森林与环境学报  2020, Vol. 40 Issue (3): 251-259   PDF    
http://dx.doi.org/10.13324/j.cnki.jfcf.2020.03.004
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李启艳, 黄偲祺, 朱晨璐, 李宗勋, 郭世鸿, 侯晓龙
LI Qiyan, HUANG Siqi, ZHU Chenlu, LI Zongxun, GUO Shihong, HOU Xiaolong
离子型稀土矿堆浸场地不同恢复年限植被多样性
Plant species diversity in different ecological recovery years of a heap leaching wasteland of a rare earth mining area
森林与环境学报,2020, 40(3): 251-259.
Journal of Forest and Environment,2020, 40(3): 251-259.
http://dx.doi.org/10.13324/j.cnki.jfcf.2020.03.004

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收稿日期: 2019-10-04
修回日期: 2020-02-10
离子型稀土矿堆浸场地不同恢复年限植被多样性
李启艳1 , 黄偲祺1 , 朱晨璐1 , 李宗勋1 , 郭世鸿2 , 侯晓龙1,3     
1. 福建农林大学林学院, 福建 福州 350002;
2. 福建省环境科学研究院, 福建 福州 350002;
3. 南方红壤区水土保持国家林业和草原局重点实验室, 福建 福州 350002
摘要:生物群落多样性是判断生态系统稳定的重要指标,为了解人工建植对稀土矿废弃地生态系统的影响,以福建省长汀县离子型稀土矿堆浸废弃地为研究对象,利用植被恢复固定监测点,选取植被恢复5、8、11 a废弃地为样点,调查不同恢复年限样地物种种类和数量,分析稀土矿废弃地物种多样性随恢复时间的变化规律。结果表明:随植被恢复年限的增加,前期人工种植的植物逐渐被本土野生植物取代,增加物种以禾本科和菊科植物为主。乔木层、草本层植物种类和数量随恢复年限的增加而增加;随着植被恢复年限的增加,稀土矿废弃地乔木层物种丰富度(Gleason指数、Margalef指数)、Shannon指数逐渐增加,而乔木层、草本层Pielou均匀度指数则呈先增加后下降趋势;植被恢复8与11 a植被相似度最高,其次是植被恢复5与8 a,其中植被恢复11 a与对照样地植被相似度最低;Margalef指数、Simpson指数与Shannon指数呈显著相关。因此,随着植被恢复年限的增加,稀土矿生态退化区植被恢复前期人工干涉效应在逐渐降低,后期演变为自然演替,物种群落结构和种类发生变化,但与当地本土植物群落仍存在一定差异,表明生态退化区植被演替仍处于动态变化阶段。
关键词离子型稀土矿    人工建植    植被演替    植被相似度    生态恢复    
Plant species diversity in different ecological recovery years of a heap leaching wasteland of a rare earth mining area
LI Qiyan1 , HUANG Siqi1 , ZHU Chenlu1 , LI Zongxun1 , GUO Shihong2 , HOU Xiaolong1,3     
1. College of Forestry, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou, Fujian 350002, China;
2. Fujian Provincial Department of Ecology and Environment, Fuzhou, Fujian 350002, China;
3. Key Laboratory of State Forestry and Grassland Administration for Soil and Water Conservation in Red Soil Region of South China, Fuzhou, Fujian 350002, China
Abstract: Biodiversity is an important indicator of ecosystem stability. To understand the impacts of artificial planting on rare earth mine wastelands, the Changting Fujian ionite rare earth mine heap leaching wasteland was examined. Fixed monitoring points were selected from within the abandoned land(5, 8, and 11 a) as sampling points for vegetation restoration. We investigated the different species and numbers of plants across different recovery years and analyzed the changes in the species diversity of abandoned rare earth mine land with recovery time. The results showed that with the increasing vegetation restoration period, the artificially planted species were gradually replaced by native wild plants, of which the main species were mainly Gramineae and Asteraceae. The species and number of plants in the tree and herb layers increased with the increasing restoration period. With the increase in the vegetation restoration years, the species richness(Gleason and Margalef) and Shannon indices of the arbor layer in the abandoned land of rare earth mines gradually increased, while Pielou's evenness index of the arbor and herb layers showed an increasing trend and then decreased. The vegetation restorations at 8 and 11 a were the most similar concerning vegetation, followed by 5 and 8 a. Regarding similarities in the vegetation, the vegetation restoration at 11 a was the least similar to the control plot. The Margalef and Simpson indices were significantly correlated with the Shannon index.In conclusion, with the increase in the vegetation restoration time, the artificial interference effect of vegetation restoration in the rare earth ecological degradation zone gradually decreased in the early stage, and evolved into natural succession in the later period, causing the species and community structure to change. However, there were still some differences relative to the local native plant community, indicating that vegetation succession in the ecologically degraded area was still in a dynamic stage.
Key words: ion-type rare earth area     artificial planting     vegetation succession     vegetation similarity     ecological restoration    

我国矿产资源储量丰富,是矿产资源自给自足程度最高的国家之一。在我国江西、广东、福建等省分布着丰富的离子型重稀土资源,其中福建省长汀县是南方离子型重稀土的重要矿区。由于多年来的稀土开采作业,矿区内冲沟、切沟、崩岗广泛分布,水土流失严重[1-2]。而稀土开采后会产生土壤结构破坏,土壤酸化、土壤重金属污染、土壤微生物种群发生变化等一系列生态环境恶化问题。目前,国内外许多专家学者就稀土矿开采对环境的影响以及稀土开采后废弃地植被的恢复进行了不少研究,取得了许多成果。王友生等[3]对长汀县稀土矿开采废弃地进行污染评价,结果表明,矿区综合生态风险指数达极重污染水平。西班牙学者RAFAEL et al[4]研究表明圣多明哥矿区的采矿活动对周边的河流产生污染。矿区内生态系统退化严重,威胁人类的健康及社会经济的发展,如何恢复与重建矿区生态系统成为当前研究的重点。

植物修复因其成本较低、生物多样性丰富、二次污染风险小、具有更好的稳定性和实际应用性而倍受各界学者关注[5-7]。矿区植被恢复研究多集中在采矿工艺后的植被重建技术方面,并且筛选出可以作为稀土矿植被恢复的先锋物种[8-10]。古锦汉等[11]在茂名矿上废弃地引种30多种阔叶树种进行恢复试验,发现海南红豆、海南蒲桃等是矿区废弃地恢复的适生阔叶树种。朱佳文[12]对湘西铅锌矿区重金属污染区进行调查研究发现黑麦草为该矿区生态修复的先锋植物,黑麦草能对矿区多种重金属产生响应及耐受机制。煤矿生态重建区经过9 a植被恢复治理,形成了物种丰富的乔灌草群落[13]。相关研究表明,稀土矿废弃地植被恢复实际是矿区植被群落次生演替过程,植被在演替过程中受诸多因素影响(植物本身特性、环境条件、土壤条件),但植被演替的方向始终是群落结构和功能趋于稳定[14-15]。植被恢复时间不同,植被演替中优势种也会不同,随着恢复年限的增加,前期(2~3 a)以一年生植物为优势地位,后期(5~10 a)一年生植物逐渐退出演替进程,以多年生植物为优势地位,最终(15 a以上)形成草灌丛生植物群落[16-17]。李斌[18]对湖南冷水江锑矿废弃地植被恢复与重建研究发现,废弃地植被恢复原则上遵循自然演替规律,演替阶段大致为裸地→草地→灌丛→针叶林→常绿与落叶阔叶混交林阶段。先锋植物入侵→定居→群聚→竞争,最终形成矿山废弃地植物群落[19]。刘世忠等[20]对茂名北因人为因素形成的次生裸地(排油页岩废渣场)进行土壤与植被特性研究发现,经过20多年的自然恢复,废渣场的植被群落结构及组成种类简单,仍处于群落次生演替前期。有学者指出矿山植被群落的形成和演替与环境因子有关[21]。研究资料表明,筛选出的矿区适生抗逆性强的植物前期表现出良好的生长势,但随着植被恢复治理年限的增加,一些植被出现衰退甚至死亡现象[2]

目前,对于影响稀土矿废弃地植被恢复的主要限制因子以及植被恢复后期植被出现退化的内在机制尚不清楚,严重限制南方稀土矿废弃地植被恢复。鉴于此,以长汀县稀土矿生态退化区不同植被恢复年限的堆浸废弃地为研究对象,通过建立固定植被观测点,进行植物群落结构、物种数量、物种多样性比较,分析不同植被恢复年限稀土矿堆浸废弃地物种多样性、植物的群落特征、植被的演替及恢复特征,为稀土矿生态退化区植被恢复及其效果长期维持提供理论依据。

1 研究方法 1.1 试验样地概况

试验样地位于福建省长汀县河田镇,北纬25°18′40″~26°02′05″,东经116°00′45″~116°39′20″,海拔238~1 459 m。地处中亚热带季风气候区,年平均气温18.3 ℃,年降水量1 685.6 mm,年均无霜期260 d,四季分明。土壤为粗晶花岗岩发育成熟的砂壤土,极易造成水土流失。稀土矿堆浸废弃地是指将含有稀土的土壤用2%硫酸铵多次淋洗后再用清水淋洗提取稀土后废弃的土壤。

1.2 植被调查

试验选择分别于2007年、2010年、2013年以“枫香+木荷+胡枝子+宽叶雀稗”为模式进行植被恢复治理的稀土矿堆浸废弃地为试验样地,建立3个坡向、坡度、海拔一致的固定观测样地,并在远离开采区设置一个对照样地(未开采地,为水土流失植被恢复治理地,以马尾松群落为主),每块样地均设置3个20 m×20 m的标准样方。木本植物采用1~2年生容器苗进行栽种,草本植物采用条沟撒播方式进行播种,植被配置密度为:枫香2 250株·hm-2,木荷2 250株·hm-2,胡枝子4 500株·hm-2,宽叶雀稗15 kg·hm-2

各样地在进行植被恢复治理1 a时根据植被生长情况设计补植、补种,补植种为木荷、火力楠、山杜英、油茶,补种草种为撒播宽叶雀稗、类芦、百喜草。乔木补植密度为400株·hm-2,草种撒播为8 kg·hm-2。2018年,分别对植被恢复治理11、8、5 a的试验样地及对照样地进行植被调查,每个样方内调查所有乔木树种、树高、胸径、冠幅、株数,并在每个样方内设置1个5 m×5 m样方进行灌木层种类、树高、株数调查,同时在灌木样方内布设1 m×1 m样方进行草本层种类、高度、盖度调查,藤本植物进行植物种类辨认。

1.3 物种多样性计算方法 1.3.1 物种多样性

通过计算多样性的相关指数进行物种多样性分析,具体计算公式如下:

$ 相对密度/\% = 调查群落中第i个种的物种数/调查群落中全部物种的个体数 \times 100 $ (1)
$ 相对盖度/\% = 调查群落中第i个种的盖度/调查群落中所有种的盖度 \times 100 $ (2)
$ 相对频度/\% = 调查群落中第i个种的频度/调查群落中所有种的频度 \times 100 $ (3)
$ 重要值/\% = 相对密度 + 相对盖度 + 相对频度 $ (4)
$ {D_{\rm{G}}} = S/ {\rm{ln}} A $ (5)
$ {D_{\rm{M}}} = S - 1/ {\rm{ln}} N $ (6)
$ {D_{\rm{S}}} = 1 - \sum\limits_{i = 1}^S {P_i^2} $ (7)
$ {H^\prime } = - \sum\limits_{i = 1}^S {({P_i} {\rm{ln}} {P_i})} $ (8)
$ E = {H^\prime }/ {\rm{ln}} S $ (9)

式中:DG为Gleason指数,DM为Margalef指数,DS为Simpson指数,H′为Shannon指数,E为Pielou指数,S为样地中物种总数,A为样地面积(m2),N为样地中所有物种个体数,Ni为样地中第i个物种的个体数,Pi为第i个物种所占比例, 即Pi=Ni/N

1.3.2 群落相似性

群落相似性系数采用Jaccard相似性公式计算[22]

$ {C_{\rm{S}}} = c/(a + b - c) $ (10)

式中:CS为相似性系数,c为A、B群落共有物种数,a为A群落物种数,b为B群落物种数。

根据相似性原理,可将CS分为极不相似(0.00≤CS≤0.25)、中等不相似(0.25 < CS≤0.50)、中等相似(0.50 < CS≤0.75)、极相似(0.75 < CS≤1.00)。

1.4 数据处理

运用Microsoft Excel 2010和SPSS 20.0软件对数据进行整理及统计分析;使用单因素方差分析(one-way ANOVA)进行差异显著性分析;用Duncan′s法进行多重比较;运用Origin 9.0绘制分析图。

2 结果与分析 2.1 稀土矿区不同恢复年限植物群落特征

表 1可知,不同恢复年限植物种类组成差异较大,随着恢复年限的增加,乔木层、草本层双子叶植物种类呈增加趋势,草本层中蕨类植物在植被恢复5 a时出现最多(4种),其次是11 a(3种)。植被恢复11 a时植物种类最多,共24种,其中草本层13种,占总物种数的54.2%,同时一年生、多年生草本种类分别为3种和10种。

表 1 不同恢复年限植物群落特征 Table 1 Plant community characteristics during different vegetation restoration years
植被恢复年限
Vegetation restoration year
植物类别
Plant category
科数Number of families 属数Number of genera 物种数Number of species
乔木层
Arbor layer
灌木层
Shrub layer
草本层
Herb layer
藤本
Vine
乔木层
Arbor layer
灌木层
Shrub layer
草本层
Herb layer
藤本
Vine
乔木层
Arbor layer
灌木层
Shrub layer
草本层
Herb layer
藤本
Vine
11 a 蕨类植物
Fern
3 3 3
裸子植物
Gymnosperm
双子叶植物
Dicotyledon
7 2 5 7 2 7 7 2 7
单子叶植物
Monocotyledon
1 1 1 1 3 1 1 3 1
8 a 蕨类植物
Ferns
2 2 2
裸子植物
Gymnosperm
1 1 1
双子叶植物
Dicotyledon
3 3 5 3 3 5 3 3 5
单子叶植物
Monocotyledon
1 3 3
5 a 蕨类植物
Fern
4 4 4
裸子植物
Gymnosperm
1 1 1
双子叶植物
Dicotyledon
1 1 2 1 1 2 1 1 2
单子叶植物
Monocotyledon
1 1 2 1 2 1
CK 蕨类植物
Fern
2 2 2
裸子植物
Gymnosperm
1 1 1
双子叶植物
Dicotyledon
1 3 1 3 1 3
单子叶植物
Monocotyledon
1 2 2

表 2可知,随着植被恢复年限的增加,样地覆盖度呈增加趋势,物种数目增多。同时一、二年生及多年生草本的物种数目增多,乔木灌木物种数目增多,表明群落结构组成逐渐趋于稳定。

表 2 不同恢复年限植被生活型组成 Table 2 Vegetation composition during different vegetation restoration years
植被恢复年限
Vegetation restoration year
覆盖度
Coverage/%
物种数
Number of species
一、二年生草本
Annual or biennial herb
多年生草本
Perennial herb
乔木、灌木(小灌木)
Arbor, shrub (small shrub)
11 a 80~85 24 4 10 10
8 a 80~85 17 2 8 7
5 a 70~80 12 1 8 3
CK 80~85 9 1 3 5
2.2 稀土矿区不同恢复年限物种群落组成及数量

长汀县河田镇稀土矿堆浸废弃地植被组成情况如表 3所示,堆浸废弃地内共出现39种植物,分属29科,其中以禾本科、菊科植物为主,分别占总物种数的12.8%、10.3%。由此可见,禾本科、菊科植物在稀土矿废弃地植被恢复过程中占优势地位。同时,在植被恢复过程中还出现茜草科、大戟科、豆科、乌毛蕨科、商陆科、唇形科、马鞭草科、爵床科、肾蕨科等植物。

表 3 不同恢复年限植被组成、数量 Table 3 Vegetation composition and quantity during different vegetation restoration years
植被层
Vegetation layer
物种
Species

Family

Genus
株数
Number of plants
重要值
Important value/%
11 a 8 a 5 a CK 11 a 8 a 5 a CK
乔木层 油茶Camellia oleifera 山茶科Theaceae 山茶属Camellia 10 22.6
Arbor 枫香Liquidambar formosana 金缕梅科Hamamelidaceae 枫香树属Liquidambar 2 12 14.9 40.8
layer 木荷Schima superba 山茶科Theaceae 木荷属Schima 4 25 9.9 56.6
山杜英Elaeocarpus sylvestris 杜英科Elaeocarpaceae 杜英属Elaeocarpus 6 34.7
马尾松Pinus massoniana 松科Pinaceae 松属Pinus 5 11 16 33.5 48.1 77.4
米槠Castanopsis carlesii 壳斗科Fagaceae 锥属Castanopsis 1 12.8
鹅掌楸Liriodendron chinensis 木兰科Magnoliaceae 鹅掌楸属Liriodendron 5 11.1
漆树Toxicodendron vernicifluum 漆树科Anacardiaceae 漆属Toxicodendron 6 1 13.9 4.5
山乌桕Sapium discolor 大戟科Euphorbiaceae 乌桕属Sapium 1 3.1
紫薇Lagerstroemia indica 千屈菜科Lythraceae 紫薇属Lagerstroemia 1 5.0
毛竹Phyllostachys heterocycla 禾本科Gramineae 刚竹属Phyllostachys 25 23.2
灌木层 海桐Pittosporum tobira 海桐科Pittosporaceae 海桐花属Pittosporum 4 19.6
Shrub 胡枝子Lespedeza bicolor 豆科Fabaceae 胡枝子属Lespedeza 5 3 10.8 10.9
layer 黄杨Buxus sinica 黄杨科Buxaceae 黄杨属Buxus 10 40.7
栀子花Gardenia jasminoides 茜草科Rubiaceae 栀子属Gardenia 2 13.1
山莓Rubus corchorifolius 蔷薇科Rosaceae 悬钩子属Rubus 7 1 9.8 10.0
算盘子Glochidion puberum 大戟科Euphorbiaceae 算盘子属Glochidion 1 3.3
地菍Melastoma dodecandrum 野牡丹科Melastomataceae 野牡丹属Melastoma 20 17.6
杠板归Polygonum perfoliatum 蓼科Polygonaceae 蓼属Persicaria 9 1 11.7 4.6
草本层 宽叶雀稗Paspalum wetsfeteini 禾本科Gramineae 雀稗属Paspalum 8 21 15 12.2 24.8 17.8
Herb 商陆Phytolacca acinosa 商陆科Phytolaccaceae 商陆属Phytolacca 1 2.2
layer 小鱼仙草Mosla dianthera 唇形科Lamiaceae 石荠苎属Mosla 8 13.2
五节芒Miscanthus floridulus 禾本科Gramineae 芒属Miscanthus 18 11 13 10 24.6 14.1 20.0 37.5
金毛耳草Hedyotis Chrysotricha 茜草科Rubiaceae 耳草属Hedyotis 31 10 6 22.3 14.7 10.6
金挖耳Carpesium divaricatum 菊科Asteraceae 天名精属Carpesium 2 2.7
狼尾草Pennisetum alopecuroides 禾本科Gramineae 狼尾草属Pennisetum 13 8 10.7 15.2
黄鹌莱Youngia japonica 菊科Asteraceae 黄鹌菜属Youngia 9 11.0 11.7
垂穗石松Palhinhaea cernua 石松科Lycopodiaceae 垂穗石松属Palhinhaea 10 14.7
海金沙Lygodium japonicum 海金沙科Lygodiaceae 海金沙属Lygodium 1 14.0
马鞭草Verbena officinalis 马鞭草科Verbenaceae 马鞭草属Verbena 1 10.0
牛虱草Eragrostis unioloides 禾本科Gramineae 画眉草属Eragrostis 5 23.4
地胆草Elephantopus scaber 菊科Asteraceae 地胆草属Elephantopus 5 13.7
爵床Rostellularia procumbens 爵床科Acanthaceae 爵床属Justicia 3 4 4.0 6.2
乌蕨Odontosoria chinensis 陵齿蕨科Lindsaeaceae 乌蕨属Stenoloma 11 14.7
乌毛蕨Blechnum orientale 乌毛蕨科Blechnaceae 乌毛蕨属Blechnum 15 23 37 15.8 20.0 42.9
芒萁Dicranopteris dichotoma 里白科Gleicheniaceae 芒萁属Dicranopteris 18 12 22 18 29.3 19.9 54.3 61.4
肾蕨Nephrolepis auriculata 肾蕨科Nephrolepidaceae 肾蕨属Nephrolepis 5 9.6
一点红Emilia sonchifolia 菊科Asteraceae 一点红属Emilia 1 4.0
藤本
Vine
菝葜Smilax china 百合科Liliaceae 菝葜属Smilax 8 1 7.2 4.8

不同恢复年限植被种类组成具有明显差异,植被恢复11 a样地发现物种24种隶属18个科。其中禾本科、菊科植物分别占植被恢复11 a总物种数的16.7%、12.5%,表明这两个物种为该植被恢复年限的优势种;草本层共13种,以一年生、多年生草本为主。植被恢复8 a样地发现物种17种隶属15个科,草本层共10种,占植被恢复8 a总物种数的58.8%,其中宽叶雀稗、乌毛蕨、芒萁适应度最佳。植被恢复5 a样地发现物种12种隶属11个科,草本层新出现垂穗石松、乌蕨等新物种,与植被恢复8 a相比,禾本科植物减少1种。对照样地发现物种9种隶属8个科,植被种类相对较少,草本层以禾本科为主。因此,在稀土矿植被恢复过程中以禾本科、菊科植物为优势种及建群种,同时禾本科植物在植被恢复过程中对逆境环境适应能力更佳,其次是菊科植物。

随植被恢复年限增加,前期人工种植种出现生长衰退甚至死亡现象,不同植被层均有其他物种新增。其中,植被恢复11a乔木层(4种)、草本层(6种)新增植物种类最多。不同恢复年限植被物种重要值表现出差异性。植被恢复11 a植被重要值较大的分别是油茶(Camellia oleifera)(22.6%)、毛竹(Phyllostachys heterocycla)(23.2%)、金毛耳草(Hedyotis chrysotricha)(22.3%)、五节芒(Miscanthus floridulus)(24.6%)、芒萁(Dicranopteris dichotoma)(29.3%),其中毛竹为新增物种。植被恢复8 a优势物种为马尾松(Pinus massoniana)、山杜英(Elaeocarpus sylvestris)、枫香(Liquidambar formosana)、宽叶雀稗(Paspalum wetsfeteini),其中枫香重要值最大。植被恢复5 a优势物种为木荷(Schima superba)、马尾松、乌毛蕨(Blechnum orientale)、芒萁,其中木荷重要值最大(56.6%),芒萁次之(54.3%)。对照样地优势物种为马尾松、黄杨(Buxus sinica)、五节芒、芒萁。因此,植被恢复11 a优势种数目较多,重要值较小,说明植被群落组成较复杂。

2.3 稀土矿区不同恢复年限植被物种多样性

图 1可知,随植被恢复年限的增加,乔木层Gleason指数、Margalef指数、Shannon指数总体呈上升趋势,其中植被恢复11 a物种丰富度最高;Simpson指数随着植被恢复年限的增加呈现出先上升再下降的趋势,植被恢复8 a时Simpson指数达到最大。Pielou指数随植被恢复年限的增加呈现出先上升再下降的趋势,植被恢复8 a时Pielou指数最高,11 a时呈现下降趋势。灌木层植被恢复8 a时Margalef指数、Simpson指数、Shannon指数达到最大,而恢复5 a时最小;Pielou指数则随植被恢复年限的增加呈增加趋势。随着植被恢复年限的增加草本层Gleason指数、Margalef指数、Simpson指数、Shannon指数呈现上升趋势。随着植被恢复年限的增加,稀土矿植被出现前期生长后期竞争淘汰现象。前期Pielou指数较高与人工配置植物有关,后期Pielou指数浮动与植被自身演替相关。随着植被恢复年限的增加,稀土矿植被演替过程存在植被长期适应逆境环境以及种间的竞争关系,群落结构组成逐渐趋于稳定。

注:DGDMDSH′、E分别代表Gleason指数、Margalef指数、Simpson指数、Shannon指数、Pielou指数,其中Gleason指数、Margalef指数表示物种丰富度。 Note: DG, DM, DS, H′ and E represent the Gleason, Margalef, Simpson, Shannon, and Pielou indices, respectively. The Gleason and Margalef indices represent species richness. 图 1 不同恢复年限植被多样性 Fig. 1 Vegetation diversity during different vegetation restoration years
2.4 稀土矿区不同恢复年限物种相似性和物种多样性指标间相关性

表 4可知,稀土矿废弃地不同恢复年限植被群落相似性出现极不相似和中等不相似2个类别。对照样地与植被恢复5、8、11 a及植被恢复5与11 a群落相似性表现为极不相似,相似系数均小于0.25,其中对照样地与植被恢复11 a相似系数最小。植被恢复8 a与植被恢复11 a稀土矿废弃地植被群落相似系数最高,为0.322 5,同时两个群落间共有物种数最多(10种)。总体上看,各恢复年限植被群落均表现为不相似,群落差异较大。

表 4 不同恢复年限植被物种相似性 Table 4 Species similarity during different vegetation restoration years
植被恢复年限
Vegetation restoration year
11 a 8 a 5 a CK
11 a 1.000 0
8 a 0.322 5(10) 1.000 0
5 a 0.200 0(6) 0.318 1(7) 1.000 0
CK 0.064 5(2) 0.130 4(3) 0.166 6(3) 1.000 0
注:括号内表示两个群落间共有物种数。Note: the number of species shared between the two communities is shown in parentheses.

表 5可知,Simpson指数与植被恢复年限在0.01水平上呈极显著相关。Shannon指数与Pielou指数在0.05水平上与植被恢复年限呈显著相关。Margalef指数与Shannon指数在0.05水平上呈现显著相关。Simpson指数与Shannon指数在0.05水平上呈现显著相关,且相关系数最大为0.984。Margalef指数与Pielou指数相关系数最小。因此,稀土矿植被恢复治理在长时间内植被群落均存在较大的演替性。

表 5 不同恢复年限植被物种多样性指标间相关性 Table 5 Correlations between the species diversity indicators duringof different vegetation restoration years
物种多样性指标
Species diversity indicators
年限Years DM DS H' E
年限Years 1.000
DM 0.938 1.000
DS 1.000** 0.944 1.000
H' 0.979* 0.978* 0.984* 1.000
E 0.964* 0.824 0.957* 0.890 1.000
注:** 表示在0.01水平上显著相关,*表示在0.05水平上显著相关。Note: ** indicates significant correlation at 0.01 level,* indicates significant correlation at 0.05 level.
3 讨论与结论

稀土矿区土壤贫瘠、水土流失严重、土壤重金属污染严重且易迁移,恶劣的生态环境导致矿区内多数植物难以存活。稀土矿区植被恢复实际是群落次生演替过程,群落结构和功能从简单到复杂,群落演替从低级到高级的演替过程[14]。本研究发现,随着植被恢复年限增加,植被群落组成物种数增加,出现蕨类植物及藤本类植物。植被恢复11、8、5 a发现物种数分别为24、17、12,其中禾本科、菊科植物为优势物种。禾本科、菊科植物多为矮小丛生,其耐性好,生命力顽强,能长时间适应矿区恶劣的生境条件,具有良好的生长优势,在矿区群落次生演替初期阶段占据重要位置。同时禾本科、菊科植物的定居能改善土壤微环境,促使自身生长。早期选用当地禾本科、菊科等适应性强的植物进行矿区废弃地快速覆绿,为其他物种提供宜居的环境条件[23]。晋松等[24]对铜陵狮子山铜尾矿场进行植被调查研究发现,禾本科、菊科、豆科等植物为矿场优势物种。陈振峰等[25]对永平矿山废弃地的植被调查结果显示,禾本科植物大量存在于不同植被恢复阶段群落内,且优势度程度不同。在植被恢复过程中植被对环境的反馈不同,植被的生长势表现也不同,植被在不断适应逆境环境,在时间维度下逐渐发展成为优势物种,在群落组成和群落演替中扮演重要角色。

在稀土矿废弃地植被恢复过程中,植物与环境相互影响、相互作用,生境环境的改变是植被群落发生动态变化的重要因素。物种多样性增加表明稀土矿生态退化区植被已适应恶劣生境并开始逐渐恢复。群落演替总是向复杂、多样的方向演替。而本研究中发现,植被修复5 a后,随着自然竞争的发展及物种生态位的变化,稀土矿生态退化区已有芒萁(里白科)、五节芒(禾本科)、金毛耳草(茜草科)、乌毛蕨(乌毛蕨科)、垂穂石松(石松科)、山乌桕(大戟科)、黄鹌莱(菊科)、金挖耳(菊科)、算盘子(大戟科)等野生植物定居并逐渐取代人工栽培植物。乔木层、草本层物种入侵较多,灌木层物种除人工种植种外,新增种较少。HUANG et al[26]对内蒙古自治区黑岱沟露天煤矿垃圾场植被恢复研究发现,矿区植被恢复群落以灌草为主,与本研究有出入。可能的原因是,矿区地理位置和矿区本身性质不同造成植被恢复过程中优势种的不同。王友生[27]在对长汀稀土矿废弃地进行植被恢复后发现,在植被恢复后期,植被生长出现退化现象。马建军等[28]对黑岱沟露天煤矿排土场植被恢复调查发现,随着植被恢复年限增加,野生植物种逐渐入侵并定居。群落演替在于物种的不断竞争,而稀土矿恶劣的生境条件阻碍了演替的进程。随着恢复年限的增加,一方面,由于水土流失、土壤重金属污染等问题的干扰,导致植被恢复后期出现植被衰退灭亡的现象;另一方面,前期由于人工抚育手段植被均能正常生长,后期由于稀土矿废弃地贫瘠的土壤条件不能供给植被生长对土壤养分的需求,植被出现退化死亡。Pielou指数随时间的推移而呈现降低趋势,这可能是由于前期人工干扰导致均匀度指数较高,而后期由于植被自身的演替及不利环境的限制,植被生长受限制或死亡导致均匀度指数偏低。LIU et al[29]对中国南方稀土矿荒地植物种群的种间关联进行研究,结果表明随着自然恢复时间由5 a增加到15 a,物种间的整体关联性由负向正逐渐变化。矿区废弃地自然恢复植物群落演替随时间变化,逐渐趋于稳定,但群落结构简单,仍处于演替的早期阶段。相似性结果分析表明,在稀土矿植被恢复过程中,不同恢复年限植被群落均存在较大的演替性。相关性分析结果显示,植被恢复年限与Simpson指数存在极显著相关系,Shannon指数与植被恢复年限存在显著相关关系,各指数间Simpson指数与Shannon指数相关性最大。随着植被恢复年限的增加,越来越多的植物定居,多度、丰富度、物种多样性和均匀度随恢复时间产生不同波动,能间接反映出不同恢复年限群落物种组成和结构的变化,闫德民等[30]对北京市铁矿采矿迹地不同恢复年限植被特征进行研究发现,物种多样性特征随植被恢复时间的不同出现波动,与本研究结论一致。不同恢复年限植被群落演替仍处于初期阶段,群落稳定性及复杂性均较低。

随着植被恢复年限的增加,稀土矿废弃地植被恢复前期人工干涉效应在逐渐降低,其他物种开始逐渐入侵,较早侵入植物以禾本科、菊科、大戟科、茜草科为主,其中禾本科植物为优势物种,其他科植物存在发展成优势种的潜力;稀土矿废弃地生态系统物种多样性随植被恢复年限的增加呈现波动现象,植被群落丰富度及多样性总体呈增加趋势,植物群落结构组成逐渐趋于稳定,群落演替呈现良性进展演替趋势,群落稳定性及复杂性均较低,植被演替仍处于动态变化阶段。

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