南方稀土礦治理區(qū)不同治理年限的植物多樣性研究

徐芮 馬秀麗

摘要選取稀土礦治理地為研究對象，探討了不同治理年限的稀土礦治理地植被恢復狀況及其植物多樣性變化。結果表明，從時間上看，隨著治理年限的增加，草本層Patrick豐富度指數(shù)呈上升的趨勢，Alatalo均勻度指數(shù)則反之，灌木層Alatalo均勻度指數(shù)、ShannonWiener多樣性指數(shù)呈上升的趨勢；從空間上看，Alatalo均勻度指數(shù)、ShannonWiener多樣性指數(shù)和Simpson優(yōu)勢度指數(shù)，灌木層均大于草本層；芒萁的蓋度與高度隨著治理年限的增加，呈現(xiàn)上升的趨勢。

關鍵詞稀土礦治理區(qū)；治理年限；植物多樣性

中圖分類號S181.1文獻標識碼

A文章編號0517-6611（2015）29-273-03

南方紅壤區(qū)面積達2.035×106 km2，水土流失面積占6.0×105 km2，是南方水土流失最嚴重的地區(qū)之一。特別是南方稀土礦區(qū)，由于多年的開采礦區(qū)內(nèi)沖溝、切溝和崩塌廣布，水土流失嚴重，土壤養(yǎng)分大量流失，形成大面積嚴重退化生態(tài)系統(tǒng)。植被重建是治理南方紅壤區(qū)水土流失、改善土壤質(zhì)量的重要措施之一。植物群落不僅是植被的重要組成單位，而且還是植被生態(tài)學的研究對象之一。1870年德國人洪寶德撰寫了《植物地理學論》一書，植被群落學也首次納入研究之中。1957年Dansereau、Kershaw分別對植被結構進行了定義，并進一步完善它。20世紀70年代末，我國學者開始研究植物群落。其中，王伯蓀認為，植物群落的結構是研究植物的種類組成及其種群特性，研究群落的外貌、垂直結構和水平結構，群落結構的確定是植物群落研究的必要基礎。彭少麟研究指出，群落中提到的物種多樣性指群落中物種的數(shù)量、個體總數(shù)及各種多度的均勻程度的綜合概念。所以，群落在植被生態(tài)恢復中占據(jù)著重要的地位。一般來說，群落多樣性的研究多集中在物種多樣性上。物種多樣性是整個生態(tài)學研究的重點，也是生物學研究的主要熱點。天然的植物群落由一定數(shù)量的植物種類和個體組成。植物群落最基本的性質(zhì)是不同植物種類和個體在一定生存環(huán)境下的聚合體。多樣性分析與群落種類的機構和個體數(shù)量及空間分布相關。通過研究群落多樣性，可以獲得樣地群落與其他群落之間的異同性，探討植被的恢復程度，為生態(tài)修復措施的選擇提供科學依據(jù)。多樣性分析主要通過計算多樣性的相關指數(shù)并進行比較。常見的多樣性指標有物種多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)、豐富度指數(shù)以及優(yōu)勢度指數(shù)。該研究用空間代替時間法和樣方調(diào)查法，探討了不同治理年限下稀土礦治理區(qū)的植被恢復情況，旨在指導該地區(qū)的植被恢復與群落多樣性保護，以期為相關地區(qū)的物種多樣性保護和可持續(xù)利用提供理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

研究區(qū)地處福建省長汀縣，海拔319 m，屬于中亞熱帶季風性濕潤氣候，多年平均氣溫為18.4 ℃，1月平均氣溫8.0 ℃，7月平均氣溫27.2 ℃，無霜期265 d。年降水量1 700～2 000 mm，降雨年內(nèi)變化大，多集中于3～8月，占全年降雨量的76%[15]。土壤主要為花崗巖在濕熱氣候條件下風化淋溶形成的紅壤、侵蝕紅壤，抗蝕性極差，保水保肥能力低。水熱同季，有利于植被的生長。該研究區(qū)20世紀80年代為稀土礦開采廢棄地，地表裸露，土壤抗蝕能力減弱，水土流失現(xiàn)象嚴重。近幾年來，經(jīng)過植被恢復措施，已經(jīng)取得了一定的成效，水土流失也得到了遏制。

1.2樣方設計與群落調(diào)查

樣方植物群落調(diào)查的時間為2013年11月。選取長汀縣不同治理年限的3個稀土礦治理區(qū)和1個非稀土礦治理區(qū)進行植物群落樣方調(diào)查。3個稀土礦治理區(qū)的立地條件基本相似，而非稀土礦治理區(qū)采取生態(tài)林草措施。稀土礦治理區(qū)每個樣地選取3個植被長勢相近的區(qū)域做5 m×5 m的灌木樣方，在灌木樣方內(nèi)沿對角線做2個2 m×2 m的草本樣方。非稀土礦治理區(qū)選取3個植被長勢相近的區(qū)域做20 m×20 m的喬木樣方，在喬木樣方內(nèi)沿對角線做2個5 m×5 m的灌木樣方，在灌木樣方內(nèi)做2個2 m×2 m的草本樣方。喬木樣方3個，灌木樣方15個，草本樣方30個。分別記錄每株喬木（其中把1.3 m處胸徑≥4.5 cm的記為喬木）和灌木的種名、科名、株數(shù)、樹高、枝下高（喬木）、地徑、樹冠幅、蓋度等；記錄草本種名、科名、草層高、分蓋度、株叢數(shù)等。

1.3不同治理年限稀土礦治理區(qū)現(xiàn)狀景觀

各稀土礦治理區(qū)采樣地點均為面積較大的平臺，治理措施皆為喬灌草措施，故可保證植被土壤演替的環(huán)境存在一致性?；厩闆r下：

牛屎塘稀土礦治理區(qū)（116°23′41.1″ E，25°36′11.2″ N）治理時間為2006年，植被覆蓋度比較高，主要有5種植物：寬葉雀稗（Paspalum wetsfeteini）、馬尾松（Pinus massoniana Lanb）、楓香（Liquidambar formosana）、木荷（Schima superba）、芒萁（Dicranopteris dichotoma）。調(diào)查顯示芒萁已明顯擴散，長勢比較好，逐步代替其他的草本植物，蓋度約為72%。土地利用類型為采礦跡地。灌木主要以楓香、胡枝子為主，零星分布少數(shù)木荷、馬尾松。楓香的樹高平均為176.7 cm，平均地徑為2.7 cm。

下坑稀土礦治理區(qū)（116°24′57.1″ E，25°36′33.0″ N）治理時間為2008年，主要的植被類型有寬葉雀稗、芒萁、楓香、木荷等，寬葉雀稗蓋度約為68%，芒萁比較矮小，長勢不如牛屎塘，蓋度約為6%。灌木主要以楓香、木荷為主，其中楓香的平均樹高為190 cm，地徑約為5.4 cm。土壤采樣過程中發(fā)現(xiàn)有明顯的粘層，水土流失現(xiàn)象較為嚴重。

三洲桐壩稀土礦治理區(qū)（116°23′41.1″ E，25°36′11.2″ N）治理時間為2011年，地上草本植被基本上是寬葉雀稗，蓋度約為73%，草叢高約為85 cm。芒萁的長勢較下坑更為矮小，平均叢高為5.3 cm。有裸露的地面。

龍頸樣地（116°27′37.6″ E，25°39′31.9″ N）作為稀土礦治理區(qū)的對照地，治理時間為2006年，治理措施為生態(tài)林草措施。選擇適宜的鄉(xiāng)土物種，喬、灌木以木荷、馬尾松為主，草本以芒萁、五節(jié)芒為主，并且輔助施肥措施，促進植物生長。喬、灌層馬尾松的樹高分別約為8.3、2.5 m。地表幾乎被芒萁全部覆蓋，蓋度均在90%以上。

1.4群落多樣性指標

通過研究群落多樣性，可以獲得樣地群落與其他群落之間的異同性，探討植被的恢復程度，為生態(tài)修復措施的選擇提供科學依據(jù)。多樣性分析主要通過計算多樣性的相關指數(shù)并進行比較。常見的多樣性指標有物種多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)、豐富度指數(shù)以及優(yōu)勢度指數(shù)。

豐富度指數(shù)采用Patrick指數(shù)：

R=S （1）

均勻度指數(shù)指群落中物種個體的數(shù)量以及分布的均勻程度，采用Alatalo指數(shù)：

Ea=（P2i-1）/[exp（-PilgPi）-1] （2）

多樣性指數(shù)表示群落內(nèi)物種多樣性的程度，采用ShannonWiener指數(shù)：

HP=-Si=1PilnPi（3）

生態(tài)優(yōu)勢度指數(shù)反映了各物種種群數(shù)量的變化情況，生態(tài)優(yōu)勢度指數(shù)越大，說明群落內(nèi)物種數(shù)量分布越不均勻，優(yōu)勢種的地位越突出。采用Simpson指數(shù)：

D=1-Si=1Ni（Ni-1）N（N-1） （4）

式中，S是樣本中觀察到的物種數(shù)，N為樣本中觀察的總個體數(shù)，Ni為樣地i中的個體數(shù)。Pi=Ni/N，即第i個物種的相對多度。

2結果與分析

2.1群落物種多樣性變化

2.1.1Patrick豐富度指數(shù)。

從表1可知，隨著治理年限的增加，草本層Patrick豐富度指數(shù)呈現(xiàn)上升的趨勢，牛屎塘最大，為6。但灌木層Patrick豐富度指數(shù)比較穩(wěn)定，沒有大幅度的變化，三洲桐壩達到最大，為7。從空間上看，稀土礦治理區(qū)3個樣地治理時間越長，草本層Patrick豐富度指數(shù)逐漸大于灌木層，而對照區(qū)龍頸草本層與灌木層之間并沒有明顯的變化。

2.1.2Alatalo均勻度指數(shù)。

從Alatalo均勻度指數(shù)方面看，治理時間越長，草本層的Alatalo均勻度指數(shù)越來越小，牛屎塘和對照區(qū)龍頸最小1.69，但灌木層的Alatalo均勻度指數(shù)呈上升的趨勢，牛屎塘最大為3.45。在空間分布上，草本層的Alatalo均勻度指數(shù)總是小于灌木層。

2.1.3ShannonWiener多樣性指數(shù)。

從ShannonWiener多樣性指數(shù)可知，隨著治理年限的增加，草本層并沒有明顯的變化趨勢，3個稀土礦治理區(qū)中ShannonWiener多樣性指數(shù)下坑最小，為0.36，三洲桐壩最大，為0.53。灌木層隨著治理年限的增加，多樣性指數(shù)呈現(xiàn)上升的趨勢，牛屎塘最大為065。從空間分布上可知，ShannonWiener多樣性指數(shù)灌木層大于草本層，最大差為下坑，差值為0.26。

2.1.4Simpson優(yōu)勢度指數(shù)。

從表1可知，隨著治理時間的越長，Simpson優(yōu)勢度指數(shù)無論是草本層還是灌木層并沒有明顯的變化規(guī)律，草本層優(yōu)勢度指數(shù)最大是三洲桐壩，為0.89，灌木層最大為下坑，優(yōu)勢度指數(shù)為0.90。從空間分布上可知，除了三洲桐壩和對照區(qū)龍頸以外，其他2個樣地優(yōu)勢度指數(shù)都是灌木層大于草本層，差異最為明顯的為下坑。

2.2稀土礦治理區(qū)芒萁生長特性

由圖1可知，從2011年治理的三洲桐壩到2008年治理的下坑，芒萁的平均蓋度以及平均高度增加得很緩慢，但是到2006年治理的牛屎塘，變化趨勢明顯，芒萁的高度和蓋度遠遠大于下坑和三洲桐壩?？傮w上，隨著治理年限的增加，芒萁的蓋度與高度呈現(xiàn)上升的趨勢。對照區(qū)龍頸與牛屎塘治理年限相近，治理措施為生態(tài)林草措施，芒萁的蓋度達到90%以上，高度達到85 cm。

3結論與討論

從時間上看，隨著治理年限的增加，草本層Patrick豐富度指數(shù)呈上升的趨勢，Alatalo均勻度指數(shù)則反之，灌木層Alatalo均勻度指數(shù)、ShannonWiener多樣性指數(shù)呈上升的趨勢；從空間上看，Alatalo均勻度指數(shù)、ShannonWiener多樣性指數(shù)和Simpson優(yōu)勢度指數(shù)，灌木層均大于草本層；芒萁的蓋度與高度隨著治理年限的增加，呈現(xiàn)上升的趨勢。

土壤是植物生長的場所和營養(yǎng)來源，土壤侵蝕會導致侵蝕區(qū)植物受到嚴重的破壞，進一步干擾整個生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，生態(tài)系統(tǒng)一旦被破壞，必將導致整個自然環(huán)境無法發(fā)揮功能，人類活動也將受到不可避免的影響。長汀縣稀土礦區(qū)長期以來受到人為破壞極為嚴重，礦溝內(nèi)水土流失嚴重形成大面積的退化生態(tài)系統(tǒng)?；謴偷V區(qū)植被，形成自我維持、長效穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)，改善生態(tài)環(huán)境和促進生態(tài)發(fā)展，是長汀縣稀土礦治理區(qū)生態(tài)建設急需解決的問題。植物物種多樣性是礦區(qū)恢復過程中群落變化的重要指標，植物群落的穩(wěn)定性與植物多樣性有著密切關系。物種的豐富度反映了一個群落中物種種數(shù)的多少。從表1可知，隨著治理年限的增加，草本層物種數(shù)也呈上升的趨勢，而灌木層比較穩(wěn)定，這可能與治理時間有關。牛屎塘治理時間最長，所以生態(tài)環(huán)境得到一定的穩(wěn)定，本地的野生草本植物逐漸繁殖擴散，而三洲桐壩治理時間最短，礦區(qū)內(nèi)只有一些人工栽培品種。灌木層的物種數(shù)可能與人工種植有關。草本層Alatalo均勻度指數(shù)與治理年限存在明顯的負相關，這可能因三洲桐壩是2011年治理的，人工種植的鄉(xiāng)土草本水土保持植物寬葉雀稗仍然占據(jù)著主導地位，對群落的影響比較大。但是牛屎塘和下坑分別是2006、2008年治理的，一些野生的草本植物已逐漸取代人工栽培品種，特別是牛屎塘，芒萁的覆蓋度已達到72%。

從表1可知，隨著治理年限的增加，草本層ShannonWiener多樣性指數(shù)并沒有明顯的變化規(guī)律，說明稀土礦治理區(qū)治理時間與ShannonWiener多樣性指數(shù)并沒有必然的聯(lián)系，可能是因為群落ShannonWiener多樣性指數(shù)受人類活動影響比較大。從Simpson優(yōu)勢度指數(shù)分析，草本層三洲桐壩優(yōu)勢度指數(shù)最大，群落內(nèi)物種數(shù)分布最不均勻，這與稀土礦區(qū)治理時間有關。三洲桐壩人工栽培的草本植物并沒有退化，而牛屎塘治理的時間比較長，野生草本植物已擴散，并將逐漸取代人工栽培的水土保持植物。而灌木層的Simpson優(yōu)勢度指數(shù)與治理年限沒有相關關系。

芒萁是南方紅壤侵蝕區(qū)濕熱條件下酸性土壤的指示植物[16]，耐貧瘠，喜陰濕環(huán)境，競爭能力頑強，形成單優(yōu)勢種群落[17]，成為水土保持植物的優(yōu)良品種。治理南方長汀縣稀土礦治理區(qū)水土流失，芒萁發(fā)揮著不可替代的作用。3個稀土礦治理區(qū)芒萁的高度和蓋度大致隨著治理年限的增加呈上升的趨勢。2011年治理的三洲桐壩芒萁的高度不足10 cm，蓋度也只有2%左右。這是因為經(jīng)過喬灌草措施的治理，輔助施肥，芒萁剛剛繁衍，此時，芒萁主要以一小叢生存于生態(tài)林草之下。而2008年治理的下坑與三洲桐壩相比差距很小，這是由于下坑稀土礦治理區(qū)附近的居民在此種植了玉米，破壞了芒萁的生長環(huán)境。2006年治理的牛屎塘芒萁已占主導地位。這說明隨著治理時間的增加，芒萁會逐漸取代人工種植的草本植物，成為稀土礦治理區(qū)水土保持的先鋒植物，以期有效恢復南方植被，形成維持自我、穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)，改善礦區(qū)生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟協(xié)調(diào)發(fā)展。

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