京港澳高速公路鄭新段邊坡植物群落穩(wěn)定性

曹 娓，郭佳月，武小棲，肖玉哲，朱牛牛，郭 璟，馬 杰，宋利利

（1. 河南科技學(xué)院園藝園林學(xué)院, 河南 新鄉(xiāng) 453003；2. 河南省園藝植物資源利用與種質(zhì)創(chuàng)新工程研究中心, 河南 新鄉(xiāng) 453003；3. 甘肅永靖工業(yè)園區(qū)管理委員會, 甘肅 永靖 731600；4. 河南交通投資集團有限公司新鄉(xiāng)分公司, 河南 新鄉(xiāng) 450000）

高速公路建設(shè)推動了國家經(jīng)濟發(fā)展，但也對周邊環(huán)境帶來負(fù)面影響。據(jù)統(tǒng)計，我國每年形成的邊坡面積高達2 億～3 億m2[1]，為了防止水土流失通常會在邊坡上人工種植植物。因此，學(xué)者們對高速公路邊坡生態(tài)修復(fù)開展了一系列研究，主要集中在植物物種多樣性與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系[2-3]、土壤理化性質(zhì)與植物根系特征關(guān)系[4-5]、土壤因子對植物物種組成分布的影響[6]等方面。穩(wěn)定性是植物群落結(jié)構(gòu)與功能的綜合特征，是生態(tài)系統(tǒng)存在的必要條件和重要功能表現(xiàn)[7]。評價高速公路邊坡植物群落穩(wěn)定性，可以更好地了解植物群落發(fā)育狀況與演替趨勢，并能為后期人工干預(yù)提供理論依據(jù)，但目前有關(guān)植物群落穩(wěn)定性的研究大多集中在人工林地[8]、森林[9]、荒漠草原[10]、草甸[11]等方面，關(guān)于高速公路邊坡植物群落穩(wěn)定性的研究相對較少，而早期建設(shè)的公路恢復(fù)距今多超過20 年，目前關(guān)于這個階段邊坡的現(xiàn)狀以及植物群落的穩(wěn)定性尚未見報道，因此，本研究通過對京港澳高速公路鄭新段邊坡植物群落穩(wěn)定性開展研究，為后期植物養(yǎng)護與景觀提升提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

京港澳高速公路河南段經(jīng)過安陽、鶴壁、新鄉(xiāng)、鄭州、許昌、漯河、駐馬店、信陽。該研究區(qū)域位于新鄉(xiāng)市區(qū)東南部，屬北溫帶大陸性氣候，四季分明，冬寒夏熱，秋涼春早，最高氣溫42.7 ℃，最低氣溫-21.3 ℃，歷年平均氣溫14 ℃，7 月最熱，平均27.3℃，1 月最冷，平均0.2 ℃，年平均降水量573.4 mm。研究路段隸屬于京港澳高速鄭新段，該路段于1997 年11 月通車，邊坡早期種植植物為紫穗槐，播種密度為2～4 棵·m-2，目前已經(jīng)恢復(fù)24 年，并形成了榆樹(Ulmus pumila)、構(gòu)樹(Broussonetia payrifera)等天然植被，群落結(jié)構(gòu)也由單一的灌木轉(zhuǎn)變?yōu)閱棠?+ 草本、喬木 + 灌木 + 草本、灌木 + 草本等類型。

1.2 植物群落調(diào)研

2020 年10 月，對京港澳高速公路鄭新段邊坡植物群落與土壤進行調(diào)研與取樣。首先對試驗段高速公路邊坡進行普調(diào)，發(fā)現(xiàn)喬木群落多集中在新鄉(xiāng)路段，依據(jù)不同植物群落結(jié)構(gòu)篩選出10 種具有代表性的植物群落，每種植物群落重復(fù)3 次，根據(jù)群落地理位置和優(yōu)勢種進行群落命名。由于該路段邊坡均使用弓形架，因此以弓形架(3 m × 5 m)為單位設(shè)置樣地[12]，共計30 個樣地，每個樣地在對角線上設(shè)置3 個1 m × 1 m 的樣方，共計90 個樣方，調(diào)查每個樣方的植被情況，記錄物種組成、物種高度、蓋度、多度以及頻度等。樣地分布與基本情況如圖1 和表1所示。

表1 研究路段群落名稱與樣地基本情況Table 1 Basic information of sample sites

圖1 樣地分布圖Figure 1 Map of plot distribution

1.3 土壤取樣與測定

使用100 cm3環(huán)刀分別取0-10 和10-20 cm兩個土層土壤，每個土層重復(fù)3 次，取土后封好環(huán)刀并放入箱中，確保運輸過程中土壤結(jié)構(gòu)不被破壞；測定土壤化學(xué)性質(zhì)時使用土鉆，每個樣地按“S”型采土，同一土層土樣放入自封袋，充分混合后帶回實驗室，進行土壤肥力測定，每種植物群落對應(yīng)的土壤均重復(fù)3 次。測定全氮(total nitrogen)、全磷(total phosphorus)、 全 鉀(total potassium)、 有 效磷(available phosphorus)、速 效 鉀(available potassium)、有效氮(available nitrogen)、有機碳(organic carbon)、土壤含水量(soil water content)和容重(soil bulk density)共9 個指標(biāo)，其中土壤含水量和容重采用環(huán)刀法測定，土壤化學(xué)性質(zhì)測定方法參照《土壤學(xué)實驗實習(xí)教程》[13]。

1.4 數(shù)據(jù)分析方法

1.4.1 物種多樣性與生物量

群落物種多樣性指標(biāo)包括物種豐富度指數(shù)(Richness，樣地中物種數(shù))、Shannon-Wiener 指數(shù)(H')、Pielou 均勻度指數(shù)(E)[14]。灌木和草本使用收割法，并用烘箱烘干、稱重。喬木生物量通過生物量模型計算得到[15-16]，計算公式如下：

Shannon-Wiener 指數(shù)：

式中：S為出現(xiàn)在樣方內(nèi)的物種數(shù)，Pi為種i的相對優(yōu)勢度或重要值；W代表喬木生物量，H代表樹高，a 取值0.031 5，b 取值0.985 5。

1.4.2 植物群落穩(wěn)定性

本研究選取隸屬函數(shù)法對高速公路邊坡植物群落進行穩(wěn)定性評價，該方法適用范圍較廣，不僅應(yīng)用于森林群落[17]，也用于高速公路邊坡植物群落[18]。本研究共統(tǒng)計13 個因子，其中植物群落多樣性指標(biāo)與生物量指標(biāo)參考張夢弢等[17]、曹娓等[18]的方法分為喬木層、灌木層、草本層分別計算。因評價因子量綱不同，需要進行標(biāo)準(zhǔn)化處理，即評價因子實測值與評價因子最大值之比乘以1 000 得到，再計算出隸屬函數(shù)值，具體計算方法公式如下：

2 結(jié)果

式中：U(Xijk) 為第i個群落類型第j個評價指標(biāo)的第k個評價因子的隸屬值；Xijk為第i個群落類型第j個評價指標(biāo)的第k個評價因子的平均標(biāo)準(zhǔn)化值；Xkmin和Xkmax分別為所有群落第k個評價因子的最小值和最大值。最后，對每個群落的評價指標(biāo)求均值得到平均隸屬函數(shù)值，依次進行穩(wěn)定性排序。使用SPSS 25.0 軟件處理相關(guān)數(shù)據(jù)。

2.1 植物群落物種多樣性

喬 木 層 的 測 定 結(jié) 果 顯 示， 群 落3 和8 的Shannon-Wiener 指數(shù)、均勻度指數(shù)顯著高于其他群落(P＜ 0.05)；豐富度指數(shù)顯著高于群落2、4、5、7、9、10 的(表2)。灌木層的測定結(jié)果顯示，群落1、2、3、4、7、8、9、10 因為沒有生長灌木，所以其多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)均為0。草本層是3 個群落層次中物種最為豐富的，Shannon-Wiener 指數(shù)多重結(jié)果以群落2 最高，顯著高于群落4、5、6、7、8、10；群落5 最低，顯著低于群落1、2、3、4、9、10，且均勻度指數(shù)也最低；豐富度指數(shù)以群落2 最高，顯著高于群落3、4、5、6、7、8、9、10。

表2 研究路段10 種植物群落多樣性Table 2 Diversity of 10 vegetation communities

2.2 群落生物量

因為群落結(jié)構(gòu)不同，10 種植物群落生物量實測值差異較大(表3)，群落1、7 喬木層的生物量顯著高于群落2、4、5、6、8、9、10 的(P＜ 0.05)；群落7 灌木層的生物量顯著高于群落1、2、3、5、6、8、9、10 的；群落2 草本層的生物量顯著高于群落3、4、5、6、7、8、9、10 的。

表3 研究路段10 種植物群落生產(chǎn)力Table 3 Productivity of 10 vegetation communities g

2.3 土壤肥力

分0-10、10-20 cm 兩個土層測定土壤肥力，分別測定全氮、全磷、全鉀、有效氮等指標(biāo)(表4)。結(jié)果顯示，群落3 在10-20 cm 土層有效氮含量顯著高于群落1、2、4、6、7、8、9、10 (P＜ 0.05)。群落7 的有效磷含量在0-10 cm 土層顯著高于群落5、6，群落10 有效磷含量在10-20 cm 土層顯著高于群落1、2、4、5、6、9。群落3 兩個土層的有效鉀含量均顯著高于群落1、2、4、6、7、8、9、10。有機碳的測定結(jié)果顯示，群落10 在0-10 cm 土層顯著高于群落4、6、7、8，而群落3 在10-20 cm 土層顯著高于群落1、6、7。全氮的測定結(jié)果顯示，群落10 在0-10 cm 土層顯著高于群落8，而群落1 在10-20 cm 土層顯著低于群落3、5、10。全鉀測定結(jié)果表明，群落6 在0-10 cm 土層顯著高于群落1、2、3、4、8、9、10，群落6 在10-20 cm 土層顯著高于群落2、9、10。全磷測定結(jié)果顯示，群落3 在0-10 cm 土層顯著高于群落1、2、5、6、7、8，群落3 在0-10 cm土層1、2、4、5、6、7、8、9、10。群落7 在0-10 cm土層土壤容重顯著高于群落5、6 以外的其他群落，而群落3 的10-20 cm 土層壤容重顯著低于群落1、4、5、6、7、8、9。群落10 兩個土層的含水量均最高。

表4 研究路段10 種植物群落土壤肥力Table 4 Determination of soil fertility of 10 vegetation communities

2.4 不同植物群落進行穩(wěn)定性評價

將所有評價指標(biāo)因子求其均值并進行穩(wěn)定性排序(表5)，結(jié)果表明群落穩(wěn)定性排序為關(guān)堤構(gòu)樹 ＞關(guān)堤榆樹 + 紫穗槐 ＞ 張堤紫穗槐＋杠柳 ＞ 張堤榆樹 + 紫穗槐 ＞ 張堤構(gòu)樹 + 紫穗槐 ＞ 原堤構(gòu)樹 = 原堤狗尾草 + 紫穗槐 ＞ 關(guān)堤紫穗槐＋黃花篙 ＞ 原堤葎草 + 構(gòu)樹 ＞ 張堤紫穗槐。

表5 研究路段10 種植物群落穩(wěn)定性評價Table 5 Evaluation of the stability of 10 vegetation communities

3 討論與結(jié)論

3.1 植被特征與群落穩(wěn)定性的關(guān)系

高速公路邊坡群落生產(chǎn)力和結(jié)構(gòu)組成變化是對不同管理模式的直觀反映[19]。物種多樣性不僅是衡量群落結(jié)構(gòu)和功能的指標(biāo)，同時也對生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性具有積極作用。研究表明，生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性與物種多樣性和復(fù)雜性密切相關(guān)，較高的物種多樣性可以增加生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性[20]。也有學(xué)者認(rèn)為單靠物種多樣性分析不能夠判斷出群落穩(wěn)定性，因為影響物種多樣性的因素較多，而且物種多樣性中的指標(biāo)因子同時也存在著較大差異性，因而物種多樣性復(fù)雜程度并不能完全代表群落穩(wěn)定性[21]。曹娓等[18]對信南高速公路邊坡植物群落穩(wěn)定性的研究結(jié)果表明，物種多樣性指標(biāo)對群落穩(wěn)定性影響較大。本研究結(jié)果表明，多樣性指標(biāo)最高的兩個群落為原堤構(gòu)樹和張堤構(gòu)樹 + 紫穗槐，但這兩個群落的穩(wěn)定性卻并不是最高，這可能與環(huán)境、氣候條件和地域等因素之間存在差異有關(guān)。群落生產(chǎn)力是衡量群落生命力最直接的標(biāo)志之一，也直接影響植物群落穩(wěn)定性[22]，本研究結(jié)果表明，張堤榆樹 + 紫穗槐群落生物量指標(biāo)最高，但是穩(wěn)定性并不是最強，主要原因是物種過于單一，導(dǎo)致多樣性指數(shù)最小。

3.2 土壤特征與群落穩(wěn)定性的關(guān)系

土壤肥力是衡量群落生態(tài)效益發(fā)揮能力的重要標(biāo)志，從側(cè)面反映了生態(tài)系統(tǒng)的恒定性、耐性、彈性和持久性等，這些指標(biāo)都與生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性密切相關(guān)[23]。關(guān)堤構(gòu)樹群落的土壤肥力指標(biāo)最高，物種多樣性指標(biāo)和生物量指標(biāo)也相對較高，因此其群落穩(wěn)定性最高；關(guān)堤榆樹 + 紫穗槐群落的土壤肥力指標(biāo)雖然不是最高，但生物量與物種多樣性指標(biāo)相對較高，因此其群落穩(wěn)定性排第二；而原堤構(gòu)樹群落的土壤肥力指標(biāo)雖然最小，但物種多樣性較高，因此其穩(wěn)定性并非最低。由此可見，影響植物群落穩(wěn)定性的因素較多，是多種因素共同作用的結(jié)果。

3.3 高速公路邊坡植物群落穩(wěn)定性評價對后期人工干預(yù)的指導(dǎo)

通過對植物群落結(jié)構(gòu)的分析發(fā)現(xiàn)，京港澳高速公路鄭新段邊坡穩(wěn)定性較高的3 個群落中，生長有喬木的植物群落穩(wěn)定性相對較高。如穩(wěn)定性最高的關(guān)堤構(gòu)樹群落，群落結(jié)構(gòu)為喬木 + 草本，該群落土壤肥力指標(biāo)、物種多樣性指標(biāo)相對較高(表5)，所以排名最高。其次為關(guān)堤榆樹 + 紫穗槐群落，群落結(jié)構(gòu)為喬木 + 灌木 + 草本，因為群落木本植物多，群落層次豐富，生物量指標(biāo)與物種多樣性指標(biāo)較高，穩(wěn)定性排名僅次于關(guān)堤構(gòu)樹群落。但是考慮到喬木生長過旺可能帶來的諸如倒伏、剮蹭車輛等安全隱患，通常高速公路養(yǎng)護部門在邊坡建植初期不種植喬木，常見的群落結(jié)構(gòu)以灌木 + 草本居多。然而考慮到喬木根系具有較好的錨定作用，能使邊坡穩(wěn)定性更加持久，因此有學(xué)者建議在邊坡較低處種植喬木[24]，但該類做法更適宜于路堤邊坡。本研究調(diào)研的10 種典型群落中，優(yōu)勢種含有紫穗槐的群落就有7 個，其中以灌木 + 草本組合形式的群落有4 個，即關(guān)堤紫穗槐 + 黃花蒿、張堤紫穗槐、張堤紫穗槐 +杠柳和原堤狗尾草 + 紫穗槐群落。研究結(jié)果表明，該類群落組合中，灌木層物種數(shù)較多的群落穩(wěn)定性相對較高。因此本研究建議在邊坡建植初期或者是后期人工干預(yù)過程中，可以適當(dāng)增加灌木的種類，促進邊坡植物群落穩(wěn)定性。

實地調(diào)研發(fā)現(xiàn)，恢復(fù)23 年的邊坡植被和群落結(jié)構(gòu)更加豐富，可見大量高大的喬木，如榆樹、構(gòu)樹，少量楝樹(Melia azedarach)、槐樹(Styphnolobium japonicum)與楊樹(Populus tomentosa)，這預(yù)示著邊坡植物群落演替到了一個新階段。郁閉度較高的喬木群落中，已經(jīng)較難生長灌木，更多的是草本。同時有葎草入侵的植物群落，穩(wěn)定性較差，在葎草 +構(gòu)樹群落附近，能夠看到受葎草影響而死亡的紫穗槐，這一現(xiàn)象說明，早期種植的目標(biāo)植物由于適應(yīng)性較差而被適應(yīng)性更強的草本代替。有學(xué)者認(rèn)為，在促進邊坡穩(wěn)定性方面，建植初期選擇合適的先鋒物種能夠加快自然演替進程[25]，正確的先鋒植物可以顯著增加植物群落多樣性，進而降低邊坡被破壞的風(fēng)險[26]。因此，建議邊坡植物配置時可增加灌木種類，而不是單一的紫穗槐，可選擇的灌木包括胡枝子(Lespedeza bicolor)、荊條(Vitex negundovar.heterophylla)、杠柳等。草本類可選擇多年生草本，如調(diào)研中常見鄉(xiāng)土植物艾草(Artemisia argyi)、狗牙根(Cynodon dactylon)、豬 毛 蒿(Artemisia scoparia)、節(jié)節(jié)草(Equisetum ramosissimum)、紅花酢漿草(Oxalis corymbosa)、紫花苜蓿(Medicago sativa)等。

綜上所述，通過對京港澳高速公路鄭新段邊坡10 種典型植物群落穩(wěn)定性評價發(fā)現(xiàn)，關(guān)堤構(gòu)樹群落、關(guān)堤榆樹 + 紫穗槐群落以及張堤紫穗槐 + 杠柳群落穩(wěn)定性相對較高。分析穩(wěn)定性較高的植物群落，發(fā)現(xiàn)有喬木的植物群落穩(wěn)定性相對較高，對于群落結(jié)構(gòu)為灌木 + 草本的群落，灌木層物種相對豐富的群落穩(wěn)定性較高。使用隸屬函數(shù)法評價高速公路邊坡植物群落穩(wěn)定性，找到合適的群落結(jié)構(gòu)類型以及物種，用于指導(dǎo)新建邊坡植物配置或是對現(xiàn)有邊坡進行景觀提升具有現(xiàn)實意義。