稀土礦場修復區植物群落特征研究

張 琳，劉勝洪，周玲艷，董安強，梁 紅（仲愷農業工程學院生命科學學院，廣東 廣州 510225）

稀土礦場修復區植物群落特征研究

張 琳，劉勝洪，周玲艷，董安強，梁 紅
（仲愷農業工程學院生命科學學院，廣東 廣州 510225）

為比較不同微環境條件對稀土礦場植物群落多樣性影響，選取廣東省平遠縣仁居鎮稀土礦場人工植被修復區5種不同環境的植物樣地，每個樣地取5個樣方（5.0 m×5.0 m）：向陽、遠離水源（樣地1），向陽、靠近水源（樣地2），背風、坡地（樣地3）；背陰、靠近水源（樣地4），修復區中心平地（樣地5），并對該5種樣地進行植物群落結構調查和植物物種多樣性分析。結果發現礦場修復區共有12種植物、隸屬9科11屬，5種樣地中均為芒草的數量最多，其中樣地1的芒草數量達到420株，相對蓋度、相對密度、相對頻度和重要值分別為11.43%、89.55%、100%、0.67；經過對礦區修復區植被群落多樣性比較發現，樣地2的植物多樣性最高，Pielou多樣性指數和Shannon-Wiener指數分別為0.42、0.89。樣地間的相似性比較分析發現，樣地1、2之間相似性最高（0.77），樣地1、4及樣地3、5之間的相似性最低（均為0.22），維恩關系圖分析顯示芒草（Miscanthus sinensis）為5個樣地中的共同優勢種。調查結果表明，芒草在稀土礦場修復過程中具有較強的優勢，光照和水源對礦場修復區物種的數量和多樣性影響較大。

稀土礦場；植物修復；植物群落；物種多樣性；微環境

張琳，劉勝洪，周玲艷，等. 稀土礦場修復區植物群落特征研究［J］.廣東農業科學，2016，43（7）：73-80.

恢復生態學是一門建立在多學科基礎上的交叉學科，退化土地生態系統的恢復重建研究具有理論與現實雙重意義。生境異質性被認為是生態系統生物多樣性得以維持的重要因素［1］。監測生態修復的過程，需要經常關注其植物群落結構和組成的變化［2-3］，當生態學過程發生變化時，物種分布格局會從一種模型轉變為另一種模型。海拔、坡度、坡向以及土壤有機質、光照、含水量等環境因子，都可能影響物種分布及其多樣性，指示植物群落演替的生態過程變化［4-5］。群落物種多樣性和分布格局一直是群落生態學研究的重點和熱點，對不同微環境下物種多樣性變化規律的研究也是生態學研究的中心議題之一。將生境異質性研究與地力恢復相結合，通過研究在不同微環境條件下未經強烈人工干擾的植物群落構成及多樣性分布格局，進一步了解植物群落的生態演替規律，對礦區植被生態恢復重建及其地力恢復具有重要意義［6］。

稀土被譽為“工業維生素”，在電子信息、航天航空、新能源、原子能、機械、石油化工、醫藥等多個領域有廣泛應用［7-8］。我國南方稀土資源以重稀土元素為主，多呈離子吸附型狀態存在，一般采用“池浸法”和“灌注法”開采。稀土礦的開采給人類帶來了巨大財富，也帶來了嚴重的生態環境問題［9］。采后廢棄稀土礦場土壤質地、結構破壞嚴重，養分流失，成片荒漠化趨勢，大量礦山寸草不生，生物多樣性破壞嚴重，稀土礦場局部微環境極端惡劣，復墾困難［10］?，F階段國內外稀土礦場恢復常用的方法主要有物理化學修復方法和生物修復方法。生物修復技術包括微生物修復技術（Microbial remediation）、動物修復技術（Animal remediation）和植物修復技術（Phytoremediation technologies）。其中，植物修復技術成本較低，生物多樣性豐富，具有更好的穩定性和實際應用性，倍受各界學者關注［11-13］。王蕓等［14］研究發現天然次生林植物群落多樣性顯著高于人工恢復林。朱佳文［15］通過對湘西花垣鉛鋅礦區植物修復研究發現，黑麥草對重金屬污染土壤生態修復有很好的效果。李兆龍［16］通過對稀土礦場土壤改良狀況分析發現，稀土礦場土壤有效磷含量極低。董世超［17］通過對廢棄稀土礦場土壤植物修復進行盆栽試驗發現，雞糞對稀土礦場土壤改良有很好效果。平遠縣稀土礦場由于開采過程中嚴重破壞了土壤質地，長期風雨沖刷，土壤沙質化，水土保持能力差，有機質含量極低，植物不能生長，自然生態修復的過程極為緩慢［18-21］。

針對廣東省梅州市平遠縣稀土礦場廢棄地土壤質地貧瘠劣化和植物難于生長的現象，將土壤改良與植被恢復技術相結合進行稀土礦場生態恢復。前期在礦區人工種植先鋒植物，經過3年沒有人為干擾的植物自然演替后，調查和分析平遠縣仁居稀土礦場不同微環境條件下植被修復區的多樣性，評估礦場修復后的生態效果。本研究結合人工修復與自然修復的方法進行礦場植被修復，從植物群落多樣性角度進行生態評估，為稀土礦場植被修復方案設計和環境保護提供科學依據。

1　材料與方法

1.1研究地概況

廣東省平遠縣稀土資源極為豐富，有近30個稀土礦點。試驗區位于平遠縣仁居鎮黃畬村（116°10′E、24°33′N），礦區內土壤類型主要為山地偏酸性黃壤（pH值 5.1～5.9），海拔500～600 m，年均氣溫21.3℃，年均降水量1 480 mm，無霜期309 d。屬亞熱帶氣候，雨水充沛，冬季寒冷多霧，年溫差較大［22］。植被覆蓋好，多為針闊葉混交林、常綠闊葉林、芒草等。

修復區土壤類型為南亞熱帶季雨林赤紅壤，成土母質為粗粒花崗巖。2005年始采，至2010年7月開采結束后廢棄，地表沙化嚴重，植物難以生長，至今仍為裸露荒地（圖1A）。2011年3月開始植物修復，撒施和穴施干雞糞（750 g/m2）后，于2011年4月以株行距0.5 m × 1.0 m種植“西卡”柱花草（Stylosanthes scabra Vog）幼苗，并在斜坡和周邊地帶種植香根草（Vetiveria zizaniodes）；同年6月在柱花草中間種植紫花苜蓿（Medicago sativa）幼苗，株行距為1.5 m × 3.0 m；8月中旬，再次種植株行距為0.5 m × 1.0 m 的“西卡”柱花草幼苗，并零星散種少量玉米（Zea mays）、馬尾松（Pinus massoniana） 和木油桐（Vernicia montana）等植物種子。經過第一年的人工植被種植后，礦場修復區在2012—2014年不進行人工干預，任由植物群落自然演替和生長（圖1B）。

圖1 稀土礦場未修復（A）和修復后（B）景觀效果圖

1.2實地調查

經過4年修復期后，2014年7月對修復區植被進行樣方調查，分別選取向陽、遠離水源（樣地1），向陽、靠近水源（樣地2），背風、坡地（樣地3），背陰、靠近水源（樣地4）和整個修復區的中心平地（樣地5）5種樣地，沿樣線各選5個樣方（5.0 m×5.0 m）進行植物種調查。記錄每個樣方內的植物種類、數量、多度、蓋度等，分析不同微環境條件對物種多樣性的影響。大部分物種在野外考察過程中已經鑒定到種水平，未能鑒定的部分植物采集標本并拍照，記錄樣方編號，帶回實驗室進一步鑒定。維恩關系圖借助網上制圖軟件（https：//en.wikipedia.org/wiki/Venn_diagram）制作。

1.3數據處理

植物種的綜合數量指標采用重要值，物種多樣性采用Pielou均勻度指數、Shannon-wiener指數和Simpson指數來衡量，群落的種類豐富程度用Margalef指數來衡量，以Sφrensen β多樣性指數表示群落相似性系數［23］。

（1）重要值= （相對蓋度+相對頻度+相對優勢度） / 300

（6） Sφrensen β多樣性指數（群落相似性系數）：Cs=2c/（a+b），Cs測度兩個群落之間物種組成上的差異，式中c為群落A和群落B中共有種的總數，a為群落A中物種的總數，b為群落B中物種的總數，Cs為群落相似性系數。

2　結果與分析

2.1稀土礦場修復區植物群落組成和結構分析

隨著自然恢復年限的增加，物種經歷了由簡單到豐富的變化過程。經2014—2015年調查共發現修復區植物12種，隸屬于9科11屬，以草本植物為主，其中芒草為第一優勢種，人工種植的馬尾松為唯一喬木植物（表1、表2）。所調查5個樣地中，向陽、靠近水源位置的樣地2植物種類最為豐富，共有植物8種，隸屬于6科，優勢種明顯。樣地3和樣地4植物種類較少，都只有4種，隸屬于3科，但芒草在各樣地中依然占絕對優勢。樣地1和樣地5均有5種植物，其中芒草數量高達420株。

表1 稀土礦場修復區植物群落的物種數及多度

從表2可以看出，樣地中植物種類不多，以禾本科植物種類最多，占25.00%，其次為菊科植物占16.70%。經過3年人工修復和5年的植被自然演替，5個樣地均以芒草的重要值為最大，分別為0.67、0.59、0.62、0.65、0.62。芒草的相對蓋度均在25.00%～65.00%之間，以樣地1最為顯著，相對蓋度高達64.72%，其相對密度也顯著高于其他植物種類。樣地1、4和樣地5中形成了以芒草為優勢種的芒草+五節芒和芒草+山麻黃的共優種群。與樣地1不同，樣地2、3的植物組成不再是單一的草本，分別形成了馬尾松+芒草、馬尾松+五節芒的共優種群。其中樣地2中芒草的重要值比其他樣地要低的多，說明該樣地植物種要更復雜，這也與其所處的向陽、靠近水源的環境條件有很重要的關系。

表2 稀土礦場修復區植物群落數量特征

2.2礦場修復區植被群落多樣性比較

通過測定物種多樣性指數及與之相關聯的物種均勻度，可以綜合反映群落的組織水平（圖2）。向陽、靠近水源的地方，物種多樣性、蓋度、均勻度和豐富度均較高。其中，樣地2的植物種類最豐富，均勻度高，喜陽性樹種馬尾松生長較好。樣地2的Pielou多樣性指數、Shannon-Wiener指數、Margalef豐富度指數、Pielou均勻度指數均較其它樣地高，分別為0.42、0.93、0.89、0.43；樣地1的Simpson指數（0.81）較其他幾個樣地高，Pielou均勻度指數較低（0.23），表明該樣地優勢種顯著，物種分布不均勻呈聚群分布，蓋度也相對較低；樣地3植物種類較少，僅4種，多為小面積集群的零散分布，但其蓋度卻較其他幾個調查樣地大，Simpson指數為0.74，生態優勢度較高，單種優勢明顯，Pielou多樣性指數、Shannon-Wiener指數分別為0.26、0.55，除芒草外，草本層中蕨類植物種類也相對較多（有芒萁、烏蕨等），且長勢較好；樣地4和樣地5的生態優勢度較高，芒草是群落明顯的優勢種，其他植物個體較少，因此物種多樣性指數和均勻度指數較低。

2.3植物群落相似性比較

圖2 稀土礦修復區植被群落多樣性比較

圖3 修復區5種樣地物種類型維恩關系圖

從5種樣地物種維恩關系圖（圖3）可以看出，5個樣地均有交集，共有種為芒草，表明其對于稀土礦場土壤有很強的適應性和生長繁衍能力，可作為稀土礦場植被修復的先鋒種。五節芒、山麻黃、鉆形紫菀等在各樣地中出現的頻率也很高。從表3可以看出，樣地1與樣地2的共有種最多且物種相似性最高，相似性系數高達0.77，樣地2包含了樣地1的所有物種，表明兩個樣地所具有的陽光對于稀土礦場植物的生長極為關鍵；樣地1與樣地4、樣地3和樣地5的共有物種數和物種相似性較低，只有0.22，共有物種均僅有芒草；樣地2與樣地5的共有物種和物種相似度較高，高達0.46，共有種有芒草、山麻黃、鉆形紫菀；樣地4與樣地5的物種相似度為0.44。由此可見，植被修復區內不同生長環境差異對植物分布以及整個修復區物種組成差異影響顯著。

表3 稀土礦修復區不同方位植物群落相似性

3　結論與討論

本研究通過對不同立地微環境樣地植物群落物種及其數量特征、生物多樣性指數的比較，對其重要值排列前位的物種進行種間相關性分析，了解自然植物群落與人工植物群落之間的差異性，探索自然植物群落內在形成機制及演替規律，從而模擬自然植物群落來進行植物生態配置，為南方離子型稀土礦場植被恢復提供可行的途徑和方法［24-25］。

前期采取人工培肥，種植培肥的豆科植物和耐性植物的方法，可使適應性、抗性強的本土植物首先在稀土礦場定居、生長繁衍和自然演替［27-28］。經過1年修復期后，伴隨野生植物種的定居，人工栽培植物與自然定居植物個體間及種間開始競爭光、水、營養和生長空間，經過3年自然恢復，隨著自然競爭的進展，不同物種的生態位不斷發生變化，本土植物逐漸取代人工栽培植物。通過對不同環境區域植物多樣性調查統計和分析，發現不同微環境條件明顯影響了植物群落結構。在肥力相同條件下，水分和陽光是植被恢復的重要影響因子，且向陽靠近水源的條件最適合稀土礦區植物的生長。對稀土礦場植物組成分析，發現禾本科類植物更容易適應稀土礦場的環境。王友保等［29-30］調查的銅尾礦植被也發現禾本科植物是礦區修復的主要植物種類。通過分析比較植物群落相似性發現，芒草對稀土礦場環境有很強的適應性，可將其作為植被恢復的建群種和優勢種，這也可能與其個體蓋度較大，水肥消耗能力超強，導致其個體周圍其他草本植物很難生長的特征有關。因此，在芒草重要值高的樣地物種多樣性指數和均勻度指數比其他樣地要低的多。同時，也表明稀土礦場恢復過程中植物多樣性不僅受植物本身特征的影響，對于少水少肥的砂質土壤稀土礦場來說，水分及陽光是制約植物生長的最關鍵因素。

多度反映一個物種占用資源并把資源分配給各個個體的能力，不同群落具有不同的多度分布格局。群落物種多度分布格局是多個物種相互作用、相互影響的結果，體現了物種關系及其作用機制［26］。研究表明［7-8，14-20，31］，禾本科、菊科、豆科植物最能適應該類惡劣的土壤環境，以禾本科植物表現最為明顯，但是在不同廢棄時間和不同自然環境條件的尾礦庫內特定物種的適應性是不同的，環境條件決定了定居其中的植物種類。調查發現，平遠縣稀土礦場修復區定居生長的植物達到12種，大多數為本土的非人工栽種的植物，其主要群落類型為五節芒+芒草+馬尾松群落，該群落內的優勢物種抗逆境生存能力強，適應了該區的環境特點，且分布范圍較廣，植被平均蓋度隨其發育和群落演替過程物種豐富度逐漸增加，種群多樣性指數也顯著增加。王蕓［14］也發現使用外來種形成的先鋒林可能會改變植物原初的群落結構，阻礙生態系統向穩定的地帶性植被發展。因此，在選擇稀土礦場修復物種時應考慮：首先，在有限改良土壤并以培肥植物作為先鋒植物栽種之后，禾本科的芒草和五節芒耐旱性、耐貧瘠和生長力3方面綜合表現最好，比其他科植物更容易適應稀土礦區這類環境，可作為植被恢復的建群種和優勢種；其次，在物種選擇時應重點考慮種間相關性，選用具有互補關系的正相關植物種組合，使之呈現互利共生，對群落結構的穩定起著重要作用；最后，要盡量選擇本土的植物，選擇適合在當地過冬的樹種和展葉期較早的樹種。

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（責任編輯 白雪娜）

Characteristics of plant community in restored rare earth mine area

ZHANG Lin，LIU Sheng-hong，ZHOU Ling-yan，DONG An-qiang，LIANG Hong
（College of Life Science，Zhongkai University of Agriculture and Engineering，Guangzhou 510225，China）

In order to compare the diversity of plant communities in the restored rare earth mine area，we selected five plant sample plots with different environment，at Renju town，Pingyuan County，Guangdong Province and then chose five quadrats in each plot，as follows： sample plot 1 with a sunny exposure and away from water，sample plot 2 with a sunny exposure and close to water，sample plot 3 with a leeward slope，sample plot 4 with a shadow near the water，sample plot 5 was a plot in the center of the mine，then investigated the plant community structure and analyzed the diversity of plants species in each plot. The results found that，there were 12 species，subordinated to 9 families，11 generas in the restoration region，Miscanthus sinensis was the dominant in every plot，especially in the sample plot 1，the number of M. sinensis reached 420，the relative coverage degrees was 11.43%，relative density was 89.55%，relative frequency was 100% and important value was 0.67. By comparing the plant diversity in different sample plots，we found that sample plot 2 had the highest diversity，its Pielou index and Shannon-Wiener index were 0.42 and 0.89. The comparison of plots’ similarity showed that the similarity（0.77） of plot 1 and plot 2 were the highest，that of plot 1 and 4，plot 3 and 5 were the lowest （0.22）. Venn diagram analysis showed that M. sinensis was the common and dominant species in the restored rare earth mine area. The results indicated that，M. sinensis was the dominant species in the rare earth mine，light and water had great influences on the plant number and species diversity .

rare earth mine area； phytoremediation； plant community； species diversity； microenvironment

Q145

A

1004-874X（2016）07-0073-08

2016-03-27

國家科技支撐計劃項目（2015BAD07B02）；廣東省林業科技創新項目（2014KJCX018）

張琳（1991-），女，在讀碩士生，E-mail：zhanglin7049@163.com

梁紅（1958-），男，博士，教授，E-mail：lhofice@163.com