扰动方式对典型草原区路域植被和土壤的影响.pdf
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1、第4 3卷第3期2 0 2 3年6月水土保持通报B u l l e t i no fS o i l a n dW a t e rC o n s e r v a t i o nV o l.4 3,N o.3J u n.,2 0 2 3 收稿日期:2 0 2 2-0 4-2 0 修回日期:2 0 2 2-0 9-2 4 资助项目:内蒙古自治区科技重大专项“内蒙古特殊环境公路灾变机理及综合防控成套技术研究”(z d z x 2 0 1 8 0 4 1)第一作者:张朕(1 9 9 8),男(汉族),河北省丰宁满族自治县人,硕士研究生,研究方向为水土保持与荒漠化防治。E m a i:8 6 2 6 4
2、7 3 2 2 q q.c o m。通信作者:刘宝河(1 9 8 7),男(汉族),内蒙古呼和浩特市人,博士,高级工程师,主要从事公路防沙与生态修复相关研究。E m a i l:b a o h e l i u1 2 6.c o m。扰动方式对典型草原区路域植被和土壤的影响张 朕1,刘宝河2,茶 娜1,苏非非3,王嫣娇2,王国立4,李 龙5(1.内蒙古农业大学 沙漠治理学院,内蒙古 呼和浩特0 1 0 0 1 0;2.内蒙古交通设计研究院有限责任公司,内蒙古 呼和浩特0 1 0 0 0 0;3.内蒙古公路交通投资发展有限公司 赤峰分公司,内蒙古 赤峰市0 2 4 0 0 0;4.内蒙古公路交通投
3、资发展有限公司,内蒙古 呼和浩特0 1 0 0 1 0;5.荒漠生态系统保护与修复国家林业和草原局重点实验室,内蒙古 呼和浩特0 1 0 0 0 0)摘 要:目的分析不同扰动方式对内蒙古典型草原区土壤理化性质及植被特征的影响,为探索路域生态环境恢复规律,采用合理的恢复措施提供科学依据。方法以锡林郭勒草原区3条公路(G 3 0 3锡市阿巴嘎旗段、G 2 0 7锡市西乌珠穆沁旗段、G 2 0 7锡市乌日图塔拉苏木段)为研究对象,采用空间代替时间的方法,调查研究了不同恢复年限(1,5,1 5a)与不同扰动方式(碾压、路堑、取土场、路堤)路域土壤和植被特征。结果扰动方式对土壤理化性质有显著影响,其中土
4、壤容重表现为:碾压路堤路堑取土场。随恢复年限增加,土壤容重表现为向未扰动区容重靠近趋势。土壤含水率表现为:碾压路堑取土场 e m b a n k m e n t c u t t i n g b o r r o wp i t.A st h en u m b e ro fr e s t o r a t i o ny e a r si n c r e a s e d,s o i lb u l kd e n s i t ya p p r o a c h e dt h eb u l kd e n s i t yo f t h eu n d i s t u r b e da r e a.S o i lm
5、o i s t u r ec o n t e n t f o l l o w e dt h ed i s t u r b a n c em o d eo r d e ro f r o l l i n g c u t t i n g b o r r o wp i t e m b a n k m e n t,a n ds o i lm o i s t u r e i n c r e a s e da st h en u m b e ro f r e s t o r a t i o ny e a r si n c r e a s e d.S o i lo r g a n i cc a r b o n
6、,t o t a lp h o s p h o r u s,a n dt o t a lp o t a s s i u m c o n t e n t sw e r el o w e s tf o rt h er o l l i n gd i s t u r b a n c em o d e,a n dh i g h e s tf o rt h ee m b a n k m e n td i s t u r b a n c em o d e.T h ep l a n tc o mm u n i t yr i c h n e s s i n d e xi n i t i a l l yi n c
7、 r e a s e d,t h e nd e c r e a s e d,a n df i n a l l ys t a b i l i z e d.S p e c i e sd i v e r s i t yi n d e xf o r t h e5-y e a rr e s t o r a t i o np e r i o dw a sh i g h e rt h a nf o rt h e1 5-y e a rr e s t o r a t i o np e r i o d.F r o mt h ep r i n c i p a lc o m p o n e n t a n a l y
8、 s i so fr e l e v a n td a t a,t h ec o m p r e h e n s i v er a n k i n go fe m b a n k m e n t,c u t t i n g,a n db o r r o wp i td i s t u r b a n c ea f t e r1 5y e a r so fr e c o v e r yw a sh i g h,a n dt h ec o m p r e h e n s i v es c o r e sw e r e2.3 3,1.4 2a n d1.3 2,r e s p e c t i v e
9、 l y.T h ec o m p r e h e n s i v es c o r e so f r o l l i n gd i s t u r b a n c ew e r e t h e l o w e s t,a n dd a m a g e t o t h ee c o s y s t e mw a st h em o s t s e r i o u s.C o n c l u s i o nT h e r ew e r e s i g n i f i c a n t d i f f e r e n c e s i n t h ep h y s i c a l a n dc h e
10、 m i c a l p r o p e r t i e sa n dv e g e t a t i o n i n d e xo fd i s t u r b e ds o i l c o m p a r e dw i t hu n d i s t u r b e ds o i l.T h en u t r i e n t c o n t e n to f t h e f i l l e ds o i lw a sh i g h e r,w h i l e t h en u t r i e n tc o n t e n to f t h ee x c a v a t e ds o i lw
11、a ss i g n i f i c a n t l yl a c k i n gi nn u t r i e n t sc o m p a r e dw i t ht h eu n d i s t u r b e da r e a.T h e r e f o r e,i tw i l l b en e c e s s a r y t os t r e n g t h e n t h e e c o l o g i c a l p r o t e c t i o no f d i s t u r b e da r e a s.K e y w o r d s:r o a da r e a;p h
12、 y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e so fs o i l;e c o l o g i c a lr e s t o r a t i o n;p r i n c i p a lc o m p o n e n ta n a l y s i s;t y p i c a l g r a s s l a n da r e a;h i g h w a yd i s t u r b a n c e 随着人口的增长和经济的快速发展,公路建设施工和运营项目持续增多,导致沿线环境问题突出1-2。在公路施工过程中,高填路堤、低挖路堑改变了沿线原地貌,
13、对区域植物群落及土壤理化性质造成严重影响,导致公路沿线生态退化3。对不同扰动方式及不同恢复年限的土壤理化性质及植被特征变化进行研究,以期为内蒙古典型草原区公路路域生态保护提供理论依据及科学指导。关于不同恢复年限公路植物群落与土壤理化性质变化已开展很多研究。吕江等4对千黄高速淳安段公路边坡地表裸露区域和植被修复区域的研究得出,土壤植被修复显著提高了土壤有机质含量;宋伯瀚等5对二郎山亚高山公路边坡研究得出,其路域土壤全氮、铵态氮、硝态氮、有机氮、全磷、有机质在各生长季节间存在差异显著,各样点内土壤全磷含量均小于0.8g/k g;徐晶园等6调查城市道路绿化植被生长状况得出,随群落层次结构增加,城市道
14、路绿地的植物群落物种多样性水平呈现升高趋势,群落土壤含水率普遍较高,土壤有机质、土壤全氮和土壤速效钾的含量随群落层次的增加呈现增大趋势,张志伟等7通过在公路边坡设置沙障年限的不同而发现土壤含水量、容重在不同土层、不同高度间存在不同程度的显著差异,随着设置沙障年限的增加,土壤含水量呈增加趋势,土壤容重呈减小趋势,其研究结果发现公路边坡土壤养分条件受恢复年限的影响显著。土壤中有机质、全N含量处于缺乏和显著缺乏水平,植物群落丰富度随着边坡恢复年限的增长植被长势渐好且出现演替。在公路路域水土保持方面,史东梅等8提出高速公路水土保持防护措施应建立“点、线、面”水土流失综合防治体系,以形成系统化、层次化总
15、体布局。防治“点”指高速公路沿线弃渣场、施工生产生活区布设的拦、挡、排及植被恢复措施;防治“线”指路面和沿线路基边坡、路堑边坡、施工便道及改河(沟)等线性拦、挡、排及植被防护措施;防治“面”指沿线不良地质条件地段的综合性防护措施9-1 2。同时,在水土保持措施总体布局方面,要综合考虑高速公路主体工程中兼有水土保持功能的工程措施、植物措施与新增水土保持措施的互补关系1 3-1 5。然而,前人关于路域生态恢复研究多集中在植被恢复或土壤理化性质变化的单一层面,在长时间序列上进行土壤和植被综合恢复规律的研究还并不多见。特别是公路修建过程中不同扰动方式对草原区土壤、植被的破坏程度,以及路域生态系统的自我
16、恢复能力还鲜有报道。因此,本研究以内蒙古典型草原区公路为研究对象,以野外实地调查数据为基础,采用空间代替时间法,从土壤和植被两个层面,分析不同扰动78第3期 张朕等:扰动方式对典型草原区路域植被和土壤的影响方式(碾压、路堑、取土场、路堤)和不 同恢复年 限(1,5,1 5a)下公路路域生态恢复特征,探索路域生态环境恢复规律,为采用合理 的恢 复 措 施 提 供 科 学依据。1 材料与方法1.1 研究区概况本研究所选取的3条公路分别为G 3 0 3锡林浩特市阿巴嘎旗段、G 2 0 7锡林浩特市西乌珠穆沁旗段和G 2 0 7锡林浩特市乌日图塔拉苏木段。3条公路均位于内蒙古自治区东部的锡林郭勒草原(
17、东经1 1 0 5 0 1 1 9 5 8,北纬4 1 3 0 4 6 4 5 之间),海拔8 0 012 0 0m,属中温带半干旱、干旱大陆性季风气候,寒冷、多风、干旱,年平均气温12,无霜期9 01 2 0d,年降水量从西北向东南1 5 04 0 0mm递增。土壤类型以栗钙土、棕钙土和草甸土为主。其中,国道G 3 0 3(L1)起点为吉林集安,终点为内蒙古锡林浩特,全长12 6 3k m,路经吉林、辽宁、内蒙古三省份。本研究选取该路锡林浩特市至阿巴嘎旗段,启建时间为2 0 2 0年5月,全长9 6.4k m,路侧土壤类型为栗钙土。国道G 2 0 7起点为内蒙古锡林浩特,终点为广东徐闻县,全
18、长37 3 8k m,研究选取该路段锡林浩特市至西乌珠穆沁旗段(L2)和锡林浩特市至乌日图塔拉段(L3),启建时间分别为2 0 1 6年4月、2 0 0 5年1 0月,锡西段公路长1 4 8.9k m,锡乌段路长1 0 7.4k m,3条路侧均为栗钙土且气候环境基本一致。1.2 试验设计本研究采用野外样地调查与室内试验分析相结合。利用空间代替时间的方法分析内蒙古典型草原区三条公路在路堤、路堑、取土场、碾压4种扰动后,在无人为恢复措施下的土壤与植被变化规律,并分析不同恢复 年 限(1,5,1 5a)下 路 域 土 壤、植 被 恢 复特征。1.2.1 样地选取 本试验起始时间为2 0 2 1年7月
19、,所选3条公路内各扰动下的土壤及植被恢复状况皆为无人为措施干扰和保护下的自然恢复状况(表1)。由于该地区铺设路面需要将坡地改为路基平面,上层土壤植被被完全移除破坏,因此每条公路各选取3个远离公路区未受到人为干扰的典型草原作为对照样地(各条公路3个对照样地各指标均值作为对照样地指标值),此外,所有样地立地条件基本相同且气候环境一致,开发前均为典型草地,通过向当地公路管理部门调查确定样地恢复时间和扰动方式。表1 研究样地概况T a b l e1 O v e r v i e wo f s a m p l e s i t e s i ns t u d ya r e a样地编号名 称恢复年限扰动方式取样
20、个数平均海拔/m优势种碾 压2 710 2 3栉叶蒿L1G 3 0 3锡阿1a路 堤2 510 2 7大籽蒿取土场1 910 9 8羊 草路 堑2 211 0 3栉叶蒿碾 压2 71 0 4 6糙引子草L2G 2 0 7锡西5a路 堤2 411 0 3大籽蒿取土场2 310 3 7冷 蒿路 堑2 611 2 5冰 草碾 压2 710 7 0大籽蒿L3G 2 0 7锡乌1 5a路 堤2 510 6 5篦齿蒿取土场1 810 4 4糙引子草路 堑2 511 1 9羊 草1.2.2 各扰动方式样点选取(1)碾压扰动样点分别设置在L1,L2,L3距离锡林浩特市3 5.1,4 9.7,1 5.4k m处
21、路侧约1 0m的地表裸露区。(2)路堤扰动样点设置在L1,L2,L3距离锡林浩特市2 4.3,1 0 5.9,7 6.3k m处的高于路面的填方路基,其距离路面高度大约在12m,倾斜角在1 5 2 5 之间。(3)取土场扰动样点设置在L1,L2,L3距离锡林浩特市3 3.6,7 8.6,1 7.5k m处为的坑洼,与公路垂直距离一般在5 01 0 0m,深度普遍小于1m。(4)路堑扰动样点设置在L1,L2,L3距离锡林浩特市4 5.2,6 3.5,1 0 1.5k m处低于原路面的挖方路基,倾斜角在1 5 2 0 之间。88 水土保持通报 第4 3卷1.3 指标测定1.3.1 土壤理化性质测定
22、 确定研究样地后,按“S”形布设3个样点,相邻两个样点间隔35m,去除土壤表层植 被 和 枯 落 物 后,挖 掘 长1 m,宽1 m,深3 0c m的土壤剖面,按照01 0,1 02 0,2 03 0c m划分3层,由下至上分层取样,每层取2个重复,每个土壤剖面中同一层次的土壤样品混合均匀,除去土壤中的砾石、植物体等杂质,按照四分法去除多余土样后装入塑封袋带回实验室。通过烘干法得出土壤的含水率,通过测量植被根系所能生长最深土层得出有效土层厚度,采用环刀法测定土壤容重,在通过使用重铬酸钾氧化法对土壤进行联合消煮得出土壤有机碳,利用凯氏定氮法确定土壤全氮含量、利用高氯酸硫酸法确定土壤全磷含量、利用
23、原子吸收分光光度法得到土壤全钾含量。土壤理化性质测定参照 森林土壤分析法1 6。1.3.2 植被盖度及植物群落丰富度测定 在不同恢复年限公路不同扰动方式各选取3个样地,每个扰动方式分别设置3个1m1m的样方,每个样方沿对角线选取3个采样点以减少偶然性误差。本文试验区植被株高、多度、盖度、生物量等植被特征测量方法详见文献1 7。S h a n n o n-W i e n e r多样性指数:H=Si=1(Pil nPi)(1)式中:Pi为种i的个体数与群落总个体数的比值;S为物种数。1.4 数据分析在土壤物理性质中选取土壤含水率(X1)、土壤容重(X2)2个指标,在化学性质中选取土壤有机碳(X3)
24、、全磷(X4)、全钾(X5)、碳氮比(X6)4个指标,植被指数选取植物群落多样性指数(X7)、植被盖度(X8)2个指标,共计8个指标,利用S P S S1 9.0软件,将土壤各理化性质和植物群落多样性指数数据进行标准化(Z-s c o r e法)处理,处理过的数据进行KOM检验法和B a r t l e t t球体检验法以用于因子分析的适用性检验。根据KOM值、B a r t l e t t球体检验、S i g值结果判断进行综合评价法的可行性1 8。Y=a/Xi=1iYa+b/Xi=1iYb+c/Xi=1iYc+(2)式中:X代表特征值大于1的主成分个数;a,b,c为每个主成分对应的特征值所占
25、比例;Ya,Yb,Yc分别代表每个主成分对应的特征值所占比例中的主成分的特征值之和的比例。1.5 数据处理利用WP SO f f i c e软件对外业所得数据进行初步整理,运用S P S S1 9.0的主成分分析对各扰动土壤的理化性质及植被指数数据进行分析处理,对各指标进行主成分分析,计算各主成分得分及综合得分进行综合评价分析。2 结果与分析2.1 扰动方式对土壤容重和土壤含水量的影响由表2可知,各扰动方式下土壤容重在1.4 71.9 4g/k g之间,不同扰动方式下的土壤容重大体随恢复年限增加有显著降低趋势(p路堤路堑取土场。根据表3可看出,扰动区土壤含水率在3.3 0%1 9.5 9%,土
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