扶沟-项城段高速公路边坡植物群落恢复状态评价

曹 娓，吕若冰，贺环宇，田国行，张国育

(1.河南农业大学林学院，河南 郑州450002；2.河南科技学院，河南 新乡 453003；3.河南省高速公路发展有限公司，河南 郑州 450016)

扶沟-项城段高速公路边坡植物群落恢复状态评价

曹 娓1,2，吕若冰1，贺环宇1，田国行1，张国育3

(1.河南农业大学林学院，河南 郑州450002；2.河南科技学院，河南 新乡 453003；3.河南省高速公路发展有限公司，河南 郑州 450016)

以河南省黄泛沙区大广高速扶沟-项城段高速公路边坡为对象，调研群落特征并检测土壤化学性质，通过主成分分析法，在对同一路段5种具有代表性的群落综合评价得分的基础上，对其恢复现状进行比较，以期为高速公路边坡群落配置和养护提供理论依据。结果表明,以鬼针草(BidenspilosaL.)+构树(Broussonetiapapyrifera(Linn.) L′Hér. ex Vent.)+加拿大蓬(Conyzacanadensis(L.) Cronq)为优势种的群落综合得分最高，以黑麦草(LoliumperenneL. )+紫花苜蓿(MedicagosativaL.)+野胡萝卜(DaucuscarotaL.)群落的得分次之，以野胡萝卜(DaucuscarotaL.)+鬼针草(BidenspilosaL.)+紫花苜蓿(MedicagosativaL.)为优势种的群落得分排名第3，紫穗槐(AmorphafruticosaL.)+鬼针草(BidenspilosaL.)+野胡萝卜(DaucuscarotaL.)优势种的群落得分排名第4，最后是扶芳藤(Euonymusfortunei(Turcz.) Hand.-Mazz.)群落。

高速公路；边坡；植物群落恢复效果

中国高速公路边坡形式主要为路堤边坡和路堑边坡。路堤边坡立地条件差，土壤贫瘠，而且经常将建筑垃圾回填至边坡，土壤质量水平会影响后期边坡植物恢复的效果，但通过合理的植物配置能达到改善土壤条件的作用[1]。中国学者有从边坡恢复初期土壤与群落的关系进行分析，发现土壤中有机质与全氮含量较低，风蚀使地表土壤养分流失[2-3]，且土壤有机质与群落多样性相关性不高[4]；也有学者采用时空代换法对不同恢复年限的群落与土壤关系进行研究的，发现植被对土壤的培肥作用与时间密切相关，随着恢复年限的增加，表土养分明显好转[5-7]。高速公路边坡植被在恢复初期可能对受损界面起到了良好的修复作用，但是随着时间的推移，一些植物群落生长态势出现分化，缺少对多年边坡植被恢复状态的关注。本研究通过对黄泛沙区同一路段的公路边坡植被群落调研，对已经恢复9年的边坡进行现状效果评价，并为今后边坡植物配置和后期养护管理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1研究区概况

扶(扶沟)项(项城)高速隶属于大广高速，2006 年通车，双向 6 车道，是连接河南省东南部和东北的高速公路。试验路段坐标为 33°26′N, 33°34′E，为黄河泛滥冲积而成的黄泛平原，该试验段的土壤为黄黏土，由于选取的群落均在同一地段，恢复初期土壤条件视为一致。试验段属暖温带半湿润季风型气候，四季分明。年平均气温为 14.5～15.8 ℃。极端最高气温达 43.2 ℃，极端最低气温为 -2l ℃，平均霜期为 146 d，无霜期219 d，历年降水量为 689～816 mm，年平均日照时数为 2 025～2 269 h。风向以东北偏北为主，平均风速为 2.7～3.4 m·s-1[8]。

1.2群落动态观测

1.2.1 样地设置 主要采用样方法，在边坡设置3 m×5 m的样地，不同类型的群落样地重复3次[9]，共计15个样地。草本群落调研采用梅花五点法，分别在样地内设置5个1 m×1 m的样方，共计75个样方。

1.2.2 数据分析 样方调研时，主要统计植物的种类、盖度、频度/密度、高度等，并选取植物群落的丰富度指数、Shannon-Wiener指数以及均匀度指数，来分析群落的动态变化特征[10-12]，公式如下：

丰富度指数：R=样方内的物种数

(1)

Shannon-Wiener指数(S-W指数)：

(2)

Pielou指数：E=H/lnS

(3)

式中：Pi为种i的重要值;S为物种数。

1.3土壤理化性质的采样与分析

土壤理化性质主要分析群落所对应土壤的全氮(Total N)、全磷(Total P)、全钾(Total K)、有效氮(Available N)、有机质(Organic Matter)和pH值。使用取土器分别在样地内按S型分0～10 cm，10～20 cm 2层取土，重复3次，每层所取土样充分混合后送至河南省农科院植物营养与资源环境研究所进行化验分析。

2 结果与分析

2.1扶项高速公路边坡植物群落特征

通过2014年的调研发现，群落1,即扶芳藤群落长势非常好，覆盖度较高，群落中伴生有少量的白茅和紫花苜蓿；群落2,即野胡萝卜+鬼针草+紫花苜蓿群落中同时长少量黑麦草；群落3,即紫穗槐+鬼针草+野胡萝卜群落中伴生有黑麦草，但是紫穗槐的长势不及同期调研的信南高速公路边坡，可能与当地气候、土壤有关系；群落4,即鬼针草+构树+加拿大蓬群落中同样伴生有黑麦草；群落5,即黑麦草+紫花苜蓿+野胡萝卜群落伴生有草木犀。同时反映出黑麦草被广泛应用于扶项高速公路边坡，但是在不同的群落中，优势度不同(表2)。

2.2扶项高速公路边坡植物群落多样性指数

6月，群落2的植物种类最多，Shannon-Wiener指数(S-W)较其他群落最高；到了7月,群落2中新生植物增加较多，其S-W指数最高；9月，群落2中又新增加败酱和苍耳，使其多样性再次成为5个群落中最高的，11月群落多样性都有所下降。从表2可以看出，群落2的多样性指数最高，群落3的S-W指数最低，这与群落中物种数量有直接关系。由于群落1中扶芳藤竞争力强，伴生的草本植物较少，数量也不多，丰富度一直处于5个群落中最低。群落1、2、4的均匀度指数相差不大，且高于群落3和群落5。

表1 5种植物群落组成与边坡情况Table 1 The condition of slope and 5 vegetation communities

表27月植物群落S-W指数,丰富度指数，均匀度指数

Table 2 S-W index，richness index and pielou index of5 vegetation communities in July

2.3扶项高速公路边坡土壤理化性质分析

由表3可知，试验段土壤理化性质差别不大，其中全氮、全磷、全钾0～10 cm土层的含量普遍高于10～20 cm土层，这与前人研究结果一致[5-6]。2个土层土壤的pH值相差不大，都在8以上，土壤

偏碱性。

从表3可以看出，土壤中的有机质、全氮、全磷、全钾是土壤养分的重要组成部分，它们为植物提供生长所需的养分，同时也体现了土壤的肥力水平[13-14]。5个群落的有机质含量、全氮、全磷、全钾，有效氮含量以及pH值的平均值为1.55、0.13、0.08、1.28、78.09、8.48。根据中国第2次土壤养分分级标准，试验段的有机质含量为10～20 g·kg-1, 属于“4级缺乏”；全氮含量为1～1.5 g·kg-1,范围为3级中等水平，有效氮为60～90 mg·kg-1，属于“4级缺乏”；试验段的全磷平均含量和全钾的平均含量基本上处于中等或缺乏的水平，pH值为5级，碱性。可见，高速公路边坡土壤肥力在恢复将近9年后仍然相对贫乏。

表3 试验段土壤化学性质Table 3 Soil chemical properties of test section

2.4物种多样性与土壤理化性质的关系

使用SPSS19.0对物种多样性指数与土壤化学性质进行相关性分析，结果显示丰富度指数与pH值呈显著负相关，可见pH值越高，物种丰富度越低。均匀度指数与有效氮呈显著负相关，与全氮呈极显著负相关。S-W指数与土壤化学性质之间没有显著相关性。

表4 物种多样性指数与土壤化学性质的相关性Table 4 Relationship between diversity index and soil chemical properties

注：*表示在0.05水平上显著相关，**表示在0.01水平上显著相关。

Note: * means significant correlation at 0.05 level, ** means significant correlation at 0.01 level.

2.5扶项高速公路边坡群落恢复情况

将土壤有效氮、有机质、pH值、全氮、全磷、全钾、香农威纳指数、均匀度、丰富度9个变量进行主成分分析，得出相关系数的特征根和方差贡献率，其中成分1解释了方差的42.95%，成分2解释了方差的29.18%，成分3解释了方差的15.65%，前3个成分累计解释了总方差的87.78%，故可以选择前3个主成分进行分析(KOM检验值为0.506)。因子负荷矩阵是用来反映各个主成分的变异主要由哪些因子解释[15]，从表5可以看出， 第1主成分里，正效应较大的是有机质、全氮、有效氮，负效应较大的是pH值，第2主成分里正效应较大的是S-W指数、丰富度，负效应最大的是pH值，第3主成分中正效应最大的是全磷。

表5 群落成分矩阵Table 5 Component matrix

将变量标准化后的矩阵与特征向量矩阵相乘，再通过各主成分分析的方差百分比计算出各个群落的综合得分。由于每种类型的群落均重复3次调研，表6内的结果均为平均值。从综合得分可以判断出5个群落的恢复现状，群落4效果最好，效果相对较差的是群落1，排序为群落4>群落5>群落2>群落3>群落1(表6)。

表6 群落主成分分析及综合得分情况Table 6 The principal component analysis and scores

3 讨论与结论

3.1植物群落在恢复过程中对边坡土壤改良具有积极作用

研究区域内的5个植物群落虽然在同一年、同一路段种植，但从土壤化学性质测定的结果可以看出，不同群落对土壤改良的效果也不尽相同。如有效氮含量最低的是群落1，含量最高的是群落3，其次为群落5、群落2，这些群落的共同点是都长有豆科植物，这与豆科植物能有效的改良土壤氮素营养有关。土壤有机质不但是影响土壤肥力的重要指标之一，而且对植被的生长发育影响较大[16]。5个群落中有机质含量排序为群落5>群落4>群落3>群落2>群落1，可见群落5的土壤肥力最高，群落1的土壤肥力最低。全氮含量最高的是群落3和群落5，检测结果为1.6 g·kg-1，全氮含量最低的是群落1，检测结果为1.0 g·kg-1，这一结果与有机质含量非常相似，这是因为土壤中氮素有99%以上来源于有机质[17]。5个群落的全磷含量群落3、群落4最高，且值相等，群落1和群落2的值相等且最低。全钾含量最高的群落为群落1，最低的为群落3。

3.2物种多样性与土壤理化性质的关系

许多学者对群落多样性与土壤化学性质进行过研究，得出的结果也不尽相同。多数学者的研究表明，物种多样性指数与有机质有显著相关性[18-19]，有些学者得出的结论是两者之间没有显著相关性[4,20],本研究显示，有机质与S-W指标、丰富度指标并没有显著相关性。均匀度指数与有效氮呈显著负相关，与全氮呈极显著负相关，这与王慧敏等[21]的研究结果相似。

3.3影响植物群落恢复效果的主要因素

主成分分析结果表明，土壤因子中有机质、全氮、有效氮的含量对边坡群落恢复起到了重要正向作用，pH值则反之，pH值越高，群落恢复的效果会越差。从群落物种多样性的角度进行分析，S-W指数、丰富度指数对结果也起到了正向作用。从群落结构上分析，群落4主要有鬼针草、构树、加拿大蓬和野胡萝卜等，群落的S-W指数和物种数较高，也是5种群落里唯一有乔木幼苗的； 群落5的优势种有黑麦草和紫花苜蓿，丰富度是几个群落中最多的；群落3主要由紫穗槐、鬼针草和黑麦草组成，由于紫穗槐密度较高，一定程度上影响了其他植物的生长，该群落的S-W指数是群落中最低的；群落1是以小叶扶芳藤为优势种的群落，该植物的盖度达到95%，长势非常好，但是S-W指数和物种数量在5个群落中较低。可见，在高速公路边坡恢复中，土壤肥力对恢复效果有直接影响，而植物群落的物种丰富度、S-W指数也是评价恢复效果的主要因子。

3.4边坡植物群落恢复现状评价的意义

本研究结果显示，5个群落中含有紫花苜蓿的群落得分都比较高，而紫穗槐群落所在的土壤中有效氮含量虽然比其他群落都高，但是群落植物种类少，丰富度和香农威纳指数都不高，一定程度上影响了其综合得分。可见，具有较高物种多样性且具有豆科植物的群落恢复效果最好。因此，建议在路基边坡植物配置时采用乔灌草相结合的方式，多年生豆科植物与乡土植物相结合，这样的组合不仅可以节约养护成本，同时也兼顾了植被群落保持水土的作用。在本次调研中，小叶扶芳藤的生长状态非常好，样地覆盖度超过95%，虽然对土壤的改良作用稍逊于豆科植物，但是从水土保持的角度出发，是具有推广意义的。同样，通过使用主成分分析法，可以有效、快速地评价出高速公路边坡不同植物群落恢复现状。

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(责任编辑：李 莹)

AssessmentofvegetationcommunityrestoringconditiononFugou-Xiangchengexpresswayslope

CAO Wei1,2，LV Ruobing1，HE Huanyu1，TIAN Guohang1，ZHANG Guoyu3

(1. College of Forestry, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China; 2. Henan Institute of Science and Technology, Xinxiang 453003, China;3. Henan Expressway Development Co., Ltd., Zhengzhou, 450016, China)

In this paper, the research object is the Fugou-Xiangcheng expressway slope in Yellow River Flooding Sand Region. The community characters were investigated and the soil chemical properties were measured. Five typical vegetation communities were chosen in the same road section. Based on the synthesis scores of the five types vegetation communities from principal component analysis, the results were compared. We look forward to providing some advices on the plant arrangement and management for the expressway slopes. The ranking result of the five types of vegetation communities recovery is as follows: the communityBidenspilosaL.+ Broussonetia papyrifera (L.) L′Hér. ex Vent.+Conyzacanadensis(L.) Cronq, the community ofLoliumperenneL.+MedicagosativaL. +DaucuscarotaL., the community ofDaucuscarotaL. +BidenspilosaL. +MedicagosativaL., the community ofAmorphafruticosaL.+BidenspilosaL. and theEuonymusfortunei(Turcz.) Hand.-Mazz. community.

expressway; slope; vegetation community recovery

2015-11-20

河南省交通厅基金项目(2013J49；2014Z06；2015J02)

曹 娓(1982-)，女，河南新乡人，博士研究生，主要从事风景园林规划设计与高速公路路域景观生态研究。

田国行(1964-)，男，河南封丘人，教授，博士，博士研究生导师。

1000-2340(2016)06-0799-06

Q 948

：A