張 霄,張紅玉,陸兆華,3,*,陳凱昱,吳佳興,鄧雪琴

1 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)恢復(fù)生態(tài)學(xué)研究所,北京 100083 2 濱州學(xué)院 山東省黃河三角洲生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,濱州 256603 3 國(guó)家環(huán)境保護(hù)創(chuàng)面生態(tài)修復(fù)工程技術(shù)中心,北京 100082

高寒地區(qū)路塹邊坡植被恢復(fù)效果

張 霄1,2,張紅玉1,2,陸兆華1,2,3,*,陳凱昱1,吳佳興1,鄧雪琴1

1 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)恢復(fù)生態(tài)學(xué)研究所,北京 100083 2 濱州學(xué)院 山東省黃河三角洲生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,濱州 256603 3 國(guó)家環(huán)境保護(hù)創(chuàng)面生態(tài)修復(fù)工程技術(shù)中心,北京 100082

以大興安嶺地區(qū)阿榮旗至博客圖段高速公路邊坡作為研究對(duì)象,研究厚質(zhì)基層噴附技術(shù)和植生混凝土噴附技術(shù)的植被恢復(fù)效果。結(jié)果表明：1)從植物群落組成情況和群落相似性系數(shù)來(lái)看,兩種技術(shù)的總體恢復(fù)效果差別不明顯,但植生混凝土噴附坡面植物群落更為接近自然水平。2)同樣基于植物群落組成和群落相似性系數(shù),兩種技術(shù)在陰坡和陽(yáng)坡上的恢復(fù)效果存在明顯不同。3)土壤全氮和有機(jī)質(zhì)含量的適當(dāng)增長(zhǎng)可以促進(jìn)植物群落發(fā)展,而土壤速效磷含量的增長(zhǎng)會(huì)抑制其發(fā)展。4)推薦較為合理的物種搭配為艾蒿、柳蒿、羊草、貝加爾針茅、興安胡枝子、紫穗槐和興安柳。研究可改善這兩種生態(tài)恢復(fù)復(fù)方式在該地區(qū)的應(yīng)用,優(yōu)化物種配置,防止二次退化問(wèn)題的出現(xiàn),為后期養(yǎng)護(hù)、管理提供理論依據(jù)。

巖質(zhì)路塹邊坡；植被恢復(fù)；群落多樣性；群落相似性；相關(guān)性

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和科技的高速發(fā)展,我國(guó)高速公路網(wǎng)日益完善。截止至2015年,我國(guó)高速公路里程已超過(guò)1.08×105km[1]。然而,高速公路建設(shè)是一項(xiàng)以破壞生態(tài)環(huán)境為代價(jià)的現(xiàn)代化工程,其建設(shè)涉及到大量的土石方工程,這會(huì)嚴(yán)重破壞當(dāng)?shù)氐闹参锶郝湟约吧飾⒌?同時(shí)形成大量的高陡邊坡[2]。據(jù)統(tǒng)計(jì),每建設(shè)1 km高速公路就會(huì)形成(5—7)×104m2的裸露坡面。我國(guó)從2000年起高速公路邊坡面積以每年(2—3)×108m2的速度迅速增長(zhǎng)[3- 4]。美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家很早就開(kāi)展了邊坡生態(tài)恢復(fù)工作,20世紀(jì)40年代,Harrison.C.M采用不同播種時(shí)間、不同物種組合的小區(qū)實(shí)驗(yàn)研究草皮的建立方法[5]。而目前日本在生態(tài)恢復(fù)技術(shù)研發(fā)方面處于世界領(lǐng)先地位,其成熟的生態(tài)恢復(fù)技術(shù)主要有客土噴播法、厚層基材噴播法、種子噴播法、植生網(wǎng)法、肥料袋法、植生帶法、植生袋法等[6]。我國(guó)邊坡生態(tài)恢復(fù)工作起步較晚,對(duì)生態(tài)恢復(fù)技術(shù)的研究還處于探索狀態(tài),尤其是對(duì)巖質(zhì)邊坡這類特殊地理環(huán)境的生態(tài)恢復(fù)技術(shù)的研究還比較少。巖質(zhì)邊坡多呈高陡形態(tài),與土質(zhì)邊坡相比,其土壤條件極差,并且具有極強(qiáng)的不穩(wěn)定性,這使得巖質(zhì)邊坡極難被恢復(fù)[7]。我國(guó)巖質(zhì)邊坡生態(tài)恢復(fù)技術(shù)目前主要有：厚質(zhì)基層噴附技術(shù)、植生混凝土噴附技術(shù)、液壓噴播法、OH液植草護(hù)坡技術(shù)、土工網(wǎng)植草護(hù)坡以及蜂巢式網(wǎng)格植草護(hù)坡技術(shù)等[8- 9]。其中,厚質(zhì)基層噴附技術(shù)和植生混凝土噴附技術(shù)以其良好的恢復(fù)效果,簡(jiǎn)便的施工以及經(jīng)濟(jì)合理等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用[10]。但目前我國(guó)還處在機(jī)械式的模仿階段,對(duì)這兩種生態(tài)恢復(fù)技術(shù)在不同區(qū)域應(yīng)用的研究還不是特別深入、系統(tǒng)以及全面[11- 12]。這就導(dǎo)致了我國(guó)不同區(qū)域巖質(zhì)邊坡生態(tài)恢復(fù)實(shí)踐工作仍存在諸多問(wèn)題。比如,高寒地區(qū)不同于其他地區(qū),其氣溫低,病害多,環(huán)境惡劣,植被生長(zhǎng)困難。該地區(qū)許多人工噴播邊坡植被抗寒性差、抗逆性差,植生層不穩(wěn)定,養(yǎng)分比例失調(diào),這就導(dǎo)致了人工植被經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的生長(zhǎng)、繁衍后出現(xiàn)二次退化現(xiàn)象,植被數(shù)量減少,覆蓋度下降,本地物種未能成功入侵,致使坡面出現(xiàn)二次裸露,最終恢復(fù)失敗。

本文選取大興安嶺地區(qū)阿榮旗至博客圖段高速公路(以下簡(jiǎn)稱阿-博高速公路)邊坡作為研究對(duì)象,分析厚質(zhì)基層噴附坡面、植生混凝土噴附坡面以及自然坡面的植物群落數(shù)據(jù)和土壤數(shù)據(jù),評(píng)價(jià)兩種生態(tài)恢復(fù)方式的恢復(fù)效果,確定該地區(qū)人工生態(tài)恢復(fù)坡面所處的具體演替進(jìn)程、植物群落多樣性與土壤養(yǎng)分之間的關(guān)系。從而進(jìn)一步改善這兩種生態(tài)恢復(fù)方式在該地區(qū)的應(yīng)用,優(yōu)化物種配置,防止二次退化問(wèn)題的出現(xiàn),為后期養(yǎng)護(hù)、管理提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)位于我國(guó)內(nèi)蒙古大興安嶺地區(qū),公路基本為西北東南走向,地勢(shì)為西北高東南低,沿阿倫河谷穿越大興安嶺林區(qū)。本區(qū)域?yàn)槲覈?guó)最寒冷地區(qū),氣候呈寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候,年平均氣溫在0 ℃以下(約為-1.2 ℃至-5.6 ℃)。年降水量平均為360—500 mm,80% 以上集中在7、8月。無(wú)霜期一般從5月下旬到九月上旬,為時(shí)僅90—110 d,植物生長(zhǎng)周期較短。本區(qū)域土壤呈酸性,pH值在5—6.5之間,土壤類型包括暗棕壤性的棕色針葉林土、棕色針葉林土和灰化棕色針葉林土,此外,還有隱域性土壤,主要為草甸土和沼澤土。由于氣候條件惡劣,本區(qū)域內(nèi)植物種類貧乏,主要建群種或優(yōu)勢(shì)種為興安落葉松(Larixgmelinii)、樟子松(PinussylvestrisL.var.mongholica)、白樺(Betulaplatyphylla)、巖高蘭(Empetrumnigrumvar.japonicum)、篤斯越桔(Vacciniumuliginosum)等。同時(shí),蒙古植物區(qū)系成分分布較廣,如貝加爾針葉茅(StipaBaicalensis)、線葉菊(Filifoliumsibiricum)、裂葉蒿(Artemisiatanacetifolia)、羊草(Leymuschinensis)等。此外,由于受到長(zhǎng)白植物區(qū)系影響,紫椴(Tiliaamurensis)、水曲柳(Fraxinusmandschurica)等長(zhǎng)白植物區(qū)系成分在此區(qū)域也有分布[13]。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置

阿-博高速公路坡面采用厚質(zhì)基層噴附技術(shù)和植生混凝土技術(shù)進(jìn)行生態(tài)恢復(fù)(表1)。坡面均為巖質(zhì)邊坡,高度2—20 m,坡度為1∶1.75。施工時(shí)所噴播物種以及陰、陽(yáng)坡配比如下：蒙古冰草(Agropyronmongolicum)(陰25%；陽(yáng)25%)、無(wú)芒雀麥(Bromusinermis)(陰10%；陽(yáng)12.5%)、羊草(Leymuschinensis)(陰5%；陽(yáng)12.5%)、紫花苜蓿(Medicagosativa)(陰12.5%；陽(yáng)25%)、小葉錦雞(Caraganamicrophylla)(陰25%；陽(yáng)10%)、紫穗槐(Amorphafruticosa)(陰10%；陽(yáng)5%)以及興安胡枝子(Lespedezadaurica)(陰12.5%；陽(yáng)10%)。由于施工限制,本研究選取其中5個(gè)標(biāo)段和周邊自然邊坡于2014年8月初進(jìn)行植被調(diào)查和土壤調(diào)查。

表1 樣地設(shè)置

Ⅰ：厚質(zhì)基層噴附技術(shù)；Ⅱ：植生混凝土噴附技術(shù)；Ⅲ：自然坡面；A：陽(yáng)坡,B：陰坡,Z：自然邊坡

2.2 樣方設(shè)置及樣品采集

由于人工生態(tài)恢復(fù)邊坡無(wú)喬木生長(zhǎng),自然邊坡喬木極少,所以調(diào)查未設(shè)置喬木樣方。在所選定的人工恢復(fù)邊坡和自然邊坡的四個(gè)角和中心位置上分別設(shè)置5個(gè)4 m×4 m(共計(jì)75個(gè))大樣方調(diào)查灌木情況,在每個(gè)大樣方內(nèi)的4個(gè)角和中心位置設(shè)置5個(gè)1 m×1 m(共計(jì)375個(gè))小樣方調(diào)查草本情況,記錄物種組成、物種高度、蓋度以及頻度等[14]。

由于坡面較高,土壤養(yǎng)分分布不均勻,所以土壤樣品按“S”形從低到高進(jìn)行斜方向多點(diǎn)取樣,以確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。人工恢復(fù)邊坡和自然邊坡每個(gè)坡面取7個(gè)樣點(diǎn),每個(gè)點(diǎn)進(jìn)行重復(fù)取樣3次,取樣深度為0—10 cm,將所取土樣充分混合,混合樣品以取土1 kg左右為宜,多余樣品可用四分法舍棄[15]。土壤樣品(共計(jì)15個(gè))帶回實(shí)驗(yàn)室用于土壤理化性質(zhì)的測(cè)定。土壤全氮、有機(jī)質(zhì)、緩效鉀、速效鉀、速效磷分別采用半微量開(kāi)氏法、重鉻酸鉀容量法、1 mol/L熱HNO3浸提法、NH4OAc浸提-火焰光度法以及碳酸氫鈉-鉬鉬銻抗比色法測(cè)定[16]。

2.3 數(shù)據(jù)分析

利用Excel 2010對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算,得出各坡面物種的重要值,利用重要值計(jì)算群落多樣性指標(biāo)。表征植物群落多樣性的指標(biāo)眾多。本研究選取Margalef指數(shù)、Shannon-Weiner指數(shù)以及Pielou指數(shù)[17-19]。另外,本文采用Jaccard系數(shù)計(jì)算植物群落相似性[20]。再運(yùn)用Canoco 5.0首先對(duì)植物群落數(shù)據(jù)進(jìn)行DCA分析(除趨對(duì)應(yīng)分析),當(dāng)DCA分析結(jié)果中排序軸梯度最大值大于4時(shí)選擇CA或CCA等方法分析,小于3時(shí)選擇PCA和 RDA分析較為合理(本文為2.987),所以本文群落與土壤間群落分析采用PCA以及RDA分析[21]。最后利用SPSS 17.0算出二者相關(guān)性,從而定量的描述各坡面差異以及植物群落與土壤之間的關(guān)系。

Pi(%)=(相對(duì)蓋度+相對(duì)頻度+相對(duì)高度)/3

Margalef指數(shù)(豐富度指數(shù))：

R=(S-1)/lnN

Shannon-Weiner指數(shù)：

Pielou指數(shù)(均勻度指數(shù))：

E=H/ln(S)

Jaccard指數(shù)：

q=m/(a+b-m)

式中,S為群落中的總物種數(shù)；N為群落中全部種的總個(gè)體數(shù)；Pi為種i重要值；m為兩種植物群落中共同擁有的物種數(shù)；a、b分別表示兩群落的物種總數(shù)。根據(jù)Jaccard相似性原理,當(dāng)q為0—0.25時(shí)為極不相似,當(dāng)q為0.25—0.50時(shí)為中等不相似,當(dāng)q為0.50—0.75時(shí)為中等相似,當(dāng)q為0.75—1.00時(shí)為極相似[22]。

3 結(jié)果分析

3.1 坡面群落組成

圖1 人工恢復(fù)及自然坡面物種重要值PCA排序圖Fig.1 PCA ordination of species important value on artificial restoration slopes and natural slopes

人工恢復(fù)坡面與自然坡面物種分屬4科,19屬,總數(shù)為23種(表2)。通過(guò)對(duì)所有物種重要值的PCA排序(圖1)可以更直觀的得到植物群落格局。厚質(zhì)基層噴附陰、陽(yáng)坡植物群落組成存在差別,植生混凝土噴附坡面陰、陽(yáng)坡面植物群落也存在同樣現(xiàn)象。兩種恢復(fù)技術(shù)的陽(yáng)坡植物群落組成大體相同,優(yōu)勢(shì)物種為：紫花苜蓿、蒲公英(Taraxacummongolicum)、艾蒿(Artemisiaargyi)、興安胡枝子、紫穗槐。群落結(jié)構(gòu)方面已出現(xiàn)灌木層。兩種恢復(fù)技術(shù)的陰坡植物群落組成同樣大體相同,但陰坡群落結(jié)構(gòu)無(wú)灌木層,優(yōu)勢(shì)物種為：披堿草(Elymusdahuricus)、蒙古冰草、黃花蒿(Artemisiaannua)。另外,自然坡面與人工恢復(fù)坡面植物群落組成差別較大。自然坡面陰坡、陽(yáng)坡群落物種組成較為一致,羊草、貝加爾針葉茅、野火球(Trifoliumlupinaster)、裂葉蒿、線葉菊、檸條(Caraganakorshinskii)、興安柳(Salixhsinganica)等為主要物種。

為了量化各個(gè)坡面植物群落的差異度,本文對(duì)植物群落進(jìn)行相似性分析。從群落相似性系數(shù)(表3)可知,厚質(zhì)基層陽(yáng)坡與植生混凝土陽(yáng)坡極為相似(0.9231),兩種技術(shù)的陰坡極為相似(0.8333)。厚質(zhì)基層陽(yáng)坡與陰坡植物群落中等不相似(0.4375),植生混凝土陽(yáng)坡與陰坡植物群落同樣屬中等不相似(0.4112)。另外,厚質(zhì)基層陽(yáng)坡、植生混凝土陽(yáng)坡與自然陽(yáng)坡植物群落中等不相似(0.3810,0.4000),厚質(zhì)基層陰坡、植生混凝土陰坡與自然陰坡植物群落極為不相似(0.2000,0.2381)。

表2 人工恢復(fù)及自然坡面植物群落物種重要值

S1：無(wú)芒雀麥Bromusinermis；S2：狗尾草Setariaviridis；S3：艾蒿Artemisiaargyi；S4：偃麥草Elytrigiarepen；S5：紫花苜蓿Medicagosativa；S6：蒲公英Taraxacummongolicum;S7：早熟禾Poaannua；S8：柳蒿Artemisiaintegrifolia；S9：披堿草Elymusdahuricus；S10黃花蒿Artemisiaannua;S11一年蓬Erigeronannuus；S12：黃芪Astragalusmembranaceus；S13：蒙古冰草Agropyronmongolicum；S14：羊草Leymuschinensis；S15：貝加爾針葉茅StipaBaicalensis；S16：野火球Trifoliumlupinaster；S17：裂葉蒿Artemisiatanacetifolia；S18：線葉菊Filifoliumsibiricum；S19：檸條CaraganaKorshinskii；S20：興安柳Salixhsinganica；S21：興安胡枝子Lespedezadaurica；S22：紫穗槐Amorphafruticosa；S23：小葉錦雞兒Caraganamicrophylla

表3 人工坡面與自然坡面植物群落相似性系數(shù)

3.2 群落多樣性指數(shù)與土壤RDA分析

人工坡面豐富度方面,各標(biāo)地陰坡豐富度全部低于陽(yáng)坡,8A、3A、7A、3B、2A、6A較為接近,2B、7B、8B、6B較為接近。其中3A與3B豐富度差異不大,其余標(biāo)地陰坡、陽(yáng)坡差異明顯。S-W多樣性指數(shù)方面,除3B大于3A外,其余標(biāo)地陽(yáng)坡均大于陰坡,并且差異較大。7A、3B、8A、3A、6A、2A較為接近,7B、2B、8B、6B差異不大。均勻度方面,除6B均勻度較大外,其余標(biāo)地差異不明顯。通過(guò)與自然坡面3種指數(shù)的比較可知,人工坡面豐富度指數(shù)、S-W多樣性指數(shù)均低于自然坡面,但均勻度指數(shù)高于自然坡面。

人工恢復(fù)坡面土壤全氮含量8A>3A>7A>3B>2A>6A>2B>7B>8B>6B,土壤緩效鉀含量7A>2A>8A>8B>3B>7B>2B>6A>3A>6B,土壤有機(jī)質(zhì)含量3A>3B>7A>6A>8A>2A>2B>2B>7B>6B,土壤速效鉀2A>2B>6A>8A>3A>8B>7B>7A>6B>3B,各標(biāo)地陰坡四者含量全部低于陽(yáng)坡。土壤速效磷6B>2B>8B>7B>6A>3B>3A>2A>8A>7A,各標(biāo)地陰坡速效磷含量均高于陽(yáng)坡。而土壤pH值方面,陰坡、陽(yáng)坡差異不明顯。土壤水分含量方面,各個(gè)標(biāo)地的陰坡土壤水分含量均高于陽(yáng)坡。自然坡面全氮含量2Z>4Z>1Z>5Z>3Z,緩效鉀含量3Z>2Z>1Z>5Z>4Z,有機(jī)質(zhì)含量2Z>4Z>1Z>3Z>4Z,速效鉀含量2Z>5Z>3Z>4Z>1Z,速效磷含量3Z>5Z>1Z>4Z>2Z,土壤水分5Z>2Z>1Z>3Z>4Z,土壤pH值4Z>3Z>2Z>5Z>1Z。除土壤緩效鉀含量陽(yáng)坡>陰坡外,其余陰坡、陽(yáng)坡土壤特性無(wú)明顯規(guī)律。自然坡面土壤全氮、有機(jī)質(zhì)、緩效鉀含量均高于人工生態(tài)恢復(fù)坡面,土壤速效磷含量低于人工生態(tài)恢復(fù)坡面。

圖2 土壤與植物群落RDA分析Fig.2 RDA ordination of soil and plants TN:全氮；SOM：土壤有機(jī)質(zhì)：SK：緩效鉀；pH：土壤酸堿度；AP：速效磷；AK：速效鉀：SWC：土壤含水量；R：豐富度指數(shù)；H：S-W多樣性指數(shù)；E：均勻度指數(shù)

為了量化環(huán)境因子對(duì)植物群落發(fā)展的影響,本文對(duì)群落多樣性指數(shù)和環(huán)境因子進(jìn)行相關(guān)性分析。結(jié)合圖2與表4可看出,植物群落豐富度與土壤全氮、有機(jī)質(zhì)、緩效鉀呈極顯著正相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為0.981、0.933和0.827；與土壤含水量呈正相關(guān)(0.210)；與土壤速效磷含量呈極顯著負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)為-0.942;與土壤pH值、速效鉀呈負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為-0.312和-0.279。同樣,S-W多樣性指數(shù)與全氮、緩效鉀、有機(jī)質(zhì)呈極顯著正相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為0.800、0.713和0.787；與含水量呈正相關(guān)(0.084)；與速效磷呈極顯著負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)為-0.903；與pH值、速效鉀呈負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)為-0.113和-0.448。均勻度指數(shù)方面,全氮、緩效鉀、有機(jī)質(zhì)均與其呈負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)為-0.704、-0.583、-0.770；與土壤含水量呈負(fù)相關(guān)(-0.312)；與pH值、速效鉀速效磷呈正相關(guān),相關(guān)系數(shù)為0.269、0.231和0.418。

表4 土壤特性與植物多樣性之間的相關(guān)性系數(shù)

*在 0.05 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)； ** 在0.01 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)

4 討論與結(jié)論

1)研究表明,雖然總體上兩種技術(shù)的恢復(fù)效果較為接近,但植生混凝土噴附坡面更接近自然水平。另外,這兩種技術(shù)恢復(fù)效果的主要差異存在于各自的陰坡和陽(yáng)坡。根據(jù)坡面植物群落組成(圖1)和群落相似性系數(shù)(表3)可知,兩種技術(shù)的陽(yáng)坡植物群落組成極為相似,陰坡同樣極為相似。植生混凝土噴附坡面植物群落與自然坡面植物群落相似度較厚質(zhì)基層噴附坡面更高。此外,根據(jù)施工時(shí)所噴播的物種組成和表2可知,經(jīng)過(guò)4—5 a的恢復(fù),自然坡面16種植物中的5種已經(jīng)成功入侵陽(yáng)坡,4種成功入侵陰坡。但野火球、貝加爾針葉茅、裂葉蒿等自然坡面優(yōu)勢(shì)物種還未成功入侵人工恢復(fù)坡面。人工恢復(fù)邊坡植物群落水平分布均勻,垂直結(jié)構(gòu)方面陽(yáng)坡已出現(xiàn)灌木層,陰坡還未出現(xiàn)。根據(jù)植物群落相似性系數(shù)(表3)可知,兩種技術(shù)的陽(yáng)坡植物群落與自然植物群落相似程度較各自的陰坡高。這說(shuō)明陽(yáng)坡植物群落更接近自然水平。

2)根據(jù)植物群落與土壤RDA分析結(jié)果中可知,土壤全氮和有機(jī)質(zhì)含量的適當(dāng)增長(zhǎng)可以促進(jìn)植物群落發(fā)展,而土壤速效磷含量的增長(zhǎng)會(huì)抑制其發(fā)展。土壤氮含量對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育有重要作用,它可促進(jìn)植物葉片面積的增長(zhǎng),從而增加光合作用。土壤有機(jī)質(zhì)在礦質(zhì)化過(guò)程中釋放大量營(yíng)養(yǎng)元素為植物生長(zhǎng)提供養(yǎng)分,而有機(jī)質(zhì)的腐殖化過(guò)程合成腐殖質(zhì),保存了養(yǎng)分,腐殖質(zhì)又經(jīng)礦質(zhì)化過(guò)程再度釋放養(yǎng)分,從而保證植物生長(zhǎng)全過(guò)程的養(yǎng)分要求。同時(shí),研究表明人工坡面土壤速效磷含量過(guò)高對(duì)植物群落的發(fā)展起到了抑制作用。磷參與植物體內(nèi)光合作用、呼吸作用等過(guò)程,可促進(jìn)植物早期根系的形成和生長(zhǎng),提高植物適應(yīng)外界惡劣環(huán)境條件的能力,有助于提高植物的抗寒性。所以,在該地區(qū)人們?yōu)槭瓜蠕h植被迅速占據(jù)坡面、根系快速生長(zhǎng)并且順利過(guò)冬,磷元素被過(guò)量加入到客土中,導(dǎo)致人工恢復(fù)坡面磷含量遠(yuǎn)超自然水平,這在一定程度上抑制了植物群落的發(fā)展。另外,結(jié)合圖1和圖2可知,羊草為自然坡面優(yōu)勢(shì)種,其存在于土壤全氮和有機(jī)質(zhì)含量較高的地方,所以它在人工恢復(fù)坡面上數(shù)量的急劇減少可能是由于人工坡面土壤全氮和有機(jī)質(zhì)含量不足而土壤速效磷含量過(guò)高的原因。此外,人工恢復(fù)陰坡灌木的退化也是由于同樣的原因。所以,在后期養(yǎng)護(hù)過(guò)程中可適當(dāng)增加氮和有機(jī)質(zhì)的含量,減少土壤磷元素的施加,從而確保植物群落的順利發(fā)展。

3)生態(tài)恢復(fù)工作早期如果采用先鋒物種、演替中期物種與頂級(jí)物種搭配種植的方法可以縮短演替時(shí)間,提高植物群落穩(wěn)定性,使人工植物群落盡快達(dá)到自然水平。根據(jù)圖1、表1和植物群落的相似性,對(duì)比陽(yáng)坡、陰坡以及自然坡面的群落物種組成和各個(gè)物種的重要程度,本文認(rèn)為較為合理的物種搭配為艾蒿、柳蒿、羊草、貝加爾針茅、興安胡枝子、紫穗槐以及興安柳。

致謝：感謝路域生態(tài)公司以及阿榮旗在數(shù)據(jù)采集方面給予的支持。

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Vegetation restoration effects of rock cutting slopes in the cold region of China

ZHANG Xiao1,2, ZHANG Hongyu1,2, LU Zhaohua1,2,3,*, CHEN Kaiyu1, WU Jiaxing1, DENG Xueqin1

1EcologicalRestorationLab,ChinaUniversityofMining&Technology,Beijing100083,China2ShandongProvincialKeyLaboratoryofEco-EnvironmentalScienceforYellowRiverDelta,BinzhouUniversity,Binzhou256603,China3StateEnvironmentalProtectionEngineeringCenterforEcologicalRestorationofSurfacesDestroyed,Beijing100082,China

With the rapid economic, scientific, and technological development, China′s expressway network is increasingly improving. However, expressway networks can damage ecosystems, and generate a large number of high and steep slopes. Because these slopes can be dangerous, it is of great importance to restore them. The United States and other developed countries have a long history in ecological slope restoration, and currently, Japan is the world leader in the field of restoration techniques. In China, the efforts for ecological restoration are still behind other countries, although its ecological restoration techniques are developing, especially those for special geographical environments such as rock slopes. Compared with soil slopes, rock slopes are high, steep, and with relatively poor soil conditions. Furthermore, rock slopes are extremely unstable, which makes them difficult to recover. In China, numerous methodologies have been implemented to restore rock slopes. Currently, thick layer planting and eco-concrete technologies are widely used for restoration activities in China. However, these two methodologies are still imitated mechanically from other countries, and no particularly thorough, systematic, or comprehensive research is available. Thus, China′s ecological restoration work is facing serious issues, especially in the cold region. Unlike other regions in China, the extremely low temperatures in the cold region hinder plant growth, because of diseases and the harsh environment. Many artificial slope plants used in this region have poor cold hardiness or stress resistance. This causes degradation of many artificial slopes, leading to a decrease in the vegetation cover, and death of native species even after a period of growth and reproduction.In the present study, the Arun Banner to Boketu expressway was chosen as the study area, in order to evaluate the restoration effects of thick layer planting and eco-concrete techniques. We also aimed to understand the successional stages, and determine the soil-plant relationships by analyzing the plant communities′, Margalef index, Shannon-Weiner index, Pielou index, Jaccard index, and soil data. The results indicate that: 1) the two techniques did not result in significantly different plant communities and similarity indices, although eco-concrete slope plant communities were closer to natural ones; 2) obvious differences were observed between the plant communities and similarity indices of shady and sunny slopes; 3) a specific increment in soil total nitrogen and organic matter content can promote the development of plant communities. In addition, an increase in soil available phosphorus content will inhibit this development; 4)Artemisiaargyi,Artemisiaintegrifolia,Leymuschinensis,StipaBaicalensis,Lespedezadaurica,Amorphafruticosa, andSalixhsinganicaare the most appropriate and effective species for use in this restoration work.Overall, this study can provide a basis for improving the application of both technologies in this region, to optimize species configuration, prevent secondary degradation problems, and provide a theoretical basis for future conservation and management measures.

rock cutting slope; vegetation restoration; community diversity; community similarity; correlation

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(71673260)

2015- 10- 15;

日期:2016- 07- 13

10.5846/stxb201510152079

*通訊作者Corresponding author.E-mail: lu-zhh@263.net

張霄,張紅玉,陸兆華,陳凱昱,吳佳興,鄧雪琴.高寒地區(qū)路塹邊坡植被恢復(fù)效果.生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(5):1450- 1457.

Zhang X, Zhang H Y, Lu Z H, Chen K Y, Wu J X, Deng X Q.Vegetation restoration effects of rock cutting slopes in the cold region of China.Acta Ecologica Sinica,2017,37(5):1450- 1457.