扶溝-項城段高速公路邊坡植物群落恢復狀態(tài)評價

曹 娓，呂若冰，賀環(huán)宇，田國行，張國育

(1.河南農(nóng)業(yè)大學林學院，河南 鄭州450002；2.河南科技學院，河南 新鄉(xiāng) 453003；3.河南省高速公路發(fā)展有限公司，河南 鄭州 450016)

扶溝-項城段高速公路邊坡植物群落恢復狀態(tài)評價

曹 娓1,2，呂若冰1，賀環(huán)宇1，田國行1，張國育3

(1.河南農(nóng)業(yè)大學林學院，河南 鄭州450002；2.河南科技學院，河南 新鄉(xiāng) 453003；3.河南省高速公路發(fā)展有限公司，河南 鄭州 450016)

以河南省黃泛沙區(qū)大廣高速扶溝-項城段高速公路邊坡為對象，調(diào)研群落特征并檢測土壤化學性質(zhì)，通過主成分分析法，在對同一路段5種具有代表性的群落綜合評價得分的基礎(chǔ)上，對其恢復現(xiàn)狀進行比較，以期為高速公路邊坡群落配置和養(yǎng)護提供理論依據(jù)。結(jié)果表明,以鬼針草(BidenspilosaL.)+構(gòu)樹(Broussonetiapapyrifera(Linn.) L′Hér. ex Vent.)+加拿大蓬(Conyzacanadensis(L.) Cronq)為優(yōu)勢種的群落綜合得分最高，以黑麥草(LoliumperenneL. )+紫花苜蓿(MedicagosativaL.)+野胡蘿卜(DaucuscarotaL.)群落的得分次之，以野胡蘿卜(DaucuscarotaL.)+鬼針草(BidenspilosaL.)+紫花苜蓿(MedicagosativaL.)為優(yōu)勢種的群落得分排名第3，紫穗槐(AmorphafruticosaL.)+鬼針草(BidenspilosaL.)+野胡蘿卜(DaucuscarotaL.)優(yōu)勢種的群落得分排名第4，最后是扶芳藤(Euonymusfortunei(Turcz.) Hand.-Mazz.)群落。

高速公路；邊坡；植物群落恢復效果

中國高速公路邊坡形式主要為路堤邊坡和路塹邊坡。路堤邊坡立地條件差，土壤貧瘠，而且經(jīng)常將建筑垃圾回填至邊坡，土壤質(zhì)量水平會影響后期邊坡植物恢復的效果，但通過合理的植物配置能達到改善土壤條件的作用[1]。中國學者有從邊坡恢復初期土壤與群落的關(guān)系進行分析，發(fā)現(xiàn)土壤中有機質(zhì)與全氮含量較低，風蝕使地表土壤養(yǎng)分流失[2-3]，且土壤有機質(zhì)與群落多樣性相關(guān)性不高[4]；也有學者采用時空代換法對不同恢復年限的群落與土壤關(guān)系進行研究的，發(fā)現(xiàn)植被對土壤的培肥作用與時間密切相關(guān)，隨著恢復年限的增加，表土養(yǎng)分明顯好轉(zhuǎn)[5-7]。高速公路邊坡植被在恢復初期可能對受損界面起到了良好的修復作用，但是隨著時間的推移，一些植物群落生長態(tài)勢出現(xiàn)分化，缺少對多年邊坡植被恢復狀態(tài)的關(guān)注。本研究通過對黃泛沙區(qū)同一路段的公路邊坡植被群落調(diào)研，對已經(jīng)恢復9年的邊坡進行現(xiàn)狀效果評價，并為今后邊坡植物配置和后期養(yǎng)護管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1研究區(qū)概況

扶(扶溝)項(項城)高速隸屬于大廣高速，2006 年通車，雙向 6 車道，是連接河南省東南部和東北的高速公路。試驗路段坐標為 33°26′N, 33°34′E，為黃河泛濫沖積而成的黃泛平原，該試驗段的土壤為黃黏土，由于選取的群落均在同一地段，恢復初期土壤條件視為一致。試驗段屬暖溫帶半濕潤季風型氣候，四季分明。年平均氣溫為 14.5～15.8 ℃。極端最高氣溫達 43.2 ℃，極端最低氣溫為 -2l ℃，平均霜期為 146 d，無霜期219 d，歷年降水量為 689～816 mm，年平均日照時數(shù)為 2 025～2 269 h。風向以東北偏北為主，平均風速為 2.7～3.4 m·s-1[8]。

1.2群落動態(tài)觀測

1.2.1 樣地設(shè)置 主要采用樣方法，在邊坡設(shè)置3 m×5 m的樣地，不同類型的群落樣地重復3次[9]，共計15個樣地。草本群落調(diào)研采用梅花五點法，分別在樣地內(nèi)設(shè)置5個1 m×1 m的樣方，共計75個樣方。

1.2.2 數(shù)據(jù)分析 樣方調(diào)研時，主要統(tǒng)計植物的種類、蓋度、頻度/密度、高度等，并選取植物群落的豐富度指數(shù)、Shannon-Wiener指數(shù)以及均勻度指數(shù)，來分析群落的動態(tài)變化特征[10-12]，公式如下：

豐富度指數(shù)：R=樣方內(nèi)的物種數(shù)

(1)

Shannon-Wiener指數(shù)(S-W指數(shù))：

(2)

Pielou指數(shù)：E=H/lnS

(3)

式中：Pi為種i的重要值;S為物種數(shù)。

1.3土壤理化性質(zhì)的采樣與分析

土壤理化性質(zhì)主要分析群落所對應(yīng)土壤的全氮(Total N)、全磷(Total P)、全鉀(Total K)、有效氮(Available N)、有機質(zhì)(Organic Matter)和pH值。使用取土器分別在樣地內(nèi)按S型分0～10 cm，10～20 cm 2層取土，重復3次，每層所取土樣充分混合后送至河南省農(nóng)科院植物營養(yǎng)與資源環(huán)境研究所進行化驗分析。

2 結(jié)果與分析

2.1扶項高速公路邊坡植物群落特征

通過2014年的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，群落1,即扶芳藤群落長勢非常好，覆蓋度較高，群落中伴生有少量的白茅和紫花苜蓿；群落2,即野胡蘿卜+鬼針草+紫花苜蓿群落中同時長少量黑麥草；群落3,即紫穗槐+鬼針草+野胡蘿卜群落中伴生有黑麥草，但是紫穗槐的長勢不及同期調(diào)研的信南高速公路邊坡，可能與當?shù)貧夂颉⑼寥烙嘘P(guān)系；群落4,即鬼針草+構(gòu)樹+加拿大蓬群落中同樣伴生有黑麥草；群落5,即黑麥草+紫花苜蓿+野胡蘿卜群落伴生有草木犀。同時反映出黑麥草被廣泛應(yīng)用于扶項高速公路邊坡，但是在不同的群落中，優(yōu)勢度不同(表2)。

2.2扶項高速公路邊坡植物群落多樣性指數(shù)

6月，群落2的植物種類最多，Shannon-Wiener指數(shù)(S-W)較其他群落最高；到了7月,群落2中新生植物增加較多，其S-W指數(shù)最高；9月，群落2中又新增加敗醬和蒼耳，使其多樣性再次成為5個群落中最高的，11月群落多樣性都有所下降。從表2可以看出，群落2的多樣性指數(shù)最高，群落3的S-W指數(shù)最低，這與群落中物種數(shù)量有直接關(guān)系。由于群落1中扶芳藤競爭力強，伴生的草本植物較少，數(shù)量也不多，豐富度一直處于5個群落中最低。群落1、2、4的均勻度指數(shù)相差不大，且高于群落3和群落5。

表1 5種植物群落組成與邊坡情況Table 1 The condition of slope and 5 vegetation communities

表27月植物群落S-W指數(shù),豐富度指數(shù)，均勻度指數(shù)

Table 2 S-W index，richness index and pielou index of5 vegetation communities in July

2.3扶項高速公路邊坡土壤理化性質(zhì)分析

由表3可知，試驗段土壤理化性質(zhì)差別不大，其中全氮、全磷、全鉀0～10 cm土層的含量普遍高于10～20 cm土層，這與前人研究結(jié)果一致[5-6]。2個土層土壤的pH值相差不大，都在8以上，土壤

偏堿性。

從表3可以看出，土壤中的有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀是土壤養(yǎng)分的重要組成部分，它們?yōu)橹参锾峁┥L所需的養(yǎng)分，同時也體現(xiàn)了土壤的肥力水平[13-14]。5個群落的有機質(zhì)含量、全氮、全磷、全鉀，有效氮含量以及pH值的平均值為1.55、0.13、0.08、1.28、78.09、8.48。根據(jù)中國第2次土壤養(yǎng)分分級標準，試驗段的有機質(zhì)含量為10～20 g·kg-1, 屬于“4級缺乏”；全氮含量為1～1.5 g·kg-1,范圍為3級中等水平，有效氮為60～90 mg·kg-1，屬于“4級缺乏”；試驗段的全磷平均含量和全鉀的平均含量基本上處于中等或缺乏的水平，pH值為5級，堿性?？梢?，高速公路邊坡土壤肥力在恢復將近9年后仍然相對貧乏。

表3 試驗段土壤化學性質(zhì)Table 3 Soil chemical properties of test section

2.4物種多樣性與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系

使用SPSS19.0對物種多樣性指數(shù)與土壤化學性質(zhì)進行相關(guān)性分析，結(jié)果顯示豐富度指數(shù)與pH值呈顯著負相關(guān)，可見pH值越高，物種豐富度越低。均勻度指數(shù)與有效氮呈顯著負相關(guān)，與全氮呈極顯著負相關(guān)。S-W指數(shù)與土壤化學性質(zhì)之間沒有顯著相關(guān)性。

表4 物種多樣性指數(shù)與土壤化學性質(zhì)的相關(guān)性Table 4 Relationship between diversity index and soil chemical properties

注：*表示在0.05水平上顯著相關(guān)，**表示在0.01水平上顯著相關(guān)。

Note: * means significant correlation at 0.05 level, ** means significant correlation at 0.01 level.

2.5扶項高速公路邊坡群落恢復情況

將土壤有效氮、有機質(zhì)、pH值、全氮、全磷、全鉀、香農(nóng)威納指數(shù)、均勻度、豐富度9個變量進行主成分分析，得出相關(guān)系數(shù)的特征根和方差貢獻率，其中成分1解釋了方差的42.95%，成分2解釋了方差的29.18%，成分3解釋了方差的15.65%，前3個成分累計解釋了總方差的87.78%，故可以選擇前3個主成分進行分析(KOM檢驗值為0.506)。因子負荷矩陣是用來反映各個主成分的變異主要由哪些因子解釋[15]，從表5可以看出， 第1主成分里，正效應(yīng)較大的是有機質(zhì)、全氮、有效氮，負效應(yīng)較大的是pH值，第2主成分里正效應(yīng)較大的是S-W指數(shù)、豐富度，負效應(yīng)最大的是pH值，第3主成分中正效應(yīng)最大的是全磷。

表5 群落成分矩陣Table 5 Component matrix

將變量標準化后的矩陣與特征向量矩陣相乘，再通過各主成分分析的方差百分比計算出各個群落的綜合得分。由于每種類型的群落均重復3次調(diào)研，表6內(nèi)的結(jié)果均為平均值。從綜合得分可以判斷出5個群落的恢復現(xiàn)狀，群落4效果最好，效果相對較差的是群落1，排序為群落4>群落5>群落2>群落3>群落1(表6)。

表6 群落主成分分析及綜合得分情況Table 6 The principal component analysis and scores

3 討論與結(jié)論

3.1植物群落在恢復過程中對邊坡土壤改良具有積極作用

研究區(qū)域內(nèi)的5個植物群落雖然在同一年、同一路段種植，但從土壤化學性質(zhì)測定的結(jié)果可以看出，不同群落對土壤改良的效果也不盡相同。如有效氮含量最低的是群落1，含量最高的是群落3，其次為群落5、群落2，這些群落的共同點是都長有豆科植物，這與豆科植物能有效的改良土壤氮素營養(yǎng)有關(guān)。土壤有機質(zhì)不但是影響土壤肥力的重要指標之一，而且對植被的生長發(fā)育影響較大[16]。5個群落中有機質(zhì)含量排序為群落5>群落4>群落3>群落2>群落1，可見群落5的土壤肥力最高，群落1的土壤肥力最低。全氮含量最高的是群落3和群落5，檢測結(jié)果為1.6 g·kg-1，全氮含量最低的是群落1，檢測結(jié)果為1.0 g·kg-1，這一結(jié)果與有機質(zhì)含量非常相似，這是因為土壤中氮素有99%以上來源于有機質(zhì)[17]。5個群落的全磷含量群落3、群落4最高，且值相等，群落1和群落2的值相等且最低。全鉀含量最高的群落為群落1，最低的為群落3。

3.2物種多樣性與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系

許多學者對群落多樣性與土壤化學性質(zhì)進行過研究，得出的結(jié)果也不盡相同。多數(shù)學者的研究表明，物種多樣性指數(shù)與有機質(zhì)有顯著相關(guān)性[18-19]，有些學者得出的結(jié)論是兩者之間沒有顯著相關(guān)性[4,20],本研究顯示，有機質(zhì)與S-W指標、豐富度指標并沒有顯著相關(guān)性。均勻度指數(shù)與有效氮呈顯著負相關(guān)，與全氮呈極顯著負相關(guān)，這與王慧敏等[21]的研究結(jié)果相似。

3.3影響植物群落恢復效果的主要因素

主成分分析結(jié)果表明，土壤因子中有機質(zhì)、全氮、有效氮的含量對邊坡群落恢復起到了重要正向作用，pH值則反之，pH值越高，群落恢復的效果會越差。從群落物種多樣性的角度進行分析，S-W指數(shù)、豐富度指數(shù)對結(jié)果也起到了正向作用。從群落結(jié)構(gòu)上分析，群落4主要有鬼針草、構(gòu)樹、加拿大蓬和野胡蘿卜等，群落的S-W指數(shù)和物種數(shù)較高，也是5種群落里唯一有喬木幼苗的； 群落5的優(yōu)勢種有黑麥草和紫花苜蓿，豐富度是幾個群落中最多的；群落3主要由紫穗槐、鬼針草和黑麥草組成，由于紫穗槐密度較高，一定程度上影響了其他植物的生長，該群落的S-W指數(shù)是群落中最低的；群落1是以小葉扶芳藤為優(yōu)勢種的群落，該植物的蓋度達到95%，長勢非常好，但是S-W指數(shù)和物種數(shù)量在5個群落中較低?？梢?，在高速公路邊坡恢復中，土壤肥力對恢復效果有直接影響，而植物群落的物種豐富度、S-W指數(shù)也是評價恢復效果的主要因子。

3.4邊坡植物群落恢復現(xiàn)狀評價的意義

本研究結(jié)果顯示，5個群落中含有紫花苜蓿的群落得分都比較高，而紫穗槐群落所在的土壤中有效氮含量雖然比其他群落都高，但是群落植物種類少，豐富度和香農(nóng)威納指數(shù)都不高，一定程度上影響了其綜合得分。可見，具有較高物種多樣性且具有豆科植物的群落恢復效果最好。因此，建議在路基邊坡植物配置時采用喬灌草相結(jié)合的方式，多年生豆科植物與鄉(xiāng)土植物相結(jié)合，這樣的組合不僅可以節(jié)約養(yǎng)護成本，同時也兼顧了植被群落保持水土的作用。在本次調(diào)研中，小葉扶芳藤的生長狀態(tài)非常好，樣地覆蓋度超過95%，雖然對土壤的改良作用稍遜于豆科植物，但是從水土保持的角度出發(fā)，是具有推廣意義的。同樣，通過使用主成分分析法，可以有效、快速地評價出高速公路邊坡不同植物群落恢復現(xiàn)狀。

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(責任編輯：李 瑩)

AssessmentofvegetationcommunityrestoringconditiononFugou-Xiangchengexpresswayslope

CAO Wei1,2，LV Ruobing1，HE Huanyu1，TIAN Guohang1，ZHANG Guoyu3

(1. College of Forestry, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China; 2. Henan Institute of Science and Technology, Xinxiang 453003, China;3. Henan Expressway Development Co., Ltd., Zhengzhou, 450016, China)

In this paper, the research object is the Fugou-Xiangcheng expressway slope in Yellow River Flooding Sand Region. The community characters were investigated and the soil chemical properties were measured. Five typical vegetation communities were chosen in the same road section. Based on the synthesis scores of the five types vegetation communities from principal component analysis, the results were compared. We look forward to providing some advices on the plant arrangement and management for the expressway slopes. The ranking result of the five types of vegetation communities recovery is as follows: the communityBidenspilosaL.+ Broussonetia papyrifera (L.) L′Hér. ex Vent.+Conyzacanadensis(L.) Cronq, the community ofLoliumperenneL.+MedicagosativaL. +DaucuscarotaL., the community ofDaucuscarotaL. +BidenspilosaL. +MedicagosativaL., the community ofAmorphafruticosaL.+BidenspilosaL. and theEuonymusfortunei(Turcz.) Hand.-Mazz. community.

expressway; slope; vegetation community recovery

2015-11-20

河南省交通廳基金項目(2013J49；2014Z06；2015J02)

曹 娓(1982-)，女，河南新鄉(xiāng)人，博士研究生，主要從事風景園林規(guī)劃設(shè)計與高速公路路域景觀生態(tài)研究。

田國行(1964-)，男，河南封丘人，教授，博士，博士研究生導師。

1000-2340(2016)06-0799-06

Q 948

：A