關中平原高速公路路堤邊坡土壤養分與植被群落α多樣性變化

張小娟，高照良，2，李 晶，田紅衛

（1.西北農林科技大學 資源環境學院，陜西 楊凌712100；2.西北農林科技大學 水土保持研究所，陜西 楊凌712100）

在高速公路建設中，為滿足技術要求，不可避免地回填和碾壓工程渣土，形成填方路堤。路堤邊坡穩定性差、土壤結構混亂無規律、養分匱乏、無原生植被。為了增強路堤邊坡的穩定性、防治水土流失、美化公路，在公路建設過程中必須進行路堤邊坡植被的恢復與重建。植被和土壤的相互作用不斷影響著土壤質量，而土壤質量水平又直接影響到邊坡植被恢復的后期效果［1］。

有研究表明，土壤理化性質與植物群落演替之間的關系十分密切［2］。關于植被恢復和土壤質量前人已經做了很多研究，發現土壤養分影響著植物的生長發育、生理活力和物種多樣性［3－4］，進而影響系統的穩定性［5］。

目前對人工干擾狀態下的土壤性質及植物群落的研究較少，對公路邊坡物種多樣性及其與土壤特性關系的研究更少。本文以野外植被調查和室內土壤實驗為基礎，選擇植被恢復3，9，16，17，19，40a高速公路路堤邊坡為研究對象，采用時空代換法對關中平原高速公路路堤邊坡土壤養分、植被α多樣性特征及二者之間的關系進行探討分析，旨在為類似擾動區域植被的恢復與重建提供參考依據。

1 研究區概況

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）五段公路為研究對象，其中三段高速基本以直線沿關中平原東西延伸，與西寶中線平行。公路所經關中地區（32°19′—35°12′N，107°37′—109°14′E）主要涉及臨潼、西安、興平、咸陽、楊凌、武功、寶雞等縣（市、區）。區域西窄東寬，海拔約325～800m，長約210km。本區地貌類型較均一，以渭河平原為主；氣候屬大陸性季風氣候，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

在研究區內，植被恢復年限參考通車年限，以人工植被（物種）一致性、邊坡坡長、坡度、坡向、土壤、氣候條件等生境一致性為原則［6］，以恢復40a的路基邊坡為對照，采用空間序列代替時間序列的方法進行研究。設置固定樣地：長沿公路走向20m、寬平行公路坡向。樣地基本情況見表1。

于2010年4月在樣地內隨機選取三點，按表層和亞表層分別（0—10，10—20cm）取樣，帶回實驗室處理。室內實驗方法：有機質為重鉻酸鉀容量法；全氮為凱氏定氮法；速效磷為鉬銻抗比色法；無機氮通過流動分析儀獲取。于2010年8月對樣地進行植被調查，調查方法為：在每個樣地選取3個1m×1 m樣方進行種類、高度的調查。植被α多樣性分析選取豐富度指數、多樣性指數和均勻度指數。

表1 路堤樣地基本情況

式中：S——群落中的物種數目；N——所有物種的個體數；Ni——第i個物種的個體數，Pi＝Ni／N。對土壤質量隨植被恢復年限的變化及其主要影響因素進行分析時，主要針對12個樣地（0—10cm和10—20 cm）中土壤養分中的有機質、全氮、速效磷、銨態氮，進行主成分分析（樣本數24），并進行土壤質量的綜合評價及排序。數據分析采用Excel 2003、DPS 7.5和SPSS 17.0。

3 結果與分析

3.1 路堤邊坡土壤質量分析

土壤有機質、全氮和速效磷是土壤養分的重要組成部分，是體現土壤肥力水平的重要指標。它們不僅可以提供植物生長所需養分，還可以影響土壤理化性質及生物學性質［7］，對土壤質量的改善起到重要作用。土壤有機質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，依據國家第二次土壤養分分級標準均處于中等、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。在植被恢復過程中，恢復年限、土層和坡向是影響土壤養分的重要因素。

3.1.1 土壤養分特征隨植被恢復年限的變化 隨著恢復年限的延長，高速公路路堤邊坡土壤有機質、全氮、速效磷在土壤中不斷積累，含量均呈增大趨勢（圖1），恢復17a時達到峰值，體現出植被對土壤重要的培肥作用。銨態氮和硝態氮是土壤中無機氮的主要存在形式，由圖1可知，土壤中銨態氮含量遠大于硝態氮，二者的變化規律均為先增大后減小，恢復17a時達最低值。硝態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氮含量遠大于硝態氮。隨著恢復時間的延長，植物對銨態氮的吸收利用和銨態氮的不穩定性使其含量呈降低趨勢，且降幅較大。而硝態氮的淋溶和銨態氮的轉化使硝態氮含量保持在相對穩定狀態，變化較小。植被恢復過程中，由于強烈的人工干擾，僅有陽坡下層的全氮和恢復年限呈顯著正相關（P＜0.05），相關系數為0.871，其余相關性不明顯。

3.1.2 土壤養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生在表層，土壤有機質、全氮、速效磷含量均表現出上層（0—10cm）大于下層（10—20cm），且陽坡上層和下層的有機質含量、陰坡上層和下層的速效磷含量、陰坡上層和下層的銨態氮含量均呈顯著正相關（P＜0.05），相關系數分別為0.909，0.870，0.873；陽坡上層和下層的銨態氮含量呈極顯著正相關（P＜0.01），相關系數為0.985。

3.1.3 土壤養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坡所受的光照強，土溫較高，土壤有機質礦化速率較快，從而引起土壤養分的減少。上層陽坡和陰坡的有機質、全氮含量呈極顯著正相關（P＜0.01），相關系數分別為0.923，0.932；下層陽坡和陰坡的有機質、銨態氮、速效磷含量呈極顯著正相關（P＜0.01），相關系數分別為0.968，0.946，0.920。

經方差分析，不同恢復年限，陰面和陽面邊坡有機質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；陽面F 值為40.366，P 值為0.001 4，P＜0.01）。對有機質進行多重比較（表2）可知：陰坡、陽坡的有機質含量從17a開始存在顯著差異，且含量達最高水平。這可能是由于陰陽坡群落多樣性的不一致造成的。由于人為因素的影響，有機質含量與對照年限差異顯著，要恢復到自然狀態還需要較長的時間。

圖1 土壤有機質、速效磷、全氮、銨態氮、硝態氮隨年限的變化

3.1.4 不同土壤養分間的關系 土壤氮素含量主要決定于生物量的積累和有機質的分解強度，土壤全氮是土壤肥力的主要指標之一，極大程度地影響著土壤的質量。由于土壤表層中約80%～97%的氮［8］存在于有機質中，因此有機質積累對土壤氮素的含量起著主導作用。由土壤養分之間的相關性分析知（表3）：陰坡上層的有機質和全氮含量存在著極顯著正相關關系，相關系數達0.887；陽坡上層的硝態氮和全氮含量呈極顯著負相關（P＜0.01），相關系數為－0.926；陰坡下層的硝態氮和全氮含量呈顯著負相關（P＜0.05），相關系數為－0.835。

表2 邊坡有機質的LSD比較

3.1.5 土壤質量隨植被恢復年限的變化及主要影響因素 對土壤養分中的有機質、全氮、速效磷、銨態氮的主成分分析表明，在成分矩陣（表4）中，根據0.5原則，因子1在變量有機質、銨態氮、全氮上有較大的負荷；因子2在速效磷上有較大負荷。因此它們可以較全面地代表土壤的養分狀況。排序結果見表5。（注：本分析中特征值＞1，累積貢獻率為90.064，KOM檢驗值為0.547。）

表3 相關矩陣

表4 成分矩陣

從表5可以看出不同恢復年限、不同坡向、不同土層土壤質量的綜合排序為：40a（陰A）＞9a（陰A）＞17a（陰A）＞16a（陰A）＞40a（陽A）＞40a（陰B）＞40a（陽B）＞16a（陽 A）＞17a（陽 A）＞19a（陰A）＞9a（陽 A）＞17a（陰B）＞3a（陰 A）＞16a（陰B）＞3a（陽A）＞17a（陽B）＞9a（陰B）＞16a（陽B）＞19a（陽A）＞3a（陰B）＞3a（陽B）＞19a（陰B）＞9a（陽B）＞19a（陽B）。

表5 各樣地主成分得分及排序

（1）總體來看，恢復年限為40a的對照樣地在不同恢復年限中土壤質量綜合排名最高；恢復年限為17a的排名第二，恢復年限為16a的排名第三。即關中平原高速公路路堤邊坡恢復到17a時土壤質量較高，最接近自然土壤，恢復16a的次之。可見，恢復時間越長，土壤質量越高，越接近自然狀況。而恢復19a的土壤質量比恢復3a的還要差，這主要是由于人工植被的建立對土壤性狀改良產生了深刻的影響，且恢復初期在較強的人為管護下，土壤質量較高；但隨著恢復年限的增加和人工管護的差異，土壤養分被消耗但尚未形成穩定群落，因而造成恢復19a后土壤質量較差的現象。

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

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

3.2 物種多樣性隨恢復年限的變化

路堤邊坡共有6種人工植物群落，共發現72個自然物種，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。陰面和陽面邊坡的植被種類相似，但陽面邊坡植物長勢明顯優于陰面邊坡。

由圖2可知，隨著群落演替的進行，植被物種豐富度 Margalef指數、Simpson指數、S—W 指數及Pielou指數均呈增大趨勢，即隨著植被恢復，植物的物種豐富度、多樣性及均勻度越來越高，陽坡、陰坡分別在植被恢復17a、19a時達到最高水平。但與對照年限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

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

3.3 路堤邊坡群落物種多樣性與恢復年限和土壤養分的關系

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

表6 群落物種多樣性與恢復年限和土壤養分的相關性

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

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年限和土壤中硝態氮含量的影響。此外，由于邊坡人為管護作用較強，人為因素對群落的α多樣性也起到決定性作用。

4 結論與討論

隨著恢復年限的延長，高速公路路堤邊坡土壤中的有機質、全氮含量均呈增大趨勢（其中：陰坡＞陽坡，上層＞下層），且二者之間存在著極顯著正相關關系，恢復17a時達到峰值，體現出植被恢復對土壤有重要的培肥作用；同時，植物對土壤的培肥作用使土壤中銨態氮、硝態氮含量在恢復初期先增加，隨后由于植物的吸收和邊坡徑流作用，銨態氮含量明顯降低，恢復17a時達最低值。而硝態氮則一直維持在相對穩定的狀態。植被恢復過程中，恢復年限、土層、坡向是影響土壤養分特征的三大主要因素。全氮含量受恢復年限的影響最明顯。有機質、速效磷、銨態氮含量與不同土層及不同坡向間存在一定相關性。

不同恢復年限、不同坡向，群落的豐富度指數和多樣性指數、多樣性指數和均勻度指數差異顯著。邊坡群落的α多樣性主要受到恢復年限和土壤中硝態氮含量的影響。隨著恢復年限的延長，群落α多樣性先減小后增大。恢復16a時，人工植被繡球小冠花占絕對優勢，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，陽坡和陰坡的群落α多樣性分別在恢復17a和19a后達最高水平。而隨著恢復年限的延長，土壤質量先增大后減小，在植被恢復17a時達最高水平，16a次之。但不論是群落α多樣性還是土壤質量水平，與對照40a相比仍具有一定差距，說明本次研究的高速公路路堤邊坡并未達到穩定群落，在較少的人為作用下將朝著自然演替方向進行。

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