徐恩凱， 陳延永， 胡永歌， 王藝琳， 田國行

（河南農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，鄭州 450002）

我國的高速公路在建設(shè)過程中，往往是高填方路基、深挖方路塹，產(chǎn)生大量邊坡界面，嚴(yán)重?cái)_動(dòng)了地球表面［1］. 建設(shè)不可避免地會(huì)破壞原有的植被層，產(chǎn)生大量裸露的邊坡，這類邊坡地質(zhì)不穩(wěn)定，立地條件較差，生態(tài)系統(tǒng)難以自然恢復(fù)，不僅影響道路交通安全，又成為水土流失的巨大隱患［2］. 因此，將可持續(xù)的、自然生態(tài)理念應(yīng)用到路域景觀恢復(fù)建設(shè)中是當(dāng)下研究的熱點(diǎn)［3］，而許多學(xué)者研究［4-6］發(fā)現(xiàn)，植物群落在增進(jìn)邊坡穩(wěn)定性和促進(jìn)土壤恢復(fù)中具有重要作用. 高速公路邊坡植被群落是典型的人工植物群落，但是立地條件特殊，具有坡度大、水肥條件差、人工痕跡明顯等特點(diǎn)［7］. 土壤是植物賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)，是植被恢復(fù)和生態(tài)環(huán)境建設(shè)的主要限制因素，影響著不同植被的變化，同時(shí)也受到植被的影響，植被與土壤處于不斷相互影響的過程［8］. 因此栽植適宜的護(hù)坡植被對(duì)高速公路邊坡土壤恢復(fù)顯得尤為重要. 已有部分學(xué)者［9-11］為高速公路邊坡恢復(fù)提供植物選擇建議，且有研究表明有灌木覆蓋土壤的有機(jī)質(zhì)含量和水穩(wěn)性指數(shù)均大大提高，增強(qiáng)了邊坡的穩(wěn)定性［12］. 但大多研究是將土壤和植物群落單獨(dú)研究或簡單研究其相關(guān)性和影響機(jī)制，較少將土壤的恢復(fù)情況與植物群落的恢復(fù)狀況相聯(lián)系，在生態(tài)系統(tǒng)層面共同研究其恢復(fù)質(zhì)量. 本研究在全省高速公路邊坡植被類型調(diào)研的基礎(chǔ)上，以商登高速公路航空港區(qū)段邊坡的土壤和植被為研究對(duì)象營造人工近自然植物群落，在商登高速通車初期對(duì)邊坡植物進(jìn)行篩選、搭配和種植，采用喬-灌-草搭配的模式以豐富路域植物群落結(jié)構(gòu)，在最大限度上恢復(fù)自然群落. 將土壤指標(biāo)和植物群落特征指標(biāo)有機(jī)結(jié)合，通過科學(xué)的方法對(duì)高速公路邊坡不同人工近自然群落的恢復(fù)質(zhì)量狀況作出研究和評(píng)價(jià).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

商登高速起于河南省商丘市西側(cè)，與連霍高速公路相接，在登封市東與鄭盧高速公路相接，全長222 km，于2017年9月26日全線通車. 試驗(yàn)段位于鄭州市南部新鄭市內(nèi)，試驗(yàn)段全長80 m，坐標(biāo)約為北緯34°28′07″，東經(jīng)113°41′57″，海拔約148 m. 商登高速公路鄭州境航空港區(qū)至登封段沿線屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均日照時(shí)數(shù)2297 h，年均溫度14.3 ℃. 全年大于0 ℃的平均年積溫為5 178.8 ℃，無霜期238 d，年均降水量614 mm. 四季分明，溫差大，常年干旱少雨，降水量多集中在6—8月，占全年降水總量的33.8%.

1.2 群落動(dòng)態(tài)觀測

1.2.1 樣地設(shè)置

4 組試驗(yàn)段均采用喬灌草的搭配模式，為更好進(jìn)行種植試驗(yàn)對(duì)比，試驗(yàn)段均設(shè)置在陽坡. 喬木層為白榆+臭椿+刺槐+苦楝+構(gòu)樹，灌木層分別為錦雞兒+胡枝子、繡線菊+檸條、迎春+黃刺玫和傳統(tǒng)護(hù)坡植物紫穗槐，草本層為狗牙根+紫苜蓿+高羊茅+黑麥草+紫云英+波斯菊. 種植時(shí)間為2017年4月，喬灌草分別噴播等量草籽，試驗(yàn)段具體情況見表1. 由于邊坡采用拱形架防護(hù)措施，一定程度上限制了樣方設(shè)定，故在S1、S2、S3、S4每個(gè)試驗(yàn)段取同一坡位的3個(gè)拱形架（2.5 m×4.5 m）作為3個(gè)樣方，共12個(gè)樣方（命名為S1-1、S1-2…S4-3）. 植被群落調(diào)查于2017年8月和2018年8月完成，土壤取樣于2018年8月份完成.

表1 試驗(yàn)段基本情況Tab.1 Basic situation of test sections

1.2.2 植物群落測定指標(biāo)及測定方法 每個(gè)樣方選取對(duì)角線3 個(gè)小樣方（1 m×1 m）逐個(gè)調(diào)研其群落特征.調(diào)研采集數(shù)據(jù)包括樣方內(nèi)植物種類、數(shù)量、蓋度、頻度、高度等并進(jìn)行拍照，選取植物群落的物種重要值（IV）、物種豐富度指數(shù)（R）、Shannon-Wiener 指數(shù)（H）、Pielou 均勻度指數(shù)（E）作為度量群落物種多樣性的指標(biāo)，來分析群落的動(dòng)態(tài)變化特征［13-15］. 公式如下：

式中：Pi為物種i 的重要值；Ni為物種i 的個(gè)體總數(shù)；N 為所有物種個(gè)體數(shù)之和.

1.3 土壤理化性質(zhì)分析

分別對(duì)商登高速公路4 個(gè)試驗(yàn)段12 個(gè)樣方對(duì)應(yīng)的土壤進(jìn)行采樣，采樣及試驗(yàn)方法參考陳立新編著的《土壤實(shí)驗(yàn)實(shí)習(xí)教程》. 土壤物理性質(zhì)測定采用環(huán)刀法，每個(gè)2.5 m×4.5 m的拱形架樣方內(nèi)，取對(duì)角線交點(diǎn)分層采樣，分別取0～10 cm與10～20 cm土層深度土壤，每層環(huán)刀重復(fù)4次，每個(gè)樣方以平均值進(jìn)行計(jì)算. 4個(gè)試驗(yàn)段共得到土壤環(huán)刀樣品96個(gè)，用于土壤容重、飽和持水量和總孔隙度的測定. 土壤化學(xué)性質(zhì)測定采樣：每個(gè)2.5 m×4.5 m的拱形架樣方內(nèi)，以對(duì)角線取上中下坡位3個(gè)樣點(diǎn)，分別取0～10 cm 和10～20 cm 土層深度土壤，并將同一樣方所取土壤進(jìn)行混合，共得到12份土壤樣品. 樣品用自封袋帶回實(shí)驗(yàn)室，去除植物根系和礫石，在室內(nèi)風(fēng)干，過篩后用于速效養(yǎng)分和全量養(yǎng)分的測定. 全氮采用半微量凱氏法，全磷采用鉬銻鈧比色法，全鉀采用原子吸收火焰光度計(jì)法，水解氮采用堿解-擴(kuò)散法，有效磷采用0.5 mol/L碳酸氫鈉浸提-鉬銻鈧比色法，速效鉀采用醋酸銨浸提-原子吸收火焰光度計(jì)法，有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀-濃硫酸外加熱法，土壤pH值采用酸度計(jì)法（水土比為2.5∶1）.

2 結(jié)果與分析

2.1 植物群落物種組成變化

將4個(gè)試驗(yàn)段在兩年調(diào)研時(shí)期的物種組成情況進(jìn)行對(duì)比（見表2）. 2017年樣地內(nèi)共生長有7種植物，分屬4科7屬；2018年增長到18種植物，分屬11科17屬. 在群落物種組成方面，禾本科、豆科的物種占多數(shù)，可見禾本科、豆科兩大科植物在研究區(qū)公路邊坡植被恢復(fù)初期占據(jù)主要地位. 邊坡群落的灌木種類較為單一，共出現(xiàn)2科4屬4種植物，其中豆科灌木占有明顯優(yōu)勢(shì)，共有3種. 喬木層在恢復(fù)初期生長緩慢，共出現(xiàn)4科4屬4種，除臭椿外均出現(xiàn)在恢復(fù)1.5 a時(shí)期，邊坡防護(hù)效果無法保證. 生長迅速的豆科和禾本科植物作為高速公路邊坡草本群落次生演替的先鋒植物. 在植被建植初期適宜的生長環(huán)境下，草本層禾本科種子萌發(fā)快，表現(xiàn)出很強(qiáng)的競爭力［16-17］. 豆科植物在群落物種中增長最多，且在植被恢復(fù)的過程中表現(xiàn)出了良好的適應(yīng)性.

表2 商登高速公路樣地中植物種類Tab.2 Plant species in Shangdeng Expressway sample plots

對(duì)商登高速公路邊坡的4 個(gè)試驗(yàn)段共12 個(gè)樣方的調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，由于各個(gè)試驗(yàn)段的3個(gè)樣方初始配置模式一致，且恢復(fù)時(shí)間較短，群落物種組成較為相似和簡單，故以試驗(yàn)段為單位探討其物種組成變化，具體結(jié)果如下.

2018 年S1 較2017 年群落增加植物6 種. 初始配置植物錦雞兒和秋英在次年消亡，草本高羊茅未見萌發(fā). 紫穗槐和紫苜蓿蓋度和高度較上一年均有所增長，在初期群落中表現(xiàn)出較強(qiáng)的穩(wěn)定性和競爭力，豆科植物胡枝子也在2018年萌發(fā)出苗. 狗牙根的生長情況有所下降，次年狗尾草、馬唐等禾本科植物出現(xiàn)并成為群落中的主要草本層. 喬木層臭椿次年數(shù)量和高度都比2017年增長3倍以上，并萌發(fā)白榆小苗.

2018年S2較2017年群落植物種數(shù)增加4種，其中豆科植物增加刺槐和胡枝子兩種，紫苜蓿兩年中生長較為穩(wěn)定，數(shù)量雖有所減少但蓋度增加20%以上. 初始植物配置中高羊茅、繡線菊、檸條和臭椿未見萌發(fā)，喬木層白榆次年出苗且生長情況優(yōu)于S1. 灌木層萌發(fā)荊條和胡枝子小苗，數(shù)量較少且高度僅15～30 cm，錦雞兒次年在群落中消亡. 一年生草本秋英次年在群落中消亡，但菊科增加一年蓬，生長能力較強(qiáng)；禾本科狗尾草出現(xiàn)并替代2017年群落中的主要草本牛筋草和狗牙根，蓋度達(dá)到60%. 2018年S2群落豐富度較上年同樣有所增加，豆科植物較為穩(wěn)定且增加種類最多，群落整體由2017年的灌-草結(jié)構(gòu)發(fā)展為喬-灌-草結(jié)構(gòu)，群落層次豐富.

S3在2017年群落組成單一，僅由豆科和禾本科、菊科組成簡單的灌-草結(jié)構(gòu)，群落主要植物為一年生草本秋英和狗牙根，且蓋度占樣段的70%，成為群落的優(yōu)勢(shì)種. 初始配置中的荊條于次年萌發(fā)且長勢(shì)較好，喬木層白榆和臭椿未見萌發(fā). 次年群落中豆科植物紫穗槐和紫苜蓿有所保留且長勢(shì)穩(wěn)定，其余植物種類均在2018 年消亡. 2018 年群落中灌木植物胡枝子和荊條萌發(fā)，長勢(shì)較好. 草本層新增藜科豬毛菜和薔薇科蛇莓，但依舊沒有喬木層植物出現(xiàn)，群落結(jié)構(gòu)與S1和S2相比較為簡單.

2017年S4共有植物6種，物種豐富情況優(yōu)于前三個(gè)樣段，出現(xiàn)攀緣草本植物葎草和牽?；?，且在兩年群落建成期間較好存活，葎草蓋度達(dá)到40%～60%，能在短期內(nèi)迅速覆蓋坡面. 2018年增加喬木加拿大楊，但初始配置中的白榆、臭椿未見萌發(fā). 灌木層豆科紫穗槐長勢(shì)穩(wěn)定，數(shù)量增加一倍且生長量大于1 m. 草本層禾本科新增狗尾草和馬唐，其中馬唐蓋度達(dá)到70%，長勢(shì)較好. 與前三個(gè)樣段相同，次年均有豬毛菜出現(xiàn)，且高度可達(dá)65 cm，豐富以禾本科和菊科為主的草本層植物群落.

2.2 植物群落物種重要值變化

2.2.1 草本層物種重要值變化 由表3可知S1試驗(yàn)段草本層由2017年的秋英群落逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楣费栏⊿1-1）、紫苜蓿（S1-2）和黃芪（S1-3）群落. 一年生草本秋英在恢復(fù)1 a后消亡，多年生豆科植物紫苜蓿、黃芪在群落中重要值逐漸升高，其中黃芪并未進(jìn)行人工播種，生長能力較強(qiáng). 菊科植物一年蓬、藜科豬毛菜、旋花科牽?；?、禾本科馬唐以及薔薇科蛇莓，在群落中自我生長繁殖且長勢(shì)良好（為方便比較，每個(gè)試驗(yàn)段的重要值變化表內(nèi)包含4個(gè)試驗(yàn)段所有的植物種類）.

由表4 可知S2 試驗(yàn)段草本層由2017 年的秋英群落逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楣肺膊荩⊿2-1）、紫苜蓿（S2-2、S2-3）群落. 除一年生草本秋英、馬唐外，禾本科狗牙根在恢復(fù)1 a后消亡，紫苜蓿逐漸成為S2試驗(yàn)段中重要值最高的植物種類，其次禾本科狗尾草在群落中具有較大優(yōu)勢(shì). 同時(shí)新增一年蓬、豬毛菜、黃芪植物種類，但重要值并不具備優(yōu)勢(shì).

由表5可知S3試驗(yàn)段草本層由2017年的秋英群落逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)辄S芪（S3-1）、紫苜蓿（S3-2）和馬唐（S3-3）群落. 除秋英外，狗牙根在恢復(fù)1 a后消亡，三個(gè)樣方分別為黃芪群落（0.29），紫苜蓿群落（0.44）和馬唐群落（0.44），其中紫苜蓿兩年中生長較為穩(wěn)定且逐漸在群落中占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位. 新增一年蓬、豬毛菜和蛇莓，但重要值在群落中并不其具備優(yōu)勢(shì)，S3-2中一年蓬（0.24）雖占據(jù)較高重要值，但其作為一年生草本植物并不代表能夠長期在群落中占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位.

表3 S1草本層物種重要值變化情況Tab.3 Changes of important values of herbaceous layer in S1

表4 S2草本層物種重要值變化情況Tab.4 Changes of important values of herbaceous layer in S2

表5 S3草本層物種重要值變化情況Tab.5 Changes of important values of herbaceous layer in S3

由表6可知S4試驗(yàn)段草本層由原本的秋英群落逐漸演變?yōu)轳R唐（S4-1）、一年蓬（S4-2）、豬毛菜（S4-3）群落，這與前三個(gè)試驗(yàn)段具有較大差別，且在S1、S2、S3試驗(yàn)段群落中占據(jù)較高優(yōu)勢(shì)的豆科草本紫苜蓿，新增植物黃芪和蛇莓在S4中并未出現(xiàn)，而豬毛菜作為自主出現(xiàn)的草本植物表現(xiàn)出較高重要值（0.38）. 菊科蒼耳、秋英在1.5 a時(shí)消亡，旋花科牽?；ㄔ赟4-1和S4-2中出現(xiàn)，?？迫劜菰赟4-2和S4-3中出現(xiàn)，生長情況并不穩(wěn)定.

表6 S4草本層物種重要值變化情況Tab.6 Changes of important values of herbaceous layer in S4

2.2.2 灌木層重要值變化 灌木層在1 a恢復(fù)時(shí)間內(nèi)共出現(xiàn)豆科紫穗槐、錦雞兒、胡枝子和馬鞭草科荊條四種植物（見表7）. 其中S1初期配置中的錦雞兒在0.5 a時(shí)期萌發(fā)出苗，且在S1-2中具有較高重要值（0.42），但在1.5 a時(shí)并未發(fā)現(xiàn)S1樣方內(nèi)存在錦雞兒，S2-3和S3-2出現(xiàn)相同情況，可能由于種子噴播不利于種子萌發(fā)，或脆弱幼苗在初期滿鋪的秋英群落中無法獲得足夠的生存空間，也有可能是因?yàn)檫吰聬毫拥沫h(huán)境影響或疏于人工管理導(dǎo)致生存困難. 傳統(tǒng)護(hù)坡植物紫穗槐在S1恢復(fù)0.5 a在群落中占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，但在1.5 a時(shí)消亡，取而代之的是荊條（0.77、0.75）和豆科灌木胡枝子（0.23、0.25），同時(shí)，荊條在S2、S3、S4中也有自我生長的情況，且在S2的灌木層中占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位（0.72、1）；胡枝子在S2-2和S3-2中也有出現(xiàn)，但重要值不占優(yōu)勢(shì). S4中由于初期配置中不存在其他灌木層植物，紫穗槐在1.5 a的恢復(fù)過程中始終占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位，成為S4灌木層的優(yōu)勢(shì)種，這也可能是限制S4灌木層物種多樣性的原因之一.

表7 灌木層植物重要值變化情況Tab.7 Changes of important values of shrub layer

2.2.3 喬木層重要值變化 S1喬木層臭椿和白榆均有萌發(fā)并出苗，但可能生長緩慢，恢復(fù)0.5 a時(shí)除S1-2外并未見喬木植物出現(xiàn)（見表8）. 恢復(fù)1.5 a 時(shí)，S1-1、S1-3、S2-1、S4-1 均出現(xiàn)喬木，S1 中苦木科臭椿重要值（0.64）最高，S2中榆科白榆重要值（0.75）最高，S3和S4均只有一種喬木出現(xiàn)，分別是白榆和加拿大楊. 四種喬木植物種類均為初始配置中人工播種.

表8 喬木層植物重要值變化情況Tab.8 Changes of important values of tree layer

2.3 植物群落多樣性變化

在群落建成初期的0.5～1.5 a時(shí)間段內(nèi)（見表9），除樣方S2-3的草本層S-W指數(shù)有所下降外，四個(gè)試驗(yàn)段的其余11個(gè)樣方內(nèi)群落草本層的S-W指數(shù)均有較大幅度的增長，說明群落草本層的整體豐富度增加；樣方S1-3、S2-2、S2-3、S3-1、S4-1、S4-3內(nèi)群落草本層的均勻度指數(shù)有所增加，表示群落中草本層物種個(gè)體數(shù)目的分配均勻度增強(qiáng)；除樣方S2-3的草本層豐富度由4下降到3之外，其余11個(gè)樣方內(nèi)群落草本層的豐富度均明顯增長，其中以S1最為明顯.

表9 商登高速12個(gè)樣方植物群落草本多樣性指數(shù)Tab.9 Herbal diversity index of 12 samples plant communities on Shangdeng Expressway

在群落建成初期的0.5～1.5 a時(shí)間段內(nèi)（見表10），樣方S1-2的灌木層S-W指數(shù)有所下降，樣方S1-3、S2-1、S2-3、S3-1和S4-3始終為0外，其余6個(gè)樣方的群落灌木層S-W指數(shù)均有所增長，說明群落灌木層的整體豐富度增加；樣方S1-2內(nèi)群落灌木層的均勻度指數(shù)下降，與其草本層指數(shù)變化情況一致，表明該群落中物種分配均勻度下降；12個(gè)樣方中有6個(gè)樣方灌木層的豐富度增加，其中3個(gè)樣方在恢復(fù)1.5 a時(shí)新出現(xiàn)了灌木層物種，表明四個(gè)試驗(yàn)段在恢復(fù)初期群落灌木層植物類型不斷豐富. 但可以看出群落中灌木的多樣性仍處于較低水平，而灌木在高速公路邊坡植物群落恢復(fù)中起著至關(guān)重要的作用.

四個(gè)試驗(yàn)段在恢復(fù)0.5 a時(shí)（見表11），除樣方S1-2有1種喬木存在以外，其余11個(gè)樣方植物群落均沒有喬木出現(xiàn)，群落組成簡單且多樣性差. 恢復(fù)1.5 a時(shí)，樣方S1-3、S2-1、S3-1、S3-2和S4-1群落中出現(xiàn)了新的喬木層植物. 在群落恢復(fù)初期，喬木種子發(fā)芽難、發(fā)芽慢，不如草本層植物，能夠在短期內(nèi)迅速覆蓋坡面，較快形成坡面的植被防護(hù)結(jié)構(gòu)；也不如灌木層生長迅速，在恢復(fù)初期便能依靠其發(fā)達(dá)的根系和遠(yuǎn)高于草本的地上生物量為群落植被恢復(fù)和后期的群落演替提供良好的生長環(huán)境.

表10 商登高速公路12個(gè)樣方植物群落灌木多樣性指數(shù)Tab.10 Shrub diversity index of 12 samples plant communities on Shangdeng Expressway

表11 商登高速公路12個(gè)樣方植物群落喬木多樣性指數(shù)Tab.11 Tree diversity index of 12 samples plant communities on Shangdeng Expressway

2.4 植物群落土壤理化性質(zhì)評(píng)價(jià)分析

根據(jù)《全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》結(jié)合表12可知，商登高速邊坡試驗(yàn)段土壤的全氮含量平均值達(dá)到三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（1～1.5 g/kg），其中S1-3最優(yōu)達(dá)到一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（>2 g/kg），S2-2最差為六級(jí)（<0.5 g/kg）. 水解氮含量平均值屬于六級(jí)（<30 mg/kg），只有S4-1 達(dá)到五級(jí)水平（30～60 mg/kg），可見土壤中雖具有較大的氮素儲(chǔ)備，但可供植被生長恢復(fù)近期吸收利用的氮素較少. 土壤其他速效成分中，有效磷平均值屬五級(jí)（3～5 mg/kg），S3-3、S4-2、S4-3 屬四級(jí)（5～10 mg/kg），S1-1、S1-2 屬五級(jí)，其余均屬六級(jí)（<3 mg/kg）；速效鉀平均值屬五級(jí)（30～50 mg/kg），S1-1 最優(yōu)屬四級(jí)（50～100 mg/kg），S1 的其他樣方以及S2-2、S2-3、S3-2 屬五級(jí)，其余均屬六級(jí)（<30 mg/kg），可見土壤中的速效成分含量均處于較低水平. 有機(jī)質(zhì)含量平均值屬六級(jí)（<6 g/kg），除S4-2 屬五級(jí)（6～10 g/kg）外，其余樣方均屬六級(jí). 4種人工近自然群落下的土壤均呈堿性，12個(gè)樣方中有4個(gè)樣方pH值高于國家標(biāo)準(zhǔn)（5.5～8.5）.

土壤飽和持水量最低為樣方S4-1的30.10%，最高為S1-2的40.77%. 樣方S1-2土壤容重最小為1.328 g/cm3，屬正常土壤容重范圍1.30～1.35 g/cm3，樣方S2-2土壤容重最大，為1.543 g/cm3，高于黏土土壤的一般容重范圍1.0～1.5 g/cm3，可見其土壤板結(jié)情況較為嚴(yán)重. 樣方S1-2 土壤總孔隙度最優(yōu)為26.519%，與土壤容重、總孔隙度結(jié)果一致，在一定程度上反映了物理指標(biāo)之間的互相影響作用，樣方S3-3 土壤總孔隙度最差，為18.385%，而土壤一般土壤的總孔隙度在55%～65%，可見研究區(qū)土壤透氣性較差.

由表13可知，土壤物理性質(zhì)與土壤化學(xué)性質(zhì)各項(xiàng)指標(biāo)之間并無相關(guān)性（P>0.05），而土壤物理性質(zhì)指標(biāo)之間均呈現(xiàn)明顯相關(guān)性，其中土壤飽和持水量和土壤容重呈顯著負(fù)相關(guān)（P<0.01），即較大的土壤容重會(huì)影響到土壤的持水能力；土壤容重和土壤總孔隙度成負(fù)相關(guān)，土壤飽和持水量和土壤總孔隙度呈顯著正相關(guān). 土壤化學(xué)性質(zhì)指標(biāo)中全氮與速效鉀成正相關(guān)，有效磷與有機(jī)質(zhì)含量成正相關(guān)關(guān)系（P<0.05），其余指標(biāo)間并沒有呈現(xiàn)明顯相關(guān)關(guān)系.

表12 12個(gè)樣方土壤理化性質(zhì)測定結(jié)果Tab.12 Determination results of soil physical and chemical properties in 12 sample plots

表13 土壤主要理化性質(zhì)相關(guān)系數(shù)矩陣Tab.13 Correlation coefficients matrix among main physical and chemical properties of soil

對(duì)12個(gè)樣方的土壤理化性質(zhì)進(jìn)行主成分分析，評(píng)價(jià)出4個(gè)試驗(yàn)段的土壤理化性質(zhì)狀況，總結(jié)出影響土壤質(zhì)量恢復(fù)的主要理化性質(zhì)指標(biāo). 根據(jù)碎石圖（圖1）提取出特征值>1，且明顯高于其他變量的5個(gè)主成分變量，其累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)84.325%，可以基本解釋土壤質(zhì)量信息.

由表14、表15可知，第一主成分的方差貢獻(xiàn)率最大，達(dá)到29.045%，其中飽和持水量、容重、總孔隙度對(duì)其影響最大，將其命名為M1；第二主成分的方差貢獻(xiàn)率為18.370%，其中全氮、速效鉀含量對(duì)其影響最大，將其命名為M2；第三主成分的方差貢獻(xiàn)率為14.838%，其中有機(jī)質(zhì)、有效磷含量對(duì)其影響最大，將其命名為M3；第四主成分的方差貢獻(xiàn)率為11.531%，其中全鉀含量和pH值對(duì)其影響最大，將其命名為M4；第五主成分的方差貢獻(xiàn)率為10.541%，其中全磷、水解氮含量對(duì)其影響最大，將其命名為M5. 同時(shí)得到5 個(gè)主成分轉(zhuǎn)換后的特征向量A1、A2、A3、A4、A5 并將各主成分中變量的特征向量按從大到小排序.

圖1 主成分分析碎石圖Fig.1 Screen plot of principal component analysis

表14 主成分分析的特征值和方差貢獻(xiàn)率Tab.14 Eigenvalues and contribution rate of variance of principal component analysis

表15 主成分因子的特征向量Tab.15 Eigenvector of principal component

由表16可以看出，樣方S1-3土壤質(zhì)量最優(yōu)，且S1試驗(yàn)段其余三個(gè)樣方排序分別為第2和第6，整體排名靠前；樣方S2-2土壤質(zhì)量最差，其次為S2-1. 從優(yōu)到劣分別為：S1、S3、S4、S2. 可見S2的紫苜蓿-荊條群落并不利于土壤理化性質(zhì)的改良，這從可持續(xù)性的角度上來看并不適宜于高速公路邊坡植被恢復(fù). S1的狗牙根-荊條群落下土壤的理化性質(zhì)相對(duì)較優(yōu)，分析是由于狗牙根常生不定根，在一定程度上增加了根系水平入土面積，幫助疏松土壤，增加了土壤總孔隙度和水分含量. 且從前文對(duì)植物群落恢復(fù)質(zhì)量的評(píng)價(jià)結(jié)果得知，S1的群落多樣性最為豐富，這些都可能導(dǎo)致試驗(yàn)段S1的土壤質(zhì)量優(yōu)于其他試驗(yàn)段.

表16 土壤理化性質(zhì)綜合評(píng)價(jià)得分Tab.16 Comprehensive evaluation score of soil physical and chemical properties

2.5 植物群落恢復(fù)質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

本研究選取AHP-模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)高速公路邊坡群落的恢復(fù)現(xiàn)狀進(jìn)行評(píng)價(jià)［18-19］. 對(duì)高速公路邊坡人工植被恢復(fù)質(zhì)量的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系進(jìn)行重新劃分及歸類處理和優(yōu)化，將評(píng)價(jià)指標(biāo)體系分為3層：第一層為目標(biāo)層；第二層為準(zhǔn)則層，從生態(tài)要素、群落特征、土壤養(yǎng)分含量和土壤物理性質(zhì)4方面考慮；第三層為指標(biāo)層，是對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的細(xì)化. 遵循生態(tài)恢復(fù)原則選取相關(guān)評(píng)價(jià)指標(biāo)，最終確定14個(gè)指標(biāo)層，具體如表17.

表17 商登高速邊坡景觀綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)Tab.17 Landscape comprehensive evaluation index of Shangdeng Expressway slope

2.5.1 準(zhǔn)則層評(píng)價(jià)結(jié)果 根據(jù)模糊綜合評(píng)價(jià)計(jì)算出12 個(gè)樣方準(zhǔn)則層的評(píng)價(jià)結(jié)果如圖2 所示，12 個(gè)樣方中B1生態(tài)因素評(píng)價(jià)結(jié)果大多為“中”，相對(duì)集中，沒有“優(yōu)”和“極差”；B2植物群落評(píng)價(jià)結(jié)果大多為良；B3土壤養(yǎng)分評(píng)價(jià)結(jié)果相差較大，以“優(yōu)”和“差”居多，B4土壤物理性質(zhì)結(jié)果相對(duì)均衡，主要集中在“優(yōu)”和“差”. 可見研究區(qū)試驗(yàn)段邊坡土壤質(zhì)量情況在一定程度上限制了群落的恢復(fù)情況.

圖2 12個(gè)樣方準(zhǔn)則層評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.2 Evaluation results of 12 sample criterion levels

2.5.2 指標(biāo)層評(píng)價(jià)結(jié)果 根據(jù)模糊綜合評(píng)價(jià)計(jì)算出12個(gè)樣方指標(biāo)層的評(píng)價(jià)結(jié)果如圖3所示，指標(biāo)層C4、C7、C9、C14評(píng)價(jià)結(jié)果主要集中在“優(yōu)”；C2、C5評(píng)價(jià)結(jié)果集中在“良”，且不存在評(píng)價(jià)結(jié)果為“優(yōu)”樣方群落；C3、C13評(píng)價(jià)結(jié)果多為“中”，且不存在“極差”的樣方；C1、C10、C12評(píng)價(jià)結(jié)果以“差”居多；C6、C8、C11評(píng)價(jià)結(jié)果主要為“極差”. 表明研究區(qū)試驗(yàn)段邊坡整體群落蓋度、土壤全氮含量、土壤速效鉀含量及土壤總孔隙度的評(píng)價(jià)結(jié)果較好，而群落物種均勻度指數(shù)、土壤有效磷含量以及土壤pH值在一定程度上限制了樣地群落的恢復(fù)效果.

圖3 12個(gè)樣方指標(biāo)層評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.3 Evaluation results of 12 sample index layers

根據(jù)二級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果得到12個(gè)樣方恢復(fù)質(zhì)量的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果如下：由表18可知，12個(gè)樣方中不存在恢復(fù)效果為“優(yōu)”和“極差”的群落，其中樣方S1-3、S2-2、S2-3、S3-1和S3-3恢復(fù)效果最差，評(píng)價(jià)結(jié)果為“差”；樣方S2-1、S3-2、S4-2和S4-3恢復(fù)效果較好，評(píng)價(jià)結(jié)果為“中”；樣方S1-1、S1-2、S4-1恢復(fù)效果相對(duì)較好，評(píng)價(jià)結(jié)果為“良”. 可以看出，S1試驗(yàn)段主要為“良”，S2和S3試驗(yàn)段主要評(píng)價(jià)結(jié)果為“差”，S4試驗(yàn)段主要評(píng)價(jià)結(jié)果為“中”.

表18 12個(gè)樣方恢復(fù)質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)結(jié)果Tab.18 Comprehensive evaluation results of restoration quality of 12 samples

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

商登高速公路試驗(yàn)段在恢復(fù)1.5 a后，豆科植物增長最多，主要為紫苜蓿、黃芪，其次為禾本科，主要為狗牙根、馬唐. 從群落組成上分析，四個(gè)試驗(yàn)段科屬豐富情況排序?yàn)镾1>S4>S3>S2，除S3為灌-草結(jié)構(gòu)外，其余四個(gè)試驗(yàn)段均已成為喬-灌-草結(jié)構(gòu)，其中喬木層都為2018年出現(xiàn)的，可見群落在恢復(fù)過程中群落層次是一個(gè)不斷豐富的過程. 通過對(duì)群落多樣性的分析發(fā)現(xiàn)，草本層和喬木層多樣性指數(shù)最高的均為S1試驗(yàn)段，灌木層多樣性指數(shù)最高的為S3試驗(yàn)段. 分析群落物種重要值發(fā)現(xiàn)，S1試驗(yàn)段為荊條-狗牙根群落，S2為荊條-狗尾草群落，S3為紫穗槐-紫苜蓿群落，S4為紫穗槐-馬唐群落. 綜合物種組成、多樣性及重要值變化情況，植物群落整體恢復(fù)情況排序?yàn)镾1>S3>S4>S2. S1 試驗(yàn)段的初始植物配置“白榆+臭椿-荊條+錦雞兒-狗牙根+波斯菊”更有利于群落在恢復(fù)初期迅速豐富植物類型以及完善群落結(jié)構(gòu)，紫穗槐雖在恢復(fù)初期生長迅速，但在一定程度上抑制了群落內(nèi)其他植物的生長，導(dǎo)致S3和S4的物種多樣性及群落結(jié)構(gòu)層次較差.

通過對(duì)商登高速公路試驗(yàn)段群落土壤的11個(gè)主要理化性質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，第一主成分為飽和持水量、土壤容重和土壤總孔隙度，表明研究試驗(yàn)段土壤理化性質(zhì)的恢復(fù)主要受所選物理性質(zhì)指標(biāo)的影響. 第二主成分土壤全氮含量和土壤速效鉀含量組成，表明化學(xué)成分中土壤全氮和速效鉀的含量是影響研究區(qū)試驗(yàn)段土壤養(yǎng)分恢復(fù)的主要影響因子. 12個(gè)樣方土壤理化性質(zhì)優(yōu)劣排序?yàn)镾1>S3>S4>S2，與群落植物生長狀況評(píng)價(jià)結(jié)果一致，可見土壤質(zhì)量與群落植物生長狀況相輔相成、密不可分.

對(duì)4個(gè)試驗(yàn)段的12個(gè)樣方進(jìn)行恢復(fù)質(zhì)量綜合評(píng)價(jià). 通過層次分析法加權(quán)后可以看出，影響群落恢復(fù)質(zhì)量的主要準(zhǔn)則層指標(biāo)排序?yàn)橹参锶郝銪2>土壤養(yǎng)分B3>土壤物理性質(zhì)B4>生態(tài)因素B1；14個(gè)指標(biāo)層中對(duì)群落恢復(fù)質(zhì)量影響最大的群落多樣性指數(shù)、群落均勻度指數(shù)以及土壤的飽和持水量，可見植物群落的生長狀況是高速公路邊坡群落恢復(fù)效果最為直觀且最具影響力的指標(biāo). 評(píng)價(jià)最終結(jié)果表明12個(gè)樣方恢復(fù)質(zhì)量集中在“良”、“中”和“差”，其中S1評(píng)價(jià)結(jié)果最優(yōu)，S2評(píng)價(jià)結(jié)果最差，與前面評(píng)價(jià)結(jié)果一致. 因此如何幫助高速公路邊坡植物群落更加健康穩(wěn)定可持續(xù)地恢復(fù)和發(fā)展，仍具有較大的研究價(jià)值和實(shí)踐指導(dǎo)意義.

3.2 討論

邊坡生態(tài)恢復(fù)的植物選擇應(yīng)在遵循鄉(xiāng)土性的基礎(chǔ)上，采用多樣的組合形式，觀察并篩選出種間能夠互惠互利、和諧共生的種植模式. 群落建植初期應(yīng)采用喬-灌-草的搭配模式，營建豐富的群落層次. 喬木樹種選擇抗性強(qiáng)的白榆、臭椿、刺槐等；灌木可選用豆科植物胡枝子、錦雞兒和馬鞭草科荊條等；草本盡量選用多年生及根系發(fā)達(dá)的草本，狗牙根和紫苜蓿等可以在恢復(fù)初期迅速覆蓋坡面，且其豐富的根系有助于土壤結(jié)構(gòu)的改良.

植被恢復(fù)的過程是植物和環(huán)境相互作用的過程，同時(shí)也是人和自然相互影響的過程. 在植被恢復(fù)的過程中，一方面要尊重生態(tài)學(xué)和地理學(xué)基本原理，做到“適地適樹”；另一方面，也要因勢(shì)利導(dǎo)，通過調(diào)節(jié)立地條件影響植物群落演替的方向. 由于氣候的地帶性規(guī)律是目前人類難以改變的，因此改良土壤等局限性生境因子，是人類能夠促進(jìn)植被正向演替的主要措施［20］. 土壤水分和養(yǎng)分含量是除植被生長狀況之外對(duì)群落恢復(fù)質(zhì)量影響最大的因素，作用于植被的同時(shí)也受到植被的影響，高速公路的客土邊坡往往無法提供植被進(jìn)行生態(tài)恢復(fù)所必需的養(yǎng)分，適當(dāng)?shù)娜斯じ深A(yù)很有必要. 針對(duì)土壤水分、土壤容重、土壤總孔隙度、土壤全氮含量和速效鉀含量的改良，可以對(duì)邊坡土壤改良及植被恢復(fù)起到事半功倍的作用.

邊坡生態(tài)恢復(fù)是一個(gè)長期的動(dòng)態(tài)演替過程，本次研究選取的試驗(yàn)段及植物配置模式具有特殊性，且觀察時(shí)間較短，不能更加全面地對(duì)高速公路這一特殊立地條件下的人工植物群落恢復(fù)進(jìn)行深入的研究，故能夠建立長久的監(jiān)測研究機(jī)制將為今后高速公路邊坡生態(tài)恢復(fù)提供更加全面的數(shù)據(jù)和理論支撐.