方 文, 潘聲旺, 何 平, 劉 楊, 馬立輝, 李 軍, 孫 益

1 西南大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院, 三峽庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 重慶 400715 2 成都大學(xué)城鄉(xiāng)建設(shè)學(xué)院, 成都 610106 3 重慶市林業(yè)科學(xué)研究院, 重慶 400036 4 四川大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院, 成都 610064

先鋒種豐富度對(duì)邊坡植被群落特征及其護(hù)坡效益的影響

方 文1,3, 潘聲旺2,4,*, 何 平1, 劉 楊3, 馬立輝3, 李 軍4, 孫 益4

1 西南大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院, 三峽庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 重慶 400715 2 成都大學(xué)城鄉(xiāng)建設(shè)學(xué)院, 成都 610106 3 重慶市林業(yè)科學(xué)研究院, 重慶 400036 4 四川大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院, 成都 610064

鄉(xiāng)土植物灌木化建植是高速公路邊坡防護(hù)的重要途徑。以成渝高速(G85)永川段為例，以西南地區(qū)兩種典型的邊坡綠化初始配置“慈竹(Neosinocalamusaffinis)+野牛草(Buchloedactyloides)”、“棉槐(Amorphafruticosa)+紫羊茅(Festucarubra)”為基礎(chǔ)，分別與馬棘(IndigoferapseudotinctoriaMats.)、黃荊(Vitexnegundo)、狗牙根(Cynodondactylon)、芒(Miscanthussinensis)等路域優(yōu)勢(shì)種以不同方式組合，研究一定立地條件下初始綠化植物(先驅(qū)植物)的豐富度對(duì)邊坡植被群落生長(zhǎng)發(fā)育、早期演替行為及護(hù)坡性能的影響。結(jié)果表明：1)先驅(qū)植物豐富度可直接影響邊坡植被的成坪時(shí)間、生物量積累：相同建植條件(邊坡條件、播種密度等)下，先鋒種種類越多，成坪時(shí)間就越短，被積累的生物量也越多；2)先鋒種數(shù)量與群落的生物多樣性水平有關(guān)(R2>0.954)：相同演替階段內(nèi)，先鋒種越多，群落的多樣性水平(如物種豐富度、Shannon-Wiener指數(shù)、Pielou指數(shù))則越高；3)群落中物種多樣性水平與植被的護(hù)坡性能密切相關(guān)(R2>0.998)：多樣性水平越高，植被的蓄水、保土能力越強(qiáng)，邊坡內(nèi)徑流系數(shù)、土壤侵蝕模數(shù)越小?？梢?jiàn)，在邊坡條件、播種密度等建植條件與建植措施一致的情形下，提高初始綠化植物的物種數(shù)可有效改善邊坡植被的護(hù)坡性能。

先驅(qū)植物; 植物多樣性; 水土保持; 生態(tài)護(hù)坡

在鐵路、公路工程建設(shè)過(guò)程中，因大量開挖、填方所形成的裸露邊坡一直是路域生態(tài)系統(tǒng)中產(chǎn)沙量最大、水土流失持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)的部位[1- 2]，也是路域生態(tài)建設(shè)過(guò)程中亟需解決的重要問(wèn)題。借助當(dāng)?shù)刈匀恢参锶郝涞慕Y(jié)構(gòu)和“先驅(qū)植物”的生態(tài)優(yōu)勢(shì)，在裸露邊坡上建立穩(wěn)定的植物群落、優(yōu)化群落結(jié)構(gòu)，改善群落的多層次結(jié)構(gòu)和多樣性水平，有利于形成較穩(wěn)定的植物群落，提高邊坡穩(wěn)定性、減少水土流失[3- 4]。

近年來(lái)，借助生態(tài)工程技術(shù)，以工程建設(shè)地段的鄉(xiāng)土植物為基礎(chǔ)，以灌木為主體，喬木或草本為輔佐恢復(fù)邊坡植被的生態(tài)護(hù)坡技術(shù)已成為控制侵蝕和穩(wěn)定邊坡的重要措施[5- 6]。但迄今，相關(guān)研究多局限典型植被配置模式下護(hù)坡效益的比較[7- 9]，在邊坡植被的群落結(jié)構(gòu)、多樣性水平及其生態(tài)性能等方面尚缺乏系統(tǒng)研究。事實(shí)上，植物群落多樣性水平是生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性和抗干擾能力的重要指標(biāo)，而初始綠化植物(先驅(qū)植物)的種類、數(shù)量及其組合方式則可直接影響邊坡植被的群落結(jié)構(gòu)、演替行為和多樣性水平，進(jìn)而影響其生態(tài)性能[10- 12]。為此,本研究擬以西南地區(qū)兩種典型的邊坡綠化模式“慈竹(Neosinocalamusaffinis)+野牛草(Buchloedactyloides)”、“棉槐(Amorphafruticosa)+紫羊茅(Festucarubra)”為基礎(chǔ)，分別與馬棘(IndigoferapseudotinctoriaMats.)、黃荊(Vitexnegundo)、狗牙根(Cynodondactylon)、芒(Miscanthussinensis)等路域優(yōu)勢(shì)種以不同方式組合，探討先鋒種豐富度對(duì)邊坡植被的群落結(jié)構(gòu)、早期演替行為、護(hù)坡性能的影響及其年際間差異,為邊坡防護(hù)提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于川東、渝西接壤處的丘陵地帶(105°38′—106°05′E、28°56′—29°34′N)。西起巴岳山、東至云霧山，面積約1.276×105km2；亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，年均降雨量1165.2 mm，多集中在5—9月。區(qū)內(nèi)丘陵廣布、溪溝縱橫，平均海拔250—350 m，丘谷高差50—100 m，地勢(shì)北高南低，南部多淺丘、北部多深丘(圖1)。土壤主要由白堊紀(jì)夾關(guān)組磚紅色長(zhǎng)石、塊狀鈣質(zhì)巖屑砂巖、鈣質(zhì)粉砂巖等風(fēng)化殘積物、沖積物發(fā)育而成，黃棕壤、黃壤為主要類型，土層厚度多在10—70 cm，多呈微酸性至酸性；區(qū)內(nèi)植被具有典型的亞熱帶常綠闊葉林特征, 以松、柏、蕨類為主，包括杉科、松科、樺木科、殼斗科等49科150余種。植被稀疏、森林覆被率低(<7.5%)，丘坡較陡，雨季集中、易造成水土流失，是地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)區(qū)。

2 研究方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試邊坡為成渝高速(G85)永川段中的路基邊坡(K309+145—K309+370)，路基全長(zhǎng)225 m、路面高程305—307 m，坡高5—6 m(填方最大高程為14.7 m)，修整為二級(jí)邊坡，坡比1∶1.5，坡向NE25°(圖2)。域內(nèi)年均氣溫16—18 ℃，1月均溫5—7.5 ℃，7月均溫25—27.5 ℃，10 ℃以上活動(dòng)積溫5600—5800 ℃，無(wú)霜期310—340 d；年均降水量1100—1200 mm，干燥度1.0左右。邊坡為黃壤區(qū)沙泥巖互層高邊坡，表土(0—20 cm)微酸性(pH值：6.5—6.9)，有機(jī)質(zhì)18.6 g/kg，陽(yáng)離子交換量CEC=24.19 cmol/kg，速效N、P、K分別為114.6、24.7、94.8 mg/kg。粒級(jí)分布(濕篩法，回收率98.74%，n=3):>4.76 mm，45.81%；2—4.76 mm，29.78%；1—2 mm，5.18%；0.25—1 mm，4.64%；0.053—0.25 mm，7.96%；<0.053 mm，5.37%。透水性好，保水、保肥性能差，初滲速率為14.2—42.4 mm/min，穩(wěn)滲速率為0.8—5.7 mm/min，貯水力為681.4—1244.1 t/hm2。選擇邊坡比、坡向及其它立地條件基本一致地段，整理成62個(gè)矩形小區(qū)(長(zhǎng)8 m、寬2 m)，試驗(yàn)小區(qū)的長(zhǎng)邊與公路邊坡的等高線垂直、短邊與等高線平行，四周用石棉瓦圍埂(埂高25 cm)、塑料薄膜密封(埋入地下30 cm)，小區(qū)上方及兩側(cè)開排水溝攔截小區(qū)外徑流，下方修截流溝、集水池。

圖1 研究區(qū)域地理位置示意圖

圖2 試驗(yàn)邊坡剖面示意圖

實(shí)驗(yàn)初期，及時(shí)遮陰、保濕以提高種子的出芽率、幼苗的成活率，及時(shí)記錄各配置模式發(fā)芽率、成坪時(shí)間；實(shí)時(shí)監(jiān)控坪情，確保無(wú)重大蟲害、鼠害、畜害及其它意外事故發(fā)生。

2.2 測(cè)定項(xiàng)目與方法

(1) 群落結(jié)構(gòu)

播種后，記錄各樣地內(nèi)成坪時(shí)間(此處指建坪至邊坡植被總蓋度達(dá)70%所經(jīng)歷的時(shí)間)。2010年8月下旬，分別在各個(gè)初始綠化配置模式(MA1—7、MB1—7)、次生裸地(CK1)所在坡面上(2 m處)、中(4.5 m處)、下(7 m處)位置各設(shè)置一組由規(guī)格為120 cm×120cm、50 cm×50 cm(測(cè)定植物生物量)的2個(gè)樣方構(gòu)成的觀測(cè)區(qū)，所有配置模式(MA1—7、MB1—7)、CK1內(nèi)各布設(shè)2小區(qū)，累計(jì)90組(14×6+6)。累計(jì)90組(14×6+6)。針刺法[13]調(diào)查樣方內(nèi)植物種類、株高、株數(shù)、總蓋度及分蓋度后，收獲各采樣區(qū)地上生物量，烘干、稱重；用根鉆在各采樣區(qū)分別取0—10 cm、10—20 cm和20—30 cm土層內(nèi)土壤(鉆頭內(nèi)直徑80 mm、高100 mm)，隨即用Del2ta-T公司生產(chǎn)的RWC型(Root Washer Consolidated, RWC)洗根系統(tǒng)洗根，烘干、稱重，計(jì)算地下生物量[4]。

表1 邊坡植被的配置模式

2011、2012年8月下旬，按照上述方法重復(fù)2010年度的調(diào)查，確保同一小區(qū)內(nèi)不同年份布設(shè)的樣方間隔大于50 cm，以排除上次采用的影響。

(2) 產(chǎn)流量、產(chǎn)沙量

在徑流小區(qū)旁邊安裝自動(dòng)氣象站,定時(shí)監(jiān)測(cè)氣象資料,自動(dòng)記錄每次的降雨量、雨強(qiáng)和降雨歷程。監(jiān)測(cè)期內(nèi),指定專人管理、操作,監(jiān)測(cè)產(chǎn)流產(chǎn)沙情況。每次降雨后及時(shí)觀測(cè)、登記各個(gè)徑流小區(qū)集水池的集流深度,計(jì)算各小區(qū)地表徑流量；根據(jù)某一時(shí)段內(nèi)徑流總量及同時(shí)段內(nèi)的降雨總量計(jì)算徑流系數(shù)：徑流系數(shù)=徑流量/降雨量。泥沙量觀測(cè)采用過(guò)濾、烘干法：將集水池中的泥水充分?jǐn)嚢?0 min,立即取中層徑流泥沙樣品500 mL,置于烘箱內(nèi)105 ℃烘干后稱重，通過(guò)計(jì)算含沙量得出每次降雨各小區(qū)土壤流失量；將1a內(nèi)各小區(qū)土壤侵蝕量相加，然后換算成每1 km2的噸數(shù)，即為侵蝕模數(shù)。

(3) 蓄水、保土能力

根據(jù)各試驗(yàn)小區(qū)的徑流系數(shù)、土壤侵蝕模數(shù)值分別推算不同植被配置模式的蓄水能力、保土能力[4]：

蓄水能力=(裸坡區(qū)徑流系數(shù)-植被區(qū)徑流系數(shù))×100%/裸坡區(qū)徑流系數(shù)

保土能力=(裸坡區(qū)侵蝕模數(shù)-植被區(qū)侵蝕模數(shù))×100%/裸坡區(qū)侵蝕模數(shù)

降雨量、徑流量和泥沙量觀測(cè)時(shí)段為2009—2012年汛期(5—9月)；鋁盒法測(cè)定土壤初始含水量。

3 結(jié)果與分析

3.1 邊坡植被的生長(zhǎng)狀況及其群落特征

表2為14種邊坡綠化配置模式(MA1—7、MB1—7)、次生裸地(CK1)試驗(yàn)區(qū)內(nèi)植被的生長(zhǎng)狀況及其結(jié)構(gòu)特征。

表2 2010—2012年間不同配置模式邊坡植被的生長(zhǎng)狀況及所在群落的主要結(jié)構(gòu)特征

3.1.1 邊坡植被的生長(zhǎng)狀況分析

由表2可以看出:相同的播種密度、建植條件下，由馬棘、黃荊、狗牙根、芒等路域優(yōu)勢(shì)種與典型的邊坡綠化配置模式“慈竹+野牛草”、“棉槐+紫羊茅”所構(gòu)成的組合MA系列(MA1—7)、MB系列(MB1—7)間的平均成坪時(shí)間(MA=63.3 d, MB=63.4 d)無(wú)明顯差異，但同一系列內(nèi)不同配置小區(qū)間差異顯著(MA：58—68 d,P<0.05；MB：59—68 d,P<0.05)；初始綠化植物的種數(shù)(亦即先鋒種豐富度)越多，成坪時(shí)間越短。

不同配置小區(qū)內(nèi)的植物種類、數(shù)目的變化幅度也不一樣：初始綠化植物的種類越多，小區(qū)內(nèi)植物種類、數(shù)目的增長(zhǎng)幅度就越大，入侵種在群落內(nèi)的優(yōu)勢(shì)度也越顯著。綜合各個(gè)試驗(yàn)區(qū)(MA1—7、MB1—7、CK1)內(nèi)物種組成變化情況，結(jié)果顯示，試驗(yàn)期間,試驗(yàn)區(qū)內(nèi)入侵植物共涉及26種，隸屬于9科11屬。其中灌木4科5屬8種，占總種數(shù)的30.77%；草本6科9屬18種，占總種數(shù)的69.23%。菊科、禾本科、豆科、薔薇科是種類最多的4科，占種數(shù)的56.4%，表明這4科植物在西南地區(qū)道路植被的自然恢復(fù)演替過(guò)程中所起的作用最大，在該地區(qū)的植物區(qū)系中占據(jù)著重要地位。灌木種類較多的科為：豆科、薔薇科、?？?；草本種類較多的科為：菊科、禾本科、薔薇科、豆科；種數(shù)較多的屬為懸鉤子屬(Rubus)、蒲公英屬(Taraxacums)。其中，艾蒿(Artemisiaargyi)、白茅(Imperatacylindrica)、三葉鬼針草(Bidenspilosa)、野菊花(Dendranthemainsicum)、酢漿草(Oxaliscorniculata)、飛蓬(Erigeronacer)、苦荬菜(Ixerispolycephala)、牡蒿(Artemisiajaponica)、地果(Ficustikoua)、構(gòu)樹(Broussonetiapapyrifera)、馬桑(Broussonetiapapyrifera)、鐵仔(Myrsineafricana)調(diào)查的樣方中出現(xiàn)頻率較高的入侵者，也是西南地區(qū)邊坡植被自然恢復(fù)過(guò)程中主要的建群種或共建種，對(duì)邊坡自然恢復(fù)和生態(tài)修復(fù)有重要參考價(jià)值：生態(tài)修復(fù)過(guò)程中，這些建群種或共建種的存在能最大程度上恢復(fù)本地植被多樣性。

盡管試驗(yàn)區(qū)內(nèi)邊坡植被的生物量與先鋒種豐富度顯著正相關(guān)(表3)，但表2卻顯示，不同生長(zhǎng)季節(jié)內(nèi)因先鋒種豐富度不同所引起的生物量變化幅度卻存在很大差異：同一系列內(nèi)，先鋒種數(shù)量相近小區(qū)間的生物量差異在第1個(gè)生長(zhǎng)季節(jié)內(nèi)(2010年)并不明顯(P>0.05)，在2011、2012年間卻達(dá)到顯著水平(P<0.05)。

表3 不同配置模式試驗(yàn)小區(qū)中植物生物量(y)與先鋒種豐富度(x)的關(guān)系

3.1.2 邊坡植被的群落特征分析

對(duì)于特定區(qū)域的次生裸地(如裸露邊坡)而言，所在生境間種子庫(kù)或種子雨的時(shí)空異質(zhì)相對(duì)較小，先驅(qū)植物所營(yíng)造的局域環(huán)境是決定其他物種入侵潛力和能否成功定居的主導(dǎo)因素；先驅(qū)植物的配置模式不同，接納入侵種的種類、數(shù)量也不一樣(表2)；相同生長(zhǎng)季節(jié)內(nèi)，初始綠化植物的種類越多，接納新物種的潛力則愈強(qiáng)，群落內(nèi)物種豐度也就越大，二者呈顯著正相關(guān)(表4)；建坪年限越長(zhǎng)，入侵種的優(yōu)勢(shì)度越明顯。

表2顯示,不同綠化配置模式試驗(yàn)區(qū)內(nèi)群落蓋度的變化幅度也不一樣。2010年間，除CK1外，所有植被的群落蓋度均達(dá)到72%以上；同一系列內(nèi)，群落蓋度隨先鋒種數(shù)目的增多而增大，以MA7(78%)、MB7(81.5%)最高，但先鋒種數(shù)相近的群落間無(wú)明顯差異(P>0.05)；2011、2012年間，同一系列內(nèi)不同配置小區(qū)內(nèi)的群落蓋度也表現(xiàn)出與2010年類似的變化趨勢(shì)。建坪年限越長(zhǎng)，群落蓋度越高，且與初始綠化植物的物種數(shù)目密切相關(guān)(決定系數(shù)R2=0.954—0.989，表4)。

Shannon-wiener指數(shù)是綜合反映群落中物種豐富度和均勻度信息的重要參數(shù)，它與反映物種分布均勻程度的Pielou指數(shù)一起，表征著群落的物種多樣性：多樣性水平越高，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定，對(duì)外界干擾的抵抗和緩沖能力則越強(qiáng)[11]。表2顯示，試驗(yàn)區(qū)內(nèi)初始綠化植物的物種數(shù)目、配置模式不同，所在小區(qū)植物群落的Shannon-wiener指數(shù)、Pielou指數(shù)也不一樣，初始綠化時(shí)的先鋒種越多，所在群落的多樣性水平就越高，所對(duì)應(yīng)的Shannon-wiener指數(shù)、Pielou指數(shù)也越大，二者呈顯著正相關(guān)(R2=0.949—0.988，表4)。

表4 邊坡植被的主要群落特征(yi)與先鋒種數(shù)量(x)的關(guān)系

3.2 護(hù)坡效益分析

3.2.1 裸地產(chǎn)流、產(chǎn)沙特征

2010—2012年汛期，試驗(yàn)區(qū)內(nèi)自然降雨量及裸地邊坡的產(chǎn)流、產(chǎn)沙特征如表5?？梢钥闯觯囼?yàn)區(qū)汛期雨季集中(占年降雨量71.36%)、產(chǎn)流量大(年均降雨量829.2 mm；年均產(chǎn)流量149.8 mm)，水土流失嚴(yán)重(裸地年均產(chǎn)沙量1223.5 g/m2)、生態(tài)環(huán)境脆弱，是典型的地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)區(qū)。

表5 2010—2012年汛期降雨情況及裸地產(chǎn)流、產(chǎn)沙特征

3.2.2 不同護(hù)坡植被試驗(yàn)區(qū)的產(chǎn)流、產(chǎn)沙特征

產(chǎn)流次數(shù)、徑流系數(shù)、土壤侵蝕模數(shù)是衡量植被涵養(yǎng)水源、防沙護(hù)坡性能的主要指標(biāo)，也是表征邊坡生態(tài)系統(tǒng)抗干擾性能的重要尺度。試驗(yàn)期間，不同試驗(yàn)區(qū)內(nèi)的產(chǎn)流次數(shù)以及產(chǎn)沙、產(chǎn)流特征如圖3所示?？梢钥闯?，相同環(huán)境條件下，不同初始綠化配置邊坡植被的護(hù)坡性能也不一樣，年際間差異明顯。

圖3 不同配置模式產(chǎn)流、產(chǎn)沙特征的動(dòng)態(tài)變化

(1)產(chǎn)流次數(shù)

圖3顯示，邊坡產(chǎn)流次數(shù)與初始綠化植物的配置模式有關(guān)：先鋒種數(shù)目越多，產(chǎn)流次數(shù)越少；建坪年齡越長(zhǎng)，產(chǎn)流次數(shù)減少的趨勢(shì)越明顯。2010年，CK、MA1—6、MB1—6內(nèi)先鋒種相對(duì)較少(0—5種)，Shannon-wiener指數(shù)較低(分別為0.27，0.44—0.65和0.46—0.71)，邊坡植被的抗干擾(雨水沖蝕)能力弱，汛期產(chǎn)流次數(shù)與裸地相同(6次)；MA7、MB7內(nèi)先鋒植物較多(6種)，Shannon-wiener指數(shù)較高(0.77，0.78)，抗干擾能力增強(qiáng)，產(chǎn)流次數(shù)(5次)減少。2011年，MA1—4、MB1—4內(nèi)先鋒種相對(duì)較少(2—4種)，其Shannon-wiener指數(shù)(0.52—0.65，0.54—0.71)與CK1(0.36)無(wú)明顯差異，汛期產(chǎn)流次數(shù)均為5次；MA5—6、MB5—6和MA7、MB7的先鋒種較多，Shannon-wiener指數(shù)較高，抗雨水沖蝕能力增強(qiáng)，產(chǎn)流次數(shù)(3—4次)相應(yīng)減少。2012年汛期，群落演化程度較高，邊坡植被的涵水截流效應(yīng)更加顯著：與CK1相比，植被覆蓋區(qū)內(nèi)的汛期產(chǎn)流次數(shù)明顯減少，產(chǎn)流次數(shù)與先鋒種豐度呈顯著負(fù)相關(guān)(R2=1.000)；先鋒種越多，產(chǎn)流次數(shù)越少。

(2)徑流系數(shù)、侵蝕模數(shù)

試驗(yàn)期間，邊坡觀測(cè)區(qū)內(nèi)的徑流系數(shù)、土壤侵蝕模數(shù)與初始綠化植物種數(shù)密切相關(guān)。2010年汛期，先鋒種所在小區(qū)(MA1—7、MB1—7)的護(hù)坡性能均明顯優(yōu)于自然恢復(fù)狀態(tài)的裸露邊坡CK1(蓄水能力:14.13%;保土能力：25.53%；產(chǎn)流量：128.60 mm;產(chǎn)沙量：186.67 g/m2)，其中，MA7、MB7的護(hù)坡性能較強(qiáng)：蓄水、保土能力分別達(dá)到61.67%、65.59%和93.46%、93.29%，產(chǎn)流量(57.40、51.53 mm)、產(chǎn)沙量(86.76、89.05 g/m2)也明顯低于其它小區(qū)(n=4,P<0.05)；MA1、MB1的保水(50.97%、48.25%)、保土(90.05%、89.85%)性能相對(duì)較差，產(chǎn)流量(73.42、77.44 mm)、產(chǎn)沙量(110.56、134.62 g/m2)較高(n=4,P<0.05)。整個(gè)汛期內(nèi)，觀測(cè)區(qū)內(nèi)的徑流系數(shù)、侵蝕模數(shù)呈現(xiàn)一致的變化趨勢(shì)，即MA7

3.3 先鋒物種數(shù)、群落特征與護(hù)坡性能的相關(guān)性

相同環(huán)境條件下，邊坡植被的群落結(jié)構(gòu)、組成特征和發(fā)育水平是影響地表徑流量、水土流失量的主要因素：地上莖葉對(duì)雨滴分層攔截，有利于減少地表徑流、阻延土壤濺蝕；地下根系對(duì)土壤的加筋、錨固作用，有利于延緩坡面侵蝕、增強(qiáng)其穩(wěn)定性[14- 15]。

3.3.1 先鋒種豐富度與護(hù)坡性能的相關(guān)性

表6為2010—2012年間MA1—7、MB1—7所在群落中先鋒種豐富度(x)與邊坡植被蓄水能力(y)、保土能力(y′)關(guān)系式?？梢钥闯觯o(hù)坡植被的蓄水、保土能力與所在群落的先鋒種豐富度顯著正相關(guān)(R2>0.971)：2010年汛期，群落中初始綠化植物的物種數(shù)量與所在邊坡的護(hù)坡性能呈冪函數(shù)關(guān)系；2011年汛期，呈線性變量關(guān)系；2012年汛期，呈對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系。先鋒種越多，所在邊坡的蓄水、保土能力則越強(qiáng)。

3.3.2 群落特征與護(hù)坡性能的相關(guān)性

表7為2010—2012年間不同配置邊坡植被所在群落的Shannon-wiener指數(shù)(x)與觀測(cè)區(qū)內(nèi)徑流系數(shù)(y)、土壤侵蝕模數(shù)(y′)間擬合關(guān)系式。可以看出，群落的Shannon-wiener指數(shù)與植被的護(hù)坡性能(徑流系數(shù)、侵蝕模數(shù))密切相關(guān)：2010年汛期，Shannon-wiener指數(shù)與護(hù)坡性能間呈冪函數(shù)關(guān)系，其擬合方程的R2=0.998—0.999；2011年汛期，Shannon-wiener指數(shù)與護(hù)坡性能更趨近線性變量關(guān)系，擬合方程的R2=0.998—0.999；2012年汛期，Shannon-wiener指數(shù)與護(hù)坡性能則更趨近對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系，擬合方程的R2>0.999。說(shuō)明群落的多樣性水平(Shannon-wiener指數(shù))越高，其系統(tǒng)穩(wěn)定性則越高、抗干擾(雨水沖蝕)能力也越強(qiáng)。

表6 邊坡植被的蓄水能力(y)、保土能力(y′)與先鋒種豐富度(x)的關(guān)系

表7 觀測(cè)區(qū)內(nèi)的產(chǎn)流系數(shù)(y)、土壤侵蝕模數(shù)(y′)與所在群落Shannon-wiener指數(shù)(x)的關(guān)系

進(jìn)一步分析各觀測(cè)區(qū)內(nèi)植被生物量變化(表2)與其護(hù)坡性能(產(chǎn)流系數(shù)、土壤侵蝕模數(shù))的相關(guān)性時(shí)則發(fā)現(xiàn)：2010年汛期，植被的護(hù)坡性能與其地上生物量間呈線性關(guān)系(R2=0.996—0.999)；2012年汛期，其護(hù)坡性能與根系生物量間呈線性關(guān)系(R2>0.999)；2011年汛期，植被的護(hù)坡能性趨向模糊，并隨群落地上、地下結(jié)構(gòu)的變化而波動(dòng)?？赡艿脑蚴牵航ㄆ鲁跗?2010年汛期)，植物根系尚不發(fā)達(dá)，根冠比小(表2)，植被的護(hù)坡性能主要取決于莖葉層對(duì)雨滴的分層攔截作用；2012年汛期，群落演化程度較高，邊坡植被的群落蓋度較建坪初期普遍提高，部分小區(qū)甚至接近飽和水平，其護(hù)坡能性主要取決于植物根系的結(jié)構(gòu)特征：根冠比越大，對(duì)土壤加筋、錨固作用越強(qiáng)，防沙護(hù)坡性能則越優(yōu)。該結(jié)論與李妮[6]、方文[16]等人的研究結(jié)果一致。生態(tài)護(hù)坡過(guò)程中，邊坡植被莖葉片層對(duì)雨滴的截流、緩蝕效應(yīng)以及地下根系對(duì)土壤加筋、錨固效應(yīng)的年際間差異在陳波[17]、王青杵[18]等人的研究中也得到證實(shí)。

可見(jiàn)，在邊坡條件、播種密度等建植條件與建植措施一致的條件下，提高先鋒種豐富度(如MA7、MB7)是改善邊坡植被的護(hù)坡性能的有效手段。

4 結(jié)論

(1) 建坪初期，初始綠化植物的物種數(shù)量(先鋒種豐富度)可直接影響護(hù)坡植被的成坪時(shí)間、生物量積累。先鋒種越多(如MA7、MB7)，成坪時(shí)間越短，被積累的生物量則越多，二者呈顯著正相關(guān)(R2>0.990，P<0.05)；隨后的生長(zhǎng)季節(jié)(2011、2012年)，觀測(cè)區(qū)內(nèi)的植物生物量也遵守類似的積累規(guī)律。

(2) 先鋒種豐富度與群落的結(jié)構(gòu)特征中物種多樣性水平密切相關(guān)。相同生長(zhǎng)季節(jié)內(nèi)，先鋒種越多，所在生境接納新物種的潛力愈強(qiáng)，群落中物種數(shù)目越多，群落蓋度也越大；先鋒植物種類越多，所在群落的植物多樣性水平(Shannon-wiener指數(shù)、Pielou指數(shù)等)也越高，二者呈顯著正相關(guān)(R2>0.954，P<0.05)。

(3) 邊坡植被所在群落中物種多樣性水平與植被的護(hù)坡性能密切相關(guān)(R2>0.998，P<0.05)：建坪初期的先鋒種越多，所在群落中植物多樣性水平越高(如MA7、MB7)，抗干擾(雨水沖蝕)能力、蓄水保土能力也越強(qiáng)，觀測(cè)區(qū)內(nèi)的產(chǎn)流次數(shù)、產(chǎn)流系數(shù)、土壤侵蝕模數(shù)則越小。建坪時(shí)間越久，趨勢(shì)越明顯。

(4) 總體上看，群落中植物多樣性水平越高，所在生態(tài)系統(tǒng)越穩(wěn)定、抗干擾能力就越強(qiáng)。可見(jiàn)，在邊坡條件、播種密度及相關(guān)建植措施一致的條件下，提高先鋒種豐富度可有效改善邊坡植被的護(hù)坡性能。

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Effects of pioneer plants richness on community characteristics of vegetation and their soil and water conservation benefit for highway side slope

FANG Wen1,3, PAN Shengwang2,4,*, HE Ping1, LIU Yang3, MA Lihui3, LI Jun4, SUN Yi4

1KeyLaboratoryofEco-environmentsinThreeGorgesReservoirRegion(MinistryofEducation),FacultyofLifeSciences,SouthwestUniversity,Chongqing400715,China2FacultyofUrbanandRuralConstruction,ChengduUniversity,Chengdu610106,China3ChongqingAcademyofForestry,Chongqing400036,China4FacultyofLifeSciences,SichuanUniversity,Chongqing610064,China

It is an important ecological principle and a representative mode of bioengineering techniques for side slope protection in superhighway those using localization shrubs to reconstruct plant communities. These native plant species have higher ecological adaptations, and their foliage can cover the whole slope in a rather transitory growth period. Although vegetation interception, power reduction, controlling of slope runoff, root anchorage and reinforcement are fundamental pathway to control effectively the development of soil erosion for bioengineering techniques, the species of pioneer plants, richness and their community characteristics are closely related to the benefit of soil and water conservation of artificial vegetations. In this case, taking Chengyu expressway (G85) in Yongchuan region and two typical vegetation modes, i.e.Neosinocalamusaffinis+BuchloedactyloidesandAmorphafruticosa+Festucarubra, which always used to be a feasibility of the establishment for slope protection in hilly areas in southwest China as the example and foundation, two localization shrubs, i.e.IndigoferapseudotinctoriaMats. andVitexnegundo, and two herbs, i.e.CynodondactylonandMiscanthussinensis, were chose to plant in given modes and growth proportion in the beginning of reconstructing slope vegetation, their characteristics of slope runoff and erosion sediment in rainy seasons during years ranging from 2010 to 2012 were investigated in the slope plot experiments, and the difference among the slope rainfall-induced processes of infiltration, runoff generation, erosion and sedimentation was analyzed. Results that showed: 1) the pioneer plants richness could affect accumulation of vegetation biomass and period of the turf-establishment evidently, and the more abundant the pioneer plant species are in the beginning of reconstructing plant communities, the shorter their period of the turf-establishment would be And the more the vegetation biomass accumulated in the slope plot would be; 2) the richness of pioneer plants closely related to the diversity of plant species in communities with determination coefficient in excess of 0.954. Under the same succession level, the more abundant pioneer species is, the higher the diversity of plant species including the plant species richness, Shannon-wiener index and Pielou index in communities would be; 3) there was a positive correlation between the capacity of soil and water conservation of vegetations and the diversity of plant species in communities with determination coefficient in excess of 0.995(P<0.05), and the higher the diversity of plant species is, the stronger the capacity of soil and water conservation would be, then the smaller their runoff coefficient occurred in slope plots, and the lower the soil erosion modulus originated from the given slopes, too. These results suggested a feasible way for the establishment of high efficiency for ecological slope protection by means of increasing the pioneer plant species richness in the beginning of reconstructing slope vegetation; especially when there were the same side slope conditions, seed quantity and planting measures.

pioneer plant; plant species diversity; soil and water conservation; ecological slope protection

國(guó)家林業(yè)局公益性行業(yè)科研專項(xiàng)課題(201004064)

2013- 08- 10;

2014- 06- 12

10.5846/stxb201308102055

*通訊作者Corresponding author.E-mail: panwang@swu.edu.cn

方文, 潘聲旺, 何平, 劉楊, 馬立輝, 李軍, 孫益.先鋒種豐富度對(duì)邊坡植被群落特征及其護(hù)坡效益的影響.生態(tài)學(xué)報(bào),2015,35(11):3653- 3662.

Fang W, Pan S W, He P, Liu Y, Ma L H, Li J, Sun Y.Effects of pioneer plants richness on community characteristics of vegetation and their soil and water conservation benefit for highway side slope.Acta Ecologica Sinica,2015,35(11):3653- 3662.