（环境工程专业论文）高速公路建设对沿线原生植物群落生态的影响评价研究.pdf

a bs t r a c t w h e nt h ef r e e w a yc o n s t r u c t i o nb r o u g h th u g ee c o n o m i ca n ds o c i a lb e n e f i t st o h u m a nb e i n g s ，i ta l s om a d eag r e a th a r m f u li m p a c tt oe c o l o g i c a le n v i r o n m e n ta l o n g t h el i n e s o ，i ti sa l lu r g e n tp r o b l e mh o w t op r o t e c tt h ee c o l o g i c a le n v i r o n m e n to f s u r r o u n d i n ga r e a sa l o n gt h ef r e e w a y i ti sn e c e s s a r yt oi n v e s t i g a t ep l a n tc o m m u n i t i e sa l o n gt h ef r e e w a yc o n s t r u c t i o n l i n ew h e nd o i n ge c o l o g i c a la s s e s s m e n t b e c a u s et h eg r o w t ha n dd i s t r i b u t i o no f p l a n t s a r ec o n s 仃a i n t e db yt h el o c a le n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n s s o ， a c c o r d i n gt ot h e e n v i r o n m e n tt y p e ，t h e r ei sac o r r e s p o n d i n gd i s t r i b u t i o no fp l a n ts p e c i e s ，s i n c ep l a n t s a lem o r es e n s i t i v et ot h e p o l l u t i o no ft h ee n v i r o n m e n ta n dd e s t r u c t i o nt h a nt h eb u m a n 。 p l a n tc o m m u n i t i e sa r ei n d i c a t i v et om o s t l yi n t e g r a t ee n v i r o n m e n t a lc h a r a c t e r i s t i c s i i l o r d e rt os t u d yt h ee x t e n to ft h ei n i t i a lp l a n tc o m m u n i t i e si m p a c t e db yc o n s t r u c t i o na n d p r o v i d et h er e f e r e n c e dg u i d el i n ef o rh i g h w a yc o n s t r u c t i o na s s e s s m e n t ，t h er e s e a r c h i nt h er e s p o n s i v er e l a t i o n s h i p sb e t w e e nt h ep h y s i o l o g i c a la n db i o c h e m i c a lv a r i e t yo f p l a n t sa n dt h ec h a n g eo fe n v i r o n m e n tc a nr e v e a lt h ea d a p t a b i l i t yo fp l a n t si nd i f f e r e n t c o n d i t i o n sa sw e l la st h ed i s t i n c t i v es e n s i b i l i t yi nt h es a m ec o n d i t i o n s ，w h i c hw i l l t h e o r e t i c a l l ys t r o n g l ys u p p o r tt h ee c o l o g i c a lr e c o v e r ya n dr e s t o r a t i o no ft h ef r e e w a y t h i sc a s es t u d yi sb a s e do nt h es u i z h o u n y u e y a n g f r e e w a y , t h ei n v e s t i g a t i o no f p l a n tc o m m u n i t i e sw a sc o n d u c t e dp r o p e r l ya tt h eb e g i n n i n go fc o n s t r u c t i o np h a s e ，i n t h em i d d l eo ft h ec o n s t r u c t i o np h a s e ，i nt h ee n d o fc o n s t r u c t i o np h a s e t h em a i nc o u r s e i sa sf o l l o w ： 1 s e l e c tt h eq u a d r a t su s i n g p r o p e rw a y i nt h i ss t u d y , t h r e eq u a d r a t sw h i c hw e r e p o l l u t e db yc o n s t r u c t i o na n do n eq u a d r a tw h i c hw e r en o tp o l l u t e dw e r es e l e c t e d 2 g e tt h eh a m eo ft h es p e c i e sw h i c hw e r e i n v e s t i g a t e d t h ee v a l u a t i o nm e t h o di s p r o p e r l ys e l e c t e dt h r o u g hr e f e r e n c e sf o rc a l c u l a t i n gb i o m a s sa l o n gt h eh i g h w a y 3 t h ec o m p o s i t i o no fp l a n ts p i c e s ，t h eb i o m a s so fp l a n t c o m m u n i t i e s ，t h e d i v e r s i t yo fs p e c i e s ，t h ei n d i v i d u a la n di n t e g r a t e dq u a n t a t a t i v ei n d i c a t o r sh a v eb e e n m e a s u r e di nf o u rs e l e c t e dq u a d r a t si nt h ew h o l ec o n s t r u c t i o np h a s e a tl a s t ，m a k i n g t h ea s s e s s m e n t 4 a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so fb i o m a s so fp l a n tc o m m u n i t i e s ，t h ed i v e r s i t yo f s p e c i e s ，t h ei n d i v i d u a la n di n t e g r a t e dq u a n t i t a t i v e t h ep l a n t ss h o w n h i g h e fs t a b i l i t y a n ds t r o n gr e s i s t a n c ei nt h ec o n s t r u c t i o na r et ob es c r e e n e do u tt og i v et h es u g g e s t i o n i ns e l e c t i n gp l a n ts p e c i e sf o ra f f o r e s t a t i o n i i t h er e s u l t si n d i c a t e st h a t ：b yt h es i d e so f f f e e w a y b e c a u s eo ft h ep o l l u t i o na n d d a m a g ef r o mt h ec o n s t r u t i o n ，a l lt h el a y e r s b i o m a s sh a v ed e c r e a s e d ，i ti si l l u s 仃a t e d t h a t ：t h el a r g ec o n s t r u c t i o np r o j e c th a sb a de f f e c to i le c o s y s t e mn e a r b y e v e nw h e n t h ee o n s t r u t i o nf i n i s h ，t h eb i o m a s sh a sa l i t t l ei n c r e a s e ，b u tc a l l tr e c o v e rt ot 1 1 e “t i a l l e v e l ，e s p e c i a l l yt h es h r u ba n dt h eh e r b a g ea r em o r ev u l n e r a b l et h a nt 1 1 e 仃e c ，s o l e y a r eh a r dt or e c o v e r i naw o r d ，i m p a c t e da n dd a m e g e db yt h el a r g ec o n s t r u c t i o n p r o j e c t ，t h ea r o u de c o s y s t e m sr e c o v e r yi sn o to n l yal o n g t e r mc o u r s eb u ta l s oa v e r y s l o wc o u r s e a n dt h es e l e c t i o no f p l a n t ss p e c i e sf o ra f f o r e s t a t i o nc a l lm a ：k er e f - e r e n c e f r o ma n a l y s i so fp l a n t sc o m m u n i t i e sw h i c hs h o w s t r o n gs t a b i l i t ya n dr e s i s t a n c e e x p e r i e n c i n gc o n s t r u c t i o ni m p a c t k e y w o r d s ：h i g h w a yc o n s t r u c t i o n ， d i v e r s i t y p l a n t sc o m m u n i t i e s ，e c o l o g i c a l ，b i o m a s s ， i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：碰日期型堕：! 7 心 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部内容， 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 研究生签名：立至显导师签名：毖日期竺! 呈：! 主：f 研究生签名： ! 岂主导师签名：兰二重 丝日期竺! 芝：! 主：f f 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章引言 高速公路建设是当前人类改造自然界最主要的活动之一，其分布范围之广和 发展速度之快，都是其它建设工程难以比拟的当高速公路建设为人类社会带来 巨大效益的同时，也对自然生态系统产生了显著影响，有研究表明这种影响至少 涉及到了全球陆地面积的l5 2 0 【lj “十五 期间，我国建成高速公路2 4 7 万k m ，是“七五 、“八五 和“九 五 总和的1 5 倍，截至2 0 0 5 年通车里程达到4 1 0 0 5 k m t 2 1 。交通事业的迅猛发 展对政治、经济、文化的发展起着重要的推进作用，但同时受施工建设的负面影 响，自然生态系统也产生了变化。目前高速公路建设的生态影响已经得到了广泛 重视，相关研究也得以深入开展，内容以植被破坏、水土流失、景观破碎、边缘 和阻隔效应等为主，并采用指标分析、野外观测和遥感技术等方法对公路建设引 起的水土流失、景观破碎等方面进行了定量探讨，实现了定性与定量分析的结合 【2 】；在进行环保绿化施工建设方面，各工程单位也逐渐综合考虑影响绿化效果的 各种因素，例如，在公路绿化中，重视本土物种在人工搭建的新植物群落中的适 应性以及与背景原生植物群落的协调性，不再一味追求速生的外来草种来进行绿 化等，从整体上提高了绿化工程的质量【3 】 在对高速公路建设项目进行生态评价时，开展对施工沿线原生植物群落的调 查是十分必要的。植物的生长和分布深受所在地方生态环境条件的制约，所以， 有什么样的生态环境，就有可能有相应的植物种类分布，并且植物对环境的污染 和破坏的反应比人类要敏感的多。而植物群落更多的是指示综合生态环境特征 【4 1 。研究植物群落改变与环境变化间的响应关系，可以揭示植物在不同环境条件 下的适应性，以及不同植物对同一环境的敏感性差别，为环境保护、生态恢复与 重建等提供强有力的理论支持。正确地调查原生生态环境下的植物群落受施工影 响的大小，则能为评价高速公路施工对植物群落生态的影响和评价后期生态恢复 工程的好坏提供参考，为工程绿化选种提供依据。 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 高速公路建设对路域生态系统的影响概述 “牛态系统”是英国生态学家t a n s l e y 于1 9 3 5 年提出的，是指仟何一个生物 群落与其周围非生物环境所构成的综合体。按照现代生态学的观点，生态系统就 是生命系统和环境系统在特定空间的组合。因此，路域内的生命系统和环境系 统可以构成路域生态系统。李洪远等人【5 】的研究和生产实践表明，除自然不可 抗因素带来的生态环境破坏以外，人与社会行为产生的基础建设，如高速公路建 设、矿山开采、水利工程等引发的生态问题是涉及面最广、持续时间最长的行为。 连文前【6 】调查显示高速公路施工对路域生态系统的影响主要表现在破坏自 然牛态、占用大量土地、影响自然景观等方面： ( 1 ) 对自然生态的破坏：由于大量边坡的开挖和填方形成了大面积的裸露 边坡，给路域环境内的植物生长和繁殖也会产生影响，严重时会导致部分物种的 消失，影响生态系统的稳定性，导致植物多样性减少。施工建筑材料中的石灰、 水泥、粉煤灰等含有大量的粉尘，在运输和施工过程中会产生大量的扬尘，对周 围空气造成污染，施工中使用的便道，特别在干旱季节，经施工车辆碾压后，路 面泥土变成粉末状，也会造成扬尘，对周围的空气和植物造成污染，其中产生的 扬尘及其他有害气体对路边植物的影响不可忽视，还有沥青的熬炼对附近的植被 可造成严重伤害甚至死亡。此外，对土石弃渣缺乏有效防护，大量弃渣滚落河谷， 山坡下植被因滚石几乎斩草除根，并且淤塞河道，降低行洪能力，污染水资源， 毁坏农田等，严重破坏生态环境的事件频频发生。同时山区公路的建设改变了现 有河流的原始状态、水系结构和汇流条件，加剧对原有河床的冲刷，影响河岸的 植被生长。隧道的开挖造成疏干洞项地下水，改变原有地下水的埋藏和运动条件， 引起地下水位急剧下降，影响植被的自然生长。 ( 2 ) 对土地的占用：土地是不可再生的资源，公路建设在促进社会经济发 展的同时，也日益加重了土地资源的负担，因此公路建设与土地利用之间存在着 复杂的双向互动关系。山区地势陡峻，受区域地形、地质、水文等条件限制，公 路建设又多建在地势较平缓的土地上，而这部分土地往往又多是优质农林用地， 包括水田、旱地、果园、林地等。公路建设势必占用这些农林用地，致使农村土 地面积大量减少，森林覆盖率降低，造成土地利用结构的变化，加剧人多地少的 矛盾。山区公路建设还会拆迁部分房屋，造成一定范围的人口迁移，给当地的社 会经济和生态环境带来一定的影响。 ( 3 ) 对自然景观的破坏：山区公路的建设在不同程度上破坏了原有的自然 面貌，使区域自然环境受到损害，影响了生态的平衡。如：占用土地使周边植被 遭到破坏，形成地面裸露；修建隧道，集中深挖取土等将破坏地下水径流平衡， 2 武汉理工大学硕士学位论文 使宝贵的水资源分配不均衡，造成自然植被减少，土地沙漠化，影响自然景观。 特别是自采土石料场、施工便道等临时设施，在工程结束后未采取相应整修、覆 盖、绿化等处理措施，远眺如同“剃光头”，自然景观的破坏性极其严重。 胥晓刚【7 】的研究表明公路建设对路域生态系统的影响见图1 1 。 图1 - 1 路域生态系统变化 f i g 1 1t h ec h a n g e so fe c o s y s t e m i nr o a da r e a 1 2 高速公路建设对植物群落的影响概述 1 2 1 植物群落的概念 植物的群落是由各个相同个体组成的种群的组合，群落中的各种植物种群之 间相互影响、相互制约。根据群落内各种群相互作用及生态位的不同，各个群落 都有特定的先锋种、优势种、建群种、亚优势种和伴生种等。植物群落是生态系 统的一个结构单元，它本身具有一定的种群组成外，还具有一系列结构特点，包 括水平结构和垂直结构，具有季节动态、年际动态、演替与演化等运动形式【引。 1 2 2 植物群落与生态环境改变间的关系 1 2 2 1 植物群落与地形地貌改变问的关系 植物分布与原生境中地形地貌状况有着密切的联系，通过改变原生境的地形 地貌影响区域生态平衡，生态系统负反馈机制等，最终导致沿线物种多样性变化。 公路穿越坡地时可能将原坡一分为二，形成两个阴坡面和两个阳坡面，阴阳 坡面的光照、水分条件的差异，造成其生物组成的差异，某些原有的植物种类可 能由于不适应新的微地环境而生长不良或死亡；大量的喜光树种进入，而某些常 武汉理t 大学硕十学能论文 绿树种则从林内消失，这些地带性植被的改变和消失，降低了群落对环境的适应 和调节能力；而处于林缘的施工用地如果将乔木砍伐，将直接使乔木林退化成为 灌丛或裸地【9 , 1 0 】。 1 2 2 2 植物群落与物种个体改变间的关系 植物个体发生的变化对植物种群的大小、分布、密度产生直接的影响，进而 使植物群落产生变化。植物个体随公路建设而受到胁迫，发生死亡或生长不良的 状况直接影响种群的规模，种群规模小于可存活种群规模时，该种群将逐渐消亡， 即使低于最小可存活种群规模限制，种群规模也将稳定在一个新的水平，与建设 前的该种群规模曲线相比将出现差值h 。h 可正可负，当公路建设削弱了环 境因子的限制作用时，种群数量增加，稳定在更大的规模上，其值为负；当这些 建设活动更加严格地限制了周围的环境时，种群数量减小，其值为正。根据玛他 种群理论【8 1 ，公路建设引起的生境破碎程度与h 呈正比，破碎越严重，植物种 群的生存面积越小，h 值越大。某一区域内种群的分布为均匀型、随机型和成 群型三种形式分布。在公路建设前，该区域环境状况单一，种群成均匀型分布， 密度相同或相近，公路建成后由于地形等因素的改变使得种群的分布和密度发生 了变化，由均匀型向成群型分布发展【1 1 1 ，最终对路域范围内植物群落中种群的 多样性、物种间相互作用力及群落结构产生直接和间接影响。 1 2 3 高速公路建给植物群落造成的影响 1 2 3 1 高速公路建设对植物群落结构的直接影响 公路建设不可避免地破坏沿线自然景观，对区域生态系统产生分割 ( s e p a r a t i o n ) 和破碎( f i a g m e n t a t i o n ) 作用，对路域生态系统的分割形成了许多 “生态岛屿”，从而限制了某种物种的生长，也促进了适宜该类型生境物种的大 量增加，使得植物种群的多样性减小。取石场、弃渣场以及大桥施工设施的拌和 场、预制场、材料堆场和施工营地等临时占地将对森林群落及植被产生直接的破 坏作用，公路建设初期的采伐和土方挖填作用破坏了原生植物群落内的优势种、 建群种，形成了影响群落结构的干扰，造成非生物环境和植物空间的异质性，对 路域环境各种原生植被的破坏使植物水平、垂直结构发生改变，造成群落水平上 形成镶嵌结构，垂直结构趋于简单化，导致群落中物种多样性及物种关系、群落 结构的改变，群落发生逆向演替，降低群落自身稳定性【1 2 1 。施工过程，特别是 大桥施工会有大量的人流和车流的进入，如果施工管理不善，对乔木层、灌木层 和草本层都会造成破坏，特别是对灌木层及草本层的破坏，甚至导致其消失，造 成植物群落的层次缺失，使植物群落的垂直结构发生较大改变。乔木层由于缺 4 武汉理工大学硕士学位论文 乏下木及灌木的保护和促进作用，对环境的抵抗能力下降，易感染病害和遭受风 折，使整个森林生态系统对环境的适应能力和调节能力降低，群落的稳定性下降。 另外，由于对乔木层、下木层、灌木层和草本层的破坏，并引起群落结构的变化 和群落层次的缺失，将直接影响群落的演替。 1 2 3 2 高速公路建设对植物群落结构的间接影响 施工期由于施工灰尘等对原生植物造成间接的伤害，大量研究表明，森林群 落长期受到灰尘污染会导致群落中一些对污染敏感的物种消失，树冠的改变以及 群落中优势种和大量物种种类的改变 1 3 1 4 】。除此之外，由于受灰尘胁迫，群落内 植物抵抗各种疾病的能力下降，营养物质的循环减弱，外来种侵入以及大量的低 矮和存活期短的植物种类占据优势 1 5 a 6 】，最终导致群落的结构、特性发牛改变。 公路施工完成后，永久占地内的林地植被将被完全破坏，取而代之的是路面及其 辅助设施等建筑用地类型，由于将原来整片的林地产生带状空地，是林地群落产 生林缘效应，从森林边缘向林内的光辐射、温度、湿度、风等自然因素都会发生 一定程度的改变，而这种小气候的变化会导致林地边缘的动植物、微生物等沿林 缘发生不同程度的变化 1 7 , 1 8 】。 另一方面，由于大量边坡的开挖和填方，对区域环境内的原生植物群落破坏 非常严重，极易发生水土流失和生物多样性的减少。坡度大，土壤渗透性差，边 坡土壤对降水截留较小，这样不仅容易造成水土流失，而且由于水土流失导致坡 面土壤贫瘠，立地条件差，不利于植物生长，植物群落恢复和重建受影响【5 】。 1 3 目前研究植物群落的一些主要方法及指标 1 3 1 植物群落的物种组成 植物群落的物种组成是表征植物群落状态的最好的指标之一，也是鉴别不同 群落类型基本特征的指标之一。群落学研究一般都从分析物种组成开始，以了解 群落是由哪些物种构成的，它们在群落中的地位与作用如何。无论是单纯地调查 一个植物群落还是研究植物群落在各种情况下的变化或演替，都是一个分析群落 物种组成而后比较的过程【朗。 1 3 2 植物群落的生物量 陆地生态系统植物生物量的研究是关于生态系统功能研究和生态环境研究 联系的纽带，几十年来一直是生态学界研究的热点，因其研究对象、研究方法和 手段多样，也使生物量的测定存在不少难点。随着国际生物学计划 5 武汉理工大学硕士学位论文 ( i b p ：i n t e r n a t i o n a lb i o l o g i c a lp r o g r a m m e ，1 9 6 5 1 9 7 4 ) 的开展，继后“人与生物圈” ( m a b ) 的实施，各国的研究者( 我国始于7 0 年代末) 把生物量的研究推上了 顶峰，使得研究方法更加多样化，精确度也逐渐提高，研究领域也已逐渐趋向于 解决实际问题，而不再是早期单纯的对植物群落的生产力进行估计。环境生态方 面，生物量成为了公路建设生态影响评价的定量指标，出现了高速公路建设对沿 线植物生物量影响的研究；林业方面，展开了林地可利用养分含量与生物量关系 的研究；农业方面，开展了灌溉施肥对生物量的影响研究，这些都表明生物量已 密切地联系到了很多领域，有了更广阔的意义和前景【1 9 1 。 1 3 2 1 生物量的定义 生物量指单位面积植物的重量，利用经验公式计算，单位：t h m 2 。陆生生 态系统中的植物生物量不仅能反映植物群落的生产力，也是联系生态系统功能研 究和生态环境研究的纽带，几十年来一直是生态学界研究的热点。且公路沿线两 侧植物群落生物量是公路建设生态影响评价的定量指标。 1 3 2 2 陆生植物地上部分生物量的测定 目前，国内外陆生植物生物量测定方法有：收获法、标准木法、相对生长法、 材积源法、基于遥感数据生物量估算法。 ( 1 ) 收获法( h a r v e s t r ym e t h o d ) 在样地内选取一定面积的小样方，将样方内的所有乔木、灌木、草本收割、 烘干、分别进行称量，而后估计整个样地内的植物生物量。这是最古老的测定生 物量的方法。这种方法比较简单但很费人力，因此此法的使用并不广泛，但在国 内却用得比较普遍，特别是在对草本植物的生物量进行估算时使用较多【2 0 1 。 ( 2 ) 标准木法( a v e r a g e t r e em e t h o d ) 对乔木而言，该法是根据标准地胸高断面积、各径阶株树比例或植株直径各 等级中断面积选择标准木；对于灌木，将全样地中的植株根据植株高( h ) 、地 径( d ) 、高径之和( d + h ) 三种指标分别分为三级，然后每级选标准木【2 1 1 ，对一定 数量的标准木进行收割、烘干、称量来估算样地内的植物生物量。这种方法虽 然目前还在使用，但是受到不少研究者的指责，他们认为，根据某一测树学指标 ( 例如根据胸高直径) 确定的标准木，对于另外的测树学指标( 例如林冠) 来说， 就不代表平均情况，不能作为其他测树学指标的标准木，这种方法会对同一个植 物群落测出不同的植物生物量。 ( 3 ) 相对生长法( a i l o m e t r ym e t h o d ) 也称维量分析法( d i m e n s i o na n a l y s i s ) ，回归式法或相关曲线法，是通过测定 6 武汉理工大学硕士学位论文 测树因子带入经标准木拟合得到的指数或对数关系方程相对生长模型c a r ( c o n s t a n ta l l o m e t r i cr a t i o ) 来估算生物量的一种测定方法。由于收获法、标准 木法存在着一定的局限性，标准木法虽然比较简单，但受到不少研究者的指责， 而采用相对生长法来测定则无异议，因此它是目前在生态学研究中测定森林生物 产量时应用最多的一种方法【2 2 1 。 ( 4 ) 材积源生物量法( v o l u m e - d e r i v e dm e t h o d ) 材积源法是近十几年来才发展起来的测定区域陆生植物生物量的一种方法， 测定时只需要测出样方内植物的材积，就能根据生物量( w ) 和材( 蓄) 积( v ) 的关系模型估算样地内植物的地上部分生物量 2 3 , 2 4 】。但此法仅能较精确的反映树 干的生物量。 ( 5 ) 基于遥感数据生物量估算法( r e m o t es e n s i n g - d e r i v e dm e t h o d ) 由于收割法等传统的测定方法在需要精确推测大面积林分生物量和生产力 时，待测的林分林木每木检尺数据往往难以获得，目前许多研究基于遥感图像光 谱信息良好的综合性和现势性，且与森林生物量之间存在相关性的特点，建立了 基于遥感数据的植物生物量估算模型【2 5 。3 0 1 。目前主要的航天被动遥感数据源如 n o aa ，心，h r r 、l a n d s a t m s s 、l a n d s a t 厂r m 、s p o t 、c b e r s c c d 等具有时间分 辨率高、成像面积大等优点，被广泛用于植被生物量动态监测、趋势分析等领域。 因此，此法分析和模拟的结果只适用于特定的大面积研究区域，而不具备普适性。 1 3 2 3 陆生植物地下部分生物量的测定 地下部分根系的调查和测定，一般比较困难，需要花费大量的劳动和时间， 特别是大径级的树木，往往非常困难，不得不被省略。植物根系的生物量测定主 要有：收获法、钻土芯法、内生长土芯法、平衡法、根观测实验室法、土壤碳平 衡法、挖土块法、间接法和微根区管法等，从最近几年对根系的研究来看，研究 方法本身并没有什么创新，但由于新的技术的应用，一些方法得到了不同程度的 改进，例如将一些手工的操作用机器来代替，用机器钻取土芯，用机器来冲洗根， 节省了不少人力，但这种帮助事实上却非常有限。另外计算机可以接上传感器， 如摄像机、扫描仪、各种探头等，构成一个数据影像分析系统，可以长时间地跟 踪观察根的生长，也可以监测根的呼吸【”】，但此法也不能直接测定根的生物量， 只能通过根的长度来估计。因此，在根的研究方法上需要进一步的探索。 1 3 3 植物群落物种的个体和综合数量指标8 3 ( 1 ) 密度( d e n s i t y ) ，单位面积或单位空间内物种的个数。样地内某一物种 武汉理工大学硕士学位论文 的个体数占全部物种个体数之和的百分比称作相对密度( r e l a t i v ed e n s i t y ) 或相 对多度( r e l a t i v ea b u n d a n c e ) 。 ( 2 ) 多度( a b u n d a n c e ) ，对物种个体数目多少的一种估测指标，多用于群落 野外调查。国内多采用d r u d e 的七级制多度。 ( 3 ) 盖度( c o v e rd e g r e e 或c o v e r a g e ) ，指的是植物地上部分垂直投影面积占 样地面积的百分比，即投影盖度。 ( 4 ) 基部面积( b a s i cs q u a r e ) ，指木本植物茎部的交叉面积，利用胸高直径 ( d b h ) 根据换算公式s = ，r d b h 2 4 ( m 2 ) 计算每个个体基部面积和每种物种 的总基部面积，一般只对乔本植物进行测量。 ( 5 ) 频度( f r e q u e n c y ) ，描述一个物种在植被中的分布状况，即某个物种在 调查范围内出现的频率。 ( 6 ) 高度( h e i g h t ) 和长度( 1 e n g t h ) ，常作为测量植物长度的一个指标。可 取自然高度或绝对高度，藤本植物则测其长度。 ( 7 ) 重量( w e i g h t ) ，用来衡量群落的生物量( b i o m a s s ) 或现存量( s t a n d i n g c r o p ) 多少的指标，可分干重和鲜重。在生态系统的能量流动与物质循环研究中， 这一指标特别重要。 ( 8 ) 体积( v o l u m e ) ，生物所占空间大小的度量。在森林植被研究中，这一 指标特别重要，一般只对乔本植物进行测量。 ( 9 ) 优势度( d o m i n a n c e ) ，用以表示一个种在群落中的地位和作用，但尚无 统一的具体定义和计算方法。j b r a u n b l a n q u e t 3 2 】以盖度、所占空间大小或重量 来表示优势度，并表示在不同群落中应采用不同的指标。 ( 1 0 ) 重要值( i m p o r t a n c ev a l u e ) ，也是用来表示某个种在群落中的地位和作 用的综合数量指标。在森林群落研究中，根据密度、频度、和基部盖度来确定森 林群落中每一树种的相对重要性，即重要值。 1 3 4 植物群落的物种多样性 物种多样性( d i v e r s i t yi n d e x ) 是反映一个群落总体状态的一个综合指标，通 常可从两方面进行衡量：种的数目( n u m b e r ) 或丰富度( s p e c i e s r i c h n e s s ) ， 即一个群落或生境中物种数目的多寡；种的均匀度( s p e c i e se v e n n e s s 或 e q u i t a b i l i t y ) ，即一个群落或生境中全部物种个体数目的分配状况，它反应的是各 物种个体数目分配的均匀程度，即群落的异质性( h e t e r o g e n e i t y ) 。 物种多样性的测度方法很多，常用的是一些多样性指数，如：g l e a s o n 丰富 度指数、s i m p r o n 多样性指数、s h a n n o n w e i n e r 多样性指数、p i e l o u 均匀度指数 垒奄【3 3 】 、to 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 本研究的主要内容和需要解决的问题 1 4 1 研究内容 本论文的研究内容是2 0 0 5 年湖北省交通厅课题随岳高速公路湖北省中段路 域陆生生态系统中植物影响和恢复的评价研究的一部分。本研究科学地选定了 位于随岳高速公路施工典型路段两侧有代表性三个原生生态系统样方作为调查 测试样方，并选定了隔山背离施工沿线的参照样方，对所选择样方内的植物群落 进行施工初、施工中期、施工后营运期的植被类型、分布状况、生物量变化、植 物物种个体和综合数量指标、物种多样性等指标进行跟踪监测研究。通过施工前 后三年间对表征植物群落及反映生态系统状况的各指标值进行测算分析，对比高 速公路路域两侧植物群落原生状态的初始值和参照值，从而获得施工前后受扰动 的变化值。为研究高速公路施工建设对原生植物群落生态的影响提供依据，为评 价生态恢复状况和今后的工程绿化选种提供参考。 1 4 2 需要解决的问题 ( 1 ) 虽然目前一些研究将生物量、物种多样性等作为生态影响评价指标， 但研究中很少将高速公路建设的干扰作用与植物种群分布、群落生物量等生态变 化紧密联系起来评价，尤其是在定量评价方面。为此，本研究通过量化指标对高 速公路施工影响范围、影响强度等关键问题进行说明。 ，( 2 ) 由于在众多关于陆生植物生物量测定方法的文献中，没有对各种方法 进行全面的总结，因此本研究通过对各种方法的归纳，确定出一套简便、可操作 性强的针对高速公路施工建设项目的生物量测定方法及计算模型。 ( 3 ) 在很多的研究中，普遍使用单一的多样性指数来反映群落的总体状况， 鉴于高速公路建设对群落扰动的特殊性，物种多样性是一综合度量，因此本工作 进行多样性分析时将两种多样性测量指标进行全面考虑，评价各样方内植物群落 在施工初、施工中、施工后的稳定和变化状态。 ( 4 ) 在选定样方中对植物群落进行调查时，尚无公认的选定参数的原则。 个体指标( 如密度、频度等) 运用较多，未形成综合指标来反应群落在逆境胁迫 下的稳定状况；本研究筛选出适合高速公路建设的综合评价指标来系统描述公路 施工沿线植物群落在逆境胁迫下的变化状况。 ( 5 ) 通过对4 个样方内植物群落的测定和分析，确定评价指标，并筛选出 具有对高速公路施工具有普遍抗性的乔、灌木，为该环境下公路沿线绿化树种的 选择提供合理依据。 9 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章植物群落的调查测定 2 1 调查样方的设置 2 1 1 依托工程随岳中高速公路概况 本研究是以湖北省随( 州) 岳( 阳) 高速公路中段为依托，紧密结合实际， 在施工前后三年期间开展原生植物群落的实地调查研究工作。 随州至岳阳高速公路位于湖北省境内的京珠国道主干线和太原至澳门国家 重点公路之间，是湖北省规划的“六纵五横一环公路主骨架网中的“一纵”。它 北起3 1 2 国道随州段，南至拟建的荆岳长江公路大桥岳阳岸桥头，在湖北省境内 由北至南连接了正在建设、规划和已通车的三条高速公路汉十高速公路、武 荆高速公路和宜黄高速公路。 随岳高速公路湖北省中段为随岳通道的主要组成部分，它起于孝襄高速公 路随州枢纽互通，经随州市、荆门市、天门市、仙桃市，止于在建的随岳高速公 路湖北省南段珠玑枢纽互通，与宜黄高速公路相连，全长1 5 2 8 7 7 蛔。 2 1 1 1 工期情况 随岳中高速公路于2 0 0 5 年6 月开工建设，于2 0 0 7 年1 2 月建成通车。丰要 的施工影响会发生在前整个工期的1 8 个月，即出在2 0 0 5 年6 月一2 0 0 6 年1 2 月， 这个阶段施工粉尘污染最大。从清表开始路域陆生植物就开始受到影响。在施工 过程中不同工期沿线原生植物所受的影响是不同的。 2 1 1 2 施工跨越区的地形、地貌、气候及土壤特征 随岳( 中) 高速公路沿线属于大洪山尾区，为丘陵一垄岗地貌区，海拔约在 1 5 0 - - 一5 7 5 之间，除起点5 公里及k 5 5 前后8 公里的路段为丘陵间的河谷平原， 地势相对平坦、开阔，其余均为微丘区该区域属亚热带季风气候区，年平均气 温1 6 ，极端最高气温4 0 3 ，极端最低气温1 7 3 ，年平均降雨量8 2 0 1 2 0 0 咖，年最大降雨量2 3 3 1 咖，年平均风速为2 1 3 1 m s ，最大风速为2 8 m s 施 工沿线区域主要分布的地带性土壤是黄棕壤，此外还有潮土、石灰岩土、紫色土 和水稻土等非地带性土壤，土质良好。 l o 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 2 样方的选择 随岳中高速公路施工跨越区气候背景和土壤背景无显著性差异，另外，钱场 以南至毛咀是农田，主要是农作物，无植被；钱场( k 9 9 + 0 0 0 ) 以北是差异很小 的丘陵岗地( 仅k 0 k 9 是农田) ，以马尾松人工林为主。所以样方选择原则为： 考虑沿线不同微地形差异； 考虑施工前后小生境的变化； 考虑施工强度较大的路段； 考虑距主线距离； 考虑易操作性( 交通条件等) 。 本研究在遵循以上原则的基础上，经过现场踏堪和物种调查，选择了施工沿 线受污染两侧三个有代表性的地点，这三个地点分别位于钱场、柳林、均川。分 别在该地点划定1 0 m x l o m 面积的原生植被生态系统作为调查测试样方。另选择 了均川样方附近离施工现场3 0 0 米远，且与施工主线有一山之隔的地点，因该处 不受到施工污染的影响，所以在该处划定1 0 m x l o m 面积的原生植被生态系统作 为参照样方。各样方的基本情况可见表2 1 。 武汉理工大学硕士学位论文 表2 - 1 各样方基本情况 t a b 2 1i n t r o d u c t i o no ft h eq u a d r a t s 样方类型调查测试样方参照样方 样方编号( 名称)样方1 ( 钱场样方)样方2 ( 柳林样方)样方3 ( 均川样方)样方4 ( 对照样方) 所处桩号 k 9 9 + 0 0 0 k 1 3 + 4 0 0k 9 + 7 2 8 k 9 + 7 2 8 东3 0 0 m 面积( m 2 ) l o 1 01 0 x 1 01 0 x 1 01 0 x 1 0 距主线距离( m ) ( 样方n w - 主线s e ) ( 样方e 主线w ) 1 2( 样方e 主线w ) 1 5 e 3 0 0 3 0 微地形大洪山尾部最后一个向大洪山向东延伸的一条三面环山，东面为水在样方3 东北方 南山坡，南部为平原，山脊上。周围均为山，库，3 0 0 m 。西面为农1 5 0 0 m ，距主线 是山区向平原过渡点，无平地。 田。 3 0 0 m 处的一座小 样方位于坡角，西南面山背后，基本不受 为一水塘。施工影响。 施工强度面对南边的钱场枢纽互为深挖段，建设柳林互为深挖高填段，建设无 通施工区，西面5 0 0 r n通区，施工强度大。均川服务区，施工强 为采石场，南面5 0 m 为度大。 水塘，背面为山坡。高 填深挖段施工强度大， 影响时间长。 小生境变化东南侧为主线挖填段，挖深坡面长2 0 m ，等于填方逐步逼近样方，无 运土石方车辆多，污染山脊抬高1 6 n l 。山脊被最后填样方边缘与样 严重：西南面水塘被填，切断。方连接，农田消失。 建立了拌合站，距样方距南面服务区8 0 m 2 m ，增加了污染。 操作性整个施工阶段均能进入 注：n w 代表西北方向，s e 代表东南方向，e 代表东方向，w 代表西方向。 以上样方具有一定的代表性。为更直观的体现出各样方施工前后生境的情 况，附录1 列出了各样方施工前后对比的图片。 2 2 调查时间 由于春末植物正处于生长繁盛期，故本研究的植物群落调查、生物量及其它 相关指标测定分别在2 0 0 6 年4 月底( 施工初) 、2 0 0 7 年4 , 9 底( 施工期中) 和2 0 0 8 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 年4 月底( 施工完后营运期) 进行。 2 3 调查研究的重点 在科学地选择了原生生态系统样方和典型路段沿线植物定点监测样方后，对 三年间对表征植物群落及反映生态系统状况的各指标进行实地调查研究，以下为 本研究的重点： 1 ) 沿线原生植物群落物种组成