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        2009-2018年謝家店震后滑坡體植被恢復(fù)研究

        2019-10-19 03:33:48吳世祥劉守江
        水土保持研究 2019年6期
        關(guān)鍵詞:物種植物

        吳世祥, 何 聰, 楊 丹,2, 王 晨, 劉守江,2

        (1.西華師范大學(xué) 國土資源學(xué)院, 四川 南充 637000; 2.西華師范大學(xué) 嘉陵江流域研究所, 四川 南充 637009)

        災(zāi)后植被恢復(fù)對于災(zāi)區(qū)生態(tài)恢復(fù)具有重要重用,尤其是“5·12”特大地震對重災(zāi)區(qū)生態(tài)帶來了巨大破壞[1],并由此引發(fā)了多種地質(zhì)災(zāi)害[2-3],威脅當(dāng)?shù)鼐用竦纳敭a(chǎn)安全,且銀廠溝為國家級風(fēng)景旅游區(qū),對景區(qū)的生態(tài)恢復(fù)更加迫切。國內(nèi)外學(xué)者對震后植物群落結(jié)構(gòu)[4-7]、植被演替[8-10]、植物多樣性[11-12]以及植被恢復(fù)[13-18]等方面的研究也尤為重視,而銀廠溝謝家店滑坡體是地震形成的典型大滑坡體,10年來經(jīng)歷了從震后地表基本無植被覆蓋,恢復(fù)發(fā)展到如今的植物物種豐富、喬灌草群落結(jié)構(gòu)完善,是震后植被恢復(fù)較好的地區(qū),極具研究價值。本文在借鑒前人工作的基礎(chǔ)上,繼續(xù)開展實(shí)地工作調(diào)查并進(jìn)行總體整理與分析,對滑坡體植被恢復(fù)10年來的植物群落、植物優(yōu)勢種、多樣性以及相似性進(jìn)行研究與分析,揭示滑坡體10年來植被的恢復(fù)過程以及變化規(guī)律,為震后植被恢復(fù)的相關(guān)研究提供參考,推動災(zāi)后生態(tài)恢復(fù)與水土保持研究。

        1 研究區(qū)與研究方法

        1.1 研究區(qū)概況

        銀廠溝謝家店位于四川省成都市彭州市(30°54′—31°26′N,103°10′—103°40′E),為亞熱帶濕潤氣候區(qū),氣候溫和,四季分明,雨熱同期。最高月均氣溫在25.1℃左右,最低月均氣溫在5.3℃左右,年平均氣溫在15.9℃左右。海拔在1 200 m以上,年平均降水量在867 mm左右,土壤以山地灰棕壤為主,地質(zhì)疏松。2008年“5·12”地震為當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)帶來了巨大破壞,形成的滑坡體掩埋和摧毀了原有的森林植被,是災(zāi)后滑坡體的典型代表,震后又受到泥石流、崩塌等次生災(zāi)害的影響,基本無植被覆蓋,到2018年經(jīng)過10年的恢復(fù),植被已恢復(fù)形成結(jié)構(gòu)相對完整的植物群落,植被恢復(fù)效果顯著。

        1.2 樣地設(shè)置與植物調(diào)查

        自2008年地震后研究小組在2009年、2012年、2014年、2015年、2017年和2018年對銀廠溝謝家店震后形成的滑坡體進(jìn)行了一系列野外綜合調(diào)查。本研究采用樣方法對滑坡體植被恢復(fù)情況進(jìn)行調(diào)查,基于滑坡體規(guī)模與海拔梯度,以海拔每上升20 m設(shè)立一個樣地,自下而上在滑坡體上共設(shè)立9個樣地。樣地規(guī)格參照時連俊等[7,12]、鄭鴻鍇[11]的樣地布設(shè)標(biāo)準(zhǔn),在每個樣地內(nèi)設(shè)置1個10 m×10 m的喬木樣方;在每個喬木樣方內(nèi)設(shè)置2個5 m×5 m灌木樣方;在每個灌木樣方內(nèi)設(shè)置4個1 m×1 m的草本樣方,共計9個喬木樣方,18個灌木樣方,36個草本樣方。對每個樣方內(nèi)的植物名稱、植物物種數(shù)、株數(shù)、蓋度等重要指標(biāo)進(jìn)行調(diào)查與記錄,并進(jìn)行分析與研究,樣地基本概況見表1。

        表1 2009-2018年滑坡體樣地基本概況

        1.3 數(shù)據(jù)處理

        重要值是判斷優(yōu)勢種的重要指數(shù),重要值IV=(Dr+Fr+Cr)/3[19],其中Dr=樣方內(nèi)某種植物的個體數(shù)/全部植物總體數(shù),為相對密度;Fr=樣地內(nèi)某一物種的頻度/全部物種頻度之和,為相對蓋度,其中頻度=某物種出現(xiàn)的樣方數(shù)/樣方總數(shù);Cr=樣方中某種植物的投影蓋度/所有植物投影蓋度總和,為相對蓋度。

        植物多樣性是反映植物物種和植物生長狀況最直接的依據(jù),可通過植物多樣性指數(shù)來表示,目前的植物多樣性指數(shù)主要有Margalef豐富度指數(shù)Ma、香濃維納指數(shù)H′、辛普森指數(shù)D,Pielou均勻度指數(shù)E和Gleason指數(shù)Gl等,是表現(xiàn)植物多樣性的重要標(biāo)志。物種多樣性的計算公式[20]為:

        Margalef豐富度指數(shù):

        Ma=(S-1)/lnN

        (1)

        Shannon-Wiener指數(shù):

        H′=-∑pilnpi

        (2)

        Simpson指數(shù):

        (3)

        Pielou均勻度指數(shù):

        E=H/Hmax

        (4)

        式中:pi為第i種個體數(shù)占群落中總個體數(shù)的比例;S為群落中物種總數(shù);N為觀察到的個體數(shù);H為實(shí)際觀察的物種多樣性指數(shù);Hmax為最大的物種多樣性指數(shù)。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 2009-2018年滑坡體植物群落組成及結(jié)構(gòu)特征

        通過對2009—2018年滑坡體植物物種基本情況與變化狀況(圖1)進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)2009—2018年滑坡體植被恢復(fù)過程中,植物物種總種數(shù)由2009年的53種增加到92種,增加了39種,整體上呈線性增加趨勢,增加速率為7.86,植被物種恢復(fù)明顯。2009—2014年植被物種數(shù)增加最快,由53種增加到84種,增加了31種,占總增加物種數(shù)量的80%左右,屬于植被恢復(fù)初期,環(huán)境生存空間較大,喬木、灌木和草本都具有足夠的生存空間進(jìn)行快速生長。2014—2018年植被物種數(shù)增加變緩,4年間僅增加了8種,屬于植被恢復(fù)后期,植物群落結(jié)構(gòu)的不斷完善和生存發(fā)育空間的減少導(dǎo)致植物物種增長緩慢并趨于穩(wěn)定。

        在整個滑坡體恢復(fù)期間,隨著生境條件的不斷改善,喬木物種不斷恢復(fù),呈現(xiàn)線性增加的趨勢,以2.49的增加速率由2009年0種增加到2017年12種,到2018年喬木層物種已基本趨于穩(wěn)定。灌木層則呈現(xiàn)出指數(shù)性增加的趨勢,在植被恢復(fù)初期(2009—2014年),由于生存環(huán)境較差,灌木增長緩慢由4種增加到12種,增加速率為4.00;在植被恢復(fù)后期(2014—2015年),由于生境環(huán)境的改善和灌木群落的完善,灌木物種數(shù)快速增長,由12種增加到38種,增加速率為8.00;在總體上2009—2017年灌木由4種增加到38種,增加速率為2.54,到2018年基本趨于穩(wěn)定。草本物種種數(shù)是呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢,在植被恢復(fù)初期,生存環(huán)境較差,草本適應(yīng)性最強(qiáng),在此期間占據(jù)物種上的絕對優(yōu)勢并不斷增加,2009—2014年草本由49種增加到65種,增長速率達(dá)到11.61;2014—2017年,隨著喬木和灌木層的恢復(fù)與不斷完善,競爭力較弱的草本物種優(yōu)勢地位下降,由65種減少到39種,下降速率在2.02左右,到2018年隨著整個植被群落的穩(wěn)定,物種數(shù)有所增長但總體趨于穩(wěn)定。隨著滑坡體植被的恢復(fù),植物群落由恢復(fù)初期草本為主的單一群落結(jié)構(gòu)逐漸向恢復(fù)后期喬灌草均衡穩(wěn)定的群落結(jié)構(gòu)發(fā)育和演替。

        注:其中2009年調(diào)查時,可能由于喬木數(shù)量少、株高太低等原因?qū)е挛从^測到喬木,故計作0種。
        圖1 2009-2018年滑坡體植物物種數(shù)基本情況與變化趨勢

        2.2 2009-2018年滑坡體植物優(yōu)勢種

        重要值是判斷優(yōu)勢種的重要指標(biāo),通過對重要值的分析可以確定滑坡體植物恢復(fù)以來的植物優(yōu)勢種(表2)。在喬木層中,優(yōu)勢物種相對穩(wěn)定,具有耐瘠薄、生長迅速、水土保持能力強(qiáng)等特點(diǎn)的榿木(Alnuscremastogyne)最先發(fā)育起來成為喬木層建群種,并一直處于重要值首位;紅樺(BetulaalbosinensisBurk.)、柳杉(Cryptomeriafortune)和鹽膚木(Rhuschinensis)等對于環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、易存活的喬木物種長期居于重要值前3位,成為喬木層共建種。2012—2015年,由于喬木層結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定,處于發(fā)育階段,各物種間相互競爭,建群種榿木重要值由0.42下降到0.31,其他共建種間相互替位。2015—2018年植物恢復(fù)后期,喬木層群落結(jié)構(gòu)趨于完善,滑坡體水土流失相對減少,物種趨于穩(wěn)定,榿木主要優(yōu)勢種地位逐漸穩(wěn)固,重要值由0.31上升到0.54占據(jù)絕對優(yōu)勢,共建種也基本穩(wěn)定為柳杉與鹽膚木。

        在灌木層中,植被恢復(fù)初期植被物種更新快,優(yōu)勢種變化也快。在植物恢復(fù)早期(2009年),分布范圍廣、生長速度快的毛葡萄(Vitisheyneana)成為先鋒優(yōu)勢種,重要值高達(dá)0.48,同時對環(huán)境適力強(qiáng)的灰白毛莓(Rubustephrodes)和馬桑(Coriarianepalensis)為共建種。2012—2015年,植株蓋度大、競爭力強(qiáng)的灰白毛莓取代毛葡萄成為建群種,而生長繁殖速度快的紫麻(Oreocnidefrutescens)與裸花紫珠(Callicarpanudiflora)也替代馬桑為主要共建種。但隨著灌木層的快速發(fā)育,灰白毛莓優(yōu)勢種地位不斷下降,重要值由0.39下降0.22。2015—2018年恢復(fù)后期,植被對水土的保持能力加強(qiáng),生境環(huán)境改善,種子數(shù)量多、繁殖快的臘蓮繡球(Hydrangeastrigose)取代灰白毛莓成為主要優(yōu)勢種并趨于穩(wěn)定,重要值最大值為0.28,基本形成以臘蓮繡球?yàn)榻ㄈ悍N,灰白毛莓和山莓(Rubuscorchorifolius)為共建種的灌木群落結(jié)構(gòu)。

        在草本層優(yōu)勢種中,適應(yīng)性強(qiáng)、生長快、病蟲害少的醉魚草(Buddlejalindleyana)和一年蓬(Erigeronannuus)為早期(2009年)先鋒優(yōu)勢種植物,重要值分別為0.11,0.10。2012—2015年,隨著灌木和喬木的恢復(fù)與發(fā)育,大量喬木與灌木覆蓋于草本之上,爭奪草本生存空間和光照空間,喜陰濕環(huán)境的木賊(Equisetumhyemale)和伏地卷柏(Selaginellanipponica)等蕨類植物替代了喜光照干燥的醉魚草等植物成為草本優(yōu)勢種,重要值最大值分別為0.15,0.13。到了2015—2018年植被恢復(fù)后期,喬木、灌木群落基本穩(wěn)定并占據(jù)絕對優(yōu)勢,草本層中耐旱、耐瘠薄的芒萁(Dicranopterisdichotoma)發(fā)育成為草本主要優(yōu)勢種,重要值為0.24,而木賊重要值由0.15下降到0.05,成為共建種。整個植被恢復(fù)期間,滑坡體植物群落優(yōu)勢種類型經(jīng)歷由早期毛葡萄—醉魚草到植被恢復(fù)初期榿木—灰白毛莓—木賊,再到植被恢復(fù)后期榿木—臘蓮繡球—芒萁的演替過程,水土流失減少,生態(tài)環(huán)境恢復(fù)。

        表2 2009-2018年滑坡體各層植物優(yōu)勢種重要值(前3位)

        注:山梅花Philadelphusincanus,繡線菊Spiraeasalicifolia,繁縷Stellariamedia,隱子草CleistogenesKeng,杭子梢Campylotropismacrocarpa,鱗蓋蕨Microlepiamarginata,野棉花Anemonevitifolia。

        2.3 2009-2018年滑坡體植物多樣性特征

        植物多樣性指數(shù)是對植物物種數(shù)、株數(shù)及其分布狀況的反映,是衡量植被恢復(fù)狀況和植被演替的重要指標(biāo),由于喬木層在2009—2012年的缺乏,故在此不作喬灌草多樣性分層分析,但通過對2009—2018年總體植物多樣性變化的研究(圖2),也能反映滑坡體震后的植被恢復(fù)狀況。

        圖2 2009-2018年滑坡體植物多樣性指數(shù)變化情況

        2009—2018年,Margalef豐富度指數(shù)Ma由2.80上升到6.06,增加了近2.16倍,滑坡體植被物種恢復(fù)較好,豐富度提升顯著。其中2009—2012年由于喬木層的恢復(fù)和植物群落的完善,豐富度指數(shù)上升最為明顯,由2.80上升到4.93,增加了近76%,此后隨群落結(jié)構(gòu)的不斷發(fā)育與穩(wěn)定,豐富度指數(shù)緩慢增加,由4.93增加到6.06。Shannon-Wiener指數(shù)H′在滑坡體植被恢復(fù)期間總體上也呈現(xiàn)上升趨勢,但由于植物群落結(jié)構(gòu)處于不斷發(fā)育完善過程中,具有不穩(wěn)定性,同時植物物種也處于不斷演替的過程中,導(dǎo)致Shannon-Wiener指數(shù)H′上升過程中略有波動??傮w上2009—2018年,Shannon-Wiener指數(shù)H′由2.18上升到3.13,增加了44%左右,其中2017—2018年植被物種數(shù)與植物群落結(jié)構(gòu)最為穩(wěn)定,2018年達(dá)到最大值3.13,表明隨恢復(fù)時間的增加,植物物種富集度也不斷增加,植物恢復(fù)狀況較好,植被對水土的保持能力增強(qiáng),生態(tài)環(huán)境也在不斷恢復(fù)。

        2009—2014年植被恢復(fù)初期,由于植物物種的快速增加和植物群落的演替,導(dǎo)致物種間的植株數(shù)量均勻度下降,Simpson指數(shù)D由0.88下降到0.70;隨著植物群落的完善與植物物種的穩(wěn)定,2014—2018年植被恢復(fù)后期,植物分布不斷趨于均勻,Simpson指數(shù)D由0.70逐漸上升到0.93。總體上Simpson指數(shù)D由0.88上升到0.93,物種間的植株數(shù)量均勻度不斷增加。Pielou均勻度指數(shù)E在2009—2015年指數(shù)值較低,平均值僅有0.14左右,這是由于此期間植物群落主要以草本物種為主,草本優(yōu)勢種中木賊、伏地卷柏等蕨類植物種類少但植株數(shù)量多,導(dǎo)致整個植物群落物種數(shù)與植株數(shù)量間的均勻性較低,Pielou均勻度指數(shù)E較低。而2015—2018年植物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生轉(zhuǎn)變,喬木和灌木占據(jù)物種數(shù)優(yōu)勢地位,并且總體群落結(jié)構(gòu)與植物種數(shù)也趨于穩(wěn)定,植物群落均勻性顯著上升,在2018年達(dá)到最大值0.93。在總體上,Pielou均勻度指數(shù)E在2009—2018年由0.13上升到0.93,增加了近6.15倍,植物群落均勻度增加顯著,植物群落更趨于穩(wěn)定。

        3 討論與結(jié)論

        3.1 討 論

        對于震后植被恢復(fù)方面的研究,大多是通過遙感影像等技術(shù)或分區(qū)對比等方法進(jìn)行,而對于整個植被恢復(fù)過程方面的長期觀測與研究較少,故本文能進(jìn)行的對比研究與參照也較少。由于資源條件的限制,能進(jìn)行研究的對象也僅限于較為典型的滑坡體,且對于滑坡體震前的植物群落記錄也較少,從而無法進(jìn)行災(zāi)后恢復(fù)對比。在恢復(fù)過程中植被群落物種由早期的快速增長到后期的逐步穩(wěn)定,從草本—灌木為主的群落結(jié)構(gòu)逐步發(fā)育形成喬木—灌木為主的群落結(jié)構(gòu),并逐漸趨于穩(wěn)定的變化過程與李波等[21]的研究相符,這或許與濕潤的氣候環(huán)境有關(guān),其他受災(zāi)地區(qū)災(zāi)后植被恢復(fù)是否也具有相同特點(diǎn)和規(guī)律,需進(jìn)一步研究;隨著植被的自然恢復(fù),滑坡體的水土保持作用也在不斷加強(qiáng),滑坡體生態(tài)環(huán)境得到不斷改善,因而在類似災(zāi)區(qū)采取人工的水土保持與恢復(fù)措施,是否具有必要性也值得進(jìn)一步思考。

        3.2 結(jié) 論

        (1) 自2008年“5·12”地震到2018年,銀廠溝謝家店滑坡體已形成10 a,10年間滑坡體植被物種不斷恢復(fù),植物物種總種數(shù)由震后1 a的53種線性增長到震后10 a的92種,增加速率為7.86,植被物種恢復(fù)明顯。2009—2014年恢復(fù)初期,生境空間充裕,植物間競爭較弱,植物群落以草本為主,植被物種恢復(fù)較快。喬木、灌木和草本共增加了31個物種,占10 a總增加物種數(shù)量的80%左右。在2015—2018年恢復(fù)后期,植物群落發(fā)生演替,由草本為主的單一群落結(jié)構(gòu)逐漸向喬灌草均衡穩(wěn)定的群落結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。喬木、灌木物種持續(xù)增加,草本物種下降,在總體上僅增加了8種,物種數(shù)增長緩慢并趨于穩(wěn)定。

        (2) 在植被恢復(fù)過程中,榿木與鹽膚木的重要值多年居于喬木重要值前三位,為喬木層優(yōu)勢種;灰白毛莓與臘蓮繡球處于灌木層演替過程中的主體地位,為灌木層優(yōu)勢種;一年蓬、木賊、伏地卷柏以及邊緣鱗蓋蕨等菊科與蕨類植物在草本層中占據(jù)主導(dǎo),為草本層優(yōu)勢種。植物群落優(yōu)勢種類型由早期毛葡萄+醉魚草向植被恢復(fù)初期榿木+灰白毛莓+木賊轉(zhuǎn)變,再向植被恢復(fù)后期榿木+臘蓮繡球+芒萁的優(yōu)勢種類型轉(zhuǎn)變。

        (3) 在植物多樣性方面,2009—2018年滑坡體各植物多樣性指數(shù)在總體上均呈現(xiàn)上升趨勢,其中Margalef豐富度指數(shù)Ma由2.8上升到6.06,Shannon-Wiener指數(shù)H′由2.18上升到3.13,Simpson指數(shù)D由0.88上升到0.93,Pielou均勻度指數(shù)E由0.13上升到0.87,各多樣性指數(shù)均在恢復(fù)年份內(nèi)處于上升趨勢,表明隨著植被的逐年恢復(fù),滑坡體植物物種數(shù)、株數(shù)的豐富度與富集度不斷增加,植物均勻度的空間分布狀況也不斷趨于合理。隨著植物群落物種數(shù)的增加,植物物種多樣性不斷提升,種間競爭加劇,植物群落在演替中結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定與完善,植被的水土保持能力也不斷加強(qiáng)。

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