CN115362864A - 一种石漠化脆弱区光伏场区植物群落结构的构建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种石漠化脆弱区光伏场区植物群落结构的构建方法。该方法包括以下步骤：S1、进行植物群落学调查，监测不同植物种群静态特征，识别群落成员型，界定植物群落垂直和水平的空间结构特征，以及影响植物群落结构的植物功能性状及生态策略；S2、获得群落结构特征；S3、筛选目标物种；S4、扩繁；S5、在群落发展初期进行土壤改良；群落发展过程中进行修剪堆肥。本发明通过基于植物群落结构分析进行石漠化区光伏场区稳定灌草群落构建，所构建的群落物种多样性高，植物长势良好，植被盖度增加，稳定性高，促进场区植物群落正向演替，提升碳汇功能，还能促进其它植物种进入群落定居，促进群落自我更新、正向演替。
Description
技术领域
本发明属于植被修复技术领域，具体涉及一种石漠化脆弱区光伏场区植物群落结构的构建方法。
背景技术
大规模建设光伏电站改变下垫面条件，影响局域、区域生态环境特征。中国西南石漠化区具有丰富的太阳能资源，同时也是世界三大石漠化区之一。石漠化生境内能量转换过程比较单调，空间异质性强、抗干扰能力差、生态系统功能弱，植被受损后自然恢复困难。在石漠化生态脆弱区建设光伏电站，严重影响下垫面植被。但是，有关石漠化区域光伏阵列影响下高效稳定的植被恢复关键技术是业内普遍关注的“卡脖子”技术难题之一，尚未攻克，严重制约了石漠化脆弱区生态光伏项目的推广应用，是当前亟待解决的关键技术。
单种植物种植的石漠化区光伏阵列植被恢复模式结构单一、群落脆弱、难以实现正向演替、强烈依赖人工管理，对生态系统功能的贡献较低，不符合中国将生物多样性保护上升为国家战略，把生物多样性保护纳入各地区、各领域中长期规划的战略要求，属于投入大，但是生态价值产出低的植被恢复模式。同时，传统的造林技术多采用乔木树种或者阳性树种，而在光伏电站场区受光伏板遮挡的影响，并不适用，且乔木生长影响光伏系统运行。在此基础上，当地天然或者自然恢复的次生灌草植物群落通过长期的生物与生物、生物与非生物相互作用，形成物种组配、功能结构等植物群落构建机制为石漠化区光伏场区植被恢复开辟了思路。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供一种石漠化脆弱区光伏场区植物群落结构的构建方法，通过解析自然植物群落物种组配、功能结构来构建光伏场区植被恢复群落，旨在破解石漠化脆弱区光伏场区植被恢复的技术瓶颈。
为实现上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种石漠化脆弱区光伏场区植物群落结构的构建方法，包括以下步骤：
S1、对海拔在800～2500m之间，人为干扰不明显的灌丛和草地布设标准样地进行植物群落学调查，监测不同植物种群静态特征，识别群落成员型，界定植物群落垂直和水平的空间结构特征，以及影响植物群落结构的植物功能性状及生态策略；
S2、以植物群落重要值作为多度数据，计算相应植物群落的稳定性、净系统发育亲缘关系指数，并以重要值计算植物功能性状在植物群落中的权重，获得组成群落的结构特征；
S3、基于步骤S2中得到的群落的结构特征，进一步按照植物群落成员型、空间结构特征、植物亲缘关系筛选植物备选库，结合原生或次生植物群落物种重要值权重分配，设计光伏板下以稳定植物群落为目标的物种小生境占有率配比；
S4、根据植物材料繁殖特征，采集不同植物繁殖材料进行扩繁，获得大量可用植物材料；对于不易获得植物扩繁材料的物种，根据步S2净系统发育亲缘关系指数分析结果，筛选易繁殖的近缘种进行替代；
S5、在群落发展初期进行土壤改良；群落发展过程中进行修剪。
进一步地，步骤S1中植物种群静态特征包括植物的多度、盖度、频度以及重要值等；
群落成员型包括建群种、共建种、伴生种、内部[生境]种和偶见种等；
植物群落垂直和水平的空间结构特征包括层片和空间分布等；
植物功能性状包括叶相对含水率、叶绿素含量、比叶面积、叶组织密度、碳代谢途径、固氮能力等功能性状中的至少一种；
生态策略包括植物抗旱性、CO2利用和N2利用等；
植物抗旱性，通过叶相对含水率、比叶面积、叶组织密度测定；CO2利用，通过C3、C4以及CAM代谢途径结合植物光合作用效率测定；N2利用，通过植物根瘤菌、弗兰克氏菌测定。
进一步地，步骤S2中净系统发育亲缘关系指数的计算公式如下：
其中，MPDobserved为群落中实际的物种间平均系统发育距离观测值， MPDrandomized为群落中物种在构建系统发育树时随机999次后获取的物种间平均系统发育距离平均值；sdMPDrandomized为群落中物种在构建系统发育树时随机999 次后获取的物种间平均系统发育距离的标准偏差。
进一步地，步骤S2中稳定性采用M.Godron稳定性方法进行计算。计算方法如下：
将目标群落中所有植物的频度，按从大到小排列，计算总种数倒数的累计百分数和相对频度的累计百分数，分别记为数列A和数列B，利用Excel等工具对数列A和数列B做散点图，通过以下优化公式拟合散点图，得到曲线L1：
y＝ax3+bx2+cx+d
在散点图上绘制直线L2连接坐标点(0，100)和(100，0)，求得L1和 L2的交点，选择交点坐标x值小于100的点与理论稳定点(20,80)作欧式距离计算，欧氏距离越小的点指示群落越稳定。
进一步地，步骤S2中植物功能性状在植物群落中的权重的计算公式如下：
其中，P为重要值；A为群落中具有该植物功能性状的植物的物种数。
进一步地，步骤S3中根据各群落净系统发育亲缘关系指数，以NRI＞0、 NRI＜0、NRI＝0判别群落系统发育结构是聚集、发散还是随机，对M.Godron 欧氏距离值进行大小排序，数值越小则群落越稳定。结合物种功能在各层中的比率，筛选稳定性较高、NRI值较小的植物群落，识别出群落中的物种构成、功能分布，筛选构建高效稳定群落的优选物种组成。
进一步地，步骤S3中的筛选标准为：
NRI≤0，且M.Godron稳定性方法所得欧式距离小于10的植物群落，识别出筛选得到的植物群落中的物种构成和功能分布，并植物功能性状在植物群落中的权重，筛选出其中具有耐旱、耐寒、耐瘠薄、耐荫、固碳效率高、固氮潜力高的物种，然后构建高效稳定的群落结构。
进一步地，群落结构中草本和灌木的物种数比例为3:1～5:1，单位面积灌木盖度在25～50％为宜，物种随机种植。
进一步地，灌木包括但不限于缫丝花、金丝桃、红花檵木、黄荆、金花小檗、马桑、南天竹、平枝栒子、匍匐栒子、小叶女贞、杭子梢、假连翘、鹅掌藤、车桑子、雀梅藤等物种中的至少一种；
草本包括但不限于艾、扁穗雀麦、高羊茅、画眉草、假杜鹃、猩猩草、狗肝菜、紫苜蓿、黄金菊、红花石蒜、白车轴草、蓝蓟等植物种中的至少一种。
进一步地，步骤S5的具体过程为：
针对光伏电站用地类型以及光伏电站最低高度不低于2.5m的标准，在群落发展初期，对石漠化区光伏场区土壤进行有机质及大中微量元素改良；在群落发展过程中，对高度超过1m的灌木进行修剪，草本植物进行刈割，绿肥还田，枯落物就地在场区进行堆肥还田；
土壤改良包括在群落发展的前3年内，在植被恢复区铺设节水滴灌系统结合水溶肥，进行水肥改善；在群落建植前撒复合肥亩施30～40kg、固氮微生物菌剂拌种亩用量2kg、有机肥亩施250～350kg，进行土壤养分改善。
进一步地，绿肥还田和枯落物堆肥还田根据长势在第1个生长季完成之后进行，灌木和一年生草本作业时间在生长季晚期10～11月进行，对于耐刈割的多年生草本植物可在生长季期间根据长势作业。
本发明的有益效果：
本发明通过基于植物群落结构分析进行石漠化区光伏场区稳定灌草群落构建，所构建的群落物种多样性高，植物长势良好，植被盖度增加，稳定性高，促进场区植物群落正向演替，提升碳汇功能，并且，还能促进其它植物种进入群落定居，促进群落自我更新、正向演替。
相比于传统的单一物种种植模式和不进行人工种植的模式，采用本发明后，光伏板下和板间的植物群落物种多样性、均匀度显著提高，可见，本发明可改善石漠化区光伏场区植物生长发育状况。
附图说明
图1为石漠化脆弱区光伏电站场区灌草植物群落恢复实验案例群落物种重要值；
图2为石漠化脆弱区光伏电站场区灌草植物群落恢复实验案例群落结构。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
实施例
案例试验地位于我国石漠化面积最大的地区云南省，选择省内东川区光伏电站场区进行现场试验，电站所在区域石漠化程度较严重，石多、土薄、易旱，植被生长受限、生物多样性较低、植物群落较脆弱，建群种为扭黄茅。案例采用本发明所要求的稳定植物群落构建方法对光伏场区植被进行恢复，并设置对照组进行对比分析。具体步骤如下：
S1、选择具有代表性的、人为干扰不明显的灌丛群落，群落分布在海拔 800～2500m之间，布设标准样地进行调查，共调查阴坡样地15个，阳坡样地15 个，记录群落中物种种类、数量、盖度，物种分类采取APGIV系统；在调查的同时利用叶绿素速测仪对所记录的植物种进行植物叶片叶绿素测量，每种植物测量3-5株，灌木测量植株中部位置东南西北方向无遮挡的健康、成熟叶片SPAD 值，草本测量植株中部无遮挡的健康、成熟叶片SPAD值；叶绿素测量完成后采集植株健康、成熟的叶片，灌木植物在个体东南西北方向各采集1条枝条，草本植物个体剪取带有完整叶片的枝条，装于自封袋中防止水分散失，带回实验室后剪取健康成熟叶片称量鲜重(0.0001g)，通过扫描仪扫描计算叶面积 (cm2)，通过游标卡尺测量叶厚度(mm)，然后105℃杀青半小时，65℃烘干至恒重称量干重(0.0001g)，计算叶片含水率、叶组织密度等功能性状指标。
S2、针对调查的植物群落数据，分别计算草本层和灌木层中物种的重要值；
以重要值为多度数据计算各层的净系统发育亲缘关系指数，指数通过基于APGIV分类系统调查的植物数据，利用R语言计算群落MPDobserved、MPDrandomized和sdMPDrandomized，进一步完成NRI指数计算；
以重要值为多度数据计算各层的M.Godron稳定性，利用Excel完成数据整理、散点图构建，并计算欧氏距离；
以重要值为权重分别计算灌木层和草本层植物叶绿素、叶片含水率、叶面积、叶厚度、叶组织密度、固碳、固氮等在各层中的比率。例如C3、C4、CAM 作为固碳功能差异，其计算方法为：
式中，P为各物种的重要值，A、B、C分别为群落中C3、C4和CAM植物的物种数。
S3、根据各群落净系统发育亲缘关系指数，以NRI＞0、NRI＜0、NRI＝0 判别群落系统发育结构是聚集、发散还是随机，对M.Godron值进行大小排序，数值越小则群落越稳定。结合物种功能在各层中的比率，筛选稳定性较高、NRI 值较小的植物群落，识别出群落中的物种构成、功能分布，筛选构建高效稳定群落的优选物种组成。
S4、根据调查分析结果筛选的最佳物种组成的物种功能特征，结合光伏电站所在区域的植被特征、立地条件，以及物种种质资源供应实际情况，部分具有较高适应性和功能价值的物种但是缺乏种质资源的物种以具有相似生态功能的近缘种进行替代，从而选取并构建对区域光照、土壤养分、水分、温度等适应性较高的物种库。CAM植物在研究区主要以龙舌兰、兰科植物为主，鉴于其较低的同化能力、特殊生长条件、种植技术等不作为备选物种。
其中灌木包括：缫丝花、金丝桃、红花檵木、黄荆、金花小檗、马桑、南天竹、平枝栒子、匍匐栒子、小叶女贞、杭子梢、假连翘、鹅掌藤、车桑子、雀梅藤等；草本包括：艾、扁穗雀麦、高羊茅、画眉草、假杜鹃、猩猩草、狗肝菜、紫苜蓿、黄金菊、红花石蒜、白车轴草、蓝蓟等。
S5、在土壤改良之后，进行试验对比分析。实验组从备选库中筛选3种以上物种，以草本：灌木物种数比3:1～5:1，单位面积灌木盖度在25～50％为宜，物种随机种植。扁穗雀麦、高羊茅、紫苜蓿等草本植物选择种子播种，红花石蒜等球根植物选择鳞茎栽种，灌木植物优选采用富根壮苗的容器苗栽种。撒播、栽种后浇足水，覆盖无纺布。
根据本发明筛选的优选物种和群落构建理论，于2020年春季(3～4月)，在东川区光伏电站场区进行现施工，场区在电站施工时对表层土干扰严重，表土极度匮乏，几无植被，为本试验提供了较均匀的环境背景(群落物种重要值见图1，群落结构见图2)。
案例选择灌木红花檵木、鹅掌藤、金丝桃、假连翘根据调查数据(表1)分析所得的生态策略，配合草本植物生态策略及本发明所要求的群落结构构建进行板下和板间的空间布局。
表1实验案例采用的灌木物种的生态策略分析
表2石漠化脆弱区光伏电站场区灌草植物群落恢复实验案例
在第二个生长季旺期(8月)，在对照组和实验组区域中进行植物群落学调查，在实验组和对照组的板下、板间分别设置3个1m×1m的调查样方，对样方内所有物种进行调查，记录物种盖度、株数、株高、长势等。根据调查数据分析植物群落结构，由于本案例灌木物种数少，调查时苗龄在3年左右，故在统计分析时均按草本分析方法进行分析。
本发明提高场区植被盖度，提升场区土地产出率，增加碳汇潜力。实验组板下、板间群落盖度均比对照组1板下、板间群落盖度提高1倍以上，比对照组2板下、板间群落盖度提高3～9倍。豆科、禾本科、杂类草以及灌木的互补效应和选择效应联合驱动光伏场区灌草群落的超产效应。
本发明显著提高群落物种多样性，提升稳定性。实验组的板下和板间的物种Shannon-Wiener多样性分别为2.48和2.53，Pielou均匀度分别为0.93和0.98；对照组1的板下和板间的物种Shannon-Wiener多样性分别为0.97和1.18，Pielou 均匀度分别为0.75和0.87；对照组2的板下和板间的物种Shannon-Wiener多样性分别为0.89和0.50，Pielou均匀度分别为0.81和0.72。相比于传统的单一物种种植模式和不进行人工种植的模式，采用本发明后，光伏板下和板间的植物群落物种多样性、均匀度显著提高，基于多样性-稳定性假说(stable-diversity hypothesis)，指示群落稳定性提升，为群落实现正向演替创造了必要的物种库。
本发明可改善石漠化区光伏场区植物生长发育状况。本发明的板下实验组和板间实验组的植物长势明显优于对照组1和对照组2，单一种植黄金菊的对照组1，因其较高的耗水量、较弱的抗旱能力导致其生长势差。采用本发明相后，光伏板间黄金菊平均株高增加8％。
本发明促进其它植物种进入群落定居，促进群落自我更新、正向演替。采用本发明后，光伏板下和板间的群落单位面积内物种增加5～7种，对照组1的板下和板间的群落单位面积内物种增加2～4种，对照组2的板下和板间的群落单位面积内物种增加2～3种。但是实验组单位面积新增物种密度34～69株(丛) /m2，对照组1单位面积新增物种密度17～66株(丛)/m2，对照组2单位面积新增物种密度20～59株(丛)/m2。对照组群落密度主要由区域建群种扭黄茅贡献，但是实验组为更多植物种提供了生态空间，促进群落正向演替，提高群落抵抗力稳定性和恢复力稳定性。
综上，本发明通过基于植物群落结构分析进行石漠化区光伏场区稳定灌草群落构建，所构建的群落物种多样性高，植物长势良好，植被盖度增加，稳定性高，促进场区植物群落正向演替，提升碳汇功能。本发明遴选了乡土适生灌草植物，形成了石漠化脆弱区光伏电站场区高效稳定植物群落构建方案。
Claims (10)
1.一种石漠化脆弱区光伏场区植物群落结构的构建方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、对海拔在800～2500m之间的灌丛和草地进行植物群落学调查，监测不同植物种群静态特征，识别群落成员型，界定植物群落垂直和水平的空间结构特征，以及影响植物群落结构的植物功能性状及生态策略；
S2、以植物群落重要值作为多度数据，计算相应植物群落的稳定性、净系统发育亲缘关系指数，并以重要值计算植物功能性状在植物群落中的权重，获得组成群落的结构特征；
S3、基于步骤S2中得到的群落的结构特征筛选适用于光伏场区的目标植物物种；
S4、根据筛选结果进行扩繁；
S5、在群落发展初期进行土壤改良；群落发展过程中进行修剪抚育。
2.根据权利要求1所述的石漠化脆弱区光伏场区植物群落结构的构建方法，其特征在于，步骤S1中所述植物种群静态特征包括植物的多度、盖度、频度以及重要值；
所述群落成员型包括建群种、共建种、伴生种、内部[生境]种和偶见种；
所述植物群落垂直和水平的空间结构特征包括层片和空间分布；
所述植物功能性状包括叶相对含水率、叶绿素含量、比叶面积、叶组织密度、碳代谢途径、固氮能力等功能性状中的至少一种；
所述生态策略包括植物抗旱性、CO2利用和N2利用。
3.根据权利要求1所述的石漠化脆弱区光伏场区植物群落结构的构建方法，其特征在于，步骤S2中所述净系统发育亲缘关系指数的计算公式如下：
其中，MPDobserved为群落中实际的物种间平均系统发育距离观测值，MPDrandomized为群落中物种在构建系统发育树时随机999次后获取的物种间平均系统发育距离平均值；sdMPDrandomized为群落中物种在构建系统发育树时随机999次后获取的物种间平均系统发育距离的标准偏差。
4.根据权利要求1所述的石漠化脆弱区光伏场区植物群落结构的构建方法，其特征在于，步骤S2中所述稳定性采用M.Godron稳定性方法进行计算。方法如下：
将目标群落中所有植物的频度，按从大到小排列，计算总种数倒数的累计百分数和相对频度的累计百分数，分别记为数列A和数列B，利用Excel等工具对数列A和数列B做散点图，通过以下优化公式拟合散点图，得到曲线L1：
y＝ax3+bx2+cx+d
在散点图上绘制直线L2连接坐标点(0，100)和(100，0)，求得L1和L2的交点，选择交点坐标x值小于100的点与理论稳定点(20,80)作欧式距离计算，欧氏距离越小的点指示群落越稳定。
5.根据权利要求1所述的石漠化脆弱区光伏场区植物群落结构的构建方法，其特征在于，步骤S2中所述植物功能性状在植物群落中的权重的计算公式如下：
其中，P为重要值；A为群落中具有该植物功能性状的植物的物种数。
6.根据权利要求1所述的石漠化脆弱区光伏场区植物群落结构的构建方法，其特征在于，步骤S3中的筛选标准为：
NRI≤0，且M.Godron稳定性方法所得欧式距离小于10的植物群落，识别出筛选得到的植物群落中的物种构成和功能分布，并基于植物功能性状在植物群落中的权重，筛选出其中具有耐旱、耐寒、耐瘠薄、耐荫且固碳效率高、固氮潜力高的物种，然后构建高效稳定的群落结构。
7.根据权利要求6所述的石漠化脆弱区光伏场区植物群落结构的构建方法，其特征在于，所述群落结构中草本和灌木的物种数比例为3:1～5:1。
8.根据权利要求7所述的石漠化脆弱区光伏场区植物群落结构的构建方法，其特征在于，所述灌木包括缫丝花、金丝桃、红花檵木、黄荆、金花小檗、马桑、南天竹、平枝栒子、匍匐栒子、小叶女贞、杭子梢、假连翘、鹅掌藤、车桑子和雀梅藤中的至少一种；
所述草本艾、扁穗雀麦、高羊茅、画眉草、假杜鹃、猩猩草、狗肝菜、紫苜蓿、黄金菊、红花石蒜、白车轴草和蓝蓟植物种中的至少一种。
9.根据权利要求1所述的石漠化脆弱区光伏场区植物群落结构的构建方法，其特征在于，步骤S5的具体过程为：
针对光伏电站用地类型以及光伏电站最低高度不低于2.5m的标准，在群落发展初期，对石漠化区光伏场区土壤进行有机质及大中微量元素改良；在群落发展过程中，对高度超过1m的灌木进行修剪，草本植物进行刈割，绿肥还田，枯落物就地在场区设置堆肥区进行堆肥还田；
所述土壤改良包括在群落发展的前3年内，在植被恢复区铺设节水滴灌系统结合水溶肥，进行水肥改善；在群落建植前撒复合肥亩施30～40kg、固氮微生物菌剂拌种亩用量2kg、有机肥亩施250～350kg，进行土壤养分改善。
10.根据权利要求9所述的石漠化脆弱区光伏场区植物群落结构的构建方法，其特征在于，所述绿肥还田和枯落物堆肥还田根据长势在第1个生长季完成之后进行，灌木和一年生草本作业时间在生长季晚期10～11月进行，对于耐刈割的多年生草本植物可在生长季期间根据长势作业。
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