特高壓工程塔基區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靈紹線特高壓工程塔基區為例

劉建林 孫新珂 張 琦 賈 麗

(中國電力工程顧問集團華北電力設計院有限公司, 北京 100120)

特高壓輸電工程建設有利于促進區域經濟協調發展,是滿足未來我國電力需求持續增長的基本保證;同時也極大地優化了資源配置,減輕鐵路煤炭運輸和中、東部地區環保壓力[1]。特高壓輸電工程屬于生態影響類項目,生態影響防控堅持預防與恢復相結合的原則,預防優先,恢復補償為輔;建設過程中將不可避免地擾動原地貌、破壞塔基區植被,竣工后再加強植被恢復措施,以實現“建設環境友好型”輸電工程的重要目標[2]。

對已運行多年的特高壓工程進行樣方調查時發現,塔基區灌草群落特征、物種多樣性處于不斷的變化之中,周邊的物種也會進入塔基區參與群落演替;由于塔基區無高大喬木植物生長形成類似“林窗”的微生境,光照、溫度等環境因子發生改善[3- 4],使其會成為一些適應性強、生長速度快植物的“避難所”[5]。同時巡檢維護行為直接降低了塔基區灌木層、草本層生物量,同時會減緩塔基區植被恢復和群落演替[6- 7]。目前研究多集中于特高壓工程運行過程中電磁和噪聲[8-9]的防治措施和對策,鮮見針對塔基區次生植被群落物種多樣性和生物量研究的報道。

選擇位于浙江省杭州市已運行6年的靈紹線特高壓工程塔基區為研究對象,采用樣方法對比分析塔基區次生植被特征、物種多樣性和生物量特征,并與塔基區附近未受干擾影響的對照區進行對比,以期為特高壓工程塔基區灌草群落優化、植被演替及物種多樣性研究和保護提供理論基礎,為更加科學有效地開展特高壓工程塔基區人工植被恢復提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設置

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

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

1.2.2 物種重要值

重要值=(相對密度+相對蓋度+相對頻度)/3

1.2.3 物種多樣性指數

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

(1)Shannon-Wiener指數

pi=ni/N(i=1,2……,S)

(2)Margalef豐富度指數

R=(S-1)/lnN

(3)Pielou均勻度指數

(4)Simpson多樣性指數

式中,ni為第i物種個體數,N為所有種的個體數,S為種的數目。

1.3 數據分析

基礎數據統計分析應用Excel 2016進行數據整理與統計分析。采用單因素方差分析法(One-way ANOVA)分析塔基區和對照區多樣性指數、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 結果與分析

2.1 塔基區和對照區的物種組成和重要值

野外樣方調查共記錄塔基區、對照區物種數量和物種組成見表1。其中喬木層優勢科為殼斗科(Fagaceae),灌木層優勢科為薔薇科(Rosaceae)、殼斗科(Fagaceae)、樟科(Lauraceae)和豆科(Leguminosae),草本層優勢科為禾本科(Poaceae)、菊科(Compositae)。

表1 塔基區和對照區主要物種及重要值

通過對比塔基區與對照區物種數,塔基區喬木層消失,而出現了對照區所沒有的灌木層和草本層物種,表明特高壓工程建設直接改變了原來的微環境而導致物種數量、功能地位和分布格局發生顯著的變化。與對照區物種重要值比較可知,塔基區喬木物種重要值降至0;對灌木層、草本層而言,對照區物種重要值均分布均勻而無明顯優勢種凸現,而塔基區優勢種為山雞椒和菝葜,草本層優勢種變更為五節芒和芒。

2.2 塔基區和對照區物種多樣性分析

塔基區和對照區灌木層、草本層物種多樣性H、D、R和E值見表2。結果顯示:塔基區灌木層、草本層的R值高于對照區而無顯著性差異,H和D值低于對照區但顯著性差異不明顯,E值低于對照區且呈現顯著性差異。此外,塔基區無喬木層致使其物種多樣性顯然低于對照區。與對照區對比分析,塔基區R值較大表明特高壓工程建設導致塔基區次生植被灌木層物種數和個體數均明顯減少,但H、D和E值較小表明塔基區無喬木層遮蔽后,次生植被灌木層物種之間存在激烈競爭而優勢物種占據更多的生態位。

表2 塔基區和對照區樣地的物種多樣性

由表2看出,塔基區灌木層的H、D、R和E值均高于草本層,對照區灌木層的H、D和R值高于草本層而E值低于草本層。E值反映物種數目和種群個體分布格局的變化,可知對照區喬灌草層植被的物種組成、數量和分布特征已處于相對穩定的狀態,喬灌層對草本層有強烈的遮蔽作用,塔基區次生植被灌木層對草本層遮蔽作用低于對照區。

2.3 塔基區和對照區生物量分布

塔基區無高大喬木生長導致喬木層生物量遠遠低于對照區的4989.73 g/m2(P<0.05),塔基區灌木層多為低矮且生長年限短的植物,從而使其生物量68.61 g/m2顯著低于對照區的575.48 g/m2(P<0.05),而草本層生物量9.56 g/m2與對照區5.94 g/m2無顯著性差異(P>0.05)。表明特高壓工程建設后的一定年限內,草本層生物量可快速恢復至對照區生物量水平(見圖1)。

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

3 討論

3.1 塔基區次生植被群落特征

喬木層消失改善了塔基區光熱條件,塔基區出現了對照區沒有的灌木物種檫木、草本物種五節芒、芒等,這與不能在林下自然更新的灌草類植物出現在林窗內的研究結果[16- 17]相近,同時更新物種的種類和數量也發生變化[18];隨著塔基區灌木層植物遮蔽作用顯現,增加了草本層喜陽和耐蔭性物種的共存機率,因而塔基區物種組成和種類與對照區存在一定的相似性,這與周東等[19]的物種組成由物種關系和環境條件共同決定的觀點一致,同時也表明塔基區次生植被群落正在向對照區演替變化。

對照區植被歷經長期演替而處于成熟的穩定共存狀態,林下生態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勢種;塔基區喬木層消失后,灌木層山雞椒和菝葜、草本層五節芒和芒等物種占據較寬的生態位成為優勢種,這與物種與生境條件變化相適應的研究結果一致[20-21],也體現出不同物種對外界干擾的耐受性、生物學特性、生態位等生態習性的響應能力不同[22]。塔基區灌木層中如菝葜、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性強的五節芒和芒出現并處于絕對優勢地位[23]。此外,塔基區的鬼針草、小蓬草和狗尾草等一年生草本物種優勢地位顯著提升,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論吻合,反映了塔基區次生植被群落由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 塔基區次生植被植物多樣性變化

塔基區灌木層和草本層R值高于對照區與學者[23, 26]研究的林窗物種豐富度高于非林窗結論一致,不同之處在于本研究中的塔基區灌木層物種數低于對照區,這主要原因為林窗形成后不再受到干擾影響,而塔基區常常遭受特高壓工程巡檢維護干擾的影響,同時塔基區灌木和草本植物仍存在物種競爭關系,使灌木和草本物種多樣性與人為干擾呈現不固定的變化規律[27]。特高壓工程巡檢維護的干擾與塔基區光照等微環境的改變共同影響灌草層植物的生長,導致塔基區灌木層和草本層H、D、E值均低于對照區的結果與林窗內植物多樣性高于非林窗的結論[28]不一致,可能由于塔基區灌木和草本植物生長空間擴大,可吸收的光照和養分競爭性增強,導致灌木和草本植物在巡檢維護干擾下的空間競爭力和營養爭奪力差距縮小[29],并且林窗內灌木層、草本層的物種多樣性特征隨林窗大小、發育階段變化也呈現不同的對應關系[30- 31]。

3.3 塔基區次生植被生物量影響

特高壓工程建設直接改變了塔基區層次結構而使得生物量集中在灌木層和草本層,塔基區的形成增加了有效光輻射,而巡檢維護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果[32]不同的直接原因。塔基區草本層生物量高于對照區但無顯著性差異,巡檢維護行為削弱了灌木層對草本層生長發育的屏障作用,從而有利于草本層特別是一年生草本物種的生長發育,使得草本層生物量在短期內迅速累積[33]?？傮w上,塔基區因無喬木層生長、巡檢維護行為使得塔基區總生物量遠低于對照區。此外,物種生物量是群落演化過程中物種與環境相互適應的階段性產物,次生群落植被生物量隨著年限的增加與物種多樣性表現出不同的相關關系[34],鑒于本研究期限較短,已運行6年的特高壓工程塔基區次生植被群落處于演替過程中何種狀態,需考慮特高壓工程巡檢維護干擾特點而進行較長年限的生態調查研究。

4 結論

塔基區光熱條件改善促使灌木層和草本層優勢種凸顯并處于絕對優勢地位;特高壓工程運行過程中的巡檢維護行為和塔基區微環境變化共同影響了塔基區灌木層和草本層物種多樣性,同時塔基區灌草層物種Margalef指數高于對照區但差異不顯著,而Shannon-Wiener指數和Simpson指數低于對照區無顯著性差異,Pielou指數低于對照區且呈現顯著性差異。巡檢維護行為對灌木層生物量削減效應遠大于草本層,塔基區呈現出灌木層生物量顯著低于對照區而草本層生物量與對照區無顯著性差異。

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