火箭发射对发射中心周围两种植被类型昆虫影响

林之盼，薛超文，雷湘龄，王小燕，宿少锋

1.海南省林业科学研究院(海南省红树林研究院)，海南 海口 571100；2.文昌市人民检察院，海南 文昌 571300

纬度越低，地球自转的线速度越快，发射的火箭轨道速度越大，越靠近赤道，火箭的飞行轨道越靠近地球静止轨道，从而减少火箭发射的能量消耗，增加火箭载荷[1]。因此，在低纬度地区建造卫星发射中心是最佳选择，目前为止，世界上只有五个低纬度卫星发射中心[2]，分别是中国的文昌航天发射场、法国的库鲁卫星发射中心、印度的斯里哈里科塔卫星发射中心、意大利的圣马科卫星发射中心和美国的肯尼迪航天中心。已有研究表明火箭的发射会对生物多样性产生严重影响[3-4]，但由于火箭发射并不常见，因此关于火箭发射对生物多样性影响的研究报道并不多。火箭发射对生物多样性的影响值得被更多的人们关注，低纬度的植物多样性丰富[5]，因而在低纬度的地区研究火箭发射对生物多样性的影响更有意义。从2016年到2017年，在中国文昌航天发射场成功完成了三次火箭发射，尚不清楚火箭的发射是否会对文昌航天发射场周围的生物多样性产生影响。

该次研究探讨文昌火箭发射对航天发射场周边两种热带人工林种昆虫物种多样性和多度的影响。选择对昆虫进行研究是因为昆虫对外界的干扰较为敏感且反应迅速[6]。另外，有直接证据表明固体火箭燃料（例如HCl，Al2O3和两者的混合物）的排放会对昆虫产生负面影响[7]。在文昌航天发射场附近选择两种人工林，一种是椰子林纯林，另一种是椰子与10种本地树种的混交林。昆虫多样性与植物多样性相关，在低纬度地区，树种多样性越丰富，昆虫多样性越高，丰富的植物多样性可以保护昆虫多样性减少受到外面的干扰，多样化且具有复原力的树木群落可以为昆虫种群提供庇护[5，9]，并保护其免受突发性干扰，包括火箭发射时产生废气的影响。

目前没有研究表明文昌火箭发射是否会对周边人工林的昆虫多样性造成影响。该次研究拟解决以下两个问题：（1）火箭发射前，椰子纯林和混交林中的昆虫多样性是否存在差异；（2）火箭发射后，混交林和纯椰子林之间森林昆虫的多样性和多度与发射前相比是否有变化。

1 材料和方法

1.1 研究地点

研究地点位于文昌航天发射场(19°38′48″N，110°58′01″E)及其周边的两个人工热带森林(混交林（19°43′58″N，110°57′34″E)和纯椰子林(19°34′58″N，110°51′15″E)(图1)。年平均气温（1978年～2010年）为20.9℃，1月的最低平均月气温为13.9℃，8月的最高平均气温为28.9℃。年平均降雨量为1929mm，大部分降水在4月至9月之间发生。

1.2 研究区域

选择文昌航天发射场附近区域两种人工林，一种是椰子纯林，另一种是椰子与10种本地树种的混交林。在纯椰子林中仅种植椰子（Cocos nucifera），都已有30a的种植历史了。混交林有11种树种，包括潺槁木姜子（Litsea glutinosa）、椰子（Cocos nucifera）、琼崖海棠（Calophyllum inophyllum）、木麻黄（Casuarina equisetifolia）、打铁树（Myrsine linearis）、桃金娘（Rhodomyrtus tomentosa）、九节（Psychotria asiatica）、大青（Clerodendrum cyrtophyllum）、花椒（Zanthoxylum bungeanum）、了哥王（Wikstroemia indica）和东风桔（Atalantia buxifolia）。

图1 .文昌航天发射场和两种人工林位置Fig.1 The Location of Wenchang Satellite Launch Center and Two Artificial Forest

1.3 研究方法

采用昆虫诱捕方法对昆虫群落进行了两次采样，分别为火箭发射前后（火箭发射时间为2016年6月25日），发射前是在2015年7月，发射后是在2016年7月。分别在椰子纯林和混交林设置3个20m×20m的样方，每个人工林中的地块至少相距500m，并且所有地块都距离发射场约5km。使用昆虫网和汞灯捕获昆虫，每个采样点进行连续3d的采样使用昆虫网将观察到的所有昆虫（例如黄油蝇）诱捕起来，持续时间至少4h（8:00～12:00），使用汞灯在附近诱捕昆虫在夜间，至少1h（20:00～21:00）。将所有昆虫按物种分类，并在每个样地中记录每种物种的丰度。

2 统计方法

通过绘制物种累计曲线来检验火箭发射前后两种森林类型中昆虫多样性的抽样可信度。由于物种多样性和多度是离散的随机变量（此处为计数数据），因此使用基于泊松分布的广义线性混合效应模型[昆虫物种多样性或者多度～森林类型（混交林vs.椰子纯林）×发射时间（发射前vs.发射后）+(1|抽样样方)]验证以下问题：（1）在火箭发射前两种森林类型各自的昆虫物种多样性和多度是否存在差异；（2）火箭发射后，两种森林类型中的昆虫物种多样性和多度是否存在差异；（3）火箭发射后，两种森林类型的昆虫多样性和多度是增加还是降低。抽样样方是随机效应，而其他预测因子是固定效应。GLMM模型使用R包“lme4”中的“glmer”功能进行了拟合。

3 结果与分析

物种积累曲线表明，两个地点的抽样误差很小，数据可信(图2)。火箭发射前所有抽样样方共发现了33种昆虫804个个体（表1），混交林中共有33个物种和430个个体，椰子纯林中发现了25个物种和374个个体，在椰子纯林种发现的25个物种同时也都存在于混交林。GLMM结果表明发射前的混交林的昆虫物种多样性和多度的显著高于椰子纯林（p＜0.05，表2、图3）。

火箭发射后，混交林中的昆虫物种丰富度和多度分别为17和201，椰子纯林是19和191（表1）。GLMM结果表明，与发射前相比，火箭发射后椰子纯林和混交林中昆虫的丰富度和多度均显著降低（p＜0.05，表2、图3），火箭发射后两种人工林共有19种昆虫，而发射前有33种（表1）。如上述结果所示，发射后两个地点的昆虫物种丰富度和多度均显著下降，变化的方向表明对混交人工林的影响明显更大，但由于交互作用而捕获的昆虫物种多样性和多度在两种森林之间因发射而产生的差异在统计学上并不显著（p＞0.05，表2、图3），因此火箭发射对两种类型森林昆虫的物种多样性和多度的影响并没有显著差异。

表1 火箭发射前后椰子纯林和混交林昆虫物种多样性和多度变化Tab.1 Diversity and Multiple Degrees of Coconut Forest and Mixed Forest Before and After Rocket Launch

表2 广义混合效应模型Tab.2 Generalized Mixed Effect Model

图2 混交林和椰子纯林火箭发射前后的物种累计曲线Fig.2 Cumulative Curve of Mixing Forest and Coconut Forest Before and After Rocket Launch

图3 .2015年7月火箭发射前和2016年7月火箭发射后，混交林和椰子纯林的昆虫物种多样性和多度的差异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 结论与讨论

4.1 结论

火箭发射前，混交林的昆虫物种多样性和多度的显著高于椰子纯林；火箭发射后椰子纯林和混交林中昆虫的丰富度和多度均显著降低，火箭发射对混交人工林中的昆虫的丰富度和多度的影响变化比椰子纯林虫的丰富度和多度的影响更大；但是火箭发射对两种类型森林昆虫的物种多样性和多度的影响并没有显著差异。

4.2 讨论

人为干扰日益成为热带森林生态系统中生物多样性和数量下降的主要原因[5]，但由火箭发射引起的局部干扰实属罕见。全世界在低纬度地区只有少数几个火箭发射场，因此，关于火箭发射对生物多样性影响的报道很少。研究发现火箭发射造成的干扰对中国南部文昌航天发射场周边的热带人工林昆虫多样性具有重大影响[9]，在两种人工林中受到火箭发射的影响，昆虫多样性和多度都下降了。在发射前，两种人工林中的昆虫多样性和多度存在差异，但并没有结论能表明哪一种人工林受到火箭发射的影响更大。虽然物种数量和多度的减少程度表明对混交林的影响更大，但从统计学层面上解释并没有明显的差异，因此在混交林中并没有因为树种的多样性而减少火箭发射对昆虫的多样性的影响[10]。2016年6月火箭发射之前，在混交林中昆虫的物种多样性和多度是椰子纯林的1.2～1.3倍。研究认为混交林中的昆虫多样性和多度要大于椰子纯林的，树种的多样性会使得昆虫的多样性增加。研究表明，突发事件对相同范围内人工林中昆虫物种多样性的影响是一样[11]，而突发事情发生后则使得原本不同人工林中存在的物种多样性差异表现的不那么明显。发射前观察到的植物多样性与昆虫多样性之间的正相关关系支持了这样的解释，即营养相互作用通常通过宿主可利用性和进化协变，导致较高营养水平的多样性强烈依赖于较低营养水平的多样性。除植物昆虫营养相互作用外，在其他生物中也发现了这种模式。例如，鸟类寄主的吸虫线虫多样性和草原的寄生真菌病原体多样性。火箭发射干扰的机理尚不清楚，但其发射产生物理效应对不同生境中的昆虫多样性和丰富度的影响程度是一样的。

在植物—昆虫相互作用中，纬度异质性是树种多样性对昆虫多样性的放大作用机制的主要选择力。当前理论认为，低纬度地区强烈的生物相互作用会促进协同进化，这可能导致更快的适应性和物种形成。从低纬度的热带森林到较高纬度的温带地区，主要的选择力可能会逐渐从生物因素转变为非生物因素，而后者并不会协同发展。因此，低纬度的昆虫物种可能具有更高的专业化水平。科学家已研究出更好的方法来应对寄主植物的抗性，并且在特定寄主植物上的最佳性能更高。但是，将确保特定寄主在新环境中建立和利用新颖主机的能力下降。严格的寄主专业化将导致昆虫多样性与寄主多样性之间的强烈相关性，由于它们的敏感性，干扰可能会对不同的分类单元产生不成比例的影响，因此其中一些相关性可能会被破坏。火箭发射后，混交林和椰子纯林中的昆虫物种多样性和多度均显著下降，这也许是第一个明确的证据表明火箭发射干扰影响了当地的生物多样性。目前尚未研究出将这种干扰与减少昆虫多样性联系起来的直接机制，但火箭燃料快速燃烧产生的大量排放气体可能是主要因素。至少在短期内，这些排放物可能会暂时改变当地的大气化学性质，并引起震动和噪音。2016年6月发射后，使得两种人工林种昆虫的多样性和多度不存在明显的差异。尚不清楚什么特性使这些物种比其他物种对这种特殊干扰更敏感，也许需要多次采样和观察才能解释由于不同森林类型和昆虫类群的一致数据而带来的不同影响。

虽然研究结果说明火箭发射干扰对昆虫群落结构的影响，但该次的研究确实存在一些局限性。昆虫物种多样性和多度的采样仅在短短两个时间点内进行，第一次是在发射前将近一年，第二次是在发射后不久，而且采样工作仅限于几个方差。在没有受到火箭发射的影响下，无法量化站点上昆虫种群的固有时空变化，也无法量化影响的时空范围以及昆虫种群的恢复时间。由于昆虫物种的多样性和多度往往随季节而发生变化，因此，发射的影响可能仅在该季节持续存在。如果该地点频繁发射火箭，昆虫多样性将难以恢复，但事实并非如此，因为火箭的发射是偶发事件，这可能使昆虫种群有足够的时间恢复。

火箭发射对当地生物多样性的影响是短暂的，从全世界来看发射场并不多，因此对该研究更具有学术意义，从火箭发射的时间和次数来看并不会对全球的环境产生影响。如果对发射场周边的昆虫、鸟类、土壤微生物等进行长期的监测观察，该研究会显得更有意义。