南方稀土矿治理区不同治理年限的植物多样性研究

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  摘要选取稀土矿治理地为研究对象,探讨了不同治理年限的稀土矿治理地植被恢复状况及其植物多样性变化。结果表明,从时间上看,随着治理年限的增加,草本层Patrick丰富度指数呈上升的趋势,Alatalo均匀度指数则反之,灌木层Alatalo均匀度指数、ShannonWiener多样性指数呈上升的趋势;从空间上看,Alatalo均匀度指数、ShannonWiener多样性指数和Simpson优势度指数,灌木层均大于草本层;芒萁的盖度与高度随着治理年限的增加,呈现上升的趋势。
  关键词稀土矿治理区;治理年限;植物多样性
  中图分类号S181.1文献标识码
  A文章编号0517-6611(2015)29-273-03
  南方红壤区面积达2.035×106 km2,水土流失面积占6.0×105 km2,是南方水土流失最严重的地区之一。特别是南方稀土矿区,由于多年的开采矿区内冲沟、切沟和崩塌广布,水土流失严重,土壤养分大量流失,形成大面积严重退化生态系统。植被重建是治理南方红壤区水土流失、改善土壤质量的重要措施之一。植物群落不仅是植被的重要组成单位,而且还是植被生态学的研究对象之一。1870年德国人洪宝德撰写了《植物地理学论》一书,植被群落学也首次纳入研究之中。1957年Dansereau、Kershaw分别对植被结构进行了定义,并进一步完善它。20世纪70年代末,我国学者开始研究植物群落。其中,王伯荪认为,植物群落的结构是研究植物的种类组成及其种群特性,研究群落的外貌、垂直结构和水平结构,群落结构的确定是植物群落研究的必要基础。彭少麟研究指出,群落中提到的物种多样性指群落中物种的数量、个体总数及各种多度的均匀程度的综合概念。所以,群落在植被生态恢复中占据着重要的地位。一般来说,群落多样性的研究多集中在物种多样性上。物种多样性是整个生态学研究的重点,也是生物学研究的主要热点。天然的植物群落由一定数量的植物种类和个体组成。植物群落最基本的性质是不同植物种类和个体在一定生存环境下的聚合体。多样性分析与群落种类的机构和个体数量及空间分布相关。通过研究群落多样性,可以获得样地群落与其他群落之间的异同性,探讨植被的恢复程度,为生态修复措施的选择提供科学依据。多样性分析主要通过计算多样性的相关指数并进行比较。常见的多样性指标有物种多样性指数、均匀度指数、丰富度指数以及优势度指数。该研究用空间代替时间法和样方调查法,探讨了不同治理年限下稀土矿治理区的植被恢复情况,旨在指导该地区的植被恢复与群落多样性保护,以期为相关地区的物种多样性保护和可持续利用提供理论依据。
  1材料与方法
  1.1研究区概况
  研究区地处福建省长汀县,海拔319 m,属于中亚热带季风性湿润气候,多年平均气温为18.4 ℃,1月平均气温8.0 ℃,7月平均气温27.2 ℃,无霜期265 d。年降水量1 700~2 000 mm,降雨年内变化大,多集中于3~8月,占全年降雨量的76%[15]。土壤主要为花岗岩在湿热气候条件下风化淋溶形成的红壤、侵蚀红壤,抗蚀性极差,保水保肥能力低。水热同季,有利于植被的生长。该研究区20世纪80年代为稀土矿开采废弃地,地表裸露,土壤抗蚀能力减弱,水土流失现象严重。近几年来,经过植被恢复措施,已经取得了一定的成效,水土流失也得到了遏制。
  1.2样方设计与群落调查
  样方植物群落调查的时间为2013年11月。选取长汀县不同治理年限的3个稀土矿治理区和1个非稀土矿治理区进行植物群落样方调查。3个稀土矿治理区的立地条件基本相似,而非稀土矿治理区采取生态林草措施。稀土矿治理区每个样地选取3个植被长势相近的区域做5 m×5 m的灌木样方,在灌木样方内沿对角线做2个2 m×2 m的草本样方。非稀土矿治理区选取3个植被长势相近的区域做20 m×20 m的乔木样方,在乔木样方内沿对角线做2个5 m×5 m的灌木样方,在灌木样方内做2个2 m×2 m的草本样方。乔木样方3个,灌木样方15个,草本样方30个。分别记录每株乔木(其中把1.3 m处胸径≥4.5 cm的记为乔木)和灌木的种名、科名、株数、树高、枝下高(乔木)、地径、树冠幅、盖度等;记录草本种名、科名、草层高、分盖度、株丛数等。
  1.3不同治理年限稀土矿治理区现状景观
  各稀土矿治理区采样地点均为面积较大的平台,治理措施皆为乔灌草措施,故可保证植被土壤演替的环境存在一致性。基本情况下:
  牛屎塘稀土矿治理区(116°23′41.1″ E,25°36′11.2″ N)治理时间为2006年,植被覆盖度比较高,主要有5种植物:宽叶雀稗(Paspalum wetsfeteini)、马尾松(Pinus massoniana Lanb)、枫香(Liquidambar formosana)、木荷(Schima superba)、芒萁(Dicranopteris dichotoma)。调查显示芒萁已明显扩散,长势比较好,逐步代替其他的草本植物,盖度约为72%。土地利用类型为采矿迹地。灌木主要以枫香、胡枝子为主,零星分布少数木荷、马尾松。枫香的树高平均为176.7 cm,平均地径为2.7 cm。
  下坑稀土矿治理区(116°24′57.1″ E,25°36′33.0″ N)治理时间为2008年,主要的植被类型有宽叶雀稗、芒萁、枫香、木荷等,宽叶雀稗盖度约为68%,芒萁比较矮小,长势不如牛屎塘,盖度约为6%。灌木主要以枫香、木荷为主,其中枫香的平均树高为190 cm,地径约为5.4 cm。土壤采样过程中发现有明显的粘层,水土流失现象较为严重。
  三洲桐坝稀土矿治理区(116°23′41.1″ E,25°36′11.2″ N)治理时间为2011年,地上草本植被基本上是宽叶雀稗,盖度约为73%,草丛高约为85 cm。芒萁的长势较下坑更为矮小,平均丛高为5.3 cm。有裸露的地面。   龙颈样地(116°27′37.6″ E,25°39′31.9″ N)作为稀土矿治理区的对照地,治理时间为2006年,治理措施为生态林草措施。选择适宜的乡土物种,乔、灌木以木荷、马尾松为主,草本以芒萁、五节芒为主,并且辅助施肥措施,促进植物生长。乔、灌层马尾松的树高分别约为8.3、2.5 m。地表几乎被芒萁全部覆盖,盖度均在90%以上。
  1.4群落多样性指标
  通过研究群落多样性,可以获得样地群落与其他群落之间的异同性,探讨植被的恢复程度,为生态修复措施的选择提供科学依据。多样性分析主要通过计算多样性的相关指数并进行比较。常见的多样性指标有物种多样性指数、均匀度指数、丰富度指数以及优势度指数。
  丰富度指数采用Patrick指数:
  R=S (1)
  均匀度指数指群落中物种个体的数量以及分布的均匀程度,采用Alatalo指数:
  Ea=(P2i-1)/[exp(-PilgPi)-1] (2)
  多样性指数表示群落内物种多样性的程度,采用ShannonWiener指数:
  HP=-Si=1PilnPi(3)
  生态优势度指数反映了各物种种群数量的变化情况,生态优势度指数越大,说明群落内物种数量分布越不均匀,优势种的地位越突出。采用Simpson指数:
  D=1-Si=1Ni(Ni-1)N(N-1) (4)
  式中,S是样本中观察到的物种数,N为样本中观察的总个体数,Ni为样地i中的个体数。Pi=Ni/N,即第i个物种的相对多度。
  2结果与分析
  2.1群落物种多样性变化
  2.1.1Patrick丰富度指数。
  从表1可知,随着治理年限的增加,草本层Patrick丰富度指数呈现上升的趋势,牛屎塘最大,为6。但灌木层Patrick丰富度指数比较稳定,没有大幅度的变化,三洲桐坝达到最大,为7。从空间上看,稀土矿治理区3个样地治理时间越长,草本层Patrick丰富度指数逐渐大于灌木层,而对照区龙颈草本层与灌木层之间并没有明显的变化。
  2.1.2Alatalo均匀度指数。
  从Alatalo均匀度指数方面看,治理时间越长,草本层的Alatalo均匀度指数越来越小,牛屎塘和对照区龙颈最小1.69,但灌木层的Alatalo均匀度指数呈上升的趋势,牛屎塘最大为3.45。在空间分布上,草本层的Alatalo均匀度指数总是小于灌木层。
  2.1.3ShannonWiener多样性指数。
  从ShannonWiener多样性指数可知,随着治理年限的增加,草本层并没有明显的变化趋势,3个稀土矿治理区中ShannonWiener多样性指数下坑最小,为0.36,三洲桐坝最大,为0.53。灌木层随着治理年限的增加,多样性指数呈现上升的趋势,牛屎塘最大为065。从空间分布上可知,ShannonWiener多样性指数灌木层大于草本层,最大差为下坑,差值为0.26。
  2.1.4Simpson优势度指数。
  从表1可知,随着治理时间的越长,Simpson优势度指数无论是草本层还是灌木层并没有明显的变化规律,草本层优势度指数最大是三洲桐坝,为0.89,灌木层最大为下坑,优势度指数为0.90。从空间分布上可知,除了三洲桐坝和对照区龙颈以外,其他2个样地优势度指数都是灌木层大于草本层,差异最为明显的为下坑。
  2.2稀土矿治理区芒萁生长特性
  由图1可知,从2011年治理的三洲桐坝到2008年治理的下坑,芒萁的平均盖度以及平均高度增加得很缓慢,但是到2006年治理的牛屎塘,变化趋势明显,芒萁的高度和盖度远远大于下坑和三洲桐坝。总体上,随着治理年限的增加,芒萁的盖度与高度呈现上升的趋势。对照区龙颈与牛屎塘治理年限相近,治理措施为生态林草措施,芒萁的盖度达到90%以上,高度达到85 cm。
  3结论与讨论
  从时间上看,随着治理年限的增加,草本层Patrick丰富度指数呈上升的趋势,Alatalo均匀度指数则反之,灌木层Alatalo均匀度指数、ShannonWiener多样性指数呈上升的趋势;从空间上看,Alatalo均匀度指数、ShannonWiener多样性指数和Simpson优势度指数,灌木层均大于草本层;芒萁的盖度与高度随着治理年限的增加,呈现上升的趋势。
  土壤是植物生长的场所和营养来源,土壤侵蚀会导致侵蚀区植物受到严重的破坏,进一步干扰整个生态系统的稳定性。因此,生态系统一旦被破坏,必将导致整个自然环境无法发挥功能,人类活动也将受到不可避免的影响。长汀县稀土矿区长期以来受到人为破坏极为严重,矿沟内水土流失严重形成大面积的退化生态系统。恢复矿区植被,形成自我维持、长效稳定的生态系统,改善生态环境和促进生态发展,是长汀县稀土矿治理区生态建设急需解决的问题。植物物种多样性是矿区恢复过程中群落变化的重要指标,植物群落的稳定性与植物多样性有着密切关系。物种的丰富度反映了一个群落中物种种数的多少。从表1可知,随着治理年限的增加,草本层物种数也呈上升的趋势,而灌木层比较稳定,这可能与治理时间有关。牛屎塘治理时间最长,所以生态环境得到一定的稳定,本地的野生草本植物逐渐繁殖扩散,而三洲桐坝治理时间最短,矿区内只有一些人工栽培品种。灌木层的物种数可能与人工种植有关。草本层Alatalo均匀度指数与治理年限存在明显的负相关,这可能因三洲桐坝是2011年治理的,人工种植的乡土草本水土保持植物宽叶雀稗仍然占据着主导地位,对群落的影响比较大。但是牛屎塘和下坑分别是2006、2008年治理的,一些野生的草本植物已逐渐取代人工栽培品种,特别是牛屎塘,芒萁的覆盖度已达到72%。
  从表1可知,随着治理年限的增加,草本层ShannonWiener多样性指数并没有明显的变化规律,说明稀土矿治理区治理时间与ShannonWiener多样性指数并没有必然的联系,可能是因为群落ShannonWiener多样性指数受人类活动影响比较大。从Simpson优势度指数分析,草本层三洲桐坝优势度指数最大,群落内物种数分布最不均匀,这与稀土矿区治理时间有关。三洲桐坝人工栽培的草本植物并没有退化,而牛屎塘治理的时间比较长,野生草本植物已扩散,并将逐渐取代人工栽培的水土保持植物。而灌木层的Simpson优势度指数与治理年限没有相关关系。   芒萁是南方红壤侵蚀区湿热条件下酸性土壤的指示植物[16],耐贫瘠,喜阴湿环境,竞争能力顽强,形成单优势种群落[17],成为水土保持植物的优良品种。治理南方长汀县稀土矿治理区水土流失,芒萁发挥着不可替代的作用。3个稀土矿治理区芒萁的高度和盖度大致随着治理年限的增加呈上升的趋势。2011年治理的三洲桐坝芒萁的高度不足10 cm,盖度也只有2%左右。这是因为经过乔灌草措施的治理,辅助施肥,芒萁刚刚繁衍,此时,芒萁主要以一小丛生存于生态林草之下。而2008年治理的下坑与三洲桐坝相比差距很小,这是由于下坑稀土矿治理区附近的居民在此种植了玉米,破坏了芒萁的生长环境。2006年治理的牛屎塘芒萁已占主导地位。这说明随着治理时间的增加,芒萁会逐渐取代人工种植的草本植物,成为稀土矿治理区水土保持的先锋植物,以期有效恢复南方植被,形成维持自我、稳定的生态系统,改善矿区生态环境和经济协调发展。
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