增加，但物種個體總數(shù)卻有所下降，群落內(nèi)物種成片集中分布現(xiàn)象不明顯，鑲嵌性不明顯。

治理年限為5、10和15 a的檸條群落垂直結(jié)構(gòu)也分為兩層，即灌木層和草本層。治理年限為5 a的檸條群落草本層主要物種有針茅、牛筋草、灰蒿(ArtemisiaglaucaPall)、阿爾泰狗娃花、豬毛菜、青蒿等。治理年限為10 a的檸條群落草本層主要物種有阿爾泰狗娃花、豬毛菜、白茅、牛筋草、堿蓬〔Suaedaglauca(Bunge) Bunge〕、針茅、狗尾草、蒙古韭(AlliummongolicumRegel)等。到15 a時，檸條群落草本層主要物種有牛筋草、狗尾草、蒙古韭、白草、阿爾泰狗娃花、豬毛菜、黑沙蒿、土荊芥、平車前(PlantagodepressaWilld.)等。

3 結(jié) 論

(1)從群落基本特征分析來看，沙棘群落物種豐富度隨治理年限延長表現(xiàn)出先增后減的變化趨勢，群落物種個體總數(shù)、總蓋度隨治理年限延長而增加；檸條群落物種豐富度、總蓋度隨治理年限延長而增加，物種個體總數(shù)隨治理年限延長表現(xiàn)出先增后減的變化趨勢；沙柳群落物種豐富度、物種個體總數(shù)、群落總蓋度均隨治理年限延長而減小?？梢姡臣郝浜蜋帡l群落隨治理年限延長表現(xiàn)出總體向好的發(fā)展趨勢，后期基本不需人為干預(yù)，群落能表現(xiàn)出良好的水土保持效益；而沙柳群落隨治理年限延長表現(xiàn)出總體向差的發(fā)展趨勢，后期需要人為干預(yù)和管理才能發(fā)揮群落較好的水土保持效益。

(2)從群落物種多樣性分析來看，沙棘群落和沙柳群落的物種多樣性從5 a到10 a再到15 a整體呈現(xiàn)遞減的變化趨勢，而檸條群落物種多樣性呈現(xiàn)在5～10 a之間略微降低，在10～15 a之間顯著升高的變化趨勢。

(3)從群落結(jié)構(gòu)分析來看，治理年限為5、10和15 a的沙棘群落和沙柳群落水平結(jié)構(gòu)上鑲嵌性都不明顯，而檸條群落在5～10 a過程中鑲嵌性較明顯，10～15 a過程中鑲嵌性不明顯；3種灌木植物群落垂直結(jié)構(gòu)上基本都分為兩層，即灌木層和草本層。