东天山隧道口附近植物多样性及土壤质量的相关性分析

官黎明，栾治军，张 帅，张 欢，宋增龙，李玉英

(1.中交一公局桥隧工程有限公司，新疆 哈密 839000；2.南阳师范学院 水资源与环境工程学院，河南省南水北调中线水源区流域生态安全国际联合实验室，河南 南阳473061)

我国是一个多山的国家，山区面积约占国土总面积的三分之二，隧道由此成为我国利用地下空间的一种常见形式。隧道作为公路建设的重要组成部分，可以充分利用岩土的固有性质，能够缩短公路里程、降低公路后期运营成本、提高物流等企业的经济效益[1]。但在隧道施工过程中，工程作业会不可避免地改变原有的生态环境，甚至造成环境污染，这些影响往往是难以恢复或不可恢复的。隧道在开挖过程中势必会造成周围土层结构的改变，使岩土结构变得松散，并导致地表水、地下水重新分布[2]。同时，为了改善寒、旱地区恶劣的作业条件，施工方建设的防护棚、暖风管道、自动化生产车间等会进一步恶化地表水和地下水。隧道开挖的爆破废弃物、施工油污等还会造成水体不同程度的污染，这些不利影响是长期的，其恶劣后果往往比较滞后。平学惠等[3]发现隧道施工结束16个月后，周边开始出现动植物死亡的现象，原因是土壤的pH值较低、重金属超标。由此可见，隧道施工区域进行生态修复和生物多样性评估非常重要。

新疆的自然生态环境非常脆弱，一旦受到破坏，恢复非常困难。生物多样性为生态系统提供了诸多功能和服务，对改善脆弱的寒、旱地区生态系统有着重要的作用。草本植被的物种丰富多样，极大地影响着群落的能量流动，故加强对高寒公路隧道生态修复区草本植物群落的研究很有必要[4-5]。G575线东天山隧道区域在施工过程中应用多项专利技术，有效减少了对周边环境的破坏，并且加强了生态修复区的建设。在此基础上，本研究以自然植物群落、人工植物群落演替规律为指导，结合土壤质量评估，调查隧道口附近的植物生长状况，旨在为后期高速公路生态综合治理提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 样地设置与信息收集

东天山隧道区域气候敏感，生态环境脆弱，地形复杂，西低东高，北低南高，降水量少，气候干燥，昼夜温差大，属于温带大陆性干旱半干旱气候。样地位于东天山隧道口，坐标为93°37′21.1″E、43°21′51.5″N，海拔为2 306 m，年平均气温在-0.4 ℃左右，年降水量为206.96 mm[6]。

样地设置方法：确定样地中心点，记录其地理坐标，以此为参照点，用卷尺在洞口左、右边坡处各确定3个样点，两洞顶分别确定1个样点，路基边坡确定4个样点。

调查样方设置：在样地中心点两边坡分别设置3个1 m×1 m的样方，并标记为Q1、Q2、Q3、Q4、Q5和Q6，两洞顶分别设置1个1 m×1 m的样方，并标记为Q7和Q8，路基边坡设置4个1 m×1 m的样方，分别标记为Q9、Q10、Q11和Q12(见图1)。2019年7月至9月，在东天山隧道北段隧道洞口左边坡、右边坡、隧道洞顶、路基边坡的12个样地内开展物种调查，主要记录植物分布地点、种名、株数、高度、平均株高、生长环境等。

图1 东天山隧道口植物群落样地设置Fig.1 Sample plot setting of plant community at tunnel entrance

1.2 土壤采样方法

按照蛇形采样法对每个样地表层土壤进行采集，土层深度为0～10 cm，所取样土带回实验室经过严格的制备处理后进行化学性质的测定。总磷(TP)质量分数采用钼酸铵分光光度法测定，总氮(TN)质量分数采用凯氏法测定，速效磷质量分数采用联合浸提-比色法测定，速效钾质量分数采用联合浸提-比色法测定，土壤有机质质量分数采用滴定法测定[7]。

1.3 数据分析方法

采用Shannon-Wiener多样性指数(H)、Simpson优势度指数(D)及均匀度指数(J)作为描述野生植物资源的综合指标，所有数据均采用Excel 2010和Canoco 5.0软件进行统计分析。用Shannon-Wiener多样性指数(H)、均匀度指数(J)和Simpson优势度指数(D)度量隧道口附近植物物种的多样性，分别为

H=-∑PilnPi，

(1)

(2)

(3)

式(1)、(2)、(3)中：Pi为第i种植物的相对重要值；S为样方内的物种总数；N为所取样方中所有种类相对重要值的总和。

相对重要值计算公式为

(4)

2 结果与分析

2.1 样地间植物群落特征及物种优势度比较

2019年7月至9月在东天山隧道北段隧道洞口左边坡、右边坡、隧道洞顶、路基边坡调查的12个样方中，共记录了62种植物，隶属于25科57属。路基边坡样地物种最多，达到35种，其次是左边坡样地、右边坡样地和洞顶样地，分别为29种、21种和17种。左边坡样地的植被高度值最大，达到38.64 cm，其次是右边坡样地、路基边坡样地、洞顶样地，分别为37.70 cm、33.94 cm和27.00 cm。草本密度的变化规律与植被高度相同，左边坡样地的草本密度最大，达到138.08 株/m2，其次是右边坡样地、路基边坡样地、洞顶，分别为92.08 株/m2、38.13株/m2和24.38株/m2。各样地之间的草本密度差距明显，最大值是最小值的5.66倍。相对重要值指标的变化规律也与植被高度相同，但各样地之间相差不多，左边坡样地相对重要值最大，达到0.91，其次是右边坡样地、路基边坡样地、洞顶样地，分别为0.89、0.72和0.71。其他指标没有明显的规律性，洞顶的Shannon-Wiener多样性指数最高，达到2.58，其次是右边坡、路基边坡、左边坡，分别为2.08、1.93和1.11，最大值是最小值的2.32倍。同样，洞顶的均匀度指数最大，达到0.91，其次是右边坡、路基边坡、左边坡，分别为0.68、0.54和0.33，最大值是最小值的2.76倍。左边坡Simpson优势度指数最大，达到0.08，其次是路基边坡、右边坡和洞顶，分别为0.04、0.02和0.01，最大值是最小值的8倍(表1)。

表1 4个样地的植物群落特征Tab.1 Characteristics of plant communities of four places

在被调查的样地中，左边坡样地沿阶草和艾的优势度分别为0.84和0.02，是该样地的优势物种和亚优势物种，主要由沿阶草构成单优群落；右边坡样地沿阶草和黑麦草的优势度分别为0.53和0.15，为该样地的优势物种和亚优势物种，主要由沿阶草构成单优群落；洞顶土地比较贫瘠，施工较为频繁，再加上常有放牧者和施工人员经过，所以该样地物种的生长形势较差，菥蓂、唐松草和毛建草等5种植物的优势度均为0.1～0.2；路基边坡样地沿阶草和地肤的优势度分别为0.76和0.04，是该样地的优势物种和亚优势物种，主要由沿阶草构成单优群落(表2)。

表2 4个样地的植物优势度排序Tab.2 Order of dominant degree of four places

2.2 样地土壤理化指标比较

在被调查的样地中，速效磷质量分数、盐度和电导率3个指标的检测结果规律一致，都是路基边坡最高，左边坡、洞顶和右边坡依次降低。各样地速效磷质量分数检测结果相差无几，从大到小依次为23.79 mg/kg、23.15 mg/kg、22.08 mg/kg和20.43 mg/kg。各样地盐度检测结果差别较大，路基边坡达到82.70 mg/L，而右边坡仅为14.30 mg/L，路基边坡是右边坡的5.78倍。各样地电导率检测结果同样差别明显，路基边坡为140.30 μS/cm，而右边坡仅为26.40 μS/cm，路基边坡是右边坡的5.31倍。TN质量分数和有机碳质量分数的检测结果规律一致，都是洞顶最高，左边坡、右边坡、路基边坡依次降低。其中：洞顶样地的TN质量分数检测结果为3.87 mg/kg，比路基边坡增加了54.81%；洞顶样地的有机碳检测结果为8.68%，比路基边坡增加了69.53%。洞顶TP质量分数检测结果最高，达到1.62 mg/kg，左边坡、路基边坡、右边坡依次降低，最低的右边坡仅为1.13 mg/kg。速效钾质量分数检测结果为右边坡样地最高，达到257.16 mg/kg，路基边坡、左边坡、洞顶依次降低，分别为234.67 mg/kg、197.58 mg/kg和150.97 mg/kg，右边坡样地的速效钾质量分数比洞顶样地多了70.34%(表3)。

表3 4个样地的土壤理化特征Tab.3 Detection of soil physical and chemical indexes of four places

2.3 植物群落多样性与土壤因子关系

分别用H、D、J、SP、IV、VH和HD代表各样地植物多样性指数、优势度指数、均匀度指数、物种数、重要值、植被高度和草本密度，分别用P、C、K、TN、TP、SA和CO代表各样地土壤的速效磷质量分数、有机碳质量分数、速效钾质量分数、TN质量分数、TP质量分数、盐度和电导率这几个检测指标， 分别用Z、Y、D和L代表左边坡、右边坡、洞顶、路基边坡，以便横向比较植物群落特征和土壤理化指标的关系及两者的相关性，具体见图2和图3。

图2 植物群落特征与土壤理化指标的RDA分析Fig.2 RDA analysis results of plant community characteristics and soil physical and chemical indexes

图3 植物群落特征与样地的RDA分析Fig.3 RDA analysis results of plant community characteristics and sample plots

从图2可知，H、J、VH和HD均分布在第二、三象限，P、C、TN、TP、SA和CO分布在第一、二象限，说明这些指标之间有较强的内在相关性。综合分析，P、TN、CO和SA分布在第一象限，H、J、C和TP分布在第二象限，K、HD和VH分布在第三象限，D和SP分布在第四象限，H和J受土壤因素影响较大，土壤各检测指标对H的影响从大到小依次是TP、C、P、TN、CO、SA和K，土壤检测指标对J的影响从大到小依次是C、TP、P、TN、K、CO和SA，而D和SP受CO、SA和K影响明显，HD和VH受K和C的影响较大。从图3可知，D与J和H相关性比较强，L与D和SP相关性比较强，Y和Z没有明显的相关性。

3 讨论

3.1 植物多样性

本研究中隧道口附近植物类型较多，各种植物生长情况均为良好，说明水土污染不严重，不会影响植物的正常生存。禾本科和百合科总种数、总属数均最高，原因可能是这些科所属植物具有种子产量高、繁殖能力强和生长速率快等诸多优势，如种子不需要特化传粉即可进行大范围传播，以及种群良好的集群能力，这些特性有利于扩大种群分布面积和占据适宜的生存环境，从而快速蔓延，成为边坡最多的类群之一。植物的生长速率是体现植物竞争能力的关键性状，因为生存与繁殖都依赖于生长，生长速率与光合速率相关，充分利用禾本科、百合科植物的特性并加以控制，可以加快地被植物的恢复。

在隧道的施工过程中，难免有废油污染土壤，大部分废油落地以后都被密实的土层过滤在50 cm以上的土壤中。油污逐渐积累会破坏土壤结构，影响土壤通透性，抑制植物的生长和发育，甚至导致植物死亡。另外，油污被植物根系吸收后还会残留在植物体内，从而通过食物链影响人体健康[8]。在边坡优势作物中，黑麦草对石油烃的降解率超过40%，对废油污染的土壤具有显著的修复作用，其中土壤油污中80%以上的铅、锌都能够被黑麦草富集起来，从而减少对环境的污染[9]。沿阶草可吸收土壤中的菲和芘，其不同部位对菲、芘的吸收与累积能力不同,根部的吸收能力明显强于茎叶部[10]。这些具有环保功能的植物在边坡茁壮生长，既绿化了边坡，又保持了水土，对于污染物的清除和环境保护具有良好的作用。

3.2 土壤质量

相对较低的土壤盐度可促进植物生长发育，而较高的土壤盐度将造成盐胁迫现象，对植物的生长发育有抑制作用，从而导致非盐生植物叶片光合作用速率不断下降，最终导致非盐生植物叶片数减少、叶片生长速率下降、死亡率增加[11-12]。从检测结果来看，各部位土壤的盐度均符合要求，属于非盐渍化土，适宜各种植物生长繁殖[13]。

土壤水分是盐分的溶剂和运输介质，土壤含水率是影响土壤盐度的重要因素之一。在水盐平衡情况、自然与人为等因素的影响下，区域土壤水分和盐分的变异具有一定相关性，土壤电导率随土壤水分的增加而线性降低。土壤盐度、电导率受土壤性质和土壤水分等因素的影响显著。盐分主要来源于流经土壤的水中所携带盐分，水中盐度或污染程度越高，土壤中盐分就越高[14]。从检测结果看出，边坡和洞顶的盐度均为14～31 mg/L，电导率为26～57 μS/cm，路基边坡由于受过往车辆影响较大，盐度和电导率分别达到了82.70 mg/L和140.30 μS/cm，但还处于比较低的水平，说明东天山隧道区域土壤状况良好。

4 结语

本研究中多样性指数、优势度指数、均匀度指数、物种数与土壤的速效磷质量分数、有机碳质量分数、TN质量分数、TP质量分数、盐度和电导率相关性较强，植被高度与速效钾的相关性更强，显示土壤营养比较全面且土质良好，是边坡植物种类繁多的保证。

左边坡、右边坡和洞顶与植物多样性指数、均匀度指数、植被高度、草本密度和相对重要值均有较强的内在相关性，而路基边坡则与优势度指数、物种数相关性较强。左边坡、右边坡、洞顶与土壤各项理化指标的相关性均比较强，而路基边坡仅与盐度、电导率有一定的相关性。左边坡、右边坡、洞顶与各样地植物群落特征、物种优势度指标及各项土壤理化指标的相关性都比较强，这些区域土质优良，植物生长良好，前后结果相吻合。

综上可知，东天山隧道区域由于在施工过程中采取了有效的防护措施，实施了众多专利技术，从而保护了高速公路隧道和边坡的生态环境，土壤质量和植物多样性情况均比较理想。