高寒草原路域人為干擾區(qū)土壤及植被修復研究

邵 蕊, 王文瑞, 史坤博, 劉穎慧

(1.北京師范大學 資源學院, 北京 100875; 2.蘭州大學 資源環(huán)境學院, 蘭州 730000)

高寒草原路域人為干擾區(qū)土壤及植被修復研究

邵 蕊1, 王文瑞2, 史坤博2, 劉穎慧1

(1.北京師范大學 資源學院, 北京 100875; 2.蘭州大學 資源環(huán)境學院, 蘭州 730000)

道路運行會對路域土壤和植被產生間接的破壞，采用樣方法對國道213合作市郊段路域小型取土區(qū)進行調查研究。結果表明：人為干擾對路域生態(tài)環(huán)境造成了明顯的破壞，路域人為取土區(qū)植被和土壤在自然狀態(tài)下的整體修復情況一般。受地表徑流影響，取土區(qū)中央土壤肥力自然修復較好，坡面土壤肥力自然修復較差。由于取土區(qū)中央特殊的生長環(huán)境，植被自然修復狀況一般，植物種類與對照區(qū)明顯不同；在土壤肥力和修復時間的雙重作用下，坡面植被自然修復結果較差。因此，建議加強環(huán)保宣傳，制定路域生態(tài)環(huán)境保護制度，及時對干擾區(qū)進行人工修復。

道路效應; 高寒草原; 土壤肥力; 植被生長; 國道213

道路的修建和運行會對自然景觀、路域環(huán)境、生態(tài)平衡等方面產生直接或間接地破壞[1-5]。如今，道路生態(tài)學已成為學術界的研究熱點。國外學者對于道路生態(tài)效應的研究始于20世紀70年代，已系統(tǒng)闡明了道路對路域生物物種與群落、生態(tài)系統(tǒng)、景觀格局等的生態(tài)干擾[6-10]。我國對道路生態(tài)學的研究起步較晚，自20世紀90年代以來，道路生態(tài)問題逐漸引起了國內相關學者的廣泛關注，特殊的高寒草原區(qū)的道路生態(tài)效應研究也成為學者們關注的熱點[11-15]。

道路交通對路域生態(tài)環(huán)境的干擾可分為直接生態(tài)效應和間接生態(tài)效應。直接生態(tài)效應主要表現(xiàn)在以下兩個方面：(1) 道路施工過程中土地占用、碾壓等造成的生態(tài)環(huán)境破壞；(2) 道路營運期間車輛的尾氣、噪聲和固體顆粒物等的擴散污染[16]。間接生態(tài)效應主要表現(xiàn)為公路建設通過影響周邊地區(qū)的經濟、文化、觀念和政策等，間接地改變政策導向和人類的行為方式，進而引起更為復雜的環(huán)境、生態(tài)問題[17]。在生態(tài)效應研究中，最重要的一點是要區(qū)別直接效應和間接效應，直接效應易于發(fā)現(xiàn)容易觀測，間接效應則不是很顯著而往往被忽視[18]，因此，實際研究中多數(shù)學者只考慮了道路交通的直接生態(tài)效應[16,19-20]，本研究將嘗試對道路的間接生態(tài)效應進行一些初步探究。從時間尺度上來看，道路的運行導致道路兩側建設用地呈現(xiàn)明顯增加趨勢[21-23],意味著道路路域的人類活動明顯加劇，人類生態(tài)干擾明顯增強，道路沿線生態(tài)系統(tǒng)面臨著巨大的潛在威脅[17,24]。

沿道路居住的居民出于生產生活的需要，通常私自采挖路域土壤，對生態(tài)脆弱區(qū)高寒草原產生了顯著的間接生態(tài)效應，對取土區(qū)及其生態(tài)環(huán)境構成了嚴重的威脅。為了解取土區(qū)域土壤和植被的破壞程度和自然修復情況，以213國道合作市郊段為例，在道路兩側選取5個小型取土區(qū)作為研究對象加以探究，通過定量測算，明確道路交通間接生態(tài)效應的危害程度，以期為道路路域生態(tài)環(huán)境的保護與修復提出合理化建議。

1 研究區(qū)概況

國道213線是連接蘭州和成都的交通線路，于1968年正式通車。研究區(qū)位于G213甘南藏族自治州合作市南郊段(34°56′6.88″—34°57′2.73″N，102°52′2.69″—102°52′51.75″E)。由于人類活動頻繁，道路沿線出現(xiàn)了大量小型取土區(qū)。選取了5個較為典型的取土區(qū)作為研究對象(見表1)。其中，1～2號取土區(qū)周圍地勢平緩，3～5號取土區(qū)的東西向兩側有低緩山丘。5個取土區(qū)自取土后均未受到人工干擾，植被和土壤是在自然條件下的自我修復。5個取土區(qū)的海拔高度2 960～3 013 m，面積約48～124 m2。道路及其載體交通流量對各種生態(tài)過程的影響范圍形成道路影響域，其大小往往數(shù)10倍于道路本身[2],G213道路面寬度約10～15 m，研究選取的5個取土區(qū)與道路最小相距13.4 m，最大相距92.3 m，均在G213影響域內。取土區(qū)采挖年份在2005—2009年之間，與本研究采樣時間間隔約4～8 a。

表1 取土區(qū)概況

2 研究方法

2.1 調查方法

2013年7月份前往合作市進行實地調查和樣品采集。確定研究對象后，采用樣方法進行植被生長狀況的統(tǒng)計和土壤樣品的采集。首先，在取土區(qū)中心低洼處設置1個200 cm×200 cm的大樣方，在與取土區(qū)中心和邊緣等距處分別設置4個100 cm×100 cm樣方環(huán)繞于中心大樣方四周，在取土區(qū)外距取土區(qū)邊緣10 m處設置4個100 cm×100 cm對照樣方環(huán)繞于取土區(qū)周圍。為便于說明問題，研究規(guī)定取土區(qū)中心低洼處的大樣方為1級樣方，與取土區(qū)中心和邊緣等距處的4個樣方為2級樣方，取土區(qū)外距取土區(qū)邊緣10 m處的4個樣方為3級樣方。研究設置樣方共計45個，記錄指標包括樣方內植物的平均高度、蓋度、物種數(shù)量和種類等；采用對角法在樣方中選取5個土壤取樣點，用環(huán)刀法進行表層土壤(0—10 cm)的采集，共計采集土壤樣品225個。

2.2 土壤樣品處理方法

將采回的土壤樣品帶回實驗室烘干過篩，測定土壤肥力各項指標，即土壤中的有機質、速效磷和水解氮。采用重鉻酸鉀法測定土壤中的有機質含量，碳酸氫鈉浸提法測定土壤中的速效磷，堿解擴散法測定土壤中的水解氮。具體操作方法見參考文獻[25]。

2.3 評價方法

2.3.1 土壤肥力評價方法 將每個樣方中的5個土壤樣品的各土壤肥力指標(有機質、速效磷和水解氮)分別求均值作為該樣方土壤肥力狀況。將取土區(qū)的中心大樣方的土壤肥力作為該取土區(qū)中央區(qū)域的土壤肥力，即1級樣方的土壤肥力；將取土區(qū)內環(huán)繞于中心大樣方周圍的4個小樣方的土壤肥力各指標分別求均值作為取土區(qū)坡面的土壤肥力，即2級樣方的土壤肥力；將取土區(qū)外環(huán)繞于取土區(qū)周圍的4個小樣方的土壤肥力各指標分別求均值作為取土區(qū)內土壤肥力的對照，即3級樣方的土壤肥力。

2.3.2 植被生長評價方法 為準確評價取土區(qū)內植被生長和自然修復狀況，分別計算各樣方植被的高度、蓋度、密度和種類數(shù)。將取土區(qū)的中心大樣方各植被生長指標值除以4得到取土區(qū)中央位置單位面積(1 m2)的植被生長狀況，即1級樣方的植被生長指標值；將取土區(qū)內環(huán)繞于中心大樣方周圍的4個小樣方的植被生長各指標分別求均值作為取土區(qū)坡面的植被生長狀況，即2級樣方的植被生長指標值；將取土區(qū)外環(huán)繞于取土區(qū)周圍的4個小樣方的植被生長各指標分別求均值作為取土區(qū)內植被生長狀況的對照，即3級樣方的植被生長指標值。

2.3.3 數(shù)據(jù)處理方法 將原始數(shù)據(jù)準確輸入Excel 2003中，統(tǒng)計各樣方中土壤肥力和植被生長的各項評價指標，利用SPSS 16.0軟件包進行植被生長各項評價指標值與土壤肥力的相關性分析。

3 結果與分析

3.1 土壤自然修復狀況

由表2可知，各研究區(qū)土壤含水率平均水平表現(xiàn)為：取土區(qū)中央土壤含水率較高，對照區(qū)含水率次之，坡面含水率較低。具體來看，1號取土區(qū)中央和坡面土壤含水率較高，對照區(qū)土壤含水率較低；2號取土區(qū)中央和對照區(qū)土壤含水率較高，坡面含水率較低；3號、4號和5號取土區(qū)中央土壤含水率較高，對照區(qū)含水率較低。

表2 研究區(qū)土壤含水率、有機質含量、速效磷含量和水解氮含量統(tǒng)計結果

1號、2號和3號取土區(qū)土壤有機質含量隨著樣方等級的升高呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢；其中，1號和3號取土區(qū)土壤有機質含量在1級樣方—2級樣方間呈緩降趨勢，在2級樣方—3級樣方間呈明顯增加趨勢，說明取土區(qū)中央的土壤有機質自然修復狀況略好于坡面土壤有機質的自然修復狀況；2號取土區(qū)土壤有機質含量在1級樣方—2級樣方間呈現(xiàn)明顯的下降趨勢，在2級樣方—3級樣方間呈明顯增加趨勢，說明取土區(qū)中央土壤有機質的自然修復狀況較好，坡面土壤有機質的自然修復狀況較差。4號和5號取土區(qū)土壤有機質含量隨著樣方等級的升高呈現(xiàn)遞增趨勢；其中，4號取土區(qū)土壤有機質含量在1級樣方—2級樣方間呈緩增趨勢，在2級樣方—3級樣方間呈明顯增加趨勢，說明取土區(qū)中央和坡面土壤有機質的自然修復狀況均一般；5號取土區(qū)土壤有機質含量隨著樣方等級的升高一直呈現(xiàn)緩增趨勢，說明取土區(qū)中央和坡面土壤有機質自然修復較好。

1號、4號和5號取土區(qū)土壤速效磷含量隨著樣方等級的升高呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢；其中，1號和5號取土區(qū)土壤速效磷含量在1級樣方和2級樣方間呈現(xiàn)明顯的下降趨勢，在2級樣方和3級樣方間呈現(xiàn)明顯的增加趨勢，說明取土區(qū)中央土壤速效磷自然修復較好，坡面土壤速效磷自然修復較差；4號取土區(qū)土壤速效磷含量在1級樣方和2級樣方間呈現(xiàn)明顯的下降趨勢，在2級樣方和3級樣方間趨于平穩(wěn)，說明取土區(qū)中央土壤速效磷聚集作用明顯。2號取土區(qū)土壤速效磷含量隨樣方等級的升高呈明顯的遞增趨勢，說明取土區(qū)中央土壤速效磷自然修復狀況較差，坡面土壤速效磷自然修復一般。3號取土區(qū)土壤速效磷含量在1級樣方和2級樣方間呈現(xiàn)明顯的增加趨勢，在2級樣方和3級樣方間趨于穩(wěn)定，說明取土區(qū)中央土壤速效磷自然修復狀況一般，坡面速效磷自然修復狀況較好。

1號取土區(qū)土壤水解氮含量在1級樣方至2級樣方間呈緩增趨勢，2級樣方至3級樣方間呈明顯增加趨勢，說明取土區(qū)中央和坡面土壤水解氮自然修復均一般。2號和3號取土區(qū)土壤水解氮含量在1級樣方至2級樣方間呈快速下降趨勢，在2級樣方至3級樣方間呈明顯增加趨勢，說明取土區(qū)中央土壤水解氮自然修復較好，坡面土壤水解氮自然修復較差。4號和5號取土區(qū)土壤水解氮含量在1級樣方至2級樣方間較穩(wěn)定，在2級樣方至3級樣方間呈緩慢增加趨勢，說明取土區(qū)中央和坡面土壤水解氮自然修復較好。

綜合來看，5個研究區(qū)土壤的各肥力指標均值隨著1級樣方—2級樣方—3級樣方的空間過度均呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢。將各取土區(qū)中央土壤含水率和土壤肥力各項指標進行相關性分析(見表3)，結果表明，取土區(qū)中央土壤的有機質含量和含水率間存在顯著相關性，雖然土壤中的速效磷和水解氮含量與含水率的相關性未能通過顯著性檢驗，但相關系數(shù)分別達到0.791和0.744，因此，可認為中心土壤肥力與土壤含水量存在一定的相關性。由于取土區(qū)中央低洼，甘南氣候濕潤多雨，土壤養(yǎng)分會隨著雨水的沖刷聚集于取土區(qū)中央，一定坡度坡面上徑流速度大，營養(yǎng)物質易于流失，因此，導致了取土區(qū)中央土壤肥力較高，坡面土壤肥力較低的結果[26-27]。

表3 取土區(qū)中央土壤肥力與含水率的相關分析

*表示p<0.05顯著水平。

3.2 植被生長狀況

調查結果顯示(見表4)，1級樣方的植被優(yōu)勢物種與3級樣方有明顯的差異，2級樣方植被優(yōu)勢物種常既含有1級樣方的植被優(yōu)勢物種，又含有3級樣方的植被優(yōu)勢物種(如1號、4號和5號取土區(qū))，說明在取土區(qū)中心樣方—坡面樣方—對照樣方的空間過度上體現(xiàn)了植被優(yōu)勢物種的過度特征。根據(jù)表5可知，在1級樣方～2級樣方的空間過度上，植被的高度、密度、蓋度和種類數(shù)增長幅度較小，甚至個別取土區(qū)有明顯的下降趨勢，在2級樣方—3級樣方的空間過度上，植被各生長指標表現(xiàn)出明顯的增長趨勢。

具體來看(見表5)，5個研究區(qū)草群高度平均水平在1級樣方—2級樣方空間過度上表現(xiàn)出明顯下降的特征，在2級樣方—3級樣方空間過度上無明顯差異。其中，1號和3號取土區(qū)草群高度在1級樣方—2級樣方—3級樣方空間過度上表現(xiàn)出平緩的漸增趨勢，說明草群高度的自然修復狀態(tài)較好。2號取土區(qū)草群高度在1級樣方—2級樣方的空間過度上表現(xiàn)出明顯的下降趨勢，在2級樣方—3級樣方的空間過度上仍表現(xiàn)出明顯的下降趨勢，下降速率略有減緩；由表4可知，禾草葉麥冬(LiriopegraminifoliaL.Bak.)僅出現(xiàn)在了2號取土區(qū)1級樣方和2級樣方的優(yōu)勢物種中，沒有出現(xiàn)在其他研究區(qū)各級樣方優(yōu)勢物種中，該植物為百合科(Liliaceae)山麥冬屬(Liriope)，其葉長20～50 cm，花葶長20～46 cm，由于該種草群高度異常高于研究區(qū)其他植物種類，因此，2號取土區(qū)草群高度變化趨勢表現(xiàn)異常。4號和5號取土區(qū)草群高度隨著1級樣方—2級樣方—3級樣方的空間過度表現(xiàn)出先下降后上升的趨勢，說明取土區(qū)中心草群高度自然修復較好，坡面草群高度自然修復較差。

5個研究區(qū)植物密度平均水平隨著1級樣方—2級樣方—3級樣方的空間過度表現(xiàn)出明顯的持續(xù)遞增趨勢，在1級樣方至2級樣方間增加趨勢相較2級樣方至3級樣方間略慢。其中，1號和4號取土區(qū)植物密度在1級樣方—2級樣方—3級樣方空間過度上表現(xiàn)出明顯的遞增趨勢，4號取土區(qū)植物密度在1級樣方至2級樣方間增加趨勢相較2級樣方至3級樣方間略慢，說明1號和4號取土區(qū)中心植物密度自然修復較差，坡面植物密度自然修復狀況一般。2號、3號和5號取土區(qū)植物密度在1級樣方—2級樣方的空間過度上無明顯差異，在2級樣方至3級樣方間增加趨勢明顯，說明取土區(qū)中心和坡面植物密度自然修復狀況一般。

在植被蓋度方面，5個研究區(qū)植被蓋度平均水平隨著1級樣方—2級樣方—3級樣方的空間過度表現(xiàn)出持續(xù)遞增的趨勢，在1級樣方至2級樣方間增加趨勢較緩，在2級樣方至3級樣方間增加趨勢較明顯。其中，1號和4號取土區(qū)植被蓋度在1級樣方—2級樣方—3級樣方空間過度上表現(xiàn)出明顯的遞增趨勢，4號取土區(qū)植被蓋度在1級樣方至2級樣方間增加趨勢相較2級樣方至3級樣方間略慢，說明1號和4號取土區(qū)中心植被蓋度自然修復較差，坡面植被蓋度自然修復狀況一般。2號、3號和5號取土區(qū)植被蓋度隨著1級樣方—2級樣方—3級樣方的空間過度表現(xiàn)出先緩降后增加的趨勢，且在2級樣方至3級樣方間增加趨勢明顯，說明取土區(qū)中心和坡面植被蓋度自然修復狀況一般。

5個研究區(qū)植物種類數(shù)平均水平隨著1級樣方—2級樣方—3級樣方的空間過度表現(xiàn)出先穩(wěn)定后增加的趨勢，且在2級樣方至3級樣方間增加趨勢較明顯。其中，1號、2號和5號取土區(qū)植物種類數(shù)在1級樣方—2級樣方—3級樣方空間過度上表現(xiàn)出先降低后增加的趨勢；1號取土區(qū)降低和增加趨勢均表現(xiàn)不明顯，說明植物種類數(shù)的自然修復狀況良好；2號和5號取土區(qū)植物種類數(shù)在1級樣方至2級樣方間降低趨勢較緩，在2級樣方至3級樣方間增加趨勢較明顯，說明取土區(qū)中心植物種類數(shù)的自然修復狀況略好于取土區(qū)坡面植物種類數(shù)的自然修復狀況。3號取土區(qū)植物種類數(shù)在1級樣方至2級樣方間增加趨勢較緩，在2級樣方至3級樣方間增加趨勢明顯，說明取土區(qū)中心和坡面植物種類數(shù)的自然修復結果一般。4號取土區(qū)植物種類數(shù)在1級樣方至2級樣方間增加趨勢明顯，在2級樣方至3級樣方間趨于穩(wěn)定，說明取土區(qū)中心植物種類數(shù)自然修復結果一般，坡面植物種類數(shù)的自然修復結果較好。

表4 研究區(qū)優(yōu)勢物種

表5 研究區(qū)草群高度、植物密度、植被蓋度和物種數(shù)量統(tǒng)計結果

3.3 土壤肥料與植被生長相關性分析

將取土區(qū)中央和坡面的土壤肥力各項指標值和植被生長各項指標值與對照區(qū)相比，即可得取土區(qū)中央和坡面的土壤和植被恢復度。

甘南地區(qū)濕潤多雨，在雨季期間，低洼的取土區(qū)中央會較長時間地存有積水。將取土區(qū)中央土壤肥力恢復度與植被生長各指標恢復度進行相關分析(見表6)，結果表明，植被的各生長指標恢復度與土壤肥力各項指標恢復度均無明顯的相關性，即雖然取土區(qū)中央土壤肥力恢復較好，但不能直接改善植被的生長狀況，取土區(qū)內常存有積水限制了植被的生長。取土區(qū)中央特殊的生長環(huán)境是取土區(qū)中央植物種類明顯不同于對照區(qū)的主要原因。

表6 取土區(qū)中央土壤肥力恢復度與植被生長各指標恢復度的相關分析

*表示p<0.05顯著水平。

將取土區(qū)坡面土壤肥力恢復度與植被生長各項指標恢復度進行相關分析(見表7)，結果表明，植被的各生長指標恢復度與土壤肥力各項指標恢復度均無明顯的相關性，即雖然取土區(qū)坡面土壤肥力高低對植被的生長狀況不能造成直接影響。相關研究表明，坡面土壤肥力會隨著時間的延長而降低[26-27]，植被自然修復狀況會隨著時間的延長而逐步改善[28]，植被的修復狀況亦受到時間的明顯限制，即當坡面土壤肥力較高時，說明該坡面處于破壞初期，植被生長狀況較差；當坡面土壤肥力較低時，說明該坡面已被破壞較長時間，雖然植被已經有了較長時間的自然修復，但土壤逐漸貧瘠，植被生長狀況較差。

表7 取土區(qū)坡面土壤肥力恢復度與植被生長各指標恢復度的相關分析

*表示p<0.05顯著水平。

4 結論與建議

通過對G213合作市南郊段路域人為破壞區(qū)(取土區(qū))植被和土壤的調查研究，得出以下主要結論：

(1) 由于取土區(qū)中央低洼，甘南氣候濕潤多雨，土壤養(yǎng)分會隨著雨水的沖刷聚集于取土區(qū)中央，一定坡度坡面上徑流速度大，營養(yǎng)物質易于流失，因此，導致了取土區(qū)中央土壤肥力較高，坡面土壤肥力較低的結果。

(2) 整體來看，取土區(qū)中央和坡面植被的自然修復狀況一般；由于受到積水的影響，雖然土壤肥力較高，但取土區(qū)中央植被自然修復結果不夠理想；在土壤肥力和修復時間的雙重作用下，取土區(qū)坡面植被自然修復結果較差。

(3) 取土區(qū)中央和對照區(qū)的環(huán)境差異大，導致植被優(yōu)勢物種明顯不同。

研究結論表明，路域人為取土區(qū)植被和土壤在自然狀態(tài)下的整體修復一般，對路域生態(tài)環(huán)境造成了明顯的破壞。據(jù)此，提出以下建議：①加強生態(tài)保護宣傳，提高道路沿線居民的環(huán)保意識；②制定嚴格的人為取土管理制度，限制人為取土區(qū)域，禁止道路沿線居民隨意采挖草原土壤；③及時對人為取土區(qū)的植被和土壤進行人工修復。

本研究以小型的人為取土區(qū)為例對G213高寒草原區(qū)段的道路交通間接生態(tài)效應進行了調查研究，今后可擴大研究對象范圍，如道路沿線工礦區(qū)等，對高寒草原區(qū)道路交通間接生態(tài)影響狀況作進一步探討。

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ResearchforRestorationofSoilandVegetationinHumanDisturbanceZoneofRoadinHigh-ColdGrasslandArea

SHAO Rui1, WANG Wen-rui2, SHI Kun-bo2, LIU Ying-hui1

(1.CollegeofResourcesScienceandTechnology,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China; 2.CollegeofEarthandEnvironmentalSciences,LanzhouUniversity,Lanzhou730000,China)

Road running damages the soil and vegetation indirectly. Small digging area nearby G213 in suburbs of Hezuo was surveyed in the sample plots. The results show that human disturbance has caused damage to eco-environment distinctly; the restoration of soil and vegetation on human disturbance zone under natural conditions is general. Affected by the surface runoff, the restoration of the soil fertility in the center of digging areas is better than that on the slope of digging areas. The restoration of the vegetation in center of digging areas is general, and the species of vegetation between the center of digging areas and contrast are distinctly different. The restoration of the vegetation on slope of digging areas is poor because of soil fertility and restoration time. According to the results of this research, the managements should strengthen the propaganda of environment protection, develop the system of protection environment of route, and carry out the artificial restoration in the human disturbance zone.

road effect; high-cold grassland; soil fertility ; vegetation growth; state road 213

2014-03-04

：2014-04-24

秦惠君與李政道中國大學生見習進修基金(CURE)”；國家基礎科學人才培養(yǎng)基金科研訓練與科研能力提高項目(J1210065)

邵蕊(1992—),女,山東濟寧人,碩士研究生,研究方向:資源生態(tài),E-mail:shaor10@163.com

王文瑞(1974—),男,甘肅環(huán)縣人,博士,副教授,研究方向:旅游地理學,E-mail:wwrhx@lzu.edu.cn

P967; P963; X37

：A

：1005-3409(2014)06-0181-06