边坡植被恢复与土壤养分特点研究

　　随着高速公路路网覆盖面的逐年扩展，高速公路的建设已逐步迈向山区地带，贵州省是典型的喀斯特岩溶地区，高速公路的修建会产生更多、更高的裸露石质边坡[1],若依靠自然植物演替，速度非常缓慢，利用人工植被生态恢复技术恢复的边坡植物群落能较快达到理想盖度，完成自然演替不能快速解决植被覆盖度的问题[2].植被与土壤的相互作用会对土壤质量产生很大影响，土壤质量也会对边坡植被恢复的后期效果产生直接影响[3],因此对石灰岩石质边坡植被群落特征及土壤养分进行研究具有一定意义。

　　在边坡植被恢复与土壤养分方面已有许多研究，刘子壮等[4]对陕南石土山区高速公路边坡不同恢复年限的土壤性质做了研究，表明恢复年限对高速公路土壤养分有显着影响，全氮、速效磷、有机质已成为边坡植被恢复及演替的限制因子；赵旭炜等[5]通过对矸石山5种不同植被恢复模式的土壤质量进行评价，得出不同植被恢复模式均对矸石山土壤质量改善有显着效果，并优于自然恢复模式下的土壤质量；马帅帅等[6]对京承高速恢复3年的边坡进行调研并分析了影响边坡养分的主要因素，发现坡质、坡向及施工工艺是对基质养分含量影响较大的因素，速效钾为目前养护条件下植物生长的关键养分因子；潘树林等[7]以浙江省恢复1年后的16个岩质边坡为研究对象，分析了坡度和坡位对岩质边坡早期恢复过程中土壤养分的影响，结果表明，30°~35°、41°~45°、45°~52°类型的边坡中全磷、全氮及全钾表现出明显的分布规律为坡中>坡下>坡上，在相同坡位不同坡度的条件下，土壤养分在岩质边坡早期植被恢复演替过程中不受坡度影响。边坡植被恢复与土壤养分变化已成为国内外研究热点，但是大多研究主要集中于以空间代替时间的方法对生态恢复后的边坡土壤养分特征进行研究分析，在边坡群落特征与土壤养分定点定期长时动态观察方面的研究较少。本文以野外植物群落特征调查和室内土壤养分测定为基础，在2009年7月-2013年12月（2012年7月-2012年12月数据缺失），对贵阳市花溪区环城高速公路金竹立交路堑边坡生态防护工程进行定点定期跟踪观测，了解边坡生态防护工程中人工植被建植后群落及土壤养分变化特征，分析边坡生态恢复的后期效果、土壤改善状况及植被与土壤的相互关系，为今后黔中高速公路石灰岩石质边坡植被恢复提供参考。

　　1材料与方法
　　
　　1.1研究区概况

　　试验点位于贵阳市花溪区，地处东经106°27′-106°52′,北纬26°11′-26°34′,海拔1100m,属亚热带湿润温和型气候，年均降水量约1200mm,年均温度为15.3℃,最热月（7月）平均温度24℃,最冷月（1月）平均温度4.6℃.相对湿度较大，无霜期270d左右。

　　2009年5月边坡采用三维网喷播技术进行人工植被建植，6月底施工完毕。所选3个实验边坡距离不超过50m,分别为：1号坡，坡向西北45°,坡度45°；2号坡，坡向东南45°,坡度51°；3号坡，坡向东南15°,坡度63°,土层厚约10cm,每m2初始喷播物种为：刺槐（Robinia pseudoacacia）、木豆（Cajanus cajan）、伞房决明（Cassiacorymbosa）、白三叶（Trifolium repens）、黑麦草（Lolium perenne）、狗牙根（Cynodon dactylon）、高羊茅（Festucaarundinacea）。

　　当地常见灌木主要有悬钩子（Rubus palmatus）、火棘（Pyracantha fortuneana）、截叶胡枝子（Lespedeza cu-neata）等，常见草本植物主要有金茅（Eulalia speciosa）、硬杆子草（Capillipedium assimile）、荩草（Arthraxonhispidus）、狗尾草（Setaira viridis）、飘拂草（Fimbristylis dichotoma）、艾蒿（Artemisia argyi）、苦莴苣（Sonchusarvensis）、野菊（Dendranthema indicum）、小白酒草（Conyza japonica）、白三叶、酢浆草（Oxalis corniculata）、野豌豆（Vicia sepium）等，偶见十字花科、鸢尾科、苋科、石竹科和毛茛科植物。

　　1.2研究方法

　　1.2.1样地设置及调查方法

　　每个边坡随机设定12个1m×1m的草本样方（共36个）。开始出现灌木时，根据实际情况调整样方设计，在每个边坡上设置4个3m×3m的灌木样方，共计12个灌木样方。每月中旬对1、2、3号边坡进行常规生态学调查，记录样方内群落物种数、植物高度、盖度（目测估计）等。

　　1.2.2土壤样品采集及测定方法

　　由于边坡土层厚度小于10cm,故不采取分层采样，按季度在每个样方中用环刀取土样带回实验室用常规土壤农化分析方法对有机质、碱解氮、速效钾、有效磷进行测定。测定方法为：土壤速效氮---扩散吸收法、土壤速效磷---0.5mol/L NaHCO3浸提-钼锑抗比色法、速效钾---NH4OAc浸提-火焰光度法、有机质---重铬酸钾容量法[8-9].

　　1.3数据处理实验数据作图及统计分析采用Excel和SPSS 19.0.

　　2结果与分析
　　
　　2.1土壤养分变化动态

　　2.1.1碱解氮变化动态

　　碱解氮又称水解氮，是硝态氮、铵态氮、氨基酸、酰胺和易水解的蛋白质氮的总和，是土壤氮素的重要组成部分，能较好地反映出近期内土壤氮素的供应情况[10],在衡量边坡土壤氮素供养水平上占有重要的地位。

　　3个边坡的碱解氮在2009年9月-2013年12月的每个季度中存在显着差异（P<0.01）（图1A），年内变化趋势为：建植前3年内，3个边坡的碱解氮含量变化步调基本一致，且峰值都出现在每年12月，2013年3-9月，2、3号坡碱解氮含量表现为上升趋势，9月达到峰值（分别为115.75和99.00mg/kg），1号坡从3月开始碱解氮含量持续下降，到12月为止值下降为65.25mg/kg13个边坡碱解氮含量在建植第2年有所下降，第3年开始逐渐上升，第2年末（2011年6月）与第1年末（2010年6月）相比，各坡碱解氮含量均下降，降幅分别为18.06%,9.61%,14.68%;第3年末（2012年6月）与第2年末（2011年6月）相比，1、2号坡碱解氮含量增幅为18.07%,16.67%,3号坡碱解氮含量降低了12.22%;2013年12月与2012年6月相比，3个坡碱解氮含量均有大幅增加，增幅分别为52.90%,32.31%,151.73%.

　　2.1.2速效钾变化动态
　　
　　如图1B所示，除2011年3月和6月外，2009年至2013年各季度间3个边坡速效钾含量存在显着差异（P<0.01）。从年内变化来看，建植第1年，各边坡速效钾含量波动变化，3个坡速效钾含量在2010年3月同步出现谷值，2010年6月与建植初期（2009年9月）相比3个坡速效钾含量分别降低了10.00,51.14和14.82mg/kg;建植第2年，1、3号坡速效钾含量呈升-降-升趋势，2号坡呈降-升趋势，在2011年3月同步出现谷值；建植第3年，各边坡速效钾含量上下波动步调不一致；到2013年，2、3号坡速效钾含量波动呈升-降趋势，在9月达到峰值，1号坡呈下降趋势，12月达到谷值。从年际变化来看，建植第1年到第3年速效钾含量逐渐下降，到2013年突增，2011年6月与2010年6月相比3个坡速效钾含量降幅分别为22.73%,21.82%,2.08%;2012年6月与2011年6月相比，1、2号坡速效钾含量降幅分别为8.10%,12.89%,3号坡速效钾含量增幅为6.80%;2013年12月与2012年6月相比，各坡速效钾含量均有所增加，增幅分别为24.87%,100.22%,81.221%.

　　2.1.3有效磷变化动态

　　如图1C,3个边坡有效磷含量在建植第1年存在差异（P<0.01），但变化趋势基本一致，波动幅度不大；建植第2年各坡间也存在差异（P<0.05），表现为降-升趋势，在2010年12月达谷值；建植第3年各坡间没有明显差异，变化趋势也趋一致，也呈现降-升趋势，在2011年12月达谷值；到2013年3个边坡存在显着差异（P<0.01），上下波动步调不一致。年际变化为：建植第1年到第3年，有效磷含量逐年降低且都偏低，到2013年有大幅增加，各边坡年均含量分别为30.58,23.53和27.49mg/kg;建植第2年与第1年相比，3个坡有效磷含量有小幅下降，降幅分别为0.92%,0.81%,0.65%;建植第3年与第2年相比，有效磷含量同为下降趋势，降幅分别为12.15%,11.41%,11.29%;2013年与建植第3年相比，有效磷含量增多，分别增加了19.19,21.22和22.44mg/kg.

　　2.1.4有机质变化动态

　　如图1D所示，3个边坡有机质含量在2009年9月-2013年12月中除部分月份外均存在差异（P<0.01），年内变化表现为：在建植第1年和建植第2年各边坡有机质含量变化规律有相似性，总体上为波动上升趋势；建植第3年各边坡表现为降-升趋势，在2011年12月同步达谷值；到2013年3月，1、3号坡有机质含量达峰值后呈波动降低趋势，2号坡在9月达峰值后降低。年际变化为：建植1~3年各坡有机质含量变化幅度较小且维持较低水平，到2013年变化波动较大但总体含量增加；1、2号坡有机质含量在建植第2年比建植第1年有所降低，降幅分别为1.94%,9.00%,3号坡增幅为6.42%;在建植第3年，各边坡有机质含量有小幅上升，分别增加了4.19%,7.12%,4.13%;到2013年，各边坡有机质含量大幅上升，增幅分别为11.59%,30.85%,40.16%.

　　2.2植物群落特征

　　2.2.1群落物种变化动态

　　边坡记录的总物种数存在升-降-升的季节性变化（图1），冬季（每年1-2月）总物种数最少，这主要是由于人工边坡植被建植主要以草本植物为主，草本植物大多存在冬季枯黄期。建植第1年边坡总物种数普遍偏低，多为喷播物种，在2009年7-8月高羊茅为优势种迅速覆盖边坡，之后黑麦草逐渐成为3个边坡的优势草种，高羊茅退出群落，初播物种刺槐、伞房决明、白三叶、狗牙根为伴生种，木豆在2009年12月全部死亡，3个边坡物种最大值出现在8、9111（1号坡）、10（2号坡）、10（3号坡）个物种，冬季黑麦草枯黄，待返青后又迅速占优势地位。人工初播物种覆盖坡面后，坡面条件得以改善，为乡土物种侵入（主要为菊科植物）提供有利条件，所以在建植第2年，样方总物种数大幅提高，在8月达到峰值（分别为19,16,18个物种）。

　　建植第3年，由于灌木刺槐、马棘（Indigofera pseudotinctoria）等逐渐占据优势，群落中种间竞争加剧，导致草本植物减少，总物种数有所回落，变化趋于平缓，物种数最大值出现在8月（分别为15,13,12个物种）。到2013年，边坡总物种数有所增加，物种数最大值出现在4月（3号坡）、5月（3号坡）、11月（1号坡）、12月（2、3号坡），均达到15个物种，物种数最小值除了出现在1、2月外还出现在7、8月，这主要是由于2013年在7、8月高温干旱导致大多数草本植物枯死，同比每月3个边坡的总物种数可知3号坡总物种数明显大于1、2号坡，这主要是3号坡灌木较少，有充足的阳光及养分供给更多草本植物生长。

　　2.2.2群落盖度变化动态图3A为边坡植被草本层盖度，图中可看出，施工后第2、3个月（2009年7-8月）3个边坡植被盖度分别达到40%,90%,60%左右，这说明边坡人工植被的建植使坡面达到了快速绿化的效果，但各边坡间的盖度存在显着差异（P<0.01），分析其主要原因可能有两点，一是受坡向和坡度的影响，导致各样坡内草本植物发芽率不同，二是受光照、土壤含水量及土壤持水力等因素的影响，导致各边坡内植物生长发育初期状况的不同。从2009年10月-2013年12月的数据可看出，3个边坡存活植物盖度在部分月份存在显着差异（P<0.01），具明显季节性变化，总体变化趋势相似，具体表现为：每年2、3或4月维持相对较低盖度，6、7月出现第1个小峰值后下降，到9月达第2个谷值，10月突增至11月达峰值；2013年中，3号坡植物草本层盖度高于1、2号坡。从植被草本层盖度年际变化来看，同比建植第1年与建植第2年盖度情况，1、3号坡盖度分别平均增加了1.2%,1.7%,2号坡盖度平均减少7.3%;同比建植第2年与建植第3年盖度情况，3个边坡均有增加（分别增加了8%,8.9%,12.3%）；到2013年3个边坡植物草本层盖度较建植第3年有一定程度的降低（分别减少了22.58%,20.67%,17.33%），但波动幅度有减缓趋势。

　　2013年3个边坡灌木层盖度存在显着差异（P<0.01）（图3C），但变化趋势基本一致，呈单峰曲线状，在6、7月维持较高水平，3号坡灌木层盖度明显低于1、2号坡。

　　2.2.3群落高度变化动态

　　如图3B,3个边坡间植物草本层高度存在显着差异（P<0.01），有明显季节性变化，建植第1年，边坡植物草本层高度普遍较低，除1号坡在2010年10月达到0.5m外，其余时间各边坡草本层植物高度维持在0.06~0.38m之间；建植第2年，由于黑麦草生长旺盛以及生长迅速的野菊和苜蓿侵入，3个边坡草本层植物高度上升较快，在9-11月，各坡草本层植物高度均维持在0.6m以上，12月草本植物大量枯死，草本层植物高度骤然下降；建植第3年，由于豆科小灌木的生长迅速，边坡草本层植物高度上升较快，9-10月，各坡草本层植物高度均维持在0.74m以上；到2013年，边坡草本层植物高度大幅降低，最高高度分别为0.31,0.57,0.45m;总体变化趋势为：

　　2009年11月-2012年6月，每年1-4月维持较低水平，5月开始上升，到10月达到峰值，12月迅速降低，2013年1号坡峰值出现在6月。从各坡植物草本层高度的年际变化来看，建植第2年比建植第1年分别增加了0.28,0.21,0.28m,建植第3年比建植第2年分别增加了0.11,0.29,0.09m,到2013年，草本层植物高度大幅下降，与建植第3年相比分别下降了0.43,0.44,0.35m,植物高度与建植第1年水平相当。图3D表明，2013年3号坡灌木层植物高度与1、2号坡间存在显着差异（P<0.01），且高度明显低于1、2号坡，1号坡灌木层植物平均高度为1.95m,2号坡灌木层植物平均高度为2.05m,3号坡灌木层植物平均高度为1.62m;各边坡灌木层植物高度年增长量分别为0.8,0.52,0.56m.

　　2.3土壤养分与植物群落特征的关系
　　
　　通过对边坡群落总物种数、植物高度、植物盖度及土壤速效养分N、P、K及OM之间进行两两相关程度分析后得出：9个指标之间存在显着相关的指标对有18对，相关性在0.01置信水平上的有：碱解氮与速效钾、有效磷、有机质及总物种数正相关；速效钾与有效磷、有机质正相关；有效磷与有机质、总物种数正相关；总物种数与草本层盖度和高度正相关，与灌木层高度负相关；草本层盖度与灌木层高度负相关；灌木层盖度与草本层高度负相关，与灌木层高度正相关；草本层高度与灌木层高度负相关。相关性在0.05置信水平上的有：碱解氮与灌木层高度负相关；总物种数与灌木层盖度负相关；草本层盖度与灌木层盖度负相关（表1）.

　　3结论与讨论

　　土壤有机质是土壤肥力和土壤质量的重要指标之一[11],土壤速效养分是易于植物吸收利用的营养元素，也是评估土壤自然肥力的因素之一。本研究以定点定期观测的方法分析了2009年6月-2013年12月边坡土壤养分（包括有机质、碱解氮、速效钾、有效磷）的变化动态，得出边坡土壤养分随恢复年限延长成波动增加趋势，这与有的学者[3,12-15]以时空代换法对不同地区的人工恢复植物群落特征与土壤养分关系的研究结果一致。根据全国第二次土壤普查养分分级标准[16],在边坡植被建植1~3年中，碱解氮含量为33.97~70.9mg/kg,属于中下偏低水平，速效钾含量为110.32~229.86mg/kg,含量丰富，有效磷含量为4.51~8.32mg/kg,属中下偏低水平，有机质含量为11.18~20.36g/kg,处于中下水平；到2013年碱解氮平均含量达中下水平，速效钾平均含量维持在极高水平，有效磷平均含量达较高水平，有机质平均含量处中上水平。在建植前3年土壤养分含量除速效钾外均偏低，建植第2年或建植第3年土壤养分还表现出小幅下降，但到2013年土壤养分均有大幅增加，这主要是由于边坡土壤多为开挖新生土，自生养分含量有限，在建植第2、3年，乡土物种侵入较多，草本植物生长旺盛，再加上小灌木的迅速生长消耗土壤养分，养分消耗略大于养分归还，使边坡土壤养分积累减缓，历时3年半的植被恢复后，2013年间，植被覆盖度逐渐增加，一年生草本植物的周期性腐烂和灌木的枯枝落叶对养分的归还，使土壤养分积累有大幅提高，这说明边坡土壤养分能够自然地随着恢复时间的增加而不断提高，但在更长时间的恢复中土壤养分能否保持中上水平还需要后续研究证明。

　　群落物种组成与群落更新紧密相关[17],随着恢复年限的延长，边坡总物种数有大幅增加且波动幅度减缓，物种组成及比例发生了较大变化，初播物种有7种，到2013年只保留了刺槐、白三叶及黑麦草3种，其余均被当地乡土物种替代，主要为鸢尾和菊科草本植物：小白酒草、野菊、一年蓬（Erigeron annuus）、苦苣菜（Sonchus olera-ceus）、黄鹌菜（Youngia japonica）等以及小灌木马棘，优势种由最初的黑麦草转变成鸢尾+刺槐+马棘（1号坡）、野菊+刺槐+马棘（2号坡）、黑麦草+小白酒草+马棘（3号坡），这主要是由于在建植初期，坡面阳光充足，喷播基质含有一定养分，使初播物种迅速生长，随着时间推移，土壤养分逐渐消耗，在遵循"适地适树和适地适草"原则的同时，野菊、鸢尾、马棘等耐贫瘠的乡土物种通过种间竞争，逐渐侵入并占据优势地位。这种向当地自然植被方向演替的变化规律可能成为边坡植物群落演替的一般规律，这一规律应该是有利于边坡植物群落恢复成更稳定的结构，实现边坡生态恢复。

　　边坡植物盖度及高度存在明显季节性变化，每年存在2个植物枯黄期，这与群落物种组成有关，由于初播物种多为冷季型草种，在夏秋高温季节与冬季低温季节存在枯死现象，导致边坡植物草本层盖度与高度出现周期性降低，随着部分耐干旱贫瘠的乡土物种侵入，群落物种组成有所改变，边坡植被的高度及盖度波动幅度有一定减缓，这体现了乡土物种对边坡恢复的重要性，因此，初播物种应考虑对乡土物种的利用，并加入暖季型草种，但对其合理配比还有待研究。到2013年，边坡草本层植物盖度有所降低，这是由于灌木层的出现对阳光、养分等方面的争夺，导致草本层植物减少；1、2号坡灌木层植物盖度最高能维持在60%以上，高度在2m左右，3号坡灌木层植物盖度最高能达20%以上，高度在1.5m左右，这可能是由于3号坡坡度较大，灌木定植有一定难度，通过野外调查发现1、2号坡大部分灌木也是生长在边坡坡度较缓处，这说明坡度的大小对灌木的良好定植有一定限制。

　　从3个边坡草本层及灌木层植物的盖度、高度来看，边坡恢复效果良好，由于灌木的定植使边坡植物群落结构更加稳定，但其能否可持续健康发展还需长期观测研究。边坡群落植被特征变化能直观反映出土壤的质量状况及人工植被恢复效果与生产力[18-20].张江英等[21]、张莉等[22]研究得出土壤养分与植物群落特征存在显着相关性，马祥华等[23]研究表明，土壤有机质、氮、磷对边坡植物生长发育有显着影响，但王兴等[24]研究表明，处于演替中早期植被恢复的群落，其土壤养分对植被的直接作用尚未明显体现。本研究中只有碱解氮和有效磷与植物总物种数、灌木层植物高度具相关性，主要原因是：边坡灌木定植时间不长，并存在许多一年生草本植物，植被仍表现出较强次生性，群落处于不稳定结构，此时期土壤养分各因子都会对植被生长有一定影响，不仅影响力大小不同，还存在复杂的交互影响关系，外加野外样地立地条件具有客观性，所以这在今后的研究中仍需长期观察分析。