中條山銅尾礦壩自然定居草本植物群落特征

侯力蓉, 張 鸞, 李素清

(山西大學黃土高原研究所,030006,太原)

尾礦是由采礦活動而產生的對環境破壞最嚴重持續時間最長的產物之一,暴露的尾礦通過風成散布和水侵蝕擴散,對大氣、生態環境以及人體健康都有極大的危害[1-2]。銅尾礦中含有大量銅、鉛、砷、鎘等重金屬,未有效處理的尾礦堆放導致重金屬長期堆積并遷移擴散,最終在土壤中累積,通過雨水滲透等多種途徑使污染物在周邊水體和土壤中釋放,不僅破壞生態系統,對周圍居民的生產生活也造成極大的威脅[3]。因此,對尾礦壩的生態環境治理迫在眉睫。植被恢復對土壤物理性質、化學性質、生物性質均有影響,可以提高土壤水穩性團聚體含量,改善土壤結構;增加土壤養分含量,降低重金屬含量;增加土壤中微生物多樣性等,還可以促進礦區生態系統的恢復,是治理礦區污染的有效方法[4]。由于尾礦壩土壤板結、有機質含量低、重金屬含量高等原因使得自然植被恢復較為困難[5],研究礦區尾礦壩自然植被恢復規律,篩選適宜未來礦區生態恢復的植物種類對加速礦區人工生態恢復具有較重要的意義[6]。袁鑫奇等[7]篩選出野艾蒿(Artemisiaargyi)、狗牙根(Cynodondactylon)等9種植物作為治理會澤鉛鋅礦區重金屬污染的優勢植物種;陳皓等[8]對撫順西露天礦區的研究挑選出榆樹(Ulmuspumila)和刺槐(Robiniapseudoacacia)等8種優勢植物種;葉文玲等[9]指出治理銅陵銅尾礦可選用蘇木藍(Indigoferacarlesii)、續斷菊(Sonchusasper)和苦荬菜(Ixerispolycephala)等優勢植物進行種聯合種植。研究表明不同礦區適宜生長的植物種類不同。因此,研究特定礦區的自然定居植被特征對篩選適合該礦區生態恢復的優勢植物種類非常重要。

中條山銅礦區是我國以銅為主的有色金屬生產基地之一[10],在長時間的發掘、開采過程中產生的廢水、廢渣混合堆積后形成銅尾礦庫,筆者采用數量生態分析等技術,對中條山銅礦區尾礦壩自然定居草本植物群落特征進行研究,揭示草本植物群落多樣性與環境因子的關系,篩選出適合銅礦區尾礦壩生態恢復的優勢草本植物種類,為銅礦區尾礦壩生態恢復提供科學依據。

1 研究區概況

中條山銅礦區尾礦庫位于山西省運城市垣曲縣,地理坐標為E 111°64′～111°66′、N 35°25′～35°27′,于1969年開始建設,1972年建成投產,1980年進行改擴建。研究區是該銅尾礦庫的外圍構筑物,由采礦選礦產生的廢棄物以礦砂堆積而形成尾礦壩,每3～5 a在原子壩基礎上堆積形成新的子壩,并覆土30 cm,壩底標高486 m,設計最終堆積標高570 m,現已堆積形成18道子壩(圖1)。該研究區氣候類型屬于暖溫帶半干旱大陸性季風氣候,年均氣溫 13.5 ℃,年均降水量548 mm,地帶性植被為暖溫帶落葉闊葉林地帶,地帶性土壤類型為褐土[11]。該尾礦壩的植被以自然定居草本植物為主,代表植物有白羊草(Bothriochloaischaemum)、野艾蒿(Artemisialavandulaefolia)、白茅(Imperatacylindrica)等。

2 研究方法

2.1 樣方調查

2020年9月,在中條山銅礦區十八河尾礦壩根據海拔變化,從高到低對其18道子壩內自然定居草本植物群落進行樣方調查,每道子壩為1個樣地,1個樣地內設置3個1 m×1 m樣方,記錄樣方中草本植物種的名稱、蓋度、高度等數量指標,其中草本植物層的木本幼苗歸為草本[12]同時用手持GPS儀記錄樣方的坡度、海拔等環境因子,共計調查54個樣方(圖1)。

2.2 數據處理

以草本植物的重要值指標(相對高度+相對蓋度)/200為基礎進行群落物種多樣性研究。TWINSPAN等級分類和DCA排序方法分別采用國際通用軟件TWINSPAN和CANOCO[6]計算;群落穩定性采用Godron穩定性測定方法計算[13];單因素方差分析及Duncan檢驗(P<0.05)采用SPSS 20.0軟件計算;Patrick物種豐富度指數、Shannon-Wiener指數、Simpson多樣性指數和Pielou均勻度指數采用SPDIVERS.BAS程序計算[14]。利用Excel 2010軟件和Origin 2021軟件作圖。

3 結果與分析

3.1 自然定居草本植物群落組成

中條山銅礦區尾礦壩自然定居草本植物群落54個樣方共記錄43種(表1),隸屬15科37屬。以菊科(Asteraceae)(13種,占總種數的30.2%),禾本科(Poaceae)(12種占總種數的27.9%)為主,蘿藦科(Apocynaceae)(3種)和豆科(Fabaceae)(3種)各占總種數的7.0%,唇形科(Lamiaceae)(2種)占總數4.7%,其余科均為單種科。從生態習性看,中生植物(15種)占34.9%,旱中生、旱生植物(均為9種)各占20.9%,中旱生植物(8種)占18.6%,濕生植物(僅1種)占2.3%,可見該尾礦壩草本植物群落以中生、旱中生植物為主,表明該尾礦壩隨著植被恢復年限的增長土壤水分條件逐漸改善。這是因為增加的植被覆蓋減少了土壤水分的散失,使得土壤的保水性提高[15]。

表1 自然定居草本植物群落43個物種名稱Tab.1 43 species in naturally colonized herbaceous plant communities

3.2 TWINSPAN分類

TWINSPAN等級分類將研究區自然定居草本植物群落54個樣方分成10個群叢(圖2),根據《中國植被》的群落分類、命名原則[16],結合尾礦壩草本植物分布實際,各群叢(Association,Assoc.)的主要特征簡述如下:

I-X refer to Assoc. 1 to 10. D代表劃分, D1-D5分別為第1到第5次劃分。D stands for division, and D1-D5 are the 1st to 5th divisions respectively. 圖2 54個樣方的TWINSPAN分類樹狀圖Fig.2 TWINSPAN classification of 54 sampling plots

Ⅰ 狼尾草群叢(Assoc.Pennisetumalopecuroides):包括樣方49～51和53,分布在尾礦壩海拔495～510 m處,植被恢復年限為45～50 a,群叢優勢種狼尾草(Pennisetumalopecuroides),伴生種黃花蒿(Artemisiaannua)和問荊(Equisetumarvense)等。

Ⅱ 狼尾草+野艾蒿群叢(Assoc.P.alopecuroides+A.lavandulaefolia):包括樣方44、52和54,分布在尾礦壩海拔495～520 m處,植被恢復年限為50 a,群叢優勢種狼尾草和野艾蒿,伴生種白羊草和問荊等。

Ⅲ 白羊草+阿爾泰狗娃花群叢(Assoc.B.ischaemum+Asteraltaicus):包括樣方27、29、31、35、36、40,分布在尾礦壩海拔523～542 m處,植被恢復年限為30～33 a,群叢優勢種白羊草和阿爾泰狗娃花(Asteraltaicus),伴生種沙蓬(Agriophyllumsquarrosum)和問荊等。

Ⅳ 白羊草群叢(Assoc.B.ischaemum):包括樣方22、25、30、32、33、39和43,分布在尾礦壩海拔523～545 m處,植被恢復年限為19～39 a,群叢優勢種白羊草,伴生種野艾蒿、阿爾泰狗娃花、白蓮蒿(Artemisiastechmanniana)等。

Ⅴ 白羊草+細葉苔草群叢(Assoc.B.ischaemum+Carexrigescens):包括樣方15、26、34、37、38、41、42和46～48,分布在尾礦壩海拔520～560 m處,植被恢復年限為31～42 a,群叢優勢種白羊草和細葉苔草(Carexrigescens),伴生種野艾蒿、阿爾泰狗娃花和沙蓬等。

Ⅵ 白羊草+野艾蒿群叢(Assoc.B.ischaemum+A.lavandulaefolia):包括樣方19、23、24和45,分布在尾礦壩海拔520～550 m處,植被恢復年限為30～39 a,群叢優勢種白羊草和野艾蒿,伴生種狼尾草和細葉苔草等。

Ⅶ 白羊草+白茅群叢(Assoc.B.ischaemum+I.cylindrica):包括樣方10～12、16～18和21,分布在尾礦壩海拔550～565 m處,植被恢復年限為13～16 a,群叢優勢種白羊草和白茅(Imperatacylindrica),伴生種茵陳蒿(Artemisiacapillaris)和拂子茅(Calamagrostisepigejos)等。

Ⅷ 白羊草+披堿草群叢(Assoc.B.ischaemum+Elymusdahuricus):包括樣方7～9、13、14、28,分布在尾礦壩海拔535～572 m處,植被恢復年限為6 a,群叢優勢種白羊草和披堿草(Elymusdahuricus),伴生種茵陳蒿和野艾蒿等。

Ⅸ 白蓮蒿+蘆葦群叢(Assoc.A.stechmanniana+Phragmitesaustralis):包括樣方4、6和20,分布在尾礦壩海拔550～573 m處,植被恢復年限為4 a,群叢優勢種白蓮蒿和蘆葦(Phragmitesaustralis),伴生種山野豌豆(Viciaamoena)和白羊草等。

Ⅹ 小蓬草群叢(Assoc.Erigeroncanadensis+Setariaviridis):包括樣方1～3和5,分布在尾礦壩574～582 m處,植被恢復年限為2 a,群叢優勢種小蓬草(Erigeroncanadensis)和,伴生種狗尾草(Setariaviridis)和白蓮蒿等。

3.3 自然定居草本植物群落穩定性

表2為10個自然定居草本植物群叢的Gordon穩定性擬合方程,以群叢內植物相對頻度的累積頻度為縱坐標y,植物種類總數的倒數累積為橫坐標x建立散點曲線,并以平滑曲線y=ax2+bx+c為模型,建立10個群叢的擬合方程。以方程與直線y=100-x的交點(x,y)的坐標值衡量群叢的穩定程度:x/y與20/80越接近,群落越穩定[6]。10個群叢群落穩定性排序為:Ⅳ>Ⅷ>Ⅶ>Ⅴ>Ⅰ>Ⅲ>Ⅵ>Ⅹ>Ⅸ>Ⅱ。整體來看,物種多樣性和豐富度高的群叢穩定性高于物種多樣性和豐富度低的群叢。交點坐標比值距離20/80均較遠,表明10個群落都處于較不穩定狀態。

表2 10個自然定居草本植物群叢的穩定性Tab.2 Stabilities of 10 naturally colonized herbaceous plant associations

3.4 樣方的DCA排序

圖3為研究區自然定居草本植物群落54個樣方的DCA二維排序圖,DCA第1軸反映恢復年限和尾礦壩海拔變化,沿著DCA第1軸從左到右尾礦壩海拔逐漸降低,植被恢復年限逐漸增長。位于排序圖最左端的群叢Ⅹ分布在尾礦壩574～582 m處,植被恢復年限(2 a)最短,土壤貧瘠,自然定居草本植物以狗尾草、小蓬草等耐旱、耐貧瘠植物為主。位于排序圖右端的群叢Ⅰ、Ⅱ分布在尾礦壩底部,隨著植被恢復年限的增長,自然定居草本植物以野艾蒿、狼尾草、問荊等旱中生、中生植物為主,說明土壤水分含量逐漸得到改善,植物群落物種多樣性、豐富度逐漸增高。DCA第2軸反映植物生態類型的變化,沿DCA第2軸從上到下由濕生植物向旱生植物遞變,位于排序圖上端的群叢Ⅵ、Ⅶ和Ⅸ中有濕生植物蘆葦,說明這幾個群叢土壤水分條件較好;位于排序圖中部的群叢Ⅰ～Ⅵ中中生植物占主體,如問荊、狼尾草等;位于排序圖下端的群叢Ⅶ、Ⅷ和Ⅹ,群叢旱生、中旱生植物占主體,如砂珍棘豆、白茅、茵陳蒿等,說明這幾個群叢土壤水分條件較差。

數字1～54分別代表樣方1～54。The number 1-54 in the figure refers to sample plot 1-54. 圖3 54個樣方的二維排序圖Fig.3 Two-dimensional DCA ordination diagram of 54 sampling plots

3.5 物種的DCA排序

圖4為43個物種的DCA二維排序圖,從圖中可以看出,物種的DCA排序圖和樣方的DCA排序圖有一定相似性,位于物種DCA排序圖上部的山野豌豆(11)和蘆葦(12)是樣方DCA排序圖上部群叢Ⅸ的優勢種和伴生種;位于物種DCA排序圖下部的漏蘆(13)和風毛菊(17)只出現在了樣方DCA排序圖下部的群叢Ⅷ中。由圖可見,群落物種的分布在一定程度上體現群叢的環境特征,每種植物的生態位特征都各不相同,但都能生活在適宜自身生存的環境條件下,從而在排序圖上表現出不同的分布范圍。位于排序圖中上部的是中旱生植物白羊草(20),出現在大部分樣地中,是6個群叢的優勢種,2個群叢的伴生種,說明該物種的生態幅較寬,生態適應性強。

數字1～43分別代表物種1～43。The number 1-43 in the figure refers tp species 1-43. 圖4 43個物種的DCA二維排序圖Fig.4 Two-dimensional DCA ordination diagram of 43 species

3.6 自然定居草本植物群落物種多樣性

圖5為銅礦區尾礦壩10個自然定居草本植物群叢的物種豐富度指數(Pa)、Shannon-Wiener多樣性指數(H′)、Simpson多樣性指數(D)和Pielou均勻度指數(J)。單因素方差分析顯示,10個群叢的Pa、H′有顯著差異(P<0.05),10個群叢的D、J無顯著差異(P>0.05)。就物種數目來看,群叢Ⅹ的Pa(2.75)顯著低于其他群叢(4.50～6.50),群叢Ⅰ的Pa(6.25)最高即物種最豐富;群叢Ⅱ(1.47)、Ⅴ(1.51)的H′顯著高于群叢Ⅹ的H′(0.89),群叢Ⅰ～Ⅸ的H′差異不大,但都高于群叢Ⅹ;10個群叢的D無明顯差異,整體來看,群叢Ⅴ的D(0.74)最高,群叢Ⅹ的D(0.55)最小,且D和H′的變化規律大概一致;10個群叢的均勻度J無明顯差異,群叢Ⅰ的J(0.76)最小,群叢Ⅹ的J(0.90)最大。

不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。Different lowercase letters in each column indicate significant difference (P<0.05)P: Patrick richness index. H′: Shannon-Wiener heterogeneity index. D: Simpson′s diversity index. J: Pielou evenness index. 圖5 10個群叢物種多樣性指數Fig.5 Species diversity indices of the ten associations

群叢Ⅹ位于尾礦壩最高處,是該尾礦壩最新堆積的子壩,植被恢復年限最短,植物生存條件惡劣,生活在該群叢的多為存活能力強的旱生植物且植物種類稀少。隨著植被恢復年限逐漸增加,群叢Ⅰ～Ⅸ的物種豐富度、物種多樣性都有所增加,說明植物生存條件得到改善,能滿足更多種類的植物生存。群叢Ⅴ的H′和D最高說明群叢Ⅴ的生境條件最好,能容納更多的植物生存;10個群叢的J差異不大且都介于0.76～0.90之間,說明群叢中的植物分布都較為隨機。這也反映了自然定居草本植物的分布特征。

圖6為10個自然定居草本植物群叢的多樣性隨群叢植被恢復年限的變化,橫坐標為恢復年限(a),縱坐標為多樣性(Pa)。圖6a為群叢的物種豐富度隨恢復年限的變化,整體趨勢表明物種豐富度隨著恢復年限的增加而顯著增加(P<0.05),這是因為礦區植被恢復前期,土壤貧瘠,生存環境惡劣,只有少數耐旱、耐鹽、耐貧瘠的植物能在其中生存,隨著植被恢復年限的增加,土壤養分增加[17],適宜更多物種生存。圖6b和圖6c反映了群叢物種多樣性隨恢復年限的變化,整體趨勢顯示物種多樣性與恢復年限的長短成顯著正相關(P<0.05),表明植被恢復時間越長,群叢中草本植物越多。圖6d為物種均勻度指數隨植被恢復年限的變化,10個群叢均勻度指數(J)與恢復年限無明顯相關關系(P>0.05)。這與群叢物種多樣性的方差分析結果一致。

圖6 10個群叢物種多樣性指數隨植被恢復年限的變化Fig.6 Changes of spices diversity index of the ten associations with revegetated years

4 討論

物種DCA排序圖(圖4)和樣方的DCA排序圖(圖3)有一定相似性,郝志遠等[18]的研究也證實了這一點。樣方DCA排序圖與TWINAPAN等級分類的結果一致,表明該尾礦壩的自然定居草本植物群落的恢復年限是植物分布的主要影響因子。

物種多樣性指數與恢復年限的分析表明,銅礦區尾礦壩自然定居草本植物群落的豐富度指數(Pa)、物種多樣性指數(H′、D)隨著恢復年限的增長而顯著增大(P<0.05),均勻度指數(J)與恢復年限無明顯相關關系(P>0.05)。余海波等[19]的研究也顯示均勻度指數與其他3個多樣性指數的變化趨勢不同。本研究中可能是因為研究區附近有河流,自然定居植物分布受土壤水分含量影響更大。10個群落穩定性的模擬曲線顯示,群叢均處于不穩定狀態,表明尾礦壩還處于恢復初期階段[20],但物種多樣性越高,群叢越穩定,因此后期植被恢復應提高植物多樣性。

根據10個群叢的特征描述,植被恢復年限在40～50 a的2個群叢的主要優勢種為狼尾草,恢復年限在10～40 a的6個群叢的主要優勢種為白羊草,恢復年限最短的2個群叢主要優勢種為小蓬草和白蓮蒿,因此建議在人工干預恢復該尾礦壩生態時,優先選用多年生的優勢種狼尾草、白羊草,但二者是否可以混合種植,還需開展其種間關系的后續研究。

5 結論

1)TWINSPAN等級分類將中條山銅礦區尾礦壩自然定居草本植物群落54個樣方劃分為10個群叢,位于尾礦壩頂部的群叢Ⅹ恢復年限最短(2 a),位于尾礦壩底部的群叢Ⅰ、Ⅱ恢復年限最長(45～50 a)。

2)恢復年限是影響中條山銅礦區尾礦壩自然定居草本植物群落組成的主要限制因子。隨著恢復年限的增長,尾礦壩生境條件逐漸改善,自然定居草本植物群落物種多樣性增加。

3)優勢種狼尾草、白羊草可用于未來該尾礦壩生態修復中;同時物種多樣性指數越高,群落越穩定。因此,在未來尾礦壩生態修復時,建議提高植物多樣性。