張 琳，劉勝洪，周玲艷，董安強，梁 紅（仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院，廣東 廣州 510225）

稀土礦場修復(fù)區(qū)植物群落特征研究

張 琳，劉勝洪，周玲艷，董安強，梁 紅
（仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院，廣東 廣州 510225）

為比較不同微環(huán)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(zhèn)稀土礦場人工植被修復(fù)區(qū)5種不同環(huán)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(fēng)、坡地（樣地3）；背陰、靠近水源（樣地4），修復(fù)區(qū)中心平地（樣地5），并對該5種樣地進行植物群落結(jié)構(gòu)調(diào)查和植物物種多樣性分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)礦場修復(fù)區(qū)共有12種植物、隸屬9科11屬，5種樣地中均為芒草的數(shù)量最多，其中樣地1的芒草數(shù)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(jīng)過對礦區(qū)修復(fù)區(qū)植被群落多樣性比較發(fā)現(xiàn)，樣地2的植物多樣性最高，Pielou多樣性指數(shù)和Shannon-Wiener指數(shù)分別為0.42、0.89。樣地間的相似性比較分析發(fā)現(xiàn)，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(guān)系圖分析顯示芒草（Miscanthus sinensis）為5個樣地中的共同優(yōu)勢種。調(diào)查結(jié)果表明，芒草在稀土礦場修復(fù)過程中具有較強的優(yōu)勢，光照和水源對礦場修復(fù)區(qū)物種的數(shù)量和多樣性影響較大。

稀土礦場；植物修復(fù)；植物群落；物種多樣性；微環(huán)境

張琳，劉勝洪，周玲艷，等. 稀土礦場修復(fù)區(qū)植物群落特征研究［J］.廣東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2016，43（7）：73-80.

恢復(fù)生態(tài)學(xué)是一門建立在多學(xué)科基礎(chǔ)上的交叉學(xué)科，退化土地生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)重建研究具有理論與現(xiàn)實雙重意義。生境異質(zhì)性被認為是生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性得以維持的重要因素［1］。監(jiān)測生態(tài)修復(fù)的過程，需要經(jīng)常關(guān)注其植物群落結(jié)構(gòu)和組成的變化［2-3］，當生態(tài)學(xué)過程發(fā)生變化時，物種分布格局會從一種模型轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N模型。海拔、坡度、坡向以及土壤有機質(zhì)、光照、含水量等環(huán)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(tài)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(tài)學(xué)研究的重點和熱點，對不同微環(huán)境下物種多樣性變化規(guī)律的研究也是生態(tài)學(xué)研究的中心議題之一。將生境異質(zhì)性研究與地力恢復(fù)相結(jié)合，通過研究在不同微環(huán)境條件下未經(jīng)強烈人工干擾的植物群落構(gòu)成及多樣性分布格局，進一步了解植物群落的生態(tài)演替規(guī)律，對礦區(qū)植被生態(tài)恢復(fù)重建及其地力恢復(fù)具有重要意義［6］。

稀土被譽為“工業(yè)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(yī)藥等多個領(lǐng)域有廣泛應(yīng)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(tài)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(tài)環(huán)境問題［9］。采后廢棄稀土礦場土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)破壞嚴重，養(yǎng)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(huán)境極端惡劣，復(fù)墾困難［10］?，F(xiàn)階段國內(nèi)外稀土礦場恢復(fù)常用的方法主要有物理化學(xué)修復(fù)方法和生物修復(fù)方法。生物修復(fù)技術(shù)包括微生物修復(fù)技術(shù)（Microbial remediation）、動物修復(fù)技術(shù)（Animal remediation）和植物修復(fù)技術(shù)（Phytoremediation technologies）。其中，植物修復(fù)技術(shù)成本較低，生物多樣性豐富，具有更好的穩(wěn)定性和實際應(yīng)用性，倍受各界學(xué)者關(guān)注［11-13］。王蕓等［14］研究發(fā)現(xiàn)天然次生林植物群落多樣性顯著高于人工恢復(fù)林。朱佳文［15］通過對湘西花垣鉛鋅礦區(qū)植物修復(fù)研究發(fā)現(xiàn)，黑麥草對重金屬污染土壤生態(tài)修復(fù)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(fā)現(xiàn)，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(fù)進行盆栽試驗發(fā)現(xiàn)，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(zhì)地，長期風(fēng)雨沖刷，土壤沙質(zhì)化，水土保持能力差，有機質(zhì)含量極低，植物不能生長，自然生態(tài)修復(fù)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(zhì)地貧瘠劣化和植物難于生長的現(xiàn)象，將土壤改良與植被恢復(fù)技術(shù)相結(jié)合進行稀土礦場生態(tài)恢復(fù)。前期在礦區(qū)人工種植先鋒植物，經(jīng)過3年沒有人為干擾的植物自然演替后，調(diào)查和分析平遠縣仁居稀土礦場不同微環(huán)境條件下植被修復(fù)區(qū)的多樣性，評估礦場修復(fù)后的生態(tài)效果。本研究結(jié)合人工修復(fù)與自然修復(fù)的方法進行礦場植被修復(fù)，從植物群落多樣性角度進行生態(tài)評估，為稀土礦場植被修復(fù)方案設(shè)計和環(huán)境保護提供科學(xué)依據(jù)。

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(qū)位于平遠縣仁居鎮(zhèn)黃畬村（116°10′E、24°33′N），礦區(qū)內(nèi)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(fù)區(qū)土壤類型為南亞熱帶季雨林赤紅壤，成土母質(zhì)為粗?；◢弾r。2005年始采，至2010年7月開采結(jié)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(fù)，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(jīng)過第一年的人工植被種植后，礦場修復(fù)區(qū)在2012—2014年不進行人工干預(yù)，任由植物群落自然演替和生長（圖1B）。

圖1 稀土礦場未修復(fù)（A）和修復(fù)后（B）景觀效果圖

1.2實地調(diào)查

經(jīng)過4年修復(fù)期后，2014年7月對修復(fù)區(qū)植被進行樣方調(diào)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(fēng)、坡地（樣地3），背陰、靠近水源（樣地4）和整個修復(fù)區(qū)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(diào)查。記錄每個樣方內(nèi)的植物種類、數(shù)量、多度、蓋度等，分析不同微環(huán)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(jīng)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(guān)系圖借助網(wǎng)上制圖軟件（https：//en.wikipedia.org/wiki/Venn_diagram）制作。

1.3數(shù)據(jù)處理

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

（1）重要值= （相對蓋度+相對頻度+相對優(yōu)勢度） / 300

（6） Sφrensen β多樣性指數(shù)（群落相似性系數(shù)）：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(shù)，a為群落A中物種的總數(shù)，b為群落B中物種的總數(shù)，Cs為群落相似性系數(shù)。

2　結(jié)果與分析

2.1稀土礦場修復(fù)區(qū)植物群落組成和結(jié)構(gòu)分析

隨著自然恢復(fù)年限的增加，物種經(jīng)歷了由簡單到豐富的變化過程。經(jīng)2014—2015年調(diào)查共發(fā)現(xiàn)修復(fù)區(qū)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(yōu)勢種，人工種植的馬尾松為唯一喬木植物（表1、表2）。所調(diào)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(yōu)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(yōu)勢。樣地1和樣地5均有5種植物，其中芒草數(shù)量高達420株。

表1 稀土礦場修復(fù)區(qū)植物群落的物種數(shù)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(jīng)過3年人工修復(fù)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(yōu)勢種的芒草+五節(jié)芒和芒草+山麻黃的共優(yōu)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(jié)芒的共優(yōu)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(fù)雜，這也與其所處的向陽、靠近水源的環(huán)境條件有很重要的關(guān)系。

表2 稀土礦場修復(fù)區(qū)植物群落數(shù)量特征

2.2礦場修復(fù)區(qū)植被群落多樣性比較

通過測定物種多樣性指數(shù)及與之相關(guān)聯(lián)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(shù)、Shannon-Wiener指數(shù)、Margalef豐富度指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)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(shù)（0.81）較其他幾個樣地高，Pielou均勻度指數(shù)較低（0.23），表明該樣地優(yōu)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(diào)查樣地大，Simpson指數(shù)為0.74，生態(tài)優(yōu)勢度較高，單種優(yōu)勢明顯，Pielou多樣性指數(shù)、Shannon-Wiener指數(shù)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(tài)優(yōu)勢度較高，芒草是群落明顯的優(yōu)勢種，其他植物個體較少，因此物種多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)較低。

2.3植物群落相似性比較

圖2 稀土礦修復(fù)區(qū)植被群落多樣性比較

圖3 修復(fù)區(qū)5種樣地物種類型維恩關(guān)系圖

從5種樣地物種維恩關(guān)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(yīng)性和生長繁衍能力，可作為稀土礦場植被修復(fù)的先鋒種。五節(jié)芒、山麻黃、鉆形紫菀等在各樣地中出現(xiàn)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(shù)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(guān)鍵；樣地1與樣地4、樣地3和樣地5的共有物種數(shù)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(fù)區(qū)內(nèi)不同生長環(huán)境差異對植物分布以及整個修復(fù)區(qū)物種組成差異影響顯著。

表3 稀土礦修復(fù)區(qū)不同方位植物群落相似性

3　結(jié)論與討論

本研究通過對不同立地微環(huán)境樣地植物群落物種及其數(shù)量特征、生物多樣性指數(shù)的比較，對其重要值排列前位的物種進行種間相關(guān)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(nèi)在形成機制及演替規(guī)律，從而模擬自然植物群落來進行植物生態(tài)配置，為南方離子型稀土礦場植被恢復(fù)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(yīng)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(jīng)過1年修復(fù)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(yǎng)和生長空間，經(jīng)過3年自然恢復(fù)，隨著自然競爭的進展，不同物種的生態(tài)位不斷發(fā)生變化，本土植物逐漸取代人工栽培植物。通過對不同環(huán)境區(qū)域植物多樣性調(diào)查統(tǒng)計和分析，發(fā)現(xiàn)不同微環(huán)境條件明顯影響了植物群落結(jié)構(gòu)。在肥力相同條件下，水分和陽光是植被恢復(fù)的重要影響因子，且向陽靠近水源的條件最適合稀土礦區(qū)植物的生長。對稀土礦場植物組成分析，發(fā)現(xiàn)禾本科類植物更容易適應(yīng)稀土礦場的環(huán)境。王友保等［29-30］調(diào)查的銅尾礦植被也發(fā)現(xiàn)禾本科植物是礦區(qū)修復(fù)的主要植物種類。通過分析比較植物群落相似性發(fā)現(xiàn)，芒草對稀土礦場環(huán)境有很強的適應(yīng)性，可將其作為植被恢復(fù)的建群種和優(yōu)勢種，這也可能與其個體蓋度較大，水肥消耗能力超強，導(dǎo)致其個體周圍其他草本植物很難生長的特征有關(guān)。因此，在芒草重要值高的樣地物種多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)比其他樣地要低的多。同時，也表明稀土礦場恢復(fù)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(zhì)土壤稀土礦場來說，水分及陽光是制約植物生長的最關(guān)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(jié)果，體現(xiàn)了物種關(guān)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(yīng)該類惡劣的土壤環(huán)境，以禾本科植物表現(xiàn)最為明顯，但是在不同廢棄時間和不同自然環(huán)境條件的尾礦庫內(nèi)特定物種的適應(yīng)性是不同的，環(huán)境條件決定了定居其中的植物種類。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，平遠縣稀土礦場修復(fù)區(qū)定居生長的植物達到12種，大多數(shù)為本土的非人工栽種的植物，其主要群落類型為五節(jié)芒+芒草+馬尾松群落，該群落內(nèi)的優(yōu)勢物種抗逆境生存能力強，適應(yīng)了該區(qū)的環(huán)境特點，且分布范圍較廣，植被平均蓋度隨其發(fā)育和群落演替過程物種豐富度逐漸增加，種群多樣性指數(shù)也顯著增加。王蕓［14］也發(fā)現(xiàn)使用外來種形成的先鋒林可能會改變植物原初的群落結(jié)構(gòu)，阻礙生態(tài)系統(tǒng)向穩(wěn)定的地帶性植被發(fā)展。因此，在選擇稀土礦場修復(fù)物種時應(yīng)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(jié)芒耐旱性、耐貧瘠和生長力3方面綜合表現(xiàn)最好，比其他科植物更容易適應(yīng)稀土礦區(qū)這類環(huán)境，可作為植被恢復(fù)的建群種和優(yōu)勢種；其次，在物種選擇時應(yīng)重點考慮種間相關(guān)性，選用具有互補關(guān)系的正相關(guān)植物種組合，使之呈現(xiàn)互利共生，對群落結(jié)構(gòu)的穩(wěn)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?shù)剡^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(yè)科技創(chuàng)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