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原文传递高速公路边坡植物群落特征变化与稳定性研究

论文题名：	高速公路边坡植物群落特征变化与稳定性研究
关键词：	高速公路;边坡稳定性;植物群落;动态变化
摘要：	高速公路的修建破坏了沿线自然生态系统，形成了大量特殊且生境恶劣的边坡生态系统(河南省高速公路通车里程达到5880公里，保守估计，高速公路边坡带状绿地面积至少71km2)，探讨其植被恢复规律、群落动态变化、种间竞争规律对于提高生态系统生产力、增进生态系统稳定性、定向管理生态系统具有重要的理论价值与应用价值。公路边坡建植人工植物群落不仅可以增加边坡的稳定性，同时也是对公路沿线生态的一种有效补偿手段。边坡植物群落在维持边坡稳定中起着重要的作用，因此植物群落的稳定性与边坡的稳定性紧密相关。目前对高速公路边坡生态恢复的方法日渐成熟，但是却缺少对边坡植物群落的长期监测和研究，针对其稳定性的研究也很少且缺乏相应的评价方法。本研究通过对河南省信阳-南阳高速(东西向)11个典型群落和扶沟-项城高速公路(南北向)5个典型植物群落连续3年的监测，分析其3年中群落结构及其动态变化;通过灰色关联度法计算和评价两条恢复多年的高速公路群落与土壤之间的耦合协调度;选取环境因素，植被群落因素、土壤因素(含土壤-群落多样性协调度)以及生态服务功能等进行AHP-模糊综合评价，并得到两条高速公路的恢复效果;最后使用M.Godron法图解群落稳定性，同时提取群落物种多样性、土壤养分与水分、群落生物量、人工干扰等因素，通过隶属函数法对群落稳定性进行分析，并分析稳定性较高的群落结构与组成，两种方法相互比较，以期找到适合评价高速公路边坡植物群落稳定性的方法。希望为今后高速公路群落植物设计、景观提升以及具有针对性的改良群落提供理论依据。　　主要研究结论有: 　　(1)高速公路作为一种特殊的道路形式，尤其是中国高速公路，受土地供给影响，往往是高填方路基、深挖方路堑，产生大量边坡界面，严重扰动了地球表面。本研究界定了高速公路边坡生态系统的概念即由于修建高速公路，开挖山体或填高路基而形成的裸露坡面，后经人工种植植物群落而形成的特殊生境下的生态系统。研究范畴包括水、土壤、植被、风以及不同坡位、坡向而形成的小气候等。　　(2)高速公路边坡植物群落特征与动态变化　　对群落特征与动态变化的研究显示，灌木在群落中表现出较高的优势，紫穗槐具有较强的竞争力，并不断向周边群落入侵。而杂草的不断入侵导致最初种植的草本植物大多数在演替过程中，重要值变低，有些甚至退出了群落;高速公路边坡草本层的物种多样性明显高于灌木层和乔木层。不同植物群落多样性动态变化不同，信南高速公路边坡植物群落多样性较高的为群落1即火棘群落，群落4即构树+紫穗槐群落与群落11即高羊茅+野豌豆群落;扶项高速为群落4即鬼针草+黑麦草+艾草群落;高速公路边坡植物群落演替受到坡向的影响，通常情况下阴坡的物种数多于阳坡;高速公路边坡植物群落物种变化具有地域性，信南高速公路物种丰富程度高于扶项高速公路;信南高速、扶项高速边坡植物群落演替过程中出现乔木型的乡土植物，一些群落的结构发生变化。　　(3)高速公路边坡植被群落与土壤耦合度　　对土壤理化性质的分析结果显示，目前两条高速公路边坡土壤的营养成分普遍偏低，其中0-10cm土层的营养物质普遍高于10-20cm土层，表层土的土壤水分指标低于10-20cm土层，阴坡土壤的营养成分略高于阳坡;土壤因子与群落物种多样性的耦合协调度结果显示信南高速公路优于扶项高速公路。信南高速公路协调度为“优”的群落有:紫穗槐+高羊茅群落和紫穗槐+蛇莓群落，扶项高速公路没有协调度为“优”的群落。　　(4)高速公路边坡植物群落恢复现状评价　　通过对信南高速公路与扶项高速公路边坡植物群落的恢复评价，结果显示信南高速公路边坡群落恢复效果优于扶项高速。信南高速公路11种植物群落中，2种北坡群落即群落2、群落7的恢复效果为“优”，大多数群落恢复效果为“良”，仍有3种群落恢复效果为“中”;对于扶项高速而言，边坡恢复虽然已有8年，而且植物群落已经有效的发挥了保持水土的作用，但是整体恢复效果仍然欠佳，恢复效果为“良”和“中”的群落各一种，均为西坡群落，剩余3种群落恢复效果均为“极差”。提高边坡植物群落恢复效果不仅是时间的问题，同时也需要人工进行适当的干预;通过对各指标权重的计算可知群落生产力、群落-土壤协调性、群落层次丰富度和群落物种多样性的权重较高。根据上述结果可以有针对性的对边坡植物群落进行人工干预，如可以通过种植乔木型乡土植物、灌木的方法提高群落生产力，同时也增加的群落层次丰富度和物种多样性;而在提升群落-土壤协调性方面，可以有针对性的对边坡土壤进行改良，这些人工干预的方法均能起到相辅相成的效果。　　(5)高速公路边坡植物群落稳定性评价　　本研究分别使用了M.Godron法和隶属函数法两种方法对边坡植物群落进行稳定性评价，结果显示，信南高速公路稳定性较高的群落为紫穗槐+高羊茅群落(群落7)，扶项高速稳定性较高的群落为黑麦草+白三叶+楝树(群落3)群落与鬼针草+黑麦草群落(群落2)。通过对稳定性较高群落的分析，信南高速公路可以推广的植物有紫穗槐与高羊茅;扶项高速公路可以推广的植物有黑麦草、白三叶、楝树、紫花苜蓿，为了增加群落对土壤改良作用，建议使用不同生活型的豆科植物，同时为促进群落正向演替，可以在植物配置时增加乔木型乡土植物，如楝树、构树等。　　(6)评价方法的适用性分析　　由于目前针对高速公路边坡植物群落稳定性的研究非常少，也缺乏相应的研究方法，更多的关于群落稳定性的研究集中在森林群落，因此在本研究中，尝试引入两种群落稳定性测度方法即M.Godron法与隶属函数法，以期找到适用于高速公路边坡植物群落的评价方法。结果显示两种评价方法的结果基本一致，但却各有特点，使用前者方法评价时，只需要群落中物种数，以及每种植物出现的频率，方法便于操作;后者评价方法更全面些，但需要得到植物群落与土壤的相关数据，如若希望对多个不同群落进行稳定性比较时，该方法更显直观。因此可以根据掌握的数据，以及希望得到的具体结果考虑选择评价方法。　　在研究群落与土壤关系时，通常会使用相关性分析，但对于想要了解恢复多年的高速公路边坡植物群落与土壤之间的关系时，该方法具有局限性。于是，本研究引入耦合度分析法，可以很好的了解群落与土壤在协同演替过程中的关系以及效果。高速公路边坡已经恢复多年，但对其恢复效果的研究也相对较少，本研究引入AHP-模糊综合评价法，通过提取环境因素、植被因素、土壤因素以及生态服务功能对边坡植物群落进行恢复效果评价，结果显示该方法评价全面且易于推广。
作者：	曹娓
专业：	风景园林学
导师：	田国行
授予学位：	博士
授予学位单位：	河南农业大学
学位年度：	2017
正文语种：	中文