康 艷，楊曉明 ，劉仁慶，田國行

(1.河南省科學(xué)院，河南 鄭州 450002;2.河南省駐馬店農(nóng)業(yè)學(xué)校，河南 駐馬店 463000;3.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，河南 鄭州 450002)

高速公路建設(shè)一定程度上加劇了資源與環(huán)境之間的矛盾，破壞了沿線植被，導(dǎo)致物種多樣性降低、水土流失加劇等生態(tài)退化現(xiàn)象。土壤是植物最為重要的生長物質(zhì)基礎(chǔ)，土壤的理化性質(zhì)影響著植物的生長發(fā)育、生理活力和物種多樣性[1-2]。高速公路邊坡土壤組成結(jié)構(gòu)及理化性質(zhì)有其自身特殊性，突出表現(xiàn)在它是對原有地面進(jìn)行填挖產(chǎn)生的新的裸露坡面，土壤類型復(fù)雜、土壤條件惡劣等[3]。物種多樣性可定量表征生物群落和生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征，物種多樣性與土壤性質(zhì)有著密切的關(guān)系，多年來一直是生態(tài)學(xué)家研究的熱點[4]。

目前，物種多樣性的研究大多是針對自然植物群落，對人工干擾狀態(tài)下的植物群落研究較少，而高速公路邊坡生態(tài)系統(tǒng)作為受損的生態(tài)系統(tǒng)，通常所做研究主要集中于生態(tài)防護(hù)[5-6]、植被恢復(fù)[7-8]及水土流失預(yù)防與治理[9-10]等方面，而針對公路邊坡物種多樣性及其與土壤特性關(guān)系的研究甚少。筆者對滬(上海)陜(陜西)高速公路信陽至南陽段路基邊坡物種多樣性特征及其與土壤特性的關(guān)系進(jìn)行了探討分析，旨在為類似立地條件下受損生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)與重建提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于河南省南部，地形大致為東高西低，地貌類型為侵蝕崗地、侵蝕低山丘陵、剝蝕崗地與洪沖積平原等;屬北亞熱帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，水熱資源豐富;沿線河流較為密集，其中唐河、白河水系支流較多;年均氣溫14.4～15.7℃，年均降水量 703.6～1173.4mm，降水主要集中于 6—9月，年日照時數(shù)1897.9～2120.9h。植物群落表現(xiàn)出北亞熱帶常綠落葉闊葉林地帶性規(guī)律;沿線邊坡土壤類型多，主要有填砂類、亞黏土黏土類、風(fēng)化巖類、全風(fēng)化巖 +生土類等，其中填砂類與全風(fēng)化巖+生土類主要分布于平原地帶的填方路基(填砂路基填料就近利用當(dāng)?shù)睾恿骱由百Y源，全風(fēng)化巖+生土類填料主要來源于低山及石質(zhì)丘陵地區(qū))，亞黏土黏土類、風(fēng)化巖類主要分布于剝蝕低丘區(qū)路塹邊坡。結(jié)合當(dāng)前河南省高速公路邊坡生態(tài)防護(hù)植物選擇和項目區(qū)植物生長的實際情況，草本植物選用狗牙根(Cynodon dactylon)、高羊茅(Festuca arundinacea)、白三葉(Trifolium repens)，灌木選用胡枝子(Lespedeza bicolor)、扶芳藤 (Euonymus fortunei)、紫穗槐(Amorpha fruticosa)、火棘(Pyracantha fortuneana)、荊條(Vitex negundo var.heterophylla)，種植時間為2007年 4月10日。

2 調(diào)查項目與方法

2.1 調(diào)查項目

依據(jù)滬陜高速公路信陽至南陽段土壤類型的不同，選取 A、B、C、D共 4個典型觀測試驗段(表1)，在 4個試驗段上按1—7順序分別建立紫穗槐 +狗牙根 +高羊茅、胡枝子 +狗牙根 +高羊茅、荊條 +狗牙根 +高羊茅、火棘 +狗牙根 +高羊茅、扶芳藤+狗牙根 +高羊茅、狗牙根 +白三葉 +高羊茅、狗牙根 +高羊茅 7個植物群落，共28個觀測小區(qū)。每個植物群落觀測小區(qū)均設(shè)樣方 4個，灌木類調(diào)查樣方面積為1m×1m，草本類調(diào)查樣方面積為50cm×50cm(含灌草植物群落)，測定植物種類、株數(shù)和多度。

觀測時間是 2007年 5—9月，按土壤類型分別記錄每個小區(qū)的土壤有機質(zhì)含量、容重、孔隙度、硬度、最大持水率及抗沖性。土壤容重、土壤硬度、土壤最大持水率、土壤抗沖性的測定均參考《土壤物理學(xué)(附實驗指導(dǎo))》[11]，土壤有機質(zhì)含量的測定方法采用通用的重鉻酸鉀容量法[12]。

表1 試驗段觀測小區(qū)基本情況

物種多樣性指標(biāo)的表達(dá)采用多樣性指數(shù)、豐富度指數(shù)及均勻度指數(shù)，其中多樣性指數(shù)(H)采用Shannon-Weiner(S-W)指數(shù)，豐富度指數(shù)(Ma)采用 Margalef指數(shù)，均勻度指數(shù)(J)采用 Pielou指數(shù)[13-14]。

2.2 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS13.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行Pearson相關(guān)分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同植物群落的物種多樣性

表2為不同試驗段各植物群落的物種多樣性指標(biāo)。對于S-W指數(shù)，試驗段A、B中紫穗槐 +狗牙根 +高羊茅群落表現(xiàn)較高，試驗段 C、D中胡枝子+狗牙根+高羊茅群落表現(xiàn)較高;草本植物群落的S-W指數(shù)普遍低于灌草結(jié)合的群落;就 4個試驗段而言，S-W指數(shù)由大到小順序為A＞D＞C＞B。對于Margalef指數(shù)，試驗段 A表現(xiàn)為A1＞A2＞A3＞A5＞A4＞A6＞A 7，試驗段 B表現(xiàn)為B1＞B2=B5＞B3＞B6＞B4＞B7，試驗段 C表現(xiàn)為C2＞C5＞C4＞C3＞C1＞C6＞C 7，試驗段 D表現(xiàn)為D 2＞D 5＞D3＞D4＞D1＞D 6＞D 7。對于 Pielou指數(shù)，試驗段 A表現(xiàn)為A 2＞A1＞A3＞A5＞A4＞A 6＞A 7;試驗段 B表現(xiàn)為B1＞B 5＞B4＞B2＞B3=B6＞B7;試驗段 C表現(xiàn)為C2=C5＞C3＞C4＞C1＞C6＞C7;試驗段 D表現(xiàn)為D 2＞D1＞D4＞D 5＞D3＞D 6＞D 7。

3.2 物種多樣性指數(shù)之間及其與土壤因子的關(guān)系

由表3可知，多樣性指數(shù)、豐富度指數(shù)、均勻度指數(shù)之間存在較高的相關(guān)性，多樣性指數(shù)和豐富度指數(shù)的相關(guān)系數(shù)為0.915(P＜0.01)，多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)為0.892(P＜0.01)，豐富度指數(shù)和均勻度指數(shù)為0.803(P＜0.01)，均達(dá)到顯著水平。

多樣性指數(shù)與容重、孔隙度的相關(guān)性較強(P＜0.05)，相關(guān)系數(shù)分別為0.577、-0.566;豐富度指數(shù)與容重、孔隙度的相關(guān)性也較強(P＜0.05)，相關(guān)系數(shù)分別為0.683、-0.667;均勻度指數(shù)與容重、孔隙度的相關(guān)性較差;土壤有機質(zhì)含量與多樣性指數(shù)、豐富度指數(shù)相關(guān)性較小，與均勻度指數(shù)相關(guān)性較強(P＜0.01);多樣性指數(shù)、豐富度指數(shù)、均勻度指數(shù)與硬度有一定的相關(guān)性(P＜0.05)，這和楊喜田等[15]提出的邊坡侵入植物受土壤硬度以及其自身生物學(xué)特性影響的結(jié)論一致;物種多樣性與土壤抗沖性、土壤最大持水率相關(guān)性均較差。

表3 物種多樣性指標(biāo)與土質(zhì)因子的Pearson相關(guān)分析

4 結(jié) 論

4.1 不同植物群落的物種多樣性

對于填砂路堤邊坡和亞黏土路塹邊坡，紫穗槐 +狗牙根 +高羊茅群落表現(xiàn)出較高的多樣性指數(shù)和豐富度指數(shù);對于風(fēng)化巖路塹邊坡和全風(fēng)化巖+生土路堤邊坡，多樣性指數(shù)和豐富度指數(shù)較高的是胡枝子 +狗牙根 +高羊茅群落。這主要與兩種植物群落長勢較好有關(guān)，尤其是群落中紫穗槐、胡枝子的生長較為旺盛，為群落內(nèi)其他植物及侵入植物的生長提供了較好的環(huán)境條件。觀察分析表明，各試驗段的植物群落均發(fā)生了不同程度的退化過程，物種多樣性和均勻度有一定的關(guān)系，即物種多樣性指數(shù)高的群落，均勻度指數(shù)也較高，植物群落較為穩(wěn)定;反之，植物群落穩(wěn)定性較差。植物生態(tài)學(xué)理論表明，多樣性增高意味著穩(wěn)定性趨于增強，本研究結(jié)果與上述理論一致。

草本植物屬淺根性植物，對邊坡惡劣環(huán)境的抗逆性弱，生物群落穩(wěn)定性差。灌木根系發(fā)達(dá)，在草本群落中加入灌木，可以使灌草生態(tài)建植層的根系交織成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，能最大限度地防止水土流失，同時利于群落內(nèi)目標(biāo)植物和侵入植物的生長。因此，草本植物群落的物種多樣性普遍低于灌草結(jié)合的群落。

就 4個試驗段而言，物種多樣性大小順序表現(xiàn)為A＞D＞C＞B。填砂路堤邊坡(針對河砂無塑性及透水性強的特點采用了黏土包邊技術(shù))和全風(fēng)化巖+生土路堤邊坡由于均存在一定的土壤條件，改善了邊坡土壤的性質(zhì)，為群落植物生長奠定了良好的基礎(chǔ);亞黏土路塹邊坡土質(zhì)較為黏重，土壤透氣性較差，而風(fēng)化巖路塹邊坡(采用客土噴播技術(shù))缺乏植物生長所需的土壤條件，均會限制植物根系的延伸。

4.2 物種多樣性指數(shù)之間的關(guān)系

物種多樣性是群落組織結(jié)構(gòu)的重要特征，對物種多樣性的衡量可以通過對群落內(nèi)多樣性指數(shù)、豐富度指數(shù)、均勻度指數(shù)的測量來評價。其中，多樣性指數(shù)反映群落的組織水平和群落功能的特點，豐富度指數(shù)代表一個群落內(nèi)物種數(shù)目的多少，均勻度指數(shù)反映各物種個體數(shù)目分配的均勻程度。三者之間相關(guān)性顯著是因為多樣性指數(shù)是把物種豐富度和均勻度結(jié)合起來的一個統(tǒng)計量。

4.3 物種多樣性指數(shù)與土壤因子的關(guān)系

從土壤容重與孔隙度可粗略估計土壤結(jié)構(gòu)的松緊狀況。土壤容重以機械阻力形式影響植物的生長，土壤機械阻力對植物生長的影響主要表現(xiàn)在對根系生長的影響上。與其他土壤因子相比，物種多樣性指數(shù)與土壤容重、孔隙度相關(guān)性較大。土壤有機質(zhì)含量是評價土壤質(zhì)地的重要參數(shù)，對于自然植物群落而言，物種多樣性與土壤有機質(zhì)應(yīng)有較強的相關(guān)性，有機質(zhì)含量的高低可反映物種多樣性的水平。研究區(qū)屬人工干擾下形成的裸露坡面，土壤有機質(zhì)含量及營養(yǎng)成分含量大致相當(dāng)且均偏低，對物種多樣性的影響不大。土壤硬度可綜合反映土壤孔隙度、土壤含水量、土壤有機質(zhì)含量等。土壤硬度的大小制約著植物根系的縱向生長和橫向生長，對物種多樣性產(chǎn)生一定的影響。土壤的抗沖性是土壤抵抗徑流分散與搬運的能力，土壤抗沖能力受植被的覆蓋度和植物根系的根密度影響較大。物種多樣性與土壤抗沖性相關(guān)性較差，原因可能是對不同試驗小區(qū)播種后均覆蓋細(xì)土和無紡布，澆水養(yǎng)護(hù)直至出苗，待首次產(chǎn)生侵蝕性降雨前各植物群落的覆蓋度基本達(dá)到60%左右，植物根系生長良好。土壤質(zhì)地與結(jié)構(gòu)決定了土壤的最大持水率，土壤含水量的大小影響著水分的有效性，一般認(rèn)為土壤水分保持在最大持水率至最大持水率的 70%之間最為有效。在土壤環(huán)境因子中，土壤最大持水率與物種多樣性的相關(guān)性相對較小，可能是因為一方面高速公路邊坡土壤具有貧瘠干旱的共同特點，另一方面所選植物群落中草本類型相同，影響物種多樣性的植物主要體現(xiàn)在灌木類型上，而灌木叢的根系分布較深，土壤最大持水率對他們影響不大。

5 討 論

不同邊坡類型下植物群落的物種多樣性均表現(xiàn)為灌草組合大于草種混播，這對于受損生態(tài)系統(tǒng)下公路邊坡恢復(fù)植被意義重大，這一研究也支持了植被建設(shè)中草灌先行的觀點[16]。就4個試驗段而言，填砂路堤邊坡具有較高的物種多樣性，亞黏土路塹邊坡具有較低的物種多樣性，原因在于填砂路堤邊坡土質(zhì)較為疏松，土壤硬度較低，利于植物根系的生長，這表明物種多樣性與土壤硬度有一定的相關(guān)性。

就土壤有機質(zhì)含量與物種多樣性的關(guān)系，普遍認(rèn)為土壤有機質(zhì)與物種多樣性有顯著相關(guān)性[17-19]，也有認(rèn)為物種多樣性與有機質(zhì)相關(guān)性較弱[13]，但這些研究主要針對自然植物群落，沒有涉及人為干擾下高速公路邊坡物種多樣性變化及其與土壤因子的關(guān)系。研究區(qū)邊坡普遍采用河砂、風(fēng)化巖作為植物生長的基質(zhì)，土壤養(yǎng)分匱乏，因此土壤有機質(zhì)對物種多樣性差異影響不大，而不同邊坡的容重、孔隙度、硬度等存在一定差異，從而導(dǎo)致物種多樣性差異明顯[20]。

物種多樣性與土壤含水量的相關(guān)分析表明，土壤最大持水率對多樣性指標(biāo)影響較小，這個結(jié)論會因不同的植被類型、氣候類型、土壤類型而不同，僅屬于我們研究的范圍，是否適用于其他立地條件有待于研究。

本研究針對高速公路邊坡植被恢復(fù)初期物種多樣性與部分土壤因子的相互關(guān)系進(jìn)行初步探討，僅僅是對一定尺度上的數(shù)據(jù)資料進(jìn)行季節(jié)性觀測分析，對于受損生態(tài)系統(tǒng)下植物群落物種多樣性與土壤因子在更大尺度上的相互影響機制以及植物群落演替過程中物種多樣性與土壤環(huán)境因子的相互關(guān)系，還需要通過大量試驗進(jìn)一步證明。

[1]宋創(chuàng)業(yè)，郭柯，劉高煥.渾善達(dá)克沙地植物群落物種多樣性與土壤因子的關(guān)系[J].生態(tài)學(xué)雜志，2008，27(1):8-13.

[2]楊玉海，陳亞寧，李衛(wèi)紅.新疆塔里木河下游土壤特性及其對物種多樣性的影響[J].生態(tài)學(xué)報，2008，28(2):602-611.

[3]田國行，楊曉明，楊春.高速公路邊坡土壤侵蝕研究進(jìn)展[J].中外公路，2008，28(6):21-28.

[4]楊萬勤，鐘章成，陶建平.縉云山森林土壤速效 P的分布特征及其與物種多樣性的關(guān)系研究[J].生態(tài)學(xué)雜志，2001，20(4):24-27.

[5]田國行，田耀武，路玲，等.生態(tài)防護(hù)工程對高速公路邊坡土壤保持效率的影響[J].河南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2005，39(3):259-264.

[6]卓慕寧，李定強，鄭煜基.高速公路生態(tài)護(hù)坡技術(shù)的水土保持效應(yīng)研究[J].水土保持學(xué)報，2006，20(1):164-167.

[7]劉春霞，韓烈保.高速公路邊坡植被恢復(fù)研究進(jìn)展[J].生態(tài)學(xué)報，2007，27(5):2090-2098.

[8]楊漢忠，劉春霞.云南省高速公路邊坡植被恢復(fù)技術(shù)與展望[J].福建林業(yè)科技，2008，35(4):261-267.

[9]史東梅.高速公路建設(shè)中侵蝕環(huán)境及水土流失特征的研究[J].水土保持學(xué)報，2006，20(2):5-9.

[10]王慧覺，楊艷，王文君.高速公路邊坡土壤流失量預(yù)測方法研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報:交通科學(xué)與工程版，2005，29(1):12-15.

[11]華孟，王堅.土壤物理學(xué)(附實驗指導(dǎo))[M].北京:北京農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社，1993:31-35.

[12]李學(xué)垣.土壤化學(xué)及實驗指導(dǎo)[M].北京:中國農(nóng)業(yè)出版社，1997:44-51.

[13]王順忠，陳桂琛，柏玉平，等.青海湖鳥島地區(qū)植物群落物種多樣性與土壤環(huán)境因子的關(guān)系[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2005，16(1):186-188.

[14]馬克平.生物多樣性的測度方法Ⅰ:α多樣性的測度方法(上)[J].生物多樣性，1994，2(3):162-168.

[15]楊喜田，楊曉波，蘇金樂，等.黃土地區(qū)高速公路邊坡植物侵入狀況研究[J].水土保持學(xué)報，2001，15(6):74-77.

[16]盧宗凡.關(guān)于水土保持工作的總結(jié)與思考[J].水土保持學(xué)報，2003，17(1):10-14.

[17]白永飛，李凌浩，王其兵，等.錫林河流域草原群落植物多樣性和初級生產(chǎn)力沿水熱梯度變化的樣帶研究[J].植物生態(tài)學(xué)報，2000，24(6):667-673.

[18]張林靜，岳明，顧峰雪，等.新疆阜康綠洲荒漠過渡帶植物群落物種多樣性與土壤環(huán)境因子的耦合關(guān)系[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2002，13(6):658-662.

[19]楊小波，張?zhí)伊?，吳慶書.海南瓊北地區(qū)不同植被類型物種多樣性與土壤肥力的關(guān)系[J].生態(tài)學(xué)報，2002，22(2):190-196.

[20]吳東麗，上官鐵梁，張金屯，等.滹沱河流域濕地植被的物種多樣性研究[J].北京師范大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2006，42(2):195-199.