地震滑坡跡地的植物群落與土壤恢復(fù)效果評(píng)價(jià)

段晨松,張全建,龔 旭,張遠(yuǎn)彬

1 中國(guó)科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所, 成都 610041 2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049

地震滑坡是大陸山區(qū)大地震活動(dòng)中最常見且破壞最大的次生地質(zhì)災(zāi)害,其不僅給山區(qū)人民生命財(cái)產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)建設(shè)帶來重大損失,而且對(duì)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)造成巨大破壞,已成為制約山區(qū)發(fā)展的主要因素之一[1-2]。1999年臺(tái)灣大地震誘發(fā)的滑坡達(dá)20000多處,面積約11 km2,對(duì)生物棲息地和地表景觀造成不同程度的破壞[3]；2008年汶川大地震,滑坡造成的損毀面積高達(dá)1103 km2,四川森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值損失約1055.88億元[4]；2015年尼泊爾廓爾喀大地震誘發(fā)的滑坡約24915處,面積達(dá)87 km2[5]；2016年日本熊本大地震誘發(fā)的滑坡占流域面積的2.20%,造成的林業(yè)損失約10.81億元,對(duì)地表植被造成極大損毀,影響區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與可持續(xù)發(fā)展[6]；2018年北海道地震滑坡6000多處,面積達(dá)400 km2,在很大程度上改變了土地覆蓋[7]。地震滑坡災(zāi)害不僅損毀區(qū)域內(nèi)植被及野生動(dòng)物棲息地,使動(dòng)植物生境破碎化,生物多樣性逐漸降低；而且嚴(yán)重破壞土壤結(jié)構(gòu),影響土壤質(zhì)量,干擾土壤生物,帶來一系列生態(tài)問題,導(dǎo)致區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能下降,威脅區(qū)域生態(tài)安全[8-9]。

為了加快震后生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)重建,社會(huì)各界積極著手災(zāi)區(qū)恢復(fù)工作,地震滑坡跡地通常采用人工恢復(fù)和自然恢復(fù)兩種方式。其中,自然恢復(fù)方式是自然主導(dǎo)下的演替恢復(fù),不通過人工輔助手段,完全依靠自然演替恢復(fù)受損或退化生態(tài)系統(tǒng)；而人工恢復(fù)是人類主導(dǎo)下的恢復(fù)演替,通過輔以人工措施,往往在一定程度上可以加快受損或退化生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù),如采取抗滑樁、排水孔、水平階等工程措施及種草、植樹等植被恢復(fù)措施[10-11]。

目前,已有不少學(xué)者對(duì)地震滑坡跡地的植物群落或土壤性質(zhì)進(jìn)行調(diào)查研究,主要是針對(duì)某局部區(qū)域或某幾個(gè)地震滑坡跡地分析其植物群落特征,或通過“空間替代時(shí)間”分析其土壤恢復(fù)情況,還有一些學(xué)者結(jié)合RS和GIS等方法探討地震滑坡跡地的植被恢復(fù)狀況或土壤養(yǎng)分空間分布特征[12-14]；也有學(xué)者應(yīng)用簡(jiǎn)單相關(guān)、灰色關(guān)聯(lián)等方法分析植物群落與土壤性質(zhì)的關(guān)系,而對(duì)地震滑坡跡地的植物群落與土壤在不同恢復(fù)方式下的綜合恢復(fù)效果鮮有研究報(bào)道[15-16]。龍門山因其特殊的地理位置和復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造,是地質(zhì)災(zāi)害高易發(fā)的活動(dòng)斷裂帶,同時(shí)是我國(guó)極其重要的生態(tài)屏障區(qū),5·12汶川地震對(duì)區(qū)域植被和土壤造成極大損毀,嚴(yán)重威脅區(qū)域生態(tài)安全,而龍門山東坡人居環(huán)境更為重要,需密切關(guān)注震后的生態(tài)恢復(fù)情況。

本文以四川龍門山東坡的地震滑坡跡地為研究對(duì)象,通過調(diào)查分析不同恢復(fù)方式下的植物群落特征和土壤性質(zhì),了解滑坡跡地的植物群落和土壤恢復(fù)情況；并基于模糊數(shù)學(xué)模型,結(jié)合主成分分析,定量評(píng)價(jià)地震滑坡跡地的植物群落與土壤綜合恢復(fù)效果,分析栽植喬木樹種和整地方式(水平階整地、穴狀整地)對(duì)地震滑坡跡地綜合恢復(fù)率的影響。為震后區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的快速恢復(fù)以及地震滑坡跡地生態(tài)恢復(fù)措施的完善提供理論依據(jù),對(duì)區(qū)域生態(tài)建設(shè)具有重要的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

四川龍門山位于成都平原西北方向,是川西高原與四川盆地的天然分界線,其地理位置為102.80°—106.22°E,30.62°—33.38°N。龍門山后山斷裂(茂縣—汶川斷裂)、中央斷裂(北川—映秀斷裂)和前山斷裂(安縣—都江堰斷裂)構(gòu)成了龍門山斷裂帶,頻繁的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)使得該區(qū)域的地質(zhì)條件、巖性等變得脆弱,呈現(xiàn)出高山和深谷相間的地貌格局,在龍門山東西向約70—150 km的水平距離內(nèi),垂直高差達(dá)4000 m左右,地形陡峻。以龍門山脈為界,東坡為亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候,多年平均年降水量1000—2200 mm,年均溫15.0℃左右；西坡主要為岷江干旱河谷區(qū),多年平均年降水量500—800 mm,年均溫12.0℃左右。龍門山東坡的植被類型隨著海拔的增加依次為常綠闊葉林、常綠落葉闊葉混交林和亞高山針葉林；西坡的植被類型沿著海拔梯度依次為干旱河谷灌叢、針闊混交林、亞高山針葉林。龍門山東坡的土壤類型主要為黃壤、山地黃棕壤和灰棕壤；西坡土壤類型主要為燥褐土、石灰性褐土、棕壤,河谷褐土發(fā)育,土壤結(jié)構(gòu)松散。龍門山東西坡的人口分布明顯不均衡,東坡人口密度較大,人居環(huán)境更為重要,需密切關(guān)注地震災(zāi)區(qū)的生態(tài)恢復(fù)情況[17]。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在龍門山東坡選擇4個(gè)樣區(qū),每個(gè)樣區(qū)選取海拔、坡度、坡向等基本一致的人工恢復(fù)地震滑坡跡地(A)、自然恢復(fù)地震滑坡跡地(N)和鄰近未受損區(qū)(C)(圖1)。所選取的地震滑坡跡地均是由5·12汶川地震產(chǎn)生的完整碎石滑坡,且未發(fā)生二次滑坡。各樣區(qū)的經(jīng)度、緯度、海拔、坡度、坡向等基本信息見表1。2018年4月,采集土壤樣品,在每個(gè)樣區(qū)按S形布置9個(gè)采樣點(diǎn),每個(gè)樣點(diǎn)采0—20 cm的表層土壤約1 kg,并用100 cm3的環(huán)刀采集土樣用于測(cè)定土壤物理性質(zhì),將一部分鮮土放入4℃冰箱保存用于測(cè)定土壤生物性質(zhì)。2018年9月,進(jìn)行植物群落調(diào)查,在每個(gè)樣區(qū)的坡上、坡中、坡下分別隨機(jī)布設(shè)1個(gè)10 m×10 m的樣地調(diào)查喬木群落,記錄喬木層的植物名稱、樹高(m)、胸徑(cm)、郁閉度(%)、物候等；按S形設(shè)置9個(gè)2 m×2 m的灌木樣方(與土壤采樣點(diǎn)相對(duì)應(yīng)),記錄灌木層的植物名稱、株高(cm)、基徑(mm)、層蓋度(%)、物候等；在每個(gè)灌木樣方內(nèi)隨機(jī)布設(shè)1個(gè)1 m×1 m的草本樣方,記錄草本層的植物名稱、株高(cm)、株數(shù)、層蓋度(%)、物候等；并在每個(gè)灌木樣方隨機(jī)布設(shè)1個(gè)50 cm×50 cm的小樣方,將草本層的地上植物全部收獲,用于測(cè)定草本層的地上生物量。

圖1 龍門山區(qū)及采樣區(qū)分布示意圖

表1 樣區(qū)基本信息

1.3 測(cè)定方法

土壤機(jī)械組成用馬爾文激光粒度儀測(cè)定,土壤粒級(jí)根據(jù)國(guó)際制劃分標(biāo)準(zhǔn),土壤黏粒(0, 0.002]mm、粉粒(0.002, 0.02]mm、砂粒(0.02, 2]mm；土壤容重和孔隙度用環(huán)刀法測(cè)定；土壤pH值采用電位法測(cè)定；土壤有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測(cè)定；全氮含量采用開氏蒸餾法測(cè)定；全磷含量采用NaOH熔融-鉬銻抗比色法測(cè)定；全鉀含量采用NaOH熔融-火焰光度法測(cè)定；堿解氮含量采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定；有效磷含量采用NaHCO3浸體-鉬銻抗比色法測(cè)定；速效鉀含量采用NH4OAc浸體-火焰光度法測(cè)定；土壤陽(yáng)離子交換量采用蓋德洛依茨法測(cè)定；土壤微生物生物量碳采用氯仿熏蒸-重鉻酸鉀容量法-外加熱法測(cè)定；土壤微生物生物量氮采用氯仿熏蒸-開氏蒸餾法測(cè)定；土壤脫氫酶活性采用TTC還原法測(cè)定；蛋白酶活性采用茚三酮比色法測(cè)定；脲酶活性采用靛酚藍(lán)比色法測(cè)定；磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉比色法測(cè)定；蔗糖酶活性采用磷酸銅比色法測(cè)定[18]。

植物樣品先在105℃下殺青30 min,然后在75℃下烘至恒重,用于測(cè)定草本層的地上生物量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

1.4.1植物群落α多樣性指數(shù)

Margalef豐富度指數(shù)Dm[19]

式中,M為群落中的物種數(shù),N為總的個(gè)體數(shù)。

Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)Ds[20]

式中,ni為第i個(gè)種的個(gè)體數(shù),N為總的個(gè)體數(shù)。

Shannon-Wiener多樣性指數(shù)H[21]

式中,M為群落中的物種數(shù),Pi為第i個(gè)種的個(gè)體數(shù)占所有種個(gè)體數(shù)的比例。

Pielou均勻度指數(shù)J[22]

式中,M為群落中的物種數(shù),H為Shannon-Wiener多樣性指數(shù)。

1.4.2恢復(fù)率

用ΔR表示綜合得分的變化率,以更好地解釋與自然恢復(fù)相比,人工恢復(fù)地震滑坡跡地植物群落與土壤的綜合恢復(fù)率。

式中,SA是人工恢復(fù)地震滑坡跡地的綜合得分,SN是自然恢復(fù)滑坡跡地的綜合得分。

1.4.3統(tǒng)計(jì)分析

本文數(shù)據(jù)運(yùn)用IBM SPSS Statistics 22進(jìn)行分析,對(duì)采取不同人工措施的地震滑坡跡地的植物群落與土壤的綜合恢復(fù)率進(jìn)行t檢驗(yàn)；對(duì)人工恢復(fù)、自然恢復(fù)地震滑坡跡地和未受損區(qū)的植物群落特征和土壤性質(zhì),喬木層、灌木層和草本層的α多樣性指數(shù),以及土壤機(jī)械組成的差異做單因素方差分析(One-way ANOVA),并采用Tukey方法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。所有數(shù)據(jù)均用平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤表示。統(tǒng)計(jì)結(jié)果使用軟件SigmaPlot 10.0制圖。

1.5 綜合恢復(fù)效果評(píng)價(jià)

1.5.1構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)

綜合考慮植物群落特征和土壤性質(zhì),本研究選取了37個(gè)候選指標(biāo),分別是：?jiǎn)棠緦佑糸]度(Ct)、喬木層Margalef豐富度指數(shù)(Dmt)、喬木層Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)(Dst)、喬木層Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(Ht)、喬木層Pielou均勻度指數(shù)(Jt)、灌木層蓋度(Cs)、灌木層Margalef豐富度指數(shù)(Dms)、灌木層Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)(Dss)、灌木層Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(Hs)、灌木層Pielou均勻度指數(shù)(Js)、草本層蓋度(Ch)、草本層Margalef豐富度指數(shù)(Dmh)、草本層Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)(Dsh)、草本層Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(Hh)、草本層Pielou均勻度指數(shù)(Jh)、草本層地上生物量(Bh)、土壤黏粒含量(Clay)、粉粒含量(Silt)、砂粒含量(Sand)、容重(BD)、孔隙度(P)、pH值(pH)、有機(jī)質(zhì)含量(SOM)、全氮含量(TN)、全磷含量(TP)、全鉀含量(TK)、堿解氮含量(AN)、有效磷含量(AP)、速效鉀含量(AK)、陽(yáng)離子交換量(CEC)、微生物生物量碳(MBC)、微生物生物量氮(MBN)、脫氫酶活性(DA)、蛋白酶活性(ProA)、脲酶活性(UA)、磷酸酶活性(PhoA)和蔗糖酶活性(SA)。

運(yùn)用主成分分析,首先,根據(jù)特征值不小于1和累積方差貢獻(xiàn)率不小于85%,提取主成分。然后,在每個(gè)主成分中,選出不小于最大載荷值90%的指標(biāo),對(duì)其進(jìn)行Pearson相關(guān)分析,將相關(guān)系數(shù)之和最大的指標(biāo)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)；若相關(guān)系數(shù)之和最大的指標(biāo)不止一個(gè),則選取載荷值較大的指標(biāo)；若不小于最大載荷值90%的指標(biāo)只有一個(gè),則該指標(biāo)直接作為評(píng)價(jià)指標(biāo)[23]。

1.5.2指標(biāo)權(quán)重

根據(jù)主成分分析得到所選取指標(biāo)的公因子方差,計(jì)算各指標(biāo)的權(quán)重Wi。

式中,n是綜合評(píng)價(jià)的指標(biāo)個(gè)數(shù),Ci是第i個(gè)指標(biāo)的公因子方差。

1.5.3綜合評(píng)價(jià)模型

基于模糊數(shù)學(xué)模型,計(jì)算植物群落與土壤性質(zhì)的綜合得分S。S值越大,表示地震滑坡跡地的植物群落與土壤綜合恢復(fù)效果越好,反之則越差。

式中,n是綜合評(píng)價(jià)的指標(biāo)個(gè)數(shù),Wi是指標(biāo)i的權(quán)重,Fi是指標(biāo)i離差標(biāo)準(zhǔn)化后的值。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同恢復(fù)方式的植物群落特征

2.1.1物種組成

地震滑坡跡地除人工栽植的榿木(Alnuscremastogyne)、刺槐(Robiniapseudoacacia)、柳杉(Cryptomeriafortunei)外,還主要有山槐(Albiziakalkora)、鹽膚木(Rhuschinensis)等喬木。灌木層和草本層均具有明顯優(yōu)勢(shì)種,灌木層以蠟蓮繡球(Hydrangeastrigosa)、火棘(Pyracanthafortuneana)、川莓(Rubussetchuenensis)、粉花繡線菊(Spiraeajaponica)等為主；草本層以陰地蒿(Artemisiasylvatica)、藎草(Arthraxonhispidus)、芒(Miscanthussinensis)、打破碗花花(Anemonehupehensis)、問荊(Equisetumarvense)等為主。樣區(qū)1地震滑坡跡地和未受損區(qū)的共有種是蠟蓮繡球、陰地蒿、打破碗花花、求米草、顯子草、黃鵪菜等,樣區(qū)2的共有種為榿木、陰地蒿、打破碗花花等,樣區(qū)3的共有種有川莓、粉花繡線菊、空心泡、藎草、糯米團(tuán)、序葉苧麻、薄葉新耳草、軟刺蹄蓋蕨等,樣區(qū)4的共有種為柳杉、杉木等(表2)。

2.1.2數(shù)量特征

人工恢復(fù)和自然恢復(fù)地震滑坡跡地的喬木層平均高度和平均胸徑顯著小于鄰近未受損區(qū)(P<0.05,圖2)；人工恢復(fù)與自然恢復(fù)的喬木層平均高度和平均胸徑均差異不顯著(P>0.05,圖2)。

圖2 各樣區(qū)喬木層的平均高度和平均胸徑

人工恢復(fù)地震滑坡跡地的灌木層平均基徑與鄰近未受損區(qū)無顯著性差異(P>0.05,表3),自然恢復(fù)滑坡跡地的灌木層平均基徑、蓋度與鄰近未受損區(qū)差異不顯著(P>0.05,表3)。栽植不同樹種的地震滑坡跡地的灌木層平均高度、基徑和蓋度存在一定差異。樣區(qū)1-A的灌木層平均蓋度顯著大于未受損區(qū),而樣區(qū)2-A顯著小于未受損區(qū)(P<0.05,表3)；樣區(qū)3-A的灌木層平均高度大于未受損區(qū)(P>0.05,表3),而樣區(qū)4-A顯著小于未受損區(qū)(P<0.05,表3)。樣區(qū)1-A的灌木層平均高度、基徑和蓋度大于自然恢復(fù),而樣區(qū)2-A小于自然恢復(fù)(P>0.05,表3),平均蓋度的差異顯著(P<0.05,表3)；樣區(qū)3-A的灌木層平均基徑顯著小于自然恢復(fù)(P<0.05,表3),而樣區(qū)4-A大于自然恢復(fù)(P>0.05,表3)。

栽植不同樹種的地震滑坡跡地的草本層平均高度和蓋度存在一定差異。樣區(qū)1-A的草本層平均蓋度顯著小于未受損區(qū),而樣區(qū)2-A顯著大于未受損區(qū)(P<0.05,表3),樣區(qū)1-A和2-A的草本層平均高度均大于未受損區(qū),無顯著性差異(P>0.05,表3)；樣區(qū)3-A的草本層平均高度小于未受損區(qū)(P>0.05,表3),而樣區(qū)4-A顯著大于未受損區(qū)(P<0.05,表3),樣區(qū)3-A和4-A的草本層平均蓋度均顯著大于未受損區(qū)(P<0.05,表3)。自然恢復(fù)滑坡跡地的草本層平均高度和蓋度均大于鄰近未受損區(qū)。樣區(qū)1-A的草本層平均蓋度顯著小于自然恢復(fù)(P<0.05,表3),而樣區(qū)2-A顯著大于自然恢復(fù)(P<0.05,表3)；樣區(qū)3和4的人工恢復(fù)滑坡跡地的草本層平均高度和蓋度與自然恢復(fù)無顯著性差異(P>0.05,表3)。采取不同整地方式的地震滑坡跡地的草本層地上生物量存在一定差異。樣區(qū)1-A和2-A的草本層地上生物量小于鄰近未受損區(qū),而樣區(qū)3-A和4-A的草本層地上生物量大于未受損區(qū)(P>0.05,表3)。樣區(qū)1-A和2-A的草本層地上生物量大于自然恢復(fù),而樣區(qū)3-A和4-A小于自然恢復(fù)(P>0.05,表3)。

表3 各樣區(qū)灌木層和草本層的數(shù)量特征

2.1.3多樣性

各樣區(qū)垂直層的Margalef豐富度指數(shù)、Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)和Pielou均勻度指數(shù)計(jì)算結(jié)果顯示,地震滑坡跡地的草本層α多樣性與鄰近未受損區(qū)無顯著性差異(P>0.05,圖3)；人工恢復(fù)地震滑坡跡地的喬木層α多樣性小于鄰近未受損區(qū)；自然恢復(fù)地震滑坡跡地的灌木層Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)和Pielou均勻度指數(shù)與未受損區(qū)差異不顯著(P>0.05,圖3)。人工恢復(fù)與自然恢復(fù)滑坡跡地的灌草層α多樣性均無顯著性差異(P>0.05,圖3)。人工恢復(fù)滑坡跡地的α多樣性呈現(xiàn)出草本層大于喬木層,自然恢復(fù)的草本層α多樣性大于灌木層。

圖3 各樣區(qū)垂直層的α多樣性

2.2 不同恢復(fù)方式的土壤性質(zhì)

各樣區(qū)的土壤黏粒含量均顯著小于粉粒含量和砂粒含量(P<0.05,表4)。除樣區(qū)1-N外,地震滑坡跡地的土壤容重顯著大于鄰近未受損區(qū)(P<0.05,表4),土壤孔隙度顯著小于未受損區(qū)(P<0.05,表4)。人工恢復(fù)與自然恢復(fù)地震滑坡跡地的土壤容重和孔隙度均無顯著性差異,樣區(qū)1-A和4-A的土壤容重大于自然恢復(fù)(P>0.05,表4),土壤孔隙度小于自然恢復(fù)(P>0.05,表4)；樣區(qū)2-A和3-A的土壤容重小于自然恢復(fù)(P>0.05,表4),土壤孔隙度大于自然恢復(fù),無顯著性差異(P>0.05,表4)。

人工恢復(fù)地震滑坡跡地的土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和堿解氮含量顯著小于鄰近未受損區(qū)(P<0.05,表4)；自然恢復(fù)滑坡跡地的土壤全磷、堿解氮和有效磷含量顯著小于未受損區(qū)(P<0.05,表4)；地震滑坡跡地的土壤pH值和陽(yáng)離子交換量與未受損區(qū)差異顯著,樣區(qū)1、2和3的顯著大于未受損區(qū),樣區(qū)4的顯著小于未受損區(qū)(P<0.05,表4)。栽植不同樹種的地震滑坡跡地的土壤化學(xué)性質(zhì)存在一定差異。樣區(qū)1-A的土壤全磷含量顯著小于1-N,而樣區(qū)2-A的土壤全磷含量顯著大于2-N(P<0.05,表4)；樣區(qū)1-A的土壤全磷含量顯著大于1-N,而樣區(qū)2-A的土壤全磷含量顯著小于2-N(P<0.05,表4)；樣區(qū)3-A的土壤堿解氮含量顯著小于3-N,而樣區(qū)4-A的土壤堿解氮含量顯著大于4-N(P<0.05,表4)。采取不同整地方式的地震滑坡跡地的土壤全鉀含量差異顯著,樣區(qū)2-A的土壤全鉀含量顯著小于2-N,而樣區(qū)3-A的土壤全鉀含量顯著大于3-N(P<0.05,表4)。

表4 各樣區(qū)的土壤性質(zhì)

地震滑坡跡地的土壤微生物生物量碳、微生物生物量氮以及脫氫酶、蛋白酶、脲酶、磷酸酶和蔗糖酶活性小于鄰近未受損區(qū)。樣區(qū)1-A和3-A的土壤微生物生物量碳、微生物生物量氮以及脫氫酶、蛋白酶、脲酶、磷酸酶和蔗糖酶活性小于自然恢復(fù),而樣區(qū)2-A和4-A的大于自然恢復(fù)。

2.3 綜合恢復(fù)效果

通過主成分分析,提取了7個(gè)主成分,累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)86%。第1主成分中的主要影響因子有SOM、TN、AN、MBC、MBN、DA、ProA、UA、SA；第2主成分中的主要影響因子有Dmt、Dst、Ht、Jt；第3主成分中Clay為主要影響因子；第4主成分中的主要影響因子有Ct、BD和P；第5主成分中Hh為主要影響因子；第6主成分中的主要影響因子有Cs、JS、Jh、TK；第7主成分中Dsh為主要影響因子。結(jié)合相關(guān)分析,選取了7個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo),分別是：ProA、Ht、Clay、P、Hh、JS和Dsh(表5)。

根據(jù)所選取評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重和標(biāo)準(zhǔn)化值(表5),構(gòu)建出植物群落特征與土壤性質(zhì)的綜合評(píng)價(jià)模型：

表5 綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)及其權(quán)重

S=0.16×F(ProA)+0.16×F(Ht)+0.12×F(Clay)+0.15×F(P)+0.14×F(Hh)+0.15×F(Js)+0.13×F(Dsh)

綜合評(píng)價(jià)模型的分析結(jié)果顯示,地震滑坡跡地的植物群落特征與土壤性質(zhì)綜合得分小于鄰近未受損區(qū)。其中,人工恢復(fù)和自然恢復(fù)滑坡跡地的土壤蛋白酶活性、喬木層Shannon-Wiener指數(shù)、土壤孔隙度和灌木層Pielou指數(shù)得分均小于鄰近未受損區(qū)(圖4)。人工恢復(fù)地震滑坡跡地的綜合得分小于自然恢復(fù),其中,人工恢復(fù)滑坡跡地的土壤蛋白酶活性、喬木層Shannon-Wiener指數(shù)、草本層Shannon-Wiener指數(shù)和灌木層Pielou指數(shù)得分均小于自然恢復(fù),土壤黏粒含量得分大于自然恢復(fù)滑坡跡地(圖4)。

圖4 各樣區(qū)的植物群落特征與土壤性質(zhì)綜合得分

與自然恢復(fù)相比,樣區(qū)3-A的植物群落與土壤綜合恢復(fù)率大于0,樣區(qū)1-A、2-A和4-A的綜合恢復(fù)率均小于0。樣區(qū)1-A的綜合恢復(fù)率高于2-A,差異不顯著(P>0.05,圖5),樣區(qū)3-A的綜合恢復(fù)率顯著高于樣區(qū)2-A和4-A(P<0.05,圖5)。地震滑坡跡地在進(jìn)行水平階整地后栽植不同樹種,其植物群落與土壤的綜合恢復(fù)率無顯著性差異；而進(jìn)行穴狀整地后,栽植刺槐滑坡跡地的綜合恢復(fù)率顯著高于栽植柳杉滑坡跡地；進(jìn)行穴狀整地的綜合恢復(fù)率顯著高于水平階整地的滑坡跡地。

圖5 與自然恢復(fù)相比,人工恢復(fù)滑坡跡地的植物群落與土壤綜合恢復(fù)率

3 討論與結(jié)論

植物群落的物種組成、數(shù)量特征和多樣性是衡量群落結(jié)構(gòu)與功能復(fù)雜性的重要指標(biāo),反映著受損生態(tài)系統(tǒng)的植被恢復(fù)程度[24]。本研究結(jié)果表明,地震滑坡跡地的植物除人工栽植的榿木、刺槐、柳杉等外,還主要生長(zhǎng)有山槐、鹽膚木等耐貧瘠、生長(zhǎng)迅速的喬木；喬木層的平均高度和胸徑顯著小于未受損區(qū),這與前人研究結(jié)果相似,主要是由于滑坡對(duì)植被造成極大損毀[25-26]。人工恢復(fù)地震滑坡跡地的喬木層α多樣性小于鄰近未受損區(qū),這可能與人工恢復(fù)時(shí)栽植單一喬木樹種有很大關(guān)系。自然恢復(fù)地震滑坡跡地的喬木層α多樣性與未受損區(qū)無顯著性差異；樣區(qū)3-N的喬木層缺失,這可能與土壤種子庫(kù)有很大關(guān)系[27]。目前,地震滑坡跡地的灌木層和草本層均有明顯優(yōu)勢(shì)種,自然恢復(fù)滑坡跡地的灌木層平均基徑和蓋度與未受損區(qū)無顯著性差異,草本層平均高度和蓋度大于未受損區(qū),這與前人研究結(jié)果相似,說明隨著自然演替,植物正逐漸由草本群落向灌木和喬木群落過渡[28]。人工恢復(fù)與自然恢復(fù)滑坡跡地的灌草層α多樣性無顯著性差異,這與前人研究結(jié)果不一致,汶川震后2—5年人工恢復(fù)與自然恢復(fù)滑坡跡地的植物群落α多樣性的Meta分析結(jié)果表明[29],人工恢復(fù)地震滑坡跡地的灌木層α多樣性指數(shù)顯著大于自然恢復(fù),草本層α多樣性指數(shù)顯著小于自然恢復(fù)。可見,隨著植物演替,人工恢復(fù)與自然恢復(fù)地震滑坡跡地的灌草層α多樣性的差異逐漸減小。

土壤性質(zhì)影響著區(qū)域生態(tài)恢復(fù)的途徑和方向[30]。地震滑坡跡地的土壤容重大于鄰近未受損區(qū),土壤孔隙度小于未受損區(qū),說明目前龍門山東坡地震滑坡跡地的土壤緊實(shí)度仍高于未受損區(qū),這與前人研究結(jié)果相似,可能是地震造成的土體擠壓和滑坡等地質(zhì)災(zāi)害導(dǎo)致土壤容重增大,總孔隙度降低[31]；也可能由于植物根系的生長(zhǎng)和枯枝落葉的分解,改善了土壤結(jié)構(gòu)[32-33]。樣區(qū)1、2、3地震滑坡跡地的土壤偏堿性,土壤pH值顯著大于未受損區(qū),這可能因?yàn)榛碌鹊刭|(zhì)災(zāi)害的發(fā)生改變了土壤剖面結(jié)構(gòu),造成深層碳酸鹽上翻到表層,從而使受損區(qū)的土壤pH值升高；而樣區(qū)4地震滑坡跡地的土壤偏酸性,土壤pH值顯著小于未受損區(qū),這可能由于樣區(qū)4靠近河流,且由于降水較多,在滑坡體上形成很多河流沖刷溝,小氣候較濕潤(rùn),鹽基飽和度較低,故土壤偏酸性[34]。土壤陽(yáng)離子交換量和pH值變化趨勢(shì)相同,這主要由于土壤酸堿度是影響土壤膠體可變電荷數(shù)量的重要因素,隨著土壤pH值升高,土壤膠體可變電荷數(shù)量增加,陽(yáng)離子交換量也增加[35]。地震滑坡跡地的土壤有機(jī)質(zhì)含量小于未受損區(qū),這與前人研究結(jié)果相似,可能是地震干擾及其引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害使表層大量成熟土壤損失,減少了地表碳儲(chǔ)量,并且地震滑坡跡地的土壤粗顆粒增多,細(xì)顆粒減少,降低了土壤的碳儲(chǔ)存能力[36-37]。地震滑坡跡地的土壤堿解氮和有效磷含量小于鄰近未受損區(qū),這主要是由于地震滑坡跡地的微生物組成和酶活性的改變影響了總量的礦化[38-39]。地震滑坡跡地的土壤微生物指標(biāo)均小于未受損區(qū),這與秦紀(jì)洪等[40]研究結(jié)果相似,說明目前地震滑坡跡地的土壤微生物活性仍低于未受損區(qū)；但與駱翔宇等[41]對(duì)土壤蛋白酶和磷酸酶活性的研究結(jié)果不同,這主要是由于其部分土樣采自農(nóng)作物和工程植被栽植區(qū),可能受到施加氮肥、磷肥等因素影響。

植物與土壤是相互影響、相互依存的統(tǒng)一系統(tǒng),共同決定著地震滑坡跡地的生態(tài)恢復(fù)[42]。本研究中,地震滑坡跡地的植物群落與土壤綜合得分小于鄰近未受損區(qū),說明目前龍門山東坡地震滑坡跡地的植物群落與土壤還未恢復(fù)到未受損區(qū)水平。自然恢復(fù)滑坡跡地的綜合得分大于人工恢復(fù),但采取不同人工措施滑坡跡地的綜合恢復(fù)效果不同。地震滑坡跡地在進(jìn)行水平階整地后栽植喬木,其植物群落與土壤的綜合恢復(fù)效果不如自然恢復(fù),且栽植不同樹種對(duì)其恢復(fù)率無顯著影響。但是,地震滑坡跡地在進(jìn)行穴狀整地后栽植不同樹種,其綜合恢復(fù)率存在顯著性差異,栽植刺槐滑坡跡地的綜合恢復(fù)效果優(yōu)于自然恢復(fù),而栽植柳杉的不如自然恢復(fù),這主要由于刺槐耐貧瘠、生長(zhǎng)迅速,加快了滑坡跡地的植被恢復(fù)；并有研究表明,在進(jìn)行穴狀整地后,栽植刺槐滑坡跡地的灌草層α多樣性均高于自然恢復(fù),而栽植柳杉的灌草層α多樣性均低于自然恢復(fù)[43]。地震滑坡跡地在采取不同整地方式后栽植相同樹種,其植物群落與土壤的綜合恢復(fù)率存在顯著性差異,進(jìn)行穴狀整地的綜合恢復(fù)率顯著高于水平階整地。這主要由于地震滑坡跡地在進(jìn)行穴狀整地后栽植喬木的灌木層α多樣性的恢復(fù)率顯著高于水平階整地的滑坡跡地,草本層蓋度和α多樣性的恢復(fù)率也高于水平階整地的滑坡跡地；并且,植物根系的生長(zhǎng)和凋落物的分解,改善了土壤結(jié)構(gòu),提高土壤保肥能力,使得土壤細(xì)顆粒增多,土壤陽(yáng)離子交換量的恢復(fù)率顯著高于水平階整地的滑坡跡地[44]。

隨著自然演替,地震滑坡跡地的植物群落正逐漸由草本向灌木和喬木過渡,人工恢復(fù)的灌草層α多樣性與自然恢復(fù)的差異逐漸減小,滑坡跡地恢復(fù)十年的土壤肥力仍低于未受損區(qū),植物-土壤系統(tǒng)還未恢復(fù)到未受損區(qū)水平,通過穴狀整地并栽植適宜樹種可在一定程度上提高地震滑坡跡地的綜合恢復(fù)率。