張德順 李科科 孫 倩 劉 鳴

1 同濟(jì)大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院 高密度人居環(huán)境生態(tài)與節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海 200092 2 上海市城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院 上海 200040

研究論文

黃土高原半干旱區(qū)立地群落特征及景觀功能分析*

張德順1李科科1孫 倩2劉 鳴1

1 同濟(jì)大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院 高密度人居環(huán)境生態(tài)與節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海 200092 2 上海市城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院 上海 200040

黃土高原區(qū)域是我國(guó)占地面積較大的一種干旱、半干旱地貌特征，其植被景觀功能關(guān)系到整個(gè)區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展。 文章以甘肅環(huán)縣為例，對(duì)黃土高原干旱區(qū)32個(gè)典型樣地進(jìn)行植被群落調(diào)查。通過(guò)樣方數(shù)據(jù)和土壤肥力指標(biāo)的分析、景觀功能評(píng)價(jià)(LFA法)，詮釋了植被群落與不同立地條件土壤結(jié)構(gòu)、水分滲透、養(yǎng)分循環(huán)特征關(guān)系，依據(jù)植被抗旱性和節(jié)水性對(duì)植被進(jìn)行配置，將環(huán)縣植被恢復(fù)劃分為保持區(qū)、改良區(qū)、修復(fù)區(qū)和重建區(qū)4個(gè)分區(qū)。針對(duì)環(huán)縣的“修復(fù)區(qū)”和“重建區(qū)”，從“植物選擇—植被配置—立地選擇—LFA評(píng)價(jià)”著手，結(jié)合農(nóng)林牧等產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況，提出6種針對(duì)不同立地類型的恢復(fù)模式。

植被群落恢復(fù)，景觀功能分析，黃土高原，半干旱區(qū)

本文以黃土高原典型植被群落為研究對(duì)象，通過(guò)引入LFA(Landscape Function Analysis)[1-3]快速景觀功能評(píng)價(jià)方法對(duì)樣地植被樣方數(shù)據(jù)、土壤綜合肥力、景觀結(jié)構(gòu)和土壤表層特征加權(quán)求和，建立參數(shù)化方程。其評(píng)價(jià)結(jié)果可以幫助構(gòu)建植被生態(tài)恢復(fù)模式，改變?nèi)斯ぶ脖蝗郝浣ㄈ悍N單一的現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)植被生態(tài)系統(tǒng)的自然更新，探索黃土高原植被群落修復(fù)的新途徑。

1 研究區(qū)域概況

環(huán)縣地處甘肅省慶陽(yáng)市西北部，與寧夏、陜西兩省接壤，毗鄰毛烏素沙漠南部，屬隴東黃土高原丘陵溝壑殘?jiān)珔^(qū)。全縣總面積9 236 km2，共20個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，地勢(shì)西北高，東南低，海拔為1 136～2 089 m。北部是牧區(qū)，地廣人稀，中東南部地勢(shì)平坦，是農(nóng)業(yè)區(qū)。環(huán)縣自古植被稀疏、生態(tài)退化嚴(yán)重，年均降雨量300 mm。1999—2013年，退耕還林面積22 827.63 hm2，退耕還草面積20.34 hm2[4-5]，生態(tài)退化有了逆轉(zhuǎn)的跡象。

2 植被樣方調(diào)查及配置特征分析

2.1 植物樣方調(diào)查法

選取環(huán)縣7個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)共計(jì)32個(gè)典型樣地，采用生態(tài)學(xué)植物樣方調(diào)查法，沿海拔在不同坡向、不同坡度截取樣方，分別對(duì)灌木和草本樣方統(tǒng)計(jì)種類、覆蓋度和多度，并求平均值[6-7]。同時(shí)記錄海拔、坡向、坡度等生境因子。

2.2 樣地群落特征分析

調(diào)查共取得喬木樣方10個(gè)，灌木樣方54個(gè)，草本樣方155個(gè)，總計(jì)219個(gè)樣方。統(tǒng)計(jì)共得到植物27科60屬74種。依據(jù)種數(shù)大小依次排列為：菊科(Compositae)15種，豆科(Leguminosae)12種，薔薇科(Rosaceae)9種，禾本科(Gramineae)6種，楊柳科(Labiatae)4種，藜科(Chenopodiaceae)3種，群落代表性的植被多度、頻度、優(yōu)勢(shì)度及重要值指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 群落代表性植被多度、頻度、優(yōu)勢(shì)度及重要值的相關(guān)構(gòu)成值

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，黃土高原甘肅區(qū)域植被恢復(fù)初有成效，植被群落分層現(xiàn)象明顯，喬木、灌木、草本層次差別較大，喬木層、灌木層、草本層(相對(duì))頻度、(相對(duì))多度、(相對(duì))優(yōu)勢(shì)度、重要值指標(biāo)差異較大，植被群落結(jié)構(gòu)和成分具有異質(zhì)性。群落整體的多樣性指數(shù)為4.649 7，體現(xiàn)了環(huán)縣植被較豐富的多樣性。整體群落均勻性指數(shù)為0.746 4，表明該處植被恢復(fù)種植的物種分布比例差異小，植被物種重復(fù)率高，樣方內(nèi)植被物種類似，差異小。

調(diào)查中還發(fā)現(xiàn)一些具有黃土高原當(dāng)?shù)靥厣呐家?jiàn)種或相應(yīng)特定變種，如秦艽(Gentianamacrophylla)、黃花角蒿(Incarvilleasinensis)、阿爾泰紫菀(Heteropappusaltaicus)、翠雀(Delphiniumgrandiflorum)、蒙古蕕(Caryopterismongholica)、黃花棘豆(Oxytropisochrocephala)等，都具藍(lán)、黃色花朵，可點(diǎn)綴黃土荒漠。優(yōu)良的水土保持、固沙耐旱和綠化開(kāi)荒物種檸條、沙棘、沙打旺(Astragalusadsurgens)、星毛委陵菜等廣泛生長(zhǎng)。

3 土壤理化性質(zhì)及立地條件研究

3.1 土壤抽樣調(diào)查

在群落樣方調(diào)查基礎(chǔ)上進(jìn)行土壤抽樣調(diào)查。為排除土壤不均一性、自然因素(高度、坡度、母質(zhì)等)和人為因素(耕作、施肥等)，遵循混合樣品采集原則[8]對(duì)土壤進(jìn)行研究。

3.2 環(huán)縣立地類型劃分及分類

根據(jù)測(cè)定的土壤肥力，求得每個(gè)樣地多個(gè)肥力指標(biāo)的平均值，依據(jù)立地因子分級(jí)和研究區(qū)域的自然氣候特點(diǎn)，選取坡度、坡向、土層厚度作為影響水分分布的立地因子，將32個(gè)樣地歸納為10種立地類型(表2)。

表2 甘肅環(huán)縣10種樣地土壤立地因子及肥力含量值

由聚類分析將綜合立地模式評(píng)估分成3類。第1類綜合立地模式分?jǐn)?shù)最高，包括Ⅱ陰坡緩坡中土、Ⅸ半陰坡緩坡中土、Ⅴ陰坡陡坡中土、Ⅳ陽(yáng)坡緩坡中土。第2類分?jǐn)?shù)中等，包括Ⅶ半陽(yáng)坡陡坡中土、Ⅷ半陰坡陡坡中土、Ⅹ陽(yáng)坡陡坡中土、Ⅲ陰坡緩坡薄土、Ⅰ半陽(yáng)坡緩坡薄土。第3類分?jǐn)?shù)最低，為Ⅵ陰坡陡坡薄土。

4 景觀功能評(píng)價(jià)研究

4.1 LFA方法簡(jiǎn)介

景觀功能分析(Landscape Function Analysis/LFA)是一種快速評(píng)估植被功能狀態(tài)的生態(tài)學(xué)調(diào)查方法[2]，與傳統(tǒng)植物學(xué)監(jiān)測(cè)方法相比，LFA增加了植被結(jié)構(gòu)、組成與土壤功能等之間的相互作用，可在野外快速采集評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)植被群落的景觀功能進(jìn)行監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)[3]。是基于地表水文、土壤侵蝕、

植物生長(zhǎng)和養(yǎng)分循環(huán)的綜合模型，由概念性框架、實(shí)地?cái)?shù)據(jù)獲取模塊、數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)和制表模塊、解譯性框架4部分組成[9]，其主要功能包括景觀結(jié)構(gòu)和土壤表層特征評(píng)價(jià)。

LFA田間方法評(píng)價(jià)指標(biāo)分為景觀結(jié)構(gòu)和土壤表層特征評(píng)價(jià)指標(biāo)。景觀結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)指標(biāo)包括4個(gè)單指標(biāo)和2個(gè)表征景觀結(jié)構(gòu)的復(fù)合指標(biāo)，即地面特征物指標(biāo)和景觀結(jié)構(gòu)指標(biāo)。地面特征物面積計(jì)算公式為A1=Ap/Am，其中，Ap表示樣線所截特征物面積總和(m2)，Am表示最大覆蓋區(qū)面積(m2)；景觀結(jié)構(gòu)指標(biāo)為A2=lp/lt，其中l(wèi)p表示樣線上所截覆蓋區(qū)總長(zhǎng)度(m)，lt表示樣線長(zhǎng)度(m)。土壤表層評(píng)價(jià)指標(biāo)包括11個(gè)單指標(biāo)和3個(gè)表征林地土壤性能的復(fù)合指標(biāo)，即土壤穩(wěn)定指標(biāo)Sj、水分滲透指標(biāo)Ij和營(yíng)養(yǎng)循環(huán)指標(biāo)Nj。復(fù)合指標(biāo)計(jì)算公式見(jiàn)表3。兩個(gè)復(fù)合指標(biāo)表示土壤可有效保持水土和有機(jī)質(zhì)資源[10]。

表3 LFA復(fù)合指標(biāo)的組成及計(jì)算

4.2 基于LFA方法的景觀功能評(píng)價(jià)

使用LFA方法進(jìn)行調(diào)查與評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表4。LFA分析評(píng)估法反映了土壤穩(wěn)定、水分滲透、養(yǎng)分循環(huán)等景觀功能。表征林地土壤性能的土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性指標(biāo)、滲透性指標(biāo)、養(yǎng)分循環(huán)指標(biāo)與植被類型的相聯(lián)度值都在0.799以上，表示土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、滲透性、養(yǎng)分循環(huán)與植被類型密切相關(guān)。不同指標(biāo)類型的反映林地景觀功能的水分滲透性指標(biāo)If、營(yíng)養(yǎng)循環(huán)指標(biāo)Ne、土壤穩(wěn)定性指標(biāo)Sa和地面特征物指標(biāo)A1差異顯著，而景觀結(jié)構(gòu)指標(biāo)的差異性不顯著。植被類型對(duì)景觀結(jié)構(gòu)指標(biāo)A2無(wú)顯著性影響，而對(duì)土壤穩(wěn)定指標(biāo)Sa、水分滲透指標(biāo)If和營(yíng)養(yǎng)循環(huán)Ne3項(xiàng)指標(biāo)均有顯著影響。

5 結(jié)論

依據(jù)植被抗旱性和節(jié)水性對(duì)植被進(jìn)行配置，將環(huán)縣植被恢復(fù)劃分為保持區(qū)、改良區(qū)、修復(fù)區(qū)和重建區(qū)4個(gè)分區(qū)。針對(duì)環(huán)縣的“修復(fù)區(qū)”和“重建區(qū)”，從“植物選擇—植被配置—立地選擇—LFA評(píng)價(jià)”著手，結(jié)合農(nóng)林牧等產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況，提出6種針對(duì)不同立地類型的恢復(fù)模式。

表4 各植被類型評(píng)價(jià)的部分結(jié)果

模式1：上游梁峁頂+南坡+薄土，采用胡枝子、檸條、沙棘+紫花苜蓿(Medicagosativa)、駱駝蓬、豬毛菜、沙打旺、白花草木樨(Melilotusalbus)、苦豆子(Sophoraalopecuroides)等。

模式2：上中游溝壑+北坡+薄土，采用油松、刺槐(Robiniapseudoacacia)幼苗+栒子、胡枝子、小檗+鐵桿蒿(Artemisiasacrorum)、苣荬菜(Sonchusarvensis)、火絨草(Leontopodiumjaponicum)等。

模式3：上中游放牧地+北坡+薄土，采用菊科蒿屬、薔薇科委陵菜屬、豆科和禾本科。

模式4：中游峁坡溝坡+北坡+厚土，采用楊柳科、油松、側(cè)柏+胡枝子+豬毛菜、火絨草、紫花地丁、刺兒菜(Cirsiumsetosum)等。

模式5：中下游坡腳、山腳、溝道+北坡+厚土，采用山杏、榆樹(shù)、桃樹(shù)+檸條、側(cè)柏、柏+掃帚草(Rabdosiaternifolia)、繡線菊(Spiraeasalicifolia)、泥胡菜(Hemisteptalyrata)、馬鞭草(Verbenaofficinalis)等。

模式6：梁峁坡+南北坡+厚土人工景區(qū)植被群，采用山桃、山杏、油松、側(cè)柏+刺柏、檸條+狗尾草、馬鞭草、馬蘭(Kalimerisindica)等。

黃土高原的生態(tài)修復(fù)任重而道遠(yuǎn)，LFA在黃土高原地區(qū)應(yīng)用的實(shí)例，是對(duì)豐富風(fēng)景園林在植被生態(tài)修復(fù)方面理論和方法的實(shí)踐探索。通過(guò)恢復(fù)模式的應(yīng)用，合理規(guī)劃種植空間和人居空間，引導(dǎo)植被、水分之間的生長(zhǎng)與涵養(yǎng)關(guān)系，以期對(duì)黃土高原半干旱區(qū)的植被生態(tài)恢復(fù)和人居環(huán)境建設(shè)起到借鑒作用。

[1]張文輝,劉國(guó)彬.黃土高原地區(qū)植被生態(tài)修復(fù)策略與對(duì)策[J].中國(guó)水土保持科學(xué),2009,7(3):114-118.

[2]張波,張建軍,鄭芳,等.黃土區(qū)不同地類景觀功能的綜合評(píng)價(jià)方法[J].中國(guó)水土保持科學(xué),2010,8(6):75-79.

[3]張波,張建軍.LFA方法在晉西黃土區(qū)植被景觀功能評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J].中國(guó)水土保持科學(xué),2010,8(2):85-90.

[4]姬懷峰,穆健,劉學(xué)錄.環(huán)縣第二次土地資源利用變化分析[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技,2012(10):262-264.

[5]《環(huán)縣志》編纂委員會(huì).環(huán)縣志[M].蘭州:甘肅人民出版社,1993.

[6]趙曉英,陳懷順,孫成權(quán).恢復(fù)生態(tài)學(xué):生態(tài)恢復(fù)的原理與方法[M].北京:中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社,2005.

[7]張德順.紅葉谷生態(tài)旅游區(qū)植被群落特征研究[J].中國(guó)園林,2007,23(12)：67-70.

[8]魯如坤.土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法[M].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)科技出版社，2000.

[9]MUNRO N T,FISCHER J,WOOD J,et al.Assessing ecosystem function of restoration plantings in south-eastern Australia[J].Forest Ecology & Management,2012,282(6):36-45.

[10]TONGWAY D,HINDLEY N.Landscape function analysis:a system for monitoring rangeland function [J].African Journal of Range and Forage Science,2004,21(2):109-113.

Analysis on Characteristics and Landscape Function of Site Communities in Semi-arid Region of Loess Plateau

Zhang Deshun1Li Keke1Sun Qian2Liu Ming1

(1.College of Architecture and Urban Planning, Tongji University, Shanghai 200092, China; 2.Shanghai Academy of Urban Planning and Design, Shanghai 200040, China)

The Loess Plateau region is a largest area with the feature of arid and semi-arid landforms in China. Its vegetation landscape function is key to the sustainable development of the whole region.Taking Huan County, Gansu, as an example, the 32 typical vegetation communities were investigated in arid region of the Loess Plateau. Relationship between vegetation communities and the soil structure, water infiltration, nutrient cycling in different soil site conditions was interpreted by analyzing quadrat data, soil fertility index and landscape function index. According to drought resistance and water conservation of vegetation, vegetation restoration was divided into four areas: preservation area, improvement area, rehabilitation area and reconstruction area. The pattern of "plant selection - vegetation allocation - site selection- landscape function analysis" was adopted for the rehabilitation area and reconstruction area in this county, and six restoration models for different site types were put forward in combination with the development of agriculture, forestry, husbandry and other industries.

vegetation community restoration, Landscape Function Analysis, the Loess Plateau, semi-arid area

2016-11-24

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目：應(yīng)對(duì)氣候變化的園林植物選擇機(jī)制研究——以上海為例(31470701)；國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃：典型脆弱生態(tài)修復(fù)與保護(hù)研究——自然遺產(chǎn)地生態(tài)保護(hù)與管理技術(shù)(2016YFC0503300)

張德順(1964-)，男， 博導(dǎo)，教授，IUCNSSC委員，中國(guó)植物學(xué)會(huì)理事，研究方向?yàn)閳@林植物景觀學(xué)原理與方法，生態(tài)與園林規(guī)劃設(shè)計(jì)等。E-mail:zds@#edu.cn

10.3969/j.issn.1672-4925.2017.01.003