京港澳高速公路郑新段边坡植物群落稳定性

曹 娓，郭佳月，武小栖，肖玉哲，朱牛牛，郭 璟，马 杰，宋利利

（1. 河南科技学院园艺园林学院, 河南 新乡 453003；2. 河南省园艺植物资源利用与种质创新工程研究中心, 河南 新乡 453003；3. 甘肃永靖工业园区管理委员会, 甘肃 永靖 731600；4. 河南交通投资集团有限公司新乡分公司, 河南 新乡 450000）

高速公路建设推动了国家经济发展，但也对周边环境带来负面影响。据统计，我国每年形成的边坡面积高达2 亿～3 亿m2[1]，为了防止水土流失通常会在边坡上人工种植植物。因此，学者们对高速公路边坡生态修复开展了一系列研究，主要集中在植物物种多样性与土壤理化性质的关系[2-3]、土壤理化性质与植物根系特征关系[4-5]、土壤因子对植物物种组成分布的影响[6]等方面。稳定性是植物群落结构与功能的综合特征，是生态系统存在的必要条件和重要功能表现[7]。评价高速公路边坡植物群落稳定性，可以更好地了解植物群落发育状况与演替趋势，并能为后期人工干预提供理论依据，但目前有关植物群落稳定性的研究大多集中在人工林地[8]、森林[9]、荒漠草原[10]、草甸[11]等方面，关于高速公路边坡植物群落稳定性的研究相对较少，而早期建设的公路恢复距今多超过20 年，目前关于这个阶段边坡的现状以及植物群落的稳定性尚未见报道，因此，本研究通过对京港澳高速公路郑新段边坡植物群落稳定性开展研究，为后期植物养护与景观提升提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

京港澳高速公路河南段经过安阳、鹤壁、新乡、郑州、许昌、漯河、驻马店、信阳。该研究区域位于新乡市区东南部，属北温带大陆性气候，四季分明，冬寒夏热，秋凉春早，最高气温42.7 ℃，最低气温-21.3 ℃，历年平均气温14 ℃，7 月最热，平均27.3℃，1 月最冷，平均0.2 ℃，年平均降水量573.4 mm。研究路段隶属于京港澳高速郑新段，该路段于1997 年11 月通车，边坡早期种植植物为紫穗槐，播种密度为2～4 棵·m-2，目前已经恢复24 年，并形成了榆树(Ulmus pumila)、构树(Broussonetia payrifera)等天然植被，群落结构也由单一的灌木转变为乔木 + 草本、乔木 + 灌木 + 草本、灌木 + 草本等类型。

1.2 植物群落调研

2020 年10 月，对京港澳高速公路郑新段边坡植物群落与土壤进行调研与取样。首先对试验段高速公路边坡进行普调，发现乔木群落多集中在新乡路段，依据不同植物群落结构筛选出10 种具有代表性的植物群落，每种植物群落重复3 次，根据群落地理位置和优势种进行群落命名。由于该路段边坡均使用弓形架，因此以弓形架(3 m × 5 m)为单位设置样地[12]，共计30 个样地，每个样地在对角线上设置3 个1 m × 1 m 的样方，共计90 个样方，调查每个样方的植被情况，记录物种组成、物种高度、盖度、多度以及频度等。样地分布与基本情况如图1 和表1所示。

表1 研究路段群落名称与样地基本情况Table 1 Basic information of sample sites

图1 样地分布图Figure 1 Map of plot distribution

1.3 土壤取样与测定

使用100 cm3环刀分别取0-10 和10-20 cm两个土层土壤，每个土层重复3 次，取土后封好环刀并放入箱中，确保运输过程中土壤结构不被破坏；测定土壤化学性质时使用土钻，每个样地按“S”型采土，同一土层土样放入自封袋，充分混合后带回实验室，进行土壤肥力测定，每种植物群落对应的土壤均重复3 次。测定全氮(total nitrogen)、全磷(total phosphorus)、 全 钾(total potassium)、 有 效磷(available phosphorus)、速 效 钾(available potassium)、有效氮(available nitrogen)、有机碳(organic carbon)、土壤含水量(soil water content)和容重(soil bulk density)共9 个指标，其中土壤含水量和容重采用环刀法测定，土壤化学性质测定方法参照《土壤学实验实习教程》[13]。

1.4 数据分析方法

1.4.1 物种多样性与生物量

群落物种多样性指标包括物种丰富度指数(Richness，样地中物种数)、Shannon-Wiener 指数(H')、Pielou 均匀度指数(E)[14]。灌木和草本使用收割法，并用烘箱烘干、称重。乔木生物量通过生物量模型计算得到[15-16]，计算公式如下：

Shannon-Wiener 指数：

式中：S为出现在样方内的物种数，Pi为种i的相对优势度或重要值；W代表乔木生物量，H代表树高，a 取值0.031 5，b 取值0.985 5。

1.4.2 植物群落稳定性

本研究选取隶属函数法对高速公路边坡植物群落进行稳定性评价，该方法适用范围较广，不仅应用于森林群落[17]，也用于高速公路边坡植物群落[18]。本研究共统计13 个因子，其中植物群落多样性指标与生物量指标参考张梦弢等[17]、曹娓等[18]的方法分为乔木层、灌木层、草本层分别计算。因评价因子量纲不同，需要进行标准化处理，即评价因子实测值与评价因子最大值之比乘以1 000 得到，再计算出隶属函数值，具体计算方法公式如下：

2 结果

式中：U(Xijk) 为第i个群落类型第j个评价指标的第k个评价因子的隶属值；Xijk为第i个群落类型第j个评价指标的第k个评价因子的平均标准化值；Xkmin和Xkmax分别为所有群落第k个评价因子的最小值和最大值。最后，对每个群落的评价指标求均值得到平均隶属函数值，依次进行稳定性排序。使用SPSS 25.0 软件处理相关数据。

2.1 植物群落物种多样性

乔 木 层 的 测 定 结 果 显 示， 群 落3 和8 的Shannon-Wiener 指数、均匀度指数显著高于其他群落(P＜ 0.05)；丰富度指数显著高于群落2、4、5、7、9、10 的(表2)。灌木层的测定结果显示，群落1、2、3、4、7、8、9、10 因为没有生长灌木，所以其多样性指数和均匀度指数均为0。草本层是3 个群落层次中物种最为丰富的，Shannon-Wiener 指数多重结果以群落2 最高，显著高于群落4、5、6、7、8、10；群落5 最低，显著低于群落1、2、3、4、9、10，且均匀度指数也最低；丰富度指数以群落2 最高，显著高于群落3、4、5、6、7、8、9、10。

表2 研究路段10 种植物群落多样性Table 2 Diversity of 10 vegetation communities

2.2 群落生物量

因为群落结构不同，10 种植物群落生物量实测值差异较大(表3)，群落1、7 乔木层的生物量显著高于群落2、4、5、6、8、9、10 的(P＜ 0.05)；群落7 灌木层的生物量显著高于群落1、2、3、5、6、8、9、10 的；群落2 草本层的生物量显著高于群落3、4、5、6、7、8、9、10 的。

表3 研究路段10 种植物群落生产力Table 3 Productivity of 10 vegetation communities g

2.3 土壤肥力

分0-10、10-20 cm 两个土层测定土壤肥力，分别测定全氮、全磷、全钾、有效氮等指标(表4)。结果显示，群落3 在10-20 cm 土层有效氮含量显著高于群落1、2、4、6、7、8、9、10 (P＜ 0.05)。群落7 的有效磷含量在0-10 cm 土层显著高于群落5、6，群落10 有效磷含量在10-20 cm 土层显著高于群落1、2、4、5、6、9。群落3 两个土层的有效钾含量均显著高于群落1、2、4、6、7、8、9、10。有机碳的测定结果显示，群落10 在0-10 cm 土层显著高于群落4、6、7、8，而群落3 在10-20 cm 土层显著高于群落1、6、7。全氮的测定结果显示，群落10 在0-10 cm 土层显著高于群落8，而群落1 在10-20 cm 土层显著低于群落3、5、10。全钾测定结果表明，群落6 在0-10 cm 土层显著高于群落1、2、3、4、8、9、10，群落6 在10-20 cm 土层显著高于群落2、9、10。全磷测定结果显示，群落3 在0-10 cm 土层显著高于群落1、2、5、6、7、8，群落3 在0-10 cm土层1、2、4、5、6、7、8、9、10。群落7 在0-10 cm土层土壤容重显著高于群落5、6 以外的其他群落，而群落3 的10-20 cm 土层壤容重显著低于群落1、4、5、6、7、8、9。群落10 两个土层的含水量均最高。

表4 研究路段10 种植物群落土壤肥力Table 4 Determination of soil fertility of 10 vegetation communities

2.4 不同植物群落进行稳定性评价

将所有评价指标因子求其均值并进行稳定性排序(表5)，结果表明群落稳定性排序为关堤构树 ＞关堤榆树 + 紫穗槐 ＞ 张堤紫穗槐＋杠柳 ＞ 张堤榆树 + 紫穗槐 ＞ 张堤构树 + 紫穗槐 ＞ 原堤构树 = 原堤狗尾草 + 紫穗槐 ＞ 关堤紫穗槐＋黄花篙 ＞ 原堤葎草 + 构树 ＞ 张堤紫穗槐。

表5 研究路段10 种植物群落稳定性评价Table 5 Evaluation of the stability of 10 vegetation communities

3 讨论与结论

3.1 植被特征与群落稳定性的关系

高速公路边坡群落生产力和结构组成变化是对不同管理模式的直观反映[19]。物种多样性不仅是衡量群落结构和功能的指标，同时也对生态系统的稳定性具有积极作用。研究表明，生态系统的稳定性与物种多样性和复杂性密切相关，较高的物种多样性可以增加生态系统的稳定性[20]。也有学者认为单靠物种多样性分析不能够判断出群落稳定性，因为影响物种多样性的因素较多，而且物种多样性中的指标因子同时也存在着较大差异性，因而物种多样性复杂程度并不能完全代表群落稳定性[21]。曹娓等[18]对信南高速公路边坡植物群落稳定性的研究结果表明，物种多样性指标对群落稳定性影响较大。本研究结果表明，多样性指标最高的两个群落为原堤构树和张堤构树 + 紫穗槐，但这两个群落的稳定性却并不是最高，这可能与环境、气候条件和地域等因素之间存在差异有关。群落生产力是衡量群落生命力最直接的标志之一，也直接影响植物群落稳定性[22]，本研究结果表明，张堤榆树 + 紫穗槐群落生物量指标最高，但是稳定性并不是最强，主要原因是物种过于单一，导致多样性指数最小。

3.2 土壤特征与群落稳定性的关系

土壤肥力是衡量群落生态效益发挥能力的重要标志，从侧面反映了生态系统的恒定性、耐性、弹性和持久性等，这些指标都与生态系统的稳定性密切相关[23]。关堤构树群落的土壤肥力指标最高，物种多样性指标和生物量指标也相对较高，因此其群落稳定性最高；关堤榆树 + 紫穗槐群落的土壤肥力指标虽然不是最高，但生物量与物种多样性指标相对较高，因此其群落稳定性排第二；而原堤构树群落的土壤肥力指标虽然最小，但物种多样性较高，因此其稳定性并非最低。由此可见，影响植物群落稳定性的因素较多，是多种因素共同作用的结果。

3.3 高速公路边坡植物群落稳定性评价对后期人工干预的指导

通过对植物群落结构的分析发现，京港澳高速公路郑新段边坡稳定性较高的3 个群落中，生长有乔木的植物群落稳定性相对较高。如稳定性最高的关堤构树群落，群落结构为乔木 + 草本，该群落土壤肥力指标、物种多样性指标相对较高(表5)，所以排名最高。其次为关堤榆树 + 紫穗槐群落，群落结构为乔木 + 灌木 + 草本，因为群落木本植物多，群落层次丰富，生物量指标与物种多样性指标较高，稳定性排名仅次于关堤构树群落。但是考虑到乔木生长过旺可能带来的诸如倒伏、剐蹭车辆等安全隐患，通常高速公路养护部门在边坡建植初期不种植乔木，常见的群落结构以灌木 + 草本居多。然而考虑到乔木根系具有较好的锚定作用，能使边坡稳定性更加持久，因此有学者建议在边坡较低处种植乔木[24]，但该类做法更适宜于路堤边坡。本研究调研的10 种典型群落中，优势种含有紫穗槐的群落就有7 个，其中以灌木 + 草本组合形式的群落有4 个，即关堤紫穗槐 + 黄花蒿、张堤紫穗槐、张堤紫穗槐 +杠柳和原堤狗尾草 + 紫穗槐群落。研究结果表明，该类群落组合中，灌木层物种数较多的群落稳定性相对较高。因此本研究建议在边坡建植初期或者是后期人工干预过程中，可以适当增加灌木的种类，促进边坡植物群落稳定性。

实地调研发现，恢复23 年的边坡植被和群落结构更加丰富，可见大量高大的乔木，如榆树、构树，少量楝树(Melia azedarach)、槐树(Styphnolobium japonicum)与杨树(Populus tomentosa)，这预示着边坡植物群落演替到了一个新阶段。郁闭度较高的乔木群落中，已经较难生长灌木，更多的是草本。同时有葎草入侵的植物群落，稳定性较差，在葎草 +构树群落附近，能够看到受葎草影响而死亡的紫穗槐，这一现象说明，早期种植的目标植物由于适应性较差而被适应性更强的草本代替。有学者认为，在促进边坡稳定性方面，建植初期选择合适的先锋物种能够加快自然演替进程[25]，正确的先锋植物可以显著增加植物群落多样性，进而降低边坡被破坏的风险[26]。因此，建议边坡植物配置时可增加灌木种类，而不是单一的紫穗槐，可选择的灌木包括胡枝子(Lespedeza bicolor)、荆条(Vitex negundovar.heterophylla)、杠柳等。草本类可选择多年生草本，如调研中常见乡土植物艾草(Artemisia argyi)、狗牙根(Cynodon dactylon)、猪 毛 蒿(Artemisia scoparia)、节节草(Equisetum ramosissimum)、红花酢浆草(Oxalis corymbosa)、紫花苜蓿(Medicago sativa)等。

综上所述，通过对京港澳高速公路郑新段边坡10 种典型植物群落稳定性评价发现，关堤构树群落、关堤榆树 + 紫穗槐群落以及张堤紫穗槐 + 杠柳群落稳定性相对较高。分析稳定性较高的植物群落，发现有乔木的植物群落稳定性相对较高，对于群落结构为灌木 + 草本的群落，灌木层物种相对丰富的群落稳定性较高。使用隶属函数法评价高速公路边坡植物群落稳定性，找到合适的群落结构类型以及物种，用于指导新建边坡植物配置或是对现有边坡进行景观提升具有现实意义。