內(nèi)蒙古巴音華煤礦區(qū)自然定居植物群落物種多樣性變化分析

春風(fēng)，趙萌莉，張繼權(quán)，包玉海

內(nèi)蒙古巴音華煤礦區(qū)自然定居植物群落物種多樣性變化分析

春風(fēng)1，2，趙萌莉1*，張繼權(quán)3，包玉海2

1. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)生態(tài)環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018；2. 內(nèi)蒙古師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010022；3. 東北師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院，吉林 長春 130024

為探明礦區(qū)植被恢復(fù)過程中群落演替變化規(guī)律，采用二元指示種分析（TWINSPAN）方法將巴音華礦區(qū)的植物群落進(jìn)行數(shù)量化，同時也運(yùn)用SPDIVERS.BAS物種多樣性分析軟件分析巴音華采礦干擾下的物種多樣性變化，采用Shannon-W iener多樣性指數(shù)、Simpson多樣性指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)、A latalo均勻度指數(shù)、Margalef豐富度和Patrick豐富度分析了物種綜合多樣性、均勻度和豐富度、離礦中心距離的變化。結(jié)果顯示：隨著采礦干擾影響的減弱，物種豐富度顯著升高，均勻性顯著降低，綜合多樣性顯著升高。巴音華礦干擾比較大的110 m處，主要以沙蓬（Agriophyllum squarrosum）等雜草為主；220 m處以糙隱子草（Cleistogenes squarrosa）為主；300～500 m處以冷蒿（Artemisia frigida）為主；離礦中心的660～1 100 m處，植被開始恢復(fù)，主要以羊草（Aneurolepidium chinense）與冰草（Agropyron cristatum）為主。

物種多樣性；自然定居植物；巴音華礦區(qū)；TW INSPAN

引用格式：春風(fēng)， 趙萌莉， 張繼權(quán)， 包玉海. 內(nèi)蒙古巴音華煤礦區(qū)自然定居植物群落物種多樣性變化分析［J］. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報，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.

巴音華煤礦是內(nèi)蒙古的主要煤礦之一，占地510 km2。巴音華礦煤區(qū)曾經(jīng)是一個典型的以草原畜牧業(yè)為主體的純牧業(yè)區(qū)。隨著礦區(qū)建設(shè)的不斷擴(kuò)大，部分草原景觀變?yōu)楣さV地景觀，原來的生態(tài)功能、景觀生態(tài)格局等發(fā)生了顯著變化，對區(qū)域生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了一定的影響。

物種多樣性變化是反映群落變化進(jìn)程中的一個重要指標(biāo)（敖敦高娃等，2015；劉曉娟等，2015；王利清等，2015）。在礦區(qū)的植被恢復(fù)過程中，需要遵循群落演替變化規(guī)律，因此對礦區(qū)群落變化過程的研究具有重要的理論和實(shí)際意義。我國學(xué)者從20世紀(jì)70年代后期開展了植被數(shù)量生態(tài)學(xué)的研究，并開始利用數(shù)量分類及排序技術(shù)（陽含熙等，1981；Whittaker，1985；Whittaker，1986；張金屯，1995），但大多數(shù)研究集中在森林與草原植被方面，而對礦區(qū)植被恢復(fù)中的不同群落物種多樣性指數(shù)研究相對較少，對采礦干擾下的自然定居植物群落物種多樣性的研究（張金屯，1995）更是鮮有報道。

本文通過野外調(diào)查，采用雙向指示種分析法（TW INSPAN）和Shannon-Wiener、Simpson等6個多樣性指數(shù)對巴音華礦區(qū)天然草場群落進(jìn)行了物種多樣性分析，研究礦區(qū)植被恢復(fù)過程中群落6個物種多樣性指數(shù)的變化趨勢，為礦區(qū)植被恢復(fù)提供理論依據(jù)。

1　研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古西烏珠穆沁旗巴音華煤礦區(qū)，是內(nèi)蒙古的優(yōu)質(zhì)動力煤基地，煤炭資源豐富，煤田呈東北-西南方向分布（圖1），長約60 km，寬約8.5 km，煤炭資源儲量14069.96 M t。開采時間較長，1992年正式投產(chǎn)。地理位置介于東經(jīng)118°22′～118°52′，北緯44°45′～45°15′之間。海拔835～1957 m，屬中溫帶大陸性干旱-半干旱草原氣候，冬寒夏熱，年溫差變化較大，極端最高氣溫37.3 ℃，極端最低氣溫-40.7 ℃，年平均氣溫2.2 ℃，多年平均降水量340.4 mm，多年平均蒸發(fā)量為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月為霜凍期，最大凍土深327 cm，春季多風(fēng)，一般為4～9級，以西、北風(fēng)為多，最大風(fēng)速達(dá)20.0 m·s-1。土壤為栗鈣土?？衫锰烊徊輬?96872 km2，草場類型有山地草甸草原、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幾種類型。白音華礦區(qū)開發(fā)建設(shè)過程中，露天開采、清除植被、增建人工生產(chǎn)設(shè)施和生活設(shè)施、剝離物和廢棄物堆置、修筑道路、鐵路等占用大量土地，形成大量的裸露邊坡、取土坑、排土場、廢棄地等一些劣質(zhì)景觀，并形成新的隆起和塌陷地貌，改變了原有草原景觀。

圖1　內(nèi)蒙古巴音華礦區(qū)地理位置Fig. 1　The geographic location of theBayinhua mining area in Inner Mongolia

2　方法

2.1取樣

在研究區(qū)選擇海拔高度、坡度、坡向、土壤狀況等環(huán)境特征基本一致，恢復(fù)階段相同的群落各3個，于2014年生物量高峰期進(jìn)行野外調(diào)查。調(diào)查取樣面積為1 m×1 m，每個重復(fù)分別取3個樣方。每個樣方中記錄植物種類組成、種的蓋度、多度、高度等數(shù)量指標(biāo)。在分析中，使用重要值對某個種在群落中的地位和作用進(jìn)行評價，計算公式如下：

重要值=（相對蓋度+相對高度+相對多度）/3

2.2分析計算

不同植被恢復(fù)處理共設(shè)了18個樣方，記錄81個植物種。物種多樣性指數(shù)選用以下6個指數(shù)，包括2個豐富度指數(shù)，2個均勻度指數(shù)和2個綜合多樣性指數(shù)。

（1）Shannon-Wiener多樣性指數(shù)（H′）

（2）Simpson多樣性指數(shù)（D）

（3）Pielou均勻度指數(shù)（J）

（4）A latalo均勻度指數(shù)（E）

（5）Margalef豐富度（M）

（6）Patrick豐富度（P）

式中，Ni為第i個種在樣方中的重要值，N為樣方中所有種重要值之和，Pi=Ni/N，S為樣方中的植物種數(shù)。

數(shù)量分類采用TW INSPAN（Two-way indica-tor species analysis）。TW INSPAN程序采用人機(jī)對話的方式完成分析過程，可以根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整某些計算步驟（郭華等，2015）。本研究區(qū)草原植被種類構(gòu)成復(fù)雜，在亞優(yōu)勢種不明顯的情況下，對某些環(huán)節(jié)作如下處理：

（1）采用默認(rèn)的假種（Pseudo-species）等級：將樣方物種的重要值按0～0.05、0.05～0.1、0.1～0.9和＞0.9分成4級（Wu et al.，2005）。

（2）選擇分類使用的最大標(biāo)志種數(shù)為10。

（3）樣方分類時為了突出優(yōu)勢種的作用，對4級假種的權(quán)重分別取1、1、1和2。

（4）對不同級別指示種的指示潛力分別賦值為0、0、1和1，即意味著只有重要值大于0.1的物種才有可能被選為指示種。

3　結(jié)果分析

3.1群落的數(shù)量分類

運(yùn)用TWINSPAN軟件分析，將18個礦區(qū)植物樣地分為6組（圖2），參照《中國植被》的分類系統(tǒng)（中國植被編輯委員會，1983），并結(jié)合野外調(diào)查結(jié)果及礦區(qū)中不同植物群落的特征，將礦區(qū)植被劃分為6個類型（表1）。

3.2群落的植物物種多樣性變化

群落中的物種豐富度的變化是群落演替最重要的指標(biāo)，植物多樣性指數(shù)在植被恢復(fù)中的變化見圖3～5。圖3是兩個綜合多樣性指數(shù)——Shannon-W iener指數(shù)和Simpson指數(shù)的變化。隨著植被的恢復(fù)，兩個多樣性指數(shù)都在逐漸升高。回歸分析結(jié)果表明，多樣性指數(shù)變化顯著（表2），并隨著煤礦干擾影響的減弱，物種多樣性增加的趨勢更加明顯。從均勻度來看（圖4），隨植被的恢復(fù)的進(jìn)行，均勻度降低。離礦中心的距離越長，均勻度越低。兩個均勻度指數(shù)（Pielou指數(shù)和A latalo指數(shù)）結(jié)果一致。從圖5可以看出，隨著植被的恢復(fù)，物種豐富度不斷增加，進(jìn)一步的回歸分析也表明物種豐富度與礦干擾之間存在顯著的相關(guān)關(guān)系（表2）。

圖2　TW INSAPN對18個典型樣方的分析圖Fig. 2　TW INSAPN Matrix （plot18×species81）

4　結(jié)論與討論

4.1討論

巴音華礦區(qū)大型露天煤礦的開采造成了大規(guī)模的土地破壞。自然界的植被群落是植物與環(huán)境相互作用的產(chǎn)物，尤其是土壤因子。礦中心的距離，影響著土壤水肥條件。離礦中心越近、被采礦污染越嚴(yán)重的土壤，其物理結(jié)構(gòu)越緊實(shí)、土內(nèi)透氣性越弱、土塊越大而越容易板結(jié)；加之土壤水分少，養(yǎng)分缺失，往往導(dǎo)致土壤活力不高，進(jìn)而限制植物根系下扎，使其難從土中攝取養(yǎng)分，植物生長受到抑制甚至死亡。

研究區(qū)采礦對草原生態(tài)起到了很大的影響，在巴音華礦業(yè)的發(fā)展過程中，采礦活動對群落結(jié)構(gòu)、種類組成和動態(tài)演替的影響是顯而易見的。從圖2看出，采礦等行為的影響導(dǎo)致沙蓬A(yù)griophyllum squarrosum等耐踐踏種的蓋度增大。因此，為了保護(hù)草原生態(tài)，應(yīng)防止過度采礦。

隨著植被的恢復(fù)，植物種類數(shù)量明顯增加，群落結(jié)構(gòu)也趨于復(fù)雜化，物種豐富度顯著提高，說明巴音華礦區(qū)植被恢復(fù)得較好。在離礦中心較近的地區(qū)，主要以沙蓬等雜類草為主；隨著離礦中心的距離變大，植物種類增加，轉(zhuǎn)變?yōu)橐匝虿軱eymus chinensis和大針茅Stipa grandis為主的禾本植物群落。在植被恢復(fù)中，一般建群種和優(yōu)勢種的作用越來越明顯，群落中的均勻度也具有十分明顯的下降趨勢。相比兩個均勻性指數(shù)，Pielou指數(shù)波動較小，趨勢更明顯，而A latalo指數(shù)沿距離波動較大。綜合多樣性指數(shù)是豐富性和均勻性的綜合反映，因此，在豐富性顯著增高而均勻性降低的情況下，綜合多樣性必然有漸高趨勢。本文的結(jié)果正好說明了這一點(diǎn)，這也與張金屯（1999）的結(jié)果相符，即隨著植被的恢復(fù)，物種多樣性逐漸增高。就本研究所采用的多樣性指數(shù)而言，本文結(jié)果說明它們都適合于研究植被恢復(fù)中的多樣性變化。在綜合多樣性指數(shù)中Shannon-Wiener指數(shù)和Simpson指數(shù)均較好地反映了植被恢復(fù)的多樣性變化趨勢。均勻性指數(shù)中Pielou指數(shù)優(yōu)于A latalo指數(shù)，豐富度指數(shù)中Margalef指數(shù)和Patrick指數(shù)均較好地反映了物種豐富性。這也與陳廷貴等（1999）的研究結(jié)果相吻合。

表1　6個植被類型及其主要特征Table 1　Six vegetation types and the main features

圖3　植物物種綜合多樣性變化Fig. 3　Change of species diversities

圖4　物種均勻性變化Fig. 4　Change of species evenness

4.2結(jié)論

（1）運(yùn)用TW INSPAN軟件分析并結(jié)合野外調(diào)查結(jié)果及礦區(qū)中不同植物群落的特征，將礦區(qū)植被劃分為6個類型。巴音華礦干擾比較大的110 m處，主要以沙蓬等雜草為主；220 m處是糙隱子草Cleistogenes squarrosa為主；300～500 m處是冷蒿Artemisia frigida為主；離礦中心的660～1100 m處，植被開始恢復(fù)，主要以羊草與冰草Agropyron cristatum為主。

（2）隨著煤礦干擾影響的減弱，物種多樣性呈明顯增加趨勢，均勻度呈降低趨勢。離礦中心的距離越長，均勻度越低。兩個均勻度指數(shù)（Pielou指數(shù)和A latalo指數(shù)）結(jié)果一致。物種豐富度隨煤礦干擾減弱呈不斷增加趨勢，回歸分析也進(jìn)一步表明了物種豐富度與礦干擾之間存在顯著的相關(guān)關(guān)系。

圖5　物種豐富性變化Fig. 5　Change of species richness

表2　6個群落的物種多樣性指數(shù)數(shù)據(jù)與離礦中心距離進(jìn)行回歸分析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

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41561009）；內(nèi)蒙古自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2014MS0405）

春風(fēng)（1981年生），女（蒙古族），講師，博士研究生，主要從事生態(tài)學(xué)和遙感應(yīng)用方面的研究。E-mail： chunfeng07@126.com *通信作者：趙萌莉（1963年生），女，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事草地生態(tài)學(xué)方面的研究。E-mail： nmgm lzh@126.com

2016-03-14