初始綠化植物生活型構成對邊坡植被群落特征及水土保持性能的影響

潘聲旺，袁 馨，胡明成，何茂萍，吳云霄

(1 成都大學 城鄉建設學院，四川 成都 610106；2 解放軍后勤工程學院 國防建筑與環境工程系，重慶 西川 401131；3 延安大學 生命科學學院，陜西 延安 716000)

初始綠化植物生活型構成對邊坡植被群落特征及水土保持性能的影響

潘聲旺1，袁 馨2，胡明成1，何茂萍1，吳云霄3

(1 成都大學 城鄉建設學院，四川 成都 610106；2 解放軍后勤工程學院 國防建筑與環境工程系，重慶 西川 401131；3 延安大學 生命科學學院，陜西 延安 716000)

【目的】 探討生態護坡過程中初始綠化植物(先鋒植物)生活型差異對邊坡植被群落特征、水土保持性能的影響?！痉椒ā?借助物種組裝實驗，分別構建以草本、灌木、喬木為主體的草本型、灌木型、喬木型綠化配置模式及草-灌-喬混合型配置模式的試驗小區，對各個小區進行持續4年(2010-2013年)的生態監測,分析邊坡植被的生長狀態、群落特征及水土保持性能?！窘Y果】 2010-2013年，同齡群落間的物種豐富度表現為喬木型>灌木型>草-灌-喬混合型>草本型。先鋒植物生活型構成對邊坡植被的群落特征影響很大,年際間差異明顯：建坪初期(2010-2011年)，不同觀測區內的群落蓋度、物種多樣性水平(Shannon-Wiener指數、Pielou指數)均表現為草本型>草-灌-喬混合型>灌木型>喬木型；2012-2013年，群落蓋度、物種多樣性水平表現為混合型>草本型>草-灌-喬混合型>喬木型。2010和2011年汛期，草本型配置徑流系數和侵蝕模數均較低，表現出較好的水土保持性能；而2012和2013年汛期，草-灌-喬混合型配置徑流系數和侵蝕模數較低，表現出較好的水土保持性能。邊坡植被的群落特征與其水土保持性能密切相關：群落蓋度或多樣性水平越高，則徑流系數、侵蝕模數越小?！窘Y論】 生態護坡過程中，先鋒種生活型的合理配置是改善邊坡植被水土保持性能的重要途徑之一。

先鋒植物；生活型；群落特征；水土保持；生態護坡

道路建設過程中，因人為開挖、工程填方所形成的裸露邊坡一直是公路沿線水土流失的主要源頭[1-2]，也是路域景觀建設中亟需解決的環境問題。借助鄉土植物的生態優勢，在裸露邊坡上重建邊坡植被的生態護坡技術已成為改善路域景觀、減少水土流失的重要途徑[3-4]。目前，雖然李妮等[5]、潘聲旺等[6]就綠化植物(先鋒植物)種類、數量對邊坡植被的群落特征及水土保持性能的影響進行了系統研究，但在先鋒植物生活型構成對邊坡植被的群落特征及水土保持性能的影響方面研究尚少。事實上，先鋒植物生活型構成是決定群落層次結構、功能狀態與多樣性水平的直接驅動力[7-8]；如果能檢測到先鋒種生活型構成通過某種耦合關系使所在邊坡的土壤侵蝕得到控制,則可間接地證明植物多樣性與系統穩定性的關系。為此,本研究擬在初始綠化植物種數相同的條件下,分別以草本、灌木和小喬木為主體的草木型、灌木型或喬木型綠化配置以及草-灌-喬混合型綠化配置為對象，探討先鋒植物生活型構成對邊坡植被群落特征、水土保持性能的影響,以期為邊坡防護提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于川東與渝西接壤處的丘陵地帶(地理坐標105°38′-106°05′E、28°56′-29°34′N)，西起巴岳山、東至云霧山，面積約12.76萬 km2；氣候屬亞熱帶濕潤季風氣候，年均降雨量1 165.2 mm，多集中在5-9月。研究區內丘陵廣布、溪溝縱橫，平均海拔250～350 m，丘谷高差50～100 m，地勢北高南低，南部多淺丘、北部多深丘；土壤主要為由白堊紀夾關組磚紅色長石、塊狀鈣質巖屑砂巖、鈣質粉砂巖等風化殘積物、沖積物發育而成的黃棕壤、黃壤，土層厚度多為8～60 cm，多呈微酸性至酸性；區內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%)。供試邊坡位于成渝高速永川中段的路基邊坡(K309+145-K309+397)處，路基全長252 m，路面高程305～307 m，坡高 5～6 m(填方最大高程為14.7 m)，坡比1∶1.5，坡向NE25°。邊坡為黃壤區砂泥巖互層高邊坡，表土(0～20 cm)微酸性(pH 6.5～6.9)，透水性好，保水、保肥性能差，初滲速率為 14.2～42.4 mm/min，穩滲速率為0.8～5.7 mm/min，貯水力為681.4～1 244.1 t/hm2。

1.2 試驗材料

以西南地區3類代表性邊坡綠化配置中國芒(Miscanthussinensis)+野牛草(Buchloedactyloides)、慈竹(Dendrocalamusaffinnis)+馬棘(IndigoferapseudotinctoriaMats.)、柏木(Cupressusfunebris)+銀合歡(Leucaenaleucocephala)為基礎，分別與假儉草(Eremochloaophiuroides)、結縷草(Zoysiajaponica)、胡枝子(Lespedezabicolor)、夾竹桃(Neriumindicum)、臭椿(Ailanthusaltissima)、刺槐(Robiniapseudoacacia)等路域優勢種中任一種隨機構建成以草本(Hi)、灌木(Si)、小喬木(Ai)為主體的草本型(HHXi)、灌木型(SSXi)、喬木型(AAXi)綠化配置，并由不同生活型路域優勢種構建草-灌-喬混合型(HSA)綠化配置(表1)。

1.3 試驗設計

選擇邊坡比、坡向及其他立地條件基本一致的邊坡，整理成108個矩形小區(長8 m、寬2 m)，試驗小區的長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)，小區上方及兩側開排水溝攔截小區外徑流，下方修截流溝、集水池。

表1 邊坡植被的配置模式Table 1 Composition of pioneer plant species in tested side slope plots

注：*表中代碼為試驗小區內先鋒植物生活型的縮寫。

Note:Codes in table 1 are abbreviation of pioneer species’ life forms in the tested side slope vegetation.

2009-04，在試驗小區內自然播種。將26種配置模式(表1)隨機分布于104個小區內，每種配置模式重復4次。編號后，結合前期種子萌發試驗結果，以10 g/m2標準將先鋒植物種子均勻撒播于相應小區，適時間苗、定株，喬木、灌木及草本植物的幼苗密度分別控制在9～11，32～37和955～1 020株/m2，相同生活型間無顯著差異。另設2個裸地觀測區(CK0，定期除草)，用于觀測試驗期間裸露邊坡的產沙、產流特征；2個次生裸地區(CK1，不除草)，用于觀測裸露邊坡的自然演替。

試驗初期，適時遮陰、保濕；實時監控坪情，確保無重大蟲害、鼠害、畜害及其他意外事故的發生。

1.4 測定項目

1.4.1 群落結構 播種后，記錄各樣地成坪期(蓋度達70%所經歷時間)。2010年8月下旬，分別在各初始綠化配置、次生裸地(CK1)處理坡面的上(2 m處)、中(4.5 m處)、下(7 m處)位設置規格為150 cm×150 cm樣方，用針刺法[9]調查樣方內植物種類、株數、總蓋度及分蓋度。于2011-2013年各年的8月下旬，以同樣方法重復布樣。

1.4.2 徑流系數 徑流小區附近安裝WD.01-H型自動氣象站,定時監測氣象資料,記錄每次降雨量、雨強和降雨歷程,監測產流產沙情況。每次降雨后及時觀測、記錄集水池內集流深度，計算地表徑流量。由某一時段內地表徑流量和降雨量計算徑流系數，徑流系數=地表徑流量/降雨量×100%。降雨量、徑流量和泥沙量觀測時段為2010-2013年各年的汛期(5-9月)。

1.4.3 侵蝕模數 將集水池內泥水充分攪拌30 min,隨即取中層徑流泥沙樣500 mL,105 ℃下烘干、稱質量，由含沙量推算每次降雨土壤侵蝕量；將1年內土壤侵蝕量相加、換算，即得侵蝕模數(單位：t/(km2·年))。

1.5 數據處理

用F檢驗法分析邊坡植被的群落特征與其護坡性能間的相關性：FF0.01(1,n-2)，二者極顯著相關。

2 結果與分析

2.1 裸露邊坡的恢復狀況及其產流、產沙特征

表2為裸露邊坡CK0(除草)、CK1(不除草)在2010-2013年間的自然恢復狀況及產流、產沙特征。從表2可以看出，自然狀態下裸露邊坡植被恢復緩慢，坡內植物種類稀少(2.5～5.5)，且多為狗尾草、黃花蒿、野菊花、飛蓬等一年生草本植物，植被覆蓋度低(4.2%～12.4%)，水土流失量大，是典型的地質災害多發區。

表 2 2010-2013年間裸露邊坡的自然恢復狀況及產流、產沙特征Table 2 Natural recovery of vegetation in bare slope and its runoff and sediment yield from 2010 to 2013

注：*:CK0為無植被裸地，CK1為自然演替的次生裸地。

Note:CK0andCK1representnovegetationandsecondarybareareainslopes,respectively.

2.2 初始綠化邊坡配置對邊坡植被生長狀況及其群落特征的影響

2.2.1 物種豐富度 圖1為草本型(HHXi)、灌木型(SSXi)、喬木型(AAXi)和草-灌-喬混合型(HSA)配置群落的豐富度。由圖1可以看出，同齡群落間，AAXi的豐富度(中位數，Q2)最高，SSXi次之，HHXi最低，呈現AAXi>SSXi>HSA>HHXi趨勢(P<0.05)；同類配置中，喬木類(Ai)取代種所在樣地的豐富度最高(上四分位數，Q3)，草本類(Hi)取代種最低(下四分位數，Q1)。2013年取樣時，HHAi、HHSi和HHHi豐富度分別為15.8，14.7和14.0，AAAi、AASi和AAHi豐富度分別為19.7，18.0和17.0。同齡群落間，以AAXi四分位距(IQR)最大，SSXi次之，HSA最小。說明喬木種的環境影響力[6]存在較大的種間差異(P<0.05)，草本種則相對較小。

2.2.2 群落蓋度 圖2為HHXi、SSXi、AAXi及HSA內群落蓋度變化差異。由圖2可知，2010和2011年，HHXi的群落蓋度(Q2)最高，HSA次之，AAXi最低，表現為HHXi>HSA>SSXi>AAXi(P<0.05)；2012和2013年，HSA的群落蓋度最高，HHXi次之，AAXi最低，呈HSA>HHXi>SSXi>AAXi的趨勢(P<0.05)。4類初始配置間，AAXi的群落蓋度的IQR最大，SSXi次之，HHXi最??；成坪年限越久，IQR越小。同類配置中，除了HHXi的群落蓋度自2011年開始表現為HHSi>HHAi>HHHi(P<0.05)外，其他群落均表現為Hi取代種所在樣地的群落蓋度最高，Ai取代種最低，這可能與HHHi中先鋒種生態位重疊較大、種間競爭激烈有關[10]。

2.2.3 多樣性水平Shannon-Wiener指數(H)是綜合反映群落中物種豐富度和均勻度信息的重要參數，它與反映物種分布均勻程度的Pielou指數一起，表征著群落的多樣性水平[11-12]。圖3-A顯示，2010和2011年，HHXi的Shannon-Wiener指數最高，HSA次之，AAXi最低，H表現為HHXi>HSA>SSXi>AAXi(P<0.05)；2012和2013年，HSA樣地Shannon-Wiener指數最高，HHXi次之，AAXi最低，H表現為HSA>HHXi>SSXi>AAXi(P<0.05)。4類配置間，AAXi的Shannon-Wiener指數的平均IQR最大，SSXi次之，HHXi最小。同類配置中，除了HHXi自2011年起呈現HHSi>HHAi>HHHi(P<0.05)波動外，其他群落H均表現為Ai取代種所在樣地的Shannon-Wiener指數最大，Hi取代種最小。

圖1 2010-2013年不同初始綠化配置邊坡植被群落中豐富度的變化差異

圖2 2010-2013年不同初始綠化配置所在邊坡內的群落蓋度

試驗期間，邊坡植被的Pielou指數及其年度間波動(圖3-B)與Shannon-Wiener指數變化趨勢大致相同。

2.3 不同初始綠化配置的水土保持性能

從圖4可以看出，相同建植條件下，不同綠化配置的水土保持性能間存在很大差異，年際差異明顯。2010、2011年汛期，草本型(HHXi)配置表現出較強的水土保持性能，小區內徑流系數(7.78%)、侵蝕模數(111.43t/(km2·年))年際間平均值顯著小于其他觀測區(P<0.05)，不同生活型配置的水土保持性能表現為HHXi>HSA>SSXi>AAXi(P<0.05)，其產流系數和侵蝕模數均極顯著低于裸露邊坡區CK0和CK1(表2)；同類配置中，草本類取代種Hi所在小區徑流系數、侵蝕模數極顯著小于灌喬類取代種(Si、Ai)所在小區(P<0.01)。但2011年汛期，HHHi配置區的徑流系數(6.32%)、侵蝕模數(92.39t/(km2·年))卻顯著大于HHSi、HHAi配置區(徑流系數分別為5.51%和5.84%，侵蝕模數分別為61.5 2，76.14t/(km2·年))。

2012、2013年汛期，草-灌-喬混合型(HSA)配置表現出較好的水土保持性能，小區內徑流系數(3.83%，3.43%)、侵蝕模數(52.67，35.54t/(km2·年))顯著低于其他觀測區(P<0.05)，不同配置間的水土保持性能表現為HSA>HHXi>SSXi>AAXi(P<0.05)，其產流系數和侵蝕模數均極顯著低于裸露邊坡區CK0和CK1(表2)；同類配置中，除了HHXi自2011年起呈現HHSi>HHAi>HHHi(P<0.05)之外，其他群落中草本類取代種Hi所在小區的徑流系數、侵蝕模數均顯著小于灌喬類取代種(Si、Ai)所在小區(P<0.05)。

圖3 2010-2013年不同綠化配置所在邊坡內Shannon-Wiener指數(A)和Pielou指數(B)
Fig.3VariationofShannon-Wienerindex(A)andPielouindex(B)from2010to2013

同一年份汛期內，AAXi配置區的徑流系數、侵蝕模數的四分位距(IQR)最大，SSXi次之，HSA、HHXi較??；成坪年限越久，水土保持性能越強。

2.4 群落特征與護坡性能的相關性

相同生境條件下，先鋒植物的類別、豐富度及其生活型差異決定著邊坡植被群落的層次結構、群落特征和多樣性水平，進而影響其水土保持性能。事實上，邊坡植被的群落組成特征是影響地表徑流、水土流失的最直接、最主要因素：地上莖葉對雨滴分層攔截，有利于減少地表徑流、阻延土壤濺蝕；地下根系對土壤的加筋、錨固作用，有利于延緩坡面侵蝕，增強其穩定性[13-14]。

2.4.1 群落蓋度與水土保持性能的相關性 表3給出了邊坡植被群落蓋度(x)與樣地內徑流系數(y)、侵蝕模數(y′)的關系式。從表3可以看出，植被蓄水、保土能力與群落蓋度顯著正相關(決定系數R2≥0.976 8,F0.05(1,2)=18.51

2.4.2 多樣性水平與水土保持性能的相關性 表4給出了不同綠化配置區內植被群落的Shannon-Wiener指數(x)與觀測區內徑流系數(y)、侵蝕模數(y′)間的擬合關系式。從表4可以看出，群落Shannon-Wiener指數與植被水土保持性能密切相關，2010年汛期二者呈冪函數關系，擬合方程的R2為0.964 5～0.980 9 (F=32.24～41.29)；2011年汛期,二者趨近于線性變量關系，R2為0.950 8～0.969 8(F=29.77～38.51)；2012、2013年汛期,二者為對數函數關系，R2為0.981 9～0.999 9(F=49.25～76.54)。試驗期間，群落內Pielou指數與水土保持性能間的相關性和Shannon-Wiener指數與水土保持性能間的相關性類似。說明多樣性水平越高，系統穩定性、抗雨水沖蝕能力越強，該結論與相關研究結果[15]一致。

圖4 2010-2013年不同綠化配置所在邊坡的產流(A)和產沙(B)特征Fig.4 Characteristics of runoff (A) and sediment yield (B) in tested slope plots in rainy seasons from 2010 to 2013

表3 觀測區內的徑流系數(y)、侵蝕模數(y′)與群落蓋度(x)的關系Table 3 Correlation coefficients between community coverage and the soil and water conservation performance

表4 觀測區內的徑流系數(y)、侵蝕模數(y′)與所在群落Shannon-Wiener指數(x)的關系Table 4 Correlation coefficients between Shannon-Wiener index and the soil and water conservation performance

3 結 論

1)先鋒植物種數相同時，邊坡內物種豐富度與先鋒種生活型構成密切相關：同齡群落間，物種豐富度表現為AAXi>SSXi>HSA>HHXi；同類配置中，喬木類(Ai)取代種所在群落的物種數最高，灌木類(Si)取代種次之，草本類(Hi)取代種最低。

2)邊坡植被的群落蓋度取決于先鋒種生活型構成，且與成坪時間有關：建坪初期(2010、2011年)，觀測區內的群落蓋度表現為HHXi>HSA>SSXi>AAXi；成坪期(2012、2013年)，表現為HSA>HHXi>SSXi>AAXi。同類配置中，除了HHXi自2011年起呈現HHSi>HHAi>HHHi趨勢外，其他群落中，Hi取代種所在樣地的群落蓋度最高，Si取代種次之，Ai取代種最低。

3)先鋒種生活型構成不同，群落的多樣性水平也不一樣：建坪初期，多樣性水平表現為HHXi>HSA>SSXi>AAXi；成坪期表現為HSA>HHXi>SSXi>AAXi。同類配置中，除了HHXi自2011年起呈現HHSi>HHAi>HHHi趨勢外，其他群落中Ai取代種所在樣地的多樣性水平最高，Si取代種次之，Hi取代種最小。

4)植被的水土保持性能與先鋒種生活型構成、建坪時間有關。2010、2011年間，不同配置邊坡植被的水土保持性能表現為HHXi>HSA>SSXi>AAXi(P<0.05)；2012、2013年間，不同配置邊坡植被的水土保持性能表現為HSA>HHXi>SSXi>AAXi(P<0.05)。

總體上，與先鋒種生活型相關聯的群落特征與群落的水土保持性能密切相關：邊坡植被的物種豐富度、群落蓋度或多樣性水平越高，群落結構的穩定性、水土保持性能則越強?？梢?，科學配置先鋒種生活型是改善邊坡植被水土保持性能的重要途徑之一:臨時邊坡,宜采用草本型配置,成坪早、見效快；永久邊坡,宜采用草-灌-喬混合型(HSA)配置,性能穩定、有效期長。

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Effects of pioneer species’ life form on community characteristics of slope vegetation and soil and water conservation performance

PAN Sheng-wang1,YUAN Xin2,HU Ming-cheng1,HE Mao-ping1,WU Yun-xiao3

(1FacultyofUrbanandRuralConstruction,ChengduUniversity,Chengdu,Sichuan610106,China；2DeptofNationalDefenseArchitecturePlanning&EnvironmentalEngineering,LEU,Xichuan,Chongqing401131,China;3CollageofLifeScience,Yan’anUniversity,Yan’an,Shaanxi716000,China)

【Objective】 This study evaluated the influences of pioneer species’ life form on community characteristics of slope vegetation and soil and water conservation performance.【Method】 Based on species combination experiment,herb (HHXi),shrub (SSXi),arbor (AAXi),and herb-shrub-arbor mixed (HSA) communities with the dominant species of herbs,arbors,shrubs,and combination of herbs,arbors,and shrubs were constructed,respectively.The vegetation growth status,community characteristics,and soil and water conservation performance were analyzed from 2010 to 2013.【Result】 Richness of plant species among the communities at same age was in a decreasing order of AAXi>SSXi>HAS>HHXifrom 2010 to 2013.Pioneer species’ life form heavily affected the community characteristics with significant annual differences.From 2010 to 2011,community and plant species diversity (Shannon-Wiener index and Pielou index) were in the decreasing order of HHXi>HSA>SSXi>AAXi,while the order was HSA>HHXi>SSXi>AAXifrom 2012 to 2013.Runoff coefficient and erosion modulus in herb plots were the lowest in flood seasons of 2010 and 2011,indicating good water and soil conservation performance.From 2012 to 2013,HSA had good soil and water conservation function with the lowest runoff coefficient and erosion modulus.Community characteristics of vegetation closely related to soil and water conservation performance.The higher the diversity or coverage is,the smaller the runoff coefficient and erosion modulus would be.【Conclusion】 Pioneer species’ life form in slope could play an important role in improving soil and water conservation performance.

pioneer plant;life form;community characteristics;soil and water conservation;ecological slope protection

時間:2015-08-05 08:57

10.13207/j.cnki.jnwafu.2015.09.031

2014-05-13

國家自然科學基金項目(31300439)

潘聲旺(1973-)，男，河南商城人，副教授，博士，主要從事環境生態研究。E-mail:panwang@swu.edu.cn

吳云霄(1981-)，女，河南濟源人，講師，博士，主要從事園林生態研究。E-mail:yxwu@swu.edu.cn

S731.8

A

1671-9387(2015)09-0217-08

網絡出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1390.S.20150805.0857.062.html