曹 娓,王藝琳,胡永歌,徐恩凱,楊 航,田國行?

(1.河南農業(yè)大學林學院,450000,鄭州;2.河南科技學院,453003,河南新鄉(xiāng))

高速公路建設產生大量邊坡界面,嚴重擾動了原始地形地貌。研究表明植物在減緩和預防土壤退化中扮演了重要的角色,同時通過對土壤特性的改變能夠影響到微氣候的變化[1]。植物群落與土壤一直以來均是邊坡恢復研究的重點。一些學者對高速公路邊坡植物群落對土壤改良效果進行研究,結果顯示,在恢復初期,土壤營養(yǎng)成分呈波動變化[23],但隨著時間的推移,土壤養(yǎng)分會逐漸增加[45],且表層土(0～10 cm)的養(yǎng)分含量較高[4,6]。許多學者對植物群落物種多樣性指數(shù)與土壤理化性質進行相關性分析,以期找到它們之間的關系,為人工干預提供理論指導[78]。對于恢復多年的人工植被,為了更好地探討其與土壤之間的關系,僅做相關性分析不能滿足現(xiàn)階段對恢復多年的邊坡植物群落與土壤關系的研究需要。本文通過對信陽—南陽高速公路8種具有代表性的群落的調研,分析群落組成、多樣性等特征,并引入耦合度模型,通過計算土壤與群落的耦合關系從而判斷二者的恢復狀態(tài),并得到制約群落多樣性的主要土壤因子,以期為今后該路段的人工干預提供理論基礎,同時對耦合效果優(yōu)的群落進行分析,進一步指導邊坡植物配置。

1 研究區(qū)概況

信南高速屬于滬陜高速的一部分,全長約183 km,自西向東橫跨南陽、駐馬店、信陽3市,在國家及河南省干線公路中具有重要地位。路線區(qū)屬于北亞熱帶大陸性季風性氣候,四季分明。年均氣溫14.4～15.7℃,年均降雨量703.6～1 173.4 mm,主要集中于6—9月,約占全年總降雨量的60% ～68%。該條高速公路于2005年以客土噴播的方式建植邊坡人工植物群落,噴播厚度約20 cm,由于噴播客土一樣,視初期土壤條件一致。調研路段長約120 km,坡度在30°～33°之間,其中路塹邊坡的防護形式為拱形架+鍍鋅網(wǎng),路基邊坡只有拱形架防護。群落調研主要集中在南陽翟莊、泌陽陳莊以及南陽黃崗,根據(jù)河南省交通廳提供的資料,調研路段在集中長有紫穗槐(Amorpha fruticosa Linn.)的路段會定期進行人工刈割,期間并未對群落中其他植物以及土壤進行人工干預。

2 調查與分析方法

2.1 植物群落調研

植物群落調研和土壤采樣均在2014年7月內完成。首先對調研路段植物群落進行記錄,然后選取8種具有代表性的群落進行調研,其中陰坡4種(群落編號1～4),陽坡4種(群落編號5～8),以群落優(yōu)勢種為依托進行群落命名。由于調研路段使用拱形架,給樣方設置帶來局限性,本文以拱形架(2 m×5 m)為單位設置樣地,進行灌木調研,并在每個樣地中采用梅花五點法,設置5個1 m×1 m的樣方,進行草本調研。長有喬木的群落非常少,且喬木以幼苗形式存在,高度不足60 cm,因此喬木樣方以拱形架為單位設置樣地。每種植物群落重復調研3次,共計24個樣地,120個樣方。記錄樣方內植物的名稱、蓋度、頻度/密度、高度等。樣地具體情況如表1所示。

表1 信南高速公路樣地基本信息Tab.1 Information of of sample plots in Xinyang-Nanyang highway

2.2 土壤取樣與測定

土壤物理性質的測定指標包括土壤密度、最大持水率、含水量,主要采用環(huán)刀法,分兩層即0～10與10～20 cm,每層環(huán)刀重復4次,具體實驗操作以《土壤實驗實習教程》[9]為指導。土壤化學性質測定的指標包括全氮、全磷、全鉀、有效氮、有效鉀、有效磷、有機質和pH值,野外取樣時使用取土器分別在群落所對應的土壤中隨機設定5個點,分0～10 cm,10～20 cm兩層取土并混合[10],每種群落對應的土壤均重復3次。將土樣帶回實驗室自然風干,并用1 mm網(wǎng)篩去除根系和粗砂粒,研磨后進行土壤化學性質測定。全氮采用半微量凱氏擴散法,水解氮采用堿解 擴散法,全磷和有效磷采用紫外分光光度計法,全鉀和有效鉀采用火焰光度計法,全磷和有效磷采用紫外分光光度計,有機質含量采用重鉻酸鉀 硫酸溶液法,pH值采用水土比2.5∶1的浸提液測定[910]。

2.3 數(shù)據(jù)分析

2.3.1 群落多樣性及其測度 群落多樣性是植物群落的重要特征,不僅體現(xiàn)了群落自身特征也反映了其與環(huán)境之間的相互關系[11]。本研究主要討論α多樣性,具體指標包括物種豐富度(S=樣方內的物種數(shù))、Shannon-Wiener 指 數(shù)和Pielou指數(shù)(E=H/ln S),式中P為種ii的個體數(shù),N為樣地內全部物種個數(shù),S為物種數(shù)。

2.3.2 耦合分析 使用灰色關聯(lián)度對群落與土壤進行耦合性分析,參與運算的指標共計14個,其中土壤指標11個,植物群落多樣性指標3個。本研究在探討植物群落與土壤的耦合關系和協(xié)調度時,采用灰色關聯(lián)度模型[12]。首先用區(qū)間標準化法對數(shù)據(jù)進行量綱一處理,然后按照下式計算關聯(lián)系數(shù)：

式中：?i(j)(k)為第k個群落的土壤指標i和植物群落多樣性指標j的關聯(lián)系數(shù);(k)、(k)分別為土壤指標i和植物群落多樣性指標j的標準化值;ρ為分辨系數(shù),在[0,1]內取值,一般取0.5。將關聯(lián)系數(shù)按樣本數(shù)求平均值,可以得到一個關聯(lián)度矩陣γ,在關聯(lián)度矩陣 γ的基礎上,求行或是列的平均值[13]。為了更好地構建植物群落多樣性與土壤理化性質的耦合度模型,耦合度(C)的計算公式為：

本研究系統(tǒng)耦合協(xié)調度評價標準引自世界經濟合作與發(fā)展組織(2003),如表2所示。

表2 系統(tǒng)耦合協(xié)調度標準Tab.2 Standard of ecosystem coupling coordination

3 研究結果

3.1 植物群落特征

2014年7月對典型群落調研結果顯示：群落8的香濃維納指數(shù)最高;均勻度指數(shù)最高的是群落7;豐富度指數(shù)最高的是群落5。具體請參見表3(表中數(shù)據(jù)為均值)。

表3 8種植物群落物種多樣性Tab.3 Species diversity of 8 different vegetation communities

3.2 土壤特性

為了方便后期進行耦合度計算,將2個土層的相關數(shù)據(jù)進行平均,表4所示的數(shù)據(jù)為0～20 cm土層3次重復后的均值。

表4 8種群落土壤理化性質Tab.4 Soil chemical and physical properties of 8 different vegetation communities

3.3 植物群落多樣性與土壤因子耦合度分析

首先通過灰色關聯(lián)度分析植物群落多樣性與土壤因子耦合關聯(lián)性,如表5所示。各指標的關聯(lián)度值在0.588～0.958范圍內,均值為0.805,表明信南高速公路邊坡群落多樣性與土壤理化性質之間有著較強的耦合作用。從表6可知,S-W指數(shù)、Pielou指數(shù)和Richness指數(shù)與土壤的平均關聯(lián)系數(shù)分別為0.834、0.824、0.797,說明土壤因子對 S-W 指數(shù)影響最大,對物種豐富度影響略小。土壤因子中含水量、全鉀、密度、全氮、pH值、全磷、有效鉀對群落多樣性影響較大,且均值均超過0.805。綜上所述,植物群落多樣性與土壤相互作用因子具有較強的關聯(lián)性。表7為植物群落多樣性與土壤因子耦合度的分析結果：群落5＞群落4＞群落7＞群落2＞群落8＞群落1＞群落3＞群落6。

表5 信南高速公路8種植物群落多樣性與土壤耦合矩陣Tab.5 Matrix of plant diversity and soil properties coupling for 8 vegetation communities in Xinyang-Nanyang highway

4 討論

4.1 特殊立地條件下人工植物群落與土壤相互作用機制

高速公路邊坡立地條件特殊,由于受到人為長期無序擾動,公路邊坡的土壤層狀結構發(fā)生很大的變化,形成具有公路特色的獨特土壤。而這類土壤一方面缺乏水分另一方面養(yǎng)分貧瘠,在這樣一個特殊的立地條件下,期待邊坡自然恢復的可能性是非常小的,因此人工種植植物群落成為防止邊坡水土流失和改良邊坡土壤的一個有效手段。

本研究顯示,信南高速公路邊坡植物群落多樣性與土壤理化性質之間有較高的耦合性,土壤因子對群落S-W指數(shù)影響最大。土壤指標中,含水量、全鉀、密度、全氮、pH值、全磷和有效鉀對植物影響較大。土壤含水量代表了水分的有效性,土壤密度是以機械阻力的形式影響根系的生長,而根系對吸收土壤水分又起到關鍵作用[7],因此這2項指標與多樣性的關聯(lián)程度比較強烈;土壤中的氮、磷、鉀對植物生理、生長均有較大影響[14],趙方瑩等[15]的研究同樣顯示速效鉀是人工植被恢復的主要限制因子。可根據(jù)此結果對邊坡土壤進行有針對性的人工干預。

表6 植物群落多樣性與土壤耦合矩陣Tab.6 Matrix of plant diversity and soil properties coupling

表7 信南高速公路8個植物群落與土壤系統(tǒng)耦合度評價結果Tab.7 Evaluation results of ecosystem coordination between 8 vegetation communities and soil

4.2 高速公路不同坡向邊坡植物群落多樣性與土壤因子耦合度比較

生態(tài)恢復過程中植被群落 土壤系統(tǒng)耦合效應的研究已經成為目前生態(tài)恢復評價的一個重要研究方向,但該項研究在公路邊坡恢復中的應用還比較少[12]。結果顯示信南高速陰坡植被群落與土壤的耦合度略高于陽坡。出現(xiàn)這一結果有以下幾個原因：由于陰坡光照條件差,水分較陽坡蒸發(fā)的慢,因此陰坡的土壤水分會高于陽坡;另一方面陰坡和陽坡的土壤化學性質并不相同,陰坡的營養(yǎng)成分中有機質與全氮的含量普遍高于陽坡;另外,研究路段陽坡土壤pH均值比陰坡高。pH值過高會降低土壤肥力并引起水土流失,同時會影響植物正常生長[16]。多種因素相互作用使得陽坡植物群落多樣性與土壤的耦合效果不及陰坡。

4.3 解讀耦合度效果“優(yōu)”的植物群落結構

研究結果顯示,耦合效果為“優(yōu)”的群落是紫穗槐+高羊茅群落(群落4)和紫穗槐+蛇莓群落(群落5)。2種群落均為灌木+草本的群落結構,前者優(yōu)勢種為紫穗槐和高羊茅,群落中還生長有草本植物艾草和燕麥等,值得注意的是該群落中紫穗槐的數(shù)量是8種群落中最多的;后者優(yōu)勢種為紫穗槐和蛇莓,群落中還伴生有問荊、艾草、狗尾草等。該群落中紫穗槐的數(shù)量位居8種群落第2位?？梢姸箍浦参镌谶吰禄謴瓦^程中起到了重要作用,其數(shù)量也直接影響土壤的改良效果;因此,對于信南高速公路而言,不同形式的豆科植物與多年生草本相結合的配置模式值得推廣。