高速公路邊坡物種多樣性與土壤特性的關系分析

康 艷，楊曉明 ，劉仁慶，田國行

(1.河南省科學院，河南 鄭州 450002;2.河南省駐馬店農(nóng)業(yè)學校，河南 駐馬店 463000;3.河南農(nóng)業(yè)大學林學院，河南 鄭州 450002)

高速公路建設一定程度上加劇了資源與環(huán)境之間的矛盾，破壞了沿線植被，導致物種多樣性降低、水土流失加劇等生態(tài)退化現(xiàn)象。土壤是植物最為重要的生長物質(zhì)基礎，土壤的理化性質(zhì)影響著植物的生長發(fā)育、生理活力和物種多樣性[1-2]。高速公路邊坡土壤組成結(jié)構及理化性質(zhì)有其自身特殊性，突出表現(xiàn)在它是對原有地面進行填挖產(chǎn)生的新的裸露坡面，土壤類型復雜、土壤條件惡劣等[3]。物種多樣性可定量表征生物群落和生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構特征，物種多樣性與土壤性質(zhì)有著密切的關系，多年來一直是生態(tài)學家研究的熱點[4]。

目前，物種多樣性的研究大多是針對自然植物群落，對人工干擾狀態(tài)下的植物群落研究較少，而高速公路邊坡生態(tài)系統(tǒng)作為受損的生態(tài)系統(tǒng)，通常所做研究主要集中于生態(tài)防護[5-6]、植被恢復[7-8]及水土流失預防與治理[9-10]等方面，而針對公路邊坡物種多樣性及其與土壤特性關系的研究甚少。筆者對滬(上海)陜(陜西)高速公路信陽至南陽段路基邊坡物種多樣性特征及其與土壤特性的關系進行了探討分析，旨在為類似立地條件下受損生態(tài)系統(tǒng)的恢復與重建提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于河南省南部，地形大致為東高西低，地貌類型為侵蝕崗地、侵蝕低山丘陵、剝蝕崗地與洪沖積平原等;屬北亞熱帶大陸性季風氣候區(qū)，四季分明，水熱資源豐富;沿線河流較為密集，其中唐河、白河水系支流較多;年均氣溫14.4～15.7℃，年均降水量 703.6～1173.4mm，降水主要集中于 6—9月，年日照時數(shù)1897.9～2120.9h。植物群落表現(xiàn)出北亞熱帶常綠落葉闊葉林地帶性規(guī)律;沿線邊坡土壤類型多，主要有填砂類、亞黏土黏土類、風化巖類、全風化巖 +生土類等，其中填砂類與全風化巖+生土類主要分布于平原地帶的填方路基(填砂路基填料就近利用當?shù)睾恿骱由百Y源，全風化巖+生土類填料主要來源于低山及石質(zhì)丘陵地區(qū))，亞黏土黏土類、風化巖類主要分布于剝蝕低丘區(qū)路塹邊坡。結(jié)合當前河南省高速公路邊坡生態(tài)防護植物選擇和項目區(qū)植物生長的實際情況，草本植物選用狗牙根(Cynodon dactylon)、高羊茅(Festuca arundinacea)、白三葉(Trifolium repens)，灌木選用胡枝子(Lespedeza bicolor)、扶芳藤 (Euonymus fortunei)、紫穗槐(Amorpha fruticosa)、火棘(Pyracantha fortuneana)、荊條(Vitex negundo var.heterophylla)，種植時間為2007年 4月10日。

2 調(diào)查項目與方法

2.1 調(diào)查項目

依據(jù)滬陜高速公路信陽至南陽段土壤類型的不同，選取 A、B、C、D共 4個典型觀測試驗段(表1)，在 4個試驗段上按1—7順序分別建立紫穗槐 +狗牙根 +高羊茅、胡枝子 +狗牙根 +高羊茅、荊條 +狗牙根 +高羊茅、火棘 +狗牙根 +高羊茅、扶芳藤+狗牙根 +高羊茅、狗牙根 +白三葉 +高羊茅、狗牙根 +高羊茅 7個植物群落，共28個觀測小區(qū)。每個植物群落觀測小區(qū)均設樣方 4個，灌木類調(diào)查樣方面積為1m×1m，草本類調(diào)查樣方面積為50cm×50cm(含灌草植物群落)，測定植物種類、株數(shù)和多度。

觀測時間是 2007年 5—9月，按土壤類型分別記錄每個小區(qū)的土壤有機質(zhì)含量、容重、孔隙度、硬度、最大持水率及抗沖性。土壤容重、土壤硬度、土壤最大持水率、土壤抗沖性的測定均參考《土壤物理學(附實驗指導)》[11]，土壤有機質(zhì)含量的測定方法采用通用的重鉻酸鉀容量法[12]。

表1 試驗段觀測小區(qū)基本情況

物種多樣性指標的表達采用多樣性指數(shù)、豐富度指數(shù)及均勻度指數(shù)，其中多樣性指數(shù)(H)采用Shannon-Weiner(S-W)指數(shù)，豐富度指數(shù)(Ma)采用 Margalef指數(shù)，均勻度指數(shù)(J)采用 Pielou指數(shù)[13-14]。

2.2 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS13.0對數(shù)據(jù)進行Pearson相關分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同植物群落的物種多樣性

表2為不同試驗段各植物群落的物種多樣性指標。對于S-W指數(shù)，試驗段A、B中紫穗槐 +狗牙根 +高羊茅群落表現(xiàn)較高，試驗段 C、D中胡枝子+狗牙根+高羊茅群落表現(xiàn)較高;草本植物群落的S-W指數(shù)普遍低于灌草結(jié)合的群落;就 4個試驗段而言，S-W指數(shù)由大到小順序為A＞D＞C＞B。對于Margalef指數(shù)，試驗段 A表現(xiàn)為A1＞A2＞A3＞A5＞A4＞A6＞A 7，試驗段 B表現(xiàn)為B1＞B2=B5＞B3＞B6＞B4＞B7，試驗段 C表現(xiàn)為C2＞C5＞C4＞C3＞C1＞C6＞C 7，試驗段 D表現(xiàn)為D 2＞D 5＞D3＞D4＞D1＞D 6＞D 7。對于 Pielou指數(shù)，試驗段 A表現(xiàn)為A 2＞A1＞A3＞A5＞A4＞A 6＞A 7;試驗段 B表現(xiàn)為B1＞B 5＞B4＞B2＞B3=B6＞B7;試驗段 C表現(xiàn)為C2=C5＞C3＞C4＞C1＞C6＞C7;試驗段 D表現(xiàn)為D 2＞D1＞D4＞D 5＞D3＞D 6＞D 7。

3.2 物種多樣性指數(shù)之間及其與土壤因子的關系

由表3可知，多樣性指數(shù)、豐富度指數(shù)、均勻度指數(shù)之間存在較高的相關性，多樣性指數(shù)和豐富度指數(shù)的相關系數(shù)為0.915(P＜0.01)，多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)為0.892(P＜0.01)，豐富度指數(shù)和均勻度指數(shù)為0.803(P＜0.01)，均達到顯著水平。

多樣性指數(shù)與容重、孔隙度的相關性較強(P＜0.05)，相關系數(shù)分別為0.577、-0.566;豐富度指數(shù)與容重、孔隙度的相關性也較強(P＜0.05)，相關系數(shù)分別為0.683、-0.667;均勻度指數(shù)與容重、孔隙度的相關性較差;土壤有機質(zhì)含量與多樣性指數(shù)、豐富度指數(shù)相關性較小，與均勻度指數(shù)相關性較強(P＜0.01);多樣性指數(shù)、豐富度指數(shù)、均勻度指數(shù)與硬度有一定的相關性(P＜0.05)，這和楊喜田等[15]提出的邊坡侵入植物受土壤硬度以及其自身生物學特性影響的結(jié)論一致;物種多樣性與土壤抗沖性、土壤最大持水率相關性均較差。

表3 物種多樣性指標與土質(zhì)因子的Pearson相關分析

4 結(jié) 論

4.1 不同植物群落的物種多樣性

對于填砂路堤邊坡和亞黏土路塹邊坡，紫穗槐 +狗牙根 +高羊茅群落表現(xiàn)出較高的多樣性指數(shù)和豐富度指數(shù);對于風化巖路塹邊坡和全風化巖+生土路堤邊坡，多樣性指數(shù)和豐富度指數(shù)較高的是胡枝子 +狗牙根 +高羊茅群落。這主要與兩種植物群落長勢較好有關，尤其是群落中紫穗槐、胡枝子的生長較為旺盛，為群落內(nèi)其他植物及侵入植物的生長提供了較好的環(huán)境條件。觀察分析表明，各試驗段的植物群落均發(fā)生了不同程度的退化過程，物種多樣性和均勻度有一定的關系，即物種多樣性指數(shù)高的群落，均勻度指數(shù)也較高，植物群落較為穩(wěn)定;反之，植物群落穩(wěn)定性較差。植物生態(tài)學理論表明，多樣性增高意味著穩(wěn)定性趨于增強，本研究結(jié)果與上述理論一致。

草本植物屬淺根性植物，對邊坡惡劣環(huán)境的抗逆性弱，生物群落穩(wěn)定性差。灌木根系發(fā)達，在草本群落中加入灌木，可以使灌草生態(tài)建植層的根系交織成穩(wěn)定結(jié)構，能最大限度地防止水土流失，同時利于群落內(nèi)目標植物和侵入植物的生長。因此，草本植物群落的物種多樣性普遍低于灌草結(jié)合的群落。

就 4個試驗段而言，物種多樣性大小順序表現(xiàn)為A＞D＞C＞B。填砂路堤邊坡(針對河砂無塑性及透水性強的特點采用了黏土包邊技術)和全風化巖+生土路堤邊坡由于均存在一定的土壤條件，改善了邊坡土壤的性質(zhì)，為群落植物生長奠定了良好的基礎;亞黏土路塹邊坡土質(zhì)較為黏重，土壤透氣性較差，而風化巖路塹邊坡(采用客土噴播技術)缺乏植物生長所需的土壤條件，均會限制植物根系的延伸。

4.2 物種多樣性指數(shù)之間的關系

物種多樣性是群落組織結(jié)構的重要特征，對物種多樣性的衡量可以通過對群落內(nèi)多樣性指數(shù)、豐富度指數(shù)、均勻度指數(shù)的測量來評價。其中，多樣性指數(shù)反映群落的組織水平和群落功能的特點，豐富度指數(shù)代表一個群落內(nèi)物種數(shù)目的多少，均勻度指數(shù)反映各物種個體數(shù)目分配的均勻程度。三者之間相關性顯著是因為多樣性指數(shù)是把物種豐富度和均勻度結(jié)合起來的一個統(tǒng)計量。

4.3 物種多樣性指數(shù)與土壤因子的關系

從土壤容重與孔隙度可粗略估計土壤結(jié)構的松緊狀況。土壤容重以機械阻力形式影響植物的生長，土壤機械阻力對植物生長的影響主要表現(xiàn)在對根系生長的影響上。與其他土壤因子相比，物種多樣性指數(shù)與土壤容重、孔隙度相關性較大。土壤有機質(zhì)含量是評價土壤質(zhì)地的重要參數(shù)，對于自然植物群落而言，物種多樣性與土壤有機質(zhì)應有較強的相關性，有機質(zhì)含量的高低可反映物種多樣性的水平。研究區(qū)屬人工干擾下形成的裸露坡面，土壤有機質(zhì)含量及營養(yǎng)成分含量大致相當且均偏低，對物種多樣性的影響不大。土壤硬度可綜合反映土壤孔隙度、土壤含水量、土壤有機質(zhì)含量等。土壤硬度的大小制約著植物根系的縱向生長和橫向生長，對物種多樣性產(chǎn)生一定的影響。土壤的抗沖性是土壤抵抗徑流分散與搬運的能力，土壤抗沖能力受植被的覆蓋度和植物根系的根密度影響較大。物種多樣性與土壤抗沖性相關性較差，原因可能是對不同試驗小區(qū)播種后均覆蓋細土和無紡布，澆水養(yǎng)護直至出苗，待首次產(chǎn)生侵蝕性降雨前各植物群落的覆蓋度基本達到60%左右，植物根系生長良好。土壤質(zhì)地與結(jié)構決定了土壤的最大持水率，土壤含水量的大小影響著水分的有效性，一般認為土壤水分保持在最大持水率至最大持水率的 70%之間最為有效。在土壤環(huán)境因子中，土壤最大持水率與物種多樣性的相關性相對較小，可能是因為一方面高速公路邊坡土壤具有貧瘠干旱的共同特點，另一方面所選植物群落中草本類型相同，影響物種多樣性的植物主要體現(xiàn)在灌木類型上，而灌木叢的根系分布較深，土壤最大持水率對他們影響不大。

5 討 論

不同邊坡類型下植物群落的物種多樣性均表現(xiàn)為灌草組合大于草種混播，這對于受損生態(tài)系統(tǒng)下公路邊坡恢復植被意義重大，這一研究也支持了植被建設中草灌先行的觀點[16]。就4個試驗段而言，填砂路堤邊坡具有較高的物種多樣性，亞黏土路塹邊坡具有較低的物種多樣性，原因在于填砂路堤邊坡土質(zhì)較為疏松，土壤硬度較低，利于植物根系的生長，這表明物種多樣性與土壤硬度有一定的相關性。

就土壤有機質(zhì)含量與物種多樣性的關系，普遍認為土壤有機質(zhì)與物種多樣性有顯著相關性[17-19]，也有認為物種多樣性與有機質(zhì)相關性較弱[13]，但這些研究主要針對自然植物群落，沒有涉及人為干擾下高速公路邊坡物種多樣性變化及其與土壤因子的關系。研究區(qū)邊坡普遍采用河砂、風化巖作為植物生長的基質(zhì)，土壤養(yǎng)分匱乏，因此土壤有機質(zhì)對物種多樣性差異影響不大，而不同邊坡的容重、孔隙度、硬度等存在一定差異，從而導致物種多樣性差異明顯[20]。

物種多樣性與土壤含水量的相關分析表明，土壤最大持水率對多樣性指標影響較小，這個結(jié)論會因不同的植被類型、氣候類型、土壤類型而不同，僅屬于我們研究的范圍，是否適用于其他立地條件有待于研究。

本研究針對高速公路邊坡植被恢復初期物種多樣性與部分土壤因子的相互關系進行初步探討，僅僅是對一定尺度上的數(shù)據(jù)資料進行季節(jié)性觀測分析，對于受損生態(tài)系統(tǒng)下植物群落物種多樣性與土壤因子在更大尺度上的相互影響機制以及植物群落演替過程中物種多樣性與土壤環(huán)境因子的相互關系，還需要通過大量試驗進一步證明。

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