绵竹市灾后生态修复造林技术应用研究

王雅飞，喻晓钢，林 琦，唐礼贵，杨 敏，李 伟，郑 文

(1.绵竹市造林种苗和科学技术推广站，四川 绵竹 618200;2.德阳市林业科学技术推广站，四川 德阳 618000;3.剑南春集团公司微生物研究所，四川 绵竹 618200;3.四川九顶山省级自然保护区绵竹管理站，四川 绵竹 618200)

1 灾后生态修复造林技术研究的目的意义

四川汶川“5·12”特大地震，使地处龙门山断裂带，距震中仅30 km，与汶川一山之隔的绵竹市遭受了毁灭性的打击。境内森林植被、林业基础设施遭受严重破坏，共有27667.10 hm2林地遭受不同程度的损毁，其中有林地12207.30 hm2，疏林地20.50 hm2，灌木林地12207.90 hm2，未成林地1027.90 hm2，苗圃地 5.00 hm2，无立木林地 34.00 hm2，宜林地2164.50 hm2。由于特殊的地质构造，境内山高谷深，沟壑纵横，河流密布，水资源丰富，是沱江水系的重要发源地之一，是长江水源的重要组成部分，生态区位十分重要，该区森林植被及生态环境的好坏，直接影响下游地区的发展。因此，必须加快对受损的森林植被自然和人为恢复。开展灾毁林地植被修复工作的首要前提是对灾害地进行有效治理，防控地震次生灾害发生几率，选择合适的植被和总结出一套行之有效的造林技术同样是关乎生态植被修复成败的关键。本试验针对适合本地区灾后生态修复造林技术进行了初步研究，结合中日绿化合作四川省绵竹市地震灾后重建紧急造林项目，在地震灾后的局部治山、乔灌草植被的选择、灾害地不同部位植被恢复方式等造林技术方面取得创新与突破。

2 项目研究的内容和方法

2.1 震后灾害地不同部位的有效治理措施

通过采取土袋、木竹栅栏、堡坎、排水沟等局部治山措施对项目区塌方、泥石流等灾害不同部位进行治理，总结研究出治理局部塌方、泥石流灾害地不同部位的有效治理措施。

2.2 震后的塌方、泥石流灾害地人为和自然恢复植被的最佳区域

项目区山体表面经过治理，通过实施人工植苗、人工点播和撒播等人为植被恢复措施，对比不同地段实施人为植被恢复措施后的植被保存情况，总结研究地震后的塌方、泥石流灾害地人为和自然恢复植被的最佳区域。

2.3 震后的塌方、泥石流灾害地不同部位最适植被及区域

通过选择本地区已知的抗逆性较强的刺槐、桤木、酸枣和茅草等植物在治理后的山体表面实施人为森林植被恢复，结合植被自然修复后的植被种类调查结果，总结研究地震后的塌方、泥石流灾害地不同部位最适植被及区域。

3 技术措施

3.1 生物埂

以绵竹市林业局选育的九顶大粉葛两年生葛苗作为营建生物埂的材料，选择葛藤直径粗5 mm～8 mm、葛块根直径粗15 mm～20 mm的葛苗进行试验。试验应用抗旱保水剂处理葛藤根系，栽植坑穴20 cm×20 cm，以株距50 cm、行距100 cm沿塌方区域下部顺行栽植两行，总长度400 m。

3.2 土袋

适宜在坡度较小、表层土松动的灾毁地表层实施，目的是为了防止挡土工程背面回填土的移动，集中地表径流和减小流水侵蚀，该工程措施适宜与木(竹)栅栏结合、交错设置，即在挡土工程之间斜面长度大约2.0 m的间隔放置土袋，防止砂土下滑，固土定坡，为植被的培育打下基础。

3.3 木竹栅栏

为了防止崩塌土砂下滑，分散地表径流，减轻地表径流对山体表面的侵蚀，稳固山体表面松动的土壤，改善植被恢复环境，在山坡面上相隔3 m～5 m配置木(竹)栅栏工程。木(竹)栅栏工程使用木桩、木材(整竹材)和铁丝。木桩高度为1m，间隔桩距0.7 m，地上0.5 m，深入地下0.5 m。工程做法是先沿等高线开挖60 cm宽基槽，然后在基槽中部打桩，木材(整竹材)横向扎排，再回填土砂压实。

3.4 挡土堡坎

抑制、固定河床内不稳定的泥沙以及坍塌地产生的大量泥沙，作为山坡工程的基础，在坍塌地的垂直下部配置浆砌堡坎，防止泥沙流向下游区域。

3.5 排水沟

应用于地表径流形成的冲刷沟内实施，实施渠系工程是为了减轻地表径流对冲刷沟连续造成侵蚀，以及过多的地表水渗透使土壤的强度降低而设置的排水工程。

3.6 栽植工程

栽植工程目的是恢复灾毁地植被，是治山的最终目的，其做法是在挡土工程、土袋阶梯式工程背面进行植树、播种等，符合《造林技术规程》(GB/T 15776－2006)所述要求。

4 试验设计

4.1 试验地点

项目试验地位于绵竹市汉旺镇牛鼻村中封顶，面积为33.34 hm2。为5·12汶川大地震灾毁林地。在试验地内分别选择灾毁后泥石流沉积地、滑坡地和垮塌地做为试验地类，根据立地条件分别采取人工造林、人工点撒播、封山育林等恢复措施并适地加以辅助治山工程措施，见表1。

表1 调查样地概况

4.2 种苗

种苗均来自四川省绵竹市。选取顶芽饱满、苗干通直、色泽正常、无损伤、无病虫害的种苗。

4.3 应用保水剂造林试验研究

保水剂采用的是华光实业公司生产的AS型高效保水剂。造林树种为1 a生刺槐苗，平均高为80.2 cm，平均地径为0.8 cm。保水剂不同施量试验:每穴分别施量为 0.5 g、1.0 g、2.5 g、3.5 g。每个处理660 m2。分别于3月10日、4月10日、5月16日测定土壤含水量。测定时在每小区上下左右及中部各选1点，每点测定3个树坑。在距树干20 cm处用小口径取土钻打孔取土，然后封堵取土孔，采用烘干法，测定20 cm深土层的含水量，求平均值。

4.4 造林存活率和保存率调查

在各样地内随机选择10 m×10 m样方，重复3次。调查因子包括造林成活率、地径、高生长量，取其平均值。数据的调查时间除保存率外都为造林后4个月的同一个时间段，保存率的调查是在造林后的第2年春季进行的。

4.5 植被恢复调查方法

4.5.1 植被总盖度和林木郁闭度的观测

草地用投影法观察植被总盖度，林地用目测法观察郁闭度。植被样方调查主要调查植被的种类、生长状况和盖度等，样方大小草本为2 m×2 m，灌木为5 m×5 m，乔木为10 m×10 m。

4.5.2 生物多样性测定方法

群落物种多样性统一应用各个物种在该层(乔、灌、草)中的重要值V这一综合指标来计算，各个物种的重要值计算公式(马克平等，1995)如下:

(1)重要值

草本层的重要值:IV=(相对密度+相对频度+相对盖度)/3

乔木和灌木层物种重要值:IV=(相对密度+相对频度+相对优势度)/3

相对密度=一个种的密度/所有种的总密度×100%

相对频度=一个种的频度/所有种的频度×100%

相对优势度=一个种的优势度/所有种的优势度×100%。

(2)物种多样性指数是以各样地物种重要值平均数为基础，采用目前较为普遍使用的公式计，按生长型(乔木、灌木、草本)计算各物种多样性指数。

a.物种丰富度指数S=出现在样地中的物种数。

b.多样性指数(Pielou E C，1975):

式中pi=ni/N表明第i个种的相对多度。

c.Shannon-Wiener指数:H= － ∑pilnpi，pi=ni/N表明第i个种的相对多度。Shannon-Weiner指数来源于信息理论。群落中生物种类增多代表了群落的复杂程度增高，即 H值越大，群落所含的信息量越大。

d.均匀度指数:

式中:S为样地分布均匀的物种数目。

4.5.3 地表径流量的观测

在试验区域内有工程措施的坡面堡坎、竹竹木栅栏(土袋)、排水沟和未作处理的区域设置4个径流场。径流场宽5 m(与等高线平行)，长10 m(水平距)，水平投影面积50 m2，径流场下部设1 m×1 m×1 m集水池，用来收集径流。每次雨停后10 min～30 min观测，记录池内水深，然后将泥水搅拌均匀，用量杯分层取样1000 ml，经沉淀后，在 105℃条件下烘干，将干物质用天平称重。研究工程措施对水土流失治理的影响。

径流场一次降雨地表径流量(m3)=1 m×1 m×水深(m)

径流场一次降雨侵蚀量 (t)=地表径流量(m3)×干物质(g)/1000

5 结果分析

5.1 不同恢复模式的生长效果分析

5.1.1 高、径生长量、存活率的比较

对灾后植被的恢复工作，首先考虑生长量、成活率、保存率的大小。不同树种的生长情况见表2。

表2 不同树种的生长情况

由表2可以看出，设计树种均能有效的在灾毁林地生长，都能作为植被恢复用树种，考虑到在实际应用的实际中，植被恢复应为防护林，因此树种首选还是应为刺槐、桤木等，调查显示刺槐在泥石流沉积地区平均成活率达到68%，平均保存率可达到49%，可见其在恶劣环境的适应性非常强。桂花和柚的成活率和保存率达到90%以上，分析其原因为桂花和柚属于经济林木，栽植规格较大，同时人为管理水平高，导致成活率高，但是管护成本较高，因此在灾毁林地的植被恢复实践中建议还是以适应性强，管护成本低的苗木作为选择对象。酸枣成活率和保存率相对较低，其原因为撒点播地点为坡度较大的滑坡区，土壤含水量较低，土壤结构性差导致发芽率低。

5.2 保水剂施量对土壤含水率和生长量影响

从表3中可以看出，穴施2.5 g、3.5 g保水剂与其它处理在各指标上的差异均达极显著，而这两种处理之间则差异不大，可以确定在刺槐造林中，穴施2.5 g、3.5 g保水剂，可促进穴内土壤水分的保蓄，从而提高造林成活率，其保水持效时间可达3个月，这个时期正是本地干早少雨的时期，也是苗木萌动生长的关键时期。在这个关键时期造林施保水剂对林木成活起到了很大作用。考虑到经济性，穴施2.5 g效果最佳。对当年高、径进行比较后，各施量之间可看出无显著差异，说明施用保水剂对土壤水分的改善作用是有限的，仅能维持幼苗基本需水量，保证苗木成活，并不能提高苗木生长量。

表3 保水剂施量对土壤含水率和生长量影响试验结果见表

5.3 不同灾害地点不同恢复方式植被恢复的调查

对不同灾害类型及不同恢复方式总盖度调查，得出不同方式植被恢复的最佳配置方案，见表4。

表4 不同灾害地点不同恢复方式植被恢复盖度调查表﹪

从表4可以看出，在灾毁林地中人工植苗恢复植被适合实施于泥石流沉积区域，调查显示植苗后盖度达到53.6%，在滑坡区域的人工恢复手段中，撒播为 3.2%，点播为 7.3%，人工植苗盖度为8.2%，综合在施工过程当中安全性和经济性，可见点播是滑坡区域的最佳植被恢复方式。塌方区域由于坡度较大，操作困难，危险性高，因此自然恢复是最佳的选择。在本次试验的调查中，塌方区域的总盖度为27.4%，主要种类为巴茅、茅草一类先锋草本植物。同时自然恢复处理中，3种灾毁地的总盖度相差不大。因此，综合各因素可以认定塌方区域的最佳恢复方式为自然恢复，滑坡区域可通过撒点播的方式恢复植被，而可操作性强的泥石流沉积区域最好用人工植苗的方式将最大限度的提高植被恢复水平。

5.4 不同植被恢复模式的对生物多样性保护分析

5.4.1 物种组成特性

自然恢复的灌草丛中，传播能力强且耐旱极强的草本巴茅和马桑迅速侵入，成为植物群落优势植物，其重要值分别为84.5%和8.2%，占群落总重要值的92.7%，形成了巴茅+马桑群落，处于破坏山体植被演替的初级阶段。

对于人工恢复的4种造林地中，草灌的物种数量增加，肾蕨、禾本杂草、蒿草、野菊花、野棉花等草本成为草本群落的优势种，草本的物种组成变化较大，初期的一年生草本植物生长逐渐退化，大量多年生草本植物逐渐进入。主要灌木种类有马桑、悬钩子。调查中发现本土木本植物开始入侵，如桦木、枣树、楠木等。随着岩石的风化，环境条件有所改善，已初步具备耐旱性强的乡土先锋植物生长的条件。在桂花+柚子的混交林中，由于是经济林有明显人为干扰，试验中不作统计。

表5 不同样地物种组成及其重要值 ﹪

5.4.2 多样性分析

物种多样性是指多种多样的生物类型及种类，强调物种的变异性，代表着物种演化的空间范围和对特定环境的生态适应性。物种多样性是物种丰富度和分布均匀性的综合反映，体现了群落结构类型、组织水平、发展阶段、稳定程度和生境差异，反映了生物群落在组成、结构、功能和动态等方面的异质性，了解它的变化掌握群落演替的一般规律。物种多样性变化是植被演替的重要标志之一，是分析群落稳定性、所属演替阶段的重要依据，是群落结构和生态功能复杂性的一个度量，可揭示不同植物群落在结构、组成及其功能动态方面的变化。

一般情况下，物种多样性指数与物种丰富度、均匀度呈正相关，与生态优势度呈负相关。多样性指数越高，生态优势度越小:多样性指数越大，丰富度、均匀度愈高。因此可以认为，在表征群落多样性结构方面，物种均匀度与生态优势度的变化趋势是相反的:种群分布集中，群落均匀度指数低，生态优势度就较高。反之，群落中种群分布均匀，群落均匀度指数高，则生态优势度较低。

表6 不同植被恢复模式的多样性指数

由表6可知，不同植被恢复模式的Shannon-Weiner(H)的排序为刺槐+桤木＞撒点播＞刺槐林＞生物埂＞半封;物种丰富度为混交林＞纯林＞自然恢复模式;Simpson(D)的排序半封＞生物埂＞撒点播＞刺槐林＞刺槐+桤木;Pielou(J)相差不大，说明在破坏山体初期恢复模式的均匀度相差不是很明显。

综合分析后发现:由于植被恢复时间较短，各群落都还处于演替初级阶段过程当中，封山育林中巴茅迅速成为优势种，抑制了其他植物的定植，导致其丰富度和均匀度较低，巴茅在整个群落中的生态优势度较高。生物埂中，由于实施的地点在塌方区下，整个措施被塌方掩埋，无法对其原来计划的指标进行调查分析，因此，此处未做比较。而在其他3种人工造林方式中，其各项指标均差异不大，表明群落中各先锋植物种群还处于竞争的过程中，需要一定时间的演替，最终才能形成稳定的群落。

5.5 工程措施对植被恢复的影响

试验记录了2011年8月、9月4次降雨后的地表径流量和降雨侵蚀量，取平均值。见表7。

表7 不同工程措施处理的径流量和侵蚀量

通过表7可以看出，在坡度较大的地方采用排水沟，能有效地减少地表径流量，该实验设置排水沟的区域地表径流量为0.17 m3，为对照的29.8%。对降雨侵蚀量得控制，每隔3 m～5 m设置的竹木栅栏或土袋的处理，侵蚀量最小为0.0142 t，为对照的9.8%，能减少土壤的降水侵蚀量的90%。分析其原因，设置竹木栅栏或土袋降低了山体坡度，降水下泄过程中多次被缓冲，减轻了径流对地表的冲刷，从而减少了降雨侵蚀量。可见在灾毁山地植被恢复工作中，加以必要的辅助工程措施，能有效的保护好山体，改善植株生长的小环境，有利于植被恢复。

在试验观察过程中发现，山体松动，坡度＞45°的塌方区域，植被恢复难度很大，下部实施的生物埂、堡坎等工程还无法有效地控制塌方的继续发生。

6 结论

在塌方区域下部坡度介于30°～40°的区域采用每隔3 m～5 m斜坡距的土袋或木竹栅栏工程，能有效地控制降雨侵蚀量的发生，侵蚀量比对照减少91.2%;同时在泥石流区域上部实施排水沟、下部实施挡土堡坎工程等综合治理措施，能有效的汇集地表径流，减少侵蚀量，挡土堡坎能阻挡和沉降90%的泥土，从而有效的控制泥石流侵蚀面的扩大。而对于山体表面松动，坡度＞45°的塌方区域，下部实施的生物埂、堡坎等工程措无法有效遏制塌方发生，解决办法尚有待研究。

项目区山体表面经过治理，通过实施人工植苗、人工点播和撒播等人为植被恢复措施，结果表明:塌方、滑坡、泥石流及其过渡区域中治理后的泥石流区域最适合通过人为恢复植被，其平均盖度可达到33.76%，最佳方式为人工植苗恢复，经调查盖度达到了53.6%。塌方及滑坡区域由于立地条件差，操作危险性高，建议植被恢复方式为自然恢复，经调查自然恢复的盖度达到30%左右，但主要以巴茅和禾草等先锋草本为主，需要长时间的演替才能形成稳定的群落。最差的是塌方区域，人为恢复的覆盖度仅为1.3%。

通过选择本地区已知的抗逆性较强的刺槐、桤木、酸枣和茅草等植物在治理后的山体表面实施人为森林植被恢复，结合植被自然修复后的植被种类调查结果表明:在泥石流及其沉积区域，最适的植被修复手段是人为恢复，最适的植被为刺槐，人工植苗刺槐苗木保存率为49%;在塌方至泥石流段的滑坡区域，自然恢复的效果较好，最适的植被是芭茅、茅草等草本自然恢复的芭茅和茅草等，总覆盖度达到了30.96%。

通过试验可以初步判断出刺槐是适宜灾毁林地的优秀树种，而穴施保水剂2.5 g，可有效地提高刺槐的成活率。

灾后生态修复造林技术研究结果表明:灾后植被恢复的工作中首先要根据需恢复区域的实际情况，结合施工地点的可操作性、经济型和安全因子来综合考虑所采取的修复措施及辅助措施，以达到综合受益最大的原则。灾毁林地的植被恢复达到稳定的演替阶段是一个非常漫长的过程，在恢复的过程中很容易受到各个因素的干扰，需要持之以恒的辛勤工作。

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