東天山隧道口附近植物多樣性及土壤質(zhì)量的相關(guān)性分析

官黎明，欒治軍，張 帥，張 歡，宋增龍，李玉英

(1.中交一公局橋隧工程有限公司，新疆 哈密 839000；2.南陽(yáng)師范學(xué)院 水資源與環(huán)境工程學(xué)院，河南省南水北調(diào)中線水源區(qū)流域生態(tài)安全國(guó)際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，河南 南陽(yáng)473061)

我國(guó)是一個(gè)多山的國(guó)家，山區(qū)面積約占國(guó)土總面積的三分之二，隧道由此成為我國(guó)利用地下空間的一種常見形式。隧道作為公路建設(shè)的重要組成部分，可以充分利用巖土的固有性質(zhì)，能夠縮短公路里程、降低公路后期運(yùn)營(yíng)成本、提高物流等企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益[1]。但在隧道施工過程中，工程作業(yè)會(huì)不可避免地改變?cè)械纳鷳B(tài)環(huán)境，甚至造成環(huán)境污染，這些影響往往是難以恢復(fù)或不可恢復(fù)的。隧道在開挖過程中勢(shì)必會(huì)造成周圍土層結(jié)構(gòu)的改變，使巖土結(jié)構(gòu)變得松散，并導(dǎo)致地表水、地下水重新分布[2]。同時(shí)，為了改善寒、旱地區(qū)惡劣的作業(yè)條件，施工方建設(shè)的防護(hù)棚、暖風(fēng)管道、自動(dòng)化生產(chǎn)車間等會(huì)進(jìn)一步惡化地表水和地下水。隧道開挖的爆破廢棄物、施工油污等還會(huì)造成水體不同程度的污染，這些不利影響是長(zhǎng)期的，其惡劣后果往往比較滯后。平學(xué)惠等[3]發(fā)現(xiàn)隧道施工結(jié)束16個(gè)月后，周邊開始出現(xiàn)動(dòng)植物死亡的現(xiàn)象，原因是土壤的pH值較低、重金屬超標(biāo)。由此可見，隧道施工區(qū)域進(jìn)行生態(tài)修復(fù)和生物多樣性評(píng)估非常重要。

新疆的自然生態(tài)環(huán)境非常脆弱，一旦受到破壞，恢復(fù)非常困難。生物多樣性為生態(tài)系統(tǒng)提供了諸多功能和服務(wù)，對(duì)改善脆弱的寒、旱地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)有著重要的作用。草本植被的物種豐富多樣，極大地影響著群落的能量流動(dòng)，故加強(qiáng)對(duì)高寒公路隧道生態(tài)修復(fù)區(qū)草本植物群落的研究很有必要[4-5]。G575線東天山隧道區(qū)域在施工過程中應(yīng)用多項(xiàng)專利技術(shù)，有效減少了對(duì)周邊環(huán)境的破壞，并且加強(qiáng)了生態(tài)修復(fù)區(qū)的建設(shè)。在此基礎(chǔ)上，本研究以自然植物群落、人工植物群落演替規(guī)律為指導(dǎo)，結(jié)合土壤質(zhì)量評(píng)估，調(diào)查隧道口附近的植物生長(zhǎng)狀況，旨在為后期高速公路生態(tài)綜合治理提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 樣地設(shè)置與信息收集

東天山隧道區(qū)域氣候敏感，生態(tài)環(huán)境脆弱，地形復(fù)雜，西低東高，北低南高，降水量少，氣候干燥，晝夜溫差大，屬于溫帶大陸性干旱半干旱氣候。樣地位于東天山隧道口，坐標(biāo)為93°37′21.1″E、43°21′51.5″N，海拔為2 306 m，年平均氣溫在-0.4 ℃左右，年降水量為206.96 mm[6]。

樣地設(shè)置方法：確定樣地中心點(diǎn)，記錄其地理坐標(biāo)，以此為參照點(diǎn)，用卷尺在洞口左、右邊坡處各確定3個(gè)樣點(diǎn)，兩洞頂分別確定1個(gè)樣點(diǎn)，路基邊坡確定4個(gè)樣點(diǎn)。

調(diào)查樣方設(shè)置：在樣地中心點(diǎn)兩邊坡分別設(shè)置3個(gè)1 m×1 m的樣方，并標(biāo)記為Q1、Q2、Q3、Q4、Q5和Q6，兩洞頂分別設(shè)置1個(gè)1 m×1 m的樣方，并標(biāo)記為Q7和Q8，路基邊坡設(shè)置4個(gè)1 m×1 m的樣方，分別標(biāo)記為Q9、Q10、Q11和Q12(見圖1)。2019年7月至9月，在東天山隧道北段隧道洞口左邊坡、右邊坡、隧道洞頂、路基邊坡的12個(gè)樣地內(nèi)開展物種調(diào)查，主要記錄植物分布地點(diǎn)、種名、株數(shù)、高度、平均株高、生長(zhǎng)環(huán)境等。

圖1 東天山隧道口植物群落樣地設(shè)置Fig.1 Sample plot setting of plant community at tunnel entrance

1.2 土壤采樣方法

按照蛇形采樣法對(duì)每個(gè)樣地表層土壤進(jìn)行采集，土層深度為0～10 cm，所取樣土帶回實(shí)驗(yàn)室經(jīng)過嚴(yán)格的制備處理后進(jìn)行化學(xué)性質(zhì)的測(cè)定?？偭?TP)質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用鉬酸銨分光光度法測(cè)定，總氮(TN)質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用凱氏法測(cè)定，速效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用聯(lián)合浸提-比色法測(cè)定，速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用聯(lián)合浸提-比色法測(cè)定，土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用滴定法測(cè)定[7]。

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

采用Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H)、Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)(D)及均勻度指數(shù)(J)作為描述野生植物資源的綜合指標(biāo)，所有數(shù)據(jù)均采用Excel 2010和Canoco 5.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。用Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H)、均勻度指數(shù)(J)和Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)(D)度量隧道口附近植物物種的多樣性，分別為

H=-∑PilnPi，

(1)

(2)

(3)

式(1)、(2)、(3)中：Pi為第i種植物的相對(duì)重要值；S為樣方內(nèi)的物種總數(shù)；N為所取樣方中所有種類相對(duì)重要值的總和。

相對(duì)重要值計(jì)算公式為

(4)

2 結(jié)果與分析

2.1 樣地間植物群落特征及物種優(yōu)勢(shì)度比較

2019年7月至9月在東天山隧道北段隧道洞口左邊坡、右邊坡、隧道洞頂、路基邊坡調(diào)查的12個(gè)樣方中，共記錄了62種植物，隸屬于25科57屬。路基邊坡樣地物種最多，達(dá)到35種，其次是左邊坡樣地、右邊坡樣地和洞頂樣地，分別為29種、21種和17種。左邊坡樣地的植被高度值最大，達(dá)到38.64 cm，其次是右邊坡樣地、路基邊坡樣地、洞頂樣地，分別為37.70 cm、33.94 cm和27.00 cm。草本密度的變化規(guī)律與植被高度相同，左邊坡樣地的草本密度最大，達(dá)到138.08 株/m2，其次是右邊坡樣地、路基邊坡樣地、洞頂，分別為92.08 株/m2、38.13株/m2和24.38株/m2。各樣地之間的草本密度差距明顯，最大值是最小值的5.66倍。相對(duì)重要值指標(biāo)的變化規(guī)律也與植被高度相同，但各樣地之間相差不多，左邊坡樣地相對(duì)重要值最大，達(dá)到0.91，其次是右邊坡樣地、路基邊坡樣地、洞頂樣地，分別為0.89、0.72和0.71。其他指標(biāo)沒有明顯的規(guī)律性，洞頂?shù)腟hannon-Wiener多樣性指數(shù)最高，達(dá)到2.58，其次是右邊坡、路基邊坡、左邊坡，分別為2.08、1.93和1.11，最大值是最小值的2.32倍。同樣，洞頂?shù)木鶆蚨戎笖?shù)最大，達(dá)到0.91，其次是右邊坡、路基邊坡、左邊坡，分別為0.68、0.54和0.33，最大值是最小值的2.76倍。左邊坡Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)最大，達(dá)到0.08，其次是路基邊坡、右邊坡和洞頂，分別為0.04、0.02和0.01，最大值是最小值的8倍(表1)。

表1 4個(gè)樣地的植物群落特征Tab.1 Characteristics of plant communities of four places

在被調(diào)查的樣地中，左邊坡樣地沿階草和艾的優(yōu)勢(shì)度分別為0.84和0.02，是該樣地的優(yōu)勢(shì)物種和亞優(yōu)勢(shì)物種，主要由沿階草構(gòu)成單優(yōu)群落；右邊坡樣地沿階草和黑麥草的優(yōu)勢(shì)度分別為0.53和0.15，為該樣地的優(yōu)勢(shì)物種和亞優(yōu)勢(shì)物種，主要由沿階草構(gòu)成單優(yōu)群落；洞頂土地比較貧瘠，施工較為頻繁，再加上常有放牧者和施工人員經(jīng)過，所以該樣地物種的生長(zhǎng)形勢(shì)較差，菥蓂、唐松草和毛建草等5種植物的優(yōu)勢(shì)度均為0.1～0.2；路基邊坡樣地沿階草和地膚的優(yōu)勢(shì)度分別為0.76和0.04，是該樣地的優(yōu)勢(shì)物種和亞優(yōu)勢(shì)物種，主要由沿階草構(gòu)成單優(yōu)群落(表2)。

表2 4個(gè)樣地的植物優(yōu)勢(shì)度排序Tab.2 Order of dominant degree of four places

2.2 樣地土壤理化指標(biāo)比較

在被調(diào)查的樣地中，速效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)、鹽度和電導(dǎo)率3個(gè)指標(biāo)的檢測(cè)結(jié)果規(guī)律一致，都是路基邊坡最高，左邊坡、洞頂和右邊坡依次降低。各樣地速效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)檢測(cè)結(jié)果相差無(wú)幾，從大到小依次為23.79 mg/kg、23.15 mg/kg、22.08 mg/kg和20.43 mg/kg。各樣地鹽度檢測(cè)結(jié)果差別較大，路基邊坡達(dá)到82.70 mg/L，而右邊坡僅為14.30 mg/L，路基邊坡是右邊坡的5.78倍。各樣地電導(dǎo)率檢測(cè)結(jié)果同樣差別明顯，路基邊坡為140.30 μS/cm，而右邊坡僅為26.40 μS/cm，路基邊坡是右邊坡的5.31倍。TN質(zhì)量分?jǐn)?shù)和有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的檢測(cè)結(jié)果規(guī)律一致，都是洞頂最高，左邊坡、右邊坡、路基邊坡依次降低。其中：洞頂樣地的TN質(zhì)量分?jǐn)?shù)檢測(cè)結(jié)果為3.87 mg/kg，比路基邊坡增加了54.81%；洞頂樣地的有機(jī)碳檢測(cè)結(jié)果為8.68%，比路基邊坡增加了69.53%。洞頂TP質(zhì)量分?jǐn)?shù)檢測(cè)結(jié)果最高，達(dá)到1.62 mg/kg，左邊坡、路基邊坡、右邊坡依次降低，最低的右邊坡僅為1.13 mg/kg。速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)檢測(cè)結(jié)果為右邊坡樣地最高，達(dá)到257.16 mg/kg，路基邊坡、左邊坡、洞頂依次降低，分別為234.67 mg/kg、197.58 mg/kg和150.97 mg/kg，右邊坡樣地的速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)比洞頂樣地多了70.34%(表3)。

表3 4個(gè)樣地的土壤理化特征Tab.3 Detection of soil physical and chemical indexes of four places

2.3 植物群落多樣性與土壤因子關(guān)系

分別用H、D、J、SP、IV、VH和HD代表各樣地植物多樣性指數(shù)、優(yōu)勢(shì)度指數(shù)、均勻度指數(shù)、物種數(shù)、重要值、植被高度和草本密度，分別用P、C、K、TN、TP、SA和CO代表各樣地土壤的速效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)、有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)、速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)、TN質(zhì)量分?jǐn)?shù)、TP質(zhì)量分?jǐn)?shù)、鹽度和電導(dǎo)率這幾個(gè)檢測(cè)指標(biāo)， 分別用Z、Y、D和L代表左邊坡、右邊坡、洞頂、路基邊坡，以便橫向比較植物群落特征和土壤理化指標(biāo)的關(guān)系及兩者的相關(guān)性，具體見圖2和圖3。

圖2 植物群落特征與土壤理化指標(biāo)的RDA分析Fig.2 RDA analysis results of plant community characteristics and soil physical and chemical indexes

圖3 植物群落特征與樣地的RDA分析Fig.3 RDA analysis results of plant community characteristics and sample plots

從圖2可知，H、J、VH和HD均分布在第二、三象限，P、C、TN、TP、SA和CO分布在第一、二象限，說(shuō)明這些指標(biāo)之間有較強(qiáng)的內(nèi)在相關(guān)性。綜合分析，P、TN、CO和SA分布在第一象限，H、J、C和TP分布在第二象限，K、HD和VH分布在第三象限，D和SP分布在第四象限，H和J受土壤因素影響較大，土壤各檢測(cè)指標(biāo)對(duì)H的影響從大到小依次是TP、C、P、TN、CO、SA和K，土壤檢測(cè)指標(biāo)對(duì)J的影響從大到小依次是C、TP、P、TN、K、CO和SA，而D和SP受CO、SA和K影響明顯，HD和VH受K和C的影響較大。從圖3可知，D與J和H相關(guān)性比較強(qiáng)，L與D和SP相關(guān)性比較強(qiáng)，Y和Z沒有明顯的相關(guān)性。

3 討論

3.1 植物多樣性

本研究中隧道口附近植物類型較多，各種植物生長(zhǎng)情況均為良好，說(shuō)明水土污染不嚴(yán)重，不會(huì)影響植物的正常生存。禾本科和百合科總種數(shù)、總屬數(shù)均最高，原因可能是這些科所屬植物具有種子產(chǎn)量高、繁殖能力強(qiáng)和生長(zhǎng)速率快等諸多優(yōu)勢(shì)，如種子不需要特化傳粉即可進(jìn)行大范圍傳播，以及種群良好的集群能力，這些特性有利于擴(kuò)大種群分布面積和占據(jù)適宜的生存環(huán)境，從而快速蔓延，成為邊坡最多的類群之一。植物的生長(zhǎng)速率是體現(xiàn)植物競(jìng)爭(zhēng)能力的關(guān)鍵性狀，因?yàn)樯媾c繁殖都依賴于生長(zhǎng)，生長(zhǎng)速率與光合速率相關(guān)，充分利用禾本科、百合科植物的特性并加以控制，可以加快地被植物的恢復(fù)。

在隧道的施工過程中，難免有廢油污染土壤，大部分廢油落地以后都被密實(shí)的土層過濾在50 cm以上的土壤中。油污逐漸積累會(huì)破壞土壤結(jié)構(gòu)，影響土壤通透性，抑制植物的生長(zhǎng)和發(fā)育，甚至導(dǎo)致植物死亡。另外，油污被植物根系吸收后還會(huì)殘留在植物體內(nèi)，從而通過食物鏈影響人體健康[8]。在邊坡優(yōu)勢(shì)作物中，黑麥草對(duì)石油烴的降解率超過40%，對(duì)廢油污染的土壤具有顯著的修復(fù)作用，其中土壤油污中80%以上的鉛、鋅都能夠被黑麥草富集起來(lái)，從而減少對(duì)環(huán)境的污染[9]。沿階草可吸收土壤中的菲和芘，其不同部位對(duì)菲、芘的吸收與累積能力不同,根部的吸收能力明顯強(qiáng)于莖葉部[10]。這些具有環(huán)保功能的植物在邊坡茁壯生長(zhǎng)，既綠化了邊坡，又保持了水土，對(duì)于污染物的清除和環(huán)境保護(hù)具有良好的作用。

3.2 土壤質(zhì)量

相對(duì)較低的土壤鹽度可促進(jìn)植物生長(zhǎng)發(fā)育，而較高的土壤鹽度將造成鹽脅迫現(xiàn)象，對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育有抑制作用，從而導(dǎo)致非鹽生植物葉片光合作用速率不斷下降，最終導(dǎo)致非鹽生植物葉片數(shù)減少、葉片生長(zhǎng)速率下降、死亡率增加[11-12]。從檢測(cè)結(jié)果來(lái)看，各部位土壤的鹽度均符合要求，屬于非鹽漬化土，適宜各種植物生長(zhǎng)繁殖[13]。

土壤水分是鹽分的溶劑和運(yùn)輸介質(zhì)，土壤含水率是影響土壤鹽度的重要因素之一。在水鹽平衡情況、自然與人為等因素的影響下，區(qū)域土壤水分和鹽分的變異具有一定相關(guān)性，土壤電導(dǎo)率隨土壤水分的增加而線性降低。土壤鹽度、電導(dǎo)率受土壤性質(zhì)和土壤水分等因素的影響顯著。鹽分主要來(lái)源于流經(jīng)土壤的水中所攜帶鹽分，水中鹽度或污染程度越高，土壤中鹽分就越高[14]。從檢測(cè)結(jié)果看出，邊坡和洞頂?shù)柠}度均為14～31 mg/L，電導(dǎo)率為26～57 μS/cm，路基邊坡由于受過往車輛影響較大，鹽度和電導(dǎo)率分別達(dá)到了82.70 mg/L和140.30 μS/cm，但還處于比較低的水平，說(shuō)明東天山隧道區(qū)域土壤狀況良好。

4 結(jié)語(yǔ)

本研究中多樣性指數(shù)、優(yōu)勢(shì)度指數(shù)、均勻度指數(shù)、物種數(shù)與土壤的速效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)、有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)、TN質(zhì)量分?jǐn)?shù)、TP質(zhì)量分?jǐn)?shù)、鹽度和電導(dǎo)率相關(guān)性較強(qiáng)，植被高度與速效鉀的相關(guān)性更強(qiáng)，顯示土壤營(yíng)養(yǎng)比較全面且土質(zhì)良好，是邊坡植物種類繁多的保證。

左邊坡、右邊坡和洞頂與植物多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)、植被高度、草本密度和相對(duì)重要值均有較強(qiáng)的內(nèi)在相關(guān)性，而路基邊坡則與優(yōu)勢(shì)度指數(shù)、物種數(shù)相關(guān)性較強(qiáng)。左邊坡、右邊坡、洞頂與土壤各項(xiàng)理化指標(biāo)的相關(guān)性均比較強(qiáng)，而路基邊坡僅與鹽度、電導(dǎo)率有一定的相關(guān)性。左邊坡、右邊坡、洞頂與各樣地植物群落特征、物種優(yōu)勢(shì)度指標(biāo)及各項(xiàng)土壤理化指標(biāo)的相關(guān)性都比較強(qiáng)，這些區(qū)域土質(zhì)優(yōu)良，植物生長(zhǎng)良好，前后結(jié)果相吻合。

綜上可知，東天山隧道區(qū)域由于在施工過程中采取了有效的防護(hù)措施，實(shí)施了眾多專利技術(shù)，從而保護(hù)了高速公路隧道和邊坡的生態(tài)環(huán)境，土壤質(zhì)量和植物多樣性情況均比較理想。