坡面植被恢复试验示范区植被群落特征初步研究

2010-05-05赵廷宁柳立兵

水土保持研究 2010年4期

韩煜，赵廷宁，陈琳，柳立兵

（1.北京林业大学水土保持学院，北京100083；2.延庆县水土保持工作站，北京延庆102100）

植物群落是在一定生境条件下由不同植物构成的一个总体。在植物群落中，不同植物种之间以及它们与环境之间保持着一种动态平衡［1］。植被群落特征是描述群落结构和功能复杂性的度量指标，在植被恢复过程中物种多样性的变化反应了植被的恢复程度。研究植被群落特征，能够了解群落的结构、功能和稳定性［2］，揭示植被群落与环境之间的相互关系。

随着我国经济的快速发展，公路、铁路、厂矿、房地产等开发建设项目日益增多，在这些项目的建设过程中，经常要破坏原有地貌景观和植被群落，形成大量裸露坡面和次生裸地，引发严重的水土流失，从而导致自然生态系统的退化。因此，如何修复由于开发建设项目产生的受损坡面以及对坡面进行植被恢复，成为开发建设项目中需要研究和解决的问题。目前，对于开发建设项目植被群落特征已经做了一些研究［3－5］，大多是关于植被物种多样性的分析及评价，涉及的项目类型主要是矿区和公路，针对开发建设项目不同护坡措施中的植被群落特征研究还较少见。作为北京市水土保持科技示范园，延庆县上辛庄水土保持坡面试验小区是不同类型开发建设项目多种植被护坡方式的综合小区，具有较强的代表性和示范作用，因此研究不同坡面试验小区的植被群落特征，不仅能为开发建设项目植被护坡措施的选择提供依据，还能为植被恢复建设提供理论支撑。

1 研究区域概况

延庆县上辛庄开发建设项目水土保持试验示范基地，位于延庆县城东南方向，地理坐标为东经116°03′17″－116°03′55″，北纬40°25′10－40°27′20″，距县城约5km，占地2.19hm2，该基地于2007年10月完成36个植被护坡小区的设计和施工，各小区均配套有喷灌设施，调查时各小区植被恢复时间为2a。

该区属于妫水河大榆树小流域，年降水量为474.5mm，主要集中在6－9月，约占全年降水总量的84%。年平均气温8.5℃，≥10℃的年最大积温3 600℃，年最小积温2 000℃。无霜期平均为150～160d。天然分布有荆条（Vitex chinensis）、铁杆蒿（Artemisia sacrorum）、黄花蒿（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。人工栽植有榆树（Ulmus pumila）、油松（Pinus tabulaeformis）、杨树（Populus devidiana）、刺槐（Robinia pseucdoacacia）等乔木树种，间有核桃（Prunus persica）、梨（Pyrus pyrifolia）、杏（Prunus armeniaca）等散生果树［6］。

2 研究方法

2.1 植被调查方法

2009年7月在试验示范基地进行了植被调查，以36个不同护坡措施的小区为调查对象，每个小区作为一个研究样地。按照小区编号依次对样地进行调查，小区面积为45～60m2，样地内乔木每株都进行调查，灌木和草本分别在坡上、坡中、坡下的中心位置各设一个样方，灌木样方为2m×2m，草本样方为1 m×1m，共设样方108个。调查记录了每个样方内所有植物种类、株树／丛数、盖度、高度、生长状况等。

2.2 数据处理方法

2.2.1 物种重要值的计算重要值是指物种在群落中的重要地位，以重要值为测度指标可以避免因物种个体大小、数量差异悬殊而导致过分地夸大一些个体小、但个体数极多的物种在群落中的作用，能够为辨别物种是建群种、优势种还是伴生种提供重要依据［7－8］。重要值计算公式为：

式中：IVi——第i种的重要值；RDi——第i种的相对密度；RCi——i种的相对盖度；RFi——第i种的相对频度。

2.2.2 物种多样性指数的计算物种多样性指数是用来描述种的个体出现的紊乱和不确定性的指标，不确定性越高，多样性也就越高；它包括两个因素：其一是种类数目，其二是种类中个体分配上的均匀性；种类数目越多，多样性越大，种类之间个体分配的均匀性增加，也会使多样性提高［2，9－11］。本文选用丰富度指数、多样性指数和均匀度指数作为各小区植物群落物种多样性的度量指标。

（1）丰富度指数

式中：S——群落中的总种数；N——群落中的个体总数。

（2）多样性指数

式中：Pi——第i种个体数占群落中所有种个体数的比例；S——群落中的总种数。

（3）均匀度指数

式中：H——实际观察的种类多样性；Hmax——最大的种类多样性；S——群落中的总种数。

3 结果与分析

3.1 不同小区植被总体情况

自从进行边坡防护后，边坡植被状况发生了很大的改变，各个小区的植被种类、植被盖度、植株密度等均有不同，结果见表1。盖度是反映植被群落结构的一个重要指标。从表1中可以看出，采用不同护坡措施进行植被恢复后，小区的植被盖度均有很大提高，盖度在50%以上的小区多达24个，有些以草本为主的小区盖度更是达到了100%以上，如4号和26号小区，盖度高达122.3%和110.7%。而对照小区的盖度则低于50%，如8号和13号小区，盖度分别为15.2%和29.8%。这是因为边坡立地条件较差，不利于保水保土，对植物生长不利，而且植被的自然恢复也需要较长时间。盖度较高的小区则表明，该种护坡措施效果较好，而且对此类边坡较为适宜，在植被恢复过程中起到了促进作用。

3.2 不同小区植物群落物种组成的变化

根据坡面小区的边坡类型、坡向和坡比将调查小区划分为3类，用物种的重要值对群落特征及动态变化进行分析，结果见表2。

表1 不同小区植被基本情况

3.2.1 阴向土质边坡 1－9号小区为土质边坡，坡比1∶2，坡向向北。

从表1中可以看出，1号和2号小区重要值最大的为高羊茅（Festuca arundinacea）和结缕草（Zoysia japonica），其值为2.41和1.04，最初的设计种仍为群落的优势种，但2号小区出现较多的入侵植物种。4号小区沙打旺（Astragalus adsurgens）重要值最大，为1.93，调查时没有发现胡枝子（Lespedeza floribunda）；3号和5号小区重要值最大的都是高羊茅，分别为1.26和0.96，成为优势种。6号小区为优势种为高羊茅和无芒雀麦（Bromus inermis）；7号小区侧柏（Platycladus orientalis）重要值最大，而且长势良好。

8号和9号小区为对照小区，没有采取任何护坡措施。从表1中可以看出，重要值最大的是狗尾草（Setaria viridis）和铁杆蒿，而且两个小区植物种类也较为相似，都有狗尾草、铁杆蒿、茵陈蒿（Artemisia capillaris）等。

通过对1－9号小区植物种重要值的分析可知，植草＋截水沟护坡和等高绿篱埂护坡植物成活情况最好，适应性最好，因为截水沟和等高绿篱埂的存在能够更多地存蓄坡面降水，供给植物生长所需，有效解决了水分的限制作用，从而发挥植物的保水保土作用。土工格栅和六棱花砖护坡适应性一般，植生毯护坡措施适应性最差。在1，3，4，5号小区中，重要值最大的植物种都是高羊茅，成为优势草种，说明高羊茅在该地区的适应性强，在人工恢复植被时可以选择。

表2 不同小区植物种的组成变化

续表2：

3.2.2 阳向土质边坡 10－24号小区为土质边坡，坡比1∶1.5，坡向向西。

从表1中可以看出，10号小区植物种重要值在0.19～0.50之间，各物种相差不大，无法体现出优势种；17号小区连翘的重要值最大，在群落中处于优势地位。在11、16和18号小区中，重要值最大的分别为早熟禾（Poaannua）、高羊茅和沙打旺，优势种与设计种一致，且植物长势也较好。12号和15号小区重要值最大的都是狗尾草，设计种已经退化。14，20和21号小区的植物都以旱柳（Salix matsudana）为主，且3个小区旱柳的重要值最大，分别为1.91，1.80和1.67。19号小区重要值最大的是高羊茅，其值为1.26，调查时没有发现波斯菊（Cosmos bipinnatus），这是由于波斯菊为一年生草本花卉，退化速度快。

通过对10－24号小区植物种重要值的分析可知，三维金属网＋植被袋、连锁砖＋植物和废旧汽车轮胎＋植物3种护坡措施适应性较好，植物成活率高；铅丝石笼、平铺石笼和码石栽植旱柳的护坡方式也比较适宜，且旱柳长势良好。由于上述几种护坡措施首先改变了坡面微地形，增加了粗糙度，提高了坡面蓄水保土能力，再结合植物覆盖，从而达到了防止坡面水土流失的作用，而单纯的植物护坡效果不明显。

3.2.3 阳向石质边坡 25－36号石质边坡，坡比1∶1，坡向向南。

从表1中可以看出，25号小区重要值最大的是早熟禾，为2.23，种植的爬山虎（Parthenocissus tricuspidata）已经退化；33号小区植物种重要值在0.27～0.59之间，优势种不明显。在26，27，29和32号小区中，原来栽植的植物在群落中的重要值仍较大，如26号小区的胡枝子和沙打旺、27号小区的沙打旺、29号小区的高羊茅以及32号小区的结缕草，说明这些植物种在群落中仍处于优势地位。34，35和36号三个小区重要值排在前两位的植物种均为铁杆蒿和沙打旺，说明在植物生长的过程中，有一些乡土草种伴生，而且在竞争中逐渐成为优势种，如铁杆蒿。

与前面的土质坡面相比，岩石边坡的护坡方式较少，而且难度较高。通过对25－36号小区植物种重要值的分析可知，在高陡岩石坡面上不适合采用钻孔植草护坡，因为钻孔尺寸相对于坡面太小，而坡度又太大，孔内不能保土存水，从而限制了植物的成活和生长。适宜性较好的护坡方式是工程措施＋植生袋（生态袋），袋中的基质材料能够为植物提供生长所需的土壤和养分，还能蓄水保墒，结合工程措施的拦挡防护，才能从根本上防治岩石坡面的水土流失。

3.3 不同小区植物群落物种多样性的变化

以不同小区的丰富度指数、多样性指数和均匀度指数为测度指标，对各个小区的植物群落物种多样性进行分析，结果见表3。

表3 不同小区植物群落的多样性指数比较

3.3.1 阴向土质边坡从表2中可以看出，在1－7号小区中，2号小区物种的丰富程度最高，丰富度指数达到2.61，而1号小区丰富度指数最小，为0.78，其他小区丰富度程度较接近。分析植物多样性只考虑物种数和个体数量是不够的，还应该考虑物种聚集程度的差异和物种个体分布的均匀程度［12］。Simpson指数是对物种集中性的度量，而Shannon－wiener指数是对群落多样性的信息度量［13］。在两个指数比较中，1号小区分别为0.02和0.07，和其他小区差异最大，是最低值。其余小区Simpson指数变化在0.41～0.65，Shannon－wiener指数变化在0.83～1.32，差异不大。Pielou均匀度指数把个体的均匀度纳入了度量范围，1号和2号小区均匀程度最差，其余小区均匀度指数均在0.51以上，均匀程度较高。8和9号为对照小区，没有任何护坡措施，属于植被的自然恢复，从多样性变化可以看出，对照小区的丰富度指数均在2.20以上，丰富程度较高，多样性指数也有很高的一致性。

结合表1分析可知，1号和2号小区都选用单一植物护坡，分别为高羊茅和结缕草，所以均匀度较差。但2号小区物种丰富度最高，1号小区最低，说明结缕草受当地侵入自然物种的影响较大，物种侵入坡面后能够与原有物种融为一体，并均匀分布于坡面群落，随着物种数目的增多，群落多样性增加，从多样性指数来看也证明了这一点。而高羊茅受当地侵入物种的影响较小，仍然在群落中处于优势地位。因此，在进行植物选择时，尽量选用稳定、不易受外来物种影响的植物种，才能保证植物群落的长期效果。

3.3.2 阳向土质边坡 10号小区的物种丰富度指数最大，18号小区物种丰富度指数最小。上述小区中Simpson指数变化的差异不大，而Shannon－wiener指数存在较大差异，10号小区达到2.01，远大于最低的18号小区（0.14）。前者对富集种相对多度较为敏感，而后者是对群落的稀疏种敏感的指数。均匀度指数的大小排序与Simpson指数和Shannonwiener指数表现出很好的相关性。

究其原因，10号小区设计植物种类最多，植物丰富度占优势，而其他小区设计植物种较少，植物丰富度较差。18号小区的设计植物种数较其他小区相似，但多样性指数要小很多，这是因为18号小区物种间数量分布不均匀，均匀度指数的对比也证明了这一点。

22号小区为对照小区，丰富度指数为1.61，均匀指数为0.79，和同类小区相比，自然恢复的植物群落丰富程度较高，而且植物种的分布较均匀。

3.3.3 阳向石质边坡对上述小区进行多样性分析可见，物种丰富度指数差异不太大，其中的28，30，32，33，35和36号小区较为接近，变化在1.83～2.07，其余小区较为接近，变化在0.99～1.21。因为前者的设计植物种类较后者多，物种丰富程度较高。各小区的Simpson指数变化在0.31～0.87，差异不大。Shannon－wiener指数差异明显，27号小区为0.45，远低于最大的32号小区（2.16）。结合表1可以看出，27号小区沙打旺重要值远远大于其他物种，说明沙打旺在群落中处优势地位，在数量分布上较集中，而32号小区中各物种重要值相差不大，各物种间数量分布较均匀。

4 讨论与结论

重建坡面植被的主要难题是蓄水和保土，调查的坡面试验小区采用工程措施改善坡面条件，再结合植物措施，在灌溉条件下人为对裸露土石坡面进行植被恢复。通过对各小区植物群落重要值、物种多样性的分析和研究，可以判断不同措施的植被恢复效果，了解植物群落的适应性和稳定性，为坡面植被恢复提供指导。

（1）通过对护坡措施小区和对照小区植被盖度的比较得出，采用护坡措施进行植被恢复的小区盖度较高，达到50%以上，而对照小区的盖度则低于50%，说明护坡措施的应用对植被恢复起到了促进作用，为今后护坡措施的选择提供了参考。

（2）通过对36个小区物种的重要值分析得出，对于土质边坡，植草＋水平截流沟、植草＋Y字形截流沟、等高绿篱埂、三维金属网＋植被袋、连锁砖＋植物、废旧轮胎＋植物、铅丝石笼、平铺石笼和码石栽植旱柳等护坡方式适应性较好，植物成活率较高；对于石质边坡，鑫三角工程生态袋、砖砌挡墙＋植生袋、土工格栅＋生态袋、钢筋笼生态袋等护坡方式适应性较好，设计植物成活、生长情况良好。

（3）在1，3，5，6，16，19，29和30号共8个坡面小区的植物群落中，高羊茅的重要值均最大，其中的1和16号小区设计植物种为高羊茅，其余小区随着植物群落的发展，高羊茅也逐渐成为优势种，说明高羊茅在该地区的适应性较强，在人工重建植被时可以选择。

（4）通过对36个小区物种多样性分析可知，选用单一植物护坡的小区，群落物种多样性出现两种趋势，其一是物种丰富度指数、多样性指数和均匀度指数均较低，说明原有物种受当地侵入种的影响较小，其在数量和分布上都具有优势，造成物种多样性较差，如1号和19号小区；其二是物种丰富度指数、多样性指数和均匀度指数均较高，说明原有物种受当地侵入物种的影响较大，物种侵入后与原有物种融为一体，随着物种数目的增多，群落多样性增加，原有物种逐渐退化，如2，28和30号小区。因此，在选用单一植物种进行护坡时要慎重，应选择不易退化的种类，才能长时间发挥植物的保水固土作用，进一步为植物选择提供了依据。

（5）在对照小区中，依靠植被的自然恢复能力，群落物种多样性较好，说明植被群落在自然条件下朝着丰富、均匀、稳定的方向发展。通过调查还发现，自然恢复的植被群落以草本为主，当地入侵物种主要有铁杆蒿、茵陈蒿、地黄、苦卖菜等，其中以铁杆蒿、茵陈蒿居多。

（6）开发建设项目在进行边坡防护时，应该采用工程和植物措施相结合的方式，利用工程措施对坡面进行改良，改变坡面微地形、提高坡面蓄水保土功能，从而为植物的生长提供有利条件；在植物选择方面，应尽量选用乡土植物种，采取多种植物相结合的方式，发挥植被群落的最大功能。

致谢：感谢北京林业大学路端正老师在植被调查期间给予的指导，也感谢延庆县水土保持工作站给予的大力支持。

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