海南文昌廢棄鈦礦區(qū)植被調(diào)查與物種多樣性分析①

宿少鋒 林之盼 王小燕 陳珠琳 薛 楊③

(1海南省林業(yè)科學(xué)研究所 海南?？?571100;2海南文昌森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站 海南?？?571100;3中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院資源信息研究所 北京 100091)

隨著我國(guó)軍事、航天業(yè)的蓬勃發(fā)展，對(duì)金屬鈦資源的需求也與日俱增。鈦是我國(guó)重要金屬礦產(chǎn)資源之一，由于其耐熱性、抗腐蝕性強(qiáng)，被廣泛用于冶煉、航空航天、軍事設(shè)備等先進(jìn)工業(yè)［1］。海南是我國(guó)鈦礦資源儲(chǔ)量最為豐富的地區(qū)，尤其文昌地區(qū)。海南鈦礦主要為濱海表外礦，主要的開(kāi)采方式以地表開(kāi)采為主，開(kāi)采地區(qū)大多鄰近濱海地區(qū)，鈦礦的開(kāi)采不僅影響了區(qū)域景觀，同時(shí)也帶來(lái)一系列問(wèn)題，如造成森林植被大面積的破壞，影響區(qū)域環(huán)境安全，水土流失劇增，物種多樣性減少等，對(duì)國(guó)家生態(tài)文明建設(shè)和生物多樣性保護(hù)帶來(lái)巨大損失［2-3］，廢棄鈦礦區(qū)植被恢復(fù)及生態(tài)重建成為當(dāng)前迫在眉睫的問(wèn)題。

目前，國(guó)內(nèi)外研究的重點(diǎn)是廢棄礦區(qū)植被的恢復(fù)，國(guó)外早在20世紀(jì)初期就已經(jīng)開(kāi)展礦區(qū)植被生態(tài)恢復(fù)工作，通過(guò)土地復(fù)墾、礦區(qū)土壤改良和適地適樹(shù)等方面的研究，現(xiàn)已形成系統(tǒng)的研究方法［4-7］。我國(guó)對(duì)礦山廢棄地生態(tài)恢復(fù)研究開(kāi)始較晚，于20世紀(jì)80年代才開(kāi)始，近年來(lái)才得到迅速發(fā)展，很多生態(tài)學(xué)專(zhuān)家針對(duì)不同礦種的廢棄礦區(qū)從礦區(qū)植被調(diào)查、恢復(fù)，植物群落特征及生物多樣性保護(hù)方面開(kāi)展了一些研究［8-12］，形成了初步的研究理論，但目前廢棄鈦礦區(qū)植被生態(tài)恢復(fù)研究還屬空白，系統(tǒng)性研究資料和案例還欠缺。

本研究以海南文昌市典型廢棄鈦礦區(qū)為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)礦區(qū)廢棄地周邊森林植被調(diào)查，研究廢棄鈦礦區(qū)植物多樣性，以期為該區(qū)域植被恢復(fù)種植材料的選擇提供基礎(chǔ)性資料，對(duì)廢棄鈦礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的植被恢復(fù)和重建具有重要的指導(dǎo)意義，為廢棄鈦礦地及其他類(lèi)型礦山生態(tài)修復(fù)與植被恢復(fù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 研究區(qū)概況

文昌市地處熱帶北緣，屬熱帶海洋性季風(fēng)氣候，年平均氣溫22～27℃，大于或等于10℃的積溫為8 200℃，最冷的月份溫度仍達(dá)10～14℃，年光照為1 750～2 650 h，光照率為50%～60%，光溫充足，雨量充沛，光合輻射高。年平均日照時(shí)數(shù)均在1 800 h以上；年平均降雨量1 886.2 mm，但分布不均勻，雨季多在5～10月，降雨量占全年的80%左右，旱季多在11月至翌年的4月，降雨量占全年的20%左右；年平均濕度相對(duì)在80%之間，最小濕度為34%；年平均蒸發(fā)量為1 892.4 mm，以5～8月蒸發(fā)量最大，約占全年蒸發(fā)量的45%；太陽(yáng)輻射能力以7月最多（13～14 kcal/m2），2月最少（5～6 kcal/m2），鈦礦區(qū)周邊主要土壤類(lèi)型為沙壤土。

1.1.2 調(diào)查對(duì)象

2018年1～3月，選擇文昌市鈦礦開(kāi)采具有代表性的昌灑鎮(zhèn)、錦山鎮(zhèn)、翁田鎮(zhèn)和鋪前鎮(zhèn)4個(gè)鎮(zhèn)（表1），對(duì)鈦礦開(kāi)采區(qū)及其周邊5 km范圍內(nèi)典型森林植被進(jìn)行調(diào)查。

表1 調(diào)查區(qū)域基本特征

1.2 方法

1.2.1 調(diào)查方法

于2018年1～3月采用路線(xiàn)調(diào)查和典型樣方調(diào)查相結(jié)合的野外調(diào)查方法，對(duì)文昌市主要鈦礦區(qū)周邊森林植被進(jìn)行調(diào)查，在主要區(qū)域周邊5 km范圍內(nèi)設(shè)置樣方進(jìn)行實(shí)地踏查，每個(gè)代表區(qū)共設(shè)置喬木樣方3個(gè)，樣方面積30 m×30 m，測(cè)定郁閉度、樹(shù)種、樹(shù)高、胸徑等指標(biāo)，在每個(gè)樣方中設(shè)置5 m×5 m灌木樣方3塊，1 m×1 m草本樣方3塊，對(duì)樣方內(nèi)的所有植被種類(lèi)進(jìn)行分類(lèi)、匯總，記錄種類(lèi)、蓋度及數(shù)量。

1.2.2 物種多樣性指數(shù)測(cè)定方法［13］

（1） 豐富度指數(shù)（S）：樣方中物種數(shù)量。

（2） Shannon-Wiener多樣性指數(shù)Hˊ＝-∑（Pi×lnPi）。

（3） Simpson多樣性指數(shù)D＝1-∑Ni（Ni-1）/［N（N-1）］。

（4） Pielou均勻度指數(shù)JSW＝-∑（Piln-Pi） /lnS。

式中Pi＝Ni/N，N為樣方中各物種多度指標(biāo)總和，Ni為第i個(gè)種的多度。

（5） 重要值計(jì)算公式

喬木層及灌木層重要值＝（相對(duì)多度＋相對(duì)頻度＋相對(duì)優(yōu)勢(shì)度）/3

草本層重要值＝（相對(duì)多度＋相對(duì)頻度＋相對(duì)蓋度）/3

（6） 相似性指數(shù)計(jì)算公式

Jaccard相似性指數(shù)Cj＝c/（a＋b-c）

式中：a、b為兩樣點(diǎn)的物種數(shù)，c為兩樣點(diǎn)共有的物種數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 廢棄鈦礦區(qū)周邊物種組成

通過(guò)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)文昌市廢棄鈦礦區(qū)周邊植被大多為常綠闊葉樹(shù)種，常見(jiàn)喬木樹(shù)種13種，隸屬于9科13屬（表2）。其中楝科3種，桑科、棕櫚科各2種，樟科、木麻黃科、藤黃科、錦葵科、豆科、山欖科各1種。木麻黃科數(shù)量最多，占45%，豆科占35%，楝科占10%，其余的科數(shù)量之和占10%。

常見(jiàn)灌木12種，隸屬于11科，12屬（表2）。大戟科2種，桃金娘科、茜草科、蕓香科、馬鞭草科、露兜樹(shù)科、野牡丹科、苦木科、草海桐科、棕櫚科、夾竹桃科各1種。露兜樹(shù)科數(shù)量最多，約占35%，草海桐科約占23%，其余的科數(shù)量之和約占42%。

常見(jiàn)草本21種，隸屬于14科，21屬（表2）。其中菊科4種，禾本科3種，莧科、大戟科各2種，莎草科、百合科、錦葵科、海金沙科夾、竹桃科、豬籠草科、景天科、馬鞭草科、西番蓮科各1種。菊科數(shù)量最多，約占35%，禾本科約占25%，夾竹桃科約占13%，其余的科數(shù)量之和約占27%。

表2 文昌市鈦礦區(qū)周邊植被調(diào)查名錄

續(xù)表2 文昌市鈦礦區(qū)周邊植被調(diào)查名錄

2.2 廢棄鈦礦區(qū)周邊優(yōu)勢(shì)種特征

通過(guò)對(duì)廢棄鈦礦區(qū)周邊植被調(diào)查，喬木類(lèi)優(yōu)勢(shì)種比較明顯，主要有木麻黃、大葉相思、苦楝等（表3）。其中木麻黃占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，重要值達(dá)到30.31，其次是大葉相思與苦楝，重要值分別為23.98、18.09。灌木類(lèi)優(yōu)勢(shì)種主要有大青、露兜、野牡丹、馬纓丹、草海桐（重要值分別為11.99、11.17、8.60、7.16、8.50）等。草本優(yōu)勢(shì)種主要有牛膝、勝紅薊、長(zhǎng)春花、鬼針草、、小飛蓬草、蔓菁（重要值分別為12.47、10.77、9.41、8.57、7.80、6.49）等。

表3 廢棄鈦礦區(qū)周邊群落優(yōu)勢(shì)度 單位：%

續(xù)表3 廢棄鈦礦區(qū)周邊群落優(yōu)勢(shì)度 單位：%

續(xù)表3 廢棄鈦礦區(qū)周邊群落優(yōu)勢(shì)度 單位：%

2.3 廢棄鈦礦區(qū)周邊物種多樣性特征

由圖1可知，4個(gè)鈦礦區(qū)域中物種豐富度最大的為錦山鎮(zhèn)，各區(qū)域物種豐富度大小排序?yàn)椋哄\山＞翁田＞昌灑＞鋪前，但總體物種豐富度均低于次生林樣地。4個(gè)鈦礦區(qū)垂直物種豐富度草本＞喬木＞灌木。通過(guò)物種多樣性分析發(fā)現(xiàn)，4個(gè)區(qū)域廢棄鈦礦區(qū)域喬木Shannon-Wiener指數(shù)、Simpson指數(shù)、Pielou指數(shù)的變化范圍分別為1.126～2.017、0.712～0.813、0.390～0.635，均顯著低于次生林樣地。灌木Shannon-Wiener指數(shù)、Simpson指數(shù)、Pielou指數(shù)的變化范圍分別為1.231～1.397、 0.297～0.627、 0.334～0.515。草本Shannon-Wiener指數(shù)、Simpson指數(shù)、Pielou指數(shù)的變化范圍分別為2.116～2.915、0.623～0.787、0.747～0.950。除草本Pielou指數(shù)外，其余指數(shù)均顯著低于次生林樣地，這是因?yàn)榇紊謽拥刂脖粏棠竟嗄疚锓N種類(lèi)多，草本種類(lèi)少。

4個(gè)鈦礦區(qū)域Shannon-Wiener指數(shù)均為草本類(lèi)最大，昌灑鎮(zhèn)和翁田鎮(zhèn)灌木Shannon-Wiener指數(shù)大于喬木，而錦山鎮(zhèn)和鋪前鎮(zhèn)喬木Shannon-Wiener指數(shù)大于灌木。錦山鎮(zhèn)喬木層的Shannon-Wiener指數(shù)與其他3個(gè)區(qū)域均存在差異性顯著（p＜0.05）。4個(gè)鈦礦區(qū)域Simpson指數(shù)表現(xiàn)為為喬木類(lèi)最大，顯著高于灌木類(lèi)（p＜0.05）。4個(gè)鈦礦區(qū)域Pielou指數(shù)也均為草本類(lèi)最大，顯著高于灌草類(lèi)（p＜0.05）。

2.4 不同位置廢棄鈦礦區(qū)相似性指數(shù)

如表4所示，與次生林相比，4個(gè)鈦礦區(qū)植被相似性指數(shù)相對(duì)較高，其中昌灑鎮(zhèn)與錦山鎮(zhèn)喬木相似性指數(shù)最高，達(dá)到0.52，翁田與鋪前喬木相似性指數(shù)最小，也有0.38，而次生林喬木相似性指數(shù)最高為0.26。4個(gè)鈦礦區(qū)灌木、草本相似性指數(shù)也表現(xiàn)出比次生林高，其中昌灑鎮(zhèn)與錦山鎮(zhèn)灌木、草本相似性指數(shù)均為最高，分別為0.55和0.61；而昌灑鎮(zhèn)與翁田鎮(zhèn)灌木相似性指數(shù)最低（0.36），翁田鎮(zhèn)與錦山鎮(zhèn)草本相似性指數(shù)最低（0.42），灌木、草本相似性指數(shù)也都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于次生林。

圖1 不同區(qū)位鈦礦區(qū)α物種多樣性特征與次生林比較

表4 不同區(qū)域鈦礦區(qū)植被相似性指數(shù)（Cj）

3 討論與結(jié)論

物種豐富度指數(shù)、多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)是衡量群落結(jié)構(gòu)的常用指標(biāo)，能準(zhǔn)確反映群落結(jié)構(gòu)功能和群落穩(wěn)定性，對(duì)于評(píng)價(jià)森林的群落特征和演替具有重要意義［14］。通過(guò)對(duì)文昌典型鈦礦區(qū)周邊調(diào)查發(fā)現(xiàn)，文昌廢棄鈦礦區(qū)周邊植被物種數(shù)相對(duì)較少，周邊植被僅有28科37屬45種，其中喬木13種，灌木11種，草本21種。在長(zhǎng)期的演替過(guò)程下，植物種類(lèi)以草本占優(yōu)勢(shì)，喬木及灌木種類(lèi)稀少，群落類(lèi)型多為木麻黃純林和大葉相思純林，極少部分為木麻黃與其他樹(shù)種混交結(jié)構(gòu)，群落結(jié)構(gòu)相對(duì)單一，穩(wěn)定性較差。這種群落結(jié)構(gòu)的形成，主要與外界環(huán)境條件的變化和人類(lèi)的活動(dòng)有關(guān)，文昌地處瓊州海峽邊緣，受長(zhǎng)期臺(tái)風(fēng)影響，森林群落極易造成破壞，加之人類(lèi)對(duì)礦產(chǎn)資源的開(kāi)采，更加劇了周邊植被的破壞。

重要值是物種在群落中占據(jù)的重要性，代表了某一個(gè)物種在群落中的作用和地位［15］，是衡量該物種的綜合數(shù)量指標(biāo)，反映出該物種的顯著度或優(yōu)勢(shì)度［16］。通過(guò)重要值的研究，不僅可以判斷物種組成和結(jié)構(gòu)，還可以利用重要值來(lái)評(píng)價(jià)一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和群落未來(lái)發(fā)展方向［17］。運(yùn)用重要值理論，對(duì)于林地植被恢復(fù)也可起到指導(dǎo)作用，本研究通過(guò)對(duì)廢棄鈦礦周邊森林植被重要值計(jì)算，能準(zhǔn)確分析鈦礦區(qū)周邊各物種的優(yōu)勢(shì)度，選擇重要值相對(duì)較高的本土物種對(duì)破壞林地進(jìn)行人工恢復(fù)，既能保證破壞林地植被短時(shí)間恢復(fù)，亦可防止外來(lái)物種的直接引入造成本土植被的影響［18］。木麻黃（重要值30.31）、大葉相思（重要值23.98）、苦楝（重要值18.09）3個(gè)喬木樹(shù)種對(duì)于鈦礦區(qū)植被恢復(fù)能起到關(guān)鍵作用，潺槁木姜子、瓊崖海棠、麻楝、椰子樹(shù)、非洲楝、伊朗紫硬膠等6個(gè)喬木樹(shù)種也可以作為混交樹(shù)種，增加物種多樣性，提高森林質(zhì)量。大青（重要值11.99）、露兜 （11.17）、野牡丹 （8.60）、馬纓丹 （8.50）、草 海 桐 （7.16）、 牛 膝 （12.47）、 勝 紅 薊（10.77）、長(zhǎng)春花（9.41）、鬼針草、（8.57）、小飛蓬草（7.80）、蔓菁（6.49）等灌木草本在鈦礦區(qū)周邊群落中也占據(jù)重要的地位，在植被恢復(fù)時(shí)可搭配種植，增加森林群落垂直結(jié)構(gòu)，改變林下微環(huán)境，從而對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定、演替和生物多樣性起到關(guān)鍵作用［19］。

廢棄鈦礦區(qū)周邊群落中喬木Shannon-Wiener指數(shù)介于1.126～2.017、Simpson指數(shù)介于0.712～0.813、Pielou指數(shù)介于0.390～0.635，喬木、灌木物種多樣性指數(shù)顯著低于周邊次生林，而草本顯著高于周邊次生林。與海南中部丘陵地區(qū)群落、西部山地?zé)釒в炅謫棠径鄻有灾笖?shù)相差較大［20-21］，不同生活型中Shannon-Wiener指數(shù)草本＞喬木＞灌木，說(shuō)明草本植被在群落中占據(jù)重要位置，喬木、灌木多樣性指數(shù)相對(duì)較低，群落結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較弱，易受外界干擾的破壞。

4個(gè)廢棄鈦礦區(qū)植被相似性指數(shù)均較高，基本都達(dá)到0.40以上，廢棄礦區(qū)周邊植被表現(xiàn)出高相似性，這可能是由于廢棄鈦礦區(qū)植被恢復(fù)過(guò)程中均以木麻黃純林或木麻黃和相思等混交為主，嚴(yán)重制約其他樹(shù)種的自然更新，造成恢復(fù)過(guò)程的樹(shù)種結(jié)構(gòu)單一，物種多樣性差的結(jié)果。建議在廢棄鈦礦區(qū)植被恢復(fù)時(shí)，采用多樹(shù)種混交模式，并適當(dāng)種植灌草，既有利于增加物種多樣性，又能起到抗病蟲(chóng)害、抗風(fēng)性的保護(hù)作用，從而提高森林質(zhì)量的效果。