伊犁地區(qū)公路邊坡植被恢復措施與土壤因子的耦合關系

劉 濤，程金花，李宏鈞，朱方方

(1.北京林業(yè)大學 水土保持學院，北京 100083；2.交通運輸部科學研究院，北京 100029；3.交科院科技集團有限公司，北京 100013)

0 引言

伊犁地處我國西北邊陲，由于土地利用極不合理，沙漠化發(fā)展迅速[1]，植被恢復困難，水土流失在高陡邊坡和低植被覆蓋度區(qū)域頻發(fā)[2]，同時大規(guī)模的公路建設極易對當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境產生負面影響，引發(fā)嚴重的水土流失問題，如何利用有限的表層土壤資源實現(xiàn)更好的植被恢復效果引起國內外學者的廣泛關注[3-4]?，F(xiàn)有的研究發(fā)現(xiàn)植被恢復是改善生態(tài)環(huán)境、控制土壤侵蝕的最佳途徑[5]，但公路邊坡植被恢復不僅受土壤養(yǎng)分、土壤質地、土壤抗沖抗蝕性等土壤因素的限制，還受光照、溫度、水分等多環(huán)境因子的復合影響。目前學者多采用定性描述或單因素的統(tǒng)計學方法探究環(huán)境因子和土壤因子對植被恢復的影響[6-8]，通過定量分析多影響因子對植被恢復效果的影響還鮮有報道[9]。

耦合分析為量化各因子之間的相互關系及過程，揭示不同植被恢復措施下多土壤因子和環(huán)境因子對植被恢復的影響提供了良好方法[10]。本研究依托S242線鞏留至尼勒克公路展開研究，通過設置不同植物組合、不同表土回填厚度的試驗小區(qū)，探究土壤因子和植被因子對不同植物恢復措施的耦合影響，構建植被因子與土壤各因子之間的相互關系，以期為伊犁地區(qū)公路邊坡植被恢復措施的篩選提供參考。

1 試驗工程與研究方法

1.1 試驗工程概況

試驗工程位于新疆維吾爾自治區(qū)伊犁哈薩克自治州境內，依托S242線鞏留至尼勒克公路K30-K31段，地理坐標為82°15′25″～ 82°25′33″E，43°35′0.5″～ 43°49′47″N，屬天山北麓阿布熱勒山區(qū)[11]，具體位置見圖1。研究區(qū)屬溫帶大陸性半干旱氣候，年平均降雨量316.55 mm，年平均氣溫為10.5 ℃，極端最高氣溫42.8 ℃(7月)，極端最低氣溫-51 ℃(1月)；年平均風速1.14 m·s-1，年日照2 748.1 h，無霜期149 d。土壤以灰鈣土、潮土為主，植被覆蓋度30%～60%[12]。

1.2 試驗方案

通過調查伊犁地區(qū)鄉(xiāng)土植物種及可成熟引用的植物種，結合公路建設中的水土流失防治需要和植物景觀融合需求[13]，篩選出細莖冰草、高羊茅、披堿草、紫花苜蓿、紅豆草、檸條、紫穗槐7種植物，組合搭配后用于公路邊坡植被恢復試驗。

根據(jù)公路植被恢復和回填表層土壤的厚度，在坡比為1∶1的路基邊坡上設置5 m×5 m的試驗小區(qū)，公路邊坡植被恢復一般用混交模式種植，本研究設置A，B，C，D 4種植物組合模式(表1)，以上4種植物組合模式的表層回填土厚度均為10 cm。此外，本研究采用C植物組合另外設置了回填5，10，15，20 cm 4種覆土厚度(表土回填)小區(qū)，分別用FT 5，F(xiàn)T 10，F(xiàn)T 15和FT 20表示，設置裸坡小區(qū)(CK)作為對照，每個試驗小區(qū)設計3個重復，共計27個試驗小區(qū)。

表1 不同處理間植被和土壤分布情況Tab.1 Distribution of vegetation and soil in different treatments

1.3 土樣采集及測定

試驗實施一年后，在每個試驗小區(qū)上隨機選擇3處采樣點采集土壤樣品，帶回實驗室后采用烘干稱重法測定土壤重度[14]，激光粒度儀測定土壤機械組成[15]，用環(huán)刀浸透法測定土壤孔隙度[16]，用濃硫酸重鉻酸鉀外加熱法測定土壤有機碳[17]，浸水試驗[18]測定土壤抗蝕性，用原狀土水槽沖刷法[19]測定土壤抗沖性，用重鉻酸鉀容量法測定土壤有機質含量[20]。

1.4 植物指標測定

試驗小區(qū)植物自然生長一年后，在每個試驗小區(qū)的上部和下部分別設置一個2 m×2 m的植物樣方，定期進行植物樣方調查，記錄樣方內植物的種類、數(shù)量、高度、蓋度。選取Shannon-Wiener 指數(shù)、Margalef指數(shù)、Pielou指數(shù)和Simpson指數(shù)作為公路邊坡植被多樣性測定指標，其具體計算步驟詳見相關文獻[21]。

1.5 數(shù)據(jù)處理及分析

本研究采用Origin9.0進行數(shù)據(jù)處理和分析，采用灰色關聯(lián)度法分析植物恢復措施和土壤因子的協(xié)同效應[22]，其具體計算步驟詳見相關文獻[23]。

本研究選用植物群落多樣性指標和土壤因子指標，用Canoco for Windows 4.5進行冗余分析(RDA)[24]，探索土壤因子與植物群落多樣性的相互關系。

構建植物-土壤耦合協(xié)調度模型[25]，綜合評判公路邊坡植物與土壤的耦合協(xié)調程度，其耦合協(xié)調度的計算步驟詳見相關文獻[9]，耦合協(xié)調度標準如表2所示。

表2 公路邊坡植物-土壤耦合協(xié)調度評判標準Tab.2 Evaluation criterion of plant-soil coupling coordination degree of highway slope

2 結果與分析

2.1 植物組成

統(tǒng)計樣方調查的植物種類，計算每種植物在樣方內所占的比例，所得結果見圖1。

樣方調查結果表明，不同處理間的物種組成和蓋度均存在較大差異(圖1)。除CK小區(qū)外，不同覆土厚度和不同植物組合處理下的植物物種數(shù)量均為5～7種，其中不同植物組合A，B，C，D的植物多樣性較為穩(wěn)定，植物種類均為6種。不同處理的植被蓋度未見顯著差異，其植被蓋度介于80%～86%。不同處理的植物組成存在較大差異，其中紫花苜蓿在植物群落中的占比最大，介于30%～70%，顯著高于其他植物種所占比例，在C和D處理小區(qū)表現(xiàn)尤為明顯，分別占到了57%和66%。紅豆草僅在B處理小區(qū)中生長較為旺盛；披堿草幾乎未在試驗小區(qū)中發(fā)現(xiàn)。

圖1 不同植被恢復措施下植被群落組成Fig.1 Vegetation community composition under different vegetation restoration measures

在研究期內，已有3種(刺藜、霧冰藜、狗尾草)鄉(xiāng)土植物在公路邊坡自然更新，其中霧冰藜和刺藜在樣方內生長勢較好，個體數(shù)目多、物種占比大，刺藜在所有試驗小區(qū)中都有生長，在植物群落中的占比介于5%～20%；霧冰藜在除了FT10 cm小區(qū)外的其他小區(qū)中均有生長，群落占比介于8%～40%；狗尾草僅出現(xiàn)在FT10和FT20的小區(qū)里。除了FT5試驗小區(qū)，其他所有措施小區(qū)的植被蓋度均高于對照小區(qū)。隨著覆土厚度的增加，樣方內植被蓋度增大，尤其是在覆土厚度由10 cm增加到15 cm時，試驗小區(qū)的植被蓋度出現(xiàn)了較大幅度的增加，增幅達15%；FT20小區(qū)植被蓋度最高，達到88%。

2.2 植物群落多樣性與土壤因子關系分析

圖2為冗余分析結果，由圖2可知，RDA 排序圖第一軸單獨解釋群落多樣性信息總變異的解釋率為85.6%，第二軸的單獨解釋率為10.7%。

圖2 冗余分析結果Fig.2 Redundancy analysis result

從圖2中可以看到，土壤容重、砂粒含量、土壤抗蝕性等因子對植被恢復措施沿第一軸分布起主要作用，土壤孔隙度、土壤非毛管孔隙度、土壤有機質等因子對植被恢復措施沿第二軸分布起主要作用。土壤粉粒含量、土壤黏粒含量、土壤抗沖性因子箭頭以土壤抗沖性因子為中心聚集在一起，土壤孔隙度、土壤有機質、土壤有機碳3個因子以土壤有機質因子為中心聚集在一起，表明分別聚集的這3個變量有較強的相關性，其中土壤孔隙度與土壤有機質含量的強關聯(lián)性與張鼎華等[26]的研究結果相似，即土壤孔隙度隨著土壤有機質含量的增加而增加。土壤抗蝕性指標對反映植物群落多樣性的Simpson指數(shù)和Shannon-wiener指數(shù)的影響較為顯著，說明土壤抗蝕性是影響研究區(qū)域公路邊坡植被恢復效果的主要因素，這與李宏鈞等[2]研究發(fā)現(xiàn)土壤抗蝕指數(shù)對護坡植被質量影響較大的結論相似，其中覆土15 cm小區(qū)和覆土20 cm小區(qū)的土壤抗蝕性因子較為相似，說明覆土厚度增加到15 cm后繼續(xù)增加回填厚度，對土壤的抗蝕性影響有限。

2.3 植物群落多樣性與土壤因子耦合關聯(lián)分析

對土壤的理化性質指標進行灰色關聯(lián)度分析，并與植物群落多樣性指標進行耦合，所得結果見表3。由表3可知，土壤各因子與植物群落多樣性指標之間的關聯(lián)度系數(shù)介于0.25～0.50，均值為0.36，其中土壤抗蝕性、土壤抗沖性、土壤孔隙度對伊犁地區(qū)公路邊坡植物群落多樣性的影響較為明顯，其平均關聯(lián)度系數(shù)均大于0.36，并依次增強，屬于較強關聯(lián)；土壤黏粒含量、土壤有機質含量、土壤有機碳含量的平均關聯(lián)度系數(shù)接近或等于0.36，屬于中等關聯(lián)水平。綜合來看，伊犁地區(qū)公路邊坡土壤與植物群落多樣性有較強的耦合作用，以中等關聯(lián)和較強關聯(lián)為主。

土壤因子中土壤孔隙度和土壤抗沖性的平均關聯(lián)度系數(shù)最大，為0.43，高出最小值非毛管孔隙度因子的平均關聯(lián)度系數(shù)(0.29)48.27%，表明土壤孔隙度和土壤抗沖性因子對植被恢復質量影響最大，而非毛管空隙度因子可能是造成植被恢復差異的主要原因。

表3 植物群落多樣性指標與土壤因子耦合矩陣Tab.3 Coupling matrix of plant community diversity indicators and soil factors

植物群落多樣性指標對土壤指標的反饋較為明顯，其中Margalef指數(shù)的平均關聯(lián)度系數(shù)最高，為0.42，顯著大于均值0.36；Shannon-wiener指數(shù)平均關聯(lián)度系數(shù)其次，Pielou指數(shù)平均關聯(lián)度系數(shù)最低，為0.30，表明土壤因子對植物群落的豐富度影響最大，對植物群落的均勻度影響最小，這與薛鷗等[10]對公路邊坡植物群落多樣性與土壤因子耦合關系所得研究結論相似。

2.4 植物群落多樣性與土壤因子耦合度分析

按系統(tǒng)耦合度公式計算，并按表2所列的系統(tǒng)耦合協(xié)調度標準進行評判，所得結果見表4。由表4可知，不同措施實施一年后，植物群落多樣性與土壤的耦合協(xié)調度介于0.191～0.255，屬于低級協(xié)調向初級協(xié)調發(fā)展的階段，采用FT20、FT15、D植物組合、B植物組合、C植物組合措施的小區(qū)已進入初級協(xié)調，其中FT15、FT20和D植物組合小區(qū)植被-土壤耦合協(xié)調度相對更好，B和C植物組合小區(qū)的耦合模式剛進入初級協(xié)調。從覆土厚度措施來看，當覆土厚度由10 cm增加到15 cm后，植被與土壤的耦合協(xié)調度逐漸增大，當覆土厚度超過15 cm后，植被-土壤耦合協(xié)調度的增幅逐漸變緩，表明覆土15 cm是實現(xiàn)植被與土壤快速協(xié)調發(fā)展的一個較為理想的覆土厚度。

表4 植被-土壤耦合協(xié)調度評判結果Tab.4 Evaluation result of vegetation-soil coupling coordination degree

3 討論

公路邊坡土層瘠薄，水熱條件差，土壤侵蝕嚴重，抑制了植物的生長。人工恢復植被可為邊坡植被的自然恢復提供基礎，縮短植被演替時間，改良邊坡土壤[27]，為恢復原地貌生態(tài)環(huán)境創(chuàng)造有利條件。本研究結果表明覆土厚度較厚的小區(qū)植被與土壤耦合協(xié)調更快，這與李樹彬等[28]研究發(fā)現(xiàn)覆土厚度較深的小區(qū)土壤肥力更高、植物產量更好的結論相似。王志強等[29]對內蒙古地區(qū)的天然草地進行研究，發(fā)現(xiàn)土壤厚度小于20 cm時，植被生長情況隨土壤厚度的增加增幅明顯，超過20 cm后繼續(xù)增加土壤厚度，植被生長情況變化幅度變緩；本研究中土層厚度超過10 cm時，植被的建植質量有了較明顯的提高，植被與土壤的耦合加快，土層厚度超過15 cm后，植被生長情況隨土壤變化程度放緩，這可能是由于區(qū)域環(huán)境和公路邊坡獨特的生長環(huán)境差異導致二者的結論存在差異。孫永秀等[3]對庫爾木圖礦區(qū)草原進行研究，發(fā)現(xiàn)礦區(qū)草地植物蓋度、高度和生物量隨覆土厚度的增加呈遞增趨勢，這與本研究所得結論基本一致，但是限于表土資源和試驗小區(qū)的面積等其他因素的限制，未能設計更多的土壤厚度梯度，后續(xù)可細化覆土厚度梯度，尋找植被-土壤耦合變化的臨界點和最佳耦合的覆土厚度。

結合表4和RDA排序圖從植物組合角度來看，D植物組合的耦合協(xié)調度最大，與A，B，C植物組合的差異較為明顯；B，C植物組合為初級協(xié)調，彼此之間的差異較?。籄植物組合坐標緊鄰粉粒、黏粒含量指標，可能是因為其整體不適宜該區(qū)域的生長條件，導致其對應的植被-土壤耦合協(xié)調度低于對照組?，F(xiàn)階段試驗小區(qū)處于低級協(xié)調向初級協(xié)調發(fā)展轉變的階段，隨著植被與土壤的循環(huán)發(fā)展，植被生長的競爭將更加激烈，尤其是點播灌木的C和D植物組合小區(qū)。趙晶等[30]對陜南高速公路邊坡人工植被恢復初期的群落進行調查，發(fā)現(xiàn)群落構成以1年或多年生草本植物為主，灌木少見，初期入侵的植被以2年或2年的先鋒草本植物為主，以狗尾草、白酒草和1年蓬較為高頻，與本研究現(xiàn)狀極為相似。李鵬飛等[31]對豫南丘陵區(qū)植被多樣性進行調查，發(fā)現(xiàn)不同生長時期內植物群落的物種數(shù)、多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)均隨著恢復年限的增長呈明顯的增加趨勢；本研究現(xiàn)階段發(fā)現(xiàn)坡面基本以草本植物為主，灌木生長緩慢，隨著建植時間的延長，植物與土壤的良性循環(huán)，其耦合協(xié)調度會逐漸增強，但其植被群落穩(wěn)定性和植被群落演替方向均有待時間檢驗，需后續(xù)跟蹤觀測。徐明等[32]對安塞縣采用不同植被恢復模式恢復了20 a的溝谷地進行研究，發(fā)現(xiàn)不同植被因子或土壤因子與對其產生重要影響(主要解釋變量)的環(huán)境因子間存在差異，反映出溝谷地生態(tài)系統(tǒng)中不同因子間的相互作用是存在一定差異的，這與本研究的現(xiàn)象極為相似。

4 結論

本研究通過實地試驗，應用冗余分析法耦合分析了不同植被恢復措施實施一年后的植被-土壤的關系，主要結論如下：

(1)邊坡覆土厚度是可能影響伊犁地區(qū)公路邊坡植被恢復的關鍵因素。

(2)土壤因子共同解釋了8種不同措施植物群落多樣性變異信息的96.3%，土壤抗蝕性是影響植物群落多樣性的主要因子之一。

(3)土壤因子與植物群落多樣性指標的關聯(lián)度系數(shù)為0.25～0.50，以中等關聯(lián)和較強關聯(lián)為主，對物種豐富度指數(shù)的影響最大；土壤孔隙度和土壤抗沖性與植物群落多樣性的平均關聯(lián)度系數(shù)最大，表明土壤孔隙度和土壤抗沖性對植被恢復質量影響最大。

(4)相同覆土厚度下，草灌混播的D植物組合措施的植被與土壤的耦合程度顯著優(yōu)于其他處理；相同植物組合措施下，覆土厚度為15，20 cm的兩個小區(qū)進入初級協(xié)調，覆土厚度為5，10 cm的均為低級協(xié)調，增加公路邊坡土壤厚度可在一定程度上加速植被與土壤的耦合。為確保該區(qū)域公路邊坡植被恢復效果，建議邊坡表土回填厚度應大于15 cm。