人工植物群落多樣性與土壤耦合度
——以信陽—南陽高速公路為例

曹 娓,王藝琳,胡永歌,徐恩凱,楊 航,田國行?

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院,450000,鄭州;2.河南科技學(xué)院,453003,河南新鄉(xiāng))

高速公路建設(shè)產(chǎn)生大量邊坡界面,嚴(yán)重?cái)_動(dòng)了原始地形地貌。研究表明植物在減緩和預(yù)防土壤退化中扮演了重要的角色,同時(shí)通過對(duì)土壤特性的改變能夠影響到微氣候的變化[1]。植物群落與土壤一直以來均是邊坡恢復(fù)研究的重點(diǎn)。一些學(xué)者對(duì)高速公路邊坡植物群落對(duì)土壤改良效果進(jìn)行研究,結(jié)果顯示,在恢復(fù)初期,土壤營養(yǎng)成分呈波動(dòng)變化[23],但隨著時(shí)間的推移,土壤養(yǎng)分會(huì)逐漸增加[45],且表層土(0～10 cm)的養(yǎng)分含量較高[4,6]。許多學(xué)者對(duì)植物群落物種多樣性指數(shù)與土壤理化性質(zhì)進(jìn)行相關(guān)性分析,以期找到它們之間的關(guān)系,為人工干預(yù)提供理論指導(dǎo)[78]。對(duì)于恢復(fù)多年的人工植被,為了更好地探討其與土壤之間的關(guān)系,僅做相關(guān)性分析不能滿足現(xiàn)階段對(duì)恢復(fù)多年的邊坡植物群落與土壤關(guān)系的研究需要。本文通過對(duì)信陽—南陽高速公路8種具有代表性的群落的調(diào)研,分析群落組成、多樣性等特征,并引入耦合度模型,通過計(jì)算土壤與群落的耦合關(guān)系從而判斷二者的恢復(fù)狀態(tài),并得到制約群落多樣性的主要土壤因子,以期為今后該路段的人工干預(yù)提供理論基礎(chǔ),同時(shí)對(duì)耦合效果優(yōu)的群落進(jìn)行分析,進(jìn)一步指導(dǎo)邊坡植物配置。

1 研究區(qū)概況

信南高速屬于滬陜高速的一部分,全長約183 km,自西向東橫跨南陽、駐馬店、信陽3市,在國家及河南省干線公路中具有重要地位。路線區(qū)屬于北亞熱帶大陸性季風(fēng)性氣候,四季分明。年均氣溫14.4～15.7℃,年均降雨量703.6～1 173.4 mm,主要集中于6—9月,約占全年總降雨量的60% ～68%。該條高速公路于2005年以客土噴播的方式建植邊坡人工植物群落,噴播厚度約20 cm,由于噴播客土一樣,視初期土壤條件一致。調(diào)研路段長約120 km,坡度在30°～33°之間,其中路塹邊坡的防護(hù)形式為拱形架+鍍鋅網(wǎng),路基邊坡只有拱形架防護(hù)。群落調(diào)研主要集中在南陽翟莊、泌陽陳莊以及南陽黃崗,根據(jù)河南省交通廳提供的資料,調(diào)研路段在集中長有紫穗槐(Amorpha fruticosa Linn.)的路段會(huì)定期進(jìn)行人工刈割,期間并未對(duì)群落中其他植物以及土壤進(jìn)行人工干預(yù)。

2 調(diào)查與分析方法

2.1 植物群落調(diào)研

植物群落調(diào)研和土壤采樣均在2014年7月內(nèi)完成。首先對(duì)調(diào)研路段植物群落進(jìn)行記錄,然后選取8種具有代表性的群落進(jìn)行調(diào)研,其中陰坡4種(群落編號(hào)1～4),陽坡4種(群落編號(hào)5～8),以群落優(yōu)勢(shì)種為依托進(jìn)行群落命名。由于調(diào)研路段使用拱形架,給樣方設(shè)置帶來局限性,本文以拱形架(2 m×5 m)為單位設(shè)置樣地,進(jìn)行灌木調(diào)研,并在每個(gè)樣地中采用梅花五點(diǎn)法,設(shè)置5個(gè)1 m×1 m的樣方,進(jìn)行草本調(diào)研。長有喬木的群落非常少,且喬木以幼苗形式存在,高度不足60 cm,因此喬木樣方以拱形架為單位設(shè)置樣地。每種植物群落重復(fù)調(diào)研3次,共計(jì)24個(gè)樣地,120個(gè)樣方。記錄樣方內(nèi)植物的名稱、蓋度、頻度/密度、高度等。樣地具體情況如表1所示。

表1 信南高速公路樣地基本信息Tab.1 Information of of sample plots in Xinyang-Nanyang highway

2.2 土壤取樣與測(cè)定

土壤物理性質(zhì)的測(cè)定指標(biāo)包括土壤密度、最大持水率、含水量,主要采用環(huán)刀法,分兩層即0～10與10～20 cm,每層環(huán)刀重復(fù)4次,具體實(shí)驗(yàn)操作以《土壤實(shí)驗(yàn)實(shí)習(xí)教程》[9]為指導(dǎo)。土壤化學(xué)性質(zhì)測(cè)定的指標(biāo)包括全氮、全磷、全鉀、有效氮、有效鉀、有效磷、有機(jī)質(zhì)和pH值,野外取樣時(shí)使用取土器分別在群落所對(duì)應(yīng)的土壤中隨機(jī)設(shè)定5個(gè)點(diǎn),分0～10 cm,10～20 cm兩層取土并混合[10],每種群落對(duì)應(yīng)的土壤均重復(fù)3次。將土樣帶回實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干,并用1 mm網(wǎng)篩去除根系和粗砂粒,研磨后進(jìn)行土壤化學(xué)性質(zhì)測(cè)定。全氮采用半微量凱氏擴(kuò)散法,水解氮采用堿解 擴(kuò)散法,全磷和有效磷采用紫外分光光度計(jì)法,全鉀和有效鉀采用火焰光度計(jì)法,全磷和有效磷采用紫外分光光度計(jì),有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀 硫酸溶液法,pH值采用水土比2.5∶1的浸提液測(cè)定[910]。

2.3 數(shù)據(jù)分析

2.3.1 群落多樣性及其測(cè)度 群落多樣性是植物群落的重要特征,不僅體現(xiàn)了群落自身特征也反映了其與環(huán)境之間的相互關(guān)系[11]。本研究主要討論α多樣性,具體指標(biāo)包括物種豐富度(S=樣方內(nèi)的物種數(shù))、Shannon-Wiener 指 數(shù)和Pielou指數(shù)(E=H/ln S),式中P為種ii的個(gè)體數(shù),N為樣地內(nèi)全部物種個(gè)數(shù),S為物種數(shù)。

2.3.2 耦合分析 使用灰色關(guān)聯(lián)度對(duì)群落與土壤進(jìn)行耦合性分析,參與運(yùn)算的指標(biāo)共計(jì)14個(gè),其中土壤指標(biāo)11個(gè),植物群落多樣性指標(biāo)3個(gè)。本研究在探討植物群落與土壤的耦合關(guān)系和協(xié)調(diào)度時(shí),采用灰色關(guān)聯(lián)度模型[12]。首先用區(qū)間標(biāo)準(zhǔn)化法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行量綱一處理,然后按照下式計(jì)算關(guān)聯(lián)系數(shù)：

式中：?i(j)(k)為第k個(gè)群落的土壤指標(biāo)i和植物群落多樣性指標(biāo)j的關(guān)聯(lián)系數(shù);(k)、(k)分別為土壤指標(biāo)i和植物群落多樣性指標(biāo)j的標(biāo)準(zhǔn)化值;ρ為分辨系數(shù),在[0,1]內(nèi)取值,一般取0.5。將關(guān)聯(lián)系數(shù)按樣本數(shù)求平均值,可以得到一個(gè)關(guān)聯(lián)度矩陣γ,在關(guān)聯(lián)度矩陣 γ的基礎(chǔ)上,求行或是列的平均值[13]。為了更好地構(gòu)建植物群落多樣性與土壤理化性質(zhì)的耦合度模型,耦合度(C)的計(jì)算公式為：

本研究系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)引自世界經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織(2003),如表2所示。

表2 系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 Standard of ecosystem coupling coordination

3 研究結(jié)果

3.1 植物群落特征

2014年7月對(duì)典型群落調(diào)研結(jié)果顯示：群落8的香濃維納指數(shù)最高;均勻度指數(shù)最高的是群落7;豐富度指數(shù)最高的是群落5。具體請(qǐng)參見表3(表中數(shù)據(jù)為均值)。

表3 8種植物群落物種多樣性Tab.3 Species diversity of 8 different vegetation communities

3.2 土壤特性

為了方便后期進(jìn)行耦合度計(jì)算,將2個(gè)土層的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行平均,表4所示的數(shù)據(jù)為0～20 cm土層3次重復(fù)后的均值。

表4 8種群落土壤理化性質(zhì)Tab.4 Soil chemical and physical properties of 8 different vegetation communities

3.3 植物群落多樣性與土壤因子耦合度分析

首先通過灰色關(guān)聯(lián)度分析植物群落多樣性與土壤因子耦合關(guān)聯(lián)性,如表5所示。各指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度值在0.588～0.958范圍內(nèi),均值為0.805,表明信南高速公路邊坡群落多樣性與土壤理化性質(zhì)之間有著較強(qiáng)的耦合作用。從表6可知,S-W指數(shù)、Pielou指數(shù)和Richness指數(shù)與土壤的平均關(guān)聯(lián)系數(shù)分別為0.834、0.824、0.797,說明土壤因子對(duì) S-W 指數(shù)影響最大,對(duì)物種豐富度影響略小。土壤因子中含水量、全鉀、密度、全氮、pH值、全磷、有效鉀對(duì)群落多樣性影響較大,且均值均超過0.805。綜上所述,植物群落多樣性與土壤相互作用因子具有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性。表7為植物群落多樣性與土壤因子耦合度的分析結(jié)果：群落5＞群落4＞群落7＞群落2＞群落8＞群落1＞群落3＞群落6。

表5 信南高速公路8種植物群落多樣性與土壤耦合矩陣Tab.5 Matrix of plant diversity and soil properties coupling for 8 vegetation communities in Xinyang-Nanyang highway

4 討論

4.1 特殊立地條件下人工植物群落與土壤相互作用機(jī)制

高速公路邊坡立地條件特殊,由于受到人為長期無序擾動(dòng),公路邊坡的土壤層狀結(jié)構(gòu)發(fā)生很大的變化,形成具有公路特色的獨(dú)特土壤。而這類土壤一方面缺乏水分另一方面養(yǎng)分貧瘠,在這樣一個(gè)特殊的立地條件下,期待邊坡自然恢復(fù)的可能性是非常小的,因此人工種植植物群落成為防止邊坡水土流失和改良邊坡土壤的一個(gè)有效手段。

本研究顯示,信南高速公路邊坡植物群落多樣性與土壤理化性質(zhì)之間有較高的耦合性,土壤因子對(duì)群落S-W指數(shù)影響最大。土壤指標(biāo)中,含水量、全鉀、密度、全氮、pH值、全磷和有效鉀對(duì)植物影響較大。土壤含水量代表了水分的有效性,土壤密度是以機(jī)械阻力的形式影響根系的生長,而根系對(duì)吸收土壤水分又起到關(guān)鍵作用[7],因此這2項(xiàng)指標(biāo)與多樣性的關(guān)聯(lián)程度比較強(qiáng)烈;土壤中的氮、磷、鉀對(duì)植物生理、生長均有較大影響[14],趙方瑩等[15]的研究同樣顯示速效鉀是人工植被恢復(fù)的主要限制因子?？筛鶕?jù)此結(jié)果對(duì)邊坡土壤進(jìn)行有針對(duì)性的人工干預(yù)。

表6 植物群落多樣性與土壤耦合矩陣Tab.6 Matrix of plant diversity and soil properties coupling

表7 信南高速公路8個(gè)植物群落與土壤系統(tǒng)耦合度評(píng)價(jià)結(jié)果Tab.7 Evaluation results of ecosystem coordination between 8 vegetation communities and soil

4.2 高速公路不同坡向邊坡植物群落多樣性與土壤因子耦合度比較

生態(tài)恢復(fù)過程中植被群落 土壤系統(tǒng)耦合效應(yīng)的研究已經(jīng)成為目前生態(tài)恢復(fù)評(píng)價(jià)的一個(gè)重要研究方向,但該項(xiàng)研究在公路邊坡恢復(fù)中的應(yīng)用還比較少[12]。結(jié)果顯示信南高速陰坡植被群落與土壤的耦合度略高于陽坡。出現(xiàn)這一結(jié)果有以下幾個(gè)原因：由于陰坡光照條件差,水分較陽坡蒸發(fā)的慢,因此陰坡的土壤水分會(huì)高于陽坡;另一方面陰坡和陽坡的土壤化學(xué)性質(zhì)并不相同,陰坡的營養(yǎng)成分中有機(jī)質(zhì)與全氮的含量普遍高于陽坡;另外,研究路段陽坡土壤pH均值比陰坡高。pH值過高會(huì)降低土壤肥力并引起水土流失,同時(shí)會(huì)影響植物正常生長[16]。多種因素相互作用使得陽坡植物群落多樣性與土壤的耦合效果不及陰坡。

4.3 解讀耦合度效果“優(yōu)”的植物群落結(jié)構(gòu)

研究結(jié)果顯示,耦合效果為“優(yōu)”的群落是紫穗槐+高羊茅群落(群落4)和紫穗槐+蛇莓群落(群落5)。2種群落均為灌木+草本的群落結(jié)構(gòu),前者優(yōu)勢(shì)種為紫穗槐和高羊茅,群落中還生長有草本植物艾草和燕麥等,值得注意的是該群落中紫穗槐的數(shù)量是8種群落中最多的;后者優(yōu)勢(shì)種為紫穗槐和蛇莓,群落中還伴生有問荊、艾草、狗尾草等。該群落中紫穗槐的數(shù)量位居8種群落第2位?？梢姸箍浦参镌谶吰禄謴?fù)過程中起到了重要作用,其數(shù)量也直接影響土壤的改良效果;因此,對(duì)于信南高速公路而言,不同形式的豆科植物與多年生草本相結(jié)合的配置模式值得推廣。