海南高速公路東線邊坡植物群落物種多樣性及其與環(huán)境關(guān)系

趙懷寶,陳 鑌,陳道運(yùn),陳 威,黎 明

(1.海南熱帶海洋學(xué)院 生命科學(xué)與生態(tài)學(xué)院,海南 三亞 572022;2.三亞新大興園林生態(tài)工程有限公司,海南 三亞572022)

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海南高速公路東線邊坡植物群落物種多樣性及其與環(huán)境關(guān)系

趙懷寶1,陳 鑌1,陳道運(yùn)1,陳 威2,黎 明1

(1.海南熱帶海洋學(xué)院 生命科學(xué)與生態(tài)學(xué)院,海南 三亞 572022;2.三亞新大興園林生態(tài)工程有限公司,海南 三亞572022)

沿海南省東線高速公路設(shè)置13個(gè)樣地,對(duì)其進(jìn)行植被群落物種多樣性調(diào)查,并采集樣地土壤,測(cè)定含水量、pH、有機(jī)質(zhì)、全N、電導(dǎo)率等指標(biāo),探討植被群落物種多樣性、群落類型以及α多樣性指數(shù)與土壤因子的關(guān)系.結(jié)果表明:樣地共調(diào)查到植物43種,分屬17科41屬,其中,禾本科、豆科分占物種總數(shù)的23.25%、18.60%.狗牙根、蟛蜞菊、野扁豆、紫莖澤蘭在其群落中重要值都在0.2以上.根據(jù)TWINSPAN分類結(jié)果,將樣地植物劃分為四個(gè)群落類型:厚藤—蕨—蟛蜞菊,狗牙根—蟛蜞菊—假馬草,紫莖澤蘭—野扁豆—土牛膝,黃花稔.高速公路邊坡的α多樣性偏低.Margalef指數(shù)、Shannon-Weiner指數(shù)與含水量正相關(guān),Pielou指數(shù)與含水量負(fù)相關(guān).Shannon-Weiner指數(shù)、Simpson指數(shù)與有機(jī)質(zhì)、全N、pH、電導(dǎo)率正相關(guān),與C/N負(fù)相關(guān),Margalef指數(shù)剛好相反,表明土壤含水量是邊坡植被α多樣性差異的最主要影響因子.

植物群落;α多樣性;土壤因子;典范對(duì)應(yīng)分析

0 引言

高速公路邊坡植被在防止水土流失、改善公路景觀方面發(fā)揮著重要作用.但在公路建設(shè)過(guò)程中,土壤擾動(dòng)大、貧瘠、坡度大、難于管理等問(wèn)題困擾著邊坡植被物種的選擇和植被建植.通過(guò)公路邊坡植被群落物種多樣性和演替規(guī)律的研究,可以為邊坡綠植恢復(fù)和重建的物種選擇、恢復(fù)重建及長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)管理提供依據(jù).

物種多樣性是群落穩(wěn)定性的基礎(chǔ).物種組成決定群落的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)和功能[1].李娟等分析了懷新高速公路邊坡植物群落特征[2].于燕華等選擇四川省成昆鐵路沿線不同坡向的土質(zhì)路塹邊坡和巖質(zhì)路塹邊坡,對(duì)邊坡植物群落的植被類型及其結(jié)構(gòu)特征、邊坡植被恢復(fù)物種組成及其特征進(jìn)行了調(diào)查研究[3].王倩等以遂渝鐵路邊坡植物群落為研究對(duì)象,分析了遂渝鐵路邊坡草本植物多樣性季節(jié)動(dòng)態(tài)和空間分布特征[4].

植被群落物種多樣性與環(huán)境因子的關(guān)系是生態(tài)學(xué)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題.李新榮等研究表明土壤養(yǎng)分有機(jī)質(zhì)、N與物種多樣性指數(shù)之間存在顯著的相關(guān)性[5].趙洋毅等研究表明,物種多樣性與土壤有機(jī)質(zhì)關(guān)系密切[6].劉麗麗等研究表明,夏蠟梅群落物種多樣性與土壤有機(jī)質(zhì)含量也呈正相關(guān)等[7].但J.S. Rentch等對(duì)弗吉尼亞西部高速公路邊坡群落研究表明,公路邊坡不同位置的土壤養(yǎng)分之間差異極小,植物群落組成沒(méi)有明顯差異[8].

本研究利用對(duì)海南東線高速公路自南向北所創(chuàng)設(shè)的邊坡生境,開(kāi)展植被植物群落多樣性的調(diào)查,劃分群落類型,為邊坡植被恢復(fù)物種選擇提供依據(jù);并分析群落多樣性與土壤因子的關(guān)系,為邊坡植被的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)和管理措施的制定提供參考.

1 研究方法

1.1調(diào)查及測(cè)定方法

在海南東線高速三亞至海口段自南到北的邊坡設(shè)置13個(gè)樣地.植被調(diào)查采用典型樣方法,在每個(gè)樣地中,設(shè)置4個(gè)1m×1m的草本樣方,分別記錄每種草本的物種數(shù)、個(gè)體數(shù)、蓋度等指標(biāo).同時(shí),還測(cè)定了土壤的含水量、pH、有機(jī)質(zhì)、全N、電導(dǎo)率.用環(huán)刀采集樣方內(nèi)0-15cm混合土樣,采用烘干法測(cè)定含水量,用酸度計(jì)法測(cè)定pH,采用重鉻酸鉀容量法測(cè)定有機(jī)質(zhì),采用凱氏定氮法測(cè)定全氮,用DDSIIA電導(dǎo)率儀測(cè)定電導(dǎo)率.1.2數(shù)據(jù)整理與統(tǒng)計(jì)分析

植物群落的α多樣性是群落物種多樣性的重要指標(biāo)[9].在α多樣性指數(shù)中, Margalef指數(shù)是最簡(jiǎn)單也是相對(duì)可靠的測(cè)定方法[10],但是,該指數(shù)與取樣面積存在比例關(guān)系并且忽略了相對(duì)優(yōu)勢(shì)度、重要值.Simpson指數(shù)對(duì)于均勻度的敏感性高于Shannon-Wiener指數(shù),而Shannon-Wiener指數(shù)對(duì)于物種豐富度的敏感性高于Simpson指數(shù)[11],計(jì)算群落α多樣性時(shí),會(huì)出現(xiàn)物種豐富度的增加,被不斷降低的均勻度抵消的現(xiàn)象.鑒于此,本文將用Margalef指數(shù),Pielou指數(shù),Simpson指數(shù),Shannon-Weiner指數(shù)共同測(cè)算,預(yù)期更全面地反映α多樣性.各指數(shù)計(jì)算公式如下:

重要值(Pi)=(相對(duì)多度+相對(duì)蓋度+相對(duì)頻度)/3,

Marglef指數(shù)(R)=(S-1)/lnN，

應(yīng)用WinTWINS進(jìn)行植物群落分類,應(yīng)用Canoco4.5進(jìn)行典范對(duì)應(yīng)分析(CCA)分析植被物種多樣性與環(huán)境的關(guān)系[12].

2 結(jié)果與分析

2.1 植物群落物種多樣性

13個(gè)樣地共調(diào)查到植物43種,分屬17科,41屬,其中禾本科、豆科占物種總數(shù)的23.25%、18.60%.狗牙根、蟛蜞菊、野扁豆、紫莖澤蘭在其群落中重要值都在0.2以上,是優(yōu)勢(shì)物種.

2.2 群落類型

根據(jù)TWINSPAN分類結(jié)果,將調(diào)查樣地劃分為以下四個(gè)群落類型:

群落Ⅰ.厚藤—蕨—蟛蜞菊(Ipomoea pescaprae—Pteridium aquilinum—Wedelia chinensis),包含一個(gè)樣地,即2號(hào)樣地,海拔22.48m,陰坡.土壤為紅壤,pH5.25.該群落的優(yōu)勢(shì)種為厚藤,與其伴生的物種有蕨、蟛蜞菊、含羞草.

群落Ⅱ.狗牙根—蟛蜞菊—假馬草(Cynodon dactylon—Wedelia chinensis—Stachytarpheta jamaicensis),包括編號(hào)為1、3、4、5、7,五個(gè)樣地.該群落分布于海拔16m～23m,坡向類型包括1、3和4樣地,為陽(yáng)坡,5、7樣地為陰坡.該群落的優(yōu)勢(shì)種為蟛蜞菊,伴生種為狗牙根、土牛膝.

群落Ⅲ.紫莖澤蘭—野扁豆—土牛膝(Eupatorium odoratum—Dunbaria villosa (Thunb.) Makino— Achyranthes aspera),包括編號(hào)為6、8、9、10 、12、13五個(gè)樣地.該群落分布于海拔 24.20m～67.00m,坡向類型包括10、12為陽(yáng)坡,6、8、9和13為陰坡.該群落的優(yōu)勢(shì)種為紫莖澤蘭,伴生種為銀合歡、狼尾草.

群落Ⅳ.黃花稔(Sida acuta Burm),包括一個(gè)樣地,編號(hào)為11.該群落的海拔分布為27.60m,坡向類型陽(yáng)坡.該群落僅有黃花稔一個(gè)物種.

2.3α多樣性指數(shù)變化趨勢(shì)及其與環(huán)境的關(guān)系

2.3.1α多樣性指數(shù)變化趨勢(shì)

各樣地α多樣性指數(shù)見(jiàn)表1.由表1可知,P7的Margalef指數(shù)、Shannon-Weiner指數(shù)最高;P2的Simpson指數(shù)最高;P12的Pielou指數(shù)最高.但α多樣性整體偏低.其中P11因存在著大量入侵物種新銀合歡,僅黃花稔一種物種,所以出現(xiàn)了Margalef指數(shù)、Pielou指數(shù)為0的情況.

表1 13個(gè)樣地α多樣性指數(shù)

研究地陰坡、陽(yáng)坡樣地由南到北的排序中物種數(shù)和α多樣性指數(shù)的變化結(jié)果趨勢(shì)圖如圖1. 陰坡的物種數(shù)和α多樣性都比陽(yáng)坡高.

圖1 樣地由南到北α多樣性指數(shù)的變化

2.3.2 土壤因子變化趨勢(shì)

土壤因子由南至北的變化趨勢(shì)見(jiàn)圖2.由圖2可知, P5土壤質(zhì)地為沙土,含水量最低. P2為紅壤,pH值為5.25,有機(jī)質(zhì)、全N偏低. P4有機(jī)質(zhì)高達(dá)110.71g/kg、全N 2.781g/kg、電導(dǎo)率值196 us/cm,但該樣地α多樣性并不是最高的,優(yōu)勢(shì)種蟛蜞菊占據(jù)了主導(dǎo)地位.由圖3-2可知,含水量、有機(jī)質(zhì)、全N、C/N有增加趨勢(shì),pH、電導(dǎo)率有減少趨勢(shì),有機(jī)質(zhì)、全N、電導(dǎo)率的變化趨勢(shì)相似的.

圖2 土壤因子由南到北的變化趨勢(shì)

2.3.3 α多樣性指數(shù)與土壤因子關(guān)系

CCA分析所得結(jié)果如圖3. pH、有機(jī)質(zhì)、全N、電導(dǎo)率與第一排序軸正相關(guān),有機(jī)質(zhì)、全N、電導(dǎo)率表現(xiàn)出了極大的相關(guān)性,含水量與第二排序正相關(guān).α多樣性與土壤因子的相關(guān)性表明,Margalef指數(shù)、Shannon-Weiner指數(shù)與含水量正相關(guān),Pielou指數(shù)與含水量負(fù)相關(guān).Shannon-Weiner指數(shù)、Simpson指數(shù)與有機(jī)質(zhì)、全N、pH、電導(dǎo)率正相關(guān),與C/N負(fù)相關(guān),Margalef指數(shù)剛好相反.

圖3 植被α-多樣性指數(shù)與土壤因子典范對(duì)應(yīng)分析的雙軸排列圖(S1:Margalef指數(shù); S2:Simpson指數(shù); S3:Shannon-Weiner指數(shù);S4:Pielou指數(shù).HS:含水量; YJZ:有機(jī)質(zhì); D:電導(dǎo)率; CN:C/N.)

四個(gè)多樣性指數(shù)與六個(gè)環(huán)境因子的Pearson相關(guān)分析如表2. α多樣性指數(shù)與6個(gè)土壤因子的相關(guān)性都未達(dá)到顯著水平.比較圖3中環(huán)境因子的連線長(zhǎng)度可知,各因子影響的大小依次為:含水量>電導(dǎo)率>全N>有機(jī)質(zhì)>C/N>pH,這表明土壤含水量是α多樣性差異的最主要影響因子.

表2 α多樣性指數(shù)與環(huán)境因子的相關(guān)性

(注:- 表示運(yùn)算未有結(jié)果)

圖4 物種與土壤因子典范對(duì)應(yīng)分析的雙軸排列圖(1蟛蜞菊、2紫莖澤蘭、3馬松子、4含羞草、5假馬草、6馬唐、7穿心蓮、8鏈莢豆、9闊葉豐花草、10假臭草、11三點(diǎn)金、12狗牙根、13心形黃花稔、14葉下珠、15地錢草、16野扁豆、17山蔞葉、18海刀豆、19虎尾草、20芒草、21看麥娘、22紅尾翎、23峨眉蕨、24葫蘆茶、25厚藤、26了哥王、27紅毛草、28假高粱、29無(wú)刺含羞草、30籬欄網(wǎng)、31牛筋草、32鬼針草、33龍珠果、34土牛膝、35火索麻、36肖梵天花、37狼尾草、38銀合歡、39小心葉薯、40巴西含羞草、41黃花稔、42黃花草、43糙葉豐花草)

2.4 物種分布與環(huán)境的關(guān)系

物種和土壤因子的CCA排序分析結(jié)果如圖4所示. 43個(gè)物種中,馬唐、紅毛草在含水量較大時(shí)比其他物種更具有最適量;鬼針草在C/N較大時(shí)比其他物種更具有最適量;在有機(jī)質(zhì)較大時(shí)虎尾草比其他物種更具有最適量;鏈莢豆在全N較大時(shí)比其他物種更具有最適量;籬欄網(wǎng)在電導(dǎo)率較大時(shí)比其他物種更具有最適量;銀合歡在pH較大時(shí)比其他物種更具有最適量.

3 結(jié)論與討論

物種多樣性對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)的功能和穩(wěn)定起決定性作用,研究群落物種多樣性有助于了解物種的空間分布規(guī)律,能夠揭示群落多樣性與環(huán)境的相互作用過(guò)程[13].本研究發(fā)現(xiàn):邊坡含水量低,有機(jī)質(zhì)、全N缺乏,豆科和禾本科植物占優(yōu)勢(shì).陰坡比陽(yáng)坡更有利于植被的生長(zhǎng).這與肖蓉等對(duì)銅延高速公路邊坡植物進(jìn)行了調(diào)查分析結(jié)果是一致的[14].根據(jù)TWINSPAN分類結(jié)果,將樣地植物劃分為四個(gè)群落類型,群落Ⅱ是以狗牙根—蟛蜞菊—假馬草為優(yōu)勢(shì)種的群落,群落Ⅲ是以紫莖澤蘭—野扁豆—土牛膝為優(yōu)勢(shì)種的群落,其中狗牙根、蟛蜞菊、野扁豆、紫莖澤蘭重要值都在0.2以上.

高速公路邊坡特殊的地理位置和自然條件決定了邊坡植被生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性和不穩(wěn)定性,該地區(qū)物種組成較為簡(jiǎn)單,共發(fā)現(xiàn)43種植物,與海南省植物群落物種多樣性相比,α多樣性指數(shù)較低[15].同時(shí)得出:沿高速路由南到北的變化中含水量、有機(jī)質(zhì)、全N、C/N有增加趨勢(shì),pH、電導(dǎo)率有減少趨勢(shì),有機(jī)質(zhì)、全N、電導(dǎo)率的變化趨勢(shì)是相似的.

李新榮等研究表明土壤養(yǎng)分有機(jī)質(zhì)、N與物種多樣性指數(shù)之間存在顯著的相關(guān)性[5],趙洋毅等研究表明,物種多樣性與土壤養(yǎng)分特征關(guān)系顯著,其中有機(jī)質(zhì)與物種多樣性關(guān)系密切[6],陳宗偉等對(duì)青海高速公路沿線植物群落穩(wěn)定性影響因子分析,研究表明,影響沿線植物群落穩(wěn)定性的主要影響因子包括土壤養(yǎng)分含量、鹽分含量、苗木適應(yīng)性、栽植密度及降雨量[16].本研究中CCA分析與Pearson相關(guān)驗(yàn)證結(jié)果顯示,α多樣性與6個(gè)土壤理化因子的相關(guān)性都未達(dá)到顯著水平,土壤含水量是α多樣性差異的最主要影響因子.由于邊坡坡面陡峭、道路施工擾動(dòng)后土質(zhì)差等因素,土壤水分就成為影響植被分布的重要因子.

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(編校：何軍民)

Species Diversity and Its Correlation with the Environment in Highway Slope

ZHAO Huai-bao1, CHEN Bin1, CHEN Dao-yun1, CHEN Wei2,LI Ming1

(1. College of Life Sciences and Ecology, Hainan Tropical Ocean University, Sanya Hainan 572022, China; 2. Sanya Daxing New Landscape Ecological Co. Ltd., Sanya Hainan 572022, China)

13 samples in the slope of the east highway in Hainan province were set up to investigate the vegetation species diversity, to collect soil samples and to measure water content, pH, organic matter, total N content, conductivity, and C/N index. The relation between soil and α-diversity index was explored. The results showed a total number of 43 plots species, belonging to 17 family, 41 genus, of whichGramineaeaccounted for 23.25% andLeguminosaeaccounted for 18.60%, and important values ofCynodondactylon,Wedeliachinensis,Dunbariavillosa(Thunb.)Makino,Eupatoriumodoratumin their communities were 0.2 above each. According to TWINSPAN classification results, the plot was divided into the following four plant community types:Ipomoeapescaprae—Pteridiumaquilinum—Wedeliachinensis,Cynodondactylon—Wedeliachinensis—Stachytarphetajamaicensis,Eupatoriumodoratum—Dunbariavillosa—Achyranthesaspera,andSidaacutaBurm. α-diversity of the highway slope vegetation is low. Margalef index and Shannon-Weiner index was correlated with water content positively, whereas Pielou index with moisture content negatively. Shannon-Weiner index and Simpson index was correlated positively with organic matter, total N, pH and conductivity, whereas negatively with C/N. On the contrary, Margalef index was correlated negatively with organic matter, total N, pH and conductivity, whereas positively with C/N. It is demonstrated that soil water content is the most important factor of α-diversity variation in the transitional zone of vegetation slope.

plant community; α-diversity ; soil factor; canonical correspondence analysis

2016-09-01

三亞市科研試制項(xiàng)目(2016KS02);海南省社會(huì)發(fā)展科技專項(xiàng)項(xiàng)目(2015SF24);瓊州學(xué)院開(kāi)放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目(2014QYKY060)

趙懷寶(1969-),男,河南永城人,海南熱帶海洋學(xué)院生命科學(xué)與生態(tài)學(xué)院,副教授,博士,研究方向?yàn)樯鷳B(tài)學(xué)及園林.

Q948;U418.9

A

1008-6722(2016) 05-0017-06

10.13307/j.issn.1008-6722.2016.05.04