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

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級地震發(fā)生在龍門山斷裂帶上［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)化時間、捕食競爭與空間異質(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)過程中其變化說明了植被的恢復(fù)進(jìn)程［6-8］。植被多樣性研究有利于預(yù)測植物群落的演替方向及群落穩(wěn)定程度［9］。近年來，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，對進(jìn)一步開展災(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， 103°44′～104°42′E）， 隸屬北亞熱帶山地濕潤季風(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，年平均無霜期為276.0 d，常年日照時數(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 試驗樣地布設(shè)

試驗地選取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，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Cinnamomum camphora混交林進(jìn)行對比研究。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處，土層較薄；堰塞湖淹沒跡地樣地設(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）測得每塊樣地的三維坐標(biāo)，用羅盤測得坡度和坡向。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。在設(shè)置好的樣帶里布置6個5 m×5 m的樣方，進(jìn)行喬木調(diào)查。在5 m×5 m樣方的對角線位置取2個2 m×2 m的小樣方進(jìn)行灌木調(diào)查，同時隨機(jī)取2個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。調(diào)查并記錄每個樣方內(nèi)物種名稱、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)勢度由其重要值表示，重要值（VI）=（相對密度+相對頻度+相對蓋度）/3。本研究草本層使用相對高度代替相對密度，喬木層中的相對蓋度主要為相對基蓋度。

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物種的個體數(shù)，N為全部種的個體總數(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)簡單，其植物相對比較單一，主要是菊科Compositae，禾本科Gramineae植物。未受損林地植物種類多樣化，群落結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，喬木有樟樹，榿木，構(gòu)樹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)勢種

重要值是衡量群落中植物是否為優(yōu)勢種的一項重要指標(biāo)。對重要值的分析可找出群落中的主要優(yōu)勢樹種［18］。從表3可見：①對喬木層來說，榿木-樟樹混交林（ck）以榿木和樟樹為優(yōu)勢種，2個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）沒有喬木；堰塞湖淹沒地（B5）優(yōu)勢種為鹽膚木、榿木、鐵木。由此可以看出，榿木為該地區(qū)主要喬木優(yōu)勢種。②對灌木層來說，水麻為次生災(zāi)害跡地主要灌木優(yōu)勢種。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）；B4和B5樣地灌木優(yōu)勢種一樣，都為馬桑、水麻、披針葉莢蒾；未受損林地ck灌木優(yōu)勢種為刺花椒、豪豬刺、野薔薇。③對草本層來說，次生災(zāi)害跡地上優(yōu)勢植物主要有千里光、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)相對較??；而B2，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)過多年發(fā)育，植被群落達(dá)到一個相對穩(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)程的一項重要指標(biāo)。對于地震后不同次生災(zāi)害多樣性指數(shù)的計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種生長型，其多樣性指數(shù)見表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。因為B2樣地僅有2種灌木，而B2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。

從物種重要值來看，次生災(zāi)害跡地喬木層的優(yōu)勢種主要是榿木；灌木層優(yōu)勢種以水麻為主，其次是馬桑和披針葉莢蒾；草本層優(yōu)勢種以五節(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，對受損后植被的恢復(fù)和延續(xù)有重要作用，是典型的先鋒植物種［20］。據(jù)中國地震局公布的資料，僅2008年5-10月4級以上的余震，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)害時常發(fā)生［22］，又因為缺失植被自然恢復(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，但隨著時間的推移群落種類逐漸增多，多年生草本植物逐漸占優(yōu)勢，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，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)害跡地重建的一項重要工作，植被的自然恢復(fù)與演替又是一個長期的過程，所以對于研究區(qū)應(yīng)進(jìn)行連續(xù)長期的觀測與調(diào)查，更加深入地研究植被自然恢復(fù)與演替的過程，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，同時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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