胡治遠(yuǎn)，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(xué)院 材料與化學(xué)工程學(xué)院，湖南 益陽 413000；2. 中南林業(yè)科技大學(xué) 湖南省環(huán)境資源植物開發(fā)與利用工程技術(shù)研究中心，長沙 410004；3. 西北農(nóng)林科技大學(xué) 林學(xué)院，陜西 楊凌 712100；4. 湖南林科達(dá)農(nóng)林技術(shù)服務(wù)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(shè)的持續(xù)推進(jìn)，礦山修復(fù)被不斷推進(jìn)，并成為生態(tài)修復(fù)研究工作領(lǐng)域的熱點.礦山修復(fù)不僅僅要關(guān)注土壤環(huán)境質(zhì)量改善，更應(yīng)該關(guān)注生態(tài)系統(tǒng)的功能修復(fù).生物多樣性恢復(fù)是礦山修復(fù)的重要內(nèi)容，也是礦山修復(fù)的目標(biāo)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(fù)與重建的重要特性之一，以生物多樣性為基礎(chǔ)建立礦山修復(fù)工程的效果評價體系是礦山修復(fù)的重要保障[1].對特定區(qū)域下植物群落結(jié)構(gòu)及其多樣性的研究，將有助于認(rèn)識退化生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)過程中物種與環(huán)境因子及物種之間相互作用的關(guān)系和機理，對人工調(diào)控植被修復(fù)進(jìn)程，提升生態(tài)修復(fù)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(shù)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(zhì)量的日益重視，礦山修復(fù)工程被不斷推進(jìn).近年來，諸多礦山修復(fù)工程在錫礦山地區(qū)被實施，植物修復(fù)技術(shù)、植物-微生物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)等被廣泛應(yīng)用[4].上述工程在改善錫礦山環(huán)境污染的同時對當(dāng)?shù)刂参锶郝浣Y(jié)構(gòu)造成了重大影響.不少專家和學(xué)者對錫礦山山地造林模式、造林技術(shù)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(jīng)過人工植被群落構(gòu)建后的植物多樣性如何形成和維持，人工植被修復(fù)如何影響植物多樣性，以及構(gòu)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(fù)模式下植物群落的組成、結(jié)構(gòu)和物種多樣性，探討了不同修復(fù)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(fù)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(jīng)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(fēng)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(chǎn)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(dá)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(zhì)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(yán)重的破壞[9].

1.2 樣地調(diào)查

在對錫礦山植被類型全面考察的基礎(chǔ)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(biāo)準(zhǔn)方法，進(jìn)行典型隨機抽樣調(diào)查.喬木樣方大小設(shè)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(biāo)，同時記錄樣地經(jīng)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(jié)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(jìn)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(jié)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(dá)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(jié)構(gòu)

植被物種調(diào)查結(jié)果(見表3)顯示，不同修復(fù)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(fù)模式植被組成較為簡單.研究組調(diào)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(jìn)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(gòu)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(jié)構(gòu)為：1)馬尾松群落，馬尾松+鹽膚木+金絲草；2)柏樹群落，柏樹+結(jié)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(jié)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(jié)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(fù)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(fù)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(jié)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(chǔ).物種多樣性的喪失將損害生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、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(yù)活動對植被修復(fù)的影響[12].隨著礦產(chǎn)的開采，冷水江錫礦山的土壤環(huán)境污染嚴(yán)重，植物的生長艱難，植被自然恢復(fù)緩慢.該錫礦山植被主要通過人工種植加速自然恢復(fù)的途徑進(jìn)行修復(fù).本研究中柏樹+結(jié)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(jié)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(fù)可以發(fā)揮較好的作用.鹽膚木、苧麻和五節(jié)芒均能適應(yīng)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(jié)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(chǎn)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(jīng)調(diào)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(jié)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(yīng)能力較強，可以作為植被修復(fù)初期的先鋒植物，該結(jié)果與秦劍橋等[16]的研究結(jié)論一致.

3.2 結(jié)論

通過對冷水江錫礦山在不同修復(fù)模式下各群落的物種組成、結(jié)構(gòu)和植被多樣性的分析與研究發(fā)現(xiàn)，人工輔助植被修復(fù)是實現(xiàn)礦區(qū)植物多樣性恢復(fù)的重要途徑.經(jīng)過前期系統(tǒng)的生態(tài)修復(fù)工程，錫礦山地區(qū)植物種類得到了較好的恢復(fù)，其中灌木和草本較喬木具有更好的恢復(fù)效果.在幾種典型植被修復(fù)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(fù)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(diào)查確定了大量可適用于錫礦山生態(tài)修復(fù)的植物種類，可為其他地區(qū)礦山修復(fù)植物的選擇提供參考.