宣威宝山镇煤矿矿区植物多样性以及群落稳定性评价*

吴训锋，刘强，邢海涛，唐宗英，段利武

(云南林业职业技术学院，云南 昆明 650224)

地下开采是我国矿产资源主要的获取方式，探究地下开采对生态系统的影响是井工矿山可持续发展的需要。炭井开采将会造成生境的破坏、地表的塌陷和裂缝等一系列环境问题[1-2]。

矿区通过植被恢复与重建，可以改善土壤结构、提升土壤肥力，也可以对重金属也起到一定去除作用，进而促使植物群落回到稳定状态[3-4]。目前，对于矿区植被恢复的研究主要集中在恢复技术的提升[5-6]、植被及土壤恢复效果[7]、植被对土壤的改良效果[8]以及植被配置模式[9]等方面，而植被演替阶段植物群落结构与稳定性之间的关系研究较为少见[10]。

群落的稳定性是保证生态系统可持续发展的重要指标[11]，为矿区人工植被恢复提供科学依据。结合群落生态特征进行线性分析的定量化方法能够反映群落整体的稳定性高低[12],M.Godron稳定性测度是目前定量化分析群落稳定性的一种主要方法[12]，稳定性系数的变化可以较清楚地表明植被恢复和演替过程中植物的种间竞争，并在一定程度上体现群落抵抗自然环境压力和人为扰动的能力。本文以云南省宣威市宝山镇的茶园煤矿为研究对象，通过对矿区农田撂荒地自然演替植被和人工种植的不同恢复树种的植被组成特征、物种多样性以及群落稳定性的调查与分析，研究该矿区植被恢复效果及群落的稳定性，探讨群落演替过程，筛选出矿区的矿区植被恢复的优势物种和不同演替阶段的先锋树种，为该区域深井煤矿的植被恢复提供重要的理论依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

茶园煤矿位于云南省宣威市宝山镇，该地区属于亚热带季风气候，海拔为1 900～2 800 m，年平均降雨量1 100 mm，日照时数1 900 h，无霜期180～200 d，年均气温10 ℃，成土母质为玄武岩红壤，表层为棕壤土、红壤土，表层厚10～25 cm[13]。植被类型主要有山地灌草丛、高山草甸等，山地灌草丛群落中主要植物种类有火绒草(Leontopodiumleontopodiodes)、西南委陵菜(Potentillafulyens)、戟叶酸模(Rumexhastatus)、锈叶杜鹃(Rhododendronsiderophyllm)、画眉草(Eragrostisnigra)、大籽獐芽菜(Swertiamacrosperma)、大车前(Plantagomajor)等[13]。茶园煤矿为深井采挖矿井，矿区植被大部分区域为撂荒的农田经自然恢复而成的灌草植被，另外矿区还种植了云南松(Pinusyunnanensis)+华山松(P.armandii)混交林、滇杨(Populusyunnanensis)、柳杉(Cryptomeriajaponicavar.sinensis)以及杉木(Cunninghamialanceolata)作为植被恢复的人工林。其中农田撂荒至今已有10～15 a，人工林种植年限已达30 a。

1.2 野外植被的调查与取样

对茶园煤矿开展野外实地植被调查，依据《环境影响评价技术导则 生态影响》(生态环境部发布)的要求，在整个矿区的灌草植被中随机选取8个斑块设置5 m×5 m的样方，而对于人工林的植被类型则各随机选取3个斑块设置20 m×20 m 的样方，共计20个样方。记录每个固定样方的经纬度和海拔信息，以及记录样方内出现的植物的种类、株数、盖度以及乔木树种的胸径、树高，以及坡度、坡向等信息。

1.3 数据处理

1.3.1 群落多样性

群落多样性是描述群落功能和稳定性的重要指标，在一定程度上反映了群落的结构和特征[14]。本研究选取Alpha多样性指数分析群落的多样性，常用的指标有：Margalef物种丰富度指数(DMG)、Shannon -Wiener多样性指数(H)、Pielou均匀度指数(J)、Simpson优势度指数(D)来进行计算[15]。

(1)Margalef 物种丰富度指数(DMG)

式中：DMG为Margalef 物种丰富度指数，S为调查区域内物种种类总数，N为调查区域内所有植物种类的个体数总和。

(2)Shannon-Wiener多样性指数

式中：H’为Shannon-Wiener多样性指数；S为调查区域内物种种类总数；Pi为调查区域内属于第i种的个体比例，如总个体数为N，第i种个体数为ni，则Pi=ni/N。

(3)Pielou均匀度指数

式中：J为Pielou均匀度指数，S为调查区域内物种种类总数，Pi为调查区域内属于第i种的个体比例。

(4)Simpson 优势度指数(D)

式中：D为Simpson优势度指数，S为调查区域内物种种类总数，Pi为调查区域内属于第i种的个体比例。

1.3.2 群落稳定性

本研究中采用M.Godron法来计算群落稳定性[12]。群落中所有植物物种按频度大小进行排序，并计算其相对频度，将总种数的倒数和相对频度进行累积，用百分数表示；以植物种倒数的累积百分数为x轴，以相对频度的累积百分数为y轴，建立曲线图，使之与直线y=100-x相交，其交点(x，y)即为稳定性参考点。交点坐标与点(20，80)的距离称为欧式距离，该距离越小说明植物群落越稳定，越大则越不稳定。计算方程如下。

种累积百分数(X)X=m/S

平滑曲线拟合方程y=ax3+bx2+cx+d

直线方程y=100-x

式中：m为第m个物种；S为群落中植物种数；Ci为第i个物种的相对盖度。根据实际情况，求得平滑曲线与直线的交点，舍弃无效值，得到的交点坐标(x，y)。

本文采用Pearson和Spearman相关系数分析群落稳定性与群落多样性指数之间的相关性，统计分析软件使用SPSS Statistics 20。

2 结果与分析

2.1 茶园煤矿植物群落特征

2.1.1 茶园煤矿植物群落物种组成

调查结果显示，茶园矿区植被类型可以分为自然恢复的灌草植被类型和人工种植林两大类，其中人工林分为：云南松+华山松林、柳杉林、滇杨林、杉木林四种类型。不同植被类型的植物物种组成情况详述如下。

(1)整个煤矿区 该煤矿分布的原生植物有83种，隶属41科，主要以蔷薇科(Rosaceae)(10种)、杜鹃花科(Ericaceae)(10种)、菊科(9种)(Asteraceae)、禾本科(Poaceae)(8种)为主。从生活型来看，草本植物46种，灌木植物30种、 乔木植物7种。另外，从物种的分布情况来看，草本类群主要以青蒿(Artemisiacarvifolia)、雀稗(Paspalumthunbergii)、白茅(Imperatacylindrica)、茅叶荩草(Arthraxonprionodes)、丝毛雀稗(Paspalumurvillei)为主，重要值分别为38.690、31.022、22.168、22.145、18.164；灌木类群主要以金丝桃(Hypericummonogynum)、珍珠荚蒾(Viburnumfoetidumvar.ceanothoidesum)、珍珠花(Lyoniaovalifolia)、小叶栒子(Cotoneastermicrophyllus)为主，其重要值分别为13.836、7.462、6.019、5.820；乔木类群在矿区只是零星分布，重要值都很低。茶园矿区调查植物的具体信息见表1。

(2)灌草植被群落物种组成 灌草植被类型在矿区所占的面积最大，是前期农田的撂荒地演替而来。物种种类多达46种，其中草本植物以青蒿、雀稗、白茅、丝毛雀稗、尖裂假还阳参(Crepidiastrumsonchifolium)、拟金茅(Eulaliopsisbinata)、茅叶荩草、黄茅(Heteropogoncontortus)为主，其重要值分别为：42.836、39.783、26.155、16.685、13.419、11.761、10.746、10.064；灌木类植物以金丝桃、珍珠花、截叶铁扫帚(Lespedezacuneata)、小叶栒子为主，重要值分别为16.928、6.769、5.785、5.655。

(3)云南松+华山松(人工林)群落物种组成 云南松+华山松人工林下调查结果显示，植物种类非常丰富，数量多达49种，其中乔木树种除了云南松、华山松之外，还有响叶杨(Populusadenopoda)、亮叶桦(Betulaluminifera)、滇青冈(Cyclobalanopsisglaucoides)以及高山锥(Castanopsisdelavayi)，但是这些原生的乔木树种在云南松+华山松人工林下零星分布，数量很少，因此重要值都偏低(表1)；而灌木类群植物以云南杨梅(Myricanana)、小叶栒子、珍珠花、野丁香、珍珠荚蒾为主，其重要值分别为19.153、9.549、9.327、7.591、6.448；草本植物类群主要以丝毛雀稗、雀稗、喜冬草(Chimaphilajaponica)、石松(Lycopodiumjaponicum)为主，其重要值分别为：43.177、22.022、14.092、8.599。

(4)柳杉人工林群落物种组成 调查数据显示，柳杉林下植物物种的种类有14种，其中：乔木有1种，漆树(Toxicodendronvernicifluum)，其重要值为10.055；灌木类群有6种，主要以珍珠荚蒾、金丝桃为主，其重要值分别为10.447、10.004；草本类群有7种，主要以茅叶荩草、毛花雀稗(Paspalumdilatatum)、长叶凤尾蕨(Pterislongipinna)、蹄盖蕨(Athyriumsinense)为主，其重要值分别为77.135、20.647、18.165、13.485。

表1 茶园矿区植物种类以及相关信息Tab.1 The species information and important value(IV)of plant species in Chayuan coal mine

续表1

(5)滇杨人工林群落物种组成 在滇杨林下，植物种类数量为24种，其中乔木树种除滇杨之外，还有逸生的胡桃(Juglansregia)零星地分布在林下；灌木类群有9种，以珍珠荚蒾、金丝桃为主，其重要值分别为15.895、12.587；而草本类群有13种，主要以青蒿、茅叶荩草、雀稗、白茅、长叶凤尾蕨为主，其重要值分别为41.211、39.099、25.435、24.655、17.013。

(6)杉木人工林群落物种组成 调查结果显示，杉木林下植物种类仅有6种，其中乔木树种有漆树零星分布其中，而草本类群有5种，分别为青蒿、白茅、蹄盖蕨、长叶凤尾蕨、千里光(Senecioscandens)，重要值分别为76.738、23.579、21.926、21.192、11.856。

2.2 矿区不同植被类型的物种多样性

调查结果显示(表2)，整个矿区物种的数量多达83种，Margalef物种丰富度指数(DMG)为8.102 2，Shannon-Wiener多样性指数(H)为 2.826 5。从多样性指数来看，均高于非矿区群落的植物多样性，但群落的稳定性方面(J=0.639 6)稍微低于非矿区植被群落(J=0.655 4)。另外，矿区不同的植被类群多样性指数显著不同，其中Margalef物种丰富度指数(DMG)依次为：云南松+华山松林(DMG=5.675 5)>灌草植被(DMG=4.783 7)>滇杨林(DMG= 2.667 4)>柳杉林(DMG=1.846 5)>杉木林(DMG=0.802 2)，表明在云南松+华山松人工林内物种的种类多样性最高(49种)，依次为灌草植被(46种)、滇杨林(24种)、柳杉林(15种)，而在杉木林内最少，仅有7种。Shannon-Wiener 多样性指数(H)依次为：云南松+华山松林(H=2.729 8)>灌草植被(H=2.468 0)>滇杨林(H=2.197 8)>柳杉林(H=1.566 5)>杉木林(H=1.191 7)，表明物种的多样性与环境的异质性呈正相关，环境异质性越高，群落内物种的种类越丰富。Pielou均匀度指数(J)依次为：云南松+华山松林(J=0.701 4)>滇杨林(J=0.691 5)>灌草植被(J=0.644 6)>杉木林(J=0.612 4)>柳杉林(J=0.578 4)，结果表明，云南松+华山松林的群落最为稳定，而柳杉林群落的稳定性最差。Simpson 优势度指数(D)依次为：云南松+华山松林(D=0.881 1)>灌草植被(D=0.877 4)>滇杨林(D=0.845 6)>柳杉林(D=0.687 8)>杉木林(D=0.604 8)，结果显示，在云南松+华山松林、灌草植被、滇杨林都有明显的优势物种。

表2 茶园煤矿不同植被类型的多样性指数Tab.2 Species diversity index of different vegetation types in Chayuan coal mine

图1 茶园煤矿矿区M.Godron群落稳定性拟合曲线Fig.1 M.Godron stability simulated curves of Chayuan coal mine

2.3 矿区不同植被类型的群落稳定性

茶园矿区植物群落M.Godron 稳定性拟合曲线(图1，表3)可知，矿区整体植被群落欧式系数为1.31，群落稳定性最高，而灌草植被欧氏距离为5.72、云南松+华山松欧氏距离为3.95、柳杉林欧氏距离为12.07、滇杨林欧氏距离为2.06、杉木林欧氏距离为6.85，由此可得矿区不同的植被群落稳定性依次为：滇杨林>云南松+华山松>灌草植被>杉木林>柳杉林。

通过对矿区5个不同群落的稳定性与Shannon-Weiner多样性指数、Margalef物种丰富度指数进行相关性检验，结果显示：无论是Pearson还是Spearman检验，均未表现出两者之间具有任何相关性(P>0.05)，表明该矿区不同植物群落的稳定性并未随着物种多样性的高低而产生相关的变化。

表3 茶园矿区植被群落的稳定性Tab.3 The community stability of Chayuan coal mine

3 讨论与结论

3.1 讨论

(1)矿区植被群落特征变化 优势种的更替反映了矿区植被恢复过程中群落生态系统结构与功能的变化特征，恢复群落逐渐向矿区特有群落类型进行演替，说明群落向更稳定的方向发展[16]。茶园煤矿地处云南省曲靖市，属于亚热带季风气候。研究结果显示，现演替阶段主要以草本和灌木为主，其草本主要以菊科、禾本科类群为主，灌木以蔷薇科、杜鹃花科物种为主。若没有其他因素的干扰、破坏，矿区植被会逐年自行恢复，自然演替至稳定群落。

(2)矿区植物群落稳定性变化 从目前的调查结果来看，茶园煤矿植被类型主要以撂荒地灌草植被为主，但是M.Godron稳定性的欧氏距离并非最小，群落稳定性低于云南松+华南松人工林和滇杨人工林，但高于柳杉林和杉木林人工林。主要原因是从群落稳定性来看，森林生态系统层次和结构远比其他生态系统复杂，系统内部各组分间的反馈及自我调节能量较大，稳定性较高[17]。因此，矿区大面积的灌草植被(撂荒地)如果没有外界的干扰，将随着恢复年限的增加，优势种更替明显，物种多样性下降，群落将逐步趋于稳定。同时，从矿区植被恢复的角度来看，人工林的选择还是非常重要，云南松、华山松、滇杨等本土的树种作为当地植被恢复树种，其林内物种的多样性和稳定性要远远高于柳杉林和杉木林。

(3)物种多样性与群落稳定性的关系 一般认为群落的结构越复杂，物种多样性越高，群落也越为稳定，并把群落多样性作为其稳定性的一个重要尺度[18]。但是，也有学者认为物种多样性并非与稳定性呈线性相关[19-20]，主要原因是物种多样性导致稳定性的驱动力并不在于物种多样性的本身，而是群落包含物种或功能群的能力。从矿区群落多样性与稳定性的相关性分析结果可知，该地区群落物种多样性与稳定性之间并没有显著的相关性。

本研究区域为矿区，生态环境较为脆弱，主要的自然演替灌草植被类型也是由撂荒地演替而来，目前还处于演替的初级阶段，植物种类稀少并未形成成熟的功能群。另外，人工林中本土物种云南松+华山松林内物种多样性是最高，但群落稳定性却低于滇杨林。这说明该矿区群落的稳定性是与多种因素密切相关，单纯的采用物种多样性来说明群落的稳定性尚存在一定的不足之处，尤其是处于群落的构建初期阶段。

3.2 结论

(1)茶园煤矿植被自然群落目前的恢复过程中以草本植物为主，其中菊科(青蒿、尖裂假还阳参)和禾本科植物(雀稗、白茅、丝毛雀稗、拟金茅、茅叶荩草、黄茅)物种占据主要地位，而灌木类群以金丝桃、珍珠花、截叶铁扫帚、小叶栒子为主。随着恢复年限的增加，多年生植物比例增加，当地乔木树种如响叶杨、亮叶桦、滇青冈等在植被恢复与演替的过程中逐渐成为优势种，群落演替也会趋于稳定。

(2)今后的矿区以及周边区域开展人工植被恢复时，禾本科、菊科植物作为建群种可优先选择，金丝桃、珍珠荚蒾、珍珠花、小叶栒子等适应性较强的本土灌木类群作为伴生种进行植被恢复会在一定程度上促进群落演替进程，提高群落稳定性，达到更好的植被恢复效果。

(3)宣威地区种植着大面积的经济林木，就茶园煤矿植被调查显示，本地物种如云南松、华山松、滇杨的林内生物多样性和群落稳定性远高于柳杉、杉木林。所以，今后在该地矿区种植人工林时，尽量选择本土树种。