神东矿区不同治理年限典型灌木群落调查与分析

郭玉涛，王 义，曹雪峰，马 宁

(1.黄河水利委员会 黄河上中游管理局，陕西 西安 710021；2.神华神东煤炭集团有限责任公司，陕西 神木 719300)

近年来，我国煤炭生产与消费约占主体能源的70%，煤炭在能源构成中的主体地位不可替代。神东矿区是国家能源战略西移的重点工程，也是我国目前最大的煤炭生产基地和重要的优质动力煤出口基地。矿区地处黄土高原北部与毛乌素沙地交错区，区域生态环境脆弱，土地沙化和水土流失严重。神东公司经过多年潜心治理，恢复和改善了矿区植被。为评估其治理成效，我们从群落物种丰富度、物种个体总数、群落总盖度及物种多样性等方面来分析矿区典型植物群落随治理年限延长而呈现出的发展趋势。

1 群落调查

1.1 调查区概况与调查方法

神东矿区位于陕西省榆林市北部和内蒙古自治区鄂尔多斯市南部，地理坐标为109°51′～110°46′E、38°52′～39°41′N。矿区南北长38～90 km，东西宽5～55 km，地质储量338.8亿t。

在调查范围内选择不同地段，采用样地调查方法，按不同立地条件(包括各种地貌类型、海拔、坡度、坡向、坡位等)设置样地，样地大小为5 m×5 m。在样地内进行植物群落调查。

1.2 调查内容与指标

记录样地所处的地貌类型、海拔、坡度、坡向、坡位等立地条件概况。

调查样地群落的总盖度，记载样地内的植物种名、种类数及每一种的个体数，并对群落水平结构、垂直结构特征进行描述。

记载样地内植物种类的多度。测量样地内各种植物的平均高度，乔木的平均胸径、平均冠幅，灌木的平均地径等生物因子。

2 群落分析

2.1 分析方法

植物群落分析通过植物群落基本特征、植物群落物种多样性和植物群落结构来进行。植物群落基本特征通过物种丰富度(即样地内物种数目)、群落物种个体总数、群落总盖度及优势种来反映；植物群落物种多样性采用Margalef物种丰富度指数、Simpson指数、Shannon-Wiener指数、种间相遇率和Pielou群落均匀度等指标来分析；植物群落结构通过群落水平结构和垂直结构来反映。其中，植物群落物种多样性的计算公式为

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为Margalef物种丰富度指数；S为样地内物种数目；N为样地内物种个体总数；Ni为第i种的个体数；Pi=Ni/N；D为Simpson指数；H′为Shannon-Wiener指数；PIE为种间相遇率；R为Pielou群落均匀度。

2.2 群落基本特征分析

按5、10、15 a 3个治理年限，选取沙棘、沙柳(乌柳)和柠条(柠条锦鸡儿)3种典型灌木群落进行分析。

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。从表1可以看出：治理年限分别为5、10和15 a的沙棘群落物种丰富度变化不大，整体上呈现先增后减的趋势，这可能是由于随着沙棘的迅速生长，群落总盖度急剧增加，林下比较荫蔽，因而导致某些喜阳植物逐渐消失，物种丰富度减少；沙棘群落物种个体总数、总盖度随治理年限延长明显呈现递增的趋势，尤其是在10～15 a之间增加显著，群落总盖度在15 a时达到85%～98%；治理年限为5 a的沙棘群落形成以沙棘为单一优势种或沙棘和多种草本为优势种的灌木林，而治理年限为10和15 a的沙棘群落形成以沙棘和单种草本为优势种或以沙棘为单一优势种的灌木林。可见，治理年限为15 a左右的沙棘群落已经达到水土保持效益最好的时期，群落物种丰富度变化不大，盖度很高，群落逐渐形成以沙棘为单一优势种的灌木林。

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。从表2可以看出：治理年限为5、10和15 a的沙柳群落物种丰富度、物种个体总数、群落总盖度整体上均随治理年限延长呈现递减的趋势，尤其是物种个体总数递减比较明显，这可能是由于沙柳吸水性较强，年限越长吸水性越明显，导致土壤含水量较低，因而导致其他物种个体减少，这反映了物种竞争和适者生存的道理；群落总盖度虽有降低，但变化不显著，5 a时的群落总盖度在45%～55%之间，平均盖度52%，15 a时的群落总盖度在35%～55%之间，平均盖度45%。治理年限为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为优势种的灌木林，而治理年限为15 a的沙柳群落常形成以沙柳为单一优势种的灌木林。可见治理年限为5 a左右的沙柳群落可能是水土保持效益最好的时期，超过5 a则需要对沙柳群落进行人工干预，采取平茬措施，或补植补种其他物种，以阻止群落衰退。这一点印证了沙柳像韭菜一样，具有平茬复壮的生物习性，越割越旺，割过的沙柳3～5 a长成，如果不割掉长成的枝干，那么不到7 a老枝就会逐渐枯死。

表2 不同治理年限沙柳群落基本特征

2.2.3 柠条群落

表3反映了不同治理年限柠条群落的基本特征。从表3可以看出：治理年限为5和10 a的柠条群落物种丰富度变化很小，到了15 a物种丰富度有所增加，整体上物种丰富度呈现递增的趋势；物种个体总数在5～10 a过程中显著增加，到了15 a又有所下降，这可能是由于随着柠条的生长，灌木层盖度明显增加，影响了林下草本植物的生长发育，因而导致物种个体总数减少；群落总盖度在5、10和15 a之间稳步提升，尤其是在10～15 a之间增加较明显，群落总盖度在5 a时为50%～58%，15 a时达到了55%～75%；治理年限为5和10 a的柠条群落形成以柠条为单一优势种或柠条和单种草本为优势种的灌木林，而治理年限为15 a的柠条群落常形成以柠条和单种或多种草本为优势种的灌木林。可见，治理年限为15 a的柠条群落是水土保持效益最好的时期，群落物种丰富度增加，盖度达到75%，群落复杂程度提高。

表3 不同治理年限柠条群落基本特征

注：表中SOC表示“极多”。

2.3 群落物种多样性分析

2.3.1 沙棘群落

表4反映了不同治理年限沙棘群落物种多样性的变化情况。由表4可以看出，物种丰富度指数在治理年限为10 a时最大，随年限延长呈现先增后减的趋势；Simpson指数、Shannon-Wiener指数、种间相遇率和群落均匀度随治理年限延长均呈现递减的趋势。这表明治理年限为10 a的沙棘群落物种丰富度较高，但治理年限为5 a的沙棘群落结构组成更复杂，群落均匀度更高。这可能是由于从5 a到15 a的过程中群落内某几种植物个体数量显著增加，而物种数目有所减少，导致群落均匀度和复杂程度明显降低，因而指数值降低。

表4 不同治理年限沙棘群落物种多样性

另外，从表4中可知，Shannon-Wiener指数的极值差值最大，为1.167 5；群落均匀度的极值差值最小，为0.512 8。总体上来说，不同治理年限沙棘群落的复杂程度相差较大，而群落的均匀度差别较小。

2.3.2 沙柳群落

表5反映了不同治理年限沙柳群落物种多样性的变化情况。由表5可以看出，物种丰富度指数、Simpson指数、Shannon-Wiener 指数、种间相遇率和群落均匀度随治理年限延长均表现出递减的趋势，指数值在治理年限为5 a时最大，15 a时最小。即治理年限为5 a的沙柳群落物种组成更丰富，群落复杂程度和均匀度更高，随着治理年限的延长，群落物种组成越来越简单，群落复杂程度和均匀度越来越低。这表明治理年限从5 a增加到15 a的过程中沙柳群落呈衰退趋势，也验证了沙柳需要平茬的道理。

另外，从表5中可知，物种丰富度指数的极值差值最大，为1.894 8；群落均匀度的极值差值最小，为0.463 4。总体上来说，不同治理年限沙柳群落的物种组成相差较大，而群落的均匀度差别相对较小。

表5 不同治理年限沙柳群落物种多样性

2.3.3 柠条群落

表6反映了不同治理年限柠条群落物种多样性的变化情况。由表6可以看出，物种丰富度指数、Simpson指数、Shannon-Wiener指数、种间相遇率和群落均匀度随治理年限延长表现出一致的规律性，即从5 a到10 a过程中指数值略微减小，从10 a到15 a过程中指数值显著增加，说明治理年限为10 a的柠条群落物种组成、群落复杂程度和均匀度稍有下降，这可能与5 a到10 a过程中群落物种个体总数显著增加有关，此时群落物种丰富度基本没有变化，物种个体的显著增加导致了群落均匀度下降，因此指数值相应下降，但10 a到15 a过程中群落物种个体总数下降，均匀度升高，再加上物种丰富度明显增加，群落物种组成和复杂程度上升，因而指数值也显著增加。这表明治理年限从5 a增加到15 a的过程中柠条群落整体上向良性发展，群落物种组成和结构及群落复杂性和均匀度明显提升。

表6 不同治理年限柠条群落物种多样性

另外，从表6中可知，Shannon-Wiener指数的极值差值最大，为1.158 4；Simpson指数的极值差值最小，为0.365 9。总体上来说，不同治理年限柠条群落的复杂程度相差较大，而群落的物种均匀度差别较小。

2.4 群落结构分析

2.4.1 沙棘群落

治理年限为5、10和15 a的沙棘群落物种丰富度相对稳定，群落物种个体总数在5 a到15 a过程中虽有增加，但变化不大，因此群落内各物种分布比较均匀，群落在水平空间上分化不明显，没有团块状或集群状分布现象，镶嵌性不明显。

治理年限为5、10和15 a的沙棘群落垂直结构基本上分为两层，即灌木层和草本层。治理年限为5 a的沙棘群落草本层主要物种有黑沙蒿(ArtemisiaordosicaKrasch)、角蒿(IncarvilleasinensisLam.)、斜茎黄耆(AstragalusadsurgensPall.)、狗尾草〔Setariaviridis(L.) Beauv.〕、猪毛菜(SalsolacollinaPall.)、紫花苜蓿(MedicagosativaL.)、沙蓬〔Agriophyllumsquarrosum(L.) Moq.〕等。治理年限为10 a的沙棘群落草本层主要物种有白草(PennisetumcentrasiaticumTzvel.)、白茅〔Imperatacylindrica(L.) Beauv.〕、针茅(StipacapillataL.)、黑沙蒿等。到15 a时，沙棘群落草本层主要物种有针茅、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

治理年限为5 a到15 a的沙柳群落物种丰富度和群落物种个体总数显著下降，群落内物种常呈散状分布，不成规模，因此群落在水平空间上分化不明显，没有团块状或集群状分布现象，镶嵌性不明显。

治理年限为5、10和15 a的沙柳群落垂直结构基本上也分为两层，即灌木层和草本层。治理年限为5 a的沙柳群落草本层主要物种有阿尔泰狗娃花〔Heteropappusaltaicus(Willd.) Novopokr.〕、猪毛菜、牛筋草、土荆芥(ChenopodiumambrosioidesL.)、针茅等，灌木层除沙柳外，伴生灌木还有兴安胡枝子〔Lespedezadaurica(Laxm.) Schindl. var.daurica〕。治理年限为10 a的沙柳群落草本层主要物种有土荆芥、狗尾草、黑沙蒿、针茅等，灌木层除沙柳外，伴生灌木还是兴安胡枝子。到15 a时，沙柳群落草本层主要物种有狗尾草、沙蓬、牛筋草等，灌木层基本上为纯沙柳。

2.4.3 柠条群落

治理年限为5和10 a的柠条群落物种丰富度相对稳定，群落物种个体总数在5～10 a过程中显著增加，群落内某几种物种呈现成片集中分布现象，群落在水平空间上分化较明显，镶嵌性较明显。到了15 a，群落物种丰富度增加，但物种个体总数却有所下降，群落内物种成片集中分布现象不明显，镶嵌性不明显。

治理年限为5、10和15 a的柠条群落垂直结构也分为两层，即灌木层和草本层。治理年限为5 a的柠条群落草本层主要物种有针茅、牛筋草、灰蒿(ArtemisiaglaucaPall)、阿尔泰狗娃花、猪毛菜、青蒿等。治理年限为10 a的柠条群落草本层主要物种有阿尔泰狗娃花、猪毛菜、白茅、牛筋草、碱蓬〔Suaedaglauca(Bunge) Bunge〕、针茅、狗尾草、蒙古韭(AlliummongolicumRegel)等。到15 a时，柠条群落草本层主要物种有牛筋草、狗尾草、蒙古韭、白草、阿尔泰狗娃花、猪毛菜、黑沙蒿、土荆芥、平车前(PlantagodepressaWilld.)等。

3 结 论

(1)从群落基本特征分析来看，沙棘群落物种丰富度随治理年限延长表现出先增后减的变化趋势，群落物种个体总数、总盖度随治理年限延长而增加；柠条群落物种丰富度、总盖度随治理年限延长而增加，物种个体总数随治理年限延长表现出先增后减的变化趋势；沙柳群落物种丰富度、物种个体总数、群落总盖度均随治理年限延长而减小。可见，沙棘群落和柠条群落随治理年限延长表现出总体向好的发展趋势，后期基本不需人为干预，群落能表现出良好的水土保持效益；而沙柳群落随治理年限延长表现出总体向差的发展趋势，后期需要人为干预和管理才能发挥群落较好的水土保持效益。

(2)从群落物种多样性分析来看，沙棘群落和沙柳群落的物种多样性从5 a到10 a再到15 a整体呈现递减的变化趋势，而柠条群落物种多样性呈现在5～10 a之间略微降低，在10～15 a之间显著升高的变化趋势。

(3)从群落结构分析来看，治理年限为5、10和15 a的沙棘群落和沙柳群落水平结构上镶嵌性都不明显，而柠条群落在5～10 a过程中镶嵌性较明显，10～15 a过程中镶嵌性不明显；3种灌木植物群落垂直结构上基本都分为两层，即灌木层和草本层。