陶 巖，段問(wèn)宇，卜慶國(guó)，王新民，江 源*(．東北師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，吉林長(zhǎng)春3004;．北京師范大學(xué)資源學(xué)院，北京00875;3．國(guó)家環(huán)境保護(hù)創(chuàng)面生態(tài)修復(fù)工程技術(shù)中心，北京0008;4．路域生態(tài)工程有限公司，北京0008)

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，高速公路已經(jīng)成為我國(guó)現(xiàn)代化公路運(yùn)輸不可缺少的基礎(chǔ)設(shè)施之一。以內(nèi)蒙古自治區(qū)為例，到“十二五”末，全區(qū)公路總里程將達(dá)到1．7×105km，其中高速公路和一級(jí)公路里程將達(dá)到1．3×104km。高等級(jí)公路的快速發(fā)展有效地改善了我國(guó)現(xiàn)有的公路網(wǎng)結(jié)構(gòu)，極大地促進(jìn)了區(qū)域間的經(jīng)濟(jì)聯(lián)系。但是隨著公路建設(shè)里程和等級(jí)的不斷提高，各種生態(tài)與環(huán)境問(wèn)題在路域范圍內(nèi)日漸凸顯，例如，公路建設(shè)造成大量坡體的巖石和表土裸露，導(dǎo)致植被、動(dòng)物棲息地和自然景觀遭到破壞，土壤結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)，進(jìn)而引起水土流失、邊坡塌方、土壤質(zhì)量下降、環(huán)境污染加劇等一系列問(wèn)題［1］。尤其是在我國(guó)的內(nèi)蒙古地區(qū)，生態(tài)環(huán)境十分脆弱，植被和土壤一旦遭到破壞，自然恢復(fù)難度大，時(shí)間長(zhǎng)，其影響范圍不僅是內(nèi)蒙古自治區(qū)本身，還將對(duì)我國(guó)中東部地區(qū)生態(tài)環(huán)境造成極大威脅［2］。

因此，在公路建設(shè)的同時(shí)，如何有效地恢復(fù)和重建公路邊坡植被，改善路域生態(tài)條件和環(huán)境質(zhì)量，做到公路建設(shè)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)的協(xié)調(diào)發(fā)展，已經(jīng)成為當(dāng)今公路生態(tài)建設(shè)必不可少的任務(wù)之一［3－4］。然而，與近些年高速公路的快速發(fā)展相比，公路邊坡生態(tài)恢復(fù)與重建的相關(guān)研究卻嚴(yán)重滯后，特別是針對(duì)生態(tài)條件最為惡劣的路塹陽(yáng)坡的植被恢復(fù)效果研究更加匱乏［5－6］。筆者以內(nèi)蒙古中東部地區(qū)高速公路路塹陽(yáng)坡為研究對(duì)象，選擇典型的試驗(yàn)路段，以生態(tài)系統(tǒng)理論為指導(dǎo)，系統(tǒng)地觀測(cè)了護(hù)坡植被的群落組成變化特征，并對(duì)植被護(hù)坡群落的生態(tài)恢復(fù)效果和演替過(guò)程進(jìn)行了深入的探討和研究。

1 研究區(qū)概況

研究依托“京新高速公路(G7)韓家營(yíng)(晉蒙界)至集寧段道路生態(tài)景觀建設(shè)”在建工程進(jìn)行，標(biāo)段為K0+105—K72+050，位于烏蘭察布市察哈爾右翼前旗巴音塔拉鄉(xiāng)劉家村東部。地貌類(lèi)型以盆地為主，屬淺山丘陵區(qū);氣候?qū)儆诒睖貛Т箨懶愿珊禋夂?，風(fēng)多雨少，降水量在350～400 mm，晝夜溫差大。土壤屬于溫帶干草原栗鈣土地帶，地帶性植被為典型草原，優(yōu)勢(shì)種為大針茅(Stipa grandis)、克氏針茅(Stipa krylovii)等。干旱區(qū)陽(yáng)坡嚴(yán)酷的自然條件使得試驗(yàn)路段的地表植被極易遭受破壞，一旦破壞之后，夏季暴雨的沖刷和冬春季節(jié)強(qiáng)烈的風(fēng)蝕作用使得土壤養(yǎng)分很快流失，植被難以恢復(fù)。此外，由于此地區(qū)絕大部分年降水發(fā)生在夏季，因此春旱也是制約當(dāng)?shù)刂参锷L(zhǎng)的重要因素。

2 材料與方法

2．1 試驗(yàn)地條件與建植技術(shù) 試驗(yàn)路段路塹邊坡地理位置為113°51'50．51″E，40°42'12．14″N，海拔高度 1 423 m，距離興和縣城20 km。路塹邊坡坡面為巖石土坡，基巖為砂頁(yè)巖，坡面傾斜角度為45°～60°。植被護(hù)坡工程于2013年7月完成施工。試驗(yàn)陽(yáng)坡的物種設(shè)計(jì)采用喬木+灌木+草本的立體組合模式，具體選用的物種種類(lèi)及播種量見(jiàn)表1，播種后的覆土厚度為2 cm。

表1 試驗(yàn)路段高速公路邊坡生態(tài)恢復(fù)物種設(shè)計(jì)方案

2．2 恢復(fù)效果調(diào)查方法 2013年8月～2014年8月期間，在植物生長(zhǎng)季定期監(jiān)測(cè)試驗(yàn)邊坡植被的生長(zhǎng)和恢復(fù)效果。調(diào)查主要通過(guò)樣帶和坡面固定樣方跟蹤調(diào)查的方式進(jìn)行，調(diào)查方法是:選擇典型路塹陽(yáng)坡坡面作為樣地，從坡頂向坡麓，在上、中、下部位各布設(shè)4個(gè)1 m×1 m的樣方，測(cè)定樣方內(nèi)的植物種類(lèi)、高度、密度、群落覆蓋度、地上生物量、葉綠素含量等生物學(xué)指標(biāo)，并對(duì)每個(gè)樣方周邊5 m×5 m范圍內(nèi)出現(xiàn)的新植物種類(lèi)進(jìn)行登記。其中覆蓋度的調(diào)查采用樣方點(diǎn)測(cè)法，即將1 m×1 m的樣方等分成為100個(gè)10 cm×10 cm的小網(wǎng)格，對(duì)每個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)登記是否在點(diǎn)向地面的垂線方向被植物體分布，最后統(tǒng)計(jì)有植物體分布的總點(diǎn)數(shù)與所有網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)的比值，并以此作為覆蓋度指標(biāo)，用百分?jǐn)?shù)表示。為減少對(duì)護(hù)坡植被的破壞，生物量的測(cè)定為選取1 m×1 m樣方中的1/4，即剪取樣方內(nèi)50 cm×50 cm的植株地上部分，帶回室內(nèi)烘干后稱(chēng)重。葉綠素?zé)晒獗嚷?CFR)和相對(duì)葉綠素含量采用美國(guó)OPTI-sciences CCM-300葉綠素含量測(cè)量?jī)x測(cè)定。根據(jù)對(duì)坡面植被調(diào)查數(shù)據(jù)，還計(jì)算了群落各物種的相對(duì)比例和Shannon-Weiner多樣性指數(shù)。

此外，為了更好地對(duì)比和說(shuō)明坡面植被的恢復(fù)效果，研究還對(duì)試驗(yàn)陽(yáng)坡對(duì)面的陰坡和試驗(yàn)陽(yáng)坡附近的草原群落進(jìn)行了植物樣方調(diào)查，記錄了各群落的植物種類(lèi)組成及相關(guān)生長(zhǎng)指標(biāo)。

3 結(jié)果與分析

3．1 物種數(shù)目變化 試驗(yàn)陽(yáng)坡的初始設(shè)計(jì)物種為12種(表2)，在坡面植被建植后1個(gè)月(2013年8月)左右，有7種植物順利出苗生長(zhǎng)，并在建植1年后(2014年)仍然存活，表明這7種植物基本能夠適應(yīng)當(dāng)?shù)貧夂蚝屯寥赖葪l件。此外，在坡面植被建植當(dāng)年，有8種樣地外鄉(xiāng)土植物進(jìn)入護(hù)坡植被群落，在建植后第1年，有14種鄉(xiāng)土植物進(jìn)入護(hù)坡植被群落，坡面總物種數(shù)目分別達(dá)到了15種和21種，鄉(xiāng)土植物種在群落中所占的比例呈現(xiàn)穩(wěn)定增加趨勢(shì)，而附近草原群落的常見(jiàn)物種數(shù)目介于二者之間，表明坡面群落在初始設(shè)計(jì)物種的基礎(chǔ)之上，正在向適應(yīng)當(dāng)?shù)丨h(huán)境條件的群落演替。

陽(yáng)坡的這個(gè)特征與陰坡形成了鮮明對(duì)比。調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，陰坡僅在建植當(dāng)年有8種鄉(xiāng)土植物進(jìn)入邊坡(與陽(yáng)坡相同)，而此后一年無(wú)更多鄉(xiāng)土植物侵入。這表明本地區(qū)高速公路陰坡坡面的護(hù)坡植物群落在建植后的一段時(shí)間內(nèi)，不利于本地植物的進(jìn)入。究其原因，可能在于陰坡坡面播種的植物能夠形成較大蓋度，對(duì)當(dāng)?shù)厍秩胫参镄纬奢^大競(jìng)爭(zhēng)壓力。而相對(duì)干旱的陽(yáng)坡生境，因水分等條件較差，人工播種的植物蓋度不高，為本地植物成功侵入提供了較多生態(tài)位。

表2 路塹陽(yáng)坡生態(tài)恢復(fù)群落物種數(shù)目變化及對(duì)比

3．2 種類(lèi)組成變化

3．2．1 優(yōu)勢(shì)物種變化。根據(jù)陽(yáng)坡初始設(shè)計(jì)的播種種類(lèi)及其數(shù)量，對(duì)照建植后坡面植被群落中各物種的密度及蓋度，計(jì)算出了陽(yáng)坡生態(tài)恢復(fù)群落的物種相對(duì)比例變化(圖1)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，初始設(shè)計(jì)物種在建植當(dāng)年和建植后第1年分別表現(xiàn)出相對(duì)比例增加、減少和先增加后減少3種趨勢(shì)。其中，沙打旺、紫花苜蓿、波斯菊的相對(duì)比例表現(xiàn)為逐年增加，相對(duì)比例分別由初始設(shè)計(jì)比例的13．25%、5．3%、0．21%，增加到建植后第1年的68%、10%、2．9%。榆樹(shù)、紫穗槐、檸條、刺槐、臭椿、沙棘、火炬樹(shù)、野菊花的相對(duì)比例表現(xiàn)為逐年下降，其中刺槐、臭椿、沙棘、火炬樹(shù)、野菊花在坡面植被建植1年后在群落物種組成中消失。胡枝子初始設(shè)計(jì)時(shí)的相對(duì)比例僅為2．36%，然而其在建植當(dāng)年的出苗率非常高，再加上受到其他物種出苗率低的影響，相對(duì)比例達(dá)到20．71%，但是在建植1年后又大量減少，相對(duì)比例降低到1．4%。

按照相對(duì)比例大于10%的標(biāo)準(zhǔn)確定坡面優(yōu)勢(shì)物種，可以得出，在陽(yáng)坡植被建植當(dāng)年，群落優(yōu)勢(shì)植物由榆樹(shù)、胡枝子、沙打旺3個(gè)物種構(gòu)成;建植1年后，坡面優(yōu)勢(shì)物種變?yōu)樯炒蛲妥匣ㄜ俎＃渲猩炒蛲陉?yáng)坡占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)地位。

3．2．2 生活型比例變化。在陽(yáng)坡初始設(shè)計(jì)物種中，喬木、灌木、草本3種生活型的種類(lèi)比例為1∶1∶1，根據(jù)建植當(dāng)年出苗調(diào)查結(jié)果(此次調(diào)查在播種后1個(gè)月左右，因此某些木本植物可能尚未出苗)，刺槐、臭椿、火炬樹(shù)3種喬木種子出苗率較低或未出苗，灌木沙棘出苗率較低或未出苗，草本植物野菊花未出苗，喬木和灌木在群落中所占比例下降。建植后第1年，邊坡上的喬木和灌木物種與建植當(dāng)年8月相同，但草本植物由建植當(dāng)年的11種增加到了17種，當(dāng)?shù)剜l(xiāng)土草本植物大量進(jìn)入護(hù)坡群落，因此喬木和灌木所占的比例進(jìn)一步降低，喬灌草物種比例達(dá)到1∶3∶17(表3)。對(duì)比試驗(yàn)邊坡周邊的天然草原后發(fā)現(xiàn)，天然草原中幾乎沒(méi)有喬木生長(zhǎng)，僅有少量灌木存在，主要還是因?yàn)樵搮^(qū)域降雨量偏少，而且地下有深厚且不利于植物根系生長(zhǎng)的鈣土層，所以大多數(shù)木本植物很難生長(zhǎng)。另外，根據(jù)樣方調(diào)查結(jié)果，天然草原中的喬木、灌木、草本物種數(shù)目的比例約為0∶2∶19，而此比例恰好與陽(yáng)坡喬灌草比例相接近，這說(shuō)明護(hù)坡植物群落中各物種的生活型比例也正在向當(dāng)?shù)刈匀蝗郝溥M(jìn)行過(guò)渡。

0∶2∶19這個(gè)比例對(duì)于內(nèi)蒙古中東部地區(qū)路域邊坡植被恢復(fù)過(guò)程中，關(guān)于喬、灌、草的物種選配比例具有明顯的指導(dǎo)意義:在此區(qū)域內(nèi)進(jìn)行路域護(hù)坡實(shí)踐時(shí)，應(yīng)充分考慮氣候及土壤因素對(duì)植物生長(zhǎng)的制約，盡量限制喬木的使用，主要使用多年生旱生草本植物，適量搭配耐旱、耐寒型灌木。如果選擇喬木物種，則應(yīng)采取澆水、除草等相應(yīng)的特殊管護(hù)措施。

表3 路塹陽(yáng)坡生態(tài)恢復(fù)群落不同生活型種類(lèi)數(shù)目變化及對(duì)比

3．2．3 各科植物比例變化。在陽(yáng)坡植被恢復(fù)群落中，禾本科植物沒(méi)有設(shè)計(jì)在初始播種物種中，邊坡中出現(xiàn)的禾本科植物均為樣地外侵入，并在群落建植當(dāng)年占到了一定比例(13%)，但1年之后比例開(kāi)始下降(5%)。豆科植物的初始播種數(shù)量比例(49%)與自然環(huán)境(42%)最為接近，在播種當(dāng)年8月份比例略有上升，到第2年8月份比例急劇上升，占到坡面總數(shù)量的83%，結(jié)合樣方數(shù)據(jù)分析，主要是由于沙打旺和紫花苜蓿兩種豆科植物數(shù)量上升所致，尤其是沙打旺已經(jīng)成為了陽(yáng)坡群落的最優(yōu)勢(shì)物種。菊科植物初始播種數(shù)量比例為2%，而在天然草原中的數(shù)量比例為3%，二者比較接近，建植當(dāng)年野菊花未出苗，但有一定數(shù)量的鬼針草侵入護(hù)坡群落，使菊科所占比例略有上升，建植1年后所占比例下降(1%)，主要組成物種是波斯菊和菊科蒿屬中的一些植物。初始設(shè)計(jì)中的其他科植物主要集中在喬灌木種類(lèi)，如榆樹(shù)(榆科)、臭椿(苦木科)、沙棘(胡頹子科)、火炬樹(shù)(漆樹(shù)科)，由于除了榆樹(shù)外的其他喬灌木在建植后均出現(xiàn)了大量減少，因此其他科數(shù)量相對(duì)比例下降較為明顯，但在建植后的1年時(shí)間里，樣地外的藜科，如藜(Chenopodium album)、豬毛菜(Salsola collina);十字花科，如油菜(Brassica campestris);車(chē)前科，如車(chē)前(Plantago asiatica)等植物開(kāi)始侵入，因此也在一定程度上減緩了其他科植物的數(shù)量下降比例。

3．3 物種多樣性變化 群落的物種多樣性既體現(xiàn)了生物之間及生物與環(huán)境之間的復(fù)雜關(guān)系，又體現(xiàn)了生物資源的豐富性［7－10］。從圖3可以看出，路塹陽(yáng)坡在植被恢復(fù)當(dāng)年表現(xiàn)出了較高的物種多樣性，而到了建植1年后開(kāi)始下降，物種多樣性低于天然草原群落。這是因?yàn)橛袃蓚€(gè)因素影響著Shannon-Wiener物種多樣性指數(shù)，一是物種豐富程度，二是各種間個(gè)體分配的均勻性，即群落物種豐富程度越高，物種個(gè)體分配越均勻，Shannon-Wiener多樣性指數(shù)越大。結(jié)合樣方調(diào)查數(shù)據(jù)分析，陽(yáng)坡物種的豐富程度在建植后第1年有所升高，由建植當(dāng)年的15種增加到了21種，但是從各物種所占的數(shù)量比例來(lái)看，沙打旺和紫花苜蓿兩個(gè)物種占到了78%，導(dǎo)致群落各種間個(gè)體分配極不均勻，因此物種多樣性處于較低水平，這與已有研究結(jié)果一致［11］。

3．4 植物葉綠素含量變化 葉綠素是存在于植物細(xì)胞中的一類(lèi)極為重要的綠色色素，是綠色植物進(jìn)行光合作用時(shí)吸收、轉(zhuǎn)化和傳遞光能的主要物質(zhì)。植物中的葉綠素含量直接影響植物的光合作用、營(yíng)養(yǎng)吸收等過(guò)程，因此被廣泛用作植物生長(zhǎng)的常規(guī)監(jiān)測(cè)指標(biāo)［12－13］。另外，影響植物體葉綠素含量的因素主要有光照、溫度、土壤營(yíng)養(yǎng)元素等，所以葉綠素含量除了可以反映植物的生長(zhǎng)情況外，也可以作為反映生境條件的綜合指標(biāo)［14－15］。

表4中列出了試驗(yàn)路段陽(yáng)坡和陰坡主要優(yōu)勢(shì)物種的葉綠素?zé)晒獗嚷?CFR)和相對(duì)葉綠素含量，從表中可以看出，絕大多數(shù)測(cè)定物種在陽(yáng)坡上的CFR值和相對(duì)葉綠素含量均高于陰坡，即從理論上來(lái)說(shuō)，這些物種更適于陽(yáng)坡生長(zhǎng)。其中沙打旺、紫花苜蓿、老芒麥(Elymus sibiricus)、白草(Pennisetum centrasiaticum)4種植物的CFR值和相對(duì)葉綠素含量增加比較明顯，表明這4種植物相對(duì)于白花草木樨(Melilotus alba)更適合于陽(yáng)坡生長(zhǎng)。另外，測(cè)試物種中只有賴草(Leymus secalinus)的CFR值是陰坡大于陽(yáng)坡，表明該物種更適于陰坡環(huán)境生長(zhǎng)。

表4 不同坡向路塹護(hù)坡群落優(yōu)勢(shì)物種葉綠素含量比較

此外，陽(yáng)坡中同一種植物生長(zhǎng)在不同坡位時(shí)，其CFR值和相對(duì)葉綠素含量也表現(xiàn)出了一定的差異，沙打旺、紫花苜蓿、草木樨、老芒麥在坡下部的CFR值和相對(duì)葉綠素含量高于坡頂部(表5)。這說(shuō)明對(duì)于陽(yáng)坡而言，坡上部立地條件更為惡劣，土質(zhì)更為干旱，植物生長(zhǎng)受到地形、光照、土壤水分、養(yǎng)分等多重因素的影響，長(zhǎng)勢(shì)較弱;而坡下部由于水分較好，長(zhǎng)時(shí)間累積后土層加厚，坡度變緩，土壤營(yíng)養(yǎng)元素富集，因此植被長(zhǎng)勢(shì)良好［9，16］。

表5 路塹陽(yáng)坡不同坡位優(yōu)勢(shì)物種葉綠素含量比較

4 結(jié)論與討論

植被護(hù)坡的物種組成及在未來(lái)的變化發(fā)展趨勢(shì)對(duì)高速公路路域景觀和邊坡結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定具有重要影響。坡面初始設(shè)計(jì)物種的變化及當(dāng)?shù)剜l(xiāng)土物種的侵入反映了邊坡植物群落的演替過(guò)程，這個(gè)過(guò)程將直接決定坡面最終植物群落的建成情況和對(duì)坡面表層及深層土壤的保護(hù)程度。在內(nèi)蒙古干旱半干旱的區(qū)域條件下，路塹陽(yáng)坡與天然草原的生態(tài)條件更加接近，鄉(xiāng)土植物在護(hù)坡群落建植初期更易侵入。

在路塹陽(yáng)坡植被建植后的演替過(guò)程中，群落物種數(shù)目和植物生活型構(gòu)成比例兩個(gè)指標(biāo)逐漸與天然草原相接近，體現(xiàn)出了人工群落對(duì)生境條件的逐步適應(yīng)和向自然植被進(jìn)行過(guò)渡的趨勢(shì)。而群落中優(yōu)勢(shì)種和優(yōu)勢(shì)科兩個(gè)指標(biāo)與天然草原差異較大，在植被護(hù)坡建植1年后，坡面植被主要被豆科植物占據(jù)優(yōu)勢(shì)，其他科植物受豆科植物競(jìng)爭(zhēng)影響較大。這種現(xiàn)象導(dǎo)致的結(jié)果是，護(hù)坡群落物種多樣性較低，地上生物量短期內(nèi)快速增加。較低的物種多樣性降低了群落的抗擾動(dòng)能力，而較高的地上生物量又預(yù)示著植被對(duì)坡面地表和地下部分起到了很好的保護(hù)和穩(wěn)固作用［17］，這是一個(gè)相對(duì)矛盾的結(jié)果。如何協(xié)調(diào)二者在群落演替過(guò)程中的利弊作用，是筆者接下來(lái)的重要工作之一。

根據(jù)對(duì)研究結(jié)果的分析可知，針對(duì)內(nèi)蒙古中東部地區(qū)的生態(tài)恢復(fù)物種種類(lèi)篩選，應(yīng)該主要以草本植物為主，而且應(yīng)首選豆科和禾本科植物，其次考慮少量搭配耐寒、耐旱型灌木，而對(duì)于喬木物種則建議不使用。另外，通過(guò)試驗(yàn)路段主要優(yōu)勢(shì)物種的CFR值和相對(duì)葉綠素含量可知，沙打旺、紫花苜蓿、老芒麥、白草、草木樨5種草本植物更適應(yīng)于陽(yáng)坡生境生長(zhǎng)，而賴草則更適應(yīng)于陰坡生境生長(zhǎng)。并且位于邊坡下部的植物生長(zhǎng)情況要好于邊坡上部。這些特征一方面反映出了植物的生態(tài)適應(yīng)能力，另一方面也反映了坡面不同部位生態(tài)條件的差異，因此這些因素在路域邊坡生態(tài)恢復(fù)實(shí)踐中應(yīng)予以充分考慮。

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