劉 濤，程金花，李宏鈞，朱方方

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

0 引言

伊犁地處我國(guó)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(fù)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(shí)大規(guī)模的公路建設(shè)極易對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境產(chǎn)生負(fù)面影響，引發(fā)嚴(yán)重的水土流失問(wèn)題，如何利用有限的表層土壤資源實(shí)現(xiàn)更好的植被恢復(fù)效果引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[3-4]。現(xiàn)有的研究發(fā)現(xiàn)植被恢復(fù)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(fù)不僅受土壤養(yǎng)分、土壤質(zhì)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(fù)合影響。目前學(xué)者多采用定性描述或單因素的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法探究環(huán)境因子和土壤因子對(duì)植被恢復(fù)的影響[6-8]，通過(guò)定量分析多影響因子對(duì)植被恢復(fù)效果的影響還鮮有報(bào)道[9]。

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

1 試驗(yàn)工程與研究方法

1.1 試驗(yàn)工程概況

試驗(yàn)工程位于新疆維吾爾自治區(qū)伊犁哈薩克自治州境內(nèi)，依托S242線(xiàn)鞏留至尼勒克公路K30-K31段，地理坐標(biāo)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(jiàn)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(fēng)速1.14 m·s-1，年日照2 748.1 h，無(wú)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(yàn)方案

通過(guò)調(diào)查伊犁地區(qū)鄉(xiāng)土植物種及可成熟引用的植物種，結(jié)合公路建設(shè)中的水土流失防治需要和植物景觀(guān)融合需求[13]，篩選出細(xì)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(fù)試驗(yàn)。

根據(jù)公路植被恢復(fù)和回填表層土壤的厚度，在坡比為1∶1的路基邊坡上設(shè)置5 m×5 m的試驗(yàn)小區(qū)，公路邊坡植被恢復(fù)一般用混交模式種植，本研究設(shè)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(shè)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(shè)置裸坡小區(qū)(CK)作為對(duì)照，每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)設(shè)計(jì)3個(gè)重復(fù)，共計(jì)27個(gè)試驗(yàn)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(cè)定

試驗(yàn)實(shí)施一年后，在每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)上隨機(jī)選擇3處采樣點(diǎn)采集土壤樣品，帶回實(shí)驗(yàn)室后采用烘干稱(chēng)重法測(cè)定土壤重度[14]，激光粒度儀測(cè)定土壤機(jī)械組成[15]，用環(huán)刀浸透法測(cè)定土壤孔隙度[16]，用濃硫酸重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定土壤有機(jī)碳[17]，浸水試驗(yàn)[18]測(cè)定土壤抗蝕性，用原狀土水槽沖刷法[19]測(cè)定土壤抗沖性，用重鉻酸鉀容量法測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)含量[20]。

1.4 植物指標(biāo)測(cè)定

試驗(yàn)小區(qū)植物自然生長(zhǎng)一年后，在每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)的上部和下部分別設(shè)置一個(gè)2 m×2 m的植物樣方，定期進(jìn)行植物樣方調(diào)查，記錄樣方內(nèi)植物的種類(lèi)、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(cè)定指標(biāo)，其具體計(jì)算步驟詳見(jiàn)相關(guān)文獻(xiàn)[21]。

1.5 數(shù)據(jù)處理及分析

本研究采用Origin9.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，采用灰色關(guān)聯(lián)度法分析植物恢復(fù)措施和土壤因子的協(xié)同效應(yīng)[22]，其具體計(jì)算步驟詳見(jiàn)相關(guān)文獻(xiàn)[23]。

本研究選用植物群落多樣性指標(biāo)和土壤因子指標(biāo)，用Canoco for Windows 4.5進(jìn)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(guān)系。

構(gòu)建植物-土壤耦合協(xié)調(diào)度模型[25]，綜合評(píng)判公路邊坡植物與土壤的耦合協(xié)調(diào)程度，其耦合協(xié)調(diào)度的計(jì)算步驟詳見(jiàn)相關(guān)文獻(xiàn)[9]，耦合協(xié)調(diào)度標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2 公路邊坡植物-土壤耦合協(xié)調(diào)度評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 Evaluation criterion of plant-soil coupling coordination degree of highway slope

2 結(jié)果與分析

2.1 植物組成

統(tǒng)計(jì)樣方調(diào)查的植物種類(lèi)，計(jì)算每種植物在樣方內(nèi)所占的比例，所得結(jié)果見(jiàn)圖1。

樣方調(diào)查結(jié)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(lèi)均為6種。不同處理的植被蓋度未見(jiàn)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(zhǎng)較為旺盛；披堿草幾乎未在試驗(yàn)小區(qū)中發(fā)現(xiàn)。

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

在研究期內(nèi)，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(nèi)生長(zhǎng)勢(shì)較好，個(gè)體數(shù)目多、物種占比大，刺藜在所有試驗(yàn)小區(qū)中都有生長(zhǎng)，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(zhǎng)，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(yàn)小區(qū)，其他所有措施小區(qū)的植被蓋度均高于對(duì)照小區(qū)。隨著覆土厚度的增加，樣方內(nèi)植被蓋度增大，尤其是在覆土厚度由10 cm增加到15 cm時(shí)，試驗(yàn)小區(qū)的植被蓋度出現(xiàn)了較大幅度的增加，增幅達(dá)15%；FT20小區(qū)植被蓋度最高，達(dá)到88%。

2.2 植物群落多樣性與土壤因子關(guān)系分析

圖2為冗余分析結(jié)果，由圖2可知，RDA 排序圖第一軸單獨(dú)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(dú)解釋率為10.7%。

圖2 冗余分析結(jié)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(duì)植被恢復(fù)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(jī)質(zhì)等因子對(duì)植被恢復(fù)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(jī)質(zhì)、土壤有機(jī)碳3個(gè)因子以土壤有機(jī)質(zhì)因子為中心聚集在一起，表明分別聚集的這3個(gè)變量有較強(qiáng)的相關(guān)性，其中土壤孔隙度與土壤有機(jī)質(zhì)含量的強(qiáng)關(guān)聯(lián)性與張鼎華等[26]的研究結(jié)果相似，即土壤孔隙度隨著土壤有機(jī)質(zhì)含量的增加而增加。土壤抗蝕性指標(biāo)對(duì)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(shuō)明土壤抗蝕性是影響研究區(qū)域公路邊坡植被恢復(fù)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(duì)護(hù)坡植被質(zhì)量影響較大的結(jié)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(shuō)明覆土厚度增加到15 cm后繼續(xù)增加回填厚度，對(duì)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(guān)聯(lián)分析

對(duì)土壤的理化性質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)度分析，并與植物群落多樣性指標(biāo)進(jìn)行耦合，所得結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可知，土壤各因子與植物群落多樣性指標(biāo)之間的關(guān)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(duì)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(guān)聯(lián)度系數(shù)均大于0.36，并依次增強(qiáng)，屬于較強(qiáng)關(guān)聯(lián)；土壤黏粒含量、土壤有機(jī)質(zhì)含量、土壤有機(jī)碳含量的平均關(guān)聯(lián)度系數(shù)接近或等于0.36，屬于中等關(guān)聯(lián)水平。綜合來(lái)看，伊犁地區(qū)公路邊坡土壤與植物群落多樣性有較強(qiáng)的耦合作用，以中等關(guān)聯(lián)和較強(qiáng)關(guān)聯(lián)為主。

土壤因子中土壤孔隙度和土壤抗沖性的平均關(guān)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(guān)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(duì)植被恢復(fù)質(zhì)量影響最大，而非毛管空隙度因子可能是造成植被恢復(fù)差異的主要原因。

表3 植物群落多樣性指標(biāo)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(biāo)對(duì)土壤指標(biāo)的反饋較為明顯，其中Margalef指數(shù)的平均關(guān)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(guān)聯(lián)度系數(shù)其次，Pielou指數(shù)平均關(guān)聯(lián)度系數(shù)最低，為0.30，表明土壤因子對(duì)植物群落的豐富度影響最大，對(duì)植物群落的均勻度影響最小，這與薛鷗等[10]對(duì)公路邊坡植物群落多樣性與土壤因子耦合關(guān)系所得研究結(jié)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(jì)算，并按表2所列的系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)判，所得結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可知，不同措施實(shí)施一年后，植物群落多樣性與土壤的耦合協(xié)調(diào)度介于0.191～0.255，屬于低級(jí)協(xié)調(diào)向初級(jí)協(xié)調(diào)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(jìn)入初級(jí)協(xié)調(diào)，其中FT15、FT20和D植物組合小區(qū)植被-土壤耦合協(xié)調(diào)度相對(duì)更好，B和C植物組合小區(qū)的耦合模式剛進(jìn)入初級(jí)協(xié)調(diào)。從覆土厚度措施來(lái)看，當(dāng)覆土厚度由10 cm增加到15 cm后，植被與土壤的耦合協(xié)調(diào)度逐漸增大，當(dāng)覆土厚度超過(guò)15 cm后，植被-土壤耦合協(xié)調(diào)度的增幅逐漸變緩，表明覆土15 cm是實(shí)現(xiàn)植被與土壤快速協(xié)調(diào)發(fā)展的一個(gè)較為理想的覆土厚度。

表4 植被-土壤耦合協(xié)調(diào)度評(píng)判結(jié)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(yán)重，抑制了植物的生長(zhǎng)。人工恢復(fù)植被可為邊坡植被的自然恢復(fù)提供基礎(chǔ)，縮短植被演替時(shí)間，改良邊坡土壤[27]，為恢復(fù)原地貌生態(tài)環(huán)境創(chuàng)造有利條件。本研究結(jié)果表明覆土厚度較厚的小區(qū)植被與土壤耦合協(xié)調(diào)更快，這與李樹(shù)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(chǎn)量更好的結(jié)論相似。王志強(qiáng)等[29]對(duì)內(nèi)蒙古地區(qū)的天然草地進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)土壤厚度小于20 cm時(shí)，植被生長(zhǎng)情況隨土壤厚度的增加增幅明顯，超過(guò)20 cm后繼續(xù)增加土壤厚度，植被生長(zhǎng)情況變化幅度變緩；本研究中土層厚度超過(guò)10 cm時(shí)，植被的建植質(zhì)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(guò)15 cm后，植被生長(zhǎng)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(dú)特的生長(zhǎng)環(huán)境差異導(dǎo)致二者的結(jié)論存在差異。孫永秀等[3]對(duì)庫(kù)爾木圖礦區(qū)草原進(jìn)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(shì)，這與本研究所得結(jié)論基本一致，但是限于表土資源和試驗(yàn)小區(qū)的面積等其他因素的限制，未能設(shè)計(jì)更多的土壤厚度梯度，后續(xù)可細(xì)化覆土厚度梯度，尋找植被-土壤耦合變化的臨界點(diǎn)和最佳耦合的覆土厚度。

結(jié)合表4和RDA排序圖從植物組合角度來(lái)看，D植物組合的耦合協(xié)調(diào)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(jí)協(xié)調(diào)，彼此之間的差異較小；A植物組合坐標(biāo)緊鄰粉粒、黏粒含量指標(biāo)，可能是因?yàn)槠湔w不適宜該區(qū)域的生長(zhǎng)條件，導(dǎo)致其對(duì)應(yīng)的植被-土壤耦合協(xié)調(diào)度低于對(duì)照組?，F(xiàn)階段試驗(yàn)小區(qū)處于低級(jí)協(xié)調(diào)向初級(jí)協(xié)調(diào)發(fā)展轉(zhuǎn)變的階段，隨著植被與土壤的循環(huán)發(fā)展，植被生長(zhǎng)的競(jìng)爭(zhēng)將更加激烈，尤其是點(diǎn)播灌木的C和D植物組合小區(qū)。趙晶等[30]對(duì)陜南高速公路邊坡人工植被恢復(fù)初期的群落進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)群落構(gòu)成以1年或多年生草本植物為主，灌木少見(jiàn)，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(duì)豫南丘陵區(qū)植被多樣性進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)不同生長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)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(fù)年限的增長(zhǎng)呈明顯的增加趨勢(shì)；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(zhǎng)緩慢，隨著建植時(shí)間的延長(zhǎng)，植物與土壤的良性循環(huán)，其耦合協(xié)調(diào)度會(huì)逐漸增強(qiáng)，但其植被群落穩(wěn)定性和植被群落演替方向均有待時(shí)間檢驗(yàn)，需后續(xù)跟蹤觀(guān)測(cè)。徐明等[32]對(duì)安塞縣采用不同植被恢復(fù)模式恢復(fù)了20 a的溝谷地進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)不同植被因子或土壤因子與對(duì)其產(chǎn)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(jié)論

本研究通過(guò)實(shí)地試驗(yàn)，應(yīng)用冗余分析法耦合分析了不同植被恢復(fù)措施實(shí)施一年后的植被-土壤的關(guān)系，主要結(jié)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(fù)的關(guān)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(biāo)的關(guān)聯(lián)度系數(shù)為0.25～0.50，以中等關(guān)聯(lián)和較強(qiáng)關(guān)聯(lián)為主，對(duì)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(guān)聯(lián)度系數(shù)最大，表明土壤孔隙度和土壤抗沖性對(duì)植被恢復(fù)質(zhì)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(gè)小區(qū)進(jìn)入初級(jí)協(xié)調(diào)，覆土厚度為5，10 cm的均為低級(jí)協(xié)調(diào)，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(fù)效果，建議邊坡表土回填厚度應(yīng)大于15 cm。