全 文 ：第 35 卷第 11 期
2015年 6月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.35,No.11
Jun.,2015
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:国家林业局公益性行业科研专项课题(201004064)
收稿日期:2013鄄08鄄10; 摇 摇 网络出版日期:2014鄄06鄄12
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: panwang@ swu.edu.cn
DOI: 10.5846 / stxb201308102055
方文, 潘声旺, 何平, 刘杨, 马立辉, 李军, 孙益.先锋种丰富度对边坡植被群落特征及其护坡效益的影响.生态学报,2015,35(11):3653鄄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鄄3662.
先锋种丰富度对边坡植被群落特征及其护坡效益的
影响
方摇 文1,3, 潘声旺2,4,*, 何摇 平1, 刘摇 杨3, 马立辉3, 李摇 军4, 孙摇 益4
1 西南大学生命科学学院, 三峡库区生态环境教育部重点实验室, 重庆摇 400715
2 成都大学城乡建设学院, 成都摇 610106
3 重庆市林业科学研究院, 重庆摇 400036
4 四川大学生命科学学院, 成都摇 610064
摘要:乡土植物灌木化建植是高速公路边坡防护的重要途径。 以成渝高速(G85)永川段为例,以西南地区两种典型的边坡绿化
初始配置“慈竹(Neosino calamus affinis)+野牛草(Buchloe dactyloides)冶、“棉槐(Amorpha fruticosa)+紫羊茅(Festuca rubra)冶为基
础,分别与马棘( Indigofera pseudotinctoria Mats.)、黄荆(Vitex negundo)、狗牙根(Cynodon dactylon)、芒(Miscanthus sinensis)等路域
优势种以不同方式组合,研究一定立地条件下初始绿化植物(先驱植物)的丰富度对边坡植被群落生长发育、早期演替行为及
护坡性能的影响。 结果表明:1)先驱植物丰富度可直接影响边坡植被的成坪时间、生物量积累:相同建植条件(边坡条件、播种
密度等)下,先锋种种类越多,成坪时间就越短,被积累的生物量也越多;2)先锋种数量与群落的生物多样性水平有关(R2 >
0郾 954):相同演替阶段内,先锋种越多,群落的多样性水平(如物种丰富度、Shannon鄄Wiener指数、Pielou指数)则越高;3)群落中
物种多样性水平与植被的护坡性能密切相关(R2>0.998):多样性水平越高,植被的蓄水、保土能力越强,边坡内径流系数、土壤
侵蚀模数越小。 可见,在边坡条件、播种密度等建植条件与建植措施一致的情形下,提高初始绿化植物的物种数可有效改善边
坡植被的护坡性能。
关键词:先驱植物; 植物多样性; 水土保持; 生态护坡
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
1 Key Laboratory of Eco鄄environments in Three Gorges Reservoir Region (Ministry of Education), Faculty of Life Sciences, Southwest University, Chongqing
400715, China
2 Faculty of Urban and Rural Construction, Chengdu University, Chengdu 610106,China
3 Chongqing Academy of Forestry, Chongqing 400036, China
4 Faculty of Life Sciences, Sichuan University, Chongqing 610064, China
Abstract: 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.
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Neosino calamus affinis + Buchloe dactyloides and Amorpha fruticosa + Festuca rubra, 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. Indigofera pseudotinctoria Mats. and Vitex negundo, and two herbs, i. e. Cynodon dactylon and Miscanthus
sinensis, 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鄄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鄄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鄄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鄄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.
Key Words: pioneer plant; plant species diversity; soil and water conservation; ecological slope protection
在铁路、公路工程建设过程中,因大量开挖、填方所形成的裸露边坡一直是路域生态系统中产沙量最大、
水土流失持续时间最长的部位[1鄄2],也是路域生态建设过程中亟需解决的重要问题。 借助当地自然植物群落
的结构和“先驱植物冶的生态优势,在裸露边坡上建立稳定的植物群落、优化群落结构,改善群落的多层次结
构和多样性水平,有利于形成较稳定的植物群落,提高边坡稳定性、减少水土流失[3鄄4]。
近年来,借助生态工程技术,以工程建设地段的乡土植物为基础,以灌木为主体,乔木或草本为辅佐恢复
边坡植被的生态护坡技术已成为控制侵蚀和稳定边坡的重要措施[5鄄6]。 但迄今,相关研究多局限典型植被配
置模式下护坡效益的比较[7鄄9],在边坡植被的群落结构、多样性水平及其生态性能等方面尚缺乏系统研究。
事实上,植物群落多样性水平是生态系统稳定性和抗干扰能力的重要指标,而初始绿化植物(先驱植物)的种
类、数量及其组合方式则可直接影响边坡植被的群落结构、演替行为和多样性水平,进而影响其生态性
能[10鄄12]。 为此,本研究拟以西南地区两种典型的边坡绿化模式 “慈竹 (Neosino calamus affinis) +野牛草
(Buchloe dactyloides)冶、“棉槐(Amorpha fruticosa) +紫羊茅(Festuca rubra)冶为基础,分别与马棘( Indigofera
pseudotinctoria Mats.)、黄荆(Vitex negundo)、狗牙根(Cynodon dactylon)、芒(Miscanthus sinensis)等路域优势种
以不同方式组合,探讨先锋种丰富度对边坡植被的群落结构、早期演替行为、护坡性能的影响及其年际间差
异,为边坡防护提供参考。
1摇 研究区概况
研究区位于川东、渝西接壤处的丘陵地带(105毅38忆—106毅05忆E、28毅56忆—29毅34忆N)。 西起巴岳山、东至云
雾山,面积约 1.276伊105 km2;亚热带湿润季风气候,年均降雨量 1165.2 mm,多集中在 5—9 月。 区内丘陵广
布、溪沟纵横,平均海拔 250—350 m,丘谷高差 50—100 m,地势北高南低,南部多浅丘、北部多深丘(图 1)。
土壤主要由白垩纪夹关组砖红色长石、块状钙质岩屑砂岩、钙质粉砂岩等风化残积物、冲积物发育而成,黄棕
壤、黄壤为主要类型,土层厚度多在 10—70 cm,多呈微酸性至酸性;区内植被具有典型的亚热带常绿阔叶林
特征, 以松、柏、蕨类为主,包括杉科、松科、桦木科、壳斗科等 49 科 150 余种。 植被稀疏、森林覆被率低
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(<7.5%),丘坡较陡,雨季集中、易造成水土流失,是地质灾害多发区。
2摇 研究方法
2.1摇 试验设计
供试边坡为成渝高速(G85)永川段中的路基边坡(K309+145—K309+370),路基全长 225 m、路面高程
305—307 m,坡高 5—6 m(填方最大高程为 14.7 m),修整为二级边坡,坡比 1颐1.5,坡向 NE25毅(图 2)。 域内年
均气温 16—18 益,1 月均温 5—7.5 益,7 月均温 25—27.5 益,10 益以上活动积温 5600—5800 益,无霜期
310—340 d;年均降水量 1100—1200 mm,干燥度 1.0 左右。 边坡为黄壤区沙泥岩互层高边坡,表土(0—20
cm)微酸性(pH值:6.5—6.9),有机质 18.6 g / kg,阳离子交换量 CEC = 24.19 cmol / kg,速效 N、P、K 分别为
114.6、24.7、94.8 mg / kg。 粒级分布(湿筛法,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,初渗速率为 14.2—42.4 mm / min,稳渗速率为 0.8—5.7 mm / min,贮水力为 681.4—1244.1 t / hm2。 选择边坡
比、坡向及其它立地条件基本一致地段,整理成 62个矩形小区(长 8 m、宽 2 m),试验小区的长边与公路边坡
的等高线垂直、短边与等高线平行,四周用石棉瓦围埂(埂高 25 cm)、塑料薄膜密封(埋入地下 30 cm),小区
上方及两侧开排水沟拦截小区外径流,下方修截流沟、集水池。
图 1摇 研究区域地理位置示意图
Fig.1摇 Experimental side slope location in superhighway
图 2摇 试验边坡剖面示意图
Fig.2摇 Sketch section of the experimental side slope
2009年 4月在布设好的试验小区内自然撒播。 将 14种配置模式(即 MA1—7、MB1—7,物种组合如表 1)随机
分布于 56个小区内(每种模式重复出现 4次)。 归类编号后,按照同一播种密度(20 g / m2)将“先驱植物冶的
种子均匀撒播于相应小区。 其中,同一小区内不同生活型(灌木、草本)间的播种密度相等(10 g / m2)、相同生
活型的不同物种间的播种密度也相等( 10
m
、 10
n
g / m2, m、n 分别为小区内灌木、草本类先锋种数目)。 将各个
配置模式所在的 4个小区随机分成 4组:两组用于边坡植被在不同年份(2010—2012 年)群落特征的测定,两
组用于护坡性能的测定。 剩余 6个为对照区(CK):2个定期除草、保持无植被状态(CK0),用于观测试验期间
裸地边坡的产沙、产流特征;其余 4个用于次生裸地(CK1)的自然演替研究(分组同上)。
实验初期,及时遮阴、保湿以提高种子的出芽率、幼苗的成活率,及时记录各配置模式发芽率、成坪时间;
实时监控坪情,确保无重大虫害、鼠害、畜害及其它意外事故发生。
2.2摇 测定项目与方法
(1) 群落结构
播种后,记录各样地内成坪时间(此处指建坪至边坡植被总盖度达 70%所经历的时间)。 2010 年 8 月下
旬,分别在各个初始绿化配置模式(MA1—7、MB1—7)、次生裸地(CK1)所在坡面上(2 m 处)、中(4.5 m 处)、下(7
m处)位置各设置一组由规格为 120 cm伊120cm、50 cm伊50 cm(测定植物生物量)的 2 个样方构成的观测区,
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所有配置模式(MA1—7、MB1—7)、CK1内各布设 2小区,累计 90组(14伊6+6)。 累计 90 组(14伊6+6)。 针刺法[13]
调查样方内植物种类、株高、株数、总盖度及分盖度后,收获各采样区地上生物量,烘干、称重;用根钻在各采样
区分别取 0—10 cm、10—20 cm和 20—30 cm土层内土壤(钻头内直径 80 mm、高 100 mm),随即用 Del2ta鄄T公
司生产的 RWC型(Root Washer Consolidated, RWC)洗根系统洗根,烘干、称重,计算地下生物量[4]。
表 1摇 边坡植被的配置模式
Table 1摇 Pioneer plant species of the highway side slope vegetation tested
模式
Mode
先锋种配置
Pioneer plant species
生活型 Life form of pioneer plants
灌木 Shrub 草本 Herb
MA1 (1,1)* 慈竹 N.affinis 野牛草 B.dactyloides
MA2 MA1+ (1,0) 慈竹+马棘 N.affinis+ I. pseudotinctoria M. 野牛草 B.dactyloides
MA3 MA1+ (0,1) 慈竹 N.affinis 野牛草+狗牙根 B.dactyloides+S.viridis
MA4 MA1+ (1,1) 慈竹+马棘 N.affinis+ I. pseudotinctoria M. 野牛草+狗牙根 B.dactyloides+S.viridis
MA5 MA1+ (1,2) 慈竹+马棘 N.affinis+ I. pseudotinctoria M. 野牛草+狗牙根+芒 B.dactyloides+S.viridis+M.sinensis
MA6 MA1+ (2,1)
慈竹+马棘+黄荆
N.affinis+ I. pseudotinctoria M.+V.negundo 野牛草
+狗牙根 B.dactyloides+S.viridis
MA7 MA1+ (2,2)
慈竹+马棘+黄荆
N.affinis+ I. pseudotinctoria M.+V.negundo 野牛草
+狗牙根+芒 B.dactyloides+S.viridis+M.sinensis
MB1 (1,1) 棉槐 A. fruticosa 紫羊茅 F. rubra
MB2 MB1+ (1,0) 棉槐+马棘 A. fruticosa + I. pseudotinctoria M. 紫羊茅 F. rubra
MB3 MB1+ (0,1) 棉槐 A. fruticosa 紫羊茅+狗牙根 F. rubra +S.viridis
MB4 MB1+ (1,1) 棉槐+马棘 A. fruticosa + I. pseudotinctoria M. 紫羊茅+狗牙根 F. Rubra +S.viridis
MB5 MB1+ (1,2) 棉槐+马棘 A. fruticosa + I. pseudotinctoria M. 紫羊茅+狗牙根+芒 F. rubra +S.viridis+M.sinensis
MB6 MB1+ (2,1)
棉槐+马棘+黄荆
A. fruticosa + I. pseudotinctoria M.+V.negundo 紫羊茅
+狗牙根 F. rubra +S.viridis
MB7 MB1+ (2,2)
棉槐+马棘+黄荆
A. fruticosa + I. pseudotinctoria M.+V.negundo 紫羊茅
+狗牙根+芒 F. rubra +S.viridis+M.sinensis
摇 摇 * 括号中数据为边坡植被中初始配置的灌木、草本种数
2011、2012年 8月下旬,按照上述方法重复 2010年度的调查,确保同一小区内不同年份布设的样方间隔
大于 50 cm,以排除上次采用的影响。
(2) 产流量、产沙量
在径流小区旁边安装自动气象站,定时监测气象资料,自动记录每次的降雨量、雨强和降雨历程。 监测期
内,指定专人管理、操作,监测产流产沙情况。 每次降雨后及时观测、登记各个径流小区集水池的集流深度,计
算各小区地表径流量;根据某一时段内径流总量及同时段内的降雨总量计算径流系数:径流系数=径流量 /降
雨量。 泥沙量观测采用过滤、烘干法:将集水池中的泥水充分搅拌 30 min,立即取中层径流泥沙样品 500 mL,
置于烘箱内 105 益烘干后称重,通过计算含沙量得出每次降雨各小区土壤流失量;将 1a内各小区土壤侵蚀量
相加,然后换算成每 1 km2的吨数,即为侵蚀模数。
(3) 蓄水、保土能力
根据各试验小区的径流系数、土壤侵蚀模数值分别推算不同植被配置模式的蓄水能力、保土能力[4]:
蓄水能力=(裸坡区径流系数-植被区径流系数)伊100% /裸坡区径流系数
保土能力=(裸坡区侵蚀模数-植被区侵蚀模数)伊100% /裸坡区侵蚀模数
降雨量、径流量和泥沙量观测时段为 2009—2012年汛期(5—9月);铝盒法测定土壤初始含水量。
3摇 结果与分析
3.1摇 边坡植被的生长状况及其群落特征
表 2为 14种边坡绿化配置模式(MA1—7、MB1—7)、次生裸地(CK1)试验区内植被的生长状况及其结构
特征。
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表
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3/
0.
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2
41
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0.
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M
B2
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16
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0.
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0.
67
0.
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0.
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0.
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1.
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M
B3
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89
14
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M
B4
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B5
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M
B6
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B7
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/3
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3.1.1摇 边坡植被的生长状况分析
由表 2可以看出:相同的播种密度、建植条件下,由马棘、黄荆、狗牙根、芒等路域优势种与典型的边坡绿
化配置模式“慈竹+野牛草冶、“棉槐+紫羊茅冶所构成的组合 MA系列(MA1—7)、MB系列(MB1—7)间的平均成坪时
间(MA = 63.3 d, MB = 63.4 d)无明显差异,但同一系列内不同配置小区间差异显著(MA:58—68 d, P<0.05;
MB:59—68 d, P<0.05);初始绿化植物的种数(亦即先锋种丰富度)越多,成坪时间越短。
不同配置小区内的植物种类、数目的变化幅度也不一样:初始绿化植物的种类越多,小区内植物种类、数
目的增长幅度就越大,入侵种在群落内的优势度也越显著。 综合各个试验区(MA1—7、MB1—7、CK1)内物种组成
变化情况,结果显示,试验期间,试验区内入侵植物共涉及 26种,隶属于 9科 11属。 其中灌木 4 科 5 属 8 种,
占总种数的 30.77%;草本 6科 9属 18 种,占总种数的 69.23%。 菊科、禾本科、豆科、蔷薇科是种类最多的 4
科,占种数的 56.4%,表明这 4科植物在西南地区道路植被的自然恢复演替过程中所起的作用最大,在该地区
的植物区系中占据着重要地位。 灌木种类较多的科为:豆科、蔷薇科、桑科;草本种类较多的科为:菊科、禾本
科、蔷薇科、豆科;种数较多的属为悬钩子属(Rubus)、蒲公英属(Taraxacums)。 其中,艾蒿(Artemisia argyi)、白
茅( Imperata cylindrica )、三叶鬼针草 ( Bidens pilosa )、野菊花 ( Dendranthema insicum )、酢浆草 ( Oxalis
corniculata)、飞蓬(Erigeron acer)、苦荬菜( Ixeris polycephala)、牡蒿(Artemisia japonica)、地果(Ficus tikoua)、构
树(Broussonetia papyrifera)、马桑(Broussonetia papyrifera)、铁仔(Myrsine africana)调查的样方中出现频率较高
的入侵者,也是西南地区边坡植被自然恢复过程中主要的建群种或共建种,对边坡自然恢复和生态修复有重
要参考价值:生态修复过程中,这些建群种或共建种的存在能最大程度上恢复本地植被多样性。
尽管试验区内边坡植被的生物量与先锋种丰富度显著正相关(表 3),但表 2 却显示,不同生长季节内因
先锋种丰富度不同所引起的生物量变化幅度却存在很大差异:同一系列内,先锋种数量相近小区间的生物量
差异在第 1个生长季节内(2010年)并不明显(P>0.05),在 2011、2012年间却达到显著水平(P<0.05)。
表 3摇 不同配置模式试验小区中植物生物量(y)与先锋种丰富度(x)的关系
Table 3摇 Relation between richness of pioneer plants and their biomass
年份
Year
MA1—7
关系式
Relationship
决定系数
Determination coefficient(R2)
MB1—7
关系式
Relationship
决定系数
Determination coefficient(R2)
2010 y= 20.05x + 329.57 0.9937 y= 22.783x + 318.55 0.9902
2011 y= 67.067x + 251.32 0.9952 y= 69.308x + 276.31 0.9913
2012 y= 84.475x + 246.83 0.9903 y= 83.625x + 322.59 0.9901
3.1.2摇 边坡植被的群落特征分析
对于特定区域的次生裸地(如裸露边坡)而言,所在生境间种子库或种子雨的时空异质相对较小,先驱植
物所营造的局域环境是决定其他物种入侵潜力和能否成功定居的主导因素;先驱植物的配置模式不同,接纳
入侵种的种类、数量也不一样(表 2);相同生长季节内,初始绿化植物的种类越多,接纳新物种的潜力则愈强,
群落内物种丰度也就越大,二者呈显著正相关(表 4);建坪年限越长,入侵种的优势度越明显。
表 2显示,不同绿化配置模式试验区内群落盖度的变化幅度也不一样。 2010年间,除 CK1外,所有植被的
群落盖度均达到 72%以上;同一系列内,群落盖度随先锋种数目的增多而增大,以 MA7(78%)、MB7(81.5%)最
高,但先锋种数相近的群落间无明显差异(P>0.05);2011、2012年间,同一系列内不同配置小区内的群落盖度
也表现出与 2010年类似的变化趋势。 建坪年限越长,群落盖度越高,且与初始绿化植物的物种数目密切相关
(决定系数 R2 = 0.954—0.989,表 4)。
Shannon鄄wiener指数是综合反映群落中物种丰富度和均匀度信息的重要参数,它与反映物种分布均匀程
度的 Pielou指数一起,表征着群落的物种多样性:多样性水平越高,系统的结构越稳定,对外界干扰的抵抗和
缓冲能力则越强[11]。 表 2 显示,试验区内初始绿化植物的物种数目、配置模式不同,所在小区植物群落的
8563 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 35卷摇
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Shannon鄄wiener指数、Pielou指数也不一样,初始绿化时的先锋种越多,所在群落的多样性水平就越高,所对应
的 Shannon鄄wiener指数、Pielou指数也越大,二者呈显著正相关(R2 = 0.949—0.988,表 4)。
表 4摇 边坡植被的主要群落特征(yi)与先锋种数量(x)的关系
Table 4摇 Relation between number of pioneer plant species of slope vegetation and their primary community characteristics
指标
Factors
配置模式
Modes
2010
关系式 Relationship R2
2011
关系式 Relationship R2
2012
关系式 Relationship R2
物种丰富度 MA1—7 y= 1.975x + 4.1143 0.9840 y= 2.4667x + 4.7762 0.9918 y= 3.2667x + 3.619 0.9627
Richness MB1—7 y= 2.075x + 4.9571 0.9929 y= 2.475x + 7.2286 0.9862 y= 3.2333x + 6.9524 0.9752
群落盖度 MA1—7 y= 1.5417x + 68.762 0.9763 y= 2.4167x + 71.048 0.9544 y= 3.7917x + 72.192 0.9895
Community coverage MB1—7 y= 1.8333x + 70.311 0.9636 y= 2.9583x + 72.952 0.9822 y= 2.7583x + 81.481 0.9774
入侵种优势度 MA1—7 y= 1.875x + 6.3571 0.9844 y= 3.8333x + 5.1667 0.9851 y= 6.9583x + 6.0952 0.9853
GDI of invasive species MB1—7 y= 2.5833x + 5.881 0.9715 y= 3.8333x + 8.1667 0.9742 y= 7.625x + 6.1429 0.9955
Shannon鄄wiener指数 MA1—7 y= 0.0667x + 0.3062 0.9814 y= 0.0692x + 0.3776 0.9869 y= 0.075x + 0.4257 0.9844
Shannon鄄wiener index MB1—7 y= 0.0801x + 0.2971 0.9879 y= 0.0867x + 0.3576 0.9799 y= 0.0867x + 0.4333 0.9818
Pielou指数 MA1—7 y= 0.0492x + 0.5219 0.9772 y= 0.0517x + 0.5405 0.9493 y= 0.0475x + 0.5843 0.9543
Pielou index MB1—7 y= 0.0492x + 0.5319 0.9772 y= 0.0517x + 0.5470 0.9717 y= 0.055x + 0.5602 0.9758
3.2摇 护坡效益分析
3.2.1摇 裸地产流、产沙特征
2010—2012年汛期,试验区内自然降雨量及裸地边坡的产流、产沙特征如表 5。 可以看出,试验区汛期雨
季集中(占年降雨量 71.36%)、产流量大(年均降雨量 829.2 mm;年均产流量 149.8 mm),水土流失严重(裸地
年均产沙量 1223.5 g / m2)、生态环境脆弱,是典型的地质灾害多发区。
表 5摇 2010—2012年汛期降雨情况及裸地产流、产沙特征
Table 5摇 Runoff and sediment yield in rare slope and its rainfalls during rainy seasons ranging from 2010 to 2012
年份
Year
降雨次数
Rainfall
times
降雨量
Rainfalls /
mm
产流降
雨次数
Runoff
times
产流量
Runoff yield / mm
CK0 CK1
产沙量
Sediment yield
per plot / kg
CK0 CK1
径流系数
Runoff coefficient
CK0 CK1
侵蚀模数
Erosion modulus /
( t km-2 a-1)
CK0 CK1
2010 29 820.6 6 149.8 128.6 21.227 15.787 18.25 15.67 1376.67 986.67
2011 31 799.2 5 137.4 108.2 17.933 12.525 17.19 13.54 1120.83 782.83
2012 27 867.7 7 162.3 102.4 18.773 11.876 18.70 11.80 1173.33 742.26
摇 摇 CK0: 无植被裸地,CK1: 自然演替的次生裸地
3.2.2摇 不同护坡植被试验区的产流、产沙特征
产流次数、径流系数、土壤侵蚀模数是衡量植被涵养水源、防沙护坡性能的主要指标,也是表征边坡生态
系统抗干扰性能的重要尺度。 试验期间,不同试验区内的产流次数以及产沙、产流特征如图 3 所示。 可以看
出,相同环境条件下,不同初始绿化配置边坡植被的护坡性能也不一样,年际间差异明显。
(1)产流次数
图 3显示,边坡产流次数与初始绿化植物的配置模式有关:先锋种数目越多,产流次数越少;建坪年龄越
长,产流次数减少的趋势越明显。 2010 年,CK、MA1—6、MB1—6内先锋种相对较少(0—5 种),Shannon鄄wiener 指
数较低(分别为 0.27,0.44—0.65和 0.46—0.71),边坡植被的抗干扰(雨水冲蚀)能力弱,汛期产流次数与裸地
相同(6次);MA7、MB7内先锋植物较多(6种),Shannon鄄wiener指数较高(0.77,0.78),抗干扰能力增强,产流次
数(5 次)减少。 2011 年,MA1—4、MB1—4内先锋种相对较少(2—4 种),其 Shannon鄄wiener 指数(0. 52—0.65,
0郾 54—0.71)与 CK1(0. 36)无明显差异,汛期产流次数均为 5 次;MA5—6、MB5—6和 MA7、MB7的先锋种较多,
Shannon鄄wiener指数较高,抗雨水冲蚀能力增强,产流次数(3—4 次)相应减少。 2012 年汛期,群落演化程度
9563摇 11期 摇 摇 摇 方文摇 等:先锋种丰富度对边坡植被群落特征及其护坡效益的影响 摇
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图 3摇 不同配置模式产流、产沙特征的动态变化
Fig.3摇 Characteristic of runoff and sediment yield of tested localization shrub modes during rainy seasons ranging from 2010 to 2012
矩形图上方的数字表示所在小区在汛期内的产流次数
较高,边坡植被的涵水截流效应更加显著:与 CK1相比,植被覆盖区内的汛期产流次数明显减少,产流次数与
先锋种丰度呈显著负相关(R2 = 1.000);先锋种越多,产流次数越少。
(2)径流系数、侵蚀模数
试验期间,边坡观测区内的径流系数、土壤侵蚀模数与初始绿化植物种数密切相关。 2010 年汛期,先锋
种所在小区(MA1—7、MB1—7)的护坡性能均明显优于自然恢复状态的裸露边坡 CK1(蓄水能力:14.13%;保土能
力:25.53%;产流量:128.60 mm;产沙量:186.67 g / m2),其中,MA7、MB7的护坡性能较强:蓄水、保土能力分别达
到 61.67%、65.59%和 93.46%、93.29%,产流量(57.40、51.53 mm)、产沙量(86.76、89.05 g / m2)也明显低于其它
小区(n = 4,P<0.05);MA1、MB1的保水(50. 97%、48. 25%)、保土(90. 05%、89. 85%)性能相对较差,产流量
(73郾 42、77.44 mm)、产沙量(110.56、134.62 g / m2)较高(n = 4,P<0.05)。 整个汛期内,观测区内的径流系数、
侵蚀模数呈现一致的变化趋势,即 MA7
高,护坡性能较差;MA7、MB7的产流、产沙量较低,护坡性能较强;汛期内,不同小区间的径流系数、侵蚀模数波
动趋势也与 2010年汛期类似:初始绿化植物的种类越多,所在小区内径流系数、侵蚀模数就越小,边坡的护坡
性能则越强。
3.3摇 先锋物种数、群落特征与护坡性能的相关性
相同环境条件下,边坡植被的群落结构、组成特征和发育水平是影响地表径流量、水土流失量的主要因
素:地上茎叶对雨滴分层拦截,有利于减少地表径流、阻延土壤溅蚀;地下根系对土壤的加筋、锚固作用,有利
于延缓坡面侵蚀、增强其稳定性[14鄄15]。
3.3.1摇 先锋种丰富度与护坡性能的相关性
表 6为 2010—2012年间 MA1—7、MB1—7所在群落中先锋种丰富度(x)与边坡植被蓄水能力(y)、保土能力
(y忆)关系式。 可以看出,护坡植被的蓄水、保土能力与所在群落的先锋种丰富度显著正相关(R2 >0.971):
2010年汛期,群落中初始绿化植物的物种数量与所在边坡的护坡性能呈幂函数关系;2011 年汛期,呈线性变
量关系;2012年汛期,呈对数函数关系。 先锋种越多,所在边坡的蓄水、保土能力则越强。
3.3.2摇 群落特征与护坡性能的相关性
表 7为 2010—2012年间不同配置边坡植被所在群落的 Shannon鄄wiener 指数( x)与观测区内径流系数
(y)、土壤侵蚀模数(y忆)间拟合关系式。 可以看出,群落的 Shannon鄄wiener指数与植被的护坡性能(径流系数、
侵蚀模数)密切相关:2010 年汛期,Shannon鄄wiener 指数与护坡性能间呈幂函数关系,其拟合方程的 R2 =
0.998—0.999;2011年汛期,Shannon鄄wiener指数与护坡性能更趋近线性变量关系,拟合方程的 R2 = 0.998—
0663 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 35卷摇
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0.999;2012年汛期,Shannon鄄wiener指数与护坡性能则更趋近对数函数关系,拟合方程的 R2 >0.999。 说明群
落的多样性水平(Shannon鄄wiener指数)越高,其系统稳定性则越高、抗干扰(雨水冲蚀)能力也越强。
表 6摇 边坡植被的蓄水能力(y)、保土能力(y忆)与先锋种丰富度(x)的关系
Table 6摇 Relation between richness of pioneer plants and their capacity of soil and water conservation
年份
Year
蓄水能力 Water鄄holding capacity(y)
MA1—7
关系式 Relationship R2
MB1—7
关系式 Relationship R2
保土能力 Capacity of soil conservation(y忆)
MA1—7
关系式 Relationship R2
MB1—7
关系式 Relationship R2
2010 y = 45.133x0.1703 0.9786 y = 39.686x0.2804 0.9865 y忆 = 90.49x0.0178 0.9778 y忆 = 87.696x0.0333 0.9828
2011 y = 2.4409x + 54.323 0.9976 y = 2.9408x + 55.616 0.9946 y忆 = 0.6762x + 91.962 0.9986 y忆 = 0.8798x + 90.589 0.9964
2012 y = 10.729ln(x) + 60.137 0.9753 y = 7.2067ln(x) + 70.499 0.9713 y忆 = 2.3977ln(x) + 93.406 0.9749 y忆 = 2.4745ln(x) + 93.683 0.9734
表 7摇 观测区内的产流系数(y)、土壤侵蚀模数(y忆)与所在群落 Shannon鄄wiener指数(x)的关系
Table 7摇 Relation between Shannon鄄wiener index in communities and their capacity of soil and water conservation
年份
Year
产流系数 Runoff coefficient (y)
MA1—7
关系式 Relationship R2
MB1—7
关系式 Relationship R2
侵蚀模数 Erosion modulus (y忆)
MA1—7
关系式 Relationship R2
MB1—7
关系式 Relationship R2
2010 y = 5.9123 x-0.505 0.9984 y = 5.1932 x-0.7711 0.9994 y忆 = 72.589 x-0.5123 0.9994 y忆 = 75.642 x-0.7474 0.9991
2011 y =-6.0626x + 10.14 0.9995 y =-5.8216x + 9.7076 0.9997 y忆 =-109.38x + 131.34 0.9981 y忆 =-113.32x + 145.84 0.9984
2012 y=-5.2273ln(x) + 3.067 0.9997 y=-3.2651ln(x) + 2.8816 0.9998 y忆=-73.303ln(x) + 15.853 0.9994 y忆=-70.266ln(x) + 17.365 0.9996
进一步分析各观测区内植被生物量变化(表 2)与其护坡性能(产流系数、土壤侵蚀模数)的相关性时则
发现:2010年汛期,植被的护坡性能与其地上生物量间呈线性关系(R2 = 0.996—0.999);2012 年汛期,其护坡
性能与根系生物量间呈线性关系(R2>0.999);2011年汛期,植被的护坡能性趋向模糊,并随群落地上、地下结
构的变化而波动。 可能的原因是:建坡初期(2010年汛期),植物根系尚不发达,根冠比小(表 2),植被的护坡
性能主要取决于茎叶层对雨滴的分层拦截作用;2012 年汛期,群落演化程度较高,边坡植被的群落盖度较建
坪初期普遍提高,部分小区甚至接近饱和水平,其护坡能性主要取决于植物根系的结构特征:根冠比越大,对
土壤加筋、锚固作用越强,防沙护坡性能则越优。 该结论与李妮[6]、方文[16]等人的研究结果一致。 生态护坡
过程中,边坡植被茎叶片层对雨滴的截流、缓蚀效应以及地下根系对土壤加筋、锚固效应的年际间差异在陈
波[17]、王青杵[18]等人的研究中也得到证实。
可见,在边坡条件、播种密度等建植条件与建植措施一致的条件下,提高先锋种丰富度(如 MA7、MB7)是改
善边坡植被的护坡性能的有效手段。
4摇 结论
(1) 建坪初期,初始绿化植物的物种数量(先锋种丰富度)可直接影响护坡植被的成坪时间、生物量积
累。 先锋种越多(如 MA7、MB7),成坪时间越短,被积累的生物量则越多,二者呈显著正相关(R2 >0.990,P<
0.05);随后的生长季节(2011、2012年),观测区内的植物生物量也遵守类似的积累规律。
(2) 先锋种丰富度与群落的结构特征中物种多样性水平密切相关。 相同生长季节内,先锋种越多,所在
生境接纳新物种的潜力愈强,群落中物种数目越多,群落盖度也越大;先锋植物种类越多,所在群落的植物多
样性水平(Shannon鄄wiener指数、Pielou指数等)也越高,二者呈显著正相关(R2>0.954,P<0.05)。
(3) 边坡植被所在群落中物种多样性水平与植被的护坡性能密切相关(R2>0.998,P<0.05):建坪初期的
先锋种越多,所在群落中植物多样性水平越高(如 MA7、MB7),抗干扰(雨水冲蚀)能力、蓄水保土能力也越强,
观测区内的产流次数、产流系数、土壤侵蚀模数则越小。 建坪时间越久,趋势越明显。
(4) 总体上看,群落中植物多样性水平越高,所在生态系统越稳定、抗干扰能力就越强。 可见,在边坡条
件、播种密度及相关建植措施一致的条件下,提高先锋种丰富度可有效改善边坡植被的护坡性能。
1663摇 11期 摇 摇 摇 方文摇 等:先锋种丰富度对边坡植被群落特征及其护坡效益的影响 摇
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