海南文昌废弃钛矿区植被调查与物种多样性分析①

宿少锋 林之盼 王小燕 陈珠琳 薛 杨③

(1海南省林业科学研究所 海南海口 571100;2海南文昌森林生态系统国家定位观测研究站 海南海口 571100;3中国林业科学研究院资源信息研究所 北京 100091)

随着我国军事、航天业的蓬勃发展，对金属钛资源的需求也与日俱增。钛是我国重要金属矿产资源之一，由于其耐热性、抗腐蚀性强，被广泛用于冶炼、航空航天、军事设备等先进工业［1］。海南是我国钛矿资源储量最为丰富的地区，尤其文昌地区。海南钛矿主要为滨海表外矿，主要的开采方式以地表开采为主，开采地区大多邻近滨海地区，钛矿的开采不仅影响了区域景观，同时也带来一系列问题，如造成森林植被大面积的破坏，影响区域环境安全，水土流失剧增，物种多样性减少等，对国家生态文明建设和生物多样性保护带来巨大损失［2-3］，废弃钛矿区植被恢复及生态重建成为当前迫在眉睫的问题。

目前，国内外研究的重点是废弃矿区植被的恢复，国外早在20世纪初期就已经开展矿区植被生态恢复工作，通过土地复垦、矿区土壤改良和适地适树等方面的研究，现已形成系统的研究方法［4-7］。我国对矿山废弃地生态恢复研究开始较晚，于20世纪80年代才开始，近年来才得到迅速发展，很多生态学专家针对不同矿种的废弃矿区从矿区植被调查、恢复，植物群落特征及生物多样性保护方面开展了一些研究［8-12］，形成了初步的研究理论，但目前废弃钛矿区植被生态恢复研究还属空白，系统性研究资料和案例还欠缺。

本研究以海南文昌市典型废弃钛矿区为研究对象，通过对矿区废弃地周边森林植被调查，研究废弃钛矿区植物多样性，以期为该区域植被恢复种植材料的选择提供基础性资料，对废弃钛矿区生态系统的植被恢复和重建具有重要的指导意义，为废弃钛矿地及其他类型矿山生态修复与植被恢复提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 研究区概况

文昌市地处热带北缘，属热带海洋性季风气候，年平均气温22～27℃，大于或等于10℃的积温为8 200℃，最冷的月份温度仍达10～14℃，年光照为1 750～2 650 h，光照率为50%～60%，光温充足，雨量充沛，光合辐射高。年平均日照时数均在1 800 h以上；年平均降雨量1 886.2 mm，但分布不均匀，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；年平均湿度相对在80%之间，最小湿度为34%；年平均蒸发量为1 892.4 mm，以5～8月蒸发量最大，约占全年蒸发量的45%；太阳辐射能力以7月最多（13～14 kcal/m2），2月最少（5～6 kcal/m2），钛矿区周边主要土壤类型为沙壤土。

1.1.2 调查对象

2018年1～3月，选择文昌市钛矿开采具有代表性的昌洒镇、锦山镇、翁田镇和铺前镇4个镇（表1），对钛矿开采区及其周边5 km范围内典型森林植被进行调查。

表1 调查区域基本特征

1.2 方法

1.2.1 调查方法

于2018年1～3月采用路线调查和典型样方调查相结合的野外调查方法，对文昌市主要钛矿区周边森林植被进行调查，在主要区域周边5 km范围内设置样方进行实地踏查，每个代表区共设置乔木样方3个，样方面积30 m×30 m，测定郁闭度、树种、树高、胸径等指标，在每个样方中设置5 m×5 m灌木样方3块，1 m×1 m草本样方3块，对样方内的所有植被种类进行分类、汇总，记录种类、盖度及数量。

1.2.2 物种多样性指数测定方法［13］

（1） 丰富度指数（S）：样方中物种数量。

（2） Shannon-Wiener多样性指数Hˊ＝-∑（Pi×lnPi）。

（3） Simpson多样性指数D＝1-∑Ni（Ni-1）/［N（N-1）］。

（4） Pielou均匀度指数JSW＝-∑（Piln-Pi） /lnS。

式中Pi＝Ni/N，N为样方中各物种多度指标总和，Ni为第i个种的多度。

（5） 重要值计算公式

乔木层及灌木层重要值＝（相对多度＋相对频度＋相对优势度）/3

草本层重要值＝（相对多度＋相对频度＋相对盖度）/3

（6） 相似性指数计算公式

Jaccard相似性指数Cj＝c/（a＋b-c）

式中：a、b为两样点的物种数，c为两样点共有的物种数。

2 结果与分析

2.1 废弃钛矿区周边物种组成

通过调查，发现文昌市废弃钛矿区周边植被大多为常绿阔叶树种，常见乔木树种13种，隶属于9科13属（表2）。其中楝科3种，桑科、棕榈科各2种，樟科、木麻黄科、藤黄科、锦葵科、豆科、山榄科各1种。木麻黄科数量最多，占45%，豆科占35%，楝科占10%，其余的科数量之和占10%。

常见灌木12种，隶属于11科，12属（表2）。大戟科2种，桃金娘科、茜草科、芸香科、马鞭草科、露兜树科、野牡丹科、苦木科、草海桐科、棕榈科、夹竹桃科各1种。露兜树科数量最多，约占35%，草海桐科约占23%，其余的科数量之和约占42%。

常见草本21种，隶属于14科，21属（表2）。其中菊科4种，禾本科3种，苋科、大戟科各2种，莎草科、百合科、锦葵科、海金沙科夹、竹桃科、猪笼草科、景天科、马鞭草科、西番莲科各1种。菊科数量最多，约占35%，禾本科约占25%，夹竹桃科约占13%，其余的科数量之和约占27%。

表2 文昌市钛矿区周边植被调查名录

续表2 文昌市钛矿区周边植被调查名录

2.2 废弃钛矿区周边优势种特征

通过对废弃钛矿区周边植被调查，乔木类优势种比较明显，主要有木麻黄、大叶相思、苦楝等（表3）。其中木麻黄占绝对优势，重要值达到30.31，其次是大叶相思与苦楝，重要值分别为23.98、18.09。灌木类优势种主要有大青、露兜、野牡丹、马缨丹、草海桐（重要值分别为11.99、11.17、8.60、7.16、8.50）等。草本优势种主要有牛膝、胜红蓟、长春花、鬼针草、、小飞蓬草、蔓菁（重要值分别为12.47、10.77、9.41、8.57、7.80、6.49）等。

表3 废弃钛矿区周边群落优势度 单位：%

续表3 废弃钛矿区周边群落优势度 单位：%

续表3 废弃钛矿区周边群落优势度 单位：%

2.3 废弃钛矿区周边物种多样性特征

由图1可知，4个钛矿区域中物种丰富度最大的为锦山镇，各区域物种丰富度大小排序为：锦山＞翁田＞昌洒＞铺前，但总体物种丰富度均低于次生林样地。4个钛矿区垂直物种丰富度草本＞乔木＞灌木。通过物种多样性分析发现，4个区域废弃钛矿区域乔木Shannon-Wiener指数、Simpson指数、Pielou指数的变化范围分别为1.126～2.017、0.712～0.813、0.390～0.635，均显著低于次生林样地。灌木Shannon-Wiener指数、Simpson指数、Pielou指数的变化范围分别为1.231～1.397、 0.297～0.627、 0.334～0.515。草本Shannon-Wiener指数、Simpson指数、Pielou指数的变化范围分别为2.116～2.915、0.623～0.787、0.747～0.950。除草本Pielou指数外，其余指数均显著低于次生林样地，这是因为次生林样地植被乔木灌木物种种类多，草本种类少。

4个钛矿区域Shannon-Wiener指数均为草本类最大，昌洒镇和翁田镇灌木Shannon-Wiener指数大于乔木，而锦山镇和铺前镇乔木Shannon-Wiener指数大于灌木。锦山镇乔木层的Shannon-Wiener指数与其他3个区域均存在差异性显著（p＜0.05）。4个钛矿区域Simpson指数表现为为乔木类最大，显著高于灌木类（p＜0.05）。4个钛矿区域Pielou指数也均为草本类最大，显著高于灌草类（p＜0.05）。

2.4 不同位置废弃钛矿区相似性指数

如表4所示，与次生林相比，4个钛矿区植被相似性指数相对较高，其中昌洒镇与锦山镇乔木相似性指数最高，达到0.52，翁田与铺前乔木相似性指数最小，也有0.38，而次生林乔木相似性指数最高为0.26。4个钛矿区灌木、草本相似性指数也表现出比次生林高，其中昌洒镇与锦山镇灌木、草本相似性指数均为最高，分别为0.55和0.61；而昌洒镇与翁田镇灌木相似性指数最低（0.36），翁田镇与锦山镇草本相似性指数最低（0.42），灌木、草本相似性指数也都远远高于次生林。

图1 不同区位钛矿区α物种多样性特征与次生林比较

表4 不同区域钛矿区植被相似性指数（Cj）

3 讨论与结论

物种丰富度指数、多样性指数、均匀度指数是衡量群落结构的常用指标，能准确反映群落结构功能和群落稳定性，对于评价森林的群落特征和演替具有重要意义［14］。通过对文昌典型钛矿区周边调查发现，文昌废弃钛矿区周边植被物种数相对较少，周边植被仅有28科37属45种，其中乔木13种，灌木11种，草本21种。在长期的演替过程下，植物种类以草本占优势，乔木及灌木种类稀少，群落类型多为木麻黄纯林和大叶相思纯林，极少部分为木麻黄与其他树种混交结构，群落结构相对单一，稳定性较差。这种群落结构的形成，主要与外界环境条件的变化和人类的活动有关，文昌地处琼州海峡边缘，受长期台风影响，森林群落极易造成破坏，加之人类对矿产资源的开采，更加剧了周边植被的破坏。

重要值是物种在群落中占据的重要性，代表了某一个物种在群落中的作用和地位［15］，是衡量该物种的综合数量指标，反映出该物种的显著度或优势度［16］。通过重要值的研究，不仅可以判断物种组成和结构，还可以利用重要值来评价一个生态系统的稳定性和群落未来发展方向［17］。运用重要值理论，对于林地植被恢复也可起到指导作用，本研究通过对废弃钛矿周边森林植被重要值计算，能准确分析钛矿区周边各物种的优势度，选择重要值相对较高的本土物种对破坏林地进行人工恢复，既能保证破坏林地植被短时间恢复，亦可防止外来物种的直接引入造成本土植被的影响［18］。木麻黄（重要值30.31）、大叶相思（重要值23.98）、苦楝（重要值18.09）3个乔木树种对于钛矿区植被恢复能起到关键作用，潺槁木姜子、琼崖海棠、麻楝、椰子树、非洲楝、伊朗紫硬胶等6个乔木树种也可以作为混交树种，增加物种多样性，提高森林质量。大青（重要值11.99）、露兜 （11.17）、野牡丹 （8.60）、马缨丹 （8.50）、草 海 桐 （7.16）、 牛 膝 （12.47）、 胜 红 蓟（10.77）、长春花（9.41）、鬼针草、（8.57）、小飞蓬草（7.80）、蔓菁（6.49）等灌木草本在钛矿区周边群落中也占据重要的地位，在植被恢复时可搭配种植，增加森林群落垂直结构，改变林下微环境，从而对森林生态系统的稳定、演替和生物多样性起到关键作用［19］。

废弃钛矿区周边群落中乔木Shannon-Wiener指数介于1.126～2.017、Simpson指数介于0.712～0.813、Pielou指数介于0.390～0.635，乔木、灌木物种多样性指数显著低于周边次生林，而草本显著高于周边次生林。与海南中部丘陵地区群落、西部山地热带雨林乔木多样性指数相差较大［20-21］，不同生活型中Shannon-Wiener指数草本＞乔木＞灌木，说明草本植被在群落中占据重要位置，乔木、灌木多样性指数相对较低，群落结构稳定性较弱，易受外界干扰的破坏。

4个废弃钛矿区植被相似性指数均较高，基本都达到0.40以上，废弃矿区周边植被表现出高相似性，这可能是由于废弃钛矿区植被恢复过程中均以木麻黄纯林或木麻黄和相思等混交为主，严重制约其他树种的自然更新，造成恢复过程的树种结构单一，物种多样性差的结果。建议在废弃钛矿区植被恢复时，采用多树种混交模式，并适当种植灌草，既有利于增加物种多样性，又能起到抗病虫害、抗风性的保护作用，从而提高森林质量的效果。