黃土區高速公路植被恢復模式與群落結構分析

郭 文，王天偉，高照良，2

（1.西北農林科技大學 資源環境學院，陜西 楊陵712100；2.中國科學院 水利部 水土保持研究所，陜西 楊陵712100）

隨著高速公路的快速發展，各種擾動土地大量增加，擾動土地的植被恢復成為高速公路建設中一個不可忽視的問題［1－3］。邊坡防護是高速公路擾動土地植被恢復的重要內容，并受到人們的關注。在高速公路上常見的護坡模式有掛網噴播、骨架植草，穴狀植草護坡等。不同的護坡模式，由于土層厚度、土壤肥力和施工方式等不同，植被恢復的效果也有很大差異。不同的護坡模式，自然植被入侵的頻率和相對密度，是否有很大差異。不同的護坡模式的植被恢復有什么差異，他們的建群種，伴生種是否一致。本文以銅川至黃陵至延安高速公路（簡稱銅延高速）為例，分析不同護坡模式間植被的生長密度，人工植被與自然植被的出現頻率以及它們之間的相關性。

1 研究區概況

銅延高速公路是西部大通道“包（頭）茂（名）線”在陜西境內的重要路段，也是陜西省“2637高速公路網”的組成部分，北接延安至安塞高速公路，南與西銅一級公路在黃堡主線收費站處相連，途經銅川市、宜君縣、黃陵縣、洛川縣、富縣、甘泉縣和延安市寶塔區，是連接陜北與關中乃至全國各個城市的重要交通干線，對沿線的經濟發展和交通便利起著非常重要的作用，全線于2006年9月建成通車。公路全線位于黃土高原丘陵溝壑區，屬于暖溫帶大陸性半干旱氣候。春暖干燥，降水較少，氣溫回升快且不穩定，多風沙天氣；夏季炎熱多雨，間有伏旱；秋季涼爽較濕，氣溫下降快；冬季寒冷干燥，雨雪稀少。年均氣溫9.4℃，極端最低氣溫－25.4℃，極端最高氣溫39.9℃，年均降水量550～650mm。公路沿線是黃綿土，土壤pH 8.2～8.9，植被屬于森林草原地帶。草本以白羊草（Bothrlochloa ischaemum （L.）Keng.）、鐵 桿 蒿（Artemisia sacrorum Ledeb.）、黃 背 草 （Themeda triandra var.japonica）、長芒草（Stipa bungeana）、蒲公英（Taraxacum mongolicum）等為主，主要樹種有側柏（Platycladus orientalis（L.）Franch.）、山楊（Populus davidiana Dode.）、油松（Pinus tabulaeformis Carr.）、酸 棗 （Ziziphus jujuba Mill.var.spinosa（Bge.）Hu.）、荊條（Vitex negundo var.heterophylla）、狼牙刺（Sophora viciifolia）、白樺（Betula platyphylla）、刺槐（Robinia pseudoacacia）、小葉楊（Populus simonii）、旱柳（Salix matsudana）等。

2 研究方法

2.1 植被調查

研究選擇銅延高速公路上應用得最多的穴狀整地植草、掛網噴播植草和骨架植草3種典型的生態護坡模式為研究對象，植被調查時間為2008年7月，采用GPS定位，分別設置固定樣地，進行定位監測。每種模式選取6個具有代表性的土質邊坡作為研究樣地，樣地沿公路走向方向長10m，等距離設置1m×1m的樣方，調查并記錄樣地邊坡植被的蓋度，樣地總株樹，以及各物種數等指標。

2.2 分析方法

首先通過對不同樣地覆蓋度、多樣性指數等植被恢復因子成效進行分析，根據恢復成效的不同將18塊樣地進行了分類，并比較了這些差異產生的原因，根據不同植物的出現頻率和相對密度，對每種護坡模式的植物種進行了聚類分析，區分了建群種與主要入侵種、伴生種。聚類分析采用SPSS 16.0軟件，首先對數據進行標準化處理，并根據歐氏距離法計算對象間的距離［4］。論文應用到的公式如下：

出現頻率＝植被在樣地中出現的次數

相對密度Pi＝某一種的個體數目／全部種的個體數

Shannon－Weaner指數：

式中：H——Shannon－Weaner指數；S——物種數。Pielou指數：J＝ H／lnS

式中：J——Pielou指數；H——Shannon－ Weaner指數；S——物種數。

歐式距離：

式中：m——每個樣本有 m 個變量；dy——歐氏距離；xik，yik——物種或樣地的屬性值。

3 結果分析

3.1 不同護坡模式的植被恢復效果分析

覆蓋度直接關系著植被護坡的水土保持效果［5］，而Shannon－Weaner指數、Pielou指數反映了植物群落間的物種多樣性［6］，是反映植物群落穩定性與演替過程的重要指標，根據上述指標對不同樣地的植被恢復效果進行了聚類分析，詳見圖1。

圖1 植被恢復效果的聚類分析

從圖1可以看出，若類間距λ＝9時，可將18塊樣地的植被恢復成效分成4種類型。其中第1類型包括5塊樣地，其中掛網模式居多（樣地7、樣地9、樣地10），生境以陽坡為主（樣地3、樣地9、樣地10），這一類型中平均植被覆蓋度66.85% ，Shannon－Weaner指數、Pielou指數的平均值分別為0.83和0.69。第2類型也包括5塊樣地，掛網模式（樣地11、樣地12）與骨架模式（樣地13、樣地14）各有2塊，生境以陰坡為主（僅樣地14為陽坡），這一類型中平均植被覆蓋度為80.8%，Shannon－weaner指數、Pielou指數的平均值分別為0.72和0.66。第3類型僅有3塊樣地，其中穴狀植草占其中的2／3（樣地2、樣地4），生境均為陽坡，這一類型中平均植被覆蓋度為52.33%，Shannon－Weaner指數、Pielou指數的平均值分別為0.91和0.76。第4類型的5塊樣地均為骨架植草（樣地6、樣地15、樣地16、樣地17、樣地18），生境以陰坡占多數（樣地6、樣地15、樣地16），這一類型中平均植被覆蓋度為98.6% ，Shannon－Weaner指數、Pielou指數的平均值分別為0.64和0.43。

3.2 不同護坡模式下群落結構分析

在每種護坡模式下，根據不同植物種出現頻率和相對密度對植物群落的物種結構進行聚類分析，確定在植被恢復中分別發揮不同作用的建群種、主要入侵種、伴生種，并對不同護坡模式植被恢復的差異進行了分析。

3.2.1 穴狀植草護坡模式的植被種類分析 穴狀植草護坡模式中6塊不同的樣地人工種植的植物分別是苜蓿＋檸條（樣地2至樣地5）以及單純苜蓿（樣地1），隨著植被恢復年限的延長，新的植物物種不斷從周邊生境中遷入到高速公路路域并定居，使高速公路邊坡群落的物種結構進一步復雜化，在穴狀植草護坡的6塊樣地，共發現有植物14種，其中除苜蓿和檸條外，其余12種均為遷入的野生種。根據出現頻率與相對密度對這14中植物進行聚類分析，詳見圖2。

圖2 穴狀植草護坡植物種類聚類分析

可以看出，如若取λ＝9的類間距，6個樣地的14種植物可分為3大類，其中苜蓿和檸條兩種人工植被為第一類，出現頻率和相對密度都遠高于其它物種，在群落中處于優勢地位，屬于建群種。豬毛蒿和鐵桿蒿處于第2類，是自然入侵物種，僅次于苜蓿和檸條。其中，穴狀植草模式中苜蓿、檸條、豬毛蒿、鐵桿蒿4種主要植物種的出現頻率與相對密度如表1所示。

從表1可看出，豬毛蒿和鐵桿蒿屬于當地的野生物種，在該區域中處于優勢地位，由于處在植被恢復初期，人工植被仍占主要位置，但是野生物種對于人為干擾區域內的植被恢復有著關鍵作用，在該高速公路植被恢復的未來幾年內，當地野生物種如豬毛蒿和鐵桿蒿之類物種的侵入在逐年增長，種間競爭將非常激烈，是植被群落結構形成的關鍵階段。

表1 穴狀植草模式主要植物種的出現頻率與相對密度

3.2.2 掛網噴播護坡模式的植被種類分析 根據調查資料，掛網噴播的邊坡植被種類比較單一，幾乎沒有自然植被入侵，人工植被仍然是苜蓿和黑麥草，兩種植被的出現頻率均為10，苜蓿的相對密度為0.76，而黑麥草的僅0.24，由此可看出二者之間的差異較大，樣地中苜蓿占主要位置，種間競爭中苜蓿遠高于黑麥草。

基于這兩種物種的不同特性，苜蓿屬于豆科草本植物，具有固氮的作用，因此在其生長期間，氮元素的含量較禾本科植物黑麥草要豐富很多，養分相對處于優勢地位，整體水平高于黑麥草，在掛網噴播中起主導作用。

3.2.3 骨架植草護坡的植被分析 骨架護坡6個樣地中，人工種植的植物主要有苜蓿、小冠花＋檸條、小冠花＋黑麥草3種不同的類型。聚類分析的結果（如圖3）顯示人工植被在邊坡植物群落中仍占主要部分，無論出現頻率還是相對密度，小冠花和檸條均處于優勢種的地位。其中，它們的出現頻率分別為8和6，相對密度則為0.51和0.45。在自然植被中，草木樨優勢相對較強，其出現頻率和相對密度為3和0.01。草木樨屬于1－2年生的豆科草本植被，基于本身的固氮作用，生長環境相對處于優勢地位，在該群落中處于伴生種位置。地丁、胡枝子、飛廉、豬毛蒿、黑麥草、苜蓿、刺槐、鳳毛菊、細裂葉蓮蒿、蓑草、冰草、苦蒿，均屬于偶見種。

4 討論

（1）從以上分析可以看出，綜合比較3種護坡模式，人工植被均屬于優勢種，從另一方面講，銅延高速的邊坡恢復初期比較成功，并未出現大量當地物種入侵的現象，從而保證了邊坡植被恢復的景觀效果。

在苜蓿、檸條、小冠花、黑麥草4種人工栽植的植物中，苜蓿、檸條、小冠花均可能成為優勢種，而黑麥草為伴生種，不論是與苜蓿混種還是與小冠花混種，其相對密度都要低于對方，檸條與苜蓿＋檸條的相對密度要低于苜蓿，檸條與小冠花混種二者的密度差不多。

圖3 骨架植草護坡植物種類聚類分析

（2）在3種護坡模式中，掛網模式中的植被較單一，主要為苜蓿和黑麥草，且苜蓿的相對密度明顯高于黑麥草，表明該群落的物種較單一，植被恢復的穩定性差，不利于邊坡植被恢復的長久發展［7］。

（3）在穴狀和掛網模式中，苜蓿都占主要地位，穴狀模式的自然入侵較掛網要顯著，外來物種豬毛蒿和鐵桿蒿已經開始入侵，優勢度僅次于人工植被苜蓿和檸條。在穴狀和骨架植草模式中，人工植被檸條屬于優勢種，但在骨架模式中，外來物種的入侵不顯著，均屬于伴生種。

總之，在高速公路的邊坡防護中，自然入侵物種對人工栽植的物種有很重要的影響，自然物種的侵入在一定程度上決定著邊坡植被群落演替的方向，邊坡植被恢復的成敗。人工植被的衰退，會造成邊坡的重新裸露。近年來，關于高速公路裸露邊坡恢復機理的研究還較少［8］，對于不同地帶的不同類型的邊坡到底適合何種植被的生長，今后還需要進行更多的深入分析。

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［6］ 相輝，岳明.陜北黃土高原森林植被數量分類及環境解釋［J］.西北植物學報，2001，21（4）：726－731.

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