山东济宁采煤塌陷区新生湿地鸟类群落及多样性研究

张乔勇 袁兴中* 刁元彬 刘 红张冠雄 张梦婕 周李磊 王晓锋

(1.煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室，重庆，400030；2.重庆大学资源及环境科学学院，重庆，400030)

山东济宁采煤塌陷区新生湿地鸟类群落及多样性研究

张乔勇1，2袁兴中1，2*刁元彬1，2刘 红2张冠雄1，2张梦婕1，2周李磊1，2王晓锋1，2

(1.煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室，重庆，400030；2.重庆大学资源及环境科学学院，重庆，400030)

山东济宁采煤导致地表塌陷积水，形成大面积新生湿地。在由农田转变为新生湿地后，处于不同塌陷时期的新生湿地，生物多样性发生明显变化。本文对山东邹城鲍店煤矿6个不同塌陷时间的采煤塌陷新生湿地和临近区域的非塌陷区(对照区)鸟类种类、数量、多样性进行了调查和比较研究。共记录鸟类105种，隶属15目39科，其中留鸟29种，旅鸟45种，冬候鸟5种，夏候鸟26种。研究区域新生湿地鸟类数量、多样性均显著高于对照区，表明采煤塌陷区新生湿地已经成为鸟类(尤其是湿地鸟类)重要的栖息地。分析结果表明，非塌陷区(以农田为主)鸟类以食虫鸟为主；塌陷区生境结构复杂，鸟类以肉食性鸟类和食虫鸟为主，处于不同塌陷时期的新生湿地，其鸟类功能群变化明显。地表塌陷后，由农田向新生湿地发育变化过程中，生境多样性和异质性的增加使得生物多样性大大提升。

采煤塌陷区；新生湿地；鸟类群落结构；多样性

采煤塌陷是地下煤炭采空后导致地表塌陷的一种次生地质灾害。我国作为全球煤炭开采量最大的国家，大面积的采煤塌陷导致矿区地表变形，耕地丧失，地表积水，生态系统结构破坏，同时对采空区居民生命财产安全产生严重威胁[1-2]。在地下水位较高的区域，采煤塌陷后地表下沉积水，陆地生态系统向湿地生态系统转变。煤炭采空后塌陷初期新形成的湿地，我们称为新生湿地。目前，对新生湿地研究主要集中于湿地水环境[3]、土地复垦及利用[4-5]，对新生湿地生态系统演变、生物多样性方面的研究很少。仅有的研究主要针对某些生物类群的调查，如李晓明等对淮北煤矿区塌陷湖水生昆虫群落结构进行调查，表明相对天然湖泊，采煤塌陷形成的封闭湖泊水生昆虫群落结构简单，多样性较低，生态系统较为脆弱[6]。对淮南浅水塌陷区域藻类研究表明，塌陷水体中藻类群落结构单一，其季节变化受水质营养状况影响较大，可成为水体内营养盐及有机物污染水平的指示物种[7-8]。

山东省济宁市是华东乃至全国重要的能源基地，年产原煤达8 000万t[9]，由于长期煤矿开采导致地表塌陷积水，形成大面积新生湿地。鸟类是湿地生态系统的重要组成部分，是反映湿地生态系统变化的重要指示物种[10]。本文选择位于山东省邹城市的兖州矿务集团鲍店煤矿作为研究区域，开展以鸟类为关键类群的生物多样性及其变化研究。通过对不同塌陷时间塌陷区新生湿地和非塌陷农耕对照区鸟类群落的调查和比较，探讨随塌陷时间演进，鸟类群落结构与多样性的动态变化及其与新生湿地环境因子变化之间的相互关系。本文研究可揭示采煤工程灾害影响下塌陷区的生态学变化规律，为采煤灾害管理及生态调控提供科学依据，为采煤塌陷区新生湿地生态系统发育及生物多样性维持机制研究积累本底资料。

1 研究区域概况

研究区域地处山东省鲁西平原中部，济宁市邹城太平镇境内，西邻泗河，地理坐标为E116°47′06″～116°50′13″，N35°23′52″～35°26′12″。总面积1 143.6 hm2，该区域属兖州矿务集团，煤炭开采较早，从70年代初期至今，历经40多年的开采形成了大面积地下采空区。80年代后地表开始下降，形成大面积塌陷水域。该区域地处暖温带，为东亚大陆性季风气候区，年日照时数为2 151～2 596 h，年平均气温为14.1℃。全年无霜期平均为202 d，年平均降水量为771.7 mm，主要集中在6～8月，年最大降水量为1 225.5 mm，年最小降水量为434.4 mm，年际之间和年内各季节的降水极不平衡，历年平均相对湿度64%。

2 研究方法

2.1 研究样地设置

以鲍店煤矿6个不同塌陷时期形成的新生湿地区和邻近尚未塌陷的农耕对照区为研究对象，设置7个样地(图1)，进行鸟类种类、数量、多样性调查。调查区域生境特征见表1。

图1 研究区域地理位置及样地设置Fig.1 The geographical location and sampling sites of the study area

表1 研究样地生境特征

Tab.1 Habitat characteristics of the study area

注：新生湿地中水质清澈，水深多在2～4 m，滩涂生境主要分布于塌陷水域周边

Note：The water in new wetlands is clear and 2-4 meters deep,and the mudflat habitats are mainly distributed around the subsided water areas

2.2 鸟类调查方法

鸟类调查主要采取样点法，每个样地设置3个调查样点，样点之间距离>100 m。调查时，进入预定调查点，使用8×42倍双筒望远镜及20～40倍单筒望远镜进行观察，对观察时间10 min内、半径50 m内看到的鸟类进行记录。2015 ～2016年春(4月)、夏(7月)、秋(10月)、冬(1月)4个季节对研究样地进行鸟类调查，每个季节重复调查3次。每次调查集中在一天中鸟类活跃时段(日出后及日落前2 h)进行[11]。调查中同时记录地表形态、水深、滩涂、植物种类等生境特征。鸟类识别主要参照《中国鸟类野外手册》[12]，鸟类分类参照《中国鸟类分类与分布名录》[13]。

2.3 功能群划分

参照《中国经济动物志——鸟类》[14]，根据鸟类取食的食物资源，将鸟类划分为5种取食功能群：(1)肉食性鸟，取食鱼、螺、贝类及小型脊椎动物等；(2)食虫鸟，取食昆虫；(3)食谷鸟，取食谷物和种子；(4)植食性鸟，取食除植物种子以外的其他植物体；(5)杂食性鸟，取食小型动物、植物体等多种食物类型。

2.4 数据处理

每个调查样地，按照鸟类不同种群数量占鸟类统计总数的百分比(P)来确定优势种和数量级，将P>10%定为优势种；1%

采用Shannon-Wiener指数、Pielou均匀度指数分析不同季节、不同塌陷时间新生湿地鸟类群落结构的差异[16]。计算方法如下：

Shannon-Wiener指数H′=-∑PilnPi

Pielou均匀度指数J=(-∑PilnPi)/lnS

式中，S为总种数；Pi为种i的个体数占总个体数的比例。

用one-way ANOVA对群落数量指标进行差异显著性检验，若差异显著，采用Duncan法进行多重比较，数据采用SPSS 20.0进行统计处理。

3 结果与分析

3.1 群落结构

研究区域共记录鸟类105种，隶属14目38科。调查鸟类中，非雀形目鸟类57种，占鸟类总种数55.3%，以雁鸭类(12种)、鹭类(7种)及鸻鹬类(12种)最多。从居留类型上看，旅鸟45种(占总种数的42%)，留鸟29种(占总种数的28%)，夏候鸟26种(占总种数的25%)，冬候鸟5种(占总种数的5%)。可见，该区域是迁徙鸟类重要停息地。繁殖鸟(留鸟与夏候鸟)55种(占总种数的52%)，是塌陷区鸟类群落的主体，其中黑水鸡(Gallinulachloropus)、凤头(Podicepscristatus)、普通燕鸥(Sternahirundo)在调查中记录的幼鸟及巢穴数量最多。研究区域有国家Ⅱ级保护野生动物8种(占总数的7.4%)，分别为白额雁(Anseralbifrons)、鹗(Pandionhaliaetus)、黑翅鸢(Elanuscaeruleus)、白尾鹞(Circuscyaneus)、普通鵟(Buteojaponicus)、雀鹰(Accipiternisus)、红隼(Falcotinnunculus)及游隼(Falcoperegrinus)；中日候鸟保护协议规定的鸟类有38种(占总数的36%)；中澳候鸟保护协议规定的鸟类有9种(占总数的9%)；列入IUCN红色名录国际极危鸟类(CR)1种-青头潜鸭(Aythyabaeri)；近危(NT)鸟类1种-震旦鸦雀(Paradoxornisheudei)。

据调查，105种鸟类在塌陷区新生湿地中均有分布；对照耕地区共记录鸟类18种，隶属于7目14科。塌陷区与对照区鸟类优势种差异明显，其中对照区中以山斑鸠(Streptopeliaorientalis)、灰喜鹊(Cyanopicacyanus)、家燕(Hirundorustica)、棕头鸦雀(Paradoxorniswebbianus)、麻雀(Passermontanus)为优势种；塌陷区不同样地之间优势种组成不同，其中样地Ⅰ以麻雀为优势种，样地Ⅱ以绿翅鸭(Anascrecca)、山斑鸠、棕头鸦雀为优势种，样地Ⅲ以麻雀为优势种，样地Ⅳ以黑水鸡、骨顶鸡(Fulicaatra)为优势种，样地Ⅴ以黑水鸡、棕头鸦雀为优势种，样地Ⅵ以小(Tachybaptusruficollis)、麻雀为优势种。

3.2 鸟类季节分布特征

4个季节对研究区域鸟类种类及数量调查的结果见表2。

研究表明，塌陷区新生湿地鸟类种类及个体数量均显著高于对照区(P<0.05)。不同塌陷区之间鸟类种类存在显著差异(P<0.05)。如表2 所示，同一季节不同塌陷时间样地之间鸟类种类数相差较大。春季样地Ⅳ种类数最多，夏季样地Ⅳ、Ⅵ种类数最多，秋季样地Ⅴ种类数最多，冬季样地Ⅴ种类数最多，塌陷时间较长的样地鸟类种类较丰富。同一样地不同季节间新生湿地鸟类种类数冬季最少，除样地Ⅳ、Ⅵ外，秋季种类最多。秋季不同塌陷时间样地间，鸟类种类数随塌陷时间推移表现为先降低后增加趋势，冬季则随塌陷时间推移有增加趋势。总体上，塌陷时间较长的样地鸟类种类丰富。

表2 研究区域鸟类种类及数量

Tab.2 Species number and abundance of the study area

不同塌陷区之间鸟类数量存在显著差异(P<0.05)，同一季节不同塌陷时间样地之间鸟类数量相差较大。春季样地Ⅳ鸟类数量最多，鸟类数量以骨顶鸡、普通燕鸥较多。夏季样地Ⅲ鸟类数量最多，以家燕、小、麻雀较多。秋季样地Ⅰ鸟类数量最多，鸟类数量以麻雀、青脚鹬(Tringanebularia)、喜鹊(Picapica)较多。冬季样地Ⅲ鸟类数量最多，鸟类数量以麻雀、小鹀(Emberizapusilla)较多。同一样地不同季节鸟类数量秋冬季节多，春夏季节少。表明新生湿地鸟类数量受季节影响较大。

3.3 鸟类多样性

图2表明，新生湿地区Shannon-Wiener指数除冬季外均高于对照区，夏季塌陷区与对照区差异显著(P<0.05)，表明新生湿地鸟类群落组成及多样性比对照区更为丰富。不同塌陷时间样地之间不存在显著差异(P>0.05)。除冬季外，塌陷区与非塌陷区鸟类均匀度指数不存在显著差异(P>0.05)。冬季样地Ⅳ、Ⅵ均匀度指数显著高于非塌陷对照区(P<0.05)。

图2 鸟类群落Shannon-Wiener指数、Pielou均匀度指数Fig.2 Shannon-Wiener index，Pielou evenness index of avian community

图3 研究区鸟类功能群组成Fig.3 Avian functional feeding groups in study area

3.4 功能群分析

图3表明，塌陷区与对照区鸟类取食功能群的种类组成差异明显。对照区鸟类功能群种类组成以食虫鸟为主，塌陷区生境结构复杂，鸟类功能群组成以肉食性鸟类及食虫为主。不同塌陷区之间，植食性鸟类仅分布于样地Ⅳ、Ⅴ；随着塌陷时间增加，肉食性鸟类种类有下降趋势，食虫鸟种类有上升趋势。样地I中肉食性鸟类种类最为丰富，以鹭类及鸻鹬类涉禽为主；样地V由于缺少滩涂，肉食性鸟类种类最少。

塌陷区与对照区鸟类功能群相对多度差异明显。对照区鸟类功能群相对多度以食虫鸟和食谷鸟为主，塌陷区之间鸟类功能群相对多度差异较大，这与秋冬季节鸟类集群，在不同塌陷区内的取食行为有关。样地Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ有大面积挺水植物，为食谷鸟类提供了充足的食物及适宜的庇护场所，因此食谷鸟类相对多度最大；样地Ⅱ与样地Ⅳ秋冬季352只骨顶鸡集群栖息，因此鸟类功能群相对多度以杂食性鸟类为主；样地Ⅵ鸟类功能群以食虫鸟类数量最为丰富，主要由于周边乔木较多。

4 讨论

4.1 塌陷区鸟类种类数明显高于非塌陷农耕对照区

华北平原是我国重要农耕区，农业开发历史悠久，长期的农业种植导致该区域多为单一的农田景观，其鸟类多样性较为贫乏[17-18]。鸟类群落结构差异对不同环境具有指示作用，鸟类总是选择对自己生存、繁殖最有利的环境，因此，生境结构决定了鸟类群落结构[19]。对照区生境以农田为主，主要种植小麦及玉米，同时镶嵌有少量以杨树为主的林地，生境结构单一。范喜顺等[17]对华北平原耕作区鸟类群落研究表明，麻雀、喜鹊、家燕、戴胜(Upupaepops)、珠颈斑鸠(Spilopeliachinensis)等是平原农耕区优势种；卢全伟等[18]对河南安阳平原农耕区鸟类多样性研究表明，农耕区鸟类以雀形目鸟类为主，且生境分布中以农耕区中的村庄鸟类种类为主，河流水域中鸟类最少。塌陷湿地的形成使塌陷区原有农田生态系统转变为湿地生态系统，调查表明非塌陷农耕对照区鸟类主要以雀形目鸟类为主。相对于对照区，塌陷湿地生境类型复杂多样，有深水、浅水、滩涂等多种生境类型，以及尚未积水但地表已经变形的陆地，加上新生湿地上镶嵌分布的湿地植物群落，使得环境空间异质性极大地提高，为不同生态类群的鸟类提供了栖息生境，鸟类种类丰富。塌陷区新生湿地以非雀形目鸟类为主，优势种为小、绿翅鸭、黑水鸡、棕头鸦雀等湿地鸟类及草丛鸟类。

4.2 不同塌陷时间新生湿地鸟类分布特征

鸟类多样性及其空间分布格局受水域面积、滩涂、湿地植被及周边土地利用类型等多种环境因子影响[20-21]。塌陷区新生湿地在塌陷开始后逐渐形成积水，随着塌陷时间的推移，塌陷深度不断加深，导致不同塌陷时间新生湿地之间生境组成及结构存在差异，并通过鸟类群落结构差异表现出来。根据塌陷时间，新生湿地总体上可分为3组，首先是塌陷时间最短的样地I，在湖泊湿地中水鸟的觅食生境主要为湖泊滩涂和浅水区域[22]，样地I塌陷1 a，生境组成以大面积挺水植物及滩涂为主，同时水位较浅，是鹭科涉禽的集中分布区，且迁徙季节大量鸻鹬类在此停歇觅食，秋季大面积以香蒲吸引了众多雀形目鸟类在此栖息；其次为塌陷时间较接近的样地Ⅱ、Ⅲ，均塌陷15 a以上，但生境结构有差异，样地Ⅱ仍有大面积滩涂生境，以芦苇为主的挺水植物发育良好，因此鸟类组成除以肉食性鸟、食虫鸟为主，震旦鸦雀首次在此记录，且数量较多，样地Ⅲ滩涂生境较少，沉水植物大量发育，鸟类组成中以鸭类为主的杂食性鸟类所占比例较大，研究区域内记录的青头潜鸭仅在此分布；最后1组为塌陷时间较长的样地Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ，均塌陷20 a以上，鸟类组成上存在较大差异，样地Ⅳ生境类型丰富，整体上鸟类以肉食性鸟为主，样地Ⅵ在塌陷后曾整改成为鱼塘，生境组成较单一，以深水及周边种植的林木为主，鸟类以鹭类及雀形目鸟类为主，样地Ⅴ是研究区自然塌陷时间最长的样地，生境组成以水域及湿地植物群落为主，结构复杂，鸟类组成以食虫鸟为主。总体上，不同类型的湿地食物资源分布存在差异，因而影响水鸟的空间分布[23]，随着塌陷时间的逐渐推移，新生湿地鸟类生境结构会发生改变，水位逐渐加深，滩涂比例逐渐下降，鸟类组成由肉食性鸟类为主逐渐演变为肉食性鸟与食虫鸟为主的变化趋势。

4.3 繁殖鸟类与湿地生境及其变化关系

鸟类通过繁殖行为直接参与了湿地生态系统物质循环与能量流动，繁殖鸟类种类及数量的变化是评估湿地生态系统健康及发育程度的重要指标[24]。繁殖鸟的分布与其生境需求密切相关，鸟类倾向于选择自身存活代价低且繁殖成效高的地方营巢，以最大限度地降低天敌捕食、同类干扰和其他不利因素的影响[25]。研究区域共记录繁殖鸟类55种，繁殖鸟类种类及数量丰富。其中凤头、普通燕鸥及黑水鸡在繁殖季节记录到巢穴与幼鸟数量最多，是采煤塌陷区新生湿地重要的繁殖鸟类，它们的成功繁殖说明了新生湿地生态系统能够满足鸟类繁殖所需条件。

研究表明，鸟类的繁殖活动与湿地生境变化密切相关。对营巢材料、食物资源(包括育雏所需优质食物资源)、庇护场所的需求，使得这些繁殖鸟类与新生湿地生态系统的发育紧密关联起来。这些鸟类的繁殖活动及其他行为过程，为湿地植物的发育传播繁殖体，也促进了鱼类、底栖动物等生物类群的扩散。因此，新生湿地中的繁殖鸟类既是湿地发育的重要指示生物，又是湿地生态系统发育演变的重要促进因子。

4.4 采煤塌陷区新生湿地是鸟类重要栖息地

中途停歇地是联系鸟类繁殖地和非繁殖地的枢纽，是鸟类在迁徙路线上补充能量、临时休息及在恶劣天气临时停歇的重要场所，对于鸟类迁徙具有重要意义[26]。鸟类对中途停歇地的选择与中途停歇地的环境密切相关，其中食物资源是影响中途停歇地选择的重要因素。研究区域位于东亚-澳大利西亚候鸟迁徙路线上，鸟类组成以旅鸟为主。从季节上看，鸟类种类总体上春秋季节较多，冬季最少；春秋季节为鸟类迁徙季节，记录的雁鸭类及鸻鹬类迁徙鸟类较多，丰富的沉水植物及大量浅水滩涂为迁徙鸟类提供了充足的食物资源。研究结果表明，采煤塌陷区新生湿地已成为迁徙鸟类重要的中转。

调查中，秋季与冬季在样地Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ中均多次记录到国际极危鸟类青头潜鸭，其中秋季记录数量最多，共71只；冬季样地Ⅲ中记录与红头潜鸭(Aythyaferina)、白眼潜鸭(Aythyanyroca)、骨顶鸡等混群的青头潜鸭23只。青头潜鸭为深水杂食鸟类，多取食沉水植物及鱼虾贝类。历史上，其越冬区主要集中于长江中下游湖泊，随着原有越冬地的丧失，部分青头潜鸭种群选择北方湖泊生境进行越冬，距离研究区域西南20 km处的济宁市太白湖已连续3 a记录青头潜鸭越冬种群。采煤塌陷区新生湿地沉水植物种类丰富，食物资源丰富，研究区域青头潜鸭发现后至今，每个季节调查都有记录，且种群数量远超过太白湖。除研究区域外，整个兖州矿务集团的采煤区域分布有大量的采煤塌陷区，其新生湿地的形成和维持，对于青头潜鸭的保护具有重要意义。

调查表明采煤塌陷区新生湿地生境异质性高，鸟类资源丰富。塌陷区在积水后1 a左右，形成采煤塌陷区新生湿地，它使得地处生物多样性相对贫乏的华北平原的邹城采煤塌陷区成为生物多样性丰富的一个热点区域。该研究结果提示我们，采煤塌陷区域新生湿地对于生物多样性维持和保护具有重要意义。在今后的开发利用中，应加强对新生湿地生物多样性的关注，在保护的前提下，充分发挥新生湿地生物多样性保护、水资源管理、局地气候调节等重要功能。

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The Avian Community Structure and Diversity on Newly Created Wetlands in a Coal Mining Subsidence Area

Zhang Qiaoyong1，2Yuan Xingzhong1，2*Diao Yuanbin1，2Liu Hong2Zhang Guanxiong1，2Zhang Mengjie1，2Zhou Lilei1，2Wang Xiaofeng1，2

(1.State Key Laboratory of Coal Mine Disaster Dynamics and Control， Chongqing University，Chongqing，400030，China；2.College of Resource and Environmental Science，Chongqing University， Chongqing，400030，China)

A large area of new wetlands formed due to surface subsidence and waterlogging in many coal mining areas in Jining City，Shandong Province.In the new wetlands，biological diversity varies during different subsiding periods and plays an important indicator role in ecosystem processes during the shift from farmlands to wetlands.In this study，we surveyed the quantity and diversity of avian species in six new wetlands with different timing of subsidence at Baodian Colliery，Zoucheng，Shandong province.Non-subsiding areas near the new wetlands were also surveyed as controls.During this investigation，we recorded a total of 105 avian species of 15 orders and 39 families，including 29 residents，45 passage migrants，5 winter residents and 26 summer residents.Avian quantity and diversity in the 6 new wetlands were all significantly higher than in control areas，indicating that the new wetlands caused by coal mining subsidence had become important habitats，especially for waterbirds.Compared with non-subsiding areas that mainly supported insectivores，subsiding areas had a more complicated habitat structure that supported carnivores and insectivores.Bird and species numbers of bird ecological guilds on the 6 new wetlands varied with the duration of subsidence.As farmlands developed into new wetlands due to surface subsidence，the greater habitat diversity and heterogeneity，contributed to increased biodiversity.

Coal mining subsidence area；Newly created wetland；Avian community structure；Diversity

稿件运行过程

2017-03-24

修回日期：2017-05-09

发表日期：2017-08-10

Q958.1

A

2310-1490(2017)03-447-08

煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室重点基金(2011DA105287-ZD201402)

张乔勇，男，26岁，硕士研究生；主要从事生态学方面研究。

*通讯作者：袁兴中，E-mail：1072000659@qq.com