火箭發(fā)射對發(fā)射中心周圍兩種植被類型昆蟲影響

林之盼，薛超文，雷湘齡，王小燕，宿少鋒

1.海南省林業(yè)科學(xué)研究院(海南省紅樹林研究院)，海南 海口 571100；2.文昌市人民檢察院，海南 文昌 571300

緯度越低，地球自轉(zhuǎn)的線速度越快，發(fā)射的火箭軌道速度越大，越靠近赤道，火箭的飛行軌道越靠近地球靜止軌道，從而減少火箭發(fā)射的能量消耗，增加火箭載荷[1]。因此，在低緯度地區(qū)建造衛(wèi)星發(fā)射中心是最佳選擇，目前為止，世界上只有五個低緯度衛(wèi)星發(fā)射中心[2]，分別是中國的文昌航天發(fā)射場、法國的庫魯衛(wèi)星發(fā)射中心、印度的斯里哈里科塔衛(wèi)星發(fā)射中心、意大利的圣馬科衛(wèi)星發(fā)射中心和美國的肯尼迪航天中心。已有研究表明火箭的發(fā)射會對生物多樣性產(chǎn)生嚴(yán)重影響[3-4]，但由于火箭發(fā)射并不常見，因此關(guān)于火箭發(fā)射對生物多樣性影響的研究報道并不多?；鸺l(fā)射對生物多樣性的影響值得被更多的人們關(guān)注，低緯度的植物多樣性豐富[5]，因而在低緯度的地區(qū)研究火箭發(fā)射對生物多樣性的影響更有意義。從2016年到2017年，在中國文昌航天發(fā)射場成功完成了三次火箭發(fā)射，尚不清楚火箭的發(fā)射是否會對文昌航天發(fā)射場周圍的生物多樣性產(chǎn)生影響。

該次研究探討文昌火箭發(fā)射對航天發(fā)射場周邊兩種熱帶人工林種昆蟲物種多樣性和多度的影響。選擇對昆蟲進行研究是因為昆蟲對外界的干擾較為敏感且反應(yīng)迅速[6]。另外，有直接證據(jù)表明固體火箭燃料（例如HCl，Al2O3和兩者的混合物）的排放會對昆蟲產(chǎn)生負面影響[7]。在文昌航天發(fā)射場附近選擇兩種人工林，一種是椰子林純林，另一種是椰子與10種本地樹種的混交林。昆蟲多樣性與植物多樣性相關(guān)，在低緯度地區(qū)，樹種多樣性越豐富，昆蟲多樣性越高，豐富的植物多樣性可以保護昆蟲多樣性減少受到外面的干擾，多樣化且具有復(fù)原力的樹木群落可以為昆蟲種群提供庇護[5，9]，并保護其免受突發(fā)性干擾，包括火箭發(fā)射時產(chǎn)生廢氣的影響。

目前沒有研究表明文昌火箭發(fā)射是否會對周邊人工林的昆蟲多樣性造成影響。該次研究擬解決以下兩個問題：（1）火箭發(fā)射前，椰子純林和混交林中的昆蟲多樣性是否存在差異；（2）火箭發(fā)射后，混交林和純椰子林之間森林昆蟲的多樣性和多度與發(fā)射前相比是否有變化。

1 材料和方法

1.1 研究地點

研究地點位于文昌航天發(fā)射場(19°38′48″N，110°58′01″E)及其周邊的兩個人工熱帶森林(混交林（19°43′58″N，110°57′34″E)和純椰子林(19°34′58″N，110°51′15″E)(圖1)。年平均氣溫（1978年～2010年）為20.9℃，1月的最低平均月氣溫為13.9℃，8月的最高平均氣溫為28.9℃。年平均降雨量為1929mm，大部分降水在4月至9月之間發(fā)生。

1.2 研究區(qū)域

選擇文昌航天發(fā)射場附近區(qū)域兩種人工林，一種是椰子純林，另一種是椰子與10種本地樹種的混交林。在純椰子林中僅種植椰子（Cocos nucifera），都已有30a的種植歷史了?；旖涣钟?1種樹種，包括潺槁木姜子（Litsea glutinosa）、椰子（Cocos nucifera）、瓊崖海棠（Calophyllum inophyllum）、木麻黃（Casuarina equisetifolia）、打鐵樹（Myrsine linearis）、桃金娘（Rhodomyrtus tomentosa）、九節(jié)（Psychotria asiatica）、大青（Clerodendrum cyrtophyllum）、花椒（Zanthoxylum bungeanum）、了哥王（Wikstroemia indica）和東風(fēng)桔（Atalantia buxifolia）。

圖1 .文昌航天發(fā)射場和兩種人工林位置Fig.1 The Location of Wenchang Satellite Launch Center and Two Artificial Forest

1.3 研究方法

采用昆蟲誘捕方法對昆蟲群落進行了兩次采樣，分別為火箭發(fā)射前后（火箭發(fā)射時間為2016年6月25日），發(fā)射前是在2015年7月，發(fā)射后是在2016年7月。分別在椰子純林和混交林設(shè)置3個20m×20m的樣方，每個人工林中的地塊至少相距500m，并且所有地塊都距離發(fā)射場約5km。使用昆蟲網(wǎng)和汞燈捕獲昆蟲，每個采樣點進行連續(xù)3d的采樣使用昆蟲網(wǎng)將觀察到的所有昆蟲（例如黃油蠅）誘捕起來，持續(xù)時間至少4h（8:00～12:00），使用汞燈在附近誘捕昆蟲在夜間，至少1h（20:00～21:00）。將所有昆蟲按物種分類，并在每個樣地中記錄每種物種的豐度。

2 統(tǒng)計方法

通過繪制物種累計曲線來檢驗火箭發(fā)射前后兩種森林類型中昆蟲多樣性的抽樣可信度。由于物種多樣性和多度是離散的隨機變量（此處為計數(shù)數(shù)據(jù)），因此使用基于泊松分布的廣義線性混合效應(yīng)模型[昆蟲物種多樣性或者多度～森林類型（混交林vs.椰子純林）×發(fā)射時間（發(fā)射前vs.發(fā)射后）+(1|抽樣樣方)]驗證以下問題：（1）在火箭發(fā)射前兩種森林類型各自的昆蟲物種多樣性和多度是否存在差異；（2）火箭發(fā)射后，兩種森林類型中的昆蟲物種多樣性和多度是否存在差異；（3）火箭發(fā)射后，兩種森林類型的昆蟲多樣性和多度是增加還是降低。抽樣樣方是隨機效應(yīng)，而其他預(yù)測因子是固定效應(yīng)。GLMM模型使用R包“l(fā)me4”中的“glmer”功能進行了擬合。

3 結(jié)果與分析

物種積累曲線表明，兩個地點的抽樣誤差很小，數(shù)據(jù)可信(圖2)?；鸺l(fā)射前所有抽樣樣方共發(fā)現(xiàn)了33種昆蟲804個個體（表1），混交林中共有33個物種和430個個體，椰子純林中發(fā)現(xiàn)了25個物種和374個個體，在椰子純林種發(fā)現(xiàn)的25個物種同時也都存在于混交林。GLMM結(jié)果表明發(fā)射前的混交林的昆蟲物種多樣性和多度的顯著高于椰子純林（p＜0.05，表2、圖3）。

火箭發(fā)射后，混交林中的昆蟲物種豐富度和多度分別為17和201，椰子純林是19和191（表1）。GLMM結(jié)果表明，與發(fā)射前相比，火箭發(fā)射后椰子純林和混交林中昆蟲的豐富度和多度均顯著降低（p＜0.05，表2、圖3），火箭發(fā)射后兩種人工林共有19種昆蟲，而發(fā)射前有33種（表1）。如上述結(jié)果所示，發(fā)射后兩個地點的昆蟲物種豐富度和多度均顯著下降，變化的方向表明對混交人工林的影響明顯更大，但由于交互作用而捕獲的昆蟲物種多樣性和多度在兩種森林之間因發(fā)射而產(chǎn)生的差異在統(tǒng)計學(xué)上并不顯著（p＞0.05，表2、圖3），因此火箭發(fā)射對兩種類型森林昆蟲的物種多樣性和多度的影響并沒有顯著差異。

表1 火箭發(fā)射前后椰子純林和混交林昆蟲物種多樣性和多度變化Tab.1 Diversity and Multiple Degrees of Coconut Forest and Mixed Forest Before and After Rocket Launch

表2 廣義混合效應(yīng)模型Tab.2 Generalized Mixed Effect Model

圖2 混交林和椰子純林火箭發(fā)射前后的物種累計曲線Fig.2 Cumulative Curve of Mixing Forest and Coconut Forest Before and After Rocket Launch

圖3 .2015年7月火箭發(fā)射前和2016年7月火箭發(fā)射后，混交林和椰子純林的昆蟲物種多樣性和多度的差異Fig.3 In July 2015，the Rocket Launch Before the Launch of Rocket Launches In July 2016，the Diversity of Insect Species and Multi-Degrees of Mixed Forest and Coconut Forest

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

火箭發(fā)射前，混交林的昆蟲物種多樣性和多度的顯著高于椰子純林；火箭發(fā)射后椰子純林和混交林中昆蟲的豐富度和多度均顯著降低，火箭發(fā)射對混交人工林中的昆蟲的豐富度和多度的影響變化比椰子純林蟲的豐富度和多度的影響更大；但是火箭發(fā)射對兩種類型森林昆蟲的物種多樣性和多度的影響并沒有顯著差異。

4.2 討論

人為干擾日益成為熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)中生物多樣性和數(shù)量下降的主要原因[5]，但由火箭發(fā)射引起的局部干擾實屬罕見。全世界在低緯度地區(qū)只有少數(shù)幾個火箭發(fā)射場，因此，關(guān)于火箭發(fā)射對生物多樣性影響的報道很少。研究發(fā)現(xiàn)火箭發(fā)射造成的干擾對中國南部文昌航天發(fā)射場周邊的熱帶人工林昆蟲多樣性具有重大影響[9]，在兩種人工林中受到火箭發(fā)射的影響，昆蟲多樣性和多度都下降了。在發(fā)射前，兩種人工林中的昆蟲多樣性和多度存在差異，但并沒有結(jié)論能表明哪一種人工林受到火箭發(fā)射的影響更大。雖然物種數(shù)量和多度的減少程度表明對混交林的影響更大，但從統(tǒng)計學(xué)層面上解釋并沒有明顯的差異，因此在混交林中并沒有因為樹種的多樣性而減少火箭發(fā)射對昆蟲的多樣性的影響[10]。2016年6月火箭發(fā)射之前，在混交林中昆蟲的物種多樣性和多度是椰子純林的1.2～1.3倍。研究認(rèn)為混交林中的昆蟲多樣性和多度要大于椰子純林的，樹種的多樣性會使得昆蟲的多樣性增加。研究表明，突發(fā)事件對相同范圍內(nèi)人工林中昆蟲物種多樣性的影響是一樣[11]，而突發(fā)事情發(fā)生后則使得原本不同人工林中存在的物種多樣性差異表現(xiàn)的不那么明顯。發(fā)射前觀察到的植物多樣性與昆蟲多樣性之間的正相關(guān)關(guān)系支持了這樣的解釋，即營養(yǎng)相互作用通常通過宿主可利用性和進化協(xié)變，導(dǎo)致較高營養(yǎng)水平的多樣性強烈依賴于較低營養(yǎng)水平的多樣性。除植物昆蟲營養(yǎng)相互作用外，在其他生物中也發(fā)現(xiàn)了這種模式。例如，鳥類寄主的吸蟲線蟲多樣性和草原的寄生真菌病原體多樣性?；鸺l(fā)射干擾的機理尚不清楚，但其發(fā)射產(chǎn)生物理效應(yīng)對不同生境中的昆蟲多樣性和豐富度的影響程度是一樣的。

在植物—昆蟲相互作用中，緯度異質(zhì)性是樹種多樣性對昆蟲多樣性的放大作用機制的主要選擇力。當(dāng)前理論認(rèn)為，低緯度地區(qū)強烈的生物相互作用會促進協(xié)同進化，這可能導(dǎo)致更快的適應(yīng)性和物種形成。從低緯度的熱帶森林到較高緯度的溫帶地區(qū)，主要的選擇力可能會逐漸從生物因素轉(zhuǎn)變?yōu)榉巧镆蛩?，而后者并不會協(xié)同發(fā)展。因此，低緯度的昆蟲物種可能具有更高的專業(yè)化水平?？茖W(xué)家已研究出更好的方法來應(yīng)對寄主植物的抗性，并且在特定寄主植物上的最佳性能更高。但是，將確保特定寄主在新環(huán)境中建立和利用新穎主機的能力下降。嚴(yán)格的寄主專業(yè)化將導(dǎo)致昆蟲多樣性與寄主多樣性之間的強烈相關(guān)性，由于它們的敏感性，干擾可能會對不同的分類單元產(chǎn)生不成比例的影響，因此其中一些相關(guān)性可能會被破壞。火箭發(fā)射后，混交林和椰子純林中的昆蟲物種多樣性和多度均顯著下降，這也許是第一個明確的證據(jù)表明火箭發(fā)射干擾影響了當(dāng)?shù)氐纳锒鄻有?。目前尚未研究出將這種干擾與減少昆蟲多樣性聯(lián)系起來的直接機制，但火箭燃料快速燃燒產(chǎn)生的大量排放氣體可能是主要因素。至少在短期內(nèi)，這些排放物可能會暫時改變當(dāng)?shù)氐拇髿饣瘜W(xué)性質(zhì)，并引起震動和噪音。2016年6月發(fā)射后，使得兩種人工林種昆蟲的多樣性和多度不存在明顯的差異。尚不清楚什么特性使這些物種比其他物種對這種特殊干擾更敏感，也許需要多次采樣和觀察才能解釋由于不同森林類型和昆蟲類群的一致數(shù)據(jù)而帶來的不同影響。

雖然研究結(jié)果說明火箭發(fā)射干擾對昆蟲群落結(jié)構(gòu)的影響，但該次的研究確實存在一些局限性。昆蟲物種多樣性和多度的采樣僅在短短兩個時間點內(nèi)進行，第一次是在發(fā)射前將近一年，第二次是在發(fā)射后不久，而且采樣工作僅限于幾個方差。在沒有受到火箭發(fā)射的影響下，無法量化站點上昆蟲種群的固有時空變化，也無法量化影響的時空范圍以及昆蟲種群的恢復(fù)時間。由于昆蟲物種的多樣性和多度往往隨季節(jié)而發(fā)生變化，因此，發(fā)射的影響可能僅在該季節(jié)持續(xù)存在。如果該地點頻繁發(fā)射火箭，昆蟲多樣性將難以恢復(fù)，但事實并非如此，因為火箭的發(fā)射是偶發(fā)事件，這可能使昆蟲種群有足夠的時間恢復(fù)。

火箭發(fā)射對當(dāng)?shù)厣锒鄻有缘挠绊懯嵌虝旱?，從全世界來看發(fā)射場并不多，因此對該研究更具有學(xué)術(shù)意義，從火箭發(fā)射的時間和次數(shù)來看并不會對全球的環(huán)境產(chǎn)生影響。如果對發(fā)射場周邊的昆蟲、鳥類、土壤微生物等進行長期的監(jiān)測觀察，該研究會顯得更有意義。