坡面植被恢復試驗示范區植被群落特征初步研究

韓 煜，趙廷寧，陳 琳，柳立兵

（1.北京林業大學 水土保持學院，北京100083；2.延慶縣水土保持工作站，北京 延慶102100）

植物群落是在一定生境條件下由不同植物構成的一個總體。在植物群落中，不同植物種之間以及它們與環境之間保持著一種動態平衡［1］。植被群落特征是描述群落結構和功能復雜性的度量指標，在植被恢復過程中物種多樣性的變化反應了植被的恢復程度。研究植被群落特征，能夠了解群落的結構、功能和穩定性［2］，揭示植被群落與環境之間的相互關系。

隨著我國經濟的快速發展，公路、鐵路、廠礦、房地產等開發建設項目日益增多，在這些項目的建設過程中，經常要破壞原有地貌景觀和植被群落，形成大量裸露坡面和次生裸地，引發嚴重的水土流失，從而導致自然生態系統的退化。因此，如何修復由于開發建設項目產生的受損坡面以及對坡面進行植被恢復，成為開發建設項目中需要研究和解決的問題。目前，對于開發建設項目植被群落特征已經做了一些研究［3－5］，大多是關于植被物種多樣性的分析及評價，涉及的項目類型主要是礦區和公路，針對開發建設項目不同護坡措施中的植被群落特征研究還較少見。作為北京市水土保持科技示范園，延慶縣上辛莊水土保持坡面試驗小區是不同類型開發建設項目多種植被護坡方式的綜合小區，具有較強的代表性和示范作用，因此研究不同坡面試驗小區的植被群落特征，不僅能為開發建設項目植被護坡措施的選擇提供依據，還能為植被恢復建設提供理論支撐。

1 研究區域概況

延慶縣上辛莊開發建設項目水土保持試驗示范基地，位于延慶縣城東南方向，地理坐標為東經116°03′17″－116°03′55″，北緯40°25′10－40°27′20″，距縣城約5km，占地2.19hm2，該基地于2007年10月完成36個植被護坡小區的設計和施工，各小區均配套有噴灌設施，調查時各小區植被恢復時間為2a。

該區屬于媯水河大榆樹小流域，年降水量為474.5mm，主要集中在6－9月，約占全年降水總量的84%。年平均氣溫8.5℃，≥10℃的年最大積溫3 600℃，年最小積溫2 000℃。無霜期平均為150～160d。天然分布有荊條（Vitex chinensis）、鐵桿蒿（Artemisia sacrorum）、黃花蒿（Artemisia annua）、羊胡子草（Carex rigescens）、白草（Pennisetum centrasiaticum）、柴胡（Bupleurum chinense）、米蒿（Artemisiadalai lamae）、沙 棘 （Hippophae rhamnoides）、灰菜（Chenopodium album）等植物。人工栽植有榆樹（Ulmus pumila）、油松（Pinus tabulaeformis）、楊 樹 （Populus devidiana）、刺 槐 （Robinia pseucdoacacia）等喬木樹種，間有核桃（Prunus persica）、梨（Pyrus pyrifolia）、杏（Prunus armeniaca）等散生果樹［6］。

2 研究方法

2.1 植被調查方法

2009年7月在試驗示范基地進行了植被調查，以36個不同護坡措施的小區為調查對象，每個小區作為一個研究樣地。按照小區編號依次對樣地進行調查，小區面積為45～60m2，樣地內喬木每株都進行調查，灌木和草本分別在坡上、坡中、坡下的中心位置各設一個樣方，灌木樣方為2m×2m，草本樣方為1 m×1m，共設樣方108個。調查記錄了每個樣方內所有植物種類、株樹／叢數、蓋度、高度、生長狀況等。

2.2 數據處理方法

2.2.1 物種重要值的計算 重要值是指物種在群落中的重要地位，以重要值為測度指標可以避免因物種個體大小、數量差異懸殊而導致過分地夸大一些個體小、但個體數極多的物種在群落中的作用，能夠為辨別物種是建群種、優勢種還是伴生種提供重要依據［7－8］。重要值計算公式為：

式中：IVi——第i種的重要值；RDi——第i種的相對密度；RCi——i種的相對蓋度；RFi——第i種的相對頻度。

2.2.2 物種多樣性指數的計算 物種多樣性指數是用來描述種的個體出現的紊亂和不確定性的指標，不確定性越高，多樣性也就越高；它包括兩個因素：其一是種類數目，其二是種類中個體分配上的均勻性；種類數目越多，多樣性越大，種類之間個體分配的均勻性增 加，也 會 使 多 樣 性 提 高［2，9－11］。 本 文 選 用 豐 富 度指數、多樣性指數和均勻度指數作為各小區植物群落物種多樣性的度量指標。

（1）豐富度指數

式中：S——群落中的總種數；N——群落中的個體總數。

（2）多樣性指數

式中：Pi——第i種個體數占群落中所有種個體數的比例；S——群落中的總種數。

（3）均勻度指數

式中：H——實際觀察的種類多樣性；Hmax——最大的種類多樣性；S——群落中的總種數。

3 結果與分析

3.1 不同小區植被總體情況

自從進行邊坡防護后，邊坡植被狀況發生了很大的改變，各個小區的植被種類、植被蓋度、植株密度等均有不同，結果見表1。蓋度是反映植被群落結構的一個重要指標。從表1中可以看出，采用不同護坡措施進行植被恢復后，小區的植被蓋度均有很大提高，蓋度在50%以上的小區多達24個，有些以草本為主的小區蓋度更是達到了100%以上，如4號和26號小區，蓋度高達122.3%和110.7%。而對照小區的蓋度則低于50%，如8號和13號小區，蓋度分別為15.2%和29.8%。這是因為邊坡立地條件較差，不利于保水保土，對植物生長不利，而且植被的自然恢復也需要較長時間。蓋度較高的小區則表明，該種護坡措施效果較好，而且對此類邊坡較為適宜，在植被恢復過程中起到了促進作用。

3.2 不同小區植物群落物種組成的變化

根據坡面小區的邊坡類型、坡向和坡比將調查小區劃分為3類，用物種的重要值對群落特征及動態變化進行分析，結果見表2。

表1 不同小區植被基本情況

3.2.1 陰向土質邊坡 1－9號小區為土質邊坡，坡比1∶2，坡向向北。

從表1中可以看出，1號和2號小區重要值最大的為高羊茅（Festuca arundinacea）和結縷草（Zoysia japonica），其值為2.41和1.04，最初的設計種仍為群落的優勢種，但2號小區出現較多的入侵植物種。4號小區沙打旺（Astragalus adsurgens）重要值最大，為1.93，調查時沒有發現胡枝子（Lespedeza floribunda）；3號和5號小區重要值最大的都是高羊茅，分別為1.26和0.96，成為優勢種。6號小區為優勢種為高羊茅和無芒雀麥（Bromus inermis）；7號小區側柏（Platycladus orientalis）重要值最大，而且長勢良好。

8號和9號小區為對照小區，沒有采取任何護坡措施。從表1中可以看出，重要值最大的是狗尾草（Setaria viridis）和鐵桿蒿，而且兩個小區植物種類也較為相似，都有狗尾草、鐵桿蒿、茵陳蒿（Artemisia capillaris）等。

通過對1－9號小區植物種重要值的分析可知，植草＋截水溝護坡和等高綠籬埂護坡植物成活情況最好，適應性最好，因為截水溝和等高綠籬埂的存在能夠更多地存蓄坡面降水，供給植物生長所需，有效解決了水分的限制作用，從而發揮植物的保水保土作用。土工格柵和六棱花磚護坡適應性一般，植生毯護坡措施適應性最差。在1，3，4，5號小區中，重要值最大的植物種都是高羊茅，成為優勢草種，說明高羊茅在該地區的適應性強，在人工恢復植被時可以選擇。

表2 不同小區植物種的組成變化

續表2：

3.2.2 陽向土質邊坡 10－24號小區為土質邊坡，坡比1∶1.5，坡向向西。

從表1中可以看出，10號小區植物種重要值在0.19～0.50之間，各物種相差不大，無法體現出優勢種；17號小區連翹的重要值最大，在群落中處于優勢地位。在11、16和18號小區中，重要值最大的分別為早熟禾（Poaannua）、高羊茅和沙打旺，優勢種與設計種一致，且植物長勢也較好。12號和15號小區重要值最大的都是狗尾草，設計種已經退化。14，20和21號小區的植物都以旱柳（Salix matsudana）為主，且3個小區旱柳的重要值最大，分別為1.91，1.80和1.67。19號小區重要值最大的是高羊茅，其值為1.26，調查時沒有發現波斯菊（Cosmos bipinnatus），這是由于波斯菊為一年生草本花卉，退化速度快。

通過對10－24號小區植物種重要值的分析可知，三維金屬網＋植被袋、連鎖磚＋植物和廢舊汽車輪胎＋植物3種護坡措施適應性較好，植物成活率高；鉛絲石籠、平鋪石籠和碼石栽植旱柳的護坡方式也比較適宜，且旱柳長勢良好。由于上述幾種護坡措施首先改變了坡面微地形，增加了粗糙度，提高了坡面蓄水保土能力，再結合植物覆蓋，從而達到了防止坡面水土流失的作用，而單純的植物護坡效果不明顯。

3.2.3 陽向石質邊坡 25－36號石質邊坡，坡比1∶1，坡向向南。

從表1中可以看出，25號小區重要值最大的是早熟禾，為2.23，種植的爬山虎（Parthenocissus tricuspidata）已經退化；33號小區植物種重要值在0.27～0.59之間，優勢種不明顯。在26，27，29和32號小區中，原來栽植的植物在群落中的重要值仍較大，如26號小區的胡枝子和沙打旺、27號小區的沙打旺、29號小區的高羊茅以及32號小區的結縷草，說明這些植物種在群落中仍處于優勢地位。34，35和36號三個小區重要值排在前兩位的植物種均為鐵桿蒿和沙打旺，說明在植物生長的過程中，有一些鄉土草種伴生，而且在競爭中逐漸成為優勢種，如鐵桿蒿。

與前面的土質坡面相比，巖石邊坡的護坡方式較少，而且難度較高。通過對25－36號小區植物種重要值的分析可知，在高陡巖石坡面上不適合采用鉆孔植草護坡，因為鉆孔尺寸相對于坡面太小，而坡度又太大，孔內不能保土存水，從而限制了植物的成活和生長。適宜性較好的護坡方式是工程措施＋植生袋（生態袋），袋中的基質材料能夠為植物提供生長所需的土壤和養分，還能蓄水保墑，結合工程措施的攔擋防護，才能從根本上防治巖石坡面的水土流失。

3.3 不同小區植物群落物種多樣性的變化

以不同小區的豐富度指數、多樣性指數和均勻度指數為測度指標，對各個小區的植物群落物種多樣性進行分析，結果見表3。

表3 不同小區植物群落的多樣性指數比較

3.3.1 陰向土質邊坡 從表2中可以看出，在1－7號小區中，2號小區物種的豐富程度最高，豐富度指數達到2.61，而1號小區豐富度指數最小，為0.78，其他小區豐富度程度較接近。分析植物多樣性只考慮物種數和個體數量是不夠的，還應該考慮物種聚集程度的差異和物種個體分布的均勻程度［12］。Simpson指數是對物種集中性的度量，而Shannon－wiener指數是對群落多樣性的信息度量［13］。在兩個指數比較中，1號小區分別為0.02和0.07，和其他小區差異最大，是最低值。其余小區Simpson指數變化在0.41～0.65，Shannon－wiener指數變化在0.83～1.32，差異不大。Pielou均勻度指數把個體的均勻度納入了度量范圍，1號和2號小區均勻程度最差，其余小區均勻度指數均在0.51以上，均勻程度較高。8和9號為對照小區，沒有任何護坡措施，屬于植被的自然恢復，從多樣性變化可以看出，對照小區的豐富度指數均在2.20以上，豐富程度較高，多樣性指數也有很高的一致性。

結合表1分析可知，1號和2號小區都選用單一植物護坡，分別為高羊茅和結縷草，所以均勻度較差。但2號小區物種豐富度最高，1號小區最低，說明結縷草受當地侵入自然物種的影響較大，物種侵入坡面后能夠與原有物種融為一體，并均勻分布于坡面群落，隨著物種數目的增多，群落多樣性增加，從多樣性指數來看也證明了這一點。而高羊茅受當地侵入物種的影響較小，仍然在群落中處于優勢地位。因此，在進行植物選擇時，盡量選用穩定、不易受外來物種影響的植物種，才能保證植物群落的長期效果。

3.3.2 陽向土質邊坡 10號小區的物種豐富度指數最大，18號小區物種豐富度指數最小。上述小區中Simpson指數變化的差異不大，而Shannon－wiener指數存在較大差異，10號小區達到2.01，遠大于最低的18號小區（0.14）。前者對富集種相對多度較為敏感，而后者是對群落的稀疏種敏感的指數。均勻度指數的大小排序與Simpson指數和Shannonwiener指數表現出很好的相關性。

究其原因，10號小區設計植物種類最多，植物豐富度占優勢，而其他小區設計植物種較少，植物豐富度較差。18號小區的設計植物種數較其他小區相似，但多樣性指數要小很多，這是因為18號小區物種間數量分布不均勻，均勻度指數的對比也證明了這一點。

22號小區為對照小區，豐富度指數為1.61，均勻指數為0.79，和同類小區相比，自然恢復的植物群落豐富程度較高，而且植物種的分布較均勻。

3.3.3 陽向石質邊坡 對上述小區進行多樣性分析可見，物種豐富度指數差異不太大，其中的28，30，32，33，35和36號小區較為接近，變化在1.83～2.07，其余小區較為接近，變化在0.99～1.21。因為前者的設計植物種類較后者多，物種豐富程度較高。各小區的Simpson指數變化在0.31～0.87，差異不大。Shannon－wiener指數差異明顯，27號小區為0.45，遠低于最大的32號小區（2.16）。結合表1可以看出，27號小區沙打旺重要值遠遠大于其他物種，說明沙打旺在群落中處優勢地位，在數量分布上較集中，而32號小區中各物種重要值相差不大，各物種間數量分布較均勻。

4 討論與結論

重建坡面植被的主要難題是蓄水和保土，調查的坡面試驗小區采用工程措施改善坡面條件，再結合植物措施，在灌溉條件下人為對裸露土石坡面進行植被恢復。通過對各小區植物群落重要值、物種多樣性的分析和研究，可以判斷不同措施的植被恢復效果，了解植物群落的適應性和穩定性，為坡面植被恢復提供指導。

（1）通過對護坡措施小區和對照小區植被蓋度的比較得出，采用護坡措施進行植被恢復的小區蓋度較高，達到50%以上，而對照小區的蓋度則低于50%，說明護坡措施的應用對植被恢復起到了促進作用，為今后護坡措施的選擇提供了參考。

（2）通過對36個小區物種的重要值分析得出，對于土質邊坡，植草＋水平截流溝、植草＋Y字形截流溝、等高綠籬埂、三維金屬網＋植被袋、連鎖磚＋植物、廢舊輪胎＋植物、鉛絲石籠、平鋪石籠和碼石栽植旱柳等護坡方式適應性較好，植物成活率較高；對于石質邊坡，鑫三角工程生態袋、磚砌擋墻＋植生袋、土工格柵＋生態袋、鋼筋籠生態袋等護坡方式適應性較好，設計植物成活、生長情況良好。

（3）在1，3，5，6，16，19，29和30號共8個坡面小區的植物群落中，高羊茅的重要值均最大，其中的1和16號小區設計植物種為高羊茅，其余小區隨著植物群落的發展，高羊茅也逐漸成為優勢種，說明高羊茅在該地區的適應性較強，在人工重建植被時可以選擇。

（4）通過對36個小區物種多樣性分析可知，選用單一植物護坡的小區，群落物種多樣性出現兩種趨勢，其一是物種豐富度指數、多樣性指數和均勻度指數均較低，說明原有物種受當地侵入種的影響較小，其在數量和分布上都具有優勢，造成物種多樣性較差，如1號和19號小區；其二是物種豐富度指數、多樣性指數和均勻度指數均較高，說明原有物種受當地侵入物種的影響較大，物種侵入后與原有物種融為一體，隨著物種數目的增多，群落多樣性增加，原有物種逐漸退化，如2，28和30號小區。因此，在選用單一植物種進行護坡時要慎重，應選擇不易退化的種類，才能長時間發揮植物的保水固土作用，進一步為植物選擇提供了依據。

（5）在對照小區中，依靠植被的自然恢復能力，群落物種多樣性較好，說明植被群落在自然條件下朝著豐富、均勻、穩定的方向發展。通過調查還發現，自然恢復的植被群落以草本為主，當地入侵物種主要有鐵桿蒿、茵陳蒿、地黃、苦賣菜等，其中以鐵桿蒿、茵陳蒿居多。

（6）開發建設項目在進行邊坡防護時，應該采用工程和植物措施相結合的方式，利用工程措施對坡面進行改良，改變坡面微地形、提高坡面蓄水保土功能，從而為植物的生長提供有利條件；在植物選擇方面，應盡量選用鄉土植物種，采取多種植物相結合的方式，發揮植被群落的最大功能。

致謝：感謝北京林業大學路端正老師在植被調查期間給予的指導，也感謝延慶縣水土保持工作站給予的大力支持。

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