香根草護坡地植物群落演替特征及其對人工干擾的響應機制研究.pdf

1、據(jù)科學考察發(fā)現(xiàn),在所有開發(fā)建設活動中,農(nóng)林開發(fā)、公路鐵路、城鎮(zhèn)建設、露天煤礦、水利水電等造成的水土流失最為嚴重。公路、鐵路、水利等工程建設與自然環(huán)境密切相關,其工程規(guī)模大、項目多、涉及面廣,土石填挖工程形成的大量土石裸露邊坡,破壞了既有植被,對當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境影響較大,因此,項目開發(fā)與環(huán)境保護兼顧成為當前經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重大課題。以往通常采用單純的工程防護技術措施,如漿(干)砌片石、噴錨防護等,這些工程措施導致原有植被破壞、生態(tài)景觀效果差等

2、一系列生態(tài)環(huán)境問題,同時工程建設造價高和后期草坡退化嚴重、維護成本高的問題突出。 目前,邊坡治理已經(jīng)發(fā)展到防護和生態(tài)恢復階段,但由于生態(tài)恢復研究一般需要較長時間,而我國剛剛把恢復生態(tài)學理論引入到邊坡恢復中,這方面的論文很少,且都只是概念性的引入,研究成果也很少。因此,需要對邊坡防護和綠化進一步探討邊坡的物質能量循環(huán)、恢復過程等,從生態(tài)系統(tǒng)層次認識植被對邊坡穩(wěn)定的作用,用生態(tài)經(jīng)濟學理論,考察邊坡防護與生態(tài)恢復的經(jīng)濟問題。近年來,國

3、內(nèi)外香根草在工程護坡方面的研究與應用正如火如荼地展開,但多偏重應用研究,缺乏系統(tǒng)、深入的理論研究與總結。作為護坡先鋒外來植物種,香根草在恢復中扮演的角色還難以正確判斷與定位,目前仍不清楚其在群落演替中的作用與地位,以及其對演替方向和進程影響的內(nèi)在機制。 工程邊坡大多坡體高陡,秋冬季干旱、夏伏季炎熱,土體養(yǎng)分逐漸流失,土壤肥力降低,如何解決邊坡呈現(xiàn)的無土、缺水、缺肥的狀態(tài)及邊坡植被面臨的干、熱威脅,將直接影響到邊坡最終綠化效果和生

4、態(tài)效益的發(fā)揮。因此對坡地自然環(huán)境信息和植物生理生態(tài)特性的了解,是植被護坡能否成功的關鍵。本研究就植被護坡中主要限制因子溫度、水分和光照條件及刈割措施等人為因素對香根草生長的影響展開生理生態(tài)研究,藉此確定香根草對這些因子的耐性閣值,同時作為解釋群落演替特征的理論依據(jù)。研究結果顯示：在夏季高溫干旱條件下香根草可耐55℃高溫,停水持續(xù)時間可達24～42天,高溫干旱引起植株地上部和地下部根系外部形態(tài)和內(nèi)部生理生態(tài)性質的變化,不但抑制香根草地上部

5、生長,引起葉片形態(tài)發(fā)生相應形態(tài)變化,還影響葉片的正常生理功能,導致葉綠素下降,葉片傷害率加重。盡管高溫干旱起初可以小幅促進根系生長,但隨著高溫干旱持續(xù)發(fā)展,根系生長亦會明顯受到抑制,根體積和根生物量將處于停滯狀態(tài)。在冬季低溫耐旱試驗中,香根草也表現(xiàn)出較強的耐旱性,持續(xù)耐旱時間達4個月之久。試驗中也顯示出溫度和水分互作效應明顯,高溫條件下土壤水分含量高香根草耐高溫能力就強；低溫下土壤水分過多或過少均不利于香根草春季返青及其后續(xù)生長發(fā)育。在

6、實際工程邊坡防護時,只要調(diào)查掌握邊坡所在位置的溫度等自然因素和坡面土壤水分的時空分布規(guī)律,就可以據(jù)此預測和判斷該邊坡是否適宜種植香根草。遮光對香根草的不同生育性狀指標影響不同,即使是同一性狀,在不同發(fā)育時期所受的影響也是變化的。試驗結果表明：香根草春季移栽后緩苗期較長,約兩個月后成活率才基本穩(wěn)定,遮光對存活率有影響,但不顯著；在香根草栽后兩個月緩苗期內(nèi)遮光對分蘗幾乎沒有影響,但此后遮光對分蘗影響極其顯著；遮光對生長前期株高影響不大,后期

7、影響較大；遮光對根莖比影響較大,但這種影響比較復雜。適度刈割(7月中旬～9月中旬刈割一次)有利于香根草的生長發(fā)育,但過度刈割或不刈割均不利于香根草的生長。植物護坡實踐中,由于受工期的限制,對邊坡植被狀況缺少長期的觀察和系統(tǒng)的研究,驗收合格的工程邊坡植被防護體系幾年后的狀況卻常常難以令人滿意。因此,只有對這些問題作詳盡的調(diào)查研究分析,才能正確指導施工,否則邊坡的植物生長將無法實現(xiàn)人工強制綠化向原始植物群落的順利演替。本研究連續(xù)兩年分春、秋

8、兩季對調(diào)查坡面植物群落采用樣方法進行群落特征指標觀測與調(diào)查,記錄每樣方內(nèi)各植物的種類、蓋度、高度、密度、地上部生物量和統(tǒng)計群落內(nèi)各物種的出現(xiàn)頻度等群落特征指標值。從香根草種群動態(tài)、群落內(nèi)物種組成及生活型、群落質量特征值(豐富度指數(shù)、多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)、優(yōu)勢度指數(shù)、相似系數(shù))、生態(tài)位寬度及生態(tài)位重疊值等方面研究各類坡面植物群落的演替規(guī)律。 坡向與坡位是影響香根草護坡植物群落特征的重要自然因素。通過對不同區(qū)域類型的3個邊坡植被群

9、落調(diào)查結果分析,發(fā)現(xiàn)：①香根草護坡植物群落演替不但受坡向(光照、溫度差異)的影響,還受坡位(水肥等差異)的影響,其中坡向的影響更為關鍵。②同一坡向上不同坡位的群落相似性系數(shù)高于不同坡向中兩群落的相似性系數(shù)。③向陽坡或受光較好的坡位上香根草種群優(yōu)勢明顯,背陽坡或受光不足的坡位上香根草種群隨時間退化,水土保持效果也會下降。④群落質量特征值與群落中香根草種群的特征值密切相關,群落質量特征指標與群落中香根草種群的物種優(yōu)勢度存在一定的相關性。當香

10、根草種群優(yōu)勢明顯時,香根草物種優(yōu)勢度與群落豐富度指數(shù)、群落多樣性指數(shù)、群落均勻度指數(shù)呈負線性相關,香根草物種優(yōu)勢度與群落優(yōu)勢度指數(shù)呈正線性相關。但是當坡面植物群落退化,群落中香根草種群優(yōu)勢不明顯時,群落中香根草種群的物種優(yōu)勢度與群落質量特征指標就不存在相關性。 坡度也是影響香根草護坡植物群落特征的另一重要自然因素。通過對兩不同坡度邊坡上植物群落調(diào)查資料分析,結果發(fā)現(xiàn)：①兩坡面上香根草護坡植物群落建植兩年后出現(xiàn)分化傾向,坡度小(近

11、20°)有利于香根草種群的發(fā)展,但同時也有利于鄉(xiāng)土物種的著生定居。②春季坡度大(近30°)的邊坡上植物群落豐富度指數(shù)高于坡度小的邊坡上植被群落,坡度小的植物群落多樣性指數(shù)大于坡度大的植被群落,秋季時結果則相反。但從時間序列上看,坡度小的植被群落多樣性指數(shù)呈上升趨勢；坡度小的邊坡上植物群落均勻性指數(shù)小于坡度大邊坡上的植被群落；坡度小的邊坡上植物群落優(yōu)勢度指數(shù)高于大坡度邊坡上的植物群落,但這種趨勢會隨時間下降。③香根草物種優(yōu)勢度與群落豐富度

12、指數(shù)R1、群落多樣性指數(shù)H'、群落多樣性指數(shù)SW、群落均勻度指數(shù)J'、群落優(yōu)勢度指數(shù)C'均呈負線性相關。 研究結果顯示,人為控制群落演替方向與進程是可行的。香根革護坡植物群落建植初期香根草種群優(yōu)勢不明顯,尤其是生境惡劣的工程坡地上,但可以通過人為控制措施快速建立人工植被。當然,這種控制必須是科學的,否則會適得其反,因此研究適當?shù)娜祟愋袨閷χ参锶郝溲萏嬉?guī)律的影響是有意義的。 刈割對植物群落演替發(fā)展方向與進程影響很大,研究表

13、明：①刈割頻率高,群落豐富度指數(shù)高,但會降低群落優(yōu)勢度指數(shù)值,春季表現(xiàn)得尤為明顯。②2次刈割/年(分別在4月上旬和6月上旬)對群落演替發(fā)展方向與進程影響大,能增加群落中定居的物種數(shù),有助于減小群落內(nèi)部香根草種群與其它植物種之間的生態(tài)位重疊值,提高群落多樣性指數(shù)。③香根草物種優(yōu)勢度與群落豐富度指數(shù)R1呈正顯著線性相關,與群落豐富度指數(shù)R2呈正極顯著線性相關；香根草物種優(yōu)勢度與群落多樣性指數(shù)SW呈負顯著線性相關；香根草物種優(yōu)勢度與群落均勻度

14、指數(shù)J'呈負極顯著線性相關；香根草物種優(yōu)勢度與群落優(yōu)勢度指數(shù)C'呈正顯著線性相關。④刈割有利于植被截流涵水功能的發(fā)揮。 施肥對植物群落演替影響也較大,研究發(fā)現(xiàn)：①施肥能增加群落中定居的物種數(shù),但也會加劇群落內(nèi)部物種之間的競爭關系。②施肥可以提高群落豐富度指數(shù),秋季表現(xiàn)得尤為明顯；③重施肥處理(3次,分別在6月初、7月初、8月初,每次用量225kg/hm2)群落多樣性指數(shù)最高,較重施肥(2次,分別在6月初和7月初,每次用量225k

15、g/hm2)有利于提高優(yōu)勢度指數(shù)值。④施肥處理群落坡面上位土壤含水量均高于中位土壤含水量,而未施肥處理群落則相反。⑤不施肥處理與重施肥處理植被群落差異大。⑥香根草物種優(yōu)勢度與群落豐富度指數(shù)R2呈正顯著線性相關；香根草物種優(yōu)勢度與群落多樣性指數(shù)SW呈負顯著線性相關；香根草物種優(yōu)勢度與群落均勻度指數(shù)不相關；香根草物種優(yōu)勢度與群落優(yōu)勢度指數(shù)SN呈負顯著線性相關。 香根草與紫穗槐復種模式比較試驗表明：①香根草種群在群落中的影響比紫穗槐大

16、。②在陽坡上,香根草與紫穗槐間作對香根草生長不利,但有利于紫穗槐。在陰坡上,香根草與紫穗槐間作有利于香根草種群。③陽坡上紫穗槐與香根草間作,紫穗槐性狀明顯好于陽坡單作的紫穗槐,但在陰坡上紫穗槐與香根草間作時,紫穗槐性狀比起陰坡上單種的紫穗槐優(yōu)勢并不明顯。④陽坡上紫穗槐植株高,莖桿粗,但萌枝少,而陰坡上則相反。⑤香根草物種優(yōu)勢度與群落豐富度指數(shù)不相關；香根草物種優(yōu)勢度與群落多樣性指數(shù)H'呈負極顯著線性相關；香根草物種優(yōu)勢度與群落均勻度指數(shù)

17、J'和群落均勻度指數(shù)PW均呈負極顯著線性相關,但與群落均勻度指數(shù)J'相關性更好；香根草物種優(yōu)勢度與群落優(yōu)勢度指數(shù)C'和群落優(yōu)勢度指數(shù)SN均呈正極顯著線性相關,但與群落優(yōu)勢度指數(shù)C'相關性更好。研究結果還顯示：菊科、禾本科、豆科類植物最早定居于邊坡上,物種數(shù)所占比例最低27.78％,最高可達92.86％；春季與秋季植物群落特征值表現(xiàn)差異較大,春季群落特征值規(guī)律表現(xiàn)相對復雜,秋季植被群落特征規(guī)律表現(xiàn)相對明顯。因此,在秋季香根草滯長期進行植被

18、群落調(diào)查效果較理想；群落質量特征值與群落中香根草種群優(yōu)勢度密切相關,但群落特征值的不同計算方法得出的結果可能存在差異。因此,對于群落質量特征分析來說,選擇適當?shù)脑u價方法至關重要,需要進一步探討總結。 生態(tài)系統(tǒng)恢復的不可確定性,迄今為止已提出了許多生態(tài)系統(tǒng)恢復的標準,生態(tài)系統(tǒng)恢復要求綜合考慮生態(tài)、經(jīng)濟和社會因素,但對時間、空間上異質性的生態(tài)系統(tǒng)而言實在太難。對于生態(tài)系統(tǒng)恢復的時間到底要持續(xù)多長,目前的科學研究還不能確切地回答這個問