海南文昌廢棄鈦礦區植被調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海南省林業科學研究所 海南海口 571100;2海南文昌森林生態系統國家定位觀測研究站 海南海口 571100;3中國林業科學研究院資源信息研究所 北京 100091)

隨著我國軍事、航天業的蓬勃發展，對金屬鈦資源的需求也與日俱增。鈦是我國重要金屬礦產資源之一，由于其耐熱性、抗腐蝕性強，被廣泛用于冶煉、航空航天、軍事設備等先進工業［1］。海南是我國鈦礦資源儲量最為豐富的地區，尤其文昌地區。海南鈦礦主要為濱海表外礦，主要的開采方式以地表開采為主，開采地區大多鄰近濱海地區，鈦礦的開采不僅影響了區域景觀，同時也帶來一系列問題，如造成森林植被大面積的破壞，影響區域環境安全，水土流失劇增，物種多樣性減少等，對國家生態文明建設和生物多樣性保護帶來巨大損失［2-3］，廢棄鈦礦區植被恢復及生態重建成為當前迫在眉睫的問題。

目前，國內外研究的重點是廢棄礦區植被的恢復，國外早在20世紀初期就已經開展礦區植被生態恢復工作，通過土地復墾、礦區土壤改良和適地適樹等方面的研究，現已形成系統的研究方法［4-7］。我國對礦山廢棄地生態恢復研究開始較晚，于20世紀80年代才開始，近年來才得到迅速發展，很多生態學專家針對不同礦種的廢棄礦區從礦區植被調查、恢復，植物群落特征及生物多樣性保護方面開展了一些研究［8-12］，形成了初步的研究理論，但目前廢棄鈦礦區植被生態恢復研究還屬空白，系統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為研究對象，通過對礦區廢棄地周邊森林植被調查，研究廢棄鈦礦區植物多樣性，以期為該區域植被恢復種植材料的選擇提供基礎性資料，對廢棄鈦礦區生態系統的植被恢復和重建具有重要的指導意義，為廢棄鈦礦地及其他類型礦山生態修復與植被恢復提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 研究區概況

文昌市地處熱帶北緣，屬熱帶海洋性季風氣候，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。年平均日照時數均在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；年平均濕度相對在80%之間，最小濕度為34%；年平均蒸發量為1 892.4 mm，以5～8月蒸發量最大，約占全年蒸發量的45%；太陽輻射能力以7月最多（13～14 kcal/m2），2月最少（5～6 kcal/m2），鈦礦區周邊主要土壤類型為沙壤土。

1.1.2 調查對象

2018年1～3月，選擇文昌市鈦礦開采具有代表性的昌灑鎮、錦山鎮、翁田鎮和鋪前鎮4個鎮（表1），對鈦礦開采區及其周邊5 km范圍內典型森林植被進行調查。

表1 調查區域基本特征

1.2 方法

1.2.1 調查方法

于2018年1～3月采用路線調查和典型樣方調查相結合的野外調查方法，對文昌市主要鈦礦區周邊森林植被進行調查，在主要區域周邊5 km范圍內設置樣方進行實地踏查，每個代表區共設置喬木樣方3個，樣方面積30 m×30 m，測定郁閉度、樹種、樹高、胸徑等指標，在每個樣方中設置5 m×5 m灌木樣方3塊，1 m×1 m草本樣方3塊，對樣方內的所有植被種類進行分類、匯總，記錄種類、蓋度及數量。

1.2.2 物種多樣性指數測定方法［13］

（1） 豐富度指數（S）：樣方中物種數量。

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

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

（4） Pielou均勻度指數JSW＝-∑（Piln-Pi） /lnS。

式中Pi＝Ni/N，N為樣方中各物種多度指標總和，Ni為第i個種的多度。

（5） 重要值計算公式

喬木層及灌木層重要值＝（相對多度＋相對頻度＋相對優勢度）/3

草本層重要值＝（相對多度＋相對頻度＋相對蓋度）/3

（6） 相似性指數計算公式

Jaccard相似性指數Cj＝c/（a＋b-c）

式中：a、b為兩樣點的物種數，c為兩樣點共有的物種數。

2 結果與分析

2.1 廢棄鈦礦區周邊物種組成

通過調查，發現文昌市廢棄鈦礦區周邊植被大多為常綠闊葉樹種，常見喬木樹種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。木麻黃科數量最多，占45%，豆科占35%，楝科占10%，其余的科數量之和占10%。

常見灌木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。露兜樹科數量最多，約占35%，草海桐科約占23%，其余的科數量之和約占42%。

常見草本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。菊科數量最多，約占35%，禾本科約占25%，夾竹桃科約占13%，其余的科數量之和約占27%。

表2 文昌市鈦礦區周邊植被調查名錄

續表2 文昌市鈦礦區周邊植被調查名錄

2.2 廢棄鈦礦區周邊優勢種特征

通過對廢棄鈦礦區周邊植被調查，喬木類優勢種比較明顯，主要有木麻黃、大葉相思、苦楝等（表3）。其中木麻黃占絕對優勢，重要值達到30.31，其次是大葉相思與苦楝，重要值分別為23.98、18.09。灌木類優勢種主要有大青、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。草本優勢種主要有牛膝、勝紅薊、長春花、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 廢棄鈦礦區周邊群落優勢度 單位：%

續表3 廢棄鈦礦區周邊群落優勢度 單位：%

續表3 廢棄鈦礦區周邊群落優勢度 單位：%

2.3 廢棄鈦礦區周邊物種多樣性特征

由圖1可知，4個鈦礦區域中物種豐富度最大的為錦山鎮，各區域物種豐富度大小排序為：錦山＞翁田＞昌灑＞鋪前，但總體物種豐富度均低于次生林樣地。4個鈦礦區垂直物種豐富度草本＞喬木＞灌木。通過物種多樣性分析發現，4個區域廢棄鈦礦區域喬木Shannon-Wiener指數、Simpson指數、Pielou指數的變化范圍分別為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、Simpson指數、Pielou指數的變化范圍分別為1.231～1.397、 0.297～0.627、 0.334～0.515。草本Shannon-Wiener指數、Simpson指數、Pielou指數的變化范圍分別為2.116～2.915、0.623～0.787、0.747～0.950。除草本Pielou指數外，其余指數均顯著低于次生林樣地，這是因為次生林樣地植被喬木灌木物種種類多，草本種類少。

4個鈦礦區域Shannon-Wiener指數均為草本類最大，昌灑鎮和翁田鎮灌木Shannon-Wiener指數大于喬木，而錦山鎮和鋪前鎮喬木Shannon-Wiener指數大于灌木。錦山鎮喬木層的Shannon-Wiener指數與其他3個區域均存在差異性顯著（p＜0.05）。4個鈦礦區域Simpson指數表現為為喬木類最大，顯著高于灌木類（p＜0.05）。4個鈦礦區域Pielou指數也均為草本類最大，顯著高于灌草類（p＜0.05）。

2.4 不同位置廢棄鈦礦區相似性指數

如表4所示，與次生林相比，4個鈦礦區植被相似性指數相對較高，其中昌灑鎮與錦山鎮喬木相似性指數最高，達到0.52，翁田與鋪前喬木相似性指數最小，也有0.38，而次生林喬木相似性指數最高為0.26。4個鈦礦區灌木、草本相似性指數也表現出比次生林高，其中昌灑鎮與錦山鎮灌木、草本相似性指數均為最高，分別為0.55和0.61；而昌灑鎮與翁田鎮灌木相似性指數最低（0.36），翁田鎮與錦山鎮草本相似性指數最低（0.42），灌木、草本相似性指數也都遠遠高于次生林。

圖1 不同區位鈦礦區α物種多樣性特征與次生林比較

表4 不同區域鈦礦區植被相似性指數（Cj）

3 討論與結論

物種豐富度指數、多樣性指數、均勻度指數是衡量群落結構的常用指標，能準確反映群落結構功能和群落穩定性，對于評價森林的群落特征和演替具有重要意義［14］。通過對文昌典型鈦礦區周邊調查發現，文昌廢棄鈦礦區周邊植被物種數相對較少，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。在長期的演替過程下，植物種類以草本占優勢，喬木及灌木種類稀少，群落類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種混交結構，群落結構相對單一，穩定性較差。這種群落結構的形成，主要與外界環境條件的變化和人類的活動有關，文昌地處瓊州海峽邊緣，受長期臺風影響，森林群落極易造成破壞，加之人類對礦產資源的開采，更加劇了周邊植被的破壞。

重要值是物種在群落中占據的重要性，代表了某一個物種在群落中的作用和地位［15］，是衡量該物種的綜合數量指標，反映出該物種的顯著度或優勢度［16］。通過重要值的研究，不僅可以判斷物種組成和結構，還可以利用重要值來評價一個生態系統的穩定性和群落未來發展方向［17］。運用重要值理論，對于林地植被恢復也可起到指導作用，本研究通過對廢棄鈦礦周邊森林植被重要值計算，能準確分析鈦礦區周邊各物種的優勢度，選擇重要值相對較高的本土物種對破壞林地進行人工恢復，既能保證破壞林地植被短時間恢復，亦可防止外來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個喬木樹種對于鈦礦區植被恢復能起到關鍵作用，潺槁木姜子、瓊崖海棠、麻楝、椰子樹、非洲楝、伊朗紫硬膠等6個喬木樹種也可以作為混交樹種，增加物種多樣性，提高森林質量。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周邊群落中也占據重要的地位，在植被恢復時可搭配種植，增加森林群落垂直結構，改變林下微環境，從而對森林生態系統的穩定、演替和生物多樣性起到關鍵作用［19］。

廢棄鈦礦區周邊群落中喬木Shannon-Wiener指數介于1.126～2.017、Simpson指數介于0.712～0.813、Pielou指數介于0.390～0.635，喬木、灌木物種多樣性指數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群落、西部山地熱帶雨林喬木多樣性指數相差較大［20-21］，不同生活型中Shannon-Wiener指數草本＞喬木＞灌木，說明草本植被在群落中占據重要位置，喬木、灌木多樣性指數相對較低，群落結構穩定性較弱，易受外界干擾的破壞。

4個廢棄鈦礦區植被相似性指數均較高，基本都達到0.40以上，廢棄礦區周邊植被表現出高相似性，這可能是由于廢棄鈦礦區植被恢復過程中均以木麻黃純林或木麻黃和相思等混交為主，嚴重制約其他樹種的自然更新，造成恢復過程的樹種結構單一，物種多樣性差的結果。建議在廢棄鈦礦區植被恢復時，采用多樹種混交模式，并適當種植灌草，既有利于增加物種多樣性，又能起到抗病蟲害、抗風性的保護作用，從而提高森林質量的效果。