大型工程建设区退化生态系统植被恢复研究

中国环境学会  2011年 03月31日

  

  陈奇伯,余德恒,王克勤,卢炜丽,柳小强(西南林学院环境科学与工程系,云南昆明,650224电话:13987183429

   

    要:采用样方法,对金沙江干流金安桥水电站工程弃渣场1-5年分台堆积裸露边坡自然恢复植被进行了调查,结果表明,弃渣场边坡植被恢复后的植物种类共42种,分属于1833属,草本群落物种组成较丰富,其中菊科和豆科植物最多,占种类总数的33.33%。与原生植被类型对照,物种丰富度指数、Simpson指数和Shannon-Wiener指数的大小顺序为:原生植被>5年弃渣边坡>2年弃渣边坡,说明弃渣年限越长,植被恢复效果最好,但研究结果同时表明,均匀度指数2年弃渣边坡大于5年弃渣边坡,表明弃渣堆积年限越长,优势树草种的生长优势表现越明显。

 

  关键词:水电站,渣场边坡,植被恢复

 

  资源短缺和生态环境恶化是当今世界所面临的重大问题, 成为社会经济持续发展的严重障碍,因此,资源开发带来的受损生态系统恢复与重建备受政府决策层和专家学者关注[1]。金沙江处在我国长江的上游,生态地位突出,也是我国水能资源开发条件较好的河流之一和我国最重要的水电基地之一,但水电项目开发建设过程带来了许多生态环境问题,项目建设取石、取砂后残留大量废弃地,弃土、弃渣临时或永久存放形成了弃渣场,堆积物基本为大块砾石和不同粒径岩土,改变了原地貌的自然状态,地面物质、植被等遭到破坏,使当地的生态环境严重恶化,因此如何对这些人为扰动退化的弃渣场、废弃地进行整治已迫在眉睫。弃渣场整治的难点与重点在于渣场松散边坡的植被恢复。由于弃渣场坡度陡、立面高、植物生长环境极度恶劣,植被恢复难度较高,防治困难[3]。因此,对水电站工程弃渣场裸露边坡的植被恢复动态进行调查研究,分析植被群落结构及其特性,对大型工程建设区退化生态系统的植被恢复具有重要实践指导意义。

 

  1 研究区概况

 

  金安桥水电站位于云南省丽江市境内,是金沙江中段一库八级水电开发方案中的第五级电站,总投资139×104万元,坝高160m,装机容量2 400MW,总施工期7.25年,工程总占地634.8hm2。施工期存弃渣量460×104m3。本研究选择具有不同弃渣年限的2#3#和五郎沟弃渣场边坡为研究对象,占地面积分别为23.73hm243.76 hm268.81 hm2。工程区属亚热带季风气候区,大坝河谷区焚风效应明显。多年平均降水量938mm,最大日降水量127. 6 mm,多年平均蒸发量2 200 mm,多年平均气温13 左右。土壤类型主要为红壤。自然地带性植被为暖温性针叶林和稀树灌木草丛两种类型。

 

  2 研究方法

 

  2.1 群落调查样地选择

  群落调查采取样方法,选择1-5年分台弃渣的2#3#和五郎沟弃渣场,样地随机布设,乔木调查在有代表性的地段设20m×20m大样方进行“每木检尺”,设4个重复,每个大样方中按照梅花形取样确定样方位置,进行灌木和草本的调查,灌木取10m×10m的样方,共4个,记录灌木种的种类、株数、地径、高度及盖度,草本层选择41m×1m的样方,记录草本的种类、株数、高度及盖度。

  1   群落调查样地特性表

  样地号

样地名称

地理位置

群落类型

坡向

坡度

海拔

弃渣年限

I

原生植被

坝址下游右岸2#渣场附近

稀树灌木草丛

西北坡60º

29°

1320m

原生植被

II

2#渣场

坝址下游右岸3.5km

扭黄茅-芦苇草丛

西北坡70º

31º

1318m

3-5

III

3#渣场

坝址下游左岸4.9km

山黄麻-车桑子次生林

东南坡70º

35º

1530m

2-5

五郎沟渣场

金沙江左岸、五郎河口左侧山脊

戟叶酸模-芨芨草次生灌丛林

西南坡20º

36°

1554m

1-5

  

        2.2 数据计算

  2.2.1 群落重要值特征

  重要值=(相对密度+相对盖度+相对频度)/3×100             1

  式中:相对密度=某一植物种的个体数/全部植物种的个体数×100;相对盖度(高度)=某一植物种的盖度(高度)/群落中所有种分盖度(高度)之和×100;相对频度=某一植物种出现的次数/所有物种频度之和×100[4]

 

  2.2.2 群落物种多样性指数

  根据马克平等[5 ,6] 评述的植物群落多样性测度方法,选择以下4 个指标进行测度:

  Shannon - Wiener 多样性指数( H)  H= - ΣPilnPi,其中Pi=Ni/N    2

  Simpson 多样性指数(D)  D = 1 - Σ( Pi) 2                                           3

  Pielou 均匀度指数(E)  E = -( ΣPilnPi) / lnS                   4

  Patrick 丰富度指数(Pa)  Pa = S                                5

  式中:Pi为某一植物种综合特征量的重要值与样地总的重要值的比值,N为所有物种个体总数,Ni为某一物种的数量,S为物种数目。

 

  3 结果与分析

 

  3.1 群落的种类组成

  植物群落的种类组成是指该群落所含有的所有植物,它是形成群落外貌和结构特征的基础。通过样方法对金安桥水电站工程选定研究渣场边坡自然恢复植被调查,其群落种类组成见表2

  2    金安桥水电站工程渣场边坡自然恢复植物种类组成

  生活型

种类

科属

频度

习性

乔木

山黄麻Trema orientalis

榆科

4

常绿

臭椿Ailanthus altissima

苦木科

2

落叶

山油麻Trema cannabina var. dielsiana

梧桐科

1

常绿

刺楸Kalopanax septemlobus

五加科

1

常绿

灌木

戟叶酸模Rumex hastatus

蓼科

10

半常绿

醉鱼草Buddleja lindleyana

马钱科

4

落叶

车桑子Dodonaea viscosa

无患子科

2

半常绿

紫茎泽兰Eupatorium adenophorum

菊科

2

落叶

山黄麻Trema orientalis

榆科

2

常绿

余甘子Phyllanthus emblica

大戟科

1

常绿

梧桐Firmiana platanifolia

梧桐科

1

落叶

山油麻Trema cannabina var. dielsiana

梧桐科

1

常绿

蓖麻Ricinus communis

大戟科

1

落叶

刺楸Kalopanax septemlobus

五加科

1

落叶

山槐Albizia kalkora

豆科

1

常绿

盐肤木Rhus chinensis

漆树科

1

落叶

草本

戟叶酸模Rumex hadropiper

蓼科

16

半常绿

白花鬼针草Bidens pilosa var. radiata

菊科

11

多年生

猪屎豆Crotalaria pallida Aiton

豆科

11

多年生

牛尾蒿Artemisia gmelinii

菊科

9

多年生

扭黄茅HeteropgenContor

禾本科

8

多年生

西方菊TagetesRatula

菊科

8

一年生

芨芨草Achnatherum splendens

禾本科

7

多年生

臭灵丹Laggera alata

菊科

6

多年生

荩草Arthraxon hispidus (Thunb.)Makin

禾本科

6

一年生

孔颖草Bothriochloa pertusa

禾本科

5

多年生

香薷Citronella

唇形花科

5

一年生

含羞草Mimosa pudica

豆科

4

多年生

金色狗尾草Setaria glauca

禾本科

3

一年生

薯蓣Dioscorea opposita

薯蓣科

3

草质藤本

野荞麦Fagopyrum tataricum

蓼科

3

多年生

芦苇Phragmites australis

禾本科

3

多年生

皱果苋Amaranthus viridis

菊科

2

一年生

黄花稔Sida acuta Burm. F

锦葵科

2

多年生

一点红Emilia sonchifolia

菊科

2

多年生

黄荆Vitex negundo

马鞭草科

2

落叶

蓖麻Ricinus communis

大戟科

2

落叶

孔雀草Tagetes patula

禾本科

2

多年生

紫茎泽兰Eupatorium adenophorum

菊科

2

落叶

地石榴FiassTikoua

桑科

1

草质藤本

截叶铁扫帚Clematis hexapetale

豆科

1

半常绿

小石枳Osteomeles anthyllidifolia

蔷薇科

1

常绿

  由表2可知,金安桥水电站工程渣场边坡自然恢复后的植物群落片层主要有乔木层、灌木层和草本层3个主要层次,少有藤本等层间层;草本层种类较多,盖度较大,群聚度较高;灌木层次之,部分灌木种还处于幼林期;乔木层种类较少,高度较低,盖度较小,群聚度较低,部分物种仅在一两个样方内出现,且较分散。草本层主要以多年生草本为主,一年生次之;乔灌植被主要以常绿半常绿植物为主。

  典型样地调查结果表明,渣场边坡恢复后的植物种类共42种,分属于1833属,草本群落物种组成较丰富,主要有草本植物26种,灌木12种,乔木4种,其中种类组成较多的科有菊科(Compositae7种、禾本科(Gramineae7种、豆科(Leguminosae4种、大戟科(Euphorbiaceae3种和榆科(Ulmaceae3种,其植物种类占种类总数的57.14%,其中菊科和禾本科植物最多,占33.33%,说明这些科的植物适应性强,生长情况较好,能够适应渣场边坡恶劣的立地条件。边坡植被自然恢复后,草本植物最多,以白花鬼针草分布最广,其次有猪屎豆、牛尾蒿、扭黄茅、西方菊等。灌木和乔木分布较少,大部分植物仅在一两个样方种出现。其中灌木层以戟叶酸模最为常见,乔木层主要以山黄麻出现频率最高。灌木层、草本层的种类组成较乔木层丰富,出现的次数也较多。因此,对金安桥水电站工程弃渣场进行植被恢复与重建时,应以灌草植被类型为主,优先考虑适应性强的科属物种,重视灌草植物的生态位作用。

 

  3.2 群落重要值

  重要值反映群落的重要生态学特征,它是把群落作为一个整体而把各个种的重要性总结为一个合适的度量值,通过测量群落中的优势种的比重来表征群落的组成结构特征。

  通过分析群落的相对密度、相对盖度和相对频度以及以这3个指数为基础的重要值指标,分别得出金安桥水电站工程渣场边坡自然恢复植被群落优势种及其重要值见表3

  3    各样地植物群落优势种及其重要值

  样地类型

优势种(重要值)

原生植被

山黄麻(5.3695)、西方菊(2.9663)、白花鬼针草(2.9383)、孔颖草(2.5153)、臭灵丹(2.3976)、戟叶酸模(1.9997)、木棉Bombax ceiba Linn1.8447)、香薷(1.6795)、黄荆(1.1996)、车桑子(1.0235

2年弃渣边坡

戟叶酸模(24.9018)、荩草(8.9890)、白花鬼针草(7.3529)、扭黄茅(6.7140)、芨芨草(5.7992)、醉鱼草(5.0515)、芦苇(4.9470)、香薷(4.3208)、野荞麦(4.2623)、牛尾蒿(3.8141),猪屎豆(3.3648)、紫茎泽兰(1.4792)

5年弃渣边坡

戟叶酸模(17.6203)、白花鬼针草(9.1940)、芨芨草(8.9578)、扭黄茅(6.1113)、含羞草(5.8155)、芦苇(4.8878)、西方菊(4.0899)、猪屎豆(3.6326)、孔颖草(2.7482)、荩草(2.6268)

  由表3可以看出,各样地类型上草本群落优势种差异不大,白花鬼针草在3个样地类型的草本群落中均作为优势种或亚优势种存在,耐干旱耐贫瘠的多年生草本植物西方菊、荩草和芨芨草在大多数样地中也表现出很强的生长优势。

  根据调查结果,原生植被样地的优势种和亚优势种是乔木山黄麻和多年生草本西方菊,5年弃渣边坡以灌木戟叶酸模和多年生草本白花鬼针草作为优势种和亚优势种存在,而2年弃渣边坡植被样地类型较为特殊,调查样地内无乔木出现,其草本群落优势种为1年生荩草,灌木群落优势种为戟叶酸模,亚优势种和伴生种为醉鱼草和紫茎泽兰。这主要是由于2年弃渣松散边坡多为大砾石和块石,弃渣年限较短,其裸露于地表的渣体风化程度较低,土壤几乎无细小颗粒或团粒组成,不利于植物的生长,其乔木物种也很难在边坡上定植并生长,群落结构主要以低矮位植物为主,一年生次之。5年弃渣边坡虽含大量砾石,但弃渣年限较长,渣体风化程度较高,细小颗粒所占比例较高,基本具备低矮灌木和多年生草本植物生长所需的水、肥条件。

  各样地类型土壤条件及水分要求按照2年弃渣、5年弃渣、原生植被的顺序升高,从戟叶酸模、荩草、白花鬼针草到山黄麻,这些优势种对生境及土壤水分的要求依次升高,反映了群落从旱生到中生的次生演替趋势[7]。

 

  3.3 物种多样性与植物群落的稳定性

  金安桥水电站不同弃渣年限渣场边坡自然恢复植被的物种多样性指数、均匀度指数和丰富度指数计算结果见表4所示。   

  4    各样地植被物种多样性

  样地类型

层次

Patrick

指数(Pa)

Simpson

指数(D)

Shannon- Wiener

指数(H)

Pielou

指数(E)

原生植被

乔木

5

0.9693

0.7087

0.4403

灌木

4

0.9981

0.2957

0.2133

草本

15

0.9612

1.8722

0.6913

合计

24

0.9285

2.8765

0.9051

 

 

 

 

 

2年弃渣边坡

灌木

6

0.9104

0.5456

0.4777

草本

16

0.8990

1.4154

0.7393

合计

22

0.8094

1.9609

0.8662

 

 

 

 

 

5年弃渣边坡

乔木

4

0.9994

0.1115

0.0805

灌木

11

0.9635

0.4165

0.3548

草本

23

0.9097

1.6080

0.6957

合计

38

0.8730

2.0524

0.7802

  分析表4可得, 2年弃渣边坡样地类型无乔木组成,且物种明显小于作为对照的原生植被样地类型。因此,其群落的物种多样性主要取决于草本层的发育情况。各样地植被物种丰富度、均匀度、多样性变化曲线见图1、图2所示。

  1、图2显示,各样地类型物种丰富度指数、Simpson指数和Shannon-Wiener指数的大小顺序为:原生植被>5年弃渣边坡>2年弃渣边坡。群落结构随物种多样性指数的增大而变复杂。分析可知,原生植被样地类型是物种多样性最高的立地类型,5年弃渣边坡的总物种数也较多,但由于群落分布不均匀,群落中偶见种较多,多样性指数并不高,低于原生植被样地2.87650.8242

  各样地类型物种均匀度指数的大小顺序为:原生植被>2年弃渣边坡>5年弃渣边坡。2年弃渣边坡的立地条件比较特殊,其物种均匀度指数高于5年弃渣边坡。主要是由于2年弃渣边坡地表以块状岩石或砾石为主,土壤成分较少,有限植物生长在石隙中,影响了群落的物种多样性。因此,稳定的生境是提高群落物种多样性的必要条件。2年弃渣边坡样地类型按照以上3 项指数的排序均排在各样地类型的最后一位,说明该立地类型的物种多样性极低,同时也反映了其立地条件之恶劣。

  群落物种多样性越高,森林生态系统的恢复力和抗逆性就越强,生态系统的适应能力更高,群落物种更能适应土壤水土肥微环境的改变,同时也具有较强的保水保土能力,有利于生态系统的持续发展,其生态系统就越稳定。虽然5年渣场边坡群落具有很高的多样性水平和丰富度指数。但是,组成群落的各种植物数量较少,在一个区域内,仅有少量的植株。这对于物种持续发展会有很大的不利影响。数量少的物种在种间竞争中会处于不利的地位,竞争能力较弱,加上人为干扰,不利于物种的持续生长和发展演替,从而减少物种的多样性,最终可能会出现少量物种泛滥,占据大量生存空间的现象。因此,在金沙江干流水电站建设渣场边坡生态脆弱带的植被恢复中,应以灌草植被为主,辅以人工措施,保护生态系统的稳定。

 

  4 结论

 

  1)金安桥水电站典型弃渣场1-5年分台堆积裸露边坡植被自然恢复后的植物种类共42种,分属于1833属。草本群落物种组成较丰富,主要以多年生草本植物为主,其中种类组成较多的科有菊科(7种)、禾本科(7种)、豆科(4种)、大戟科(3种)和榆科(3种),其植物种类占调查植物种类总数的57.14%,其中菊科和豆科植物最多,占33.33%

  2)各样地类型上草本群落优势种差异不大,白花鬼针草在3个样地类型的草本群落中均作为优势种或亚优势种存在。2年弃渣边坡较为特殊,调查样地内无乔木出现,其草本群落优势种为荩草,灌木群落优势种为戟叶酸模,亚优势种和伴生种为醉鱼草和紫茎泽兰;5年弃渣边坡以戟叶酸模和白花鬼针草作为优势种和亚优势种存在;而原生植被样地的优势种和亚优势种是乔木山黄麻和多年生草本西方菊;其各样地植被优势种和亚优势种对生境及土壤水分的要求依次升高,反映了群落从旱生到中生的演替趋势。

  3)物种多样性越高,生态系统越稳定。与原生植被类型为对照,各样地类型物种丰富度指数、Simpson指数和Shannon-Wiener指数的大小顺序为:原生植被>5年弃渣边坡>2年弃渣边坡,而均匀度指数最低的是5年弃渣边坡样地类型,表明弃渣堆积年限越长,植被恢复效果最好,同时优势树草种的生长优势表现越明显。

 

  致谢:本研究得到云南省应用基础研究计划面上项目(20070065M)资助,特此感谢。

 

  参考文献

  [1]吴祥云,雷泽勇,卢慧等. 樟子松固沙林采伐迹地撂荒后植被自然恢复多样性的研究.水土保持学报,2007211):103106

  [2]黎建强,陈奇伯,王克勤等.水电站建设项目弃渣场岩土侵蚀研究.水土保持研究,2007146):4143

  [3]马克平.生物群落多样性的测度方法多样性的测度方法().生物多样性,199423):162168

  [4]马克平,刘玉明.生物群落多样性的测度方法多样性的测度方法().生物多样性,199424):231239

  [5]陈璟.废弃采石场植被自然恢复初期物种多样性的研究.中国农学通报,20092506):210214

 
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