特高壓工程塔基區(qū)次生植被物種多樣性及生物量的研究
——浙江省杭州市富陽區(qū)靈紹線特高壓工程塔基區(qū)為例

劉建林 孫新珂 張 琦 賈 麗

(中國電力工程顧問集團(tuán)華北電力設(shè)計(jì)院有限公司, 北京 100120)

特高壓輸電工程建設(shè)有利于促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展,是滿足未來我國電力需求持續(xù)增長(zhǎng)的基本保證;同時(shí)也極大地優(yōu)化了資源配置,減輕鐵路煤炭運(yùn)輸和中、東部地區(qū)環(huán)保壓力[1]。特高壓輸電工程屬于生態(tài)影響類項(xiàng)目,生態(tài)影響防控堅(jiān)持預(yù)防與恢復(fù)相結(jié)合的原則,預(yù)防優(yōu)先,恢復(fù)補(bǔ)償為輔;建設(shè)過程中將不可避免地?cái)_動(dòng)原地貌、破壞塔基區(qū)植被,竣工后再加強(qiáng)植被恢復(fù)措施,以實(shí)現(xiàn)“建設(shè)環(huán)境友好型”輸電工程的重要目標(biāo)[2]。

對(duì)已運(yùn)行多年的特高壓工程進(jìn)行樣方調(diào)查時(shí)發(fā)現(xiàn),塔基區(qū)灌草群落特征、物種多樣性處于不斷的變化之中,周邊的物種也會(huì)進(jìn)入塔基區(qū)參與群落演替;由于塔基區(qū)無高大喬木植物生長(zhǎng)形成類似“林窗”的微生境,光照、溫度等環(huán)境因子發(fā)生改善[3- 4],使其會(huì)成為一些適應(yīng)性強(qiáng)、生長(zhǎng)速度快植物的“避難所”[5]。同時(shí)巡檢維護(hù)行為直接降低了塔基區(qū)灌木層、草本層生物量,同時(shí)會(huì)減緩塔基區(qū)植被恢復(fù)和群落演替[6- 7]。目前研究多集中于特高壓工程運(yùn)行過程中電磁和噪聲[8-9]的防治措施和對(duì)策,鮮見針對(duì)塔基區(qū)次生植被群落物種多樣性和生物量研究的報(bào)道。

選擇位于浙江省杭州市已運(yùn)行6年的靈紹線特高壓工程塔基區(qū)為研究對(duì)象,采用樣方法對(duì)比分析塔基區(qū)次生植被特征、物種多樣性和生物量特征,并與塔基區(qū)附近未受干擾影響的對(duì)照區(qū)進(jìn)行對(duì)比,以期為特高壓工程塔基區(qū)灌草群落優(yōu)化、植被演替及物種多樣性研究和保護(hù)提供理論基礎(chǔ),為更加科學(xué)有效地開展特高壓工程塔基區(qū)人工植被恢復(fù)提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設(shè)置

2021年6月,在浙江省杭州市富陽區(qū)低山區(qū)域選取立地條件相似的25個(gè)塔基區(qū)次生植被為研究對(duì)象,在塔腳對(duì)角線上距離塔基基礎(chǔ)2 m處及對(duì)角線相交處各設(shè)置1個(gè)2 m×2 m灌木樣方,在各灌木植物樣方中央設(shè)置1個(gè)1 m×1 m草本植物樣方,即每個(gè)塔基區(qū)設(shè)置灌木樣方和草本樣方各5個(gè)[10],共計(jì)125個(gè)灌木樣方和125個(gè)草本樣方,同時(shí)每個(gè)塔基附近設(shè)置背景樣方1個(gè)5 m×5 m,共計(jì)25個(gè)。記錄樣方內(nèi)喬木和灌木植物物種名、株數(shù)、株高、冠幅、基徑等,草本植物物種名、株數(shù)、高度和蓋度等。

采集塔基區(qū)樣方中灌木和草本植物的地上部分,帶回實(shí)驗(yàn)室,在85℃烘箱中烘72 h至恒重后,用電子天平(精度0.01 g)稱重測(cè)得灌木和草本植物實(shí)際生物量。背景樣方喬木植物的生物量采用袁位高等[11]構(gòu)建的浙江省喬木層生物量模型通式計(jì)算。

1.2.2 物種重要值

重要值=(相對(duì)密度+相對(duì)蓋度+相對(duì)頻度)/3

1.2.3 物種多樣性指數(shù)

采用Shannon-Wiener指數(shù)(H)、Margalef豐富度指數(shù)(R)、Pielou均勻度指數(shù)(E)、Simpson多樣性指數(shù)(D)等指標(biāo)[12-15]分析樣地的物種多樣性。各指標(biāo)的計(jì)算公式如下:

(1)Shannon-Wiener指數(shù)

pi=ni/N(i=1,2……,S)

(2)Margalef豐富度指數(shù)

R=(S-1)/lnN

(3)Pielou均勻度指數(shù)

(4)Simpson多樣性指數(shù)

式中,ni為第i物種個(gè)體數(shù),N為所有種的個(gè)體數(shù),S為種的數(shù)目。

1.3 數(shù)據(jù)分析

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析應(yīng)用Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)整理與統(tǒng)計(jì)分析。采用單因素方差分析法(One-way ANOVA)分析塔基區(qū)和對(duì)照區(qū)多樣性指數(shù)、各層生物量間的差異顯著性。使用Origin 2021軟件繪制生物量分析箱線圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 塔基區(qū)和對(duì)照區(qū)的物種組成和重要值

野外樣方調(diào)查共記錄塔基區(qū)、對(duì)照區(qū)物種數(shù)量和物種組成見表1。其中喬木層優(yōu)勢(shì)科為殼斗科(Fagaceae),灌木層優(yōu)勢(shì)科為薔薇科(Rosaceae)、殼斗科(Fagaceae)、樟科(Lauraceae)和豆科(Leguminosae),草本層優(yōu)勢(shì)科為禾本科(Poaceae)、菊科(Compositae)。

表1 塔基區(qū)和對(duì)照區(qū)主要物種及重要值

通過對(duì)比塔基區(qū)與對(duì)照區(qū)物種數(shù),塔基區(qū)喬木層消失,而出現(xiàn)了對(duì)照區(qū)所沒有的灌木層和草本層物種,表明特高壓工程建設(shè)直接改變了原來的微環(huán)境而導(dǎo)致物種數(shù)量、功能地位和分布格局發(fā)生顯著的變化。與對(duì)照區(qū)物種重要值比較可知,塔基區(qū)喬木物種重要值降至0;對(duì)灌木層、草本層而言,對(duì)照區(qū)物種重要值均分布均勻而無明顯優(yōu)勢(shì)種凸現(xiàn),而塔基區(qū)優(yōu)勢(shì)種為山雞椒和菝葜,草本層優(yōu)勢(shì)種變更為五節(jié)芒和芒。

2.2 塔基區(qū)和對(duì)照區(qū)物種多樣性分析

塔基區(qū)和對(duì)照區(qū)灌木層、草本層物種多樣性H、D、R和E值見表2。結(jié)果顯示:塔基區(qū)灌木層、草本層的R值高于對(duì)照區(qū)而無顯著性差異,H和D值低于對(duì)照區(qū)但顯著性差異不明顯,E值低于對(duì)照區(qū)且呈現(xiàn)顯著性差異。此外,塔基區(qū)無喬木層致使其物種多樣性顯然低于對(duì)照區(qū)。與對(duì)照區(qū)對(duì)比分析,塔基區(qū)R值較大表明特高壓工程建設(shè)導(dǎo)致塔基區(qū)次生植被灌木層物種數(shù)和個(gè)體數(shù)均明顯減少,但H、D和E值較小表明塔基區(qū)無喬木層遮蔽后,次生植被灌木層物種之間存在激烈競(jìng)爭(zhēng)而優(yōu)勢(shì)物種占據(jù)更多的生態(tài)位。

表2 塔基區(qū)和對(duì)照區(qū)樣地的物種多樣性

由表2看出,塔基區(qū)灌木層的H、D、R和E值均高于草本層,對(duì)照區(qū)灌木層的H、D和R值高于草本層而E值低于草本層。E值反映物種數(shù)目和種群個(gè)體分布格局的變化,可知對(duì)照區(qū)喬灌草層植被的物種組成、數(shù)量和分布特征已處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài),喬灌層對(duì)草本層有強(qiáng)烈的遮蔽作用,塔基區(qū)次生植被灌木層對(duì)草本層遮蔽作用低于對(duì)照區(qū)。

2.3 塔基區(qū)和對(duì)照區(qū)生物量分布

塔基區(qū)無高大喬木生長(zhǎng)導(dǎo)致喬木層生物量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于對(duì)照區(qū)的4989.73 g/m2(P<0.05),塔基區(qū)灌木層多為低矮且生長(zhǎng)年限短的植物,從而使其生物量68.61 g/m2顯著低于對(duì)照區(qū)的575.48 g/m2(P<0.05),而草本層生物量9.56 g/m2與對(duì)照區(qū)5.94 g/m2無顯著性差異(P>0.05)。表明特高壓工程建設(shè)后的一定年限內(nèi),草本層生物量可快速恢復(fù)至對(duì)照區(qū)生物量水平(見圖1)。

不同小寫字母表明兩者差異顯著(P<0.05)圖1 塔基區(qū)和對(duì)照區(qū)不同層生物量對(duì)比

3 討論

3.1 塔基區(qū)次生植被群落特征

喬木層消失改善了塔基區(qū)光熱條件,塔基區(qū)出現(xiàn)了對(duì)照區(qū)沒有的灌木物種檫木、草本物種五節(jié)芒、芒等,這與不能在林下自然更新的灌草類植物出現(xiàn)在林窗內(nèi)的研究結(jié)果[16- 17]相近,同時(shí)更新物種的種類和數(shù)量也發(fā)生變化[18];隨著塔基區(qū)灌木層植物遮蔽作用顯現(xiàn),增加了草本層喜陽和耐蔭性物種的共存機(jī)率,因而塔基區(qū)物種組成和種類與對(duì)照區(qū)存在一定的相似性,這與周東等[19]的物種組成由物種關(guān)系和環(huán)境條件共同決定的觀點(diǎn)一致,同時(shí)也表明塔基區(qū)次生植被群落正在向?qū)φ諈^(qū)演替變化。

對(duì)照區(qū)植被歷經(jīng)長(zhǎng)期演替而處于成熟的穩(wěn)定共存狀態(tài),林下生態(tài)資源格局分配趨于固定致使灌木層和草本層物種重要值分布均勻且無明顯的優(yōu)勢(shì)種;塔基區(qū)喬木層消失后,灌木層山雞椒和菝葜、草本層五節(jié)芒和芒等物種占據(jù)較寬的生態(tài)位成為優(yōu)勢(shì)種,這與物種與生境條件變化相適應(yīng)的研究結(jié)果一致[20-21],也體現(xiàn)出不同物種對(duì)外界干擾的耐受性、生物學(xué)特性、生態(tài)位等生態(tài)習(xí)性的響應(yīng)能力不同[22]。塔基區(qū)灌木層中如菝葜、土茯苓等喜陽植物物種重要值明顯提高,草本層中多年生的適應(yīng)性強(qiáng)的五節(jié)芒和芒出現(xiàn)并處于絕對(duì)優(yōu)勢(shì)地位[23]。此外,塔基區(qū)的鬼針草、小蓬草和狗尾草等一年生草本物種優(yōu)勢(shì)地位顯著提升,與雷彩芳等[24]的一年生草本物種更易在皆伐的林間生存研究結(jié)論吻合,反映了塔基區(qū)次生植被群落由1年生先鋒植物已過渡到了以多年生為建群種的演替階段[25]。

3.2 塔基區(qū)次生植被植物多樣性變化

塔基區(qū)灌木層和草本層R值高于對(duì)照區(qū)與學(xué)者[23, 26]研究的林窗物種豐富度高于非林窗結(jié)論一致,不同之處在于本研究中的塔基區(qū)灌木層物種數(shù)低于對(duì)照區(qū),這主要原因?yàn)榱执靶纬珊蟛辉偈艿礁蓴_影響,而塔基區(qū)常常遭受特高壓工程巡檢維護(hù)干擾的影響,同時(shí)塔基區(qū)灌木和草本植物仍存在物種競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系,使灌木和草本物種多樣性與人為干擾呈現(xiàn)不固定的變化規(guī)律[27]。特高壓工程巡檢維護(hù)的干擾與塔基區(qū)光照等微環(huán)境的改變共同影響灌草層植物的生長(zhǎng),導(dǎo)致塔基區(qū)灌木層和草本層H、D、E值均低于對(duì)照區(qū)的結(jié)果與林窗內(nèi)植物多樣性高于非林窗的結(jié)論[28]不一致,可能由于塔基區(qū)灌木和草本植物生長(zhǎng)空間擴(kuò)大,可吸收的光照和養(yǎng)分競(jìng)爭(zhēng)性增強(qiáng),導(dǎo)致灌木和草本植物在巡檢維護(hù)干擾下的空間競(jìng)爭(zhēng)力和營(yíng)養(yǎng)爭(zhēng)奪力差距縮小[29],并且林窗內(nèi)灌木層、草本層的物種多樣性特征隨林窗大小、發(fā)育階段變化也呈現(xiàn)不同的對(duì)應(yīng)關(guān)系[30- 31]。

3.3 塔基區(qū)次生植被生物量影響

特高壓工程建設(shè)直接改變了塔基區(qū)層次結(jié)構(gòu)而使得生物量集中在灌木層和草本層,塔基區(qū)的形成增加了有效光輻射,而巡檢維護(hù)行為直接刈割灌木層,這可能是與林窗增加灌木生物量研究結(jié)果[32]不同的直接原因。塔基區(qū)草本層生物量高于對(duì)照區(qū)但無顯著性差異,巡檢維護(hù)行為削弱了灌木層對(duì)草本層生長(zhǎng)發(fā)育的屏障作用,從而有利于草本層特別是一年生草本物種的生長(zhǎng)發(fā)育,使得草本層生物量在短期內(nèi)迅速累積[33]。總體上,塔基區(qū)因無喬木層生長(zhǎng)、巡檢維護(hù)行為使得塔基區(qū)總生物量遠(yuǎn)低于對(duì)照區(qū)。此外,物種生物量是群落演化過程中物種與環(huán)境相互適應(yīng)的階段性產(chǎn)物,次生群落植被生物量隨著年限的增加與物種多樣性表現(xiàn)出不同的相關(guān)關(guān)系[34],鑒于本研究期限較短,已運(yùn)行6年的特高壓工程塔基區(qū)次生植被群落處于演替過程中何種狀態(tài),需考慮特高壓工程巡檢維護(hù)干擾特點(diǎn)而進(jìn)行較長(zhǎng)年限的生態(tài)調(diào)查研究。

4 結(jié)論

塔基區(qū)光熱條件改善促使灌木層和草本層優(yōu)勢(shì)種凸顯并處于絕對(duì)優(yōu)勢(shì)地位;特高壓工程運(yùn)行過程中的巡檢維護(hù)行為和塔基區(qū)微環(huán)境變化共同影響了塔基區(qū)灌木層和草本層物種多樣性,同時(shí)塔基區(qū)灌草層物種Margalef指數(shù)高于對(duì)照區(qū)但差異不顯著,而Shannon-Wiener指數(shù)和Simpson指數(shù)低于對(duì)照區(qū)無顯著性差異,Pielou指數(shù)低于對(duì)照區(qū)且呈現(xiàn)顯著性差異。巡檢維護(hù)行為對(duì)灌木層生物量削減效應(yīng)遠(yuǎn)大于草本層,塔基區(qū)呈現(xiàn)出灌木層生物量顯著低于對(duì)照區(qū)而草本層生物量與對(duì)照區(qū)無顯著性差異。

本研究表明,適度的巡檢維護(hù)干擾降低了特高壓工程塔基區(qū)域次生植被群落生物量,但有利于物種多樣性的增加。從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度考慮,有必要在特高壓工程塔基區(qū)域建立永久性研究樣地,繼續(xù)深入的解析塔基區(qū)域次生群落穩(wěn)定性和群落演替規(guī)律。