内蒙古巴音华煤矿区自然定居植物群落物种多样性变化分析

春风，赵萌莉，张继权，包玉海

内蒙古巴音华煤矿区自然定居植物群落物种多样性变化分析

春风1，2，赵萌莉1*，张继权3，包玉海2

1. 内蒙古农业大学生态环境学院，内蒙古 呼和浩特 010018；2. 内蒙古师范大学地理科学学院，内蒙古 呼和浩特 010022；3. 东北师范大学环境学院，吉林 长春 130024

为探明矿区植被恢复过程中群落演替变化规律，采用二元指示种分析（TWINSPAN）方法将巴音华矿区的植物群落进行数量化，同时也运用SPDIVERS.BAS物种多样性分析软件分析巴音华采矿干扰下的物种多样性变化，采用Shannon-W iener多样性指数、Simpson多样性指数、Pielou均匀度指数、A latalo均匀度指数、Margalef丰富度和Patrick丰富度分析了物种综合多样性、均匀度和丰富度、离矿中心距离的变化。结果显示：随着采矿干扰影响的减弱，物种丰富度显著升高，均匀性显著降低，综合多样性显著升高。巴音华矿干扰比较大的110 m处，主要以沙蓬（Agriophyllum squarrosum）等杂草为主；220 m处以糙隐子草（Cleistogenes squarrosa）为主；300～500 m处以冷蒿（Artemisia frigida）为主；离矿中心的660～1 100 m处，植被开始恢复，主要以羊草（Aneurolepidium chinense）与冰草（Agropyron cristatum）为主。

物种多样性；自然定居植物；巴音华矿区；TW INSPAN

引用格式：春风， 赵萌莉， 张继权， 包玉海. 内蒙古巴音华煤矿区自然定居植物群落物种多样性变化分析［J］. 生态环境学报，2016， 25（7）： 1211-1216.

CHUN Feng， ZHAO Mengli， ZHANG Jiquan， BAO Yuhai. Analysis on Diversity Changes in Naturally Colonized Plant Communities of the Bayinhua M ining Area in Inner Mongolia ［J］. Ecology and Environmental Sciences， 2016， 25（7）： 1211-1216.

巴音华煤矿是内蒙古的主要煤矿之一，占地510 km2。巴音华矿煤区曾经是一个典型的以草原畜牧业为主体的纯牧业区。随着矿区建设的不断扩大，部分草原景观变为工矿地景观，原来的生态功能、景观生态格局等发生了显著变化，对区域生态环境产生了一定的影响。

物种多样性变化是反映群落变化进程中的一个重要指标（敖敦高娃等，2015；刘晓娟等，2015；王利清等，2015）。在矿区的植被恢复过程中，需要遵循群落演替变化规律，因此对矿区群落变化过程的研究具有重要的理论和实际意义。我国学者从20世纪70年代后期开展了植被数量生态学的研究，并开始利用数量分类及排序技术（阳含熙等，1981；Whittaker，1985；Whittaker，1986；张金屯，1995），但大多数研究集中在森林与草原植被方面，而对矿区植被恢复中的不同群落物种多样性指数研究相对较少，对采矿干扰下的自然定居植物群落物种多样性的研究（张金屯，1995）更是鲜有报道。

本文通过野外调查，采用双向指示种分析法（TW INSPAN）和Shannon-Wiener、Simpson等6个多样性指数对巴音华矿区天然草场群落进行了物种多样性分析，研究矿区植被恢复过程中群落6个物种多样性指数的变化趋势，为矿区植被恢复提供理论依据。

1　研究区概况

研究区位于内蒙古西乌珠穆沁旗巴音华煤矿区，是内蒙古的优质动力煤基地，煤炭资源丰富，煤田呈东北-西南方向分布（图1），长约60 km，宽约8.5 km，煤炭资源储量14069.96 M t。开采时间较长，1992年正式投产。地理位置介于东经118°22′～118°52′，北纬44°45′～45°15′之间。海拔835～1957 m，属中温带大陆性干旱-半干旱草原气候，冬寒夏热，年温差变化较大，极端最高气温37.3 ℃，极端最低气温-40.7 ℃，年平均气温2.2 ℃，多年平均降水量340.4 mm，多年平均蒸发量为1760.8 mm，雨季主要集中在每年6—9月份，占全年降水量的81.8%。每年9月份至翌年5月为霜冻期，最大冻土深327 cm，春季多风，一般为4～9级，以西、北风为多，最大风速达20.0 m·s-1。土壤为栗钙土。可利用天然草场196872 km2，草场类型有山地草甸草原、低山丘陵草甸草原、低山丘陵典型草原、半荒漠草原、河泛地湖盆低地草甸等几种类型。白音华矿区开发建设过程中，露天开采、清除植被、增建人工生产设施和生活设施、剥离物和废弃物堆置、修筑道路、铁路等占用大量土地，形成大量的裸露边坡、取土坑、排土场、废弃地等一些劣质景观，并形成新的隆起和塌陷地貌，改变了原有草原景观。

图1　内蒙古巴音华矿区地理位置Fig. 1　The geographic location of theBayinhua mining area in Inner Mongolia

2　方法

2.1取样

在研究区选择海拔高度、坡度、坡向、土壤状况等环境特征基本一致，恢复阶段相同的群落各3个，于2014年生物量高峰期进行野外调查。调查取样面积为1 m×1 m，每个重复分别取3个样方。每个样方中记录植物种类组成、种的盖度、多度、高度等数量指标。在分析中，使用重要值对某个种在群落中的地位和作用进行评价，计算公式如下：

重要值=（相对盖度+相对高度+相对多度）/3

2.2分析计算

不同植被恢复处理共设了18个样方，记录81个植物种。物种多样性指数选用以下6个指数，包括2个丰富度指数，2个均匀度指数和2个综合多样性指数。

（1）Shannon-Wiener多样性指数（H′）

（2）Simpson多样性指数（D）

（3）Pielou均匀度指数（J）

（4）A latalo均匀度指数（E）

（5）Margalef丰富度（M）

（6）Patrick丰富度（P）

式中，Ni为第i个种在样方中的重要值，N为样方中所有种重要值之和，Pi=Ni/N，S为样方中的植物种数。

数量分类采用TW INSPAN（Two-way indica-tor species analysis）。TW INSPAN程序采用人机对话的方式完成分析过程，可以根据实际情况调整某些计算步骤（郭华等，2015）。本研究区草原植被种类构成复杂，在亚优势种不明显的情况下，对某些环节作如下处理：

（1）采用默认的假种（Pseudo-species）等级：将样方物种的重要值按0～0.05、0.05～0.1、0.1～0.9和＞0.9分成4级（Wu et al.，2005）。

（2）选择分类使用的最大标志种数为10。

（3）样方分类时为了突出优势种的作用，对4级假种的权重分别取1、1、1和2。

（4）对不同级别指示种的指示潜力分别赋值为0、0、1和1，即意味着只有重要值大于0.1的物种才有可能被选为指示种。

3　结果分析

3.1群落的数量分类

运用TWINSPAN软件分析，将18个矿区植物样地分为6组（图2），参照《中国植被》的分类系统（中国植被编辑委员会，1983），并结合野外调查结果及矿区中不同植物群落的特征，将矿区植被划分为6个类型（表1）。

3.2群落的植物物种多样性变化

群落中的物种丰富度的变化是群落演替最重要的指标，植物多样性指数在植被恢复中的变化见图3～5。图3是两个综合多样性指数——Shannon-W iener指数和Simpson指数的变化。随着植被的恢复，两个多样性指数都在逐渐升高。回归分析结果表明，多样性指数变化显著（表2），并随着煤矿干扰影响的减弱，物种多样性增加的趋势更加明显。从均匀度来看（图4），随植被的恢复的进行，均匀度降低。离矿中心的距离越长，均匀度越低。两个均匀度指数（Pielou指数和A latalo指数）结果一致。从图5可以看出，随着植被的恢复，物种丰富度不断增加，进一步的回归分析也表明物种丰富度与矿干扰之间存在显著的相关关系（表2）。

图2　TW INSAPN对18个典型样方的分析图Fig. 2　TW INSAPN Matrix （plot18×species81）

4　结论与讨论

4.1讨论

巴音华矿区大型露天煤矿的开采造成了大规模的土地破坏。自然界的植被群落是植物与环境相互作用的产物，尤其是土壤因子。矿中心的距离，影响着土壤水肥条件。离矿中心越近、被采矿污染越严重的土壤，其物理结构越紧实、土内透气性越弱、土块越大而越容易板结；加之土壤水分少，养分缺失，往往导致土壤活力不高，进而限制植物根系下扎，使其难从土中摄取养分，植物生长受到抑制甚至死亡。

研究区采矿对草原生态起到了很大的影响，在巴音华矿业的发展过程中，采矿活动对群落结构、种类组成和动态演替的影响是显而易见的。从图2看出，采矿等行为的影响导致沙蓬Agriophyllum squarrosum等耐践踏种的盖度增大。因此，为了保护草原生态，应防止过度采矿。

随着植被的恢复，植物种类数量明显增加，群落结构也趋于复杂化，物种丰富度显著提高，说明巴音华矿区植被恢复得较好。在离矿中心较近的地区，主要以沙蓬等杂类草为主；随着离矿中心的距离变大，植物种类增加，转变为以羊草Leymus chinensis和大针茅Stipa grandis为主的禾本植物群落。在植被恢复中，一般建群种和优势种的作用越来越明显，群落中的均匀度也具有十分明显的下降趋势。相比两个均匀性指数，Pielou指数波动较小，趋势更明显，而A latalo指数沿距离波动较大。综合多样性指数是丰富性和均匀性的综合反映，因此，在丰富性显著增高而均匀性降低的情况下，综合多样性必然有渐高趋势。本文的结果正好说明了这一点，这也与张金屯（1999）的结果相符，即随着植被的恢复，物种多样性逐渐增高。就本研究所采用的多样性指数而言，本文结果说明它们都适合于研究植被恢复中的多样性变化。在综合多样性指数中Shannon-Wiener指数和Simpson指数均较好地反映了植被恢复的多样性变化趋势。均匀性指数中Pielou指数优于A latalo指数，丰富度指数中Margalef指数和Patrick指数均较好地反映了物种丰富性。这也与陈廷贵等（1999）的研究结果相吻合。

表1　6个植被类型及其主要特征Table 1　Six vegetation types and the main features

图3　植物物种综合多样性变化Fig. 3　Change of species diversities

图4　物种均匀性变化Fig. 4　Change of species evenness

4.2结论

（1）运用TW INSPAN软件分析并结合野外调查结果及矿区中不同植物群落的特征，将矿区植被划分为6个类型。巴音华矿干扰比较大的110 m处，主要以沙蓬等杂草为主；220 m处是糙隐子草Cleistogenes squarrosa为主；300～500 m处是冷蒿Artemisia frigida为主；离矿中心的660～1100 m处，植被开始恢复，主要以羊草与冰草Agropyron cristatum为主。

（2）随着煤矿干扰影响的减弱，物种多样性呈明显增加趋势，均匀度呈降低趋势。离矿中心的距离越长，均匀度越低。两个均匀度指数（Pielou指数和A latalo指数）结果一致。物种丰富度随煤矿干扰减弱呈不断增加趋势，回归分析也进一步表明了物种丰富度与矿干扰之间存在显著的相关关系。

图5　物种丰富性变化Fig. 5　Change of species richness

表2　6个群落的物种多样性指数数据与离矿中心距离进行回归分析Table 2　Regression analysis between six species community diversity index data and the mine distance from the center

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Analysis on Diversity Changes in Naturally Colonized Plant Communities of the Bayinhua M ining Area in Inner M ongolia

CHUN Feng1，2， ZHAO Mengli1， ZHANG Jiquan3， BAO Yuhai2
1. College of Ecology and Environment， Inner Mongolia Agricultural University， Hohhot 010018， China；2. College of Geographical Science， Inner Mongolia NormalUniversity， Hohhot 010022， China；3. College of U rban and Environmental Sciences， Northeast Normal University， Changchun 130024， China

In order to figure out community succession variation of vegetation restoration in m ining area， this article used TWINSPAN method for quantity division of natural plant community and species diversity of software SPDIVERS. BAS is used for analyzing the species diversity of mining interference in Bayinhua. Shannon-Wiener diversity index， Simpson diversity index， Pielou index， A latalo evenness index， Margalef richness and Patrick richness were selected to analyze the change of species richness，evenness and diversity in the distance from the mining center. The results showed that w ith the decline of mining interference， the species richness increased significantly， the evenness significantly reduced and the comprehensive diversity increased significantly. M ining interference in the 110meters distance from m ining center is mainly Agriophyllum squarrosum etc， the 220 m distance is mainly Cleistogenes squarrosa， the 300～500 m distance is mainly Artem isia frigida.In the distance of 600～1 100 m， vegetation began to recover， is mainly Leymus chinensis and Agropyron cristatum.

species diversity； naturally colonized plants； the Bayinhua m ining area； TW INSPAN

10.16258/j.cnki.1674-5906.2016.07.017

X173； P951

A

1674-5906（2016）07-1211-06

国家自然科学基金项目（41561009）；内蒙古自然科学基金项目（2014MS0405）

春风（1981年生），女（蒙古族），讲师，博士研究生，主要从事生态学和遥感应用方面的研究。E-mail： chunfeng07@126.com *通信作者：赵萌莉（1963年生），女，教授，博士生导师，主要从事草地生态学方面的研究。E-mail： nmgm lzh@126.com

2016-03-14