高速公路边坡物种多样性与土壤特性的关系分析

康 艳，杨晓明 ，刘仁庆，田国行

(1.河南省科学院，河南 郑州 450002;2.河南省驻马店农业学校，河南 驻马店 463000;3.河南农业大学林学院，河南 郑州 450002)

高速公路建设一定程度上加剧了资源与环境之间的矛盾，破坏了沿线植被，导致物种多样性降低、水土流失加剧等生态退化现象。土壤是植物最为重要的生长物质基础，土壤的理化性质影响着植物的生长发育、生理活力和物种多样性[1-2]。高速公路边坡土壤组成结构及理化性质有其自身特殊性，突出表现在它是对原有地面进行填挖产生的新的裸露坡面，土壤类型复杂、土壤条件恶劣等[3]。物种多样性可定量表征生物群落和生态系统的结构特征，物种多样性与土壤性质有着密切的关系，多年来一直是生态学家研究的热点[4]。

目前，物种多样性的研究大多是针对自然植物群落，对人工干扰状态下的植物群落研究较少，而高速公路边坡生态系统作为受损的生态系统，通常所做研究主要集中于生态防护[5-6]、植被恢复[7-8]及水土流失预防与治理[9-10]等方面，而针对公路边坡物种多样性及其与土壤特性关系的研究甚少。笔者对沪(上海)陕(陕西)高速公路信阳至南阳段路基边坡物种多样性特征及其与土壤特性的关系进行了探讨分析，旨在为类似立地条件下受损生态系统的恢复与重建提供参考依据。

1 研究区概况

研究区位于河南省南部，地形大致为东高西低，地貌类型为侵蚀岗地、侵蚀低山丘陵、剥蚀岗地与洪冲积平原等;属北亚热带大陆性季风气候区，四季分明，水热资源丰富;沿线河流较为密集，其中唐河、白河水系支流较多;年均气温14.4～15.7℃，年均降水量 703.6～1173.4mm，降水主要集中于 6—9月，年日照时数1897.9～2120.9h。植物群落表现出北亚热带常绿落叶阔叶林地带性规律;沿线边坡土壤类型多，主要有填砂类、亚黏土黏土类、风化岩类、全风化岩 +生土类等，其中填砂类与全风化岩+生土类主要分布于平原地带的填方路基(填砂路基填料就近利用当地河流河砂资源，全风化岩+生土类填料主要来源于低山及石质丘陵地区)，亚黏土黏土类、风化岩类主要分布于剥蚀低丘区路堑边坡。结合当前河南省高速公路边坡生态防护植物选择和项目区植物生长的实际情况，草本植物选用狗牙根(Cynodon dactylon)、高羊茅(Festuca arundinacea)、白三叶(Trifolium repens)，灌木选用胡枝子(Lespedeza bicolor)、扶芳藤 (Euonymus fortunei)、紫穗槐(Amorpha fruticosa)、火棘(Pyracantha fortuneana)、荆条(Vitex negundo var.heterophylla)，种植时间为2007年 4月10日。

2 调查项目与方法

2.1 调查项目

依据沪陕高速公路信阳至南阳段土壤类型的不同，选取 A、B、C、D共 4个典型观测试验段(表1)，在 4个试验段上按1—7顺序分别建立紫穗槐 +狗牙根 +高羊茅、胡枝子 +狗牙根 +高羊茅、荆条 +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 +白三叶 +高羊茅、狗牙根 +高羊茅 7个植物群落，共28个观测小区。每个植物群落观测小区均设样方 4个，灌木类调查样方面积为1m×1m，草本类调查样方面积为50cm×50cm(含灌草植物群落)，测定植物种类、株数和多度。

观测时间是 2007年 5—9月，按土壤类型分别记录每个小区的土壤有机质含量、容重、孔隙度、硬度、最大持水率及抗冲性。土壤容重、土壤硬度、土壤最大持水率、土壤抗冲性的测定均参考《土壤物理学(附实验指导)》[11]，土壤有机质含量的测定方法采用通用的重铬酸钾容量法[12]。

表1 试验段观测小区基本情况

物种多样性指标的表达采用多样性指数、丰富度指数及均匀度指数，其中多样性指数(H)采用Shannon-Weiner(S-W)指数，丰富度指数(Ma)采用 Margalef指数，均匀度指数(J)采用 Pielou指数[13-14]。

2.2 数据处理

采用SPSS13.0对数据进行Pearson相关分析。

3 结果与分析

3.1 不同植物群落的物种多样性

表2为不同试验段各植物群落的物种多样性指标。对于S-W指数，试验段A、B中紫穗槐 +狗牙根 +高羊茅群落表现较高，试验段 C、D中胡枝子+狗牙根+高羊茅群落表现较高;草本植物群落的S-W指数普遍低于灌草结合的群落;就 4个试验段而言，S-W指数由大到小顺序为A＞D＞C＞B。对于Margalef指数，试验段 A表现为A1＞A2＞A3＞A5＞A4＞A6＞A 7，试验段 B表现为B1＞B2=B5＞B3＞B6＞B4＞B7，试验段 C表现为C2＞C5＞C4＞C3＞C1＞C6＞C 7，试验段 D表现为D 2＞D 5＞D3＞D4＞D1＞D 6＞D 7。对于 Pielou指数，试验段 A表现为A 2＞A1＞A3＞A5＞A4＞A 6＞A 7;试验段 B表现为B1＞B 5＞B4＞B2＞B3=B6＞B7;试验段 C表现为C2=C5＞C3＞C4＞C1＞C6＞C7;试验段 D表现为D 2＞D1＞D4＞D 5＞D3＞D 6＞D 7。

3.2 物种多样性指数之间及其与土壤因子的关系

由表3可知，多样性指数、丰富度指数、均匀度指数之间存在较高的相关性，多样性指数和丰富度指数的相关系数为0.915(P＜0.01)，多样性指数和均匀度指数为0.892(P＜0.01)，丰富度指数和均匀度指数为0.803(P＜0.01)，均达到显著水平。

多样性指数与容重、孔隙度的相关性较强(P＜0.05)，相关系数分别为0.577、-0.566;丰富度指数与容重、孔隙度的相关性也较强(P＜0.05)，相关系数分别为0.683、-0.667;均匀度指数与容重、孔隙度的相关性较差;土壤有机质含量与多样性指数、丰富度指数相关性较小，与均匀度指数相关性较强(P＜0.01);多样性指数、丰富度指数、均匀度指数与硬度有一定的相关性(P＜0.05)，这和杨喜田等[15]提出的边坡侵入植物受土壤硬度以及其自身生物学特性影响的结论一致;物种多样性与土壤抗冲性、土壤最大持水率相关性均较差。

表3 物种多样性指标与土质因子的Pearson相关分析

4 结 论

4.1 不同植物群落的物种多样性

对于填砂路堤边坡和亚黏土路堑边坡，紫穗槐 +狗牙根 +高羊茅群落表现出较高的多样性指数和丰富度指数;对于风化岩路堑边坡和全风化岩+生土路堤边坡，多样性指数和丰富度指数较高的是胡枝子 +狗牙根 +高羊茅群落。这主要与两种植物群落长势较好有关，尤其是群落中紫穗槐、胡枝子的生长较为旺盛，为群落内其他植物及侵入植物的生长提供了较好的环境条件。观察分析表明，各试验段的植物群落均发生了不同程度的退化过程，物种多样性和均匀度有一定的关系，即物种多样性指数高的群落，均匀度指数也较高，植物群落较为稳定;反之，植物群落稳定性较差。植物生态学理论表明，多样性增高意味着稳定性趋于增强，本研究结果与上述理论一致。

草本植物属浅根性植物，对边坡恶劣环境的抗逆性弱，生物群落稳定性差。灌木根系发达，在草本群落中加入灌木，可以使灌草生态建植层的根系交织成稳定结构，能最大限度地防止水土流失，同时利于群落内目标植物和侵入植物的生长。因此，草本植物群落的物种多样性普遍低于灌草结合的群落。

就 4个试验段而言，物种多样性大小顺序表现为A＞D＞C＞B。填砂路堤边坡(针对河砂无塑性及透水性强的特点采用了黏土包边技术)和全风化岩+生土路堤边坡由于均存在一定的土壤条件，改善了边坡土壤的性质，为群落植物生长奠定了良好的基础;亚黏土路堑边坡土质较为黏重，土壤透气性较差，而风化岩路堑边坡(采用客土喷播技术)缺乏植物生长所需的土壤条件，均会限制植物根系的延伸。

4.2 物种多样性指数之间的关系

物种多样性是群落组织结构的重要特征，对物种多样性的衡量可以通过对群落内多样性指数、丰富度指数、均匀度指数的测量来评价。其中，多样性指数反映群落的组织水平和群落功能的特点，丰富度指数代表一个群落内物种数目的多少，均匀度指数反映各物种个体数目分配的均匀程度。三者之间相关性显著是因为多样性指数是把物种丰富度和均匀度结合起来的一个统计量。

4.3 物种多样性指数与土壤因子的关系

从土壤容重与孔隙度可粗略估计土壤结构的松紧状况。土壤容重以机械阻力形式影响植物的生长，土壤机械阻力对植物生长的影响主要表现在对根系生长的影响上。与其他土壤因子相比，物种多样性指数与土壤容重、孔隙度相关性较大。土壤有机质含量是评价土壤质地的重要参数，对于自然植物群落而言，物种多样性与土壤有机质应有较强的相关性，有机质含量的高低可反映物种多样性的水平。研究区属人工干扰下形成的裸露坡面，土壤有机质含量及营养成分含量大致相当且均偏低，对物种多样性的影响不大。土壤硬度可综合反映土壤孔隙度、土壤含水量、土壤有机质含量等。土壤硬度的大小制约着植物根系的纵向生长和横向生长，对物种多样性产生一定的影响。土壤的抗冲性是土壤抵抗径流分散与搬运的能力，土壤抗冲能力受植被的覆盖度和植物根系的根密度影响较大。物种多样性与土壤抗冲性相关性较差，原因可能是对不同试验小区播种后均覆盖细土和无纺布，浇水养护直至出苗，待首次产生侵蚀性降雨前各植物群落的覆盖度基本达到60%左右，植物根系生长良好。土壤质地与结构决定了土壤的最大持水率，土壤含水量的大小影响着水分的有效性，一般认为土壤水分保持在最大持水率至最大持水率的 70%之间最为有效。在土壤环境因子中，土壤最大持水率与物种多样性的相关性相对较小，可能是因为一方面高速公路边坡土壤具有贫瘠干旱的共同特点，另一方面所选植物群落中草本类型相同，影响物种多样性的植物主要体现在灌木类型上，而灌木丛的根系分布较深，土壤最大持水率对他们影响不大。

5 讨 论

不同边坡类型下植物群落的物种多样性均表现为灌草组合大于草种混播，这对于受损生态系统下公路边坡恢复植被意义重大，这一研究也支持了植被建设中草灌先行的观点[16]。就4个试验段而言，填砂路堤边坡具有较高的物种多样性，亚黏土路堑边坡具有较低的物种多样性，原因在于填砂路堤边坡土质较为疏松，土壤硬度较低，利于植物根系的生长，这表明物种多样性与土壤硬度有一定的相关性。

就土壤有机质含量与物种多样性的关系，普遍认为土壤有机质与物种多样性有显著相关性[17-19]，也有认为物种多样性与有机质相关性较弱[13]，但这些研究主要针对自然植物群落，没有涉及人为干扰下高速公路边坡物种多样性变化及其与土壤因子的关系。研究区边坡普遍采用河砂、风化岩作为植物生长的基质，土壤养分匮乏，因此土壤有机质对物种多样性差异影响不大，而不同边坡的容重、孔隙度、硬度等存在一定差异，从而导致物种多样性差异明显[20]。

物种多样性与土壤含水量的相关分析表明，土壤最大持水率对多样性指标影响较小，这个结论会因不同的植被类型、气候类型、土壤类型而不同，仅属于我们研究的范围，是否适用于其他立地条件有待于研究。

本研究针对高速公路边坡植被恢复初期物种多样性与部分土壤因子的相互关系进行初步探讨，仅仅是对一定尺度上的数据资料进行季节性观测分析，对于受损生态系统下植物群落物种多样性与土壤因子在更大尺度上的相互影响机制以及植物群落演替过程中物种多样性与土壤环境因子的相互关系，还需要通过大量试验进一步证明。

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