全 文 ：第 26 卷第 12 期
2006 年 12 月
生 　　态 　　学 　　报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol. 26 ,No. 12
Dec. ,2006
区域植被恢复对生态安全的影响预测
———以岷江上游干旱河谷为例
李国强1 ,2 ,马克明1 , 3 ,傅伯杰1
(1. 城市与区域生态国家重点实验室 ,中国科学院生态环境研究中心 ,北京　100085 ;2. 中国水利水电科学研究院 ,水环境研究所 ,北京　100038)
基金项目 :国家自然科学基金资助项目 (40571005) ;创新研究群体科学基金资助项目 (40321101) ;国家自然科学基金资助项目 (40504067)
收稿日期 :2006208225 ;修订日期 :2006212208
作者简介 :李国强 (1976～) ,男 ,内蒙古人 ,博士 ,主要从事景观生态学研究.3 通讯作者 Corresponding author. E-mail :mkm @rcees. ac. cn
Foundation item :The project was financially supported by National Natural Science Foundation of China (No. 40571005 , 40321101 , 40504067)
Received date :2006208225 ;Accepted date :2006212208
Biography :LI Guo-Qiang ,Ph. ,D. , mainly engaged in landscape ecology. E2mail : mkm @rcees. ac. cn
摘要 :退化生态系统恢复是保障区域生态安全的重要途径之一。在生态系统结构功能严重受损 ,威胁到区域生态安全时 ,通过
引入物种进行主动的植被恢复可以有效地加速生态系统恢复进程 ,维护区域生态安全。但是区域尺度的植被恢复是一项规模
浩大的工程 ,其效果和影响难以立即显现。为了评估区域植被恢复的生态风险 ,根据岷江上游干旱河谷区域植被恢复格局的设
计结果 ,预测了区域植被恢复对生态安全的影响。通过对比分析现状植被盖度及生物多样性与植被恢复格局预测结果的差异 ,
对区域植被恢复的效果进行评价 ,认为尽管植被恢复格局设计使部分区域生物多样性下降 ,但它整体提高了地表植被覆盖度 ,
增强了抵御土壤侵蚀的能力 ,对保障区域生态安全具有积极的效果。
关键词 :区域尺度 ;植被恢复 ;生态影响预测 ;生物多样性 ;生态安全
文章编号 :100020933(2006) 1224127208 　中图分类号 :Q143 　文献标识码 :A
Impacts prediction of regional vegetation restoration on ecological security
LI Guo2Qiang1 ,2 , MA Ke2Ming1 , 3 , FU Bo2Jie1 　(1. State Key Laboratory of Urban and Regional Ecology , Center of Eco2Environmental Sciences ,
CAS , Beijing 100085 , China ; 2. Department of Water Environment , China Institute of Water Resources and Hydropower Research , Beijing 100038 , China) . Acta
Ecologica Sinica ,2006 ,26( 12) :4127～4134.
Abstract :Restoring degraded ecosystem is an effective way for improving ecological security in region. Applying restoration
measures , such as introducing suitable native species , is perhaps necessary under some environment , especially where the natural
ecosystem function was seriously damaged. However , it is hard to monitor the ecological impacts and environmental influences of
regional vegetation restoration immediately , a prediction on the regional vegetation restoration would be significant alternatively. In
this paper , the ecological impacts of regional vegetation restoration were predicted in an arid valley of Minjiang River , SW China.
The differences of biodiversity indices and vegetation coverage between the designed vegetation restoration pattern and the field data
indicated that alpha and beta diversity indices were decreased in some parts of the region after vegetation restoration , however ,
vegetation coverage was reasonably increased , which would enhance the capability of soil and water preservation , thus could
improve the ecological security of the region.
Key words :biodiversity ; ecological security ; regional scale ; vegetation restoration ; prediction of ecological effect
　　世界范围内 ,很多自然生态系统均在不同程度上受到了损害 ,迫切需要进行生态系统恢复以改善生态系
统功能和保证生态安全。较为理想的生态系统恢复的方法是采取封育的方法 ,使退化生态系统自然恢复 ,使
其结构和功能逐步恢复到原初状态。通过自然演替 ,逐渐改善生态系统的微环境 ,由相对单一的植物群落逐
渐恢复成为结构、组成和功能相对复杂的稳定群落[1 ] ,但是按照这种方法需要较长的时间[2 ] 。显然 ,在生态系
统严重退化的区域 ,区域生态安全已经受到严重威胁 ,自然恢复是远远不能满足要求的。因此采取主动的生
态系统恢复措施、加速恢复过程是十分必要的[3 ] ,许多恢复实践已经取得了显著效果[4 ] 。
良好的植被覆盖是避免土壤侵蚀最重要的生物因素。据关君蔚的研究 ,植被覆盖度达到 70 %以上 ,不论
实际坡度大小 ,植被组成如何 ,都可以防止面蚀[5 ] 。向师庆等的研究进一步证明 ,只要灌草丛覆盖度大于
60 % ,即可保护土壤免于侵蚀[6 ] 。因此在植被恢复之后 ,能否提高地表植被覆盖度是检验其措施是否有效的
重要方面。
生态系统的退化过程是复杂的 ,既有系统本身的自然属性决定的内在原因 ,但加速其退化的驱动力是人
类直接或间接干扰[7～9 ] 。生态系统退化具有明显的区域性 ,生态系统恢复也需要在区域尺度进行。近年来 ,
生态学家提出了区域生态安全格局的概念为区域生态恢复提供了理论框架[10 ] ,并在岷江上游干旱河谷开展
了以恢复植被、增加地表植被覆盖度的区域植被恢复格局的研究。通过定量研究物种2环境关系 ,在 GIS 为技
术平台 ,将环境因子的空间分布转化为区域尺度上的植被重建格局的设计[11 ] 。根据每一个位点的环境状况
选择区域内的土著种 ,不仅能够适应该位点的环境状况 ,并可以促进该位点群落演替的良性发展。
区域尺度上的生态系统恢复是一项规模庞大的工程 ,同时也伴随着一定的环境风险 ,因此对生态系统恢
复的效果做出预判 ,对保障区域生态安全具有重要意义。岷江上游干旱河谷植被破坏严重 ,并伴随着强烈的
土壤侵蚀 ,生物多样性的丧失和水土流失是对此区域生态安全威胁最大的环境问题。因此 ,本文通过对比野
外植被调查的样方数据与对应的区域植被恢复格局预测数据的差异 ,分析了生物多样性指数以及可以反映土
壤侵蚀状况的植被覆盖度的变化 ,对区域植被恢复效果进行了评价 ,以判断植被恢复格局的有效性和实用性。
图 1 　研究区位置及样带分布
Fig.1 　Location of the sample sites along the Upper Minjiang River , SW
China
1 　研究区概况
研究区位于岷江上游汶川、茂县的干旱河谷 ,东经 103°33′27″～103°44′33″;北纬 31°53′46″～31°28′05″。河
谷为南北走向 ,两侧谷坡陡峭 ,河流下切和侧蚀能力强。焚风效应显著 ,山谷风强 ,年降水量分布不均 ,干湿季
分明[7 ] 。气候属于干旱河谷气候 ,年平均温度为 10～11 ℃左右 , ≥10 ℃的年积温为 4071. 5 ℃,年降水量 490mm
左右[12 ] 。
岷江干旱河谷植被稀疏 ,原生森林植被不复存在 ,呈半荒漠状态。植被以干热稀树草丛和热性草丛、热性
灌草丛为主 ,形成以草本植被为主的干热 (河谷稀树草坡景观 ,是长江上游森林草地生态系统中的生态脆弱地
区之 一。在 阳 坡 的 灌 丛 主 要 有 白 刺 花 ( Sophora
vrcifolia) 、铁扫帚 ( Indigofera bungeana ) 、小马鞍羊蹄甲
( Bauhinia faberi var. microphylla ) 、对节刺 ( Sageretia
pycnophylla ) 等 , 阴 坡 的 灌 丛 主 要 有 西 南 野 丁 香
(Leptodermis purdomii ) 、三花莸 ( Caryopteris terniflora) 等。
群落的盖度一般较低 ,有的区域甚至不足 10 %。其中
覆盖度为 20 %～50 %的中覆盖度草地 ,分布面积最大 ,
达到总面积的 40. 9 % ;其次是郁闭度超过 40 %的灌木
林地 ,达到总面积的 3417 % ;郁闭度在 10 %～30 %的稀
疏林地有 3. 65 % ,应该进行退耕还林的坡度 ≥25°的旱
地只有 0. 32 %。
2 　研究方法
2. 1 　样带设计
在干旱河谷内的 3 个典型区 ,石大关 (干旱河谷向
亚高山森林过渡区) ,飞虹 (干旱河谷核心区) ,威州镇
(干旱河谷向温性森林过渡区) ,共选取 6 条样带 ,分别
8214　 生 　态 　学 　报 26 卷
记录为 a21 ,b21 ;a22 ,b22 ;a23 ,b23。1 ,2 ,3 样带分别位于石大关、飞虹和威州镇 ,a 样地处在阴坡 ,b 样地处在阳
坡 ,样带在每个地点呈“V”型 (图 1) 。在每条样带上 ,沿海拔梯度的间隔 ,并结合植被类型 ,选取标准样地做调
查 ,共选取 48 个 5m ×5m 灌丛样方 ,每个灌丛样方内 ,沿主对角线方向等间距设置 3 个 1m ×1m 草本样方。在
灌丛样方内 ,记录物种名、高度、多度、盖度、冠幅等 ;草本样方中记录物种名、株高、盖度和多度。同时记录群
落的地形因子 ,干扰状况等。
表 1 　研究区土地利用状况
Table 1 　Land use condition in research region ( %)
代码
Code
描述
Description
百分比
Percent ( %)
121 旱地 Farmland 5. 31
124 旱地 ,坡度 > 25°Farmland , slope > 25° 34. 77
21
有林地 ,郁闭度 > 30 % Forest , crown density >
30 % 3. 65
22
灌木林地 ,郁闭度 > 40 % Shrub ,crown density >
40 %
2. 10
23
疏林地 ,郁闭度为 10 %～30 %之间 Open forest ,
crown density between 10 %～30 % 8. 04
24
其他林地 :幼林 ,苗圃 Other forest :young growth ,
nursery
40. 86
31
高覆盖度草地 ,郁闭度 > 40 % High density grass
land , crown density > 40 % 0. 55
32
中覆盖度草地 , 郁闭度在 20 %～ 50 %之间
Medium density grass land , crown density between
20 %～50 %
0. 15
33
低覆盖度草地 ,郁闭度 5 %～20 %之间 Low
density grass land
0. 11
51 城镇用地 Urban land 4. 13
52 农村居民点 Rural village 0. 32
2. 2 　恢复设计方案
恢复的设计根据土地利用现状调查的结果进行。
从研究区土地利用现状判断 (表 1) ,区域植被恢复的
范围应该包括 : (1) 坡度 ≥25°的旱地、中覆盖草地、疏
林地的植被覆盖度较低 ,应是区域植被重建的重点地
段 ; (2)对未成林造林地、迹地、苗圃、和其它园地也应
该属于植被恢复范围 ,只是可以区别对待 :苗圃保留 ,
其它园地也应根据实际情况尽可能实施植被恢复。
在具体植被恢复设计中 ,原为林地的可恢复为林地 +
草本群落 ,原为草地的仍旧恢复为草本群落。根据这
个原则 : ≥25°的旱地、疏林地和其它园地恢复为灌木
+草本群落 ;中覆盖草地只恢复为草本群落。为此 ,
参照已经得出的区域植被恢复格局[11 ] ,将植被恢复范
围内植被替换为由选择出的 8 种灌木建群种和 6 种
建群种构成的群落 ,实施植被恢复。
土地利用现状图来自中国科学院遥感中心根据
1997 年 TM 影像的。土地利用分类采用中国科学院
资源环境数据中心建立分类系统中的 3 级分类。
2. 3 　分析方法
对比 3 个典型区 ,在位点、坡位和坡向尺度上 ,α、β多样性以及植被覆盖度的现状与格局预测的结果之间
的差异 ,根据生物多样性以及植被覆盖度的变化分析区域植被恢复格局的有效性。现状数据来自于野外调查
的样方数据 ,格局预测数据见文献[11 ] 。
α多样性分析采用 Shannon2Wiener 指数、Evenness 指数和 Richness 指数进行分析 ;β多样性分析采用Jaccard
相似性指数。
(1) Shannon2Wiener 指数
H′= - ∑
S
i = 1
( pi ) (ln pi ) (1)
　　式中 , H′为 Shannon2Wiener 指数 ,反映群落的复杂程度 ; pi 为样本中属于物种 Ⅰ在全部物种中所占的比
例 ; S 为全部的物种数 ;ln 为自然对数。
(2) Evenness 指数
J = H′Hmax 　其中 　Hmax = ln ( S ) (2)
式中 ,J 为 Evenness 指数反映群落的均匀程度 ; H′为 Shannon2Wiener 指数 ; Hmax表示样本中最大能达到的均匀
度。
(3) Richness 指数 :样本中的物种数。尽管没有统计学上的意义 ,但物种数目的增减可以放映出植被恢复
的效果。
(4) 相似性指数
921412 期 李国强 　等 :区域植被恢复对生态安全的影响预测 ———以岷江上游干旱河谷为例 　
Cj =
j
a + b - j (3)
　　Cj 为相似性指数 ; j 为共有物种数 ; a 为样方 1 物种数 ; b 为样方 2 物种数。相似性程度越高 ,群落见物种
替代速率越低。
3 　结果与分析
3. 1 　α多样性差异分析
3. 1. 1 　样带 　从图 2、3 中可以看出 ,植被恢复后 ,在灌木层 ,a21 样带 3 个指数增加非常明显 ,植被恢复使其
群落更加复杂 ,分布也更均匀 ,物种数目也有很大增加。b21 样带 Evenness 指数略有增加 ,而 Shannon2Wiener
指数和 Richness 指数均略有降低。在草本层 ,a21 和 b21 样带 3 个指数的变化趋势相同 ,只是 a21 样带仅
Evenness 指数增加明显。在 a22 和 b22 样带 ,灌木层 3 个指数变化趋势相反 ,a22 样带 Evenness 指数增加 ,而另
两个指数降低 ,但总体变化幅度较小 ;b22 样带是 Evenness 指数降低 ,而另两个指数增加 ,而且 Evenness 指数降
低明显 ,降幅超过了 30 %。草本层 a22 样带 3 指数降低明显 ,降幅在 23 %～34 %之间 ;b22 样带 3 个指数均有
增加 ,物种数增幅达到了 22 %。在 a23 和 b23 样带 ,灌木层在 a23 样带只 Evenness 指数略有增加 ,另两个指数
显著降低 ;b23 样带 Shannon2Wiener 指数和 Richness 指数增加明显 ,但 Richness 指数降低较多 ,物种数显著减
少。草本层 ,a23 样带 3 指数略增 ,增幅很小 ;b23 样带 3 指数均明显降低 ,但 Evenness 指数降幅很大 ,物种分布
趋向于聚集。
图 2 　样带尺度灌木层生物多样性变化 ( %)
Fig. 2 　Change of alpha diversity index of shrub species between sample
strips ( %)
图 3 　样带尺度草本层生物多样性变化 ( %)
Fig. 3 　Change of alpha diversity index of grass species between sample strips
( %)
　　总体来说 ,在石大关样带 (a21 和 b21)属于干旱河谷灌丛向亚高山森林的过渡区 ,其群落的灌木种类和数
量本身较少 ,致使林下的微环境差异较小 ,草本层物种分布比较集中 ,所以植被恢复使两条样带草本层均匀性
增加。在阴坡水分条件相对较好 ,植被类型特征更接近亚高山森林区 ,所以无论灌木还是草本层 ,植被恢复使
群落复杂性和物种数均有不同程度增加 ;而阳坡水分条件较差 ,植被类型特征更接近干旱河谷灌丛 ,植被恢复
使群落复杂性和物种数均有不同程度的降低 ,但降幅不是很大。
位于干旱河谷区的两条样带 (a22 和 b22) ,由于气候干旱 ,环境条件恶劣 ,使适应干旱气候的物种逐渐加到
群落中 ,此区域物种数和均匀度均较高。因此植被恢复使生物多样性降低 ,但覆盖度得以显著增加。
由于汶川样带 (a23 和 b23)处在干旱河谷区向温性森林过渡区靠近干旱河谷的一侧 ,其阴坡灌木层发达 ,
并伴有温性森林物种 ,而草本层相对发育较差 ,所以植被恢复使其灌木层多样性降低 ,而草本层增加 ;阳坡水
分条件差 ,植被类型特征较接近干旱河谷 ,植被恢复使灌木层多样性增加而草本层多样性降低。
因此 ,植被恢复使干旱河谷灌丛向亚高山森林的过渡区缩短 ,但为植被进一步发育创造了基础 ;使干旱河
谷植被向良性发展 ;在干旱河谷区向温性森林过渡区的阴坡则需要慎重 ,可能会导致生物多样性损失。
3. 1. 2 　坡位 　在坡位尺度灌木和草本层生物多样性变化相同 (图 4、图 5) ,上、中坡位 Shannon2Wiener 指数和
Richness 指数均有较明显下降 ,Evenness 指数除灌木层上坡位外均有较明显上升 ;在下坡位 ,除灌木层 Evenness
0314　 生 　态 　学 　报 26 卷
指数均是显著上升的。由于在上、中坡位 ,人类活动造成的干扰相对较少 ,群落结构较复杂 ,物种数目相对较
多。由少数群落物种进行植被恢复造成生物多样性的降低。而在下坡位 ,人类活动相对较多 ,生物多样性损
失较严重 ,植被恢复使其得到提高。因此进行植被重建设计时充分考虑坡位因素 ,将可以取得更好的效果。
图 4 　坡位尺度灌木层生物多样性变化 ( %)
Fig. 4 　Change of alpha diversity index of shrub species between slope
positions ( %)
图 5 　坡位尺度草本层生物多样性变化 ( %)
Fig. 5 　Change of alpha diversity index of grass species between slope
positions ( %)
3. 1. 3 　坡向 　在坡向尺度 (图 6、图 7) ,灌木层多样性在北向 Shannon2wiener 指数和 Richness 指数明显上升 ,而
Evenness 指数下降 ,东、南、西向变化趋势完全与之相反。草本层在四个方向上均是 Shannon2wiener 指数和
Richness 指数下降 ,Evenness 指数在北和南向上升 ,东、西向下降。在坡向尺度上 ,生物多样性变化复杂 ,目前
尚无法进行有效的解释 ,但总体来说 ,植被恢复使群落趋于简单 ,物种数下降。
图 6 　坡向尺度灌木层生物多样性变化 ( %)
Fig. 6 　Change of alpha diversity index of shrub species between aspects
( %)
图 7 　坡向尺度草本层生物多样性变化 ( %)
Fig. 7 　Change of alpha diversity index of grass species between aspects
( %)
3. 2 　β多样性差异分析
从图 8 中可以看出 ,植被恢复后 ,各样带β多样性整体降低 ,但这是用少数群落对区域进行植被替代的必
然结果。植被恢复加速群落的正向演替 ,使群落物种组成更加接近 ,而导致了物种替代速率下降。
3. 3 　植被覆盖度变化
从表 2 中可以看出 ,各建群种代表的候选的灌木层盖度在 35 %～65 %之间 ,而草本层盖度可以达到 62 %
～90 %。图 9～11 显示 ,样带、坡向和坡位尺度上 ,实施植被恢复后 ,灌木层和草本层的植被覆盖度均有不同
程度的增加。从植被盖度的角度讲 ,植被恢复的设计能够有效的降低土壤侵蚀 ,可以达到维护区域生态安全
的目的。
4 　讨论及结论
4. 1 　讨论
对植被恢复效果评价来说 ,通过生物多样性指数和地表植被覆盖度进行评价只是一个简单的方法。首
131412 期 李国强 　等 :区域植被恢复对生态安全的影响预测 ———以岷江上游干旱河谷为例 　
　　
图 9 　样带尺度植被覆盖度的变化
Fig. 9 　Change of vegetation cover between sample strips
图 8 　各样带β多样性变化
Fig. 8 　Change of beta diversity index between sample strips
表 2 　用于恢复的灌木及草本物种
Table 2 　The shrub and grass species for restoration
物种 Species 盖度 Vegetation cover
灌木物种 Shrub
小马鞍羊蹄甲 Bauhinia faberi var. microphylla 0. 55
香莸 Caryopteris odorata 0. 65
三花莸 Caryopteris terniflora 0. 55
铁扫帚 Indigofera bungeana 0. 47
西南野丁香 Leptodermis purdomii 0. 55
细梗胡枝子 Lespedeza virgata 0. 35
小花滇紫草 Onosma farrerii 0. 59
白刺花 Sorphora vrcifolia 0. 65
草本物种 Grass
黄茅 Heteropogon contortus 0. 9
火绒草 Leontopodium leontopodioides 0. 9
蕨 Pteridium aquilinum 0. 9
绵枣儿 Scilla scilloides 0. 85
金色狗尾草 Setaria glauca . 0. 63
虱子草 Tragus berteronianus 0. 62
先 ,我们只能简单地分析一些生物多样性指数的变
化 ,但很多时候不能对其进行更加充分的解释 ,或者
说不能根据生物多样性指数的升高或降低判断植被
的健康状况。其次 ,即使植被恢复给生物多样性带来
了损失 ,其恢复效果仍有值得权衡的余地。在植被演
替过程中 ,在演替初期 ,各物种逐渐占据生境的过程
中 ,生物多样性可能是很高的 ,但是植被 ,尤其是灌木
或者乔木层的覆盖度一般较低 ;随着演替的深入 ,生
物多样性逐渐达到最大值 ,各层片逐渐发育完整 ,覆
盖度也随之增加 ;但是到了演替后期 ,建群种的覆盖
度逐渐达到最高 ,受之影响 ,一部分物种逐渐从群落
中退出 ,生物多样性实质上是一个降低的过程。植物
群落的生物多样性和覆盖度本身存在着一个矛盾 ,追
求最高的生物多样性 ,可能就不能满足达到最高的覆
盖度。尽管维护一个区域的生态安全 ,保持生物多样
性是重要任务之一 ,但当区域内面临其它更严重的生
态问题 ,对区域安全产生威胁时 ,植被恢复的最主要
的目的就是能够降低其生态环境风险 ,促进生态系统
功能的健康发展 ,这时提高区域生物多样性则成了次
要任务。本文提出的植被恢复格局设计虽然使部分
区域生物多样性下降 ,但它整体提高了地表抵御土壤
侵蚀的能力 ,并为植被进一步的正向演替发育创造了
基础。从这个角度来说 ,此植被恢复格局设计是成功
的。由于本文提供的植被恢复工作还没有付诸实施 ,
其有效性还需证明。
下一步工作中 ,可以通过监测土壤侵蚀量或者测
定植被盖度的方法验证其植被恢复是否真正改善了
当地的生态环境。在研究方法和技术手段上 ,随着
GIS 技术的发展 ,许多区域尺度上土壤侵蚀的评价模
型已经得到广泛应用[13 ,14 ] ,为开展该区的水土流失评
价提 供 了 方 法。对 于 植 被 盖 度 的 测 定 , NDVI
(Normalized Difference Vegetation Index) 指数应用十分
广泛[15～21 ] 。NDVI是一种简易廉价获得植被覆盖度的
方法 ,未来水土流失评价研究中可用来估计区域植被
盖度。
4. 2 　结论
为检验植被恢复可能产生的生态后果 ,我们对比分析了植被恢复区域内 ,按此格局设计进行植被恢复后
的生物多样性和植被覆盖度可能发生的变化。结果表明 :植被恢复格局设计的确使部分区域生物多样性下
降 ;但是进行植被恢复的积极效应也非常明显 ,它显著提高了区域的地表植被覆盖度 ,增强了抵御土壤侵蚀的
能力 ;而且为干旱河谷向亚高山森林过渡区的植被进一步发育创造了基础 ,可以使干旱河谷植被向良性发展 ,
加快了生态系统恢复的速度。
2314　 生 　态 　学 　报 26 卷
图 10 　坡向尺度植被覆盖度变化
Fig. 10 　Change of vegetation cover between aspects
图 11 　坡位尺度植被覆盖度变化
Fig. 11 　Change of vegetation cover between slope positions
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