不同礦山修復模式植被多樣性研究：以冷水江錫礦山為例

胡治遠，劉 俊，田 宇，李燕子，李蘭軍，庫文珍，趙運林，徐正剛,*

(1. 湖南城市學院 材料與化學工程學院，湖南 益陽 413000；2. 中南林業(yè)科技大學 湖南省環(huán)境資源植物開發(fā)與利用工程技術研究中心，長沙 410004；3. 西北農林科技大學 林學院，陜西 楊凌 712100；4. 湖南林科達農林技術服務有限公司，長沙 410004)

隨著人們對生態(tài)環(huán)境的日益重視和美麗中國建設的持續(xù)推進，礦山修復被不斷推進，并成為生態(tài)修復研究工作領域的熱點.礦山修復不僅僅要關注土壤環(huán)境質量改善，更應該關注生態(tài)系統(tǒng)的功能修復.生物多樣性恢復是礦山修復的重要內容，也是礦山修復的目標之一.物種多樣性作為生物多樣性的重要有機組成部分，是退化生態(tài)系統(tǒng)修復與重建的重要特性之一，以生物多樣性為基礎建立礦山修復工程的效果評價體系是礦山修復的重要保障[1].對特定區(qū)域下植物群落結構及其多樣性的研究，將有助于認識退化生態(tài)系統(tǒng)修復過程中物種與環(huán)境因子及物種之間相互作用的關系和機理，對人工調控植被修復進程，提升生態(tài)修復效果具有重要作用[2].

冷水江錫礦山是我國銻儲量最豐富、開采時間最長的銻礦山之一.在長期的開采過程中，受開采技術限制和開發(fā)理念的影響，形成了水土流失、土壤重金屬污染、生物多樣性銳減等系列問題[3].隨著人們對生態(tài)環(huán)境質量的日益重視，礦山修復工程被不斷推進.近年來，諸多礦山修復工程在錫礦山地區(qū)被實施，植物修復技術、植物-微生物聯(lián)合修復技術等被廣泛應用[4].上述工程在改善錫礦山環(huán)境污染的同時對當?shù)刂参锶郝浣Y構造成了重大影響.不少專家和學者對錫礦山山地造林模式、造林技術和保育措施，以及優(yōu)勢種植物更新演替和生理生態(tài)方面開展了較為深入的研究[5-6].然而，經過人工植被群落構建后的植物多樣性如何形成和維持，人工植被修復如何影響植物多樣性，以及構建何種植被群落才有利于該區(qū)域多樣性的保護等問題亟待探索.為此，本研究對比分析了錫礦山不同植物修復模式下植物群落的組成、結構和物種多樣性，探討了不同修復模式下植物多樣性的形成與維持，以期為全國類似礦區(qū)植被生態(tài)保護和生態(tài)系統(tǒng)修復提供參考.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于湖南省冷水江錫礦山.冷水江市地處湖南省中部丘陵區(qū)，雪峰山北段南麓，資江中游，東與漣源市、南與新邵縣、西北與新化縣接壤，地理位置為北緯27°30′49"～27°50′38"，東經111°18′57"～111°36′40"，最高海拔1 072 m，最低海拔162 m，地勢高差910 m[7].該區(qū)屬亞熱帶季風性濕潤氣候，年平均氣溫16.8 ℃，1 月平均氣溫4.9 ℃，7 月平均氣溫28.2 ℃，極端最高溫度39.7 ℃，極端最低溫度-10.9 ℃，年平均有效積溫5 118.5 ℃，年平均無霜期279 d，年平均降水量為1 457.0 mm，年相對濕度為53.1%.冷水江市是湖南省重要的能源原材料基地，以盛產銻礦和原煤而聞名.錫礦山銻礦區(qū)距冷水江市13 km，礦區(qū)面積26 km2.錫礦山銻礦是世界上規(guī)模最大的銻礦床，銻儲量達到2.11×106t，擁有百年的銻礦開采歷史，具有“世界銻都”之稱[8].由于百余年來的開采，銻礦區(qū)出現(xiàn)了一系列的礦山地質環(huán)境問題，如露天開采、地面塌陷、采選礦廢棄物的堆存等對該地區(qū)的環(huán)境和植被造成了嚴重的破壞[9].

1.2 樣地調查

在對錫礦山植被類型全面考察的基礎上，選出 6 個具有代表性的群落：馬尾松(Pinus massoniana) 群落(Ⅰ) 、 五節(jié)芒(Miscanthus floridulus)群落(Ⅱ)、紅葉石楠(Photinia×fraseri Dress)群落(Ⅲ)、柏樹(Platycladus orientalis)群落(Ⅳ)、鹽膚木(Rhus chinensis)群落(Ⅴ)、醉魚草(Buddleja lindleyana)群落(Ⅵ).各群落基本信息見表1.

表1 樣地植被群落概況

采用標準方法，進行典型隨機抽樣調查.喬木樣方大小設置為10 m×10 m，灌木樣方大小為5 m×5 m，草本群落樣方大小為1 m×1 m.在各樣方中記錄物種種類、蓋度、數(shù)量、高度、喬木的胸徑和冠幅等指標，同時記錄樣地經緯度、海拔、坡度、坡向、坡位、林冠郁閉度等環(huán)境特征.

1.3 植物群落物種多樣性測度方法

計算出樣方物種豐富度(S)、物種多樣性指數(shù)(Shannon-Wiener 指數(shù)H′和Simpson 指數(shù)D)、均勻度指數(shù)(E)和單個物種的重要值[10]，其計算公式分別如下：

1)相對多度＝某物種的個體數(shù)／全部物種的個體數(shù)之和×100%.

2)相對頻度＝某物種的頻度／全部物種的頻度之和×100%.

3)重要值=(相對多度+相對頻度)/2.

4)物種豐富度S=樣方中物種總數(shù).

2 結果與分析

2.1 植物群落物種組成

通過對錫礦山6 個具有代表性的群落進行實地踏查并統(tǒng)計植物物種，發(fā)現(xiàn)錫礦山植物涉及34科57 屬64 種.其中，喬木3 科4 屬4 種，占比6.25%；灌木13 科18 屬22 種，占比34.38%；草本18 科35 屬38 種，占比59.38%.錫礦山植物主要以草本和灌木為主，數(shù)量比例超過3%的草本植物種類有野豌豆(Vicia sepium)、醉魚草(B.Lindleyana)、狗牙根(Cynodon dactylon)、五節(jié)芒(M. floridulus)、結縷草(Zoysia japonica)、金絲草(Pogonatherum crinitum).喬木物種除了作為對照的馬尾松群落有較多的馬尾松(P. massoniana)，鹽膚木群落偶見刺槐(Robinia pseudoacacia)、皂莢(Gleditsia sinensis)和泡桐(Paulownia fortune)外，其他群落幾乎沒有喬木出現(xiàn).各群落灌木層出現(xiàn)的物種有灰白毛莓(Rubus tephrodes)、紅葉石楠(Photinia×fraseri Dress)、鹽膚木(Rhus chinensis)等，其中鹽膚木占比達1.06%(見表2).

表2 錫礦山代表群落植被種類

表2(續(xù))

2.2 群落物種組成結構

植被物種調查結果(見表3)顯示，不同修復模式下植被物種的組成存在明顯差異.與馬尾松群落對比分析可知，鹽膚木和柏樹人工配置模式群落物種較多樣化，其他修復模式植被組成較為簡單.研究組調查到的馬尾松群落植被種類16 科28 種，分別占總數(shù)的47.1%和43.8%；柏樹群落植被種類12 科23 種，分別占總數(shù)的35.3%和35.9%；紅葉石楠群落植被種類5 科8 種，分別占總數(shù)的14.7%和12.5%；鹽膚木群落植被種類15 科21 種，分別占總數(shù)的44.1%和32.8%；五節(jié)芒群落植被種類7 科7 種，分別占總數(shù)的20.6%和10.9%；醉魚草群落植被種類10 科14 種，分別占總數(shù)的29.4%和21.9%.各樣地群落物種豐富度大小順序為：馬尾松群落A(28 種)＞柏樹群落B(23 種)＞鹽膚木群落D(21 種)＞醉魚草群路F(14種)＞紅葉石楠群落C(8 種)＞五節(jié)芒群落E(7 種).

由表3 還可以看出，各樣地群落中喬木層物種僅A、D、E 3 個群落有喬木出現(xiàn)，且重要值很低，這說明喬木尚未大面積進入錫礦山自然演替的群落中來.在灌木層物種組成中，馬尾松群落灌木物種數(shù)11 種，其中鹽膚木、枹櫟、灰白毛莓較多；柏樹是柏樹群落灌木層的優(yōu)勢種，重要值為7.69；紅葉石楠群落灌木層以紅葉石楠為建群種，重要值為18.13；鹽膚木群落灌木層以鹽膚木為主要優(yōu)勢種或建群種，重要值為16.01；五節(jié)芒和醉魚草群落灌木層中的物種僅偶見少數(shù)的鹽膚木、柏樹、構樹、棕櫚，且重要值都很小.在草本層物種組成中，紅葉石楠群落和五節(jié)芒群落與其他群落相比較，差異明顯，其物種豐富度顯著偏低.單從植物角度分析，禾本科植物中的金絲草、五節(jié)芒、狗牙根、藎草和菊科植物中的青蒿重要值都較大，為主要的優(yōu)勢植物.

表3 不同植被群落物種組成及其重要值

由此可知，各群落的喬灌草植被按其重要值大小組成的結構為：1)馬尾松群落，馬尾松+鹽膚木+金絲草；2)柏樹群落，柏樹+結縷草+狗牙根；3)紅葉石楠群落，紅葉石楠+五節(jié)芒+藎草+狗牙根；4)鹽膚木群落，鹽膚木+苧麻+五節(jié)芒；5)五節(jié)芒群落，五節(jié)芒；6)醉魚草群落，結縷草+醉魚草+狗牙根.

表3(續(xù))

2.3 不同群落植被類型物種多樣性分析

物種多樣性研究結果(見表4)表明，不同群落類型的物種多樣性存在明顯差異.各植被修復群落類型中，作為對照的馬尾松群落除了喬木層的多樣性指數(shù)低于鹽膚木群落外，灌木層和草本層的多樣性指數(shù)均為最高.

表4 不同群落類型的物種多樣性指數(shù)

其他群落類型中的多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)均以鹽膚木群落樣地為最高：其灌木和草本層的Shannon-wiener 指數(shù)分別為0.57 和2.15；Simpson指數(shù)分別為0.24 和0.87；Pielou 指數(shù)分別為0.35和0.90.這說明鹽膚木群落以鹽膚木+苧麻+五節(jié)芒的人工配置修復模式較其他模式更有利于提高植物群落物種多樣性.

3 討論與結論

3.1 討論

生物多樣性是維持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的基礎.物種多樣性的喪失將損害生態(tài)系統(tǒng)的結構、功能和過程，而提高物種多樣性則有利于生態(tài)系統(tǒng)的平衡和發(fā)展[11].植物物種多樣性的變化在一定程度上反映了環(huán)境變化和人類干預活動對植被修復的影響[12].隨著礦產的開采，冷水江錫礦山的土壤環(huán)境污染嚴重，植物的生長艱難，植被自然恢復緩慢.該錫礦山植被主要通過人工種植加速自然恢復的途徑進行修復.本研究中柏樹+結縷草+狗牙根、紅葉石楠+五節(jié)芒+藎草+狗牙根、鹽膚木+苧麻+五節(jié)芒和結縷草+醉魚草+狗牙根模式均為人工配置方式.鹽膚木+苧麻+五節(jié)芒模式表現(xiàn)出較高的物種多樣性，這表明其對生態(tài)系統(tǒng)修復可以發(fā)揮較好的作用.鹽膚木、苧麻和五節(jié)芒均能適應礦區(qū)的惡劣環(huán)境，說明其具有很好的重金屬運輸能力，可被選作礦區(qū)耐性植物，這與黃凱等[13]的研究結果一致.五節(jié)芒模式和醉魚草模式的多樣性明顯低于其他模式，這可能是因為植物配置不合理形成了單一優(yōu)勢群落，造成了物種豐富度和多樣性的降低[14].水分是礦區(qū)植物生長的重要限制因子之一[15].錫礦山露天開采產生的礦坑使礦區(qū)周邊土壤的水分向礦坑中心聚流，而草地出現(xiàn)沙化又增加了水分的垂直入滲深度，從而減小了表層土壤的持水能力.經調查發(fā)現(xiàn)，草本植物中禾本科的金絲草、五節(jié)芒、狗牙根、藎草、結縷草和菊科植物中的青蒿在不同群落中出現(xiàn)的次數(shù)較多且其重要值相對較大，這表明這幾種植物對礦山廢棄地的生境條件適應能力較強，可以作為植被修復初期的先鋒植物，該結果與秦劍橋等[16]的研究結論一致.

3.2 結論

通過對冷水江錫礦山在不同修復模式下各群落的物種組成、結構和植被多樣性的分析與研究發(fā)現(xiàn)，人工輔助植被修復是實現(xiàn)礦區(qū)植物多樣性恢復的重要途徑.經過前期系統(tǒng)的生態(tài)修復工程，錫礦山地區(qū)植物種類得到了較好的恢復，其中灌木和草本較喬木具有更好的恢復效果.在幾種典型植被修復模式中，鹽膚木群落以鹽膚木+苧麻+五節(jié)芒的人工配置修復模式，較其他模式更有利于提高植物群落的物種多樣性.同時，通過調查確定了大量可適用于錫礦山生態(tài)修復的植物種類，可為其他地區(qū)礦山修復植物的選擇提供參考.