陕北黄土丘陵沟壑区石油集输管线沿线植被现状分析

赵芮芮,殷淑燕,王水霞,周亚利,王 宁

(1.陕西师范大学 地理科学与旅游学院,陕西 西安 710119;2.陕西师范大学 地理学国家级实验教学示范中心,陕西 西安 710119)

陕北黄土丘陵沟壑区石油集输管线沿线植被现状分析

赵芮芮1,2,殷淑燕1*,王水霞1,周亚利1,王 宁1

(1.陕西师范大学 地理科学与旅游学院,陕西 西安 710119;2.陕西师范大学 地理学国家级实验教学示范中心,陕西 西安 710119)

对陕北黄土丘陵沟壑区石油集输管线沿线9个区域的植被生长状况进行了调查。结果表明:沿线物种共计27科63属77种,其中菊科、禾本科、豆科、蔷薇科植物较多,分别占总物种数的23.38%、14.29%、12.99%和10.39%。各生活型植物的种类数表现为多年生草本>一二年生草本>灌木>乔木>半灌木>小乔木。各区域植被的Simpson多样性指数和Shannon-Wiener多样性指数具有相同的变化趋势,均与丰富度指数呈正相关,与优势度呈负相关。草本的丰富度、均匀度均高于乔灌木的。陕北黄土丘陵沟壑区石油管线沿线植被自然恢复潜力良好,采取的工程措施有利于该区植被恢复。石油集输管线的铺设尚未对陕北黄土丘陵区的植被产生破坏。

物种多样性;植被恢复;输油管线;黄土丘陵沟壑区

黄土丘陵沟壑区位于我国暖温带和中温带的过渡地带、森林和草原荒漠的过渡地带,地理位置特殊,地形复杂,土壤侵蚀严重,在长期的人类活动影响下,该区植被破坏严重,生态环境脆弱[1]。近年来,对黄土丘陵沟壑区植被的研究越来越多,其中种子库、植被恢复和植被与土壤环境之间的关系是国内外学者研究的重点内容[2-8]。莫保儒等的研究集中在该区植被恢复过程物种组成以及物种多样性方面[9]。白文娟等研究了黄土丘陵沟壑区各环境因子和时间因素对植被恢复的影响,并在此基础上研究了种子库对植被恢复的影响[10]。寇萌对陕北黄土丘陵沟壑区抗侵蚀植物的特性及其群落特征进行了探讨[11]。

自改革开放以来,陕北地区油气工业发展迅速,集输管线的大量铺设对黄土高原的生态环境产生了一定程度的破坏,但前人研究成果均无涉及。我们对陕北黄土丘陵沟壑区石油集输管线沿线植物的生长现状进行了调查,以期为陕北经济社会建设、植被恢复和生态建设提供科学依据。

1 研究区域和方法

1.1 研究区概况

研究区设在典型的黄土高原丘陵沟壑区——安塞县、志丹县、甘泉县、靖边县境内,位于108°5′44″～109°33′46″E、36°6′57″～38°3′15″N,海拔950～1823 m,是西北地区典型的环境脆弱区(图1)。该区地形复杂,土壤侵蚀严重,人类活动对自然环境的影响深远。气候属暖温带半干旱气候,四季分明,气温年较差和日较差均较大,年平均降水量435 mm左右,年平均气温8.4 ℃,年平均日照时间2332～2768 h。区内第二产业发达,煤炭、石油等资源富集,是西北地区的能源产地。该区植被人为破坏严重,生长稀疏,分布广泛的物种有猪毛蒿(Artemisiascoparia)、铁杆蒿(A.gmelinii)、茭蒿(A.giraldii)、达乌里胡枝子(Lespedezadavurica)等。

图1 研究区地理位置及采样点分布

1.2 研究方法

采用样方法进行野外调查。调查时间为2016年7月。在志丹县甄峁村、甄家峁、阳台村、吴家沟村,靖边县青阳岔村、黄家湾,安塞县庄科湾村,甘泉县青龙峁、烟洞沟村铺设石油管线处选取9个区域设置样方(图1),乔木样方采用20 m×20 m或10 m×10 m,灌木样方设置为5 m×5 m,草本样方设置为1 m×1 m。样方调查内容包括物种、株数、高度、盖度、胸径、基径、冠幅、生长及分布状况。在调查过程中还记录样地状况，并使用GPS对调查地点进行定位和记录。

本文选取6种指数来测度和分析物种的多样性特征，其计算公式[12]如下。

物种的重要值：IV=(RF+RH+RC)/3

丰富度指数：R=S

Simpson优势度指数：

Shannon-Wiener多样性指数：

Simpson多样性指数：

Pielou均匀度指数：

Alatato均匀度指数：

在上述公式中: RF为相对频度; RH为相对高度; RC为相对盖度; Pi为物种i的相对重要值; s为样方数; S为样地中的物种数。

2 结果与分析

2.1 植被的组成特征

在本次调查中，共发现物种27科63属77种,其中豆科8属10种,禾本科10属11种,堇菜科1属2种,菊科12属18种,蔷薇科7属8种,紫草科3属3种,藜科、萝藦科、毛茛科、杨柳科各2属2种,车前科、唇形科、葱科、蝶形花科、胡颓子科、苦木科、马钱科、葡萄科、茜草科、伞形科、莎草科、松科、桃金娘科、小檗科、亚麻科、榆科、紫葳科各1属1种。其中菊科、禾本科、豆科、蔷薇科植物种类数居前4位,分别占总种类数的23.38%、14.29%、12.99%和10.39%。本次调查的77种植物,分属于乔木、小乔木、灌木、半灌木、多年生草本和一二年生草本共6类生活型，其中乔木6种,小乔木2种,灌木9种,半灌木4种，草本植物56种,多年生草本植物42种,一二年生草本植物14种。在各生活型中,最多的植物类型是草本类,小乔木则最少。通过计算各区域样地的物种重要值,列出其中重要值大于0.1的植物种类(表1)。从表1可以看出,在重要值大于0.1的物种中,多年生草本和一二年生草本占明显优势。

2.2 物种的多样性特征

由图2可以看出：各样地的丰富度指数为7～33,平均为19种；以样地P5的丰富度指数最高,物种数最多,为33种；样地P2、P4、P6的物种数较少,其中P6的丰富度最低,丰富度指数为7，这可能与这几个样地处于阴坡位置有关。Simpson优势度指数分布在0.081～0.347,平均为0.156,与物种丰富度的变化趋势相反,即样地中物种数越多,其Simpson优势度越低。Simpson多样性指数分布在0.653～0.923,平均为0.845,其中最高值为0.923,出现在P6；最低值为0.653,出现在P5。Shannon-Wiener多样性指数为1.276～2.936,平均为2.263。Simpson多样性指数与Shannon-Wiener多样性指数的变化规律一致,均与物种丰富度指数呈正相关关系,与Simpson优势度指数呈负相关关系,即物种丰富度指数越高,多样性指数越高,优势度指数越低。Pielou均匀度指数分布在0.656～0.856,变化幅度较小,平均为0.784。Alatato均匀度指数分布在2.582～17.847,变化幅度较大,平均为9.709；这两种均匀度指数的变化规律基本一致。

表1 各区域主要植物种类的重要值和生活型特征

2.3 各层片物种多样性特征

生物群落的结构是群落中植物与植物之间、植物与环境之间相互关系的可见标志,从群落结构的角度研究物种多样性很有意义[13]。根据本研究区群落的结构特征,将植物层片分为草本层和乔灌木层,在不同样地中乔灌木和草本植被的多样性与优势度也不同。

由图3可见：草本层的丰富度指数为5～26,乔灌木层为2～10,前者的丰富度指数明显高于后者的；在Simpson优势度指数方面，草本层为0.083～0.432,乔灌木层为0.269～0.695,两者变化趋势一致；在Simpson多样性指数方面，草本层变化于0.568～0.970,乔灌木层变化于0.305～0.731,以P5的指数最高,P6的指数最低;在Shannon-Wiener多样性指数方面，草本层变化于0.974～2.659,乔灌木层变化于0.483～1.521;在Pielou均匀度指数方面，草本层为0.605～0.902,变化幅度较小,乔灌木层为0.527～0.865；在Alatato均匀度指数方面，草本层为1.649～13.283,乔灌木层为0.620～3.575,两者的变化趋势略有不同。

图2 研究区植物群落的丰富度、优势度、多样性及均匀度指数

表2列出了陕北黄土丘陵沟壑区石油管线沿线9个区域乔灌木和草本的Shannon-Wiener指数、Pielou均匀度指数和Simpson优势度指数的统计特征值。从表2中可以看出：草本的Shannon-Wiener指数平均值大于乔灌木的,说明草本的物种多样性较为丰富。均匀度与优势度指数相关,草本层的均匀度较乔灌木层的高,但优势度相反,说明乔灌木层的优势种表现较为明显。在乔灌木和草本间Shannon-Wiener指数和优势度指数均不存在显著差异,但Pielou均匀度指数存在显著差异(P<0.05)。

表2 研究区各层片植物多样性指数的统计特征

3 讨论

3.1 植被自然恢复潜力

相较于人工恢复的植被,自然恢复的植被群落结构更加稳定,生态效益也更为显著。因此植被自然恢复潜力对石油集输管线沿线植被恢复具有重要意义。持久土壤种子库是指在土壤中存活时间超过1年的种子[14]。持久土壤种子库作为原有植物群落的“记忆”,对于干扰后的植被恢复至关重要[15]。黄土丘陵沟壑区大多数演替过程中的建群种和主要伴生种都具有一定数量的持久种子库,持久土壤种子库能够抵消干旱和半干旱地区由于生境不稳定而造成的幼苗死亡和更新失败,增大植物存活的几率。如沿石油管线广泛分布的猪毛蒿,它生产的大量小种子,易于传播和进入土壤,并且能够形成持久土壤种子库,这就有利于其在地上植被受到干扰后迅速占据空间而完成种群更新、繁殖。本次调查中重要值大于0.1的物种,如长芒草、达乌里胡枝子、灌木铁线莲、铁杆蒿、中华隐子草、硬质早熟禾、茭蒿等和主要伴生种如山苦荬、狗尾草、菊叶委陵菜、裂叶堇菜、抱茎苦荬菜等均具有一定数量的持久土壤种子库,能够为该区石油管线沿线植被恢复和更新提供基础。

王宁对黄土丘陵沟壑区植被更新的限制因素进行了研究,结果表明黄土丘陵沟壑区退耕恢复早期物种以其种子易于传播、产量大,并能够在土壤侵蚀环境下形成高密度的土壤种子库来保证其在适宜的生长条件下完成更新[16]。黄土丘陵沟壑区的沟坡残留乔、灌木物种多具有萌生能力和较高的耐性,能够在恶劣的生境中生存,并且能够生产具有活性的种子,为其种群的更新和扩散提供种子。在种子扩散方面,该区植被草本物种占很大比例,易于风播,种子较小,物种库中接近半数的物种都依靠风传播[16]。在本研究区中,占比例最大的菊科和禾本科植物如猪毛蒿、铁杆蒿、拂子茅、芦苇、硬质早熟禾等绝大部分物种都适于风力传播。

图3 研究区分层次植物群落的多样性

王东丽对植物种子的生活史策略及种子补播恢复进行了研究,发现在研究区内,植物种子以近圆球形(FI<1.50)、重量小(<10 mg)及与环境相近的颜色(褐色和黑色)为主要的形态特征,并且大多具有芒毛、刺、翅、宿存花柱等附属物[17]。在本次调查中的阿尔泰狗娃花、抱茎苦荬菜和杠柳等也是如此。冠毛、娟毛有利于种子固结在土壤表面,可以增加这些物种在侵蚀环境中定居的几率。在植物种子休眠与萌发策略方面,黄土丘陵沟壑区植物种子萌发力强和种子休眠性弱的物种所占比重较大,为该区植物适应土壤侵蚀环境的普遍萌发策略。植冠种子库的存在可使种子延缓传播,有利于减少恶劣环境对繁殖体生存的影响[18],因而具有重要的生态意义。本次调查的9个样地中以菊科、禾本科、豆科、蔷薇科植物较多,大多具有植冠种子库,这就有利于管道沿线种子的萌发与生长。

综合分析以上种子生长形态、生产策略、休眠与萌发策略,以及种源与扩散、土壤种子库等因素,黄土丘陵沟壑区的物种具有良好的适应干旱和抗侵蚀的能力,这些因素均有利于石油集输管道沿线植被的自然恢复与更新。

3.2 石油集输管线对植被影响的评价

目前对石油集输管线沿线植被恢复有两种情况：一种是自然恢复,另一种是工程措施恢复。本次调查样地主要物种有27科63属77种,物种较为丰富,其中菊科、禾本科、豆科、蔷薇科植物占多数,生长状况良好。石油集输管线宽约0.5 m,开挖宽度窄,影响范围较小,且黄土丘陵沟壑区沟坡多分布残存的灌草植被或乔木林,保存有大量的物种,构成了天然的植物种源库,能够为管线开挖处植被的恢复提供种源,有利于其植被的恢复。综合分析土壤种子库、种子的生长策略等因素,陕北石油管道沿线植被自然恢复潜力良好。

采取工程恢复措施是在石油管线填埋上方设置小的沟道,并在部分沟道上方覆盖草垛,一方面可以减少径流量,截留土壤的水分和养分,另一方面土壤的微地形如坑洼、裂痕等能够在降低种子随土壤侵蚀而流失风险的同时,拦蓄水分,减少蒸发,增加湿度,为幼苗的存活提供适宜环境[19]。草垛的设置能够起到遮阴降温效果,增大幼苗的生存几率。该研究区存在大量退耕演替早期群落如猪毛蒿等,这些物种种子小,质量轻,种子量大,坡沟的设置和草垛的覆盖使得这些植物种子易于进入土壤缝隙,有利于开挖后石油集输管线上方植被的恢复。

何倩对吴起-定边输油管线工程进行了环境评价,其研究结果显示工程建设前后管道沿线生态环境状况指数EI值分别为57.66和54.39,变化幅度不大[20]。本次实地调查发现,石油管线沿线植被自然恢复情况良好,石油集输管线的铺设尚未对沿线植被产生严重破坏。但今后也要采取一定的措施,如定期更换管线、定期检查管线是否有漏油情况、更新管线铺设技术、选择合理的铺设路线等减少对沿线植被的破坏,并对沿线植被生长情况进行相应的监督，以利于其植被的恢复。

4 结论

通过对陕北黄土丘陵沟壑区石油集输管线沿线9个区域的样地调查,该区沿线物种共计27科63属77种,菊科、禾本科、豆科、蔷薇科植物较多,分别占总数的23.38%、14.29%、12.99%和10.39%。调查区域中植物的各生活型数量大小关系是:多年生草本>一二年生草本>灌木>乔木>半灌木>小乔木。多年生草本和一二年生草本在该区占明显优势。

各区域物种多样性指数的特征是:丰富度指数在7～33之间;Simpson指数和Shannon-Wiener指数具有相同的变化趋势,与物种丰富度指数呈正相关关系,与Simpson优势度指数呈负相关关系;Pielou均匀度指数与Alatato均匀度指数的变化规律基本一致。各层片物种的多样性特征:草本的丰富度指数明显高于乔灌木的;在Simpson优势度方面，草本和乔灌木具有相同的变化规律;在多样性指数方面，草本的Simpson指数和Shannon-Wiener指数变化规律基本相同,而乔灌木则略有差异;在均匀度指数方面，草本的Pielou均匀度指数与Alatato均匀度指数的变化规律基本一致,数值相差较大,而乔灌木则数值相差较小,变化规律略有不同。

陕北黄土丘陵沟壑区植被生长情况较好,具有良好的自然恢复潜力；工程恢复措施有利于其植被的恢复与更新；石油集输管线的铺设尚未对陕北黄土丘陵区的植被产生破坏,但今后也要实施相关的举措以降低管线铺设对沿线植被的破坏。

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AnalysisofVegetationStatusalongPetroleumGatheringPipelineinLoessHillyandGullyRegionofNorthernShaanxi

ZHAO Rui-rui1,2, YIN Shu-yan1*, WANG Shui-xia1, ZHOU Ya-li1, WANG Ning1

(1. School of Geography and Tourism, Shaanxi Normal University, Xi’an 710119, China; 2. National Demonstration Center for Experimental Geography Education, Shaanxi Normal University, Xi’an 710119, China)

The growth statuses of vegetations in 9 districts along petroleum gathering pipeline in loess hilly and gully region of northern Shaanxi were investigated. The investigated vegetation along the petroleum gathering pipeline belonged to 77 species, 63 genera and 27 families; among them, the species number in Compositae, Gramineae, Leguminosae and Rosaceae were the most, accounting for 23.38%, 14.29%, 12.99% and 10.39% of the total species number, respectively. The vegetation could be divided into 6 life forms, and the species number of various life-form plants revealed the following sequence: perennial herbs > annual and biennial herbs > shrubs > arbors > subshrubs > small arbors. The Simpson diversity index and Shannon-Wiener diversity index of vegetations in different districts had the same variation tendency, and they were positively correlated with species richness index, while were negatively related to Simpson dominance index. The species richness index and evenness index of herbaceous plants were higher than those of arbors and shrubs. The vegetations along petroleum gathering pipeline in loess hilly and gully region of northern Shaanxi had a good natural recovery potential, and the adopted engineering measures were favorable for the vegetation restoration in this region. The laying of the petroleum gathering pipeline has not yet caused a serious damage to the vegetations in loess hilly and gully region of northern Shaanxi.

Species diversity; Vegetation restoration; Petroleum gathering pipeline; Loss hilly and gully region

2017-06-30

国家自然科学基金项目(41371029、41501290);中国博士后科学基金特别资助项目(2012T50795);陕西省自然科学基础研究计划面上项目(2017JM4026)。

赵芮芮(1993─),女,硕士研究生,主要从事环境变化与自然灾害研究。*通讯作者:殷淑燕。

Q948.156

A

1001-8581(2017)11-0063-06

(责任编辑:黄荣华)