海南高速公路東線邊坡植物群落物種多樣性及其與環境關系

趙懷寶,陳 鑌,陳道運,陳 威,黎 明

(1.海南熱帶海洋學院 生命科學與生態學院,海南 三亞 572022;2.三亞新大興園林生態工程有限公司,海南 三亞572022)

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海南高速公路東線邊坡植物群落物種多樣性及其與環境關系

趙懷寶1,陳 鑌1,陳道運1,陳 威2,黎 明1

(1.海南熱帶海洋學院 生命科學與生態學院,海南 三亞 572022;2.三亞新大興園林生態工程有限公司,海南 三亞572022)

沿海南省東線高速公路設置13個樣地,對其進行植被群落物種多樣性調查,并采集樣地土壤,測定含水量、pH、有機質、全N、電導率等指標,探討植被群落物種多樣性、群落類型以及α多樣性指數與土壤因子的關系.結果表明:樣地共調查到植物43種,分屬17科41屬,其中,禾本科、豆科分占物種總數的23.25%、18.60%.狗牙根、蟛蜞菊、野扁豆、紫莖澤蘭在其群落中重要值都在0.2以上.根據TWINSPAN分類結果,將樣地植物劃分為四個群落類型:厚藤—蕨—蟛蜞菊,狗牙根—蟛蜞菊—假馬草,紫莖澤蘭—野扁豆—土牛膝,黃花稔.高速公路邊坡的α多樣性偏低.Margalef指數、Shannon-Weiner指數與含水量正相關,Pielou指數與含水量負相關.Shannon-Weiner指數、Simpson指數與有機質、全N、pH、電導率正相關,與C/N負相關,Margalef指數剛好相反,表明土壤含水量是邊坡植被α多樣性差異的最主要影響因子.

植物群落;α多樣性;土壤因子;典范對應分析

0 引言

高速公路邊坡植被在防止水土流失、改善公路景觀方面發揮著重要作用.但在公路建設過程中,土壤擾動大、貧瘠、坡度大、難于管理等問題困擾著邊坡植被物種的選擇和植被建植.通過公路邊坡植被群落物種多樣性和演替規律的研究,可以為邊坡綠植恢復和重建的物種選擇、恢復重建及長期的監測管理提供依據.

物種多樣性是群落穩定性的基礎.物種組成決定群落的性質、結構和功能[1].李娟等分析了懷新高速公路邊坡植物群落特征[2].于燕華等選擇四川省成昆鐵路沿線不同坡向的土質路塹邊坡和巖質路塹邊坡,對邊坡植物群落的植被類型及其結構特征、邊坡植被恢復物種組成及其特征進行了調查研究[3].王倩等以遂渝鐵路邊坡植物群落為研究對象,分析了遂渝鐵路邊坡草本植物多樣性季節動態和空間分布特征[4].

植被群落物種多樣性與環境因子的關系是生態學研究的熱點問題.李新榮等研究表明土壤養分有機質、N與物種多樣性指數之間存在顯著的相關性[5].趙洋毅等研究表明,物種多樣性與土壤有機質關系密切[6].劉麗麗等研究表明,夏蠟梅群落物種多樣性與土壤有機質含量也呈正相關等[7].但J.S. Rentch等對弗吉尼亞西部高速公路邊坡群落研究表明,公路邊坡不同位置的土壤養分之間差異極小,植物群落組成沒有明顯差異[8].

本研究利用對海南東線高速公路自南向北所創設的邊坡生境,開展植被植物群落多樣性的調查,劃分群落類型,為邊坡植被恢復物種選擇提供依據;并分析群落多樣性與土壤因子的關系,為邊坡植被的長期監測和管理措施的制定提供參考.

1 研究方法

1.1調查及測定方法

在海南東線高速三亞至海口段自南到北的邊坡設置13個樣地.植被調查采用典型樣方法,在每個樣地中,設置4個1m×1m的草本樣方,分別記錄每種草本的物種數、個體數、蓋度等指標.同時,還測定了土壤的含水量、pH、有機質、全N、電導率.用環刀采集樣方內0-15cm混合土樣,采用烘干法測定含水量,用酸度計法測定pH,采用重鉻酸鉀容量法測定有機質,采用凱氏定氮法測定全氮,用DDSIIA電導率儀測定電導率.1.2數據整理與統計分析

植物群落的α多樣性是群落物種多樣性的重要指標[9].在α多樣性指數中, Margalef指數是最簡單也是相對可靠的測定方法[10],但是,該指數與取樣面積存在比例關系并且忽略了相對優勢度、重要值.Simpson指數對于均勻度的敏感性高于Shannon-Wiener指數,而Shannon-Wiener指數對于物種豐富度的敏感性高于Simpson指數[11],計算群落α多樣性時,會出現物種豐富度的增加,被不斷降低的均勻度抵消的現象.鑒于此,本文將用Margalef指數,Pielou指數,Simpson指數,Shannon-Weiner指數共同測算,預期更全面地反映α多樣性.各指數計算公式如下:

重要值(Pi)=(相對多度+相對蓋度+相對頻度)/3,

Marglef指數(R)=(S-1)/lnN，

應用WinTWINS進行植物群落分類,應用Canoco4.5進行典范對應分析(CCA)分析植被物種多樣性與環境的關系[12].

2 結果與分析

2.1 植物群落物種多樣性

13個樣地共調查到植物43種,分屬17科,41屬,其中禾本科、豆科占物種總數的23.25%、18.60%.狗牙根、蟛蜞菊、野扁豆、紫莖澤蘭在其群落中重要值都在0.2以上,是優勢物種.

2.2 群落類型

根據TWINSPAN分類結果,將調查樣地劃分為以下四個群落類型:

群落Ⅰ.厚藤—蕨—蟛蜞菊(Ipomoea pescaprae—Pteridium aquilinum—Wedelia chinensis),包含一個樣地,即2號樣地,海拔22.48m,陰坡.土壤為紅壤,pH5.25.該群落的優勢種為厚藤,與其伴生的物種有蕨、蟛蜞菊、含羞草.

群落Ⅱ.狗牙根—蟛蜞菊—假馬草(Cynodon dactylon—Wedelia chinensis—Stachytarpheta jamaicensis),包括編號為1、3、4、5、7,五個樣地.該群落分布于海拔16m～23m,坡向類型包括1、3和4樣地,為陽坡,5、7樣地為陰坡.該群落的優勢種為蟛蜞菊,伴生種為狗牙根、土牛膝.

群落Ⅲ.紫莖澤蘭—野扁豆—土牛膝(Eupatorium odoratum—Dunbaria villosa (Thunb.) Makino— Achyranthes aspera),包括編號為6、8、9、10 、12、13五個樣地.該群落分布于海拔 24.20m～67.00m,坡向類型包括10、12為陽坡,6、8、9和13為陰坡.該群落的優勢種為紫莖澤蘭,伴生種為銀合歡、狼尾草.

群落Ⅳ.黃花稔(Sida acuta Burm),包括一個樣地,編號為11.該群落的海拔分布為27.60m,坡向類型陽坡.該群落僅有黃花稔一個物種.

2.3α多樣性指數變化趨勢及其與環境的關系

2.3.1α多樣性指數變化趨勢

各樣地α多樣性指數見表1.由表1可知,P7的Margalef指數、Shannon-Weiner指數最高;P2的Simpson指數最高;P12的Pielou指數最高.但α多樣性整體偏低.其中P11因存在著大量入侵物種新銀合歡,僅黃花稔一種物種,所以出現了Margalef指數、Pielou指數為0的情況.

表1 13個樣地α多樣性指數

研究地陰坡、陽坡樣地由南到北的排序中物種數和α多樣性指數的變化結果趨勢圖如圖1. 陰坡的物種數和α多樣性都比陽坡高.

圖1 樣地由南到北α多樣性指數的變化

2.3.2 土壤因子變化趨勢

土壤因子由南至北的變化趨勢見圖2.由圖2可知, P5土壤質地為沙土,含水量最低. P2為紅壤,pH值為5.25,有機質、全N偏低. P4有機質高達110.71g/kg、全N 2.781g/kg、電導率值196 us/cm,但該樣地α多樣性并不是最高的,優勢種蟛蜞菊占據了主導地位.由圖3-2可知,含水量、有機質、全N、C/N有增加趨勢,pH、電導率有減少趨勢,有機質、全N、電導率的變化趨勢相似的.

圖2 土壤因子由南到北的變化趨勢

2.3.3 α多樣性指數與土壤因子關系

CCA分析所得結果如圖3. pH、有機質、全N、電導率與第一排序軸正相關,有機質、全N、電導率表現出了極大的相關性,含水量與第二排序正相關.α多樣性與土壤因子的相關性表明,Margalef指數、Shannon-Weiner指數與含水量正相關,Pielou指數與含水量負相關.Shannon-Weiner指數、Simpson指數與有機質、全N、pH、電導率正相關,與C/N負相關,Margalef指數剛好相反.

圖3 植被α-多樣性指數與土壤因子典范對應分析的雙軸排列圖(S1:Margalef指數; S2:Simpson指數; S3:Shannon-Weiner指數;S4:Pielou指數.HS:含水量; YJZ:有機質; D:電導率; CN:C/N.)

四個多樣性指數與六個環境因子的Pearson相關分析如表2. α多樣性指數與6個土壤因子的相關性都未達到顯著水平.比較圖3中環境因子的連線長度可知,各因子影響的大小依次為:含水量>電導率>全N>有機質>C/N>pH,這表明土壤含水量是α多樣性差異的最主要影響因子.

表2 α多樣性指數與環境因子的相關性

(注:- 表示運算未有結果)

圖4 物種與土壤因子典范對應分析的雙軸排列圖(1蟛蜞菊、2紫莖澤蘭、3馬松子、4含羞草、5假馬草、6馬唐、7穿心蓮、8鏈莢豆、9闊葉豐花草、10假臭草、11三點金、12狗牙根、13心形黃花稔、14葉下珠、15地錢草、16野扁豆、17山蔞葉、18海刀豆、19虎尾草、20芒草、21看麥娘、22紅尾翎、23峨眉蕨、24葫蘆茶、25厚藤、26了哥王、27紅毛草、28假高粱、29無刺含羞草、30籬欄網、31牛筋草、32鬼針草、33龍珠果、34土牛膝、35火索麻、36肖梵天花、37狼尾草、38銀合歡、39小心葉薯、40巴西含羞草、41黃花稔、42黃花草、43糙葉豐花草)

2.4 物種分布與環境的關系

物種和土壤因子的CCA排序分析結果如圖4所示. 43個物種中,馬唐、紅毛草在含水量較大時比其他物種更具有最適量;鬼針草在C/N較大時比其他物種更具有最適量;在有機質較大時虎尾草比其他物種更具有最適量;鏈莢豆在全N較大時比其他物種更具有最適量;籬欄網在電導率較大時比其他物種更具有最適量;銀合歡在pH較大時比其他物種更具有最適量.

3 結論與討論

物種多樣性對于生態系統的功能和穩定起決定性作用,研究群落物種多樣性有助于了解物種的空間分布規律,能夠揭示群落多樣性與環境的相互作用過程[13].本研究發現:邊坡含水量低,有機質、全N缺乏,豆科和禾本科植物占優勢.陰坡比陽坡更有利于植被的生長.這與肖蓉等對銅延高速公路邊坡植物進行了調查分析結果是一致的[14].根據TWINSPAN分類結果,將樣地植物劃分為四個群落類型,群落Ⅱ是以狗牙根—蟛蜞菊—假馬草為優勢種的群落,群落Ⅲ是以紫莖澤蘭—野扁豆—土牛膝為優勢種的群落,其中狗牙根、蟛蜞菊、野扁豆、紫莖澤蘭重要值都在0.2以上.

高速公路邊坡特殊的地理位置和自然條件決定了邊坡植被生態系統的脆弱性和不穩定性,該地區物種組成較為簡單,共發現43種植物,與海南省植物群落物種多樣性相比,α多樣性指數較低[15].同時得出:沿高速路由南到北的變化中含水量、有機質、全N、C/N有增加趨勢,pH、電導率有減少趨勢,有機質、全N、電導率的變化趨勢是相似的.

李新榮等研究表明土壤養分有機質、N與物種多樣性指數之間存在顯著的相關性[5],趙洋毅等研究表明,物種多樣性與土壤養分特征關系顯著,其中有機質與物種多樣性關系密切[6],陳宗偉等對青海高速公路沿線植物群落穩定性影響因子分析,研究表明,影響沿線植物群落穩定性的主要影響因子包括土壤養分含量、鹽分含量、苗木適應性、栽植密度及降雨量[16].本研究中CCA分析與Pearson相關驗證結果顯示,α多樣性與6個土壤理化因子的相關性都未達到顯著水平,土壤含水量是α多樣性差異的最主要影響因子.由于邊坡坡面陡峭、道路施工擾動后土質差等因素,土壤水分就成為影響植被分布的重要因子.

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(編校：何軍民)

Species Diversity and Its Correlation with the Environment in Highway Slope

ZHAO Huai-bao1, CHEN Bin1, CHEN Dao-yun1, CHEN Wei2,LI Ming1

(1. College of Life Sciences and Ecology, Hainan Tropical Ocean University, Sanya Hainan 572022, China; 2. Sanya Daxing New Landscape Ecological Co. Ltd., Sanya Hainan 572022, China)

13 samples in the slope of the east highway in Hainan province were set up to investigate the vegetation species diversity, to collect soil samples and to measure water content, pH, organic matter, total N content, conductivity, and C/N index. The relation between soil and α-diversity index was explored. The results showed a total number of 43 plots species, belonging to 17 family, 41 genus, of whichGramineaeaccounted for 23.25% andLeguminosaeaccounted for 18.60%, and important values ofCynodondactylon,Wedeliachinensis,Dunbariavillosa(Thunb.)Makino,Eupatoriumodoratumin their communities were 0.2 above each. According to TWINSPAN classification results, the plot was divided into the following four plant community types:Ipomoeapescaprae—Pteridiumaquilinum—Wedeliachinensis,Cynodondactylon—Wedeliachinensis—Stachytarphetajamaicensis,Eupatoriumodoratum—Dunbariavillosa—Achyranthesaspera,andSidaacutaBurm. α-diversity of the highway slope vegetation is low. Margalef index and Shannon-Weiner index was correlated with water content positively, whereas Pielou index with moisture content negatively. Shannon-Weiner index and Simpson index was correlated positively with organic matter, total N, pH and conductivity, whereas negatively with C/N. On the contrary, Margalef index was correlated negatively with organic matter, total N, pH and conductivity, whereas positively with C/N. It is demonstrated that soil water content is the most important factor of α-diversity variation in the transitional zone of vegetation slope.

plant community; α-diversity ; soil factor; canonical correspondence analysis

2016-09-01

三亞市科研試制項目(2016KS02);海南省社會發展科技專項項目(2015SF24);瓊州學院開放實驗項目(2014QYKY060)

趙懷寶(1969-),男,河南永城人,海南熱帶海洋學院生命科學與生態學院,副教授,博士,研究方向為生態學及園林.

Q948;U418.9

A

1008-6722(2016) 05-0017-06

10.13307/j.issn.1008-6722.2016.05.04