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5·12地震后北川次生災(zāi)害跡地植被的自然恢復(fù)與更新

2018-03-23 09:51崔艷紅史常青孫麗文彭賢鋒趙廷寧
關(guān)鍵詞:跡地灌木喬木

崔艷紅,史常青,孫麗文,彭賢鋒,張 艷,趙廷寧

(1.北京林業(yè)大學(xué) 水土保持學(xué)院,北京100083;2.烏魯木齊市高新區(qū)林業(yè)園林管理局,新疆 烏魯木齊830001;3.廣東省水利水電科學(xué)研究院,廣東 廣州 510610)

5·12汶川8.0級(jí)地震發(fā)生在龍門(mén)山斷裂帶上[1],致使在其范圍內(nèi)形成了大量的滾石、崩塌、滑坡、泥石流、堰塞湖等次生地質(zhì)災(zāi)害[2]。僅北川羌族自治縣境內(nèi)就有滑坡、崩塌、泥石流等共計(jì)581處。北川縣在汶川特大地震中受災(zāi)嚴(yán)重,其地表破壞強(qiáng)烈。多種次生地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生,導(dǎo)致大量耕地、林地被淹沒(méi)毀壞,山地生態(tài)環(huán)境極度退化,群落結(jié)構(gòu)遭到嚴(yán)重破環(huán),生物多樣性急劇降低[3]。地震區(qū)域多處地表被大量松散碎石覆蓋,受到暴雨沖刷極易加重水土流失,造成該區(qū)域植被恢復(fù)困難。因此,災(zāi)害跡地植被恢復(fù)工作需受到重視。群落結(jié)構(gòu)是群落中植物與植物、植物與環(huán)境間相互關(guān)系的標(biāo)志,從群落結(jié)構(gòu)方面來(lái)研究物種多樣性有一定生態(tài)學(xué)意義[4-5]。物種多樣性指數(shù)能夠反映群落種類(lèi)組成、結(jié)構(gòu)水平及植物群落的穩(wěn)定性和復(fù)雜性,關(guān)系到群落成熟度、生產(chǎn)力、進(jìn)化時(shí)間、捕食競(jìng)爭(zhēng)與空間異質(zhì)性。植物多樣性的恢復(fù)是受損生態(tài)系統(tǒng)重建的重要內(nèi)容,在植被恢復(fù)過(guò)程中其變化說(shuō)明了植被的恢復(fù)進(jìn)程[6-8]。植被多樣性研究有利于預(yù)測(cè)植物群落的演替方向及群落穩(wěn)定程度[9]。近年來(lái),關(guān)于震后災(zāi)區(qū)植被恢復(fù)的研究較多[10-11],大多偏重于立地條件、植被自然恢復(fù)的研究[12-14],而地震引發(fā)的不同次生地質(zhì)災(zāi)害對(duì)植物生物多樣性破壞程度和植被恢復(fù)效果的研究較少[15-16]。本研究對(duì)5·12汶川地震引發(fā)的崩塌、滑坡、泥石流、落石、堰塞湖等5種次生災(zāi)害跡地的植被恢復(fù)情況進(jìn)行調(diào)查,了解地震誘發(fā)的次生災(zāi)害跡地植被自然恢復(fù)群落組成、結(jié)構(gòu)特征及生物多樣性特征,對(duì)進(jìn)一步開(kāi)展災(zāi)區(qū)植被恢復(fù)具有理論指導(dǎo)意義。

1 研究地區(qū)與方法

1.1 研究區(qū)概況

北川羌族自治縣位于四川省西北部(31°14′~32°14′N(xiāo), 103°44′~104°42′E), 隸屬北亞熱帶山地濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū),全年氣候溫和,雨水充沛,四季分明,大陸性季風(fēng)氣候明顯。研究區(qū)年平均氣溫為15.6℃,多年平均降水量為1 400.0 mm,年平均無(wú)霜期為276.0 d,常年日照時(shí)數(shù)為924.3 h。土壤和植被隨海拔呈帶狀分布,海拔1 800.0 m以下以礫石土為主。

1.2 試驗(yàn)樣地布設(shè)

試驗(yàn)地選取5·12地震重災(zāi)區(qū)北川地區(qū)的崩塌、滑坡、泥石流、落石、堰塞湖等5種次生地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn),在盡量靠近重災(zāi)區(qū)的附近選擇未受損林地榿木Alnus cremastogyne-樟樹(shù)Cinnamomum camphora混交林進(jìn)行對(duì)比研究。崩塌跡地樣地設(shè)置在坡腳,地表為小塊碎石及少量大粒碎石;泥石流跡地樣地設(shè)置在泥石流形成區(qū)與堆積區(qū)連接處,地表為松散碎石;滑坡跡地樣地設(shè)置在滑坡體上,地表覆蓋砂土及碎石;落石跡地樣地設(shè)置在坡腳偏上的大塊落石滾過(guò)處,土層較??;堰塞湖淹沒(méi)跡地樣地設(shè)置在坡中,地表被砂石碎屑覆蓋。榿木-樟木混交林樣地設(shè)置在坡中,植被保存完好,喬木層在10 m以上,冠幅大于2 m,林齡大于10 a。樣地基本情況見(jiàn)表1。

1.3 植被調(diào)查

2015年4月26日至5月20日,用全球定位系統(tǒng)(GPS)測(cè)得每塊樣地的三維坐標(biāo),用羅盤(pán)測(cè)得坡度和坡向。在樣地中順坡設(shè)置5 m×30 m的樣帶,災(zāi)害自然恢復(fù)地樣帶設(shè)置在土壤堆積物上,未受破壞林地樣帶設(shè)在坡體的中間位置,共選樣地6個(gè)。在設(shè)置好的樣帶里布置6個(gè)5 m×5 m的樣方,進(jìn)行喬木調(diào)查。在5 m×5 m樣方的對(duì)角線位置取2個(gè)2 m×2 m的小樣方進(jìn)行灌木調(diào)查,同時(shí)隨機(jī)取2個(gè)1 m×1 m的小樣方進(jìn)行草本調(diào)查,共設(shè)大小樣方180個(gè)。調(diào)查并記錄每個(gè)樣方內(nèi)物種名稱(chēng)、數(shù)量、平均高度、蓋度等指標(biāo)。

表1 樣地基本信息Table 1 Basic characteristics of plots

1.4 數(shù)據(jù)處理

物種的優(yōu)勢(shì)度由其重要值表示,重要值(VI)=(相對(duì)密度+相對(duì)頻度+相對(duì)蓋度)/3。本研究草本層使用相對(duì)高度代替相對(duì)密度,喬木層中的相對(duì)蓋度主要為相對(duì)基蓋度。

采用Simpson多樣性指數(shù)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Hurlbert均勻度指數(shù)和Margalef豐富度指數(shù)進(jìn)行計(jì)算[17]。

Simpson多樣性指數(shù)D:

Shannon-Wiener多樣性指數(shù)H:

Hurlbert均勻度指數(shù)E:

式(1)~式(4)中:Pi為物種i的數(shù)量百分比,即Pi=Ni/N,其中Ni為樣方中第i物種的個(gè)體數(shù),N為全部種的個(gè)體總數(shù);S為樣方面積群落中植物種數(shù)。

Jaccard物種相似性指數(shù)I:

式(5)中:c表示A和B 2個(gè)樣地群落的共有植物種數(shù);a表示樣地A群落的植物種數(shù);b表示樣地B群落的植物種數(shù)。

Margalef豐富度指數(shù)R:

2 結(jié)果與分析

2.1 不同災(zāi)害跡地群落組成及結(jié)構(gòu)特征

研究發(fā)現(xiàn),不同次生災(zāi)害跡地植被恢復(fù)較好,植被恢復(fù)初期以草本為主,有少量的灌木或喬木種。受損跡地群落結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,其植物相對(duì)比較單一,主要是菊科Compositae,禾本科Gramineae植物。未受損林地植物種類(lèi)多樣化,群落結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜,喬木有樟樹(shù),榿木,構(gòu)樹(shù)Broussonetia papyrifera,八角楓Alangium chinense,灌木有豪豬刺Berberis julianae,野薔薇Rosa multiflora,小葉鼠李Rhamnus parvifolia,懸鉤子Rubus corchorifolius和胡頹子Elaeagnus pungens等。

在次生災(zāi)害跡地中,落石跡地(B4)植物種最多,共有植物29科39屬40種,草本層和灌木層最為發(fā)達(dá),草本和灌木種類(lèi)均大于ck群落,但缺少喬木層;而崩塌地(B1)則最少,共有植物10科20屬20種,其中喬木為榿木;堰塞湖淹沒(méi)地(B5)植物群落層次明顯;泥石流跡地(B2)草本層最為發(fā)達(dá),主要有五節(jié)芒Miscanthus floridulus,蒙古蒿Artemisia mongolica,千里光Senecio scandens和野棉花Anemone vitifolia等,灌木僅有水麻Debregeasia orientalis;B3和B4群落組成只有草本和灌木,缺少喬木層植物(表 2)。

表2 不同跡地群落物種組成和生長(zhǎng)型Table 2 Species composition and growth form of different slash communities

2.2 不同災(zāi)害跡地植物群落優(yōu)勢(shì)種

重要值是衡量群落中植物是否為優(yōu)勢(shì)種的一項(xiàng)重要指標(biāo)。對(duì)重要值的分析可找出群落中的主要優(yōu)勢(shì)樹(shù)種[18]。從表3可見(jiàn):①對(duì)喬木層來(lái)說(shuō),榿木-樟樹(shù)混交林(ck)以榿木和樟樹(shù)為優(yōu)勢(shì)種,2個(gè)物種的重要值相差不大,其次是八角楓。而次生災(zāi)害跡地,崩塌跡地 (B1)上僅有榿木其重要值為1;泥石流跡地(B2)有3種喬木,其重要值從大到小依次為榿木>銀杏>鐵木;滑坡體(B3)和落石跡地(B4)沒(méi)有喬木;堰塞湖淹沒(méi)地(B5)優(yōu)勢(shì)種為鹽膚木、榿木、鐵木。由此可以看出,榿木為該地區(qū)主要喬木優(yōu)勢(shì)種。②對(duì)灌木層來(lái)說(shuō),水麻為次生災(zāi)害跡地主要灌木優(yōu)勢(shì)種。B1樣地灌木物種重要值位于前3位的依次為雞骨柴、紅麩楊、水麻;B2樣地灌木只有2種水麻,其中水麻重要值為0.77,長(zhǎng)葉水麻重要值為0.23;B3群落灌木物種重要值位于前3位的分別為水麻、木藍(lán)、鐵木(幼樹(shù));B4和B5樣地灌木優(yōu)勢(shì)種一樣,都為馬桑、水麻、披針葉莢蒾;未受損林地ck灌木優(yōu)勢(shì)種為刺花椒、豪豬刺、野薔薇。③對(duì)草本層來(lái)說(shuō),次生災(zāi)害跡地上優(yōu)勢(shì)植物主要有千里光、五節(jié)芒,其次是飛蓬、蒙古蒿、藎草、葛藤、白苞蒿等;未受損林地(ck)重要值位于前3位的分別為山麥冬、蜈蚣蕨、地果。

表3 不同跡地群落物種重要值排序(前3位)Table 3 A sorting of species important value of different slash communities(Top 3)

2.3 不同災(zāi)害跡地群落物種相似性

植物種種間相關(guān)性是植物群落重要的數(shù)量和結(jié)構(gòu)特征之一,是衡量2個(gè)物種相似性的一種尺度。由表4可知:次生災(zāi)害跡地物種與未受損林地物種存在較大差異,Jaccard物種相似性指數(shù)均在0.1左右,其中落石區(qū)(B4)物種與未被破壞地物種較為接近,相似性系數(shù)為0.19;崩塌地(B1)植物種與未被破壞地只有1種共有物種,相似性系數(shù)為0.02。次生災(zāi)害跡地與未受損林地物種相似性系數(shù)大小依次為B4>B5>B2>B3>B1。

相比而言,不同次生災(zāi)害跡地之間物種更為相似,其物種相似性指數(shù)為0.18~0.30。其中:以B2和B3樣地間物種相似性系數(shù)最大,為0.30;B1與B2,B3,B4,B5物種相似性系數(shù)相對(duì)較?。欢鳥(niǎo)2,B3,B4和B5樣地之間物種相似性系數(shù)在0.28左右,相差不大,說(shuō)明其物種較為相似。不同次生災(zāi)害跡地之間主要共有物種有五節(jié)芒,千里光,飛蓬,苦荬菜Ixeris polycephala,白苞蒿,藎草,野青茅Deyeuxia arundinacea,蕨Pteridium aquilinum和鳳尾蕨Pteris cretica。由于未受損林地植被經(jīng)過(guò)多年發(fā)育,植被群落達(dá)到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài),而受損地區(qū)的林地是在原生演替初期,所處的發(fā)育階段不同,因此群落物種相似性低。

表4 不同跡地群落物種相似性系數(shù)Table 4 Species similarity index between different slash communities

2.4 不同災(zāi)害跡地群落物種多樣性特征

地震加劇了生境的破碎化程度,并引發(fā)次生災(zāi)害,造成了大片的植被破壞,減弱了生態(tài)功能。植物多樣性在一定程度上能夠反映植被恢復(fù)程度,是衡量植被演替進(jìn)程的一項(xiàng)重要指標(biāo)。對(duì)于地震后不同次生災(zāi)害多樣性指數(shù)的計(jì)算和分析能夠反映植物群落的生境差異、群落的結(jié)構(gòu)類(lèi)型、演替階段和穩(wěn)定性程度[19]。研究樣地的植物分喬木、灌木和草本3種生長(zhǎng)型,其多樣性指數(shù)見(jiàn)表5。

喬木層Simpson指數(shù),Shannon-Wiener指數(shù)和Hurlbert均勻度指數(shù)在B5樣地最大,分別是0.65,1.07和0.98,而在其余受損地較小。由于崩塌、滑坡、泥石流、落石災(zāi)害對(duì)原本喬木破壞較大,多數(shù)喬木由于次生地質(zhì)災(zāi)害的破壞倒塌死亡,喬木在短期難以恢復(fù)。由于混交林中喬木種類(lèi)較多,Margalef豐富度指數(shù)卻是未受損林地(ck)的最大,為0.82。

灌木層Simpson指數(shù),Shannon-Wiener指數(shù),Hurlbert均勻度指數(shù)和Margalef豐富度指數(shù)均在B4樣地最大,其次是ck。因?yàn)锽2樣地僅有2種灌木,而B(niǎo)2樣地多樣性指數(shù)最小。次生災(zāi)害跡地群落Simpson指數(shù),Shannon-Wiener指數(shù)小于ck,說(shuō)明次生災(zāi)害跡地植被處于恢復(fù)初期,物種多樣性必定小于長(zhǎng)期穩(wěn)定的未受損林地。然而均勻度與未受損林地差距不大,甚至B5均勻度大于ck均勻度。

草本層Simpson指數(shù),Shannon-Wiener指數(shù)和Margalef豐富度指數(shù)均在B4樣地最大,為0.89,2.52和4.00,Hurlbert均勻度指數(shù)B2樣地(0.83)最大。林地受次生地質(zhì)災(zāi)害破壞后,最先恢復(fù)的是草本層,因此,各樣地草本多樣性指數(shù)總體上差異不大。次生災(zāi)害跡地草本層多樣性指數(shù)高于其他群落,而ck群落多樣性指數(shù)和豐富度指數(shù)并不高,原因可能是穩(wěn)定的喬木和灌木群落影響到林下草本層植物的多樣性。

表5 不同跡地群落多樣性指數(shù)Table 5 Diversity indices of different slash communities

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

5·12地震引起的次生災(zāi)害跡地植被破壞較為嚴(yán)重,目前仍處于恢復(fù)期,且植被恢復(fù)程度不同,其中草本層自然恢復(fù)與更新較快,其次為灌木層,喬木層恢復(fù)較慢。在演替早期,草本植物尤其是禾本科和菊科植物,可作為次生災(zāi)害跡地植被恢復(fù)的先鋒植物。

從物種重要值來(lái)看,次生災(zāi)害跡地喬木層的優(yōu)勢(shì)種主要是榿木;灌木層優(yōu)勢(shì)種以水麻為主,其次是馬桑和披針葉莢蒾;草本層優(yōu)勢(shì)種以五節(jié)芒、千里光等禾本科和菊科植物為主。未受損林地植物優(yōu)勢(shì)種更為多元化。

在群落物種相似性方面,次生災(zāi)害跡地物種與未受損林地物種存在較大差異,相似性指數(shù)較低,在0.1左右;而不同次生災(zāi)害跡地之間物種更為相似,其物種相似性指數(shù)為0.18~0.30,且其共有植物種有五節(jié)芒、千里光、飛蓬、苦荬菜、白苞蒿、藎草、野青茅、蕨和鳳尾蕨。

在群落物種多樣性方面,喬木層Simpson多樣性指數(shù),Shannon-Wiener多樣性指數(shù)和Hurlbert均勻度指數(shù)在B5樣地最大,分別是0.65,1.07和0.98;灌木層Simpson多樣性指數(shù),Shannon-Wiener多樣性指數(shù),Hurlbert均勻度指數(shù)和Margalef豐富度指數(shù)均在B4樣地最大,分別為0.89,2.41,0.89和3.82,其次是ck;草本層也是B4樣地最大,但不同次生災(zāi)害跡地之間差別較小。

3.2 討論

5·12地震引起的次生災(zāi)害跡地土壤表層堆積著大量的松散碎石,土壤養(yǎng)分缺乏,土壤肥力較差,保水能力弱,水土流失嚴(yán)重,不利于植被恢復(fù),這與大多數(shù)研究結(jié)果一致[3,13]。菊科、禾本科植物在困難立地早期植物群落里占顯著優(yōu)勢(shì),對(duì)受損后植被的恢復(fù)和延續(xù)有重要作用,是典型的先鋒植物種[20]。據(jù)中國(guó)地震局公布的資料,僅2008年5-10月4級(jí)以上的余震,北川縣就發(fā)生了22次[21]。在地震發(fā)生之后的3 a內(nèi),北川縣因地表破碎、暴雨等影響,次生災(zāi)害時(shí)常發(fā)生[22],又因?yàn)槿笔е脖蛔匀换謴?fù)的優(yōu)良條件,使得植被自然恢復(fù)進(jìn)程緩慢。

在植物多樣性指數(shù)方面,次生災(zāi)害跡地群落多樣性指數(shù)并不都低于未被破壞的榿木-樟木混交林。在草本層除崩塌跡地外,其他受損林地多樣性指數(shù)均大于未被破壞的榿木-樟木混交林,在灌木層只有落石跡地多樣性指數(shù)大于未被破壞的榿木-樟木混交林,在喬木層只有堰塞湖跡地多樣性指數(shù)大于未被破壞的榿木-樟木混交林。就植被演替進(jìn)程來(lái)看,受損林地仍處在自然演替的初期即草本群落階段,該階段群落環(huán)境較差,以1~2年生植物為主,但隨著時(shí)間的推移群落種類(lèi)逐漸增多,多年生草本植物逐漸占優(yōu)勢(shì),并發(fā)展為較為茂密的草本植物群落。演替總是朝著適應(yīng)性強(qiáng)的方向演進(jìn),即按照草本—灌木—喬木的順序變化著[23]。對(duì)于未受損林地而言,已經(jīng)處于基本穩(wěn)定的階段,喬木的生長(zhǎng),冠層郁閉度的增加,使得林下光照減少,灌木和草本的生存受到一定的限制且趨于穩(wěn)定[24]。

植被恢復(fù)是次生災(zāi)害跡地重建的一項(xiàng)重要工作,植被的自然恢復(fù)與演替又是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程,所以對(duì)于研究區(qū)應(yīng)進(jìn)行連續(xù)長(zhǎng)期的觀測(cè)與調(diào)查,更加深入地研究植被自然恢復(fù)與演替的過(guò)程,為次生災(zāi)害跡地植被的恢復(fù)與重建提供科學(xué)依據(jù)。比如采用合適的自然恢復(fù)與人工恢復(fù)相結(jié)合的方法,加快次生災(zāi)害跡地的植被恢復(fù)工作;其次,應(yīng)選取鄉(xiāng)土植物種類(lèi),同時(shí)兼顧植物群落的多樣性,盡量做到喬灌草搭配適宜,使受損立地的植被得到快速有效的恢復(fù)。

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