陜北黃土丘陵溝壑區(qū)石油集輸管線沿線植被現(xiàn)狀分析

趙芮芮,殷淑燕,王水霞,周亞利,王 寧

(1.陜西師范大學(xué) 地理科學(xué)與旅游學(xué)院,陜西 西安 710119;2.陜西師范大學(xué) 地理學(xué)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心,陜西 西安 710119)

陜北黃土丘陵溝壑區(qū)石油集輸管線沿線植被現(xiàn)狀分析

趙芮芮1,2,殷淑燕1*,王水霞1,周亞利1,王 寧1

(1.陜西師范大學(xué) 地理科學(xué)與旅游學(xué)院,陜西 西安 710119;2.陜西師范大學(xué) 地理學(xué)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心,陜西 西安 710119)

對(duì)陜北黃土丘陵溝壑區(qū)石油集輸管線沿線9個(gè)區(qū)域的植被生長(zhǎng)狀況進(jìn)行了調(diào)查。結(jié)果表明:沿線物種共計(jì)27科63屬77種,其中菊科、禾本科、豆科、薔薇科植物較多,分別占總物種數(shù)的23.38%、14.29%、12.99%和10.39%。各生活型植物的種類數(shù)表現(xiàn)為多年生草本>一二年生草本>灌木>喬木>半灌木>小喬木。各區(qū)域植被的Simpson多樣性指數(shù)和Shannon-Wiener多樣性指數(shù)具有相同的變化趨勢(shì),均與豐富度指數(shù)呈正相關(guān),與優(yōu)勢(shì)度呈負(fù)相關(guān)。草本的豐富度、均勻度均高于喬灌木的。陜北黃土丘陵溝壑區(qū)石油管線沿線植被自然恢復(fù)潛力良好,采取的工程措施有利于該區(qū)植被恢復(fù)。石油集輸管線的鋪設(shè)尚未對(duì)陜北黃土丘陵區(qū)的植被產(chǎn)生破壞。

物種多樣性;植被恢復(fù);輸油管線;黃土丘陵溝壑區(qū)

黃土丘陵溝壑區(qū)位于我國(guó)暖溫帶和中溫帶的過(guò)渡地帶、森林和草原荒漠的過(guò)渡地帶,地理位置特殊,地形復(fù)雜,土壤侵蝕嚴(yán)重,在長(zhǎng)期的人類活動(dòng)影響下,該區(qū)植被破壞嚴(yán)重,生態(tài)環(huán)境脆弱[1]。近年來(lái),對(duì)黃土丘陵溝壑區(qū)植被的研究越來(lái)越多,其中種子庫(kù)、植被恢復(fù)和植被與土壤環(huán)境之間的關(guān)系是國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的重點(diǎn)內(nèi)容[2-8]。莫保儒等的研究集中在該區(qū)植被恢復(fù)過(guò)程物種組成以及物種多樣性方面[9]。白文娟等研究了黃土丘陵溝壑區(qū)各環(huán)境因子和時(shí)間因素對(duì)植被恢復(fù)的影響,并在此基礎(chǔ)上研究了種子庫(kù)對(duì)植被恢復(fù)的影響[10]。寇萌對(duì)陜北黃土丘陵溝壑區(qū)抗侵蝕植物的特性及其群落特征進(jìn)行了探討[11]。

自改革開(kāi)放以來(lái),陜北地區(qū)油氣工業(yè)發(fā)展迅速,集輸管線的大量鋪設(shè)對(duì)黃土高原的生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了一定程度的破壞,但前人研究成果均無(wú)涉及。我們對(duì)陜北黃土丘陵溝壑區(qū)石油集輸管線沿線植物的生長(zhǎng)現(xiàn)狀進(jìn)行了調(diào)查,以期為陜北經(jīng)濟(jì)社會(huì)建設(shè)、植被恢復(fù)和生態(tài)建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域和方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)設(shè)在典型的黃土高原丘陵溝壑區(qū)——安塞縣、志丹縣、甘泉縣、靖邊縣境內(nèi),位于108°5′44″～109°33′46″E、36°6′57″～38°3′15″N,海拔950～1823 m,是西北地區(qū)典型的環(huán)境脆弱區(qū)(圖1)。該區(qū)地形復(fù)雜,土壤侵蝕嚴(yán)重,人類活動(dòng)對(duì)自然環(huán)境的影響深遠(yuǎn)。氣候?qū)倥瘻貛О敫珊禋夂?四季分明,氣溫年較差和日較差均較大,年平均降水量435 mm左右,年平均氣溫8.4 ℃,年平均日照時(shí)間2332～2768 h。區(qū)內(nèi)第二產(chǎn)業(yè)發(fā)達(dá),煤炭、石油等資源富集,是西北地區(qū)的能源產(chǎn)地。該區(qū)植被人為破壞嚴(yán)重,生長(zhǎng)稀疏,分布廣泛的物種有豬毛蒿(Artemisiascoparia)、鐵桿蒿(A.gmelinii)、茭蒿(A.giraldii)、達(dá)烏里胡枝子(Lespedezadavurica)等。

圖1 研究區(qū)地理位置及采樣點(diǎn)分布

1.2 研究方法

采用樣方法進(jìn)行野外調(diào)查。調(diào)查時(shí)間為2016年7月。在志丹縣甄峁村、甄家峁、陽(yáng)臺(tái)村、吳家溝村,靖邊縣青陽(yáng)岔村、黃家灣,安塞縣莊科灣村,甘泉縣青龍峁、煙洞溝村鋪設(shè)石油管線處選取9個(gè)區(qū)域設(shè)置樣方(圖1),喬木樣方采用20 m×20 m或10 m×10 m,灌木樣方設(shè)置為5 m×5 m,草本樣方設(shè)置為1 m×1 m。樣方調(diào)查內(nèi)容包括物種、株數(shù)、高度、蓋度、胸徑、基徑、冠幅、生長(zhǎng)及分布狀況。在調(diào)查過(guò)程中還記錄樣地狀況，并使用GPS對(duì)調(diào)查地點(diǎn)進(jìn)行定位和記錄。

本文選取6種指數(shù)來(lái)測(cè)度和分析物種的多樣性特征，其計(jì)算公式[12]如下。

物種的重要值：IV=(RF+RH+RC)/3

豐富度指數(shù)：R=S

Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)：

Shannon-Wiener多樣性指數(shù)：

Simpson多樣性指數(shù)：

Pielou均勻度指數(shù)：

Alatato均勻度指數(shù)：

在上述公式中: RF為相對(duì)頻度; RH為相對(duì)高度; RC為相對(duì)蓋度; Pi為物種i的相對(duì)重要值; s為樣方數(shù); S為樣地中的物種數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 植被的組成特征

在本次調(diào)查中，共發(fā)現(xiàn)物種27科63屬77種,其中豆科8屬10種,禾本科10屬11種,堇菜科1屬2種,菊科12屬18種,薔薇科7屬8種,紫草科3屬3種,藜科、蘿藦科、毛茛科、楊柳科各2屬2種,車前科、唇形科、蔥科、蝶形花科、胡頹子科、苦木科、馬錢科、葡萄科、茜草科、傘形科、莎草科、松科、桃金娘科、小檗科、亞麻科、榆科、紫葳科各1屬1種。其中菊科、禾本科、豆科、薔薇科植物種類數(shù)居前4位,分別占總種類數(shù)的23.38%、14.29%、12.99%和10.39%。本次調(diào)查的77種植物,分屬于喬木、小喬木、灌木、半灌木、多年生草本和一二年生草本共6類生活型，其中喬木6種,小喬木2種,灌木9種,半灌木4種，草本植物56種,多年生草本植物42種,一二年生草本植物14種。在各生活型中,最多的植物類型是草本類,小喬木則最少。通過(guò)計(jì)算各區(qū)域樣地的物種重要值,列出其中重要值大于0.1的植物種類(表1)。從表1可以看出,在重要值大于0.1的物種中,多年生草本和一二年生草本占明顯優(yōu)勢(shì)。

2.2 物種的多樣性特征

由圖2可以看出：各樣地的豐富度指數(shù)為7～33,平均為19種；以樣地P5的豐富度指數(shù)最高,物種數(shù)最多,為33種；樣地P2、P4、P6的物種數(shù)較少,其中P6的豐富度最低,豐富度指數(shù)為7，這可能與這幾個(gè)樣地處于陰坡位置有關(guān)。Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)分布在0.081～0.347,平均為0.156,與物種豐富度的變化趨勢(shì)相反,即樣地中物種數(shù)越多,其Simpson優(yōu)勢(shì)度越低。Simpson多樣性指數(shù)分布在0.653～0.923,平均為0.845,其中最高值為0.923,出現(xiàn)在P6；最低值為0.653,出現(xiàn)在P5。Shannon-Wiener多樣性指數(shù)為1.276～2.936,平均為2.263。Simpson多樣性指數(shù)與Shannon-Wiener多樣性指數(shù)的變化規(guī)律一致,均與物種豐富度指數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系,與Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,即物種豐富度指數(shù)越高,多樣性指數(shù)越高,優(yōu)勢(shì)度指數(shù)越低。Pielou均勻度指數(shù)分布在0.656～0.856,變化幅度較小,平均為0.784。Alatato均勻度指數(shù)分布在2.582～17.847,變化幅度較大,平均為9.709；這兩種均勻度指數(shù)的變化規(guī)律基本一致。

表1 各區(qū)域主要植物種類的重要值和生活型特征

2.3 各層片物種多樣性特征

生物群落的結(jié)構(gòu)是群落中植物與植物之間、植物與環(huán)境之間相互關(guān)系的可見(jiàn)標(biāo)志,從群落結(jié)構(gòu)的角度研究物種多樣性很有意義[13]。根據(jù)本研究區(qū)群落的結(jié)構(gòu)特征,將植物層片分為草本層和喬灌木層,在不同樣地中喬灌木和草本植被的多樣性與優(yōu)勢(shì)度也不同。

由圖3可見(jiàn)：草本層的豐富度指數(shù)為5～26,喬灌木層為2～10,前者的豐富度指數(shù)明顯高于后者的；在Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)方面，草本層為0.083～0.432,喬灌木層為0.269～0.695,兩者變化趨勢(shì)一致；在Simpson多樣性指數(shù)方面，草本層變化于0.568～0.970,喬灌木層變化于0.305～0.731,以P5的指數(shù)最高,P6的指數(shù)最低;在Shannon-Wiener多樣性指數(shù)方面，草本層變化于0.974～2.659,喬灌木層變化于0.483～1.521;在Pielou均勻度指數(shù)方面，草本層為0.605～0.902,變化幅度較小,喬灌木層為0.527～0.865；在Alatato均勻度指數(shù)方面，草本層為1.649～13.283,喬灌木層為0.620～3.575,兩者的變化趨勢(shì)略有不同。

圖2 研究區(qū)植物群落的豐富度、優(yōu)勢(shì)度、多樣性及均勻度指數(shù)

表2列出了陜北黃土丘陵溝壑區(qū)石油管線沿線9個(gè)區(qū)域喬灌木和草本的Shannon-Wiener指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)和Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)的統(tǒng)計(jì)特征值。從表2中可以看出：草本的Shannon-Wiener指數(shù)平均值大于喬灌木的,說(shuō)明草本的物種多樣性較為豐富。均勻度與優(yōu)勢(shì)度指數(shù)相關(guān),草本層的均勻度較喬灌木層的高,但優(yōu)勢(shì)度相反,說(shuō)明喬灌木層的優(yōu)勢(shì)種表現(xiàn)較為明顯。在喬灌木和草本間Shannon-Wiener指數(shù)和優(yōu)勢(shì)度指數(shù)均不存在顯著差異,但Pielou均勻度指數(shù)存在顯著差異(P<0.05)。

表2 研究區(qū)各層片植物多樣性指數(shù)的統(tǒng)計(jì)特征

3 討論

3.1 植被自然恢復(fù)潛力

相較于人工恢復(fù)的植被,自然恢復(fù)的植被群落結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定,生態(tài)效益也更為顯著。因此植被自然恢復(fù)潛力對(duì)石油集輸管線沿線植被恢復(fù)具有重要意義。持久土壤種子庫(kù)是指在土壤中存活時(shí)間超過(guò)1年的種子[14]。持久土壤種子庫(kù)作為原有植物群落的“記憶”,對(duì)于干擾后的植被恢復(fù)至關(guān)重要[15]。黃土丘陵溝壑區(qū)大多數(shù)演替過(guò)程中的建群種和主要伴生種都具有一定數(shù)量的持久種子庫(kù),持久土壤種子庫(kù)能夠抵消干旱和半干旱地區(qū)由于生境不穩(wěn)定而造成的幼苗死亡和更新失敗,增大植物存活的幾率。如沿石油管線廣泛分布的豬毛蒿,它生產(chǎn)的大量小種子,易于傳播和進(jìn)入土壤,并且能夠形成持久土壤種子庫(kù),這就有利于其在地上植被受到干擾后迅速占據(jù)空間而完成種群更新、繁殖。本次調(diào)查中重要值大于0.1的物種,如長(zhǎng)芒草、達(dá)烏里胡枝子、灌木鐵線蓮、鐵桿蒿、中華隱子草、硬質(zhì)早熟禾、茭蒿等和主要伴生種如山苦荬、狗尾草、菊葉委陵菜、裂葉堇菜、抱莖苦荬菜等均具有一定數(shù)量的持久土壤種子庫(kù),能夠?yàn)樵搮^(qū)石油管線沿線植被恢復(fù)和更新提供基礎(chǔ)。

王寧對(duì)黃土丘陵溝壑區(qū)植被更新的限制因素進(jìn)行了研究,結(jié)果表明黃土丘陵溝壑區(qū)退耕恢復(fù)早期物種以其種子易于傳播、產(chǎn)量大,并能夠在土壤侵蝕環(huán)境下形成高密度的土壤種子庫(kù)來(lái)保證其在適宜的生長(zhǎng)條件下完成更新[16]。黃土丘陵溝壑區(qū)的溝坡殘留喬、灌木物種多具有萌生能力和較高的耐性,能夠在惡劣的生境中生存,并且能夠生產(chǎn)具有活性的種子,為其種群的更新和擴(kuò)散提供種子。在種子擴(kuò)散方面,該區(qū)植被草本物種占很大比例,易于風(fēng)播,種子較小,物種庫(kù)中接近半數(shù)的物種都依靠風(fēng)傳播[16]。在本研究區(qū)中,占比例最大的菊科和禾本科植物如豬毛蒿、鐵桿蒿、拂子茅、蘆葦、硬質(zhì)早熟禾等絕大部分物種都適于風(fēng)力傳播。

圖3 研究區(qū)分層次植物群落的多樣性

王東麗對(duì)植物種子的生活史策略及種子補(bǔ)播恢復(fù)進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)在研究區(qū)內(nèi),植物種子以近圓球形(FI<1.50)、重量小(<10 mg)及與環(huán)境相近的顏色(褐色和黑色)為主要的形態(tài)特征,并且大多具有芒毛、刺、翅、宿存花柱等附屬物[17]。在本次調(diào)查中的阿爾泰狗娃花、抱莖苦荬菜和杠柳等也是如此。冠毛、娟毛有利于種子固結(jié)在土壤表面,可以增加這些物種在侵蝕環(huán)境中定居的幾率。在植物種子休眠與萌發(fā)策略方面,黃土丘陵溝壑區(qū)植物種子萌發(fā)力強(qiáng)和種子休眠性弱的物種所占比重較大,為該區(qū)植物適應(yīng)土壤侵蝕環(huán)境的普遍萌發(fā)策略。植冠種子庫(kù)的存在可使種子延緩傳播,有利于減少惡劣環(huán)境對(duì)繁殖體生存的影響[18],因而具有重要的生態(tài)意義。本次調(diào)查的9個(gè)樣地中以菊科、禾本科、豆科、薔薇科植物較多,大多具有植冠種子庫(kù),這就有利于管道沿線種子的萌發(fā)與生長(zhǎng)。

綜合分析以上種子生長(zhǎng)形態(tài)、生產(chǎn)策略、休眠與萌發(fā)策略,以及種源與擴(kuò)散、土壤種子庫(kù)等因素,黃土丘陵溝壑區(qū)的物種具有良好的適應(yīng)干旱和抗侵蝕的能力,這些因素均有利于石油集輸管道沿線植被的自然恢復(fù)與更新。

3.2 石油集輸管線對(duì)植被影響的評(píng)價(jià)

目前對(duì)石油集輸管線沿線植被恢復(fù)有兩種情況：一種是自然恢復(fù),另一種是工程措施恢復(fù)。本次調(diào)查樣地主要物種有27科63屬77種,物種較為豐富,其中菊科、禾本科、豆科、薔薇科植物占多數(shù),生長(zhǎng)狀況良好。石油集輸管線寬約0.5 m,開(kāi)挖寬度窄,影響范圍較小,且黃土丘陵溝壑區(qū)溝坡多分布?xì)埓娴墓嗖葜脖换騿棠玖?保存有大量的物種,構(gòu)成了天然的植物種源庫(kù),能夠?yàn)楣芫€開(kāi)挖處植被的恢復(fù)提供種源,有利于其植被的恢復(fù)。綜合分析土壤種子庫(kù)、種子的生長(zhǎng)策略等因素,陜北石油管道沿線植被自然恢復(fù)潛力良好。

采取工程恢復(fù)措施是在石油管線填埋上方設(shè)置小的溝道,并在部分溝道上方覆蓋草垛,一方面可以減少?gòu)搅髁?截留土壤的水分和養(yǎng)分,另一方面土壤的微地形如坑洼、裂痕等能夠在降低種子隨土壤侵蝕而流失風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí),攔蓄水分,減少蒸發(fā),增加濕度,為幼苗的存活提供適宜環(huán)境[19]。草垛的設(shè)置能夠起到遮陰降溫效果,增大幼苗的生存幾率。該研究區(qū)存在大量退耕演替早期群落如豬毛蒿等,這些物種種子小,質(zhì)量輕,種子量大,坡溝的設(shè)置和草垛的覆蓋使得這些植物種子易于進(jìn)入土壤縫隙,有利于開(kāi)挖后石油集輸管線上方植被的恢復(fù)。

何倩對(duì)吳起-定邊輸油管線工程進(jìn)行了環(huán)境評(píng)價(jià),其研究結(jié)果顯示工程建設(shè)前后管道沿線生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)EI值分別為57.66和54.39,變化幅度不大[20]。本次實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn),石油管線沿線植被自然恢復(fù)情況良好,石油集輸管線的鋪設(shè)尚未對(duì)沿線植被產(chǎn)生嚴(yán)重破壞。但今后也要采取一定的措施,如定期更換管線、定期檢查管線是否有漏油情況、更新管線鋪設(shè)技術(shù)、選擇合理的鋪設(shè)路線等減少對(duì)沿線植被的破壞,并對(duì)沿線植被生長(zhǎng)情況進(jìn)行相應(yīng)的監(jiān)督，以利于其植被的恢復(fù)。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)陜北黃土丘陵溝壑區(qū)石油集輸管線沿線9個(gè)區(qū)域的樣地調(diào)查,該區(qū)沿線物種共計(jì)27科63屬77種,菊科、禾本科、豆科、薔薇科植物較多,分別占總數(shù)的23.38%、14.29%、12.99%和10.39%。調(diào)查區(qū)域中植物的各生活型數(shù)量大小關(guān)系是:多年生草本>一二年生草本>灌木>喬木>半灌木>小喬木。多年生草本和一二年生草本在該區(qū)占明顯優(yōu)勢(shì)。

各區(qū)域物種多樣性指數(shù)的特征是:豐富度指數(shù)在7～33之間;Simpson指數(shù)和Shannon-Wiener指數(shù)具有相同的變化趨勢(shì),與物種豐富度指數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系,與Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系;Pielou均勻度指數(shù)與Alatato均勻度指數(shù)的變化規(guī)律基本一致。各層片物種的多樣性特征:草本的豐富度指數(shù)明顯高于喬灌木的;在Simpson優(yōu)勢(shì)度方面，草本和喬灌木具有相同的變化規(guī)律;在多樣性指數(shù)方面，草本的Simpson指數(shù)和Shannon-Wiener指數(shù)變化規(guī)律基本相同,而喬灌木則略有差異;在均勻度指數(shù)方面，草本的Pielou均勻度指數(shù)與Alatato均勻度指數(shù)的變化規(guī)律基本一致,數(shù)值相差較大,而喬灌木則數(shù)值相差較小,變化規(guī)律略有不同。

陜北黃土丘陵溝壑區(qū)植被生長(zhǎng)情況較好,具有良好的自然恢復(fù)潛力；工程恢復(fù)措施有利于其植被的恢復(fù)與更新；石油集輸管線的鋪設(shè)尚未對(duì)陜北黃土丘陵區(qū)的植被產(chǎn)生破壞,但今后也要實(shí)施相關(guān)的舉措以降低管線鋪設(shè)對(duì)沿線植被的破壞。

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AnalysisofVegetationStatusalongPetroleumGatheringPipelineinLoessHillyandGullyRegionofNorthernShaanxi

ZHAO Rui-rui1,2, YIN Shu-yan1*, WANG Shui-xia1, ZHOU Ya-li1, WANG Ning1

(1. School of Geography and Tourism, Shaanxi Normal University, Xi’an 710119, China; 2. National Demonstration Center for Experimental Geography Education, Shaanxi Normal University, Xi’an 710119, China)

The growth statuses of vegetations in 9 districts along petroleum gathering pipeline in loess hilly and gully region of northern Shaanxi were investigated. The investigated vegetation along the petroleum gathering pipeline belonged to 77 species, 63 genera and 27 families; among them, the species number in Compositae, Gramineae, Leguminosae and Rosaceae were the most, accounting for 23.38%, 14.29%, 12.99% and 10.39% of the total species number, respectively. The vegetation could be divided into 6 life forms, and the species number of various life-form plants revealed the following sequence: perennial herbs > annual and biennial herbs > shrubs > arbors > subshrubs > small arbors. The Simpson diversity index and Shannon-Wiener diversity index of vegetations in different districts had the same variation tendency, and they were positively correlated with species richness index, while were negatively related to Simpson dominance index. The species richness index and evenness index of herbaceous plants were higher than those of arbors and shrubs. The vegetations along petroleum gathering pipeline in loess hilly and gully region of northern Shaanxi had a good natural recovery potential, and the adopted engineering measures were favorable for the vegetation restoration in this region. The laying of the petroleum gathering pipeline has not yet caused a serious damage to the vegetations in loess hilly and gully region of northern Shaanxi.

Species diversity; Vegetation restoration; Petroleum gathering pipeline; Loss hilly and gully region

2017-06-30

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41371029、41501290);中國(guó)博士后科學(xué)基金特別資助項(xiàng)目(2012T50795);陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃面上項(xiàng)目(2017JM4026)。

趙芮芮(1993─),女,碩士研究生,主要從事環(huán)境變化與自然災(zāi)害研究。*通訊作者:殷淑燕。

Q948.156

A

1001-8581(2017)11-0063-06

(責(zé)任編輯:黃榮華)