2013, Vol. 49
文章信息
- 潘声旺, 何茂萍, 杨丽娟, 方文
- Pan Shengwang, He Maoping, Yang Lijuan, Fang Wen
- 先锋植物丰富度对公路边坡植物群落生长发育及护坡效益的影响
- Effects of Pioneer Plants Richness on the Vegetation Growth and Community Succession and the Soil and Water Conservation for Highway Side Slope
- 林业科学, 2013, 49(11): 24-31
- Scientia Silvae Sinicae, 2013, 49(11): 24-31.
- DOI: 10.11707/j.1001-7488.20131104
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文章历史
- 收稿日期：2013-12-08
- 修回日期：2013-08-29
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作者相关文章
2. 重庆市林业科学研究院 重庆 400036
2. Chongqing Academy of Forestry Chongqing 400036
高速公路的快速发展，势必对公路沿线的生态环境产生负面影响，公路建设所形成的边坡则是路域生态系统中产流与产沙量较大、水土流失持续时间最长的部位之一(Luarcet，1997 ;肖蓉等，2009)。借助“先锋植物”的生态优势，在裸露边坡上建立稳定的植物群落、优化群落结构，对营造路域景观、减少水土流失尤为重要(Cary et al.，1992 ; 王青杵等，2012)。
近年来，以公路建设地段的乡土植物为基础，以灌木为主、乔木或草本为辅构建护坡植被的生态护坡技术因经济快捷、安全实用而备受关注(李国荣等，2007 ; 李妮等，2012)。但迄今，相关研究多局限在典型植被配置模式下护坡效益的比较(Cary et al.，1984 ; 邓洪亮等，2008)，在边坡植被的群落演替、生态性能等方面尚缺乏系统研究。事实上，物种多样性是生态系统稳定性和抗干扰能力的重要指标，而初始绿化植物(即先锋植物)的种类及其组合方式可直接影响群落的组成结构、演替行为和多样性水平，进而影响其生态性能(王震洪等，2006)。为此，本研究以西南地区2种典型的边坡绿化初始配置模式慈竹(Bambusa emeiensis)+野牛草(Buchloe dactyloides)、黄刺玫(Rosa xanthina)+黑麦草(Lolium perenne)为基础，分别与经路线规划植物调查排序筛选的紫穗槐(Amorpha fruticosa)、黄荆(Vitex negundo)、狗牙根(Cynodon dactylon)、芒(Miscanthus sinensis)等路域优势种以不同方式组合，探讨先锋植物丰富度对公路边坡先锋群落早期演替行为、护坡性能的影响，揭示年际间差异，为边坡防护提供借鉴。
1 研究区概况研究区位于川东、渝西接壤处的丘陵地带(105°38'—106°05'E，28°56'—29°34'N)。西起巴岳山区，东至云雾山，面积约12.76万 km2 。丘陵广布、溪沟纵横，平均海拔250~350 m，丘谷高差50~100 m，地势北高南低，南部多浅丘、北部多深丘。年均降雨量1 165.2 mm，多集中在5 —9月(占年降雨量70%以上);土壤主要由白垩纪夹关组砖红色长石、块状钙质岩屑砂岩、钙质粉砂岩等风化残积物、冲积物发育而成，黄棕壤、黄壤为主要类型，土层厚度多在10~70 cm;植被稀疏，森林覆被率低(<7.5 %)，丘坡较陡，夏季雨水集中，易造成水土流失，是地质灾害多发区。
2 研究方法 2.1 试验设计供试边坡为成渝高速永川段K226+425~K226+595处。路基边坡全长170 m，坡向NE25°;填方最大高程14.9 m，修整为二级边坡，坡高8 m，坡比为1:1。选择立地条件一致的边坡地段，整理成62个矩形小区(长8 m、宽2 m)，试验小区的长边与公路边坡的等高线垂直、短边与等高线平行，四周用石棉瓦围埂(埂高25 cm)、塑料薄膜密封(埋入地下30 cm)，小区上方及两侧开排水沟拦截小区外径流，下方修截流沟、集水池。
2009年4月在布设好的试验小区内自然撒播。将14种边坡配置模式(即MA1~7，MB1~7，物种组合如表 1)随机分布于56个小区内(每种模式重复4次)归类编号后，按照同一播种密度(20 g·m-2)将先锋植物的种子均匀撒播于相应小区。其中，同一小区内不同生态型(灌木、草本)间的播种密度相等(10 g·m-2)，相同生态型的不同物种间的播种密度也相等。将各个配置模式所在的4个小区随机分成4组:2组用于边坡植被在不同年份(2010-2012年)群落特征的测定，2组用于护坡性能的测定。剩余6个试验小区(CK)中，2个小区定期除草、保持无植被状态(CK0)，用于观测试验期间裸地边坡的产沙、产流特征;其余4个用于次生裸地(CK1)的自然演替研究(分组同上)。
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1)群落结构 播种后，记录各样地内成坪时间。2010年8月下旬，分别在各个初始绿化配置模式(MA1~7，MB1~7)、次生裸地(CK1)所在坡面的上(2 m处)、中(4.5 m处)、下(7 m处)各设置1个50 cm×50 cm的样方，每类植被各做2小区、6个样方，累计90个(14 × 6 + 6)。分别调查各样方内植物种类、植株高度、株数、总盖度及分盖度(张法伟等，2010)后，收获各采样区地上生物量，烘干、称量;用根钻在各采样区分别取0~10，10~20和20~30 cm土层内土壤(钻头内直径80 mm、高100 mm)，随即用Del2 ta-T公司生产的RWC型洗根系统洗根，烘干、称量，计算地下生物量(王川等，2009)。
2011，2012年8月下旬，按照上述方法重复2010年度的调查，确保同一小区内不同年份布设的样方间隔大于50 cm，以排除上次的影响。
2)产流量、产沙量 在径流小区旁边安装自动气象站，定时监测气象资料，自动记录每次的降雨量、雨强和降雨历程。监测期内，指定专人管理、操作，监测产流、产沙情况。每次降雨后及时观测、登记各个径流小区集水池的集流深度，计算各小区地表径流量;根据某一时段内径流总量及同时段内的降雨总量计算径流系数:径流系数=径流量/降雨量。泥沙量观测采用过滤、烘干法: 将集水池中的泥水充分搅拌30 min，立即取中层径流泥沙样品500 mL，置于烘箱内105 ℃烘干后称量，通过计算含沙量得出每次降雨各小区土壤流失量;将1年内各小区土壤侵蚀量相加，然后换算成1 km2的吨数，即为侵蚀模数。
3)蓄水、保土能力 根据各试验小区的径流系数、土壤侵蚀模数分别推算不同植被配置模式的蓄水能力、保土能力:蓄水能力 =(裸坡区径流系数 －植被区径流系数)× 100%/ 裸坡区径流系数;保土能力=(裸坡区侵蚀模数－植被区侵蚀模数)×100%/裸坡区侵蚀模数(王川等，2009)。
降雨量、径流量和泥沙量观测时段为2009 —2012年汛期(5-9月);铝盒法测定土壤初始含水量。
3 结果与分析 3.1 边坡植被的生长状况分析表 2为14种边坡绿化配置模式(M A1~7，MB1~7)、次生裸地(CK1)试验区内植被的生长状况及其结构特征。
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可以看出:相同的播种密度、建植条件下，由紫穗槐、黄荆、狗牙根、芒等路域优势种与典型的边坡绿化配置模式“慈竹+野牛草”、“黄刺玫+黑麦草”所构成的组合MA系列(M A1~7)、MB系列(MB1~7)间的平均成坪时间(MA=63.7天，MB=64.0天)无明显差异，但同一系列内不同配置模式间差异显著(MA : 59~68天; MB:60~68天;P<0.05);初始绿化植物的种数(亦即先锋种丰度)越多，成坪时间越短。
表 2显示，不同配置小区内的植物种类、数目的变化幅度也不一样。初始绿化植物的种类(亦即先锋种丰度)越多，小区内植物的种类、数目的变化幅度越大，入侵种在群落内的优势度则越显著。综合试验期间62个试验小区(MA1~7，MB1~7，CK1)内种组成变化，试验区内入侵植物共涉及24种，隶属于9科11属。其中灌木4科5属8种，占总种数的 33.3%;草本6科9属16种，占总种数的66.7%。菊科(Asteraceae)、禾本科(Gramineae)、豆科(Leguminosae)、蔷薇科(Rosaceae)是种类最多的4科，占种数的54.2%，表明这4科植物在西南地区道路植被的自然恢复演替过程中所起的作用最大，在该地区的植物区系中占有重要地位。灌木种类较多的科为:豆科、蔷薇科、桑科(Moraceae);草本种类较多的科为:菊科、禾本科、蔷薇科、豆科;种数较多的属为悬钩子属(Rubus)、蒲公英属(Taraxacum)。其中，艾蒿(Artemisia argyi)、白茅(Imperata cylindrica)、三叶鬼针草(Bidens pilosa)、野菊花(Dendranthema indicum)、酢浆草(Oxalis corniculata)、飞蓬(Erigeron acer)、苦荬菜(Ixeris polycephala)、牡蒿(Artemisia japonica)、地果(Ficus tikoua)、构树(Broussonetia papyrifera)、马桑(Broussonetia papyrifera)、铁仔(Myrsine africana)等为调查样方中出现频率较高的入侵者，也是西南地区自然恢复演替过程中主要的建群种或共建种，对边坡自然恢复和人工生态修复有重要的参考价值，在道路边坡生态修复过程中，能最大程度上恢复本地植被的多样性。
采用直观分析法分析了各先锋植物对物种入侵的环境影响力，环境影响力为一定时空条件下某主体(如先锋植物、入侵种等)营造的接纳其他物种的生态位大小，在不考虑不同物种间相互作用的情况下，可用特定时期内因该主体存在所引起的群落间物种数量差异的平均值来表示，即${F_{\rm{A}}} = \frac{1}{N}\sum\limits_{i = 1}^n {\sum\limits_{j = 1}^m {({S_{qij}})} } $。式中:FA为A物种在特定时期内的环境影响力; ΔSqij为面积为 q、物种组成上存在A物种差异的样地 i、样地 j经过1个生长周期后的物种数差异;N为存在A物种差异的所有样地的组合数。表 3显示:不同先锋植物在不同演替阶段内的环境影响力差异很大(P< 0.05)，并呈现演替前期大于后期、灌木大于草本的变化趋势。
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试验期内，试验小区内边坡植被的生物量与先锋植物丰度间呈明显正相关(表 4)。不同生长季节内，因先锋植物丰度差异所引起的生物量变化也不一样。同一系列内，先锋植物种数相近小区的生物量差异在第1个生长季节内(2010年)并不明显(P > 0.05)，但在2011 —2012年间却达到显著水平(P< 0.05)。
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2010 —2012年汛期，试验区内自然降雨量及裸地边坡的产流、产沙特征如表 5 。可以看出，试验区汛期雨季集中(占年降雨量的71.36 %)、产流量大(年均降雨量829.2 mm;年均产流量149.83 mm)、水土流失严重(裸地年均产沙量1 223.5 g·m-2)、生态环境脆弱、植被恢复缓慢，是典型的地质灾害多发区。
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产流次数、径流系数、土壤侵蚀模数是衡量植被涵养水源、防沙护坡性能的主要指标，也是表征生态系统结构稳定性、抗干扰性能的重要尺度。试验期间，不同试验小区内的产沙、产流特征如图 1 。可以看出，相同环境条件下，不同植被的护坡性能也不一样，存在明显的年际间差异。
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图 1 不同配置模式产流、产沙特征的动态变化
Fig. 1 Characteristics of runoff and sediment yield of tested vegetation types during rainy seasons from 2010 to 2012
图标右侧数字表示所在小区相应汛期内的产流次数。 Digitals on the right side of icons represent runoff times in slope plots in corresponding flood seasons． |
1)产流次数 图 1显示，边坡产流次数与植被类型有关，植被的生长年限越长，趋势越明显。 2010年，CK，M A1~6，M B1~6内先锋种相对较少(0~5种)，Shannon-Wiener指数较低(分别为0.27，0.46 ~0.67和0.47~0.71)，群落抗干扰(雨水冲蚀)能力弱，汛期产流次数与裸地相同(6次); MA7，MB7内先锋植物较多(6种)，Shannon-Wiener指数较高(0.79，0.81)，抗干扰能力增强，产流次数(5次)则减少。 2011年，M A1~4，M B1~4内先锋植物仅2~4种，其 Shannon-Wiener指数(0.53~0.67，0.55~ 0.73)与 CK1(0.36)无明显差异，汛期产流次数均为5次; M A5~6，M B5~6和MA7，MB7中先锋植物较多，Shannon-Wiener指数较高，抗干扰能力增强，产流次数(3~4次)相应减少。2012年汛期，群落演化程度较高，先锋植物丰度对产流次数的影响效应更加明显。边坡产流次数与先锋种数量呈显著负相关(r = -1)，先锋种越多，产流次数越少。
2)径流系数、侵蚀模数 由图 1可以看出，径流系数、土壤侵蚀模数与边坡植被类型密切相关。2010年汛期，MA7，MB7表现出较强的护坡性能，蓄水、保土能力分别达到63.01%，93.56%和60.62%，92.72%，产流量(55.40，58.98 mm)、产沙量(85.45，96.64 g·m-2)明显低于其他小区(n=6，P< 0.05); M A1，M B1的保水(50.85%，45.38 %)、防沙(90.65%，89.45 %)性能较差，产流量(73.6，81.8 mm)、产沙量(110.83，140.01 g·m-2)较高(n=6，P< 0.05)。整个汛期内，小区内径流系数、侵蚀模数呈现一致的变化趋势，即 MA7 < MA6 < MA5 <MA4 < MA3 < MA2 < MA1，MB7 < MB6 < MB5 < MB4 < MB3 < MB2 < MB1 。2011，2012年汛期，M A1~7，M B1~7所在小区内的产流、产沙情况与2010年汛期相似: MA1，MB1的产流、产沙量较高，护坡性能较差; MA7，MB7的产流、产沙量较低，护坡性能较强;汛期内，不同小区间的径流系数、侵蚀模数波动趋势也与2010年汛期类似:先锋植物种类越多，径流系数、侵蚀模数则越小。
3.3 先锋物种数、群落特征与护坡性能的相关性相同环境条件下，边坡植被的组成结构、群落特征和发育水平是影响地表径流量、水土流失量的主要因素。地上茎叶对雨滴分层拦截，有利于减少地表径流、阻延土壤溅蚀;地下根系对土壤的加筋、锚固作用，有利于延缓坡面侵蚀、增强其稳定性(Zhou et al.，2006)。
3.3.1 先锋物种数量与群落特征的相关性对于特定区域的次生裸地(如裸露边坡)而言，土壤种子库、种子雨的时空异质性相对较小，先锋植物所营造的局域生境是决定其他物种入侵潜力和成功定居的主导因素;先锋植物的配置模式不同，接纳的入侵种的种类、数量也不一样(表 2);同一生长季节内，初始绿化植物的种类越多，接纳新物种的潜力则越强，群落的物种丰度也越大，二者呈线性关系(MA : R2 = 0.973~0.990 ; MB: R2 = 0.981~0.992)。
群落盖度是反映群落发育状况、结构水平的重要指标，也是表征边坡植被对雨滴分层截留、缓冲减蚀的重要依据; Shannon-Wiener指数能较好反映个体密度、生境差异、群落类型、演替阶段，它与反映物种分布均匀程度的 Pielou指数一起，表征群落的物种多样性水平。多样性水平越高，系统的结构越稳定，对外界干扰的抵抗和缓冲能力则越强(王震洪等，2006)。由表 2可以看出，试验期间，小区内群落盖度(y)、Shannon-Wiener指数(y')与初始绿化时的植物种(x)密切相关(表 6);先锋种越多，所在群落的多样性水平则越高，反映群落内物种个体数间的差异和各物种个体数目分配均匀程度的 Pielou指数也越大(MA :产流、产沙量较高，护坡性能较差; MA7，MB7的产流、 R2= 0.944~0.947; MB : R2= 0.949~0.959)。
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表 7为 2010 —2012年间 M A1~7，MB1~7所在群落中先锋种丰度(x)与边坡植被蓄水能力(y)、保土能力(y')的关系式。可以看出，护坡植被的蓄水、保土能力与所在群落的先锋植物丰度呈线性关系(R2 > 0.980):先锋植物种数越多，蓄水、保土能力越强。表 7也显示，2011年汛期内，先锋植物种数对植被护坡性能的决定系数(0.994~0.998)均高于2010，2012年汛期(0.980~0.989)。可能的原因是:建坡初期(2010年汛期)，植物根系尚不发达，根冠比小(表 2)，植被的护坡性能主要取决于茎叶对雨滴的分层截留作用; 2012年汛期，群落演化程度较高，总盖度接近饱和，其护坡能性主要取决于植物根系的结构特征:根冠比越大，对土壤加筋、锚固作用越强，防沙护坡性能越优。该结论与李妮等(2012)、方文等(2013)的研究结果一致。
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表 8为 2010—2012年间不同配置边坡植被所在群落的 Shannon-Wiener指数(x)与试验小区内径流系数(y)、土壤侵蚀模数(y')间拟合关系式。可以看出，群落的 Shannon-Wiener指数与植被的护坡性能(径流系数、侵蚀模数)密切相关。 2010年汛期，Shannon-Wiener指数与护坡性能呈幂函数关系，其拟合方程的 R2 = 0.996~0.999 ; 2011年汛期，Shannon-Wiener指数与护坡性能呈线性变量关系，拟合方程的 R2 = 0.995~0.999 ; 2012年汛期，Shannon-Wiener指数与护坡性能呈对数函数关系，拟合方程的 R2 = 0.998~0.999 。说明群落的植物多样性水平(Shannon-Wiener指数)越高，所在群落的系统稳定性越高、抗干扰(雨水冲蚀)能力也越强。
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进一步分析各群落的生物量变化(表 2)与其护坡性能的相关性时则发现:建坡初期(2010年汛期)，植被的护坡性能与其地上生物量间呈线性关系(R2 = 0.996~0.999); 2012年汛期，其护坡性能与根系生物量间呈线性关系(R2 = 0.999~0.999)。 2011年汛期，植被的护坡性能由群落的地上(对雨滴的分层截留作用)、地下(对土壤的加筋、锚固作用)结构共同决定，该结论与陈波等(2012)、方文等(2013)的研究结果相吻合。可见，在边坡条件、播种密度等建植条件与建植措施一致的情况下，增加先锋植物种类可显著提高边坡植被的水土保持能力。
4 结论1)在边坡条件、播种密度等建植条件相同的情况下，边坡初始绿化植物的物种数可影响护坡植被的成坪时间、生物量积累。先锋植物种数越多(如 MA7，MB7)，成坪时间则越短，被积累的生物量也相应增大。
2)先锋植物丰度与所在群落的物种多样性水平关系密切。相同发育期内，先锋植物越多(如 MA7，MB7)，所营造的生态位就越宽，接纳新物种的潜力越强，物种越丰富，群落的物种多样性水平也越高。
3)物种多样性水平与植被的护坡性能关系密切:边坡初始绿化时的先锋植物越多(如 MA7，MB7)、植物群落的抗干扰(雨水冲蚀)能力、蓄水保土能力则越强，所在边坡内产流次数、径流系数、土壤侵蚀模数越小;生长年限越长，群落演替程度就越高，趋势也越明显。在边坡条件、播种密度等建植条件与建植措施一致的情况下，提高先锋种丰度可有效改善植被的护坡性能。
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