特高压工程塔基区次生植被物种多样性及生物量的研究——浙江省杭州市富阳区灵绍线特高压工程塔基区为例

刘建林 孙新珂 张 琦 贾 丽

(中国电力工程顾问集团华北电力设计院有限公司, 北京 100120)

特高压输电工程建设有利于促进区域经济协调发展,是满足未来我国电力需求持续增长的基本保证;同时也极大地优化了资源配置,减轻铁路煤炭运输和中、东部地区环保压力[1]。特高压输电工程属于生态影响类项目,生态影响防控坚持预防与恢复相结合的原则,预防优先,恢复补偿为辅;建设过程中将不可避免地扰动原地貌、破坏塔基区植被,竣工后再加强植被恢复措施,以实现“建设环境友好型”输电工程的重要目标[2]。

对已运行多年的特高压工程进行样方调查时发现,塔基区灌草群落特征、物种多样性处于不断的变化之中,周边的物种也会进入塔基区参与群落演替;由于塔基区无高大乔木植物生长形成类似“林窗”的微生境,光照、温度等环境因子发生改善[3- 4],使其会成为一些适应性强、生长速度快植物的“避难所”[5]。同时巡检维护行为直接降低了塔基区灌木层、草本层生物量,同时会减缓塔基区植被恢复和群落演替[6- 7]。目前研究多集中于特高压工程运行过程中电磁和噪声[8-9]的防治措施和对策,鲜见针对塔基区次生植被群落物种多样性和生物量研究的报道。

选择位于浙江省杭州市已运行6年的灵绍线特高压工程塔基区为研究对象,采用样方法对比分析塔基区次生植被特征、物种多样性和生物量特征,并与塔基区附近未受干扰影响的对照区进行对比,以期为特高压工程塔基区灌草群落优化、植被演替及物种多样性研究和保护提供理论基础,为更加科学有效地开展特高压工程塔基区人工植被恢复提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

1.2 研究方法

1.2.1 样地设置

2021年6月,在浙江省杭州市富阳区低山区域选取立地条件相似的25个塔基区次生植被为研究对象,在塔脚对角线上距离塔基基础2 m处及对角线相交处各设置1个2 m×2 m灌木样方,在各灌木植物样方中央设置1个1 m×1 m草本植物样方,即每个塔基区设置灌木样方和草本样方各5个[10],共计125个灌木样方和125个草本样方,同时每个塔基附近设置背景样方1个5 m×5 m,共计25个。记录样方内乔木和灌木植物物种名、株数、株高、冠幅、基径等,草本植物物种名、株数、高度和盖度等。

采集塔基区样方中灌木和草本植物的地上部分,带回实验室,在85℃烘箱中烘72 h至恒重后,用电子天平(精度0.01 g)称重测得灌木和草本植物实际生物量。背景样方乔木植物的生物量采用袁位高等[11]构建的浙江省乔木层生物量模型通式计算。

1.2.2 物种重要值

重要值=(相对密度+相对盖度+相对频度)/3

1.2.3 物种多样性指数

采用Shannon-Wiener指数(H)、Margalef丰富度指数(R)、Pielou均匀度指数(E)、Simpson多样性指数(D)等指标[12-15]分析样地的物种多样性。各指标的计算公式如下:

(1)Shannon-Wiener指数

pi=ni/N(i=1,2……,S)

(2)Margalef丰富度指数

R=(S-1)/lnN

(3)Pielou均匀度指数

(4)Simpson多样性指数

式中,ni为第i物种个体数,N为所有种的个体数,S为种的数目。

1.3 数据分析

基础数据统计分析应用Excel 2016进行数据整理与统计分析。采用单因素方差分析法(One-way ANOVA)分析塔基区和对照区多样性指数、各层生物量间的差异显著性。使用Origin 2021软件绘制生物量分析箱线图。

2 结果与分析

2.1 塔基区和对照区的物种组成和重要值

野外样方调查共记录塔基区、对照区物种数量和物种组成见表1。其中乔木层优势科为壳斗科(Fagaceae),灌木层优势科为蔷薇科(Rosaceae)、壳斗科(Fagaceae)、樟科(Lauraceae)和豆科(Leguminosae),草本层优势科为禾本科(Poaceae)、菊科(Compositae)。

表1 塔基区和对照区主要物种及重要值

通过对比塔基区与对照区物种数,塔基区乔木层消失,而出现了对照区所没有的灌木层和草本层物种,表明特高压工程建设直接改变了原来的微环境而导致物种数量、功能地位和分布格局发生显著的变化。与对照区物种重要值比较可知,塔基区乔木物种重要值降至0;对灌木层、草本层而言,对照区物种重要值均分布均匀而无明显优势种凸现,而塔基区优势种为山鸡椒和菝葜,草本层优势种变更为五节芒和芒。

2.2 塔基区和对照区物种多样性分析

塔基区和对照区灌木层、草本层物种多样性H、D、R和E值见表2。结果显示:塔基区灌木层、草本层的R值高于对照区而无显著性差异,H和D值低于对照区但显著性差异不明显,E值低于对照区且呈现显著性差异。此外,塔基区无乔木层致使其物种多样性显然低于对照区。与对照区对比分析,塔基区R值较大表明特高压工程建设导致塔基区次生植被灌木层物种数和个体数均明显减少,但H、D和E值较小表明塔基区无乔木层遮蔽后,次生植被灌木层物种之间存在激烈竞争而优势物种占据更多的生态位。

表2 塔基区和对照区样地的物种多样性

由表2看出,塔基区灌木层的H、D、R和E值均高于草本层,对照区灌木层的H、D和R值高于草本层而E值低于草本层。E值反映物种数目和种群个体分布格局的变化,可知对照区乔灌草层植被的物种组成、数量和分布特征已处于相对稳定的状态,乔灌层对草本层有强烈的遮蔽作用,塔基区次生植被灌木层对草本层遮蔽作用低于对照区。

2.3 塔基区和对照区生物量分布

塔基区无高大乔木生长导致乔木层生物量远远低于对照区的4989.73 g/m2(P<0.05),塔基区灌木层多为低矮且生长年限短的植物,从而使其生物量68.61 g/m2显著低于对照区的575.48 g/m2(P<0.05),而草本层生物量9.56 g/m2与对照区5.94 g/m2无显著性差异(P>0.05)。表明特高压工程建设后的一定年限内,草本层生物量可快速恢复至对照区生物量水平(见图1)。

不同小写字母表明两者差异显著(P<0.05)图1 塔基区和对照区不同层生物量对比

3 讨论

3.1 塔基区次生植被群落特征

乔木层消失改善了塔基区光热条件,塔基区出现了对照区没有的灌木物种檫木、草本物种五节芒、芒等,这与不能在林下自然更新的灌草类植物出现在林窗内的研究结果[16- 17]相近,同时更新物种的种类和数量也发生变化[18];随着塔基区灌木层植物遮蔽作用显现,增加了草本层喜阳和耐荫性物种的共存机率,因而塔基区物种组成和种类与对照区存在一定的相似性,这与周东等[19]的物种组成由物种关系和环境条件共同决定的观点一致,同时也表明塔基区次生植被群落正在向对照区演替变化。

对照区植被历经长期演替而处于成熟的稳定共存状态,林下生态资源格局分配趋于固定致使灌木层和草本层物种重要值分布均匀且无明显的优势种;塔基区乔木层消失后,灌木层山鸡椒和菝葜、草本层五节芒和芒等物种占据较宽的生态位成为优势种,这与物种与生境条件变化相适应的研究结果一致[20-21],也体现出不同物种对外界干扰的耐受性、生物学特性、生态位等生态习性的响应能力不同[22]。塔基区灌木层中如菝葜、土茯苓等喜阳植物物种重要值明显提高,草本层中多年生的适应性强的五节芒和芒出现并处于绝对优势地位[23]。此外,塔基区的鬼针草、小蓬草和狗尾草等一年生草本物种优势地位显著提升,与雷彩芳等[24]的一年生草本物种更易在皆伐的林间生存研究结论吻合,反映了塔基区次生植被群落由1年生先锋植物已过渡到了以多年生为建群种的演替阶段[25]。

3.2 塔基区次生植被植物多样性变化

塔基区灌木层和草本层R值高于对照区与学者[23, 26]研究的林窗物种丰富度高于非林窗结论一致,不同之处在于本研究中的塔基区灌木层物种数低于对照区,这主要原因为林窗形成后不再受到干扰影响,而塔基区常常遭受特高压工程巡检维护干扰的影响,同时塔基区灌木和草本植物仍存在物种竞争关系,使灌木和草本物种多样性与人为干扰呈现不固定的变化规律[27]。特高压工程巡检维护的干扰与塔基区光照等微环境的改变共同影响灌草层植物的生长,导致塔基区灌木层和草本层H、D、E值均低于对照区的结果与林窗内植物多样性高于非林窗的结论[28]不一致,可能由于塔基区灌木和草本植物生长空间扩大,可吸收的光照和养分竞争性增强,导致灌木和草本植物在巡检维护干扰下的空间竞争力和营养争夺力差距缩小[29],并且林窗内灌木层、草本层的物种多样性特征随林窗大小、发育阶段变化也呈现不同的对应关系[30- 31]。

3.3 塔基区次生植被生物量影响

特高压工程建设直接改变了塔基区层次结构而使得生物量集中在灌木层和草本层,塔基区的形成增加了有效光辐射,而巡检维护行为直接刈割灌木层,这可能是与林窗增加灌木生物量研究结果[32]不同的直接原因。塔基区草本层生物量高于对照区但无显著性差异,巡检维护行为削弱了灌木层对草本层生长发育的屏障作用,从而有利于草本层特别是一年生草本物种的生长发育,使得草本层生物量在短期内迅速累积[33]。总体上,塔基区因无乔木层生长、巡检维护行为使得塔基区总生物量远低于对照区。此外,物种生物量是群落演化过程中物种与环境相互适应的阶段性产物,次生群落植被生物量随着年限的增加与物种多样性表现出不同的相关关系[34],鉴于本研究期限较短,已运行6年的特高压工程塔基区次生植被群落处于演替过程中何种状态,需考虑特高压工程巡检维护干扰特点而进行较长年限的生态调查研究。

4 结论

塔基区光热条件改善促使灌木层和草本层优势种凸显并处于绝对优势地位;特高压工程运行过程中的巡检维护行为和塔基区微环境变化共同影响了塔基区灌木层和草本层物种多样性,同时塔基区灌草层物种Margalef指数高于对照区但差异不显著,而Shannon-Wiener指数和Simpson指数低于对照区无显著性差异,Pielou指数低于对照区且呈现显著性差异。巡检维护行为对灌木层生物量削减效应远大于草本层,塔基区呈现出灌木层生物量显著低于对照区而草本层生物量与对照区无显著性差异。

本研究表明,适度的巡检维护干扰降低了特高压工程塔基区域次生植被群落生物量,但有利于物种多样性的增加。从长远角度考虑,有必要在特高压工程塔基区域建立永久性研究样地,继续深入的解析塔基区域次生群落稳定性和群落演替规律。