金礦廢棄地人工植被恢復(fù)草本層植物群落特征

楊海裕，呂 尋，劉小林*，鄭子龍，張江濤，陳瑞鋒

(1.甘肅省小隴山林業(yè)實(shí)驗(yàn)局 林業(yè)科學(xué)研究所，甘肅 天水 741022；2.甘肅小隴山森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站，甘肅 天水 741022；3.甘肅省次生林培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 天水 741022)

礦產(chǎn)開發(fā)在推動(dòng)區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展上做出了巨大貢獻(xiàn)，同時(shí)帶來的生態(tài)環(huán)境退化問題也越來越受到人們的高度重視[1-2]。礦山廢棄地植被恢復(fù)與重建，能夠短期內(nèi)快速恢復(fù)植被，被認(rèn)為是解決生態(tài)環(huán)境問題的重要措施之一[3-5]。植物物種組成和群落特征既是生態(tài)恢復(fù)與重建的基礎(chǔ)，也是評(píng)價(jià)植被恢復(fù)成效的重要指標(biāo)[6-7]。國(guó)內(nèi)有關(guān)煤礦渣土場(chǎng)、煤矸石山等礦山廢棄地植被恢復(fù)和重建的研究較多[8-9]?？琢顐サ萚10]對(duì)露天煤礦排土場(chǎng)生態(tài)修復(fù)效果的研究認(rèn)為，穴鋪植生袋建植技術(shù)在礦區(qū)排土場(chǎng)及類似區(qū)域生態(tài)修復(fù)中具有良好作用。金立群等[11]研究認(rèn)為，不同恢復(fù)年限對(duì)高寒露天煤礦區(qū)渣山植被，與恢復(fù)1 a相比，恢復(fù)3 a的植被地上生物量顯著增加，恢復(fù)5 a的植被高度、蓋度均顯著增加。楊鑫光等[12]比較分析了高寒礦區(qū)煤矸石山不同人工建植措施間的恢復(fù)效果，認(rèn)為采取人工建植+覆土+施肥的組合方式，是恢復(fù)煤矸石山生態(tài)系統(tǒng)的有效途徑。施翔等[13]研究認(rèn)為物種的豐富度指數(shù)、多樣性指數(shù)與群落的結(jié)構(gòu)以及立地環(huán)境條件關(guān)系密切，群落結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，多樣性指數(shù)越高。分析植物結(jié)構(gòu)和物種多樣性，對(duì)揭示植物群落穩(wěn)定性和更新、演替規(guī)律具有重要意義[14]。

小隴山林區(qū)礦產(chǎn)開發(fā)主要以金礦、鉛鋅礦、鐵礦為主。在經(jīng)濟(jì)利益驅(qū)動(dòng)下，金礦被大量開采，嚴(yán)重影響了森林生態(tài)環(huán)境的改善和發(fā)展。隨著國(guó)家對(duì)退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)工程的實(shí)施，林區(qū)相繼開展了以金礦廢棄地為主的人工植被恢復(fù)工作。不同的恢復(fù)措施使得植物群落組成、結(jié)構(gòu)特征和物種多樣性發(fā)生了改變[15]。已在鉛鋅礦廢棄地植被培育和人工恢復(fù)方面有研究報(bào)道[16-17]，而對(duì)金礦廢棄地植被結(jié)構(gòu)和多樣性特征的研究未見報(bào)道。因此，本研究利用樣方法調(diào)查林區(qū)金礦廢棄地不同人工恢復(fù)植被，計(jì)算反映群落特征的綜合指標(biāo)，分析不同人工植被恢復(fù)下草本層植物結(jié)構(gòu)和物種多樣性變化特征，初步篩選出適宜礦山廢棄地植被恢復(fù)的鄉(xiāng)土物種。對(duì)完善同類地區(qū)礦山廢棄地植被恢復(fù)和生物多樣性保護(hù)具有指導(dǎo)價(jià)值。

1 研究區(qū)概況

小隴山林區(qū)位于甘肅省東南部(104°23′-106°43′E、33°31′-34°41′N)，地處秦嶺西段，是嘉陵江、渭河的發(fā)源地，地跨天水、隴南、定西3市8縣區(qū)，總面積82.4萬hm2。為我國(guó)北方典型天然次生林區(qū)和重要水源涵養(yǎng)區(qū)，對(duì)維護(hù)我國(guó)西北地區(qū)生態(tài)平衡有著非常重要的作用。境內(nèi)以秦嶺山地為主，海拔700～3 200 m，相對(duì)高差2 500 m。氣候?yàn)榇箨懶约撅L(fēng)氣候，屬暖溫帶濕潤(rùn)區(qū)。年平均氣溫7～12 ℃，極端高溫36 ℃，極端低溫-21 ℃。年平均降水600-800 mm，且分布不均勻。森林土壤以褐色土為主，pH 6.5～7.5[18]。林區(qū)有高等植物225科877屬2 753種(含種下等級(jí))。主要喬木為栓皮櫟(Quercusvariabilis)、銳齒槲櫟(Q.alienavar.acuteserrata)、紅樺(Betulaalbo-sinensis)、白樺(B.platyphylla)、山楊(Populusdavidiana)和油松(Pinustabuliformis)等；灌木為虎榛子(Ostryopsisdaivdiana)、衛(wèi)矛(Euonymusalatus)和馬桑(Coriariasinica)等；草本植物為狗尾草(Setariaviridis)、野菊花(Dendranthemaindicum)和蒿屬(Artemisia)等[19]。

小隴山林區(qū)于20 世紀(jì)90年代開始，所屬地方對(duì)部分礦產(chǎn)資源進(jìn)行開采，原生植被受到損毀。2010年前后，對(duì)礦山廢棄地經(jīng)人工表面平整、加固、削坡處理，并覆蓋一定厚度的林緣土，利用日本落葉松(Larixkaempferi)、刺槐(Robiniapseudoacacia)裸根苗和油松、云杉(Piceacrassifolia)容器苗，按照一般造林標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行了人工植被恢復(fù)工作。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置與調(diào)查

通過資料收集和線路踏查，選擇小隴山林區(qū)金礦廢棄地日本落葉松+刺槐混交林、油松林、油松+云杉混交林人工植被和自然恢復(fù)植被4種類型，2020年8月，共設(shè)置了20 m×20 m喬木樣方6個(gè)(表1)。每個(gè)樣地內(nèi)按品字形設(shè)置5 m×5 m灌木樣方5個(gè)、1 m×1 m草本樣方5個(gè)，即5次重復(fù)。調(diào)查記錄每個(gè)樣方內(nèi)植物種類和數(shù)量，同時(shí)測(cè)定每個(gè)樣方內(nèi)植物高度、密度和蓋度。草本層植物高度用鋼卷尺直接測(cè)量，密度以樣方內(nèi)每個(gè)植物數(shù)量計(jì)算，蓋度采用目測(cè)法，即樣方內(nèi)草本植物垂直投影面積占樣方面積的比值，頻度利用實(shí)測(cè)樣方內(nèi)某個(gè)種出現(xiàn)的次數(shù)計(jì)算。同時(shí)，用GPS記錄調(diào)查樣方的海拔和經(jīng)緯度。

表1 樣地基本概況Table 1 Basic survey of sample plots

2.2 群落綜合指標(biāo)重要值測(cè)定

物種重要值(important value,IV,公式中用IV表示)采用以下公式計(jì)算[20]：

IV=(Cr+Er+Hr+Rr)/4

(1)

式中：Cr為相對(duì)蓋度；Er為相對(duì)密度；Hr為相對(duì)高度；Rr為相對(duì)頻度；S為每個(gè)樣方總的物種數(shù)。

2.3 物種多樣性測(cè)定

群落物種多樣性測(cè)定采用Margalef豐富度指數(shù)(R)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H)、Simpson多樣性指數(shù)(D)、Evenness均勻度指數(shù)(E)4個(gè)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定[20]。

R=(S-1)/lnN

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：N為S個(gè)全部物種的重要值之和；Ni為i第物種的重要值。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、圖表制作和分析采用Excel 2010、SPSS 19.0完成。

3 結(jié)果與分析

3.1 草本層植物科、屬、種組成

在調(diào)查的金礦廢棄地植被中，共出現(xiàn)草本植物17科44屬52種(表2)，其中以菊科15屬21種、豆科5屬6種、薔薇科4屬4種、傘形科4屬4種為主，這4個(gè)科植物共計(jì)35種，占本群落總種的67.3%，其他科以單屬單種為主。1號(hào)樣地為3年生日本落葉松+刺槐人工植被，出現(xiàn)21種植物；5號(hào)樣地為2年生油松人工植被，草本層植物種類較少。

表2 不同恢復(fù)植被草本層植物科、屬、種組成Table 2 Family,genus and species composition of herbaceous layer in different vegetation restorations

3.2 物種重要值分析

計(jì)算結(jié)果表明(表3)：金礦廢棄地草本層物種重要值IV>20的物種有水蒿(Artemisiaselengensis)、草木犀(Melilotusofficinalis)、野草莓(Fragariavesca)、紫花苜蓿(Medicagosativa)和小果博落回(Macleayacordata)等8種，在各植物群落中重要值最大，為優(yōu)勢(shì)種，對(duì)植被恢復(fù)具有重要作用；IV在10～20的物種有飛蓬(Erigeronacer)、野草莓(Fragariavesca)、大火草(Anemometomentosa)、蒲公英(Taraxacummongolicum)等9種，重要值相對(duì)較大，在林下分布較集中，為主要伴生種；IV在5～10的物種有16種，IV<5的物種較多，在各植被群落中零星分布。這種植被結(jié)構(gòu)仍處于自然恢復(fù)階段。

表3 不同恢復(fù)植被草本層植物重要值Table 3 The IV of herbaceous plants in different restoration vegetations

3.3 草本層植物生長(zhǎng)特征

不同人工植被恢復(fù)措施下，促進(jìn)了金礦廢棄地植被的形成，但植物生長(zhǎng)特征變化較大(圖1)。植被高度方面，與6號(hào)自然恢復(fù)樣地相比，不同人工植被恢復(fù)措施沒有顯著提高植被高度，不同植被恢復(fù)措施間差異不顯著(P>0.05)；植被密度方面，1號(hào)樣地日本落葉松+刺槐，顯著高于4號(hào)樣地油松+云杉容器苗和5號(hào)樣地油松容器苗(P<0.05)；植被蓋度方面，4號(hào)樣地油松+云杉容器苗，顯著高于1號(hào)樣地日本落葉松+刺槐、2號(hào)樣地和5號(hào)樣地油松容器苗(P<0.05)。與自然恢復(fù)植被相比，人工日本落葉松+刺槐和油松+云杉容器苗措施，能夠提高植被密度和植被蓋度。

3.4 物種多樣性分析

3.4.1 不同恢復(fù)措施下物種多樣性特征 物種多樣性指數(shù)計(jì)算表明(表4)，4號(hào)樣地油松+云杉措施的Shannon-Wiener多樣性指數(shù)最高，但物種分布不均，Evenness均勻度指數(shù)最低；6號(hào)自然恢復(fù)樣地，Shannon-Wiener多樣性指數(shù)次之，但Margalef豐富度指數(shù)最大；1號(hào)樣日本落葉松+刺槐措施，Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Margalef豐富度指數(shù)和Evenness均勻度指數(shù)相對(duì)較高，但Simpson多樣性指數(shù)較低；2號(hào)、3號(hào)和5號(hào)樣地油松容器苗恢復(fù)措施，物種多樣性指數(shù)相對(duì)最低。4種不同植被恢復(fù)措施，Shannon-Wiener多樣性指數(shù)由大到小表現(xiàn)為：人工油松+云杉、自然恢復(fù)、人工日本落葉松+刺槐、人工油松。采用人工混交造林措施，林下植物多樣性增加，對(duì)植被恢復(fù)有明顯促進(jìn)作用。

表4 草本層植物多樣性變化Table 4 Changes of plant diversity in herbaceous layer

3.4.2 不同恢復(fù)年限油松林草本層植物多樣性特征 比較分析人工油松林不同恢復(fù)年限草本層植物多樣性(表5)，結(jié)果顯示，與恢復(fù)初期2a相比，5a時(shí)，Margalef豐富度指數(shù)、Evenness均勻度指數(shù)、Simpson多樣性指數(shù)和Shannon-Wiener多樣性指數(shù)隨油松林齡增加而增加；10 a時(shí)，隨油松林齡的增加而有所下降。

表5 不同恢復(fù)年限油松林草本層植物多樣性指數(shù)Table 5 Plant diversity index of herb layer in Pinus tabuliformis forests with different restoration years

2 a時(shí)，油松生長(zhǎng)在植被恢復(fù)初期，以草木犀、野草莓、小果博落回等少數(shù)先鋒物種在林下物種組成中占絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，群落Margalef豐富度指數(shù)、Evenness均勻度指數(shù)、Simpson多樣性指數(shù)和Shannon-Wiener多樣性指標(biāo)均較低；5 a時(shí)，隨著油松林生長(zhǎng)，多數(shù)草本植物能適應(yīng)林下環(huán)境，Margalef豐富度指數(shù)、Evenness均勻度指數(shù)、Simpson多樣性指數(shù)和Shannon-Wiener多樣性指標(biāo)增大；10 a時(shí)，隨著油松林進(jìn)一步生長(zhǎng)，林分郁閉度增大導(dǎo)致林下光照環(huán)境變化，草本層植物種間競(jìng)爭(zhēng)加劇，林下物種數(shù)量減少，少數(shù)能夠適應(yīng)林下光照環(huán)境變化的草本植物物種存活下來，Margalef豐富度指數(shù)、Evenness均勻度指數(shù)、Simpson多樣性指數(shù)和Shannon-Wiener多樣性指標(biāo)有所降低。

4 結(jié)論與討論

小隴山林區(qū)金礦廢棄地通過人工植被恢復(fù)后，物種豐富度和多樣性指數(shù)增加，植被以菊科、豆科、薔薇科、傘形科植物為主，天然更新喬木和灌木出現(xiàn)很少。群落結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，植被恢復(fù)較慢。不同恢復(fù)年限油松林下草本層植物Margalef豐富度指數(shù)、Shannon-Wiener多樣性指標(biāo)和Evenness均勻度指數(shù)變化隨油松林生長(zhǎng)年限的增加變化一致，5 a時(shí)多樣性指標(biāo)隨油松林齡增加而增加，10 a時(shí)隨油松林齡增加開始下降，優(yōu)勢(shì)度指數(shù)變化則相反。人工植被恢復(fù)后，形成了不同的植被型，水蒿在金礦廢棄地植被群落中占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，紫花苜蓿、大火草和牛尾蒿為主要伴生種，這些種對(duì)嚴(yán)酷環(huán)境的適應(yīng)性較強(qiáng)，可作為植被恢復(fù)的先鋒物種。營(yíng)造人工日本落葉松+刺槐和油松+云杉混交林，能有效提高金礦廢棄地草本層植物Margalef豐富度指數(shù)和Shannon-Wiener多樣性指標(biāo)。

礦山廢棄地表面裸露，原有群落生物多樣性被破壞，短期內(nèi)難以形成植被，采取人工恢復(fù)措施，能夠?qū)θ郝湮锓N組成和結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同的影響[12]。人工植被恢復(fù)后，形成了以菊科植物水蒿、牛尾蒿、飛蓬，豆科植物草木犀和毛茛科植物大火草為優(yōu)勢(shì)種的植物群落。植物群落結(jié)構(gòu)不僅能反映植物群落特征，同時(shí)也能體現(xiàn)出植物群落所在生境條件[21]。本研究區(qū)共出現(xiàn)草本植物種52種，分屬17科44屬，物種構(gòu)成表現(xiàn)為單科單屬較多，物種組成簡(jiǎn)單。因受環(huán)境條件限制，金礦廢棄地零星出現(xiàn)青麩楊(Rhuspotaninii)、白樺、青皮槭(Acercappadocicum)等野生喬木和紅泡刺藤(Rubusniveus)、蔥皮忍冬(Loniceraferdinandii)、美麗胡枝子(Lespedezaformosa)、陜西莢蒾(Viburnumschensianum)、珍珠梅(Sorbariasorbifolia)、懸鉤子(Rubuscorchorifolius)等灌木物種。這種結(jié)構(gòu)和黨榮理等[22]關(guān)于西北荒漠地區(qū)植物區(qū)系研究結(jié)果基本一致。

安俊珍[23]研究了植被恢復(fù)對(duì)土壤理化性質(zhì)的改良作用，確定了刺槐等植被恢復(fù)物種和喬灌草結(jié)合的配置模式，同時(shí)對(duì)野蒿測(cè)定了重金屬含量，認(rèn)為蒿類植物對(duì)重金屬富集能力最強(qiáng)。本研究也證實(shí)了采用人工日本落葉松+刺槐和油松+云杉混交林，能有效提高金礦廢棄地林下草本層植物物種和多樣性，對(duì)礦山廢棄地植被恢復(fù)起到了促進(jìn)作用。本研究還發(fā)現(xiàn)，不同生長(zhǎng)年限的油松林草本層植物Margalef豐富度指數(shù)、Shannon-Wiener多樣性指標(biāo)和Evenness均勻度指數(shù)隨油松林生長(zhǎng)的變化特征，與崔靜等[24]在黃土丘陵區(qū)人工檸條林下草本植物物種多樣性研究結(jié)果相一致。因?yàn)槲锓N多樣性的增加主要是由于人工恢復(fù)措施的長(zhǎng)期作用改善了林下小環(huán)境，促進(jìn)了新物種增加，使群落物種豐富度和多樣性升高[25]。在生長(zhǎng)初期，油松林分郁閉度較小，林下光照充足，為大量草本植物生存提供了適宜的空間，喜光性草本植物大量入侵，故草本層物種多樣性較高；隨著油松林生長(zhǎng)，林分郁閉度增大，喜蔭性植物出現(xiàn)，喜光性植物減少，種內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致物種多樣性減少，與王國(guó)梁等[26]在黃土溝壑區(qū)的植被恢復(fù)研究結(jié)果基本一致。

研究結(jié)果將對(duì)礦山廢棄地植被恢復(fù)物種選擇和配置模式提供依據(jù)。受條件所限，本研究?jī)H從群落綜合指標(biāo)重要值和多樣性指數(shù)方面進(jìn)行了表征。不同恢復(fù)措施對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響和植被群落的演替還需持續(xù)研究。