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        坡面植被恢復(fù)試驗(yàn)示范區(qū)植被群落特征初步研究

        2010-05-05 10:27:00趙廷寧柳立兵
        水土保持研究 2010年4期
        關(guān)鍵詞:護(hù)坡坡面群落

        韓 煜,趙廷寧,陳 琳,柳立兵

        (1.北京林業(yè)大學(xué) 水土保持學(xué)院,北京100083;2.延慶縣水土保持工作站,北京 延慶102100)

        植物群落是在一定生境條件下由不同植物構(gòu)成的一個(gè)總體。在植物群落中,不同植物種之間以及它們與環(huán)境之間保持著一種動(dòng)態(tài)平衡[1]。植被群落特征是描述群落結(jié)構(gòu)和功能復(fù)雜性的度量指標(biāo),在植被恢復(fù)過程中物種多樣性的變化反應(yīng)了植被的恢復(fù)程度。研究植被群落特征,能夠了解群落的結(jié)構(gòu)、功能和穩(wěn)定性[2],揭示植被群落與環(huán)境之間的相互關(guān)系。

        隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,公路、鐵路、廠礦、房地產(chǎn)等開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目日益增多,在這些項(xiàng)目的建設(shè)過程中,經(jīng)常要破壞原有地貌景觀和植被群落,形成大量裸露坡面和次生裸地,引發(fā)嚴(yán)重的水土流失,從而導(dǎo)致自然生態(tài)系統(tǒng)的退化。因此,如何修復(fù)由于開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目產(chǎn)生的受損坡面以及對(duì)坡面進(jìn)行植被恢復(fù),成為開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目中需要研究和解決的問題。目前,對(duì)于開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目植被群落特征已經(jīng)做了一些研究[3-5],大多是關(guān)于植被物種多樣性的分析及評(píng)價(jià),涉及的項(xiàng)目類型主要是礦區(qū)和公路,針對(duì)開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目不同護(hù)坡措施中的植被群落特征研究還較少見。作為北京市水土保持科技示范園,延慶縣上辛莊水土保持坡面試驗(yàn)小區(qū)是不同類型開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目多種植被護(hù)坡方式的綜合小區(qū),具有較強(qiáng)的代表性和示范作用,因此研究不同坡面試驗(yàn)小區(qū)的植被群落特征,不僅能為開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目植被護(hù)坡措施的選擇提供依據(jù),還能為植被恢復(fù)建設(shè)提供理論支撐。

        1 研究區(qū)域概況

        延慶縣上辛莊開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土保持試驗(yàn)示范基地,位于延慶縣城東南方向,地理坐標(biāo)為東經(jīng)116°03′17″-116°03′55″,北緯40°25′10-40°27′20″,距縣城約5km,占地2.19hm2,該基地于2007年10月完成36個(gè)植被護(hù)坡小區(qū)的設(shè)計(jì)和施工,各小區(qū)均配套有噴灌設(shè)施,調(diào)查時(shí)各小區(qū)植被恢復(fù)時(shí)間為2a。

        該區(qū)屬于媯水河大榆樹小流域,年降水量為474.5mm,主要集中在6-9月,約占全年降水總量的84%。年平均氣溫8.5℃,≥10℃的年最大積溫3 600℃,年最小積溫2 000℃。無霜期平均為150~160d。天然分布有荊條(Vitex chinensis)、鐵桿蒿(Artemisia sacrorum)、黃花蒿(Artemisia annua)、羊胡子草(Carex rigescens)、白草(Pennisetum centrasiaticum)、柴胡(Bupleurum chinense)、米蒿(Artemisiadalai lamae)、沙 棘 (Hippophae rhamnoides)、灰菜(Chenopodium album)等植物。人工栽植有榆樹(Ulmus pumila)、油松(Pinus tabulaeformis)、楊 樹 (Populus devidiana)、刺 槐 (Robinia pseucdoacacia)等喬木樹種,間有核桃(Prunus persica)、梨(Pyrus pyrifolia)、杏(Prunus armeniaca)等散生果樹[6]。

        2 研究方法

        2.1 植被調(diào)查方法

        2009年7月在試驗(yàn)示范基地進(jìn)行了植被調(diào)查,以36個(gè)不同護(hù)坡措施的小區(qū)為調(diào)查對(duì)象,每個(gè)小區(qū)作為一個(gè)研究樣地。按照小區(qū)編號(hào)依次對(duì)樣地進(jìn)行調(diào)查,小區(qū)面積為45~60m2,樣地內(nèi)喬木每株都進(jìn)行調(diào)查,灌木和草本分別在坡上、坡中、坡下的中心位置各設(shè)一個(gè)樣方,灌木樣方為2m×2m,草本樣方為1 m×1m,共設(shè)樣方108個(gè)。調(diào)查記錄了每個(gè)樣方內(nèi)所有植物種類、株樹/叢數(shù)、蓋度、高度、生長狀況等。

        2.2 數(shù)據(jù)處理方法

        2.2.1 物種重要值的計(jì)算 重要值是指物種在群落中的重要地位,以重要值為測度指標(biāo)可以避免因物種個(gè)體大小、數(shù)量差異懸殊而導(dǎo)致過分地夸大一些個(gè)體小、但個(gè)體數(shù)極多的物種在群落中的作用,能夠?yàn)楸鎰e物種是建群種、優(yōu)勢種還是伴生種提供重要依據(jù)[7-8]。重要值計(jì)算公式為:

        式中:IVi——第i種的重要值;RDi——第i種的相對(duì)密度;RCi——i種的相對(duì)蓋度;RFi——第i種的相對(duì)頻度。

        2.2.2 物種多樣性指數(shù)的計(jì)算 物種多樣性指數(shù)是用來描述種的個(gè)體出現(xiàn)的紊亂和不確定性的指標(biāo),不確定性越高,多樣性也就越高;它包括兩個(gè)因素:其一是種類數(shù)目,其二是種類中個(gè)體分配上的均勻性;種類數(shù)目越多,多樣性越大,種類之間個(gè)體分配的均勻性增 加,也 會(huì) 使 多 樣 性 提 高[2,9-11]。 本 文 選 用 豐 富 度指數(shù)、多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)作為各小區(qū)植物群落物種多樣性的度量指標(biāo)。

        (1)豐富度指數(shù)

        式中:S——群落中的總種數(shù);N——群落中的個(gè)體總數(shù)。

        (2)多樣性指數(shù)

        式中:Pi——第i種個(gè)體數(shù)占群落中所有種個(gè)體數(shù)的比例;S——群落中的總種數(shù)。

        (3)均勻度指數(shù)

        式中:H——實(shí)際觀察的種類多樣性;Hmax——最大的種類多樣性;S——群落中的總種數(shù)。

        3 結(jié)果與分析

        3.1 不同小區(qū)植被總體情況

        自從進(jìn)行邊坡防護(hù)后,邊坡植被狀況發(fā)生了很大的改變,各個(gè)小區(qū)的植被種類、植被蓋度、植株密度等均有不同,結(jié)果見表1。蓋度是反映植被群落結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要指標(biāo)。從表1中可以看出,采用不同護(hù)坡措施進(jìn)行植被恢復(fù)后,小區(qū)的植被蓋度均有很大提高,蓋度在50%以上的小區(qū)多達(dá)24個(gè),有些以草本為主的小區(qū)蓋度更是達(dá)到了100%以上,如4號(hào)和26號(hào)小區(qū),蓋度高達(dá)122.3%和110.7%。而對(duì)照小區(qū)的蓋度則低于50%,如8號(hào)和13號(hào)小區(qū),蓋度分別為15.2%和29.8%。這是因?yàn)檫吰铝⒌貤l件較差,不利于保水保土,對(duì)植物生長不利,而且植被的自然恢復(fù)也需要較長時(shí)間。蓋度較高的小區(qū)則表明,該種護(hù)坡措施效果較好,而且對(duì)此類邊坡較為適宜,在植被恢復(fù)過程中起到了促進(jìn)作用。

        3.2 不同小區(qū)植物群落物種組成的變化

        根據(jù)坡面小區(qū)的邊坡類型、坡向和坡比將調(diào)查小區(qū)劃分為3類,用物種的重要值對(duì)群落特征及動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行分析,結(jié)果見表2。

        表1 不同小區(qū)植被基本情況

        3.2.1 陰向土質(zhì)邊坡 1-9號(hào)小區(qū)為土質(zhì)邊坡,坡比1∶2,坡向向北。

        從表1中可以看出,1號(hào)和2號(hào)小區(qū)重要值最大的為高羊茅(Festuca arundinacea)和結(jié)縷草(Zoysia japonica),其值為2.41和1.04,最初的設(shè)計(jì)種仍為群落的優(yōu)勢種,但2號(hào)小區(qū)出現(xiàn)較多的入侵植物種。4號(hào)小區(qū)沙打旺(Astragalus adsurgens)重要值最大,為1.93,調(diào)查時(shí)沒有發(fā)現(xiàn)胡枝子(Lespedeza floribunda);3號(hào)和5號(hào)小區(qū)重要值最大的都是高羊茅,分別為1.26和0.96,成為優(yōu)勢種。6號(hào)小區(qū)為優(yōu)勢種為高羊茅和無芒雀麥(Bromus inermis);7號(hào)小區(qū)側(cè)柏(Platycladus orientalis)重要值最大,而且長勢良好。

        8號(hào)和9號(hào)小區(qū)為對(duì)照小區(qū),沒有采取任何護(hù)坡措施。從表1中可以看出,重要值最大的是狗尾草(Setaria viridis)和鐵桿蒿,而且兩個(gè)小區(qū)植物種類也較為相似,都有狗尾草、鐵桿蒿、茵陳蒿(Artemisia capillaris)等。

        通過對(duì)1-9號(hào)小區(qū)植物種重要值的分析可知,植草+截水溝護(hù)坡和等高綠籬埂護(hù)坡植物成活情況最好,適應(yīng)性最好,因?yàn)榻厮疁虾偷雀呔G籬埂的存在能夠更多地存蓄坡面降水,供給植物生長所需,有效解決了水分的限制作用,從而發(fā)揮植物的保水保土作用。土工格柵和六棱花磚護(hù)坡適應(yīng)性一般,植生毯護(hù)坡措施適應(yīng)性最差。在1,3,4,5號(hào)小區(qū)中,重要值最大的植物種都是高羊茅,成為優(yōu)勢草種,說明高羊茅在該地區(qū)的適應(yīng)性強(qiáng),在人工恢復(fù)植被時(shí)可以選擇。

        表2 不同小區(qū)植物種的組成變化

        續(xù)表2:

        3.2.2 陽向土質(zhì)邊坡 10-24號(hào)小區(qū)為土質(zhì)邊坡,坡比1∶1.5,坡向向西。

        從表1中可以看出,10號(hào)小區(qū)植物種重要值在0.19~0.50之間,各物種相差不大,無法體現(xiàn)出優(yōu)勢種;17號(hào)小區(qū)連翹的重要值最大,在群落中處于優(yōu)勢地位。在11、16和18號(hào)小區(qū)中,重要值最大的分別為早熟禾(Poaannua)、高羊茅和沙打旺,優(yōu)勢種與設(shè)計(jì)種一致,且植物長勢也較好。12號(hào)和15號(hào)小區(qū)重要值最大的都是狗尾草,設(shè)計(jì)種已經(jīng)退化。14,20和21號(hào)小區(qū)的植物都以旱柳(Salix matsudana)為主,且3個(gè)小區(qū)旱柳的重要值最大,分別為1.91,1.80和1.67。19號(hào)小區(qū)重要值最大的是高羊茅,其值為1.26,調(diào)查時(shí)沒有發(fā)現(xiàn)波斯菊(Cosmos bipinnatus),這是由于波斯菊為一年生草本花卉,退化速度快。

        通過對(duì)10-24號(hào)小區(qū)植物種重要值的分析可知,三維金屬網(wǎng)+植被袋、連鎖磚+植物和廢舊汽車輪胎+植物3種護(hù)坡措施適應(yīng)性較好,植物成活率高;鉛絲石籠、平鋪石籠和碼石栽植旱柳的護(hù)坡方式也比較適宜,且旱柳長勢良好。由于上述幾種護(hù)坡措施首先改變了坡面微地形,增加了粗糙度,提高了坡面蓄水保土能力,再結(jié)合植物覆蓋,從而達(dá)到了防止坡面水土流失的作用,而單純的植物護(hù)坡效果不明顯。

        3.2.3 陽向石質(zhì)邊坡 25-36號(hào)石質(zhì)邊坡,坡比1∶1,坡向向南。

        從表1中可以看出,25號(hào)小區(qū)重要值最大的是早熟禾,為2.23,種植的爬山虎(Parthenocissus tricuspidata)已經(jīng)退化;33號(hào)小區(qū)植物種重要值在0.27~0.59之間,優(yōu)勢種不明顯。在26,27,29和32號(hào)小區(qū)中,原來栽植的植物在群落中的重要值仍較大,如26號(hào)小區(qū)的胡枝子和沙打旺、27號(hào)小區(qū)的沙打旺、29號(hào)小區(qū)的高羊茅以及32號(hào)小區(qū)的結(jié)縷草,說明這些植物種在群落中仍處于優(yōu)勢地位。34,35和36號(hào)三個(gè)小區(qū)重要值排在前兩位的植物種均為鐵桿蒿和沙打旺,說明在植物生長的過程中,有一些鄉(xiāng)土草種伴生,而且在競爭中逐漸成為優(yōu)勢種,如鐵桿蒿。

        與前面的土質(zhì)坡面相比,巖石邊坡的護(hù)坡方式較少,而且難度較高。通過對(duì)25-36號(hào)小區(qū)植物種重要值的分析可知,在高陡巖石坡面上不適合采用鉆孔植草護(hù)坡,因?yàn)殂@孔尺寸相對(duì)于坡面太小,而坡度又太大,孔內(nèi)不能保土存水,從而限制了植物的成活和生長。適宜性較好的護(hù)坡方式是工程措施+植生袋(生態(tài)袋),袋中的基質(zhì)材料能夠?yàn)橹参锾峁┥L所需的土壤和養(yǎng)分,還能蓄水保墑,結(jié)合工程措施的攔擋防護(hù),才能從根本上防治巖石坡面的水土流失。

        3.3 不同小區(qū)植物群落物種多樣性的變化

        以不同小區(qū)的豐富度指數(shù)、多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)為測度指標(biāo),對(duì)各個(gè)小區(qū)的植物群落物種多樣性進(jìn)行分析,結(jié)果見表3。

        表3 不同小區(qū)植物群落的多樣性指數(shù)比較

        3.3.1 陰向土質(zhì)邊坡 從表2中可以看出,在1-7號(hào)小區(qū)中,2號(hào)小區(qū)物種的豐富程度最高,豐富度指數(shù)達(dá)到2.61,而1號(hào)小區(qū)豐富度指數(shù)最小,為0.78,其他小區(qū)豐富度程度較接近。分析植物多樣性只考慮物種數(shù)和個(gè)體數(shù)量是不夠的,還應(yīng)該考慮物種聚集程度的差異和物種個(gè)體分布的均勻程度[12]。Simpson指數(shù)是對(duì)物種集中性的度量,而Shannon-wiener指數(shù)是對(duì)群落多樣性的信息度量[13]。在兩個(gè)指數(shù)比較中,1號(hào)小區(qū)分別為0.02和0.07,和其他小區(qū)差異最大,是最低值。其余小區(qū)Simpson指數(shù)變化在0.41~0.65,Shannon-wiener指數(shù)變化在0.83~1.32,差異不大。Pielou均勻度指數(shù)把個(gè)體的均勻度納入了度量范圍,1號(hào)和2號(hào)小區(qū)均勻程度最差,其余小區(qū)均勻度指數(shù)均在0.51以上,均勻程度較高。8和9號(hào)為對(duì)照小區(qū),沒有任何護(hù)坡措施,屬于植被的自然恢復(fù),從多樣性變化可以看出,對(duì)照小區(qū)的豐富度指數(shù)均在2.20以上,豐富程度較高,多樣性指數(shù)也有很高的一致性。

        結(jié)合表1分析可知,1號(hào)和2號(hào)小區(qū)都選用單一植物護(hù)坡,分別為高羊茅和結(jié)縷草,所以均勻度較差。但2號(hào)小區(qū)物種豐富度最高,1號(hào)小區(qū)最低,說明結(jié)縷草受當(dāng)?shù)厍秩胱匀晃锓N的影響較大,物種侵入坡面后能夠與原有物種融為一體,并均勻分布于坡面群落,隨著物種數(shù)目的增多,群落多樣性增加,從多樣性指數(shù)來看也證明了這一點(diǎn)。而高羊茅受當(dāng)?shù)厍秩胛锓N的影響較小,仍然在群落中處于優(yōu)勢地位。因此,在進(jìn)行植物選擇時(shí),盡量選用穩(wěn)定、不易受外來物種影響的植物種,才能保證植物群落的長期效果。

        3.3.2 陽向土質(zhì)邊坡 10號(hào)小區(qū)的物種豐富度指數(shù)最大,18號(hào)小區(qū)物種豐富度指數(shù)最小。上述小區(qū)中Simpson指數(shù)變化的差異不大,而Shannon-wiener指數(shù)存在較大差異,10號(hào)小區(qū)達(dá)到2.01,遠(yuǎn)大于最低的18號(hào)小區(qū)(0.14)。前者對(duì)富集種相對(duì)多度較為敏感,而后者是對(duì)群落的稀疏種敏感的指數(shù)。均勻度指數(shù)的大小排序與Simpson指數(shù)和Shannonwiener指數(shù)表現(xiàn)出很好的相關(guān)性。

        究其原因,10號(hào)小區(qū)設(shè)計(jì)植物種類最多,植物豐富度占優(yōu)勢,而其他小區(qū)設(shè)計(jì)植物種較少,植物豐富度較差。18號(hào)小區(qū)的設(shè)計(jì)植物種數(shù)較其他小區(qū)相似,但多樣性指數(shù)要小很多,這是因?yàn)?8號(hào)小區(qū)物種間數(shù)量分布不均勻,均勻度指數(shù)的對(duì)比也證明了這一點(diǎn)。

        22號(hào)小區(qū)為對(duì)照小區(qū),豐富度指數(shù)為1.61,均勻指數(shù)為0.79,和同類小區(qū)相比,自然恢復(fù)的植物群落豐富程度較高,而且植物種的分布較均勻。

        3.3.3 陽向石質(zhì)邊坡 對(duì)上述小區(qū)進(jìn)行多樣性分析可見,物種豐富度指數(shù)差異不太大,其中的28,30,32,33,35和36號(hào)小區(qū)較為接近,變化在1.83~2.07,其余小區(qū)較為接近,變化在0.99~1.21。因?yàn)榍罢叩脑O(shè)計(jì)植物種類較后者多,物種豐富程度較高。各小區(qū)的Simpson指數(shù)變化在0.31~0.87,差異不大。Shannon-wiener指數(shù)差異明顯,27號(hào)小區(qū)為0.45,遠(yuǎn)低于最大的32號(hào)小區(qū)(2.16)。結(jié)合表1可以看出,27號(hào)小區(qū)沙打旺重要值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他物種,說明沙打旺在群落中處優(yōu)勢地位,在數(shù)量分布上較集中,而32號(hào)小區(qū)中各物種重要值相差不大,各物種間數(shù)量分布較均勻。

        4 討論與結(jié)論

        重建坡面植被的主要難題是蓄水和保土,調(diào)查的坡面試驗(yàn)小區(qū)采用工程措施改善坡面條件,再結(jié)合植物措施,在灌溉條件下人為對(duì)裸露土石坡面進(jìn)行植被恢復(fù)。通過對(duì)各小區(qū)植物群落重要值、物種多樣性的分析和研究,可以判斷不同措施的植被恢復(fù)效果,了解植物群落的適應(yīng)性和穩(wěn)定性,為坡面植被恢復(fù)提供指導(dǎo)。

        (1)通過對(duì)護(hù)坡措施小區(qū)和對(duì)照小區(qū)植被蓋度的比較得出,采用護(hù)坡措施進(jìn)行植被恢復(fù)的小區(qū)蓋度較高,達(dá)到50%以上,而對(duì)照小區(qū)的蓋度則低于50%,說明護(hù)坡措施的應(yīng)用對(duì)植被恢復(fù)起到了促進(jìn)作用,為今后護(hù)坡措施的選擇提供了參考。

        (2)通過對(duì)36個(gè)小區(qū)物種的重要值分析得出,對(duì)于土質(zhì)邊坡,植草+水平截流溝、植草+Y字形截流溝、等高綠籬埂、三維金屬網(wǎng)+植被袋、連鎖磚+植物、廢舊輪胎+植物、鉛絲石籠、平鋪石籠和碼石栽植旱柳等護(hù)坡方式適應(yīng)性較好,植物成活率較高;對(duì)于石質(zhì)邊坡,鑫三角工程生態(tài)袋、磚砌擋墻+植生袋、土工格柵+生態(tài)袋、鋼筋籠生態(tài)袋等護(hù)坡方式適應(yīng)性較好,設(shè)計(jì)植物成活、生長情況良好。

        (3)在1,3,5,6,16,19,29和30號(hào)共8個(gè)坡面小區(qū)的植物群落中,高羊茅的重要值均最大,其中的1和16號(hào)小區(qū)設(shè)計(jì)植物種為高羊茅,其余小區(qū)隨著植物群落的發(fā)展,高羊茅也逐漸成為優(yōu)勢種,說明高羊茅在該地區(qū)的適應(yīng)性較強(qiáng),在人工重建植被時(shí)可以選擇。

        (4)通過對(duì)36個(gè)小區(qū)物種多樣性分析可知,選用單一植物護(hù)坡的小區(qū),群落物種多樣性出現(xiàn)兩種趨勢,其一是物種豐富度指數(shù)、多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)均較低,說明原有物種受當(dāng)?shù)厍秩敕N的影響較小,其在數(shù)量和分布上都具有優(yōu)勢,造成物種多樣性較差,如1號(hào)和19號(hào)小區(qū);其二是物種豐富度指數(shù)、多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)均較高,說明原有物種受當(dāng)?shù)厍秩胛锓N的影響較大,物種侵入后與原有物種融為一體,隨著物種數(shù)目的增多,群落多樣性增加,原有物種逐漸退化,如2,28和30號(hào)小區(qū)。因此,在選用單一植物種進(jìn)行護(hù)坡時(shí)要慎重,應(yīng)選擇不易退化的種類,才能長時(shí)間發(fā)揮植物的保水固土作用,進(jìn)一步為植物選擇提供了依據(jù)。

        (5)在對(duì)照小區(qū)中,依靠植被的自然恢復(fù)能力,群落物種多樣性較好,說明植被群落在自然條件下朝著豐富、均勻、穩(wěn)定的方向發(fā)展。通過調(diào)查還發(fā)現(xiàn),自然恢復(fù)的植被群落以草本為主,當(dāng)?shù)厝肭治锓N主要有鐵桿蒿、茵陳蒿、地黃、苦賣菜等,其中以鐵桿蒿、茵陳蒿居多。

        (6)開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目在進(jìn)行邊坡防護(hù)時(shí),應(yīng)該采用工程和植物措施相結(jié)合的方式,利用工程措施對(duì)坡面進(jìn)行改良,改變坡面微地形、提高坡面蓄水保土功能,從而為植物的生長提供有利條件;在植物選擇方面,應(yīng)盡量選用鄉(xiāng)土植物種,采取多種植物相結(jié)合的方式,發(fā)揮植被群落的最大功能。

        致謝:感謝北京林業(yè)大學(xué)路端正老師在植被調(diào)查期間給予的指導(dǎo),也感謝延慶縣水土保持工作站給予的大力支持。

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