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《南京农业大学》 2007年
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香根草护坡地植物群落演替特征及其对人工干扰的响应机制研究

刘金根  
【摘要】: 据科学考察发现,在所有开发建设活动中,农林开发、公路铁路、城镇建设、露天煤矿、水利水电等造成的水土流失最为严重。公路、铁路、水利等工程建设与自然环境密切相关,其工程规模大、项目多、涉及面广,土石填挖工程形成的大量土石裸露边坡,破坏了既有植被,对当地生态环境影响较大,因此,项目开发与环境保护兼顾成为当前经济可持续发展的重大课题。以往通常采用单纯的工程防护技术措施,如浆(干)砌片石、喷锚防护等,这些工程措施导致原有植被破坏、生态景观效果差等一系列生态环境问题,同时工程建设造价高和后期草坡退化严重、维护成本高的问题突出。 目前,边坡治理已经发展到防护和生态恢复阶段,但由于生态恢复研究一般需要较长时间,而我国刚刚把恢复生态学理论引入到边坡恢复中,这方面的论文很少,且都只是概念性的引入,研究成果也很少。因此,需要对边坡防护和绿化进一步探讨边坡的物质能量循环、恢复过程等,从生态系统层次认识植被对边坡稳定的作用,用生态经济学理论,考察边坡防护与生态恢复的经济问题。近年来,国內外香根草在工程护坡方面的研究与应用正如火如荼地展开,但多偏重应用研究,缺乏系统、深入的理论研究与总结。作为护坡先锋外来植物种,香根草在恢复中扮演的角色还难以正确判断与定位,目前仍不清楚其在群落演替中的作用与地位,以及其对演替方向和进程影响的内在机制。 工程边坡大多坡体高陡,秋冬季干旱、夏伏季炎热,土体养分逐渐流失,土壤肥力降低,如何解决边坡呈现的无土、缺水,缺肥的状态及边坡植被面临的干、热威胁,将直接影响到边坡最终绿化效果和生态效益的发挥。因此对坡地自然环境信息和植物生理生态特性的了解,是植被护坡能否成功的关键。本研究就植被护坡中主要限制因子温度、水分和光照条件及刈割措施等人为因素对香根草生长的影响展开生理生态研究,藉此确定香根草对这些因子的耐性阈值,同时作为解释群落演替特征的理论依据。研究结果显示:在夏季高温干旱条件下香根草可耐55℃高温,停水持续时间可达24~42天,高温干旱引起植株地上部和地下部根系外部形态和内部生理生态性质的变化,不但抑制香根草地上部生长,引起叶片形态发生相应形态变化,还影响叶片的正常生理功能,导致叶绿素下降,叶片伤害率加重。尽管高温干旱起初可以小幅促进根系生长,但随着高温干旱持续发展,根系生长亦会明显受到抑制,根体积和根生物量将处于停滞状态。在冬季低温耐旱试验中,香根草也表现出较强的耐旱性,持续耐旱时间达4个月之久。试验中也显示出温度和水分互作效应明显,高温条件下土壤水分含量高香根草耐高温能力就强;低温下土壤水分过多或过少均不利于香根草春季返青及其后续生长发育。在实际工程边坡防护时,只要调查掌握边坡所在位置的温度等自然因素和坡面土壤水分的时空分布规律,就可以据此预测和判断该边坡是否适宜种植香根草。遮光对香根草的不同生育性状指标影响不同,即使是同一性状,在不同发育时期所受的影响也是变化的。试验结果表明:香根草春季移栽后缓苗期较长,约两个月后成活率才基本稳定,遮光对存活率有影响,但不显著;在香根草栽后两个月缓苗期内遮光对分蘖几乎没有影响,但此后遮光对分蘖影响极其显著;遮光对生长前期株高影响不大,后期影响较大;遮光对根茎比影响较大,但这种影响比较复杂。适度刈割(7月中旬~9月中旬刈割一次)有利于香根草的生长发育,但过度刈割或不刈割均不利于香根草的生长。 植物护坡实践中,由于受工期的限制,对边坡植被状况缺少长期的观察和系统的研究,验收合格的工程边坡植被防护体系几年后的状况却常常难以令人满意。因此,只有对这些问题作详尽的调查研究分析,才能正确指导施工,否则边坡的植物生长将无法实现人工强制绿化向原始植物群落的顺利演替。本研究连续两年分春、秋两季对调查坡面植物群落采用样方法进行群落特征指标观测与调查,记录每样方内各植物的种类、盖度、高度、密度、地上部生物量和统计群落內各物种的出现频度等群落特征指标值。从香根草种群动态、群落内物种组成及生活型、群落质量特征值(丰富度指数、多样性指数、均匀度指数、优势度指数、相似系数)、生态位宽度及生态位重叠值等方面研究各类坡面植物群落的演替规律。 坡向与坡位是影响香根草护坡植物群落特征的重要自然因素。通过对不同区域类型的3个边坡植被群落调查结果分析,发现:①香根草护坡植物群落演替不但受坡向(光照、温度差异)的影响,还受坡位(水肥等差异)的影响,其中坡向的影响更为关键。②同一坡向上不同坡位的群落相似性系数高于不同坡向中两群落的相似性系数。③向阳坡或受光较好的坡位上香根草种群优势明显,背阳坡或受光不足的坡位上香根草种群随时间退化,水土保持效果也会下降。④群落质量特征值与群落中香根草种群的特征值密切相关,群落质量特征指标与群落中香根草种群的物种优势度存在一定的相关性。当香根草种群优势明显时,香根草物种优势度与群落丰富度指数、群落多样性指数、群落均匀度指数呈负线性相关,香根草物种优势度与群落优势度指数呈正线性相关。但是当坡面植物群落退化,群落中香根草种群优势不明显时,群落中香根草种群的物种优势度与群落质量特征指标就不存在相关性。 坡度也是影响香根草护坡植物群落特征的另一重要自然因素。通过对两不同坡度边坡上植物群落调查资料分析,结果发现:①两坡面上香根草护坡植物群落建植两年后出现分化倾向,坡度小(近20°)有利于香根草种群的发展,但同时也有利于乡土物种的着生定居。②春季坡度大(近30°)的边坡上植物群落丰富度指数高于坡度小的边坡上植被群落,坡度小的植物群落多样性指数大于坡度大的植被群落,秋季时结果則相反。但从时间序列上看,坡度小的植被群落多样性指数呈上升趋势;坡度小的边坡上植物群落均匀性指数小于坡度大边坡上的植被群落;坡度小的边坡上植物群落优势度指数高于大坡度边坡上的植物群落,但这种趋势会随时间下降。③香根草物种优势度与群落丰富度指数R1、群落多样性指数H′、群落多样性指数SW、群落均匀度指数J′、群落优势度指数C′均呈负线性相关。 研究结果显示,人为控制群落演替方向与进程是可行的。香根草护坡植物群落建植初期香根草种群优势不明显,尤其是生境恶劣的工程坡地上,但可以通过人为控制措施快速建立人工植被。当然,这种控制必须是科学的,否则会适得其反,因此研究适当的人类行为对植物群落演替规律的影响是有意义的。 刈割对植物群落演替发展方向与进程影响很大,研究表明:①刈割频率高,群落丰富度指数高,但会降低群落优势度指数值,春季表现得尤为明显。②2次刈割/年(分别在4月上旬和6月上旬)对群落演替发展方向与进程影响大,能增加群落中定居的物种数,有助于减小群落内部香根草种群与其它植物种之间的生态位重叠值,提高群落多样性指数。③香根草物种优势度与群落丰富度指数R1呈正显著线性相关,与群落丰富度指数R2呈正极显著线性相关;香根草物种优势度与群落多样性指数SW呈负显著线性相关;香根草物种优势度与群落均匀度指数J′呈负极显著线性相关;香根草物种优势度与群落优势度指数C′呈正显著线性相关。④刈割有利于植被截流涵水功能的发挥。 施肥对植物群落演替影响也较大,研究发现:①施肥能增加群落中定居的物种数,但也会加剧群落內部物种之间的竞争关系。②施肥可以提高群落丰富度指数,秋季表现得尤为明显;③重施肥处理(3次,分别在6月初、7月初、8月初,每次用量225kg/hm~2)群落多样性指数最高,较重施肥(2次,分别在6月初和7月初,每次用量225kg/hm~2)有利于提高优势度指数值。④施肥处理群落坡面上位土壤含水量均高于中位土壤含水量,而未施肥处理群落則相反。⑤不施肥处理与重施肥处理植被群落差异大。⑥香根草物种优势度与群落丰富度指数R2呈正显著线性相关;香根草物种优势度与群落多样性指数SW呈负显著线性相关;香根草物种优势度与群落均匀度指数不相关;香根草物种优势度与群落优势度指数SN呈负显著线性相关。 香根草与紫穗槐复种模式比较试验表明:①香根草种群在群落中的影响比紫穗槐大。②在阳坡上,香根草与紫穗槐间作对香根草生长不利,但有利于紫穗槐。在阴坡上,香根草与紫穗槐间作有利于香根草种群。③阳坡上紫穗槐与香根草间作,紫穗槐性状明显好于阳坡单作的紫穗槐,但在阴坡上紫穗槐与香根草间作时,紫穗槐性状比起阴坡上单种的紫穗槐优势并不明显。④阳坡上紫穗槐植株高,茎杆粗,但萌枝少,而阴坡上則相反。⑤香根草物种优势度与群落丰富度指数不相关;香根草物种优势度与群落多样性指数H′呈负极显著线性相关;香根草物种优势度与群落均匀度指数J′和群落均匀度指数PW均呈负极显著线性相关,但与群落均匀度指数J′相关性更好;香根草物种优势度与群落优势度指数C′和群落优势度指数SN均呈正极显著线性相关,但与群落优势度指数C′相关性更好。 研究结果还显示:菊科、禾本科、豆科类植物最早定居于边坡上,物种数所占比例最低27.78%,最高可达92.86%;春季与秋季植物群落特征值表现差异较大,春季群落特征值规律表现相对复杂,秋季植被群落特征规律表现相对明显。因此,在秋季香根草滞长期进行植被群落调查效果较理想;群落质量特征值与群落中香根草种群优势度密切相关,但群落特征值的不同计算方法得出的结果可能存在差异。因此,对于群落质量特征分析来说,选择适当的评价方法至关重要,需要进一步探讨总结。 生态系统恢复的不可确定性,迄今为止已提出了许多生态系统恢复的标准,生态系统恢复要求综合考虑生态、经济和社会因素,但对时间、空间上异质性的生态系统而言实在太难。对于生态系统恢复的时间到底要持续多长,目前的科学研究还不能确切地回答这个问题,还有待于开展可重复的和长期的试验和观测。
【学位授予单位】:南京农业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:Q948

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