伊犁地区公路边坡植被恢复措施与土壤因子的耦合关系

刘 涛，程金花，李宏钧，朱方方

(1.北京林业大学 水土保持学院，北京 100083；2.交通运输部科学研究院，北京 100029；3.交科院科技集团有限公司，北京 100013)

0 引言

伊犁地处我国西北边陲，由于土地利用极不合理，沙漠化发展迅速[1]，植被恢复困难，水土流失在高陡边坡和低植被覆盖度区域频发[2]，同时大规模的公路建设极易对当地生态环境产生负面影响，引发严重的水土流失问题，如何利用有限的表层土壤资源实现更好的植被恢复效果引起国内外学者的广泛关注[3-4]。现有的研究发现植被恢复是改善生态环境、控制土壤侵蚀的最佳途径[5]，但公路边坡植被恢复不仅受土壤养分、土壤质地、土壤抗冲抗蚀性等土壤因素的限制，还受光照、温度、水分等多环境因子的复合影响。目前学者多采用定性描述或单因素的统计学方法探究环境因子和土壤因子对植被恢复的影响[6-8]，通过定量分析多影响因子对植被恢复效果的影响还鲜有报道[9]。

耦合分析为量化各因子之间的相互关系及过程，揭示不同植被恢复措施下多土壤因子和环境因子对植被恢复的影响提供了良好方法[10]。本研究依托S242线巩留至尼勒克公路展开研究，通过设置不同植物组合、不同表土回填厚度的试验小区，探究土壤因子和植被因子对不同植物恢复措施的耦合影响，构建植被因子与土壤各因子之间的相互关系，以期为伊犁地区公路边坡植被恢复措施的筛选提供参考。

1 试验工程与研究方法

1.1 试验工程概况

试验工程位于新疆维吾尔自治区伊犁哈萨克自治州境内，依托S242线巩留至尼勒克公路K30-K31段，地理坐标为82°15′25″～ 82°25′33″E，43°35′0.5″～ 43°49′47″N，属天山北麓阿布热勒山区[11]，具体位置见图1。研究区属温带大陆性半干旱气候，年平均降雨量316.55 mm，年平均气温为10.5 ℃，极端最高气温42.8 ℃(7月)，极端最低气温-51 ℃(1月)；年平均风速1.14 m·s-1，年日照2 748.1 h，无霜期149 d。土壤以灰钙土、潮土为主，植被覆盖度30%～60%[12]。

1.2 试验方案

通过调查伊犁地区乡土植物种及可成熟引用的植物种，结合公路建设中的水土流失防治需要和植物景观融合需求[13]，筛选出细茎冰草、高羊茅、披碱草、紫花苜蓿、红豆草、柠条、紫穗槐7种植物，组合搭配后用于公路边坡植被恢复试验。

根据公路植被恢复和回填表层土壤的厚度，在坡比为1∶1的路基边坡上设置5 m×5 m的试验小区，公路边坡植被恢复一般用混交模式种植，本研究设置A，B，C，D 4种植物组合模式(表1)，以上4种植物组合模式的表层回填土厚度均为10 cm。此外，本研究采用C植物组合另外设置了回填5，10，15，20 cm 4种覆土厚度(表土回填)小区，分别用FT 5，FT 10，FT 15和FT 20表示，设置裸坡小区(CK)作为对照，每个试验小区设计3个重复，共计27个试验小区。

表1 不同处理间植被和土壤分布情况Tab.1 Distribution of vegetation and soil in different treatments

1.3 土样采集及测定

试验实施一年后，在每个试验小区上随机选择3处采样点采集土壤样品，带回实验室后采用烘干称重法测定土壤重度[14]，激光粒度仪测定土壤机械组成[15]，用环刀浸透法测定土壤孔隙度[16]，用浓硫酸重铬酸钾外加热法测定土壤有机碳[17]，浸水试验[18]测定土壤抗蚀性，用原状土水槽冲刷法[19]测定土壤抗冲性，用重铬酸钾容量法测定土壤有机质含量[20]。

1.4 植物指标测定

试验小区植物自然生长一年后，在每个试验小区的上部和下部分别设置一个2 m×2 m的植物样方，定期进行植物样方调查，记录样方内植物的种类、数量、高度、盖度。选取Shannon-Wiener 指数、Margalef指数、Pielou指数和Simpson指数作为公路边坡植被多样性测定指标，其具体计算步骤详见相关文献[21]。

1.5 数据处理及分析

本研究采用Origin9.0进行数据处理和分析，采用灰色关联度法分析植物恢复措施和土壤因子的协同效应[22]，其具体计算步骤详见相关文献[23]。

本研究选用植物群落多样性指标和土壤因子指标，用Canoco for Windows 4.5进行冗余分析(RDA)[24]，探索土壤因子与植物群落多样性的相互关系。

构建植物-土壤耦合协调度模型[25]，综合评判公路边坡植物与土壤的耦合协调程度，其耦合协调度的计算步骤详见相关文献[9]，耦合协调度标准如表2所示。

表2 公路边坡植物-土壤耦合协调度评判标准Tab.2 Evaluation criterion of plant-soil coupling coordination degree of highway slope

2 结果与分析

2.1 植物组成

统计样方调查的植物种类，计算每种植物在样方内所占的比例，所得结果见图1。

样方调查结果表明，不同处理间的物种组成和盖度均存在较大差异(图1)。除CK小区外，不同覆土厚度和不同植物组合处理下的植物物种数量均为5～7种，其中不同植物组合A，B，C，D的植物多样性较为稳定，植物种类均为6种。不同处理的植被盖度未见显著差异，其植被盖度介于80%～86%。不同处理的植物组成存在较大差异，其中紫花苜蓿在植物群落中的占比最大，介于30%～70%，显著高于其他植物种所占比例，在C和D处理小区表现尤为明显，分别占到了57%和66%。红豆草仅在B处理小区中生长较为旺盛；披碱草几乎未在试验小区中发现。

图1 不同植被恢复措施下植被群落组成Fig.1 Vegetation community composition under different vegetation restoration measures

在研究期内，已有3种(刺藜、雾冰藜、狗尾草)乡土植物在公路边坡自然更新，其中雾冰藜和刺藜在样方内生长势较好，个体数目多、物种占比大，刺藜在所有试验小区中都有生长，在植物群落中的占比介于5%～20%；雾冰藜在除了FT10 cm小区外的其他小区中均有生长，群落占比介于8%～40%；狗尾草仅出现在FT10和FT20的小区里。除了FT5试验小区，其他所有措施小区的植被盖度均高于对照小区。随着覆土厚度的增加，样方内植被盖度增大，尤其是在覆土厚度由10 cm增加到15 cm时，试验小区的植被盖度出现了较大幅度的增加，增幅达15%；FT20小区植被盖度最高，达到88%。

2.2 植物群落多样性与土壤因子关系分析

图2为冗余分析结果，由图2可知，RDA 排序图第一轴单独解释群落多样性信息总变异的解释率为85.6%，第二轴的单独解释率为10.7%。

图2 冗余分析结果Fig.2 Redundancy analysis result

从图2中可以看到，土壤容重、砂粒含量、土壤抗蚀性等因子对植被恢复措施沿第一轴分布起主要作用，土壤孔隙度、土壤非毛管孔隙度、土壤有机质等因子对植被恢复措施沿第二轴分布起主要作用。土壤粉粒含量、土壤黏粒含量、土壤抗冲性因子箭头以土壤抗冲性因子为中心聚集在一起，土壤孔隙度、土壤有机质、土壤有机碳3个因子以土壤有机质因子为中心聚集在一起，表明分别聚集的这3个变量有较强的相关性，其中土壤孔隙度与土壤有机质含量的强关联性与张鼎华等[26]的研究结果相似，即土壤孔隙度随着土壤有机质含量的增加而增加。土壤抗蚀性指标对反映植物群落多样性的Simpson指数和Shannon-wiener指数的影响较为显著，说明土壤抗蚀性是影响研究区域公路边坡植被恢复效果的主要因素，这与李宏钧等[2]研究发现土壤抗蚀指数对护坡植被质量影响较大的结论相似，其中覆土15 cm小区和覆土20 cm小区的土壤抗蚀性因子较为相似，说明覆土厚度增加到15 cm后继续增加回填厚度，对土壤的抗蚀性影响有限。

2.3 植物群落多样性与土壤因子耦合关联分析

对土壤的理化性质指标进行灰色关联度分析，并与植物群落多样性指标进行耦合，所得结果见表3。由表3可知，土壤各因子与植物群落多样性指标之间的关联度系数介于0.25～0.50，均值为0.36，其中土壤抗蚀性、土壤抗冲性、土壤孔隙度对伊犁地区公路边坡植物群落多样性的影响较为明显，其平均关联度系数均大于0.36，并依次增强，属于较强关联；土壤黏粒含量、土壤有机质含量、土壤有机碳含量的平均关联度系数接近或等于0.36，属于中等关联水平。综合来看，伊犁地区公路边坡土壤与植物群落多样性有较强的耦合作用，以中等关联和较强关联为主。

土壤因子中土壤孔隙度和土壤抗冲性的平均关联度系数最大，为0.43，高出最小值非毛管孔隙度因子的平均关联度系数(0.29)48.27%，表明土壤孔隙度和土壤抗冲性因子对植被恢复质量影响最大，而非毛管空隙度因子可能是造成植被恢复差异的主要原因。

表3 植物群落多样性指标与土壤因子耦合矩阵Tab.3 Coupling matrix of plant community diversity indicators and soil factors

植物群落多样性指标对土壤指标的反馈较为明显，其中Margalef指数的平均关联度系数最高，为0.42，显著大于均值0.36；Shannon-wiener指数平均关联度系数其次，Pielou指数平均关联度系数最低，为0.30，表明土壤因子对植物群落的丰富度影响最大，对植物群落的均匀度影响最小，这与薛鸥等[10]对公路边坡植物群落多样性与土壤因子耦合关系所得研究结论相似。

2.4 植物群落多样性与土壤因子耦合度分析

按系统耦合度公式计算，并按表2所列的系统耦合协调度标准进行评判，所得结果见表4。由表4可知，不同措施实施一年后，植物群落多样性与土壤的耦合协调度介于0.191～0.255，属于低级协调向初级协调发展的阶段，采用FT20、FT15、D植物组合、B植物组合、C植物组合措施的小区已进入初级协调，其中FT15、FT20和D植物组合小区植被-土壤耦合协调度相对更好，B和C植物组合小区的耦合模式刚进入初级协调。从覆土厚度措施来看，当覆土厚度由10 cm增加到15 cm后，植被与土壤的耦合协调度逐渐增大，当覆土厚度超过15 cm后，植被-土壤耦合协调度的增幅逐渐变缓，表明覆土15 cm是实现植被与土壤快速协调发展的一个较为理想的覆土厚度。

表4 植被-土壤耦合协调度评判结果Tab.4 Evaluation result of vegetation-soil coupling coordination degree

3 讨论

公路边坡土层瘠薄，水热条件差，土壤侵蚀严重，抑制了植物的生长。人工恢复植被可为边坡植被的自然恢复提供基础，缩短植被演替时间，改良边坡土壤[27]，为恢复原地貌生态环境创造有利条件。本研究结果表明覆土厚度较厚的小区植被与土壤耦合协调更快，这与李树彬等[28]研究发现覆土厚度较深的小区土壤肥力更高、植物产量更好的结论相似。王志强等[29]对内蒙古地区的天然草地进行研究，发现土壤厚度小于20 cm时，植被生长情况随土壤厚度的增加增幅明显，超过20 cm后继续增加土壤厚度，植被生长情况变化幅度变缓；本研究中土层厚度超过10 cm时，植被的建植质量有了较明显的提高，植被与土壤的耦合加快，土层厚度超过15 cm后，植被生长情况随土壤变化程度放缓，这可能是由于区域环境和公路边坡独特的生长环境差异导致二者的结论存在差异。孙永秀等[3]对库尔木图矿区草原进行研究，发现矿区草地植物盖度、高度和生物量随覆土厚度的增加呈递增趋势，这与本研究所得结论基本一致，但是限于表土资源和试验小区的面积等其他因素的限制，未能设计更多的土壤厚度梯度，后续可细化覆土厚度梯度，寻找植被-土壤耦合变化的临界点和最佳耦合的覆土厚度。

结合表4和RDA排序图从植物组合角度来看，D植物组合的耦合协调度最大，与A，B，C植物组合的差异较为明显；B，C植物组合为初级协调，彼此之间的差异较小；A植物组合坐标紧邻粉粒、黏粒含量指标，可能是因为其整体不适宜该区域的生长条件，导致其对应的植被-土壤耦合协调度低于对照组。现阶段试验小区处于低级协调向初级协调发展转变的阶段，随着植被与土壤的循环发展，植被生长的竞争将更加激烈，尤其是点播灌木的C和D植物组合小区。赵晶等[30]对陕南高速公路边坡人工植被恢复初期的群落进行调查，发现群落构成以1年或多年生草本植物为主，灌木少见，初期入侵的植被以2年或2年的先锋草本植物为主，以狗尾草、白酒草和1年蓬较为高频，与本研究现状极为相似。李鹏飞等[31]对豫南丘陵区植被多样性进行调查，发现不同生长时期内植物群落的物种数、多样性指数、均匀度指数均随着恢复年限的增长呈明显的增加趋势；本研究现阶段发现坡面基本以草本植物为主，灌木生长缓慢，随着建植时间的延长，植物与土壤的良性循环，其耦合协调度会逐渐增强，但其植被群落稳定性和植被群落演替方向均有待时间检验，需后续跟踪观测。徐明等[32]对安塞县采用不同植被恢复模式恢复了20 a的沟谷地进行研究，发现不同植被因子或土壤因子与对其产生重要影响(主要解释变量)的环境因子间存在差异，反映出沟谷地生态系统中不同因子间的相互作用是存在一定差异的，这与本研究的现象极为相似。

4 结论

本研究通过实地试验，应用冗余分析法耦合分析了不同植被恢复措施实施一年后的植被-土壤的关系，主要结论如下：

(1)边坡覆土厚度是可能影响伊犁地区公路边坡植被恢复的关键因素。

(2)土壤因子共同解释了8种不同措施植物群落多样性变异信息的96.3%，土壤抗蚀性是影响植物群落多样性的主要因子之一。

(3)土壤因子与植物群落多样性指标的关联度系数为0.25～0.50，以中等关联和较强关联为主，对物种丰富度指数的影响最大；土壤孔隙度和土壤抗冲性与植物群落多样性的平均关联度系数最大，表明土壤孔隙度和土壤抗冲性对植被恢复质量影响最大。

(4)相同覆土厚度下，草灌混播的D植物组合措施的植被与土壤的耦合程度显著优于其他处理；相同植物组合措施下，覆土厚度为15，20 cm的两个小区进入初级协调，覆土厚度为5，10 cm的均为低级协调，增加公路边坡土壤厚度可在一定程度上加速植被与土壤的耦合。为确保该区域公路边坡植被恢复效果，建议边坡表土回填厚度应大于15 cm。