九寨溝地震災(zāi)后植被恢復(fù)過(guò)程中樹種篩選

張煒, 代金莉, 賀維, 吳世磊, 蘇宇, 陳滌非, 鄢武先, 鄧東周, 黃春萍, 陳永林

1. 四川省林業(yè)科學(xué)研究院，森林和濕地生態(tài)恢復(fù)與保育四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610000；

2. 四川師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，四川 成都 610000；

3. 九寨溝縣林業(yè)和草業(yè)局，四川 阿壩 623400

九寨溝國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)處于濕潤(rùn)的四川盆地邊緣向半干旱的青藏高原延伸的過(guò)渡地帶，是聯(lián)合國(guó)教科文組織世界自然遺產(chǎn)地和人與生物圈保護(hù)區(qū)[1]。九寨溝作為世界生物多樣性熱點(diǎn)之一，具有保護(hù)全球生物多樣性的意義和研究?jī)r(jià)值[2]。2017 年四川省阿壩藏族羌族自治州九寨溝縣發(fā)生7.0 級(jí)地震，使得林地資源和野生動(dòng)物棲息地在這次地震中遭到了嚴(yán)重?fù)p毀，區(qū)域內(nèi)局部范圍的生態(tài)系統(tǒng)功能衰退，區(qū)域生態(tài)狀況急劇惡化，大熊貓等珍稀野生動(dòng)物生命安全受到極大威脅。地震導(dǎo)致山體滑坡、泥石流等自然災(zāi)害，進(jìn)一步造成森林植被受到巨大破壞[1,3]。因此，加速地震災(zāi)區(qū)的森林生態(tài)修復(fù)，對(duì)保障該區(qū)域生態(tài)安全、構(gòu)筑生態(tài)屏障具有重要現(xiàn)實(shí)意義。植被的自然恢復(fù)是一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程，且受到眾多因素的影響[4],隨著演替時(shí)間的增加，土壤和蓄水狀況會(huì)得到改善，但是速度較慢。為加快地震災(zāi)區(qū)植被恢復(fù)重建工作，進(jìn)行必要的人工恢復(fù)可極大加快植被恢復(fù)的進(jìn)程。

在人工恢復(fù)過(guò)程中，栽植生長(zhǎng)快、抗逆性強(qiáng)的樹種是一項(xiàng)十分重要的措施。鄉(xiāng)土樹種經(jīng)過(guò)當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境的長(zhǎng)期選擇，對(duì)當(dāng)?shù)厣硹l件有較強(qiáng)適應(yīng)性和抗逆性[5,6]，有利于構(gòu)建穩(wěn)定的森林生態(tài)系統(tǒng)。目前，植物篩選的研究工作雖然取得了一定的進(jìn)步，但也存在著植物品種單一化，多樣性低，鄉(xiāng)土氣息丟失，應(yīng)用推廣的野生樹種少等問(wèn)題[7]。層次分析法(analytic hierarchy process, AHP) 首創(chuàng)于20 世紀(jì)70 年代, 它是一種定性與定量相結(jié)合的決策分析方法，其突出特點(diǎn)是可以將復(fù)雜問(wèn)題分解成若干個(gè)層次，在較原問(wèn)題簡(jiǎn)單得多的層次上逐步分解分析，并可將人的主觀判斷和定性分析用數(shù)量分析表述、轉(zhuǎn)換和處理[8]。因此多年來(lái)在植被恢復(fù)樹種篩選、植物資源及景觀價(jià)值評(píng)價(jià)等方面廣泛應(yīng)用[9-11]。在九寨溝地震災(zāi)后，通過(guò)層次分析法，開展水土保持優(yōu)良植物的篩選及評(píng)價(jià)研究是植被恢復(fù)的前提和基礎(chǔ)，目前鮮見報(bào)道。本研究采用選點(diǎn)調(diào)查、實(shí)驗(yàn)測(cè)定和層次分析等方法，在九寨溝地震災(zāi)區(qū)對(duì)8 種喬木樹種和8 種灌木樹種進(jìn)行篩選和綜合評(píng)價(jià)，研究不同樹種的生長(zhǎng)適應(yīng)特性、水土保持特性和生態(tài)效益性，為九寨溝植被恢復(fù)提供理論和技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)概況

本研究區(qū)域位于九寨溝國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)及九寨溝國(guó)家風(fēng)景區(qū)（E103°46′—104°05′，N32°55′—33°16′；1 996?4 764 m a.s.l.），區(qū)域地勢(shì)復(fù)雜，土地利用以林草為主。受熱帶和海洋性季風(fēng)氣候影響，經(jīng)常暴露在亞冰點(diǎn)溫度下，年平均溫度為6 ℃?7 ℃，最高溫度和最低溫度分別為30.7 ℃和?20.2 ℃。年平均降水量約761.8 mm，大部分降水量在5 月至8 月之間。從10 月到次年4 月下旬為雪被期。區(qū)域內(nèi)植被豐富，有冷杉 (Abies ernestii)、落葉松 (Laris potaninii)、華山松 (Pinus armandii)、油松 (Pinus tabulaeformis)等，林下植被以高山柳 (Salix cupularis)、繡線菊 (Spiraea salicifolia)等為主[12,13]。

2 研究方法

2.1 供試品種

實(shí)生苗均根據(jù)實(shí)地調(diào)查的結(jié)果，選擇樹種，包括：花楸（Sorbus pohuashanensis）、華西箭竹（Fargesia nitida）、茶藨子（Ribes sativum）、小葉忍冬（Lonicera microphylla）、高山柳（Salix cupularis）、紅花薔薇（Rosa moyesii）、四川忍冬（Lonicera szechuanica）、缺苞箭竹（Fargesia denudata）等8 種灌木和紫果云杉（Picea purpurea）、紅樺（Betula albosinensis）、黃 果 冷 杉（Abies ernestii）、油 松（Pinus tabuliformis）、疏花槭（Acer laxiflorum）、糙皮樺（Betula utilis）、白樺（Betula platyphylla）、長(zhǎng)尾槭（Acer caudatum）等8 種喬木。

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在九寨溝地震災(zāi)區(qū)進(jìn)行實(shí)地調(diào)查記錄。調(diào)查共設(shè)置樣方144 個(gè)，其中喬木樣方34 個(gè)和灌木樣方47 個(gè)，調(diào)查主要記錄植物的名稱、數(shù)量、高度、蓋度、海拔等。

2019 年4 月下旬，供試物種實(shí)生苗移栽于32 cm×40 cm 的營(yíng)養(yǎng)缽內(nèi)，每盆1 苗，每種植物設(shè)置25盆。栽植土壤在原位選擇林地土壤，并在樹種萌芽展葉后統(tǒng)計(jì)存活率。2020 年6 月，每種隨機(jī)選擇3 盆，收集根際土壤，一部分土壤存放于?4 ℃冰箱用于檢測(cè)土壤酶活性，有機(jī)質(zhì)和含水率等指標(biāo)，另一部分土壤于?80 ℃冷凍干燥，用于檢測(cè)土壤微生物等指標(biāo)。

2.3 檢測(cè)方法

土壤含水率和土壤總孔隙度按照文獻(xiàn)測(cè)定[14,15]的方法測(cè)定，土壤有機(jī)質(zhì)含量的測(cè)定采用重鉻酸鉀容量法[16]，土壤脲酶活性的測(cè)定采用靛酚比色法測(cè)定[17]，土壤細(xì)菌多樣性指數(shù)采用高通量法測(cè)定[18-20]。

2.4 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的建立

建立喬木樹種篩選評(píng)價(jià)指標(biāo)集（C）：選擇實(shí)生苗存活率（C1）、高度（C2）作為植物適應(yīng)性指標(biāo)；選擇土壤含水率（C3）、冠幅（C4）、郁閉度（C5）、土壤總孔隙度（6）作為水土保持指標(biāo)；選擇土壤有機(jī)質(zhì)（C7）、土壤脲酶活性（C8）和土壤細(xì)菌多樣性（C9）作為生態(tài)效益指標(biāo)，作為喬木樹種試驗(yàn)選優(yōu)的評(píng)價(jià)指標(biāo)集C={C1,C2,C3,C4,C5,C6,C7,C8,C9}。

建立灌木樹種試驗(yàn)選優(yōu)的評(píng)價(jià)指標(biāo)集（C）：選擇實(shí)生苗存活率（C1）、高度（C2）作為植物適應(yīng)性指標(biāo)；土壤含水率（C3）、蓋度（C4）、土壤總孔隙度（C5）作為水土保持指標(biāo)；選擇土壤有機(jī)質(zhì)（C6）、土壤脲酶活性（C7）和土壤細(xì)菌多樣性（C8）作為生態(tài)效益指標(biāo)，作為灌木樹種試驗(yàn)選優(yōu)的評(píng)價(jià)指標(biāo)集C={C1,C2,C3,C4,C5,C6,C7,C8}。

為了使評(píng)判更接近于實(shí)際情況，建立評(píng)判集V={V1,V2,V3,V4,V5}，V1、V2、V3、V4、V5 分別對(duì)應(yīng)評(píng)語(yǔ)為優(yōu)、較優(yōu)、良、中、差，即評(píng)判集評(píng)語(yǔ)表示待篩選的植物對(duì)應(yīng)種植區(qū)域的適應(yīng)性評(píng)價(jià)，是適應(yīng)程度的集合。其中將喬木樹種Cj(j=1,2,3,···,9)和灌木樹種Cj(j=1,2,3,···,8)分別分成5 個(gè)等級(jí)，級(jí)距以(Cjmax-Cjmin)/4 來(lái)確定，根據(jù)級(jí)距來(lái)確定Cj 的分級(jí)界限值。

進(jìn)一步按照層次分析法(AHP)原理，建立指標(biāo)梯階層次結(jié)構(gòu)，并通過(guò)兩兩比較判斷矩陣，確定各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重，并賦予各指標(biāo)的權(quán)重值。最終根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重集，以及建立的模糊綜合評(píng)判矩陣模型得出各供試樹種的評(píng)價(jià)結(jié)果，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的歸一化處理，按照模糊數(shù)學(xué)最大隸屬度原則進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，獲得各篩選樹種的評(píng)價(jià)等級(jí)。

2.5 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)整理和計(jì)算均采用Microsoft Excel 2013 軟件。

整理的數(shù)據(jù)采用DPS 軟件處理。

3 結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)指標(biāo)值和評(píng)判集

根據(jù)調(diào)查和試驗(yàn)結(jié)果獲得喬木樹種的調(diào)查值和檢測(cè)值，結(jié)果見表1。供試喬木樹種實(shí)生苗存活率紫果云杉最高（76.0%），白樺最低（44.0%）；調(diào)查結(jié)果顯示油松樹高最高（19.75 m），長(zhǎng)尾槭最低（6.83 m）；油松冠幅最大（10.66 m），長(zhǎng)尾槭最低（3.97 m）；油松郁閉度最大（0.39），長(zhǎng)尾槭最低（0.03）；土壤檢測(cè)結(jié)果顯示，紅樺土壤含水率最高（10.98%），長(zhǎng)尾槭土壤最低（10.19%）；土壤總孔隙度以紫果云杉最高（60.79%），白樺最低（55.21%）；土壤有機(jī)質(zhì)以紅樺土壤最高（90.86 g/kg），長(zhǎng)尾槭土壤最低（75.28 g/kg）；土壤脲酶以紫果云杉土壤最高（1.39 U），長(zhǎng)尾槭土壤最低（75.28 g/kg）；土壤細(xì)菌多樣性指數(shù)差異不大，油松土壤相對(duì)最高，而長(zhǎng)尾槭土壤相對(duì)最低（表1）。

灌木樹種的調(diào)查值和檢測(cè)值結(jié)果見表2。供試的灌木樹種中，花楸實(shí)生苗存活率最高（76%），小葉忍冬最低（44%）；但是小葉忍冬苗高最高（1.65 m），四川忍冬最低（0.95 m）；缺苞箭竹土壤含水率最高（11.6%），小葉忍冬最低（10.48%）；缺苞箭竹蓋度最大（10.23%），紅花薔薇蓋度最?。?.5%）；缺苞箭竹土壤總孔隙度最高（55.23%），小葉忍冬最低（50.19%）；土壤有機(jī)質(zhì)含量、土壤脲酶活性和土壤細(xì)菌多樣性指數(shù)分別以花楸（80.58 g/kg）、缼苞箭竹（1.38 U）和高山柳（9.77）為最高，而四川忍冬均是最低，分別為64.80 g/kg、1.17 U 和9.3。

表 2 灌木樹種調(diào)查值和檢測(cè)值Tab. 2 Investigation and detection values of different shrub species

根據(jù)獲得的試驗(yàn)指標(biāo)值，分別確定喬木樹種和灌木樹種各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的分級(jí)界限值，分別見表3和表4。

表 3 喬木樹種各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的分級(jí)界限值Tab. 3 Classification limit value of each evaluation index for tree species

表 4 灌木樹種各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的分級(jí)界限值Tab. 4 Classification limit value of each evaluation index for shrub species

3.2 篩選結(jié)果

植被的篩選需要綜合考慮多種因素，各個(gè)指標(biāo)本身的影響是復(fù)雜的，同時(shí)各指標(biāo)之間也存在相互聯(lián)系和相互制約，評(píng)價(jià)指標(biāo)所占的權(quán)重大小在很大程度上反映了單個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的等級(jí)能力。因此，本研究采用層次分析法（AHP），建立指標(biāo)梯階層次結(jié)構(gòu)，并通過(guò)兩兩比較判斷矩陣，確定各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重（見表5 和表6），賦予各指標(biāo)的權(quán)重值。通過(guò)層次總排序一次性檢驗(yàn)喬木樹種和灌木樹種的CR 均小于0.10，判斷矩陣具有滿意的一致性。因此，評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重集中各分向量可作為相應(yīng)的評(píng)價(jià)因素。

通過(guò)權(quán)重表分析可以看出，喬木樹種篩選評(píng)價(jià)體系中實(shí)生苗存活率、土壤總孔隙度和土壤含水率的權(quán)重位于前三，灌木樹種中這個(gè)順序稍有變化，分別是土壤總孔隙度、實(shí)生苗存活率和土壤含水率，充分體現(xiàn)了樹種篩選過(guò)程中，苗木的存活率和土壤理化特征對(duì)植被修復(fù)的重要性。兩類樹種篩選評(píng)價(jià)體系中，高度的權(quán)重值最低，說(shuō)明植被高度在植被篩選過(guò)程中所產(chǎn)生的影響相對(duì)較小。

最終通過(guò)建立模糊綜合評(píng)判矩陣模型根據(jù)計(jì)算模型，得出各供試樹種的評(píng)價(jià)結(jié)果，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的歸一化處理，按照模糊數(shù)學(xué)最大隸屬度原則進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)（見表7，表8）。

根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果可知表現(xiàn)優(yōu)或較優(yōu)的喬木樹種為紫果云杉、紅樺、黃果冷杉、油松和疏花槭，表現(xiàn)良好的糙皮樺可以與優(yōu)良樹種混栽，而白樺和長(zhǎng)尾槭可能主要由于其存活率相對(duì)低，根系土壤含水率和土壤總孔隙度均相對(duì)較低，及其郁閉度也相對(duì)低而表現(xiàn)較差。

表現(xiàn)優(yōu)或較優(yōu)的灌木樹種為花楸、缺苞箭竹、高山柳和紅花薔薇。小葉忍冬、華西箭竹、茶藨子和四川忍冬相對(duì)存活率低，土壤含水率、土壤總孔隙度和土壤有機(jī)質(zhì)含量也相對(duì)較低，因此表現(xiàn)出中良等水平，也可以適當(dāng)?shù)赜糜诨煸浴?/p>

表 5 喬木樹種篩選體系層次的評(píng)價(jià)權(quán)重表Tab. 5 Hierarchy evaluation weight value of screening system for tree species

表 6 灌木篩選體系層次的評(píng)價(jià)權(quán)重表Tab. 6 Hierarchy evaluation weight value of screening system for shrub species

表 7 供試喬木樹種綜合性評(píng)價(jià)結(jié)果Tab. 7 Comprehensive evaluation results of tested tree species

表 8 供試灌木樹種綜合性評(píng)價(jià)結(jié)果Tab. 8 Comprehensive evaluation results of tested shrub species

4 討論和建議

本研究采用AHP 層次分析法綜合評(píng)價(jià)構(gòu)建評(píng)價(jià)體系，篩選出了適合九寨溝地震災(zāi)后植被修復(fù)的喬木樹種和灌木樹種，相對(duì)于采用選擇與設(shè)計(jì)等定性化或者各指標(biāo)單獨(dú)分析完成植物選擇具有更實(shí)踐和科學(xué)意義[21,22]。本研究在對(duì)九寨溝地震災(zāi)區(qū)進(jìn)行植被系統(tǒng)調(diào)查分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)生苗盆栽試驗(yàn)，同時(shí)考慮到實(shí)地災(zāi)后土壤狀況和高寒干旱等綜合特點(diǎn)，初步篩選后綜合設(shè)置了植物適應(yīng)性、水土保持和土壤生態(tài)效益的方面的評(píng)價(jià)因素。分層次和類別對(duì)九寨溝震后喬木樹種和灌木樹種進(jìn)行評(píng)價(jià)，并基于層次分析法進(jìn)行樹種優(yōu)化篩選，極大程度上減小了植物篩選的盲目性[23]，更有利于震后九寨溝植被恢復(fù)過(guò)程中植物的篩選。16 種樹種是基于實(shí)地調(diào)查選擇的當(dāng)?shù)仄毡樯L(zhǎng)的喬木和灌木，調(diào)查結(jié)果表明，紫果云杉、紅樺、黃果冷杉、油松和疏花槭等5 種喬木，以及花楸、缺苞箭竹、高山柳和紅花薔薇等4 種灌木具有明顯的優(yōu)勢(shì)，在環(huán)境適應(yīng)性，水土保持特性以及改善土壤生態(tài)等方面表現(xiàn)突出，因此在植被修復(fù)中必然具有優(yōu)越性。同時(shí)相對(duì)評(píng)價(jià)較好的喬木樹種糙皮樺本身具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力和生態(tài)、經(jīng)濟(jì)價(jià)值，是營(yíng)造用材林和水土保持林的優(yōu)良樹種[24]，與其他優(yōu)良樹種混栽，也能表現(xiàn)出環(huán)境的良好適應(yīng)性和響應(yīng)[25]。供試的灌木樹種中，沒有特別不適應(yīng)的樹種，其中小葉忍冬、華西箭竹、茶藨子和四川忍冬盡管在體系中評(píng)價(jià)一般，但是作為耐寒抗寒，或具有較高經(jīng)濟(jì)價(jià)值和藥用價(jià)值的品種，也可以因地制宜的適度栽植[26-28]。

總結(jié)起來(lái)，本研究對(duì)喬木樹種和灌木樹種的篩選為九寨溝地震災(zāi)后人工植被恢復(fù)提供了重要的基礎(chǔ)。同時(shí)，在植被的人工恢復(fù)過(guò)程中，還有許多方式可以通過(guò)提高和促進(jìn)植物的存活來(lái)加強(qiáng)植被恢復(fù)的效果。其中，較可行的就是采用不同的有效的處理方式改善土壤容重、孔隙度、團(tuán)粒結(jié)構(gòu)、滲透性、持水抗蝕能力等土壤物理性質(zhì)，或者增強(qiáng)微生物活性，提高土壤酶活性，增加土壤養(yǎng)分等生物化學(xué)特性[29-31]。比如，微生物肥料，相對(duì)農(nóng)作物而言在林木生長(zhǎng)上的應(yīng)用相對(duì)較少，但是研究表明采用微生物肥料育苗不僅可以提高苗木質(zhì)量和造林成活率，還能促進(jìn)幼林早期生長(zhǎng)，提高木材質(zhì)量以及促進(jìn)苗木對(duì)養(yǎng)分和水分的吸收[32]。課題組研究發(fā)現(xiàn)，在九寨溝地震災(zāi)區(qū)實(shí)地開展樹種實(shí)生苗盆栽試驗(yàn)，采用結(jié)合微生物菌劑處理后喬木實(shí)生苗存活率由平均值55.0%提高到64.0.0%（另文發(fā)表），可見微生物菌劑處理在提高了林木幼苗對(duì)環(huán)境的耐受性和適應(yīng)性具有顯著的效果。在九寨溝開展地震災(zāi)后人工干預(yù)加快植被恢復(fù)的過(guò)程中，微生物菌劑的處理方式在植被篩選中具有重要的作用。