關(guān)中平原高速公路路堤邊坡土壤養(yǎng)分與植被群落α多樣性變化

張小娟，高照良，2，李 晶，田紅衛(wèi)

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，陜西 楊凌712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所，陜西 楊凌712100）

在高速公路建設(shè)中，為滿足技術(shù)要求，不可避免地回填和碾壓工程渣土，形成填方路堤。路堤邊坡穩(wěn)定性差、土壤結(jié)構(gòu)混亂無(wú)規(guī)律、養(yǎng)分匱乏、無(wú)原生植被。為了增強(qiáng)路堤邊坡的穩(wěn)定性、防治水土流失、美化公路，在公路建設(shè)過(guò)程中必須進(jìn)行路堤邊坡植被的恢復(fù)與重建。植被和土壤的相互作用不斷影響著土壤質(zhì)量，而土壤質(zhì)量水平又直接影響到邊坡植被恢復(fù)的后期效果［1］。

有研究表明，土壤理化性質(zhì)與植物群落演替之間的關(guān)系十分密切［2］。關(guān)于植被恢復(fù)和土壤質(zhì)量前人已經(jīng)做了很多研究，發(fā)現(xiàn)土壤養(yǎng)分影響著植物的生長(zhǎng)發(fā)育、生理活力和物種多樣性［3－4］，進(jìn)而影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性［5］。

目前對(duì)人工干擾狀態(tài)下的土壤性質(zhì)及植物群落的研究較少，對(duì)公路邊坡物種多樣性及其與土壤特性關(guān)系的研究更少。本文以野外植被調(diào)查和室內(nèi)土壤實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，選擇植被恢復(fù)3，9，16，17，19，40a高速公路路堤邊坡為研究對(duì)象，采用時(shí)空代換法對(duì)關(guān)中平原高速公路路堤邊坡土壤養(yǎng)分、植被α多樣性特征及二者之間的關(guān)系進(jìn)行探討分析，旨在為類似擾動(dòng)區(qū)域植被的恢復(fù)與重建提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

本研究以西寶高速（西安—寶雞）、西安繞城高速（北段）、西臨高速（西安—臨潼）、兵馬俑連接線、西寶中線（西安—寶雞）五段公路為研究對(duì)象，其中三段高速基本以直線沿關(guān)中平原東西延伸，與西寶中線平行。公路所經(jīng)關(guān)中地區(qū)（32°19′—35°12′N，107°37′—109°14′E）主要涉及臨潼、西安、興平、咸陽(yáng)、楊凌、武功、寶雞等縣（市、區(qū)）。區(qū)域西窄東寬，海拔約325～800m，長(zhǎng)約210km。本區(qū)地貌類型較均一，以渭河平原為主；氣候?qū)俅箨懶约撅L(fēng)氣候，四季分明，年均氣溫12.0～13.5℃，極端最高氣溫42.8℃，極端最低氣溫－28.1℃，≥10℃的年積溫4 853℃，平均年降水量615mm。土壤以塿土為主，伴有黃鱔土、水稻土、潮土、新積土等；植被類型為暖溫帶落葉闊葉林。

2 研究方法

在研究區(qū)內(nèi)，植被恢復(fù)年限參考通車年限，以人工植被（物種）一致性、邊坡坡長(zhǎng)、坡度、坡向、土壤、氣候條件等生境一致性為原則［6］，以恢復(fù)40a的路基邊坡為對(duì)照，采用空間序列代替時(shí)間序列的方法進(jìn)行研究。設(shè)置固定樣地：長(zhǎng)沿公路走向20m、寬平行公路坡向。樣地基本情況見(jiàn)表1。

于2010年4月在樣地內(nèi)隨機(jī)選取三點(diǎn)，按表層和亞表層分別（0—10，10—20cm）取樣，帶回實(shí)驗(yàn)室處理。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)方法：有機(jī)質(zhì)為重鉻酸鉀容量法；全氮為凱氏定氮法；速效磷為鉬銻抗比色法；無(wú)機(jī)氮通過(guò)流動(dòng)分析儀獲取。于2010年8月對(duì)樣地進(jìn)行植被調(diào)查，調(diào)查方法為：在每個(gè)樣地選取3個(gè)1m×1 m樣方進(jìn)行種類、高度的調(diào)查。植被α多樣性分析選取豐富度指數(shù)、多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)。

表1 路堤樣地基本情況

式中：S——群落中的物種數(shù)目；N——所有物種的個(gè)體數(shù)；Ni——第i個(gè)物種的個(gè)體數(shù)，Pi＝Ni／N。對(duì)土壤質(zhì)量隨植被恢復(fù)年限的變化及其主要影響因素進(jìn)行分析時(shí)，主要針對(duì)12個(gè)樣地（0—10cm和10—20 cm）中土壤養(yǎng)分中的有機(jī)質(zhì)、全氮、速效磷、銨態(tài)氮，進(jìn)行主成分分析（樣本數(shù)24），并進(jìn)行土壤質(zhì)量的綜合評(píng)價(jià)及排序。數(shù)據(jù)分析采用Excel 2003、DPS 7.5和SPSS 17.0。

3 結(jié)果與分析

3.1 路堤邊坡土壤質(zhì)量分析

土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和速效磷是土壤養(yǎng)分的重要組成部分，是體現(xiàn)土壤肥力水平的重要指標(biāo)。它們不僅可以提供植物生長(zhǎng)所需養(yǎng)分，還可以影響土壤理化性質(zhì)及生物學(xué)性質(zhì)［7］，對(duì)土壤質(zhì)量的改善起到重要作用。土壤有機(jī)質(zhì)和土壤全氮含量平均值變化范圍分別為：12.26～25.83g／kg和0.60～1.25g／kg，依據(jù)國(guó)家第二次土壤養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)均處于中等、較缺水平。速效磷含量平均值變化范圍為：9.30～26.68 mg／kg，處于中等、較豐富水平。在植被恢復(fù)過(guò)程中，恢復(fù)年限、土層和坡向是影響土壤養(yǎng)分的重要因素。

3.1.1 土壤養(yǎng)分特征隨植被恢復(fù)年限的變化 隨著恢復(fù)年限的延長(zhǎng)，高速公路路堤邊坡土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效磷在土壤中不斷積累，含量均呈增大趨勢(shì)（圖1），恢復(fù)17a時(shí)達(dá)到峰值，體現(xiàn)出植被對(duì)土壤重要的培肥作用。銨態(tài)氮和硝態(tài)氮是土壤中無(wú)機(jī)氮的主要存在形式，由圖1可知，土壤中銨態(tài)氮含量遠(yuǎn)大于硝態(tài)氮，二者的變化規(guī)律均為先增大后減小，恢復(fù)17a時(shí)達(dá)最低值。硝態(tài)氮被植物吸收利用且在邊坡徑流的作用下易淋溶，因而高速公路路堤邊坡土壤中銨態(tài)氮含量遠(yuǎn)大于硝態(tài)氮。隨著恢復(fù)時(shí)間的延長(zhǎng)，植物對(duì)銨態(tài)氮的吸收利用和銨態(tài)氮的不穩(wěn)定性使其含量呈降低趨勢(shì)，且降幅較大。而硝態(tài)氮的淋溶和銨態(tài)氮的轉(zhuǎn)化使硝態(tài)氮含量保持在相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，變化較小。植被恢復(fù)過(guò)程中，由于強(qiáng)烈的人工干擾，僅有陽(yáng)坡下層的全氮和恢復(fù)年限呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），相關(guān)系數(shù)為0.871，其余相關(guān)性不明顯。

3.1.2 土壤養(yǎng)分特征隨土層的變化 高速公路路堤邊坡植物的根系較淺，與土壤的相互作用主要發(fā)生在表層，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效磷含量均表現(xiàn)出上層（0—10cm）大于下層（10—20cm），且陽(yáng)坡上層和下層的有機(jī)質(zhì)含量、陰坡上層和下層的速效磷含量、陰坡上層和下層的銨態(tài)氮含量均呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），相關(guān)系數(shù)分別為0.909，0.870，0.873；陽(yáng)坡上層和下層的銨態(tài)氮含量呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），相關(guān)系數(shù)為0.985。

3.1.3 土壤養(yǎng)分特征隨坡向不同的變化 相同土層不同坡向，在水熱條件的作用下陽(yáng)坡所受的光照強(qiáng)，土溫較高，土壤有機(jī)質(zhì)礦化速率較快，從而引起土壤養(yǎng)分的減少。上層陽(yáng)坡和陰坡的有機(jī)質(zhì)、全氮含量呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），相關(guān)系數(shù)分別為0.923，0.932；下層陽(yáng)坡和陰坡的有機(jī)質(zhì)、銨態(tài)氮、速效磷含量呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），相關(guān)系數(shù)分別為0.968，0.946，0.920。

經(jīng)方差分析，不同恢復(fù)年限，陰面和陽(yáng)面邊坡有機(jī)質(zhì)含量均存在顯著差異（陰面F值為54.545，P值為0.000 7，P＜0.01；陽(yáng)面F 值為40.366，P 值為0.001 4，P＜0.01）。對(duì)有機(jī)質(zhì)進(jìn)行多重比較（表2）可知：陰坡、陽(yáng)坡的有機(jī)質(zhì)含量從17a開(kāi)始存在顯著差異，且含量達(dá)最高水平。這可能是由于陰陽(yáng)坡群落多樣性的不一致造成的。由于人為因素的影響，有機(jī)質(zhì)含量與對(duì)照年限差異顯著，要恢復(fù)到自然狀態(tài)還需要較長(zhǎng)的時(shí)間。

圖1 土壤有機(jī)質(zhì)、速效磷、全氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮隨年限的變化

3.1.4 不同土壤養(yǎng)分間的關(guān)系 土壤氮素含量主要決定于生物量的積累和有機(jī)質(zhì)的分解強(qiáng)度，土壤全氮是土壤肥力的主要指標(biāo)之一，極大程度地影響著土壤的質(zhì)量。由于土壤表層中約80%～97%的氮［8］存在于有機(jī)質(zhì)中，因此有機(jī)質(zhì)積累對(duì)土壤氮素的含量起著主導(dǎo)作用。由土壤養(yǎng)分之間的相關(guān)性分析知（表3）：陰坡上層的有機(jī)質(zhì)和全氮含量存在著極顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.887；陽(yáng)坡上層的硝態(tài)氮和全氮含量呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01），相關(guān)系數(shù)為－0.926；陰坡下層的硝態(tài)氮和全氮含量呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05），相關(guān)系數(shù)為－0.835。

表2 邊坡有機(jī)質(zhì)的LSD比較

3.1.5 土壤質(zhì)量隨植被恢復(fù)年限的變化及主要影響因素 對(duì)土壤養(yǎng)分中的有機(jī)質(zhì)、全氮、速效磷、銨態(tài)氮的主成分分析表明，在成分矩陣（表4）中，根據(jù)0.5原則，因子1在變量有機(jī)質(zhì)、銨態(tài)氮、全氮上有較大的負(fù)荷；因子2在速效磷上有較大負(fù)荷。因此它們可以較全面地代表土壤的養(yǎng)分狀況。排序結(jié)果見(jiàn)表5。（注：本分析中特征值＞1，累積貢獻(xiàn)率為90.064，KOM檢驗(yàn)值為0.547。）

表3 相關(guān)矩陣

表4 成分矩陣

從表5可以看出不同恢復(fù)年限、不同坡向、不同土層土壤質(zhì)量的綜合排序?yàn)椋?0a（陰A）＞9a（陰A）＞17a（陰A）＞16a（陰A）＞40a（陽(yáng)A）＞40a（陰B）＞40a（陽(yáng)B）＞16a（陽(yáng) A）＞17a（陽(yáng) A）＞19a（陰A）＞9a（陽(yáng) A）＞17a（陰B）＞3a（陰 A）＞16a（陰B）＞3a（陽(yáng)A）＞17a（陽(yáng)B）＞9a（陰B）＞16a（陽(yáng)B）＞19a（陽(yáng)A）＞3a（陰B）＞3a（陽(yáng)B）＞19a（陰B）＞9a（陽(yáng)B）＞19a（陽(yáng)B）。

表5 各樣地主成分得分及排序

（1）總體來(lái)看，恢復(fù)年限為40a的對(duì)照樣地在不同恢復(fù)年限中土壤質(zhì)量綜合排名最高；恢復(fù)年限為17a的排名第二，恢復(fù)年限為16a的排名第三。即關(guān)中平原高速公路路堤邊坡恢復(fù)到17a時(shí)土壤質(zhì)量較高，最接近自然土壤，恢復(fù)16a的次之。可見(jiàn)，恢復(fù)時(shí)間越長(zhǎng)，土壤質(zhì)量越高，越接近自然狀況。而恢復(fù)19a的土壤質(zhì)量比恢復(fù)3a的還要差，這主要是由于人工植被的建立對(duì)土壤性狀改良產(chǎn)生了深刻的影響，且恢復(fù)初期在較強(qiáng)的人為管護(hù)下，土壤質(zhì)量較高；但隨著恢復(fù)年限的增加和人工管護(hù)的差異，土壤養(yǎng)分被消耗但尚未形成穩(wěn)定群落，因而造成恢復(fù)19a后土壤質(zhì)量較差的現(xiàn)象。

（2）相同恢復(fù)年限的土壤質(zhì)量均為：陰面0—10 cm＞陽(yáng)面0—10cm＞陰面10—20cm＞陽(yáng)面10—20 cm。由于陰面邊坡的光照較差，水分蒸發(fā)較慢，土壤通透性較差，植物生長(zhǎng)較慢，因此在同一層土壤中陰坡養(yǎng)分含量較高。而植物和土壤的相互作用在土壤表層較為強(qiáng)烈，且人工植被根系較淺，因此表層（0—10cm）土壤質(zhì)量比下層（10—20cm）中的高，土壤養(yǎng)分表現(xiàn)出一定的表聚性［9］。

（3）各樣地土壤質(zhì)量的綜合得分表明，隨著植被恢復(fù)年限的增加，土壤質(zhì)量總體上呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。但受人工植被和人為管護(hù)的影響，土壤質(zhì)量也會(huì)有所波動(dòng)?；謴?fù)時(shí)間從3～17a之間土壤質(zhì)量顯著增加，但恢復(fù)19a時(shí)顯著下降，反映了在人為因素的作用下，土壤質(zhì)量呈漸變和跳躍性變化的特征［10］。

3.2 物種多樣性隨恢復(fù)年限的變化

路堤邊坡共有6種人工植物群落，共發(fā)現(xiàn)72個(gè)自然物種，以繡球小冠花（Coronilla varia L）、狗尾草（Setaira viridis（L.）Beauv.）、鐵莧菜 （Acalypha australis Linn.）、香附子（Rhizoma Cyperi.）、紅花酢醬草（Oxalis rubra.）、狗牙根（Cynodon dactylon（Linn.）Pers.）等為主。陰面和陽(yáng)面邊坡的植被種類相似，但陽(yáng)面邊坡植物長(zhǎng)勢(shì)明顯優(yōu)于陰面邊坡。

由圖2可知，隨著群落演替的進(jìn)行，植被物種豐富度 Margalef指數(shù)、Simpson指數(shù)、S—W 指數(shù)及Pielou指數(shù)均呈增大趨勢(shì)，即隨著植被恢復(fù)，植物的物種豐富度、多樣性及均勻度越來(lái)越高，陽(yáng)坡、陰坡分別在植被恢復(fù)17a、19a時(shí)達(dá)到最高水平。但與對(duì)照年限40a相比還有一定差距。

圖2 各樣地路堤邊坡群落α多樣性分析

經(jīng)相關(guān)分析（表6）知，不同年限不同坡向多樣性指數(shù)和群落豐富度指數(shù)、均勻度指數(shù)差異顯著。物種豐富度Margalef指數(shù)、S—W指數(shù)與群落重要值呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01），多樣性Simpson指數(shù)與其呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05），而均勻度Pielou指數(shù)與其相關(guān)性不明顯。

3.3 路堤邊坡群落物種多樣性與恢復(fù)年限和土壤養(yǎng)分的關(guān)系

邊坡群落物種多樣性的變化因恢復(fù)時(shí)間和土壤養(yǎng)分資源的供給水平而表現(xiàn)出不同的響應(yīng)。由表6可知，物種豐富度Margalef指數(shù)、多樣性Simpson指數(shù)、S—W指數(shù)與硝態(tài)氮和速效磷均呈負(fù)相關(guān)，其中物種豐富度、多樣性Simpson指數(shù)、S—W指數(shù)與硝態(tài)氮呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05），相關(guān)系數(shù)分別為－0.631，－0.621，－0.654，與速效磷相關(guān)性不顯著；物種豐富度Margalef指數(shù)、多樣性Simpson指數(shù)、S—W指數(shù)與有機(jī)質(zhì)、銨態(tài)氮、全氮均呈正相關(guān)，但相關(guān)性不明顯。Pielou指數(shù)與有機(jī)質(zhì)、硝態(tài)氮、全氮、速效磷呈負(fù)相關(guān)，與銨態(tài)氮呈正相關(guān)，但相關(guān)性均不明顯。

表6 群落物種多樣性與恢復(fù)年限和土壤養(yǎng)分的相關(guān)性

恢復(fù)年限與物種豐富度Margalef指數(shù)、多樣性Simpson指數(shù)、S—W指數(shù)、Pielou指數(shù)均呈正相關(guān)，且與物種豐富度Margalef指數(shù)呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），相關(guān)系數(shù)為0.752；恢復(fù)年限與S－W 指數(shù)呈顯著正相關(guān) （P＜0.05），相關(guān)系數(shù)為0.635。其余相關(guān)性不明顯。

由此可知高速公路路堤邊坡群落的α多樣性主要受到恢復(fù)年限和土壤中硝態(tài)氮含量的影響。此外，由于邊坡人為管護(hù)作用較強(qiáng)，人為因素對(duì)群落的α多樣性也起到?jīng)Q定性作用。

4 結(jié)論與討論

隨著恢復(fù)年限的延長(zhǎng)，高速公路路堤邊坡土壤中的有機(jī)質(zhì)、全氮含量均呈增大趨勢(shì)（其中：陰坡＞陽(yáng)坡，上層＞下層），且二者之間存在著極顯著正相關(guān)關(guān)系，恢復(fù)17a時(shí)達(dá)到峰值，體現(xiàn)出植被恢復(fù)對(duì)土壤有重要的培肥作用；同時(shí)，植物對(duì)土壤的培肥作用使土壤中銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量在恢復(fù)初期先增加，隨后由于植物的吸收和邊坡徑流作用，銨態(tài)氮含量明顯降低，恢復(fù)17a時(shí)達(dá)最低值。而硝態(tài)氮?jiǎng)t一直維持在相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。植被恢復(fù)過(guò)程中，恢復(fù)年限、土層、坡向是影響土壤養(yǎng)分特征的三大主要因素。全氮含量受恢復(fù)年限的影響最明顯。有機(jī)質(zhì)、速效磷、銨態(tài)氮含量與不同土層及不同坡向間存在一定相關(guān)性。

不同恢復(fù)年限、不同坡向，群落的豐富度指數(shù)和多樣性指數(shù)、多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)差異顯著。邊坡群落的α多樣性主要受到恢復(fù)年限和土壤中硝態(tài)氮含量的影響。隨著恢復(fù)年限的延長(zhǎng)，群落α多樣性先減小后增大。恢復(fù)16a時(shí)，人工植被繡球小冠花占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，群落α多樣性處于最低水平。之后由于自然植被入侵，人工植被逐漸衰退，陽(yáng)坡和陰坡的群落α多樣性分別在恢復(fù)17a和19a后達(dá)最高水平。而隨著恢復(fù)年限的延長(zhǎng)，土壤質(zhì)量先增大后減小，在植被恢復(fù)17a時(shí)達(dá)最高水平，16a次之。但不論是群落α多樣性還是土壤質(zhì)量水平，與對(duì)照40a相比仍具有一定差距，說(shuō)明本次研究的高速公路路堤邊坡并未達(dá)到穩(wěn)定群落，在較少的人為作用下將朝著自然演替方向進(jìn)行。

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