寶牛高速公路路域植被恢復效果調查分析

李 晶，高照良，2，張小娟，田紅衛(wèi)

（1.西北農林科技大學 資源環(huán)境學院，陜西 楊凌7121002；2.西北農林科技大學 水土保持研究所，陜西 楊凌712100）

公路建設不可避免地要對周邊生態(tài)環(huán)境產生影響，主要表現(xiàn)為改變地形地貌、擾亂土壤結構、破壞植物群落、降低生物多樣性、影響局地氣候、增加水土流失危險性等［1－2］。

如果對公路周邊的受損生態(tài)環(huán)境進行保護和恢復，必將有利于公路設施的保障和行車安全［3］。因此，受損生態(tài)環(huán)境的恢復與重建是實現(xiàn)路域生態(tài)環(huán)境可持續(xù)的重要保障［4］。近年來，路域植被生態(tài)系統(tǒng)的恢復與重建成為恢復生態(tài)學研究的重要領域。雖然國內在高速公路植被生態(tài)恢復方面取得了一些成績，但是在植被恢復過程中，往往忽視了生態(tài)適宜性、生物多樣性、植物群落自然演替等生態(tài)學原理，引入的植物很難適應公路邊坡的惡劣條件［5－6］。寶雞至牛背高速公路，是連霍國道主干線的重要組成部分，也是陜西省“米”字型公路主骨架中“一橫”的重要組成部分。因此，開展寶牛路域植被生態(tài)系統(tǒng)恢復重建的研究，將有利于維護周邊穩(wěn)定、保障行車安全、優(yōu)化人居環(huán)境、促進經濟發(fā)展，服務于我國西北與西南兩大經濟區(qū)域的交通運輸。本研究通過對寶牛高速公路路域植被恢復后，不同位置、不同恢復模式下的植被組成、物種多樣性和生物量進行全面的調查，探討不同位置的植被恢復效果，豐富公路路域生態(tài)恢復和重建的理論基礎。

1 實驗材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

寶牛高速公路為東西走向，全長40.604km，由東向西跨越了渭河河谷階地區(qū)和秦嶺中低山區(qū)兩個地貌單元。研究區(qū)地勢為東低西高，沿渭河朔流而上不斷升高，東部起點海拔590m，西部終點海拔750 m。研究區(qū)氣候屬暖溫帶半濕潤大陸季風性氣候區(qū)，四季分明。多年平均氣溫13℃。區(qū)內年平均降雨量701mm，降雨多集中在7—9月份，土壤主要以山地黃善土和褐土為主，山地土壤屬于中壤土，土層薄，含沙、石量較大。主要植物種有油松（Pinus tabulaeformis Carr.）、遼 東 櫟 （Quercus wutaishanica Blume）、白 樺 （Betula platyphylla Suk.）、山 楊（Populus davidiana Dode）等組成的森林植被，人工栽培種有刺槐（Robinia pseudoacacia Linn.）、泡桐 （Paulowinia fortunei（seem.）Hemsl.）、楸 樹 （Catalpa bungei C.A.Mey）等。

1.2 研究方法

本次調查涵蓋人工植物種和路域自然入侵物種（如渣場出現(xiàn)的物種都是自然入侵物種）。樣方面積草本植物群落為1m×1m，灌木群落為4m×4m。但實際操作中，邊坡主要以拱形骨架護坡為主，拱形骨架的寬度大都小于2m，因此進行灌木時調查就以每個拱形骨架為單元。調查的內容主要有植物種類和多度，以及生物量等指標。本次植被生物量的測定只針對草本植物，采用完全收獲的方法，將地上部分的所有生物量全部收獲，帶回實驗室烘干并測重。樣地基本情況見表1。

表1 樣地基本概況

（1）多樣性指數(shù)：

①Simpson指數(shù)。Simpson指數(shù)又稱為優(yōu)勢度指數(shù)，其計算公式為D＝∑P2i，是對多樣性的反面即集中性的度量，其指數(shù)大，表明物種集中性高，也就意味著多樣性低，但是這是集中性的測度而非多樣性的測度，為了克服由此帶來的不便，采用公式：D1＝1－∑P2i進行計算。

② Shannon-Weiner指數(shù)。Shannon-Weiner指數(shù)是多樣性的信息度量，是信息不確定性測度公式。如果從群落中隨機抽取一個個體，它將屬于哪個種是不確定的，而且，物種數(shù)目越多，其不定性也越大。因此有理由將多樣性等同于不定性，并且兩者用同一度量。Shannon-Weiner指數(shù)：

（2）Pielou均勻度指數(shù)：

式中：i＝1，2，3，…，S物種序號；S——群落內物種總數(shù)；Pi——第i個物種的重要值比值。

2 結果與分析

2.1 不同位置的植被群落特征

本次調查共記錄植物115種，隸屬38科93屬。其中種數(shù)最多的前3個科為：菊科（27種），豆科（10種），禾本（11種）。植物生活型有草本、灌木、喬木和藤本4種，各生活型的種數(shù)分別為86種、7種、11種和4種。

路基邊坡的人工種植物種主要有小冠花、苜蓿、草木犀，自然入侵物種有33種，隸屬12科，27屬。路塹邊坡的人工種植物種主要有紫穗槐、草木犀、苜蓿、波斯菊4種，其中數(shù)量最多的為紫穗槐，自然入侵的物種37種，19科，34屬。路肩的人工物種有12種，分別是雪松、白三葉、紫葉李、云杉、欒樹、木槿、蜀葵、金雞菊、月季、紅花酢漿草和波斯菊，自然入侵物種24種，17科，14屬。渣場、取土場以及棄土場出現(xiàn)的物種均是自然入侵。

表2 路域不同位置的物種組成和生活型

由表2可見，由于寶牛高速公路還處于植被恢復的初期，路域各個位置的植被均以草本為主，特別是人工恢復植被的路基和路塹邊坡；路肩平臺兼顧美化環(huán)境和植被恢復的功能，人工物種最為豐富，人工栽植喬木、灌木的比例高；取棄土場和渣場在自然恢復模式下開始有少量散生喬木樹種出現(xiàn)。

2.2 不同位置的植被多樣性

表2中不同路域位置的豐富度變化中，以路肩和自然邊坡的豐富度較高，其原因是路肩的位置處在公路的旁邊，高速公路綠化的一個重要體現(xiàn)便是對路肩的綠化，路肩的物種相對邊坡要豐富很多。路基和路塹的豐富度指數(shù)均低于渣場和取棄土場，根據(jù)恢復方式來看，路基和路塹都是人工恢復，而渣場和取棄土場都是自然恢復，可見自然恢復可在短時間內出現(xiàn)較多的物種。

從多樣性指數(shù)（表3）來看，路基、路塹、路肩平臺的Simpson指數(shù)均高于自然土壤，渣場均高于取土場。各個擾動土壤的Shannon-Weiner指數(shù)變化同Simpson指數(shù)基本一致。路域各位置之間的物種多樣性及其與自然植被相比，變化都不是很大，因此在種的多樣性方面的差異不大。路域植被的均勻度分析，Pielou均勻度指數(shù)排序：路基＞路塹＞渣場＞路肩＞自然＞取棄土場，變化范圍都在0.5～0.7，可以看出路域植被之間以及和自然植被之間的均勻度變化都不顯著，差異較小。

表3 路域各位置的多樣性指數(shù)

2.2.1 路基和路塹邊坡的植被多樣性 本次調查涉及4個路基邊坡和6個路塹邊坡，各樣地的多樣性指數(shù)見表4。從物種數(shù)來看，路基邊坡中3號（15種）＞2號（13種）＞4號（11種）＞1號（4種），這與Simpson指數(shù)，Shannon-Weiner指數(shù)的變化一致，總體來看，路基拱形骨架護坡的豐富度指數(shù)和多樣性指數(shù)都高于植草護坡。Pielou均勻度指數(shù)為1號＞2號＞3號＞2號，說明路基植草護坡的植被均勻度比拱形護坡好。

路塹邊坡豐富度最高的是6號植草護坡，Simpson指數(shù)、Shannon-Weiner指數(shù)和Pielou均勻度指數(shù)均以5號植草護坡為最高。但是以路塹3種模式各個指數(shù)的平均值來看，豐富度由高到低依次為植草＞土工格室＞拱形骨架，Simpson指數(shù)、Shannon-Weiner指數(shù)均為：土工格室＞植草＞拱形骨架，可見在路塹護坡中，土工格室護坡更有利于植被群落的豐富度和多樣性。

2.2.2 渣場和取棄土場的植被多樣性 13號渣場有人工恢復和自然恢復兩種模式，由圖1可知自然恢復模式下的豐富度、Simpson指數(shù)、Shannon-Weiner指數(shù)和Pielou均勻度指數(shù)都高于人工恢復，說明渣場自然恢復的植被多樣性較好。14號渣場的恢復有3種模式，部分覆土、完全覆土和未覆土，部分覆土和完全覆土的豐富度較高，即物種數(shù)要比未覆土的物種數(shù)多。從Pielou均勻度指數(shù)來看，未覆土的由于種類少使得物種的分配均勻，而部分覆土的渣場由于土壤的養(yǎng)分等條件的不一致使得在物種均勻度較低。綜合4個指標，建議在渣場的恢復中最好覆土，表層土可以為植被恢復提供一定的種源，也能給渣場提供一些植被生長所需的養(yǎng)分，使恢復初期植被的生長環(huán)境得到有效的改善。

表4 路基和路塹邊坡的植被多樣性

比較15號棄土場和16號取土場樣地的各項指標，15號棄土場豐富度為12種小于16號取土場（14種），Simpson指數(shù)、Shannon-Weriner指數(shù)和 Pielou均勻度指數(shù)均表現(xiàn)為15號棄土場優(yōu)于16號取土場，可見挖方土壤由于大量機械的挖掘導致深層土壤裸露，帶走了表層土壤豐富的種源，不利于恢復。量方面拱形骨架護坡優(yōu)于植草護坡。

圖1 渣場不同恢復模式的植被多樣性

路塹邊坡都種植著灌木紫穗槐，而地上生物量的采集只是針對草本植物，因此數(shù)值上和路基邊坡的地上生物量會有很大差異。在路塹邊坡5號、7號、9號、10號樣地的優(yōu)勢種分別是飛蓬、野菊、鵝腸菜、苜蓿，只有苜蓿是人工種植。優(yōu)勢種均為草本，6號樣地的地上生物量很小，只有13.98g／cm2，說明該地塊的草本植被生長不良。總之，路塹邊坡的草本生物量均偏低，與灌木紫穗槐有很大關系，所以針對路塹樣地紫穗槐的生長情況也做了調查。結合表5可以看出，拱形骨架和土工格室的紫穗槐生長情況較好，而且土工格室在草本植物地上生物量上（81.19g／cm2）明顯優(yōu)于拱形骨架（42.27g／cm2）和植草（32.15g／cm2）。

2.3 不同位置的草本植物地上生物量

生物量是指在一定時間內單位面積內實存生活的有機物質（干重）的總量，在植物群落中，可直接反映植被的生長狀況以及當?shù)刈匀画h(huán)境的變化，有助于植被建設和植被恢復的進一步研究和總結［7］。本研究測定的是草本植物地上生物量（干重）。

2.3.1 路基和路塹邊坡的草本植物地上生物量 1號樣地和2號樣地的草本植物地上總生物量分別是237.34g／cm2和122.33g／cm2，苜蓿的地上生物量分別是211.02g／cm2和86.03g／cm2。苜蓿是人工種植的，從地上生物量上可以看出苜蓿在這兩個樣地的是占有絕對優(yōu)勢的，在一定時期內處于優(yōu)勢地位。另外，3號樣地和4號樣地的優(yōu)勢種在總生物量的比例不是很大，4號樣地的主要物種是豬毛蒿和小冠花，小冠花是人工種植，從地上生物量上來看豬毛蒿85.99g／cm2，小冠花85.11g／cm2，人工種植的小冠花落后于本地物種豬毛蒿。路基兩種護坡模式，植草護坡和拱形骨架護坡的平均地上生物量分別為179.83g／cm2和187.94g／cm2，可見在植被地上生物

圖2 路基和路塹各樣地的草本植物地上生物量

表5 路塹樣地紫穗槐生長情況

2.3.2 渣場和取棄土場的草本植物地上生物量 圖3說明，13號渣場自然恢復的草本植物地上生物量明顯高于人工恢復，人工恢復的渣場主要是苜蓿，也有部分自然物種小蓬草、狗尾草以及少量的苦菜、千里光。因此，初步判斷，人工物種苜蓿的生長競爭不過自然物種飛蓬，自然物種小蓬草、狗尾草等更適合在渣場生長。但是渣場土壤由于雜質等的侵入，使得土壤的肥力偏低，小蓬草雖然能很快生長但是不利于改良土壤，苜蓿屬于豆科植物有固氮作用，從長遠角度考慮，種植苜蓿能提高土壤肥力，為周邊自然物種的侵入提供良好的土壤環(huán)境，逐步演變到與周圍景觀協(xié)調的自然植被，有利于形成穩(wěn)定群落。

圖3 渣場樣地的草本植物地上生物量

對于不同覆土情況的14號渣場，完全覆土的地上生物量都高于未覆土和部分覆土，因此，從生物量的角度上來說，渣場的植被恢復應盡量覆土，從而為植被恢復提供較好的客觀基礎。15號棄土場的生物量為165.41g／cm2，16號取土場為81.51g／cm2。這是因為16號樣地機械大挖方，土壤的顏色發(fā)紅，應屬于十幾米以下土層的土壤，幾乎沒有什么養(yǎng)分和種源，因此恢復效果較差。

3 結論

（1）寶牛高速公路路域的植物種類較為豐富，而且絕大部分植物種是自然入侵的本土植物。這是因為公路所處的位置在秦嶺山區(qū)的西北，除了飛蟲的傳播之外，公路行駛的汽車也加速了物種的傳播，從而增加了路域物種的豐富度。各位置的植物種生活型都以草本植物為主，說明該路域植被恢復還處于初期階段，隨著植被恢復演替的進行，將逐步朝與原有植被系統(tǒng)相近的植物群落發(fā)展［8］。

（2）不同路域位置的豐富度表現(xiàn)為自然＞路肩平臺＞渣場＝取棄土場＞路基＞路塹，從Shannon-Weiner指數(shù)、Simpson指數(shù)和Pielou均勻度指數(shù)來看，路域植被之間以及和自然植被之間的均勻度變化都不顯著。

（3）在路基護坡中，拱形骨架護坡的豐富度指數(shù)和多樣性指數(shù)，以及草本植物地上生物量都優(yōu)于植草護坡，可見路基拱形骨架護坡模式的植被恢復效果較好。路塹護坡中，土工格室護坡更有利于植被群落的豐富度和多樣性，在草本植物地上生物量上（81.19 g／cm2）也明顯優(yōu)于拱形骨架（42.27g／cm2）和植草（32.15g／cm2），所以路塹適合用土工格室護坡。

（4）對于渣場而言，雖然自然恢復的各項指標都高于人工恢復，但是從長遠角度考慮，人工種植苜蓿能提高土壤肥力，為周邊自然物種的侵入提供良好的土壤環(huán)境，有利于鄉(xiāng)土物種的侵入，逐步演變到與周圍景觀協(xié)調的自然植被，有利于形成穩(wěn)定群落。此外，建議渣場在恢復植被前覆土，從而為植被生長提供較好的客觀基礎。

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