（环境科学专业论文）高速公路建设对植物影响的初步研究.pdf

a b s t r a c t c o n s t r u c t i o no ft h ef r e e w a yd e s t r u c t ss e r i o u s l yt h ee c o l o g i c a le n v i r o n m e n t w i t h i na l o n gt h el i n e a n dt h ep l a n t sc a nm o s t l yi n d i c a t et h ec o n d i t i o no ft h e e n v i r o n m e n t t h e r e f o r e , r e s e a r c h i n gt h ee c o l o g i c a lp h y s i o l o g i c a la n db i o c h e m i c a l i n d e xo ft h ep l a n t si m p a c t e db yf r e e w a yc o n s t r u c t i o n , o l lt h eo n eh a n d , c a ns e l e c tt h e p l a n t sw h i c hh a v ep r e v a l e n tf a s t n e s sb yi n t i m i d a t e di nf i e e w a yc o n s t r u c t i o n ，o l lt h e o t h e rh a n d , c a ne s t a b l i s h e f f e c t i v ei n d e xm e a s u r i n gs y s t e ma b o u td e s t r u c t sa n d r e s u m eo fe c o l o g i c a le n v i r o n m e n t , w h i c hw i l ls u p p o r tt h e o r e t i c a l l yf i r t h e a f f o r e s t a t i o na n de c o l o g i c a lr e b u i l d i n go ft h ee x p r e s s w a y b e f o r er e s e a r c h i n gt h e r e l a t i o n s h i p ，i ti sn e e dt ok n o wh o wt os e l e c tt h ee c o l o g i c a l ，p h y s i o l o g i c a la n d b i o c h e m i c a li n d e xo ft h ep l a n t st or e f l e c tt h ei n f l u e n c et ot h ep l a n t sb yc o n s t r u c t i o no f t h ef r e e w a y t h er e l a t e ds t u d i e sw e r cc o n d u c t e di nf o u rm o n i t o r e dp l o t s ( t h r e e p o l l u t e dp l o t sa n do n ec o m p a r e dp i o t ) o nt h ew a y o ft h ec o n s t r u c t i o no fs u i z h o ut o y u e y a n gf r e e w a yi na p r i l ，2 0 0 6a n da p r i l ，2 0 0 7t ot h e s ep r o b l e m sa n dt h em a i n r e s u l t sw e r ea sf i l l o w s ： 1 t h ec o v e r a g eo ft h ea r b o ri a y e r t h es h r u bl a y e f ，t h eh e r b a g el a y e ra n dt o t a l c o v e r a g ea l lh a v eg r e a td e g r e ed e p r e s si nt h r e ep o l l u t e dm o n i t o r e dp l o t s ，a n dt h e i r d e c l i n i n gr a t e si s8 3 1 8 5 b u tt h ec o v e r a g eh a sl i t t l ec h a n g ei nc o m p a r e dp l o t , a n di t sd e c l i n i n gr a t eo n l yi s1 5 一2 1 t h ec u r r e n tr e s u l t sa r es h o w e dt h a tt h e c o v e r a g ec a nr e f l e c tt h es t a t u so fe n t i r o n m e n ta n d t h ec h a n g eo fe c o s y s t e m i tc a nb e u s e da se c o l o g i c a lf a c t o r st os t u d yt h ei n f l u e n c eb yf r e e w a yc o n s t r u c t i o no np l a n t s , a l s oc a r lo f f e rr e f e r e n c ef o rf u t u r es e l e c t i o no fe c o l o g i c a li n d e x 2 t h r o u g ht h ec u r r e n tm o n i t o r i n gd a t aa n a l y s i sk n o wt h a tt h e n e tp h o t o s y n t h e t i c r a t e , t h ec o n t e n to fc h l o r o p h y l l ，t h ea c t i v a t i o no fn r ，t h ec o n t e n to fd i s s o l u b l ep r o t e i n a n dt h ea c t i v a t i o no fs o da l lc a nr e f l e c tt h ep h y s i o l o g i c a la c t i v a t i o no fp l a n t s ，a n d c a nr e f l e c tt h ea d a p t a b i l i t ya n dr e s i s t a n c eo fp l a n t s t h e r e f o r et h e s ed a t ac a nb eu s e d t o s t u d yt h ei m p a c to ff r e e w a yc o n s l r u c t i o no n t h ep l a n tp h y s i o l o g i c a la n d b i o c h e m i c a lf a c t o r s i tc 姐o f f e rr e f e r e n c ef o rf u t u r es e l e c t i o no fp h y s i o l o g i c a la n d b i o c h e m i c a li n d e x 3 t h r o u g ht h em o n i t o r i n go fp h y s i o l o g i c a la n db i o c h e m i c a lf a c t o r s0 nd o m i n a n t s p e c i e sp n u sm a s s o n i a n al a m b ，r o s al a e v i g a t am i c h x ，p h y t o l a c c aa c i n o s ar o x b , h t e xn e g u n d ov a ra n dp o l l u t i o np r e v e n t i o ns p e c i e sm e l i aa z e d a r a c h 厶a i l a n t h u s a l t i s s i m a ( m i l l ) s w i n g l e , s a p i u ms e b i f e r u m 仁jr o x b ，t h ec u r r e n tr e s u l t ss h o wt h a t p i n u sm a s s o n i a n al a m b , r o s al a e v i g a t am i c h x , p h y t o l a c c aa c i n o s ar o x ba n dm e l i a 口z e d 4 r a c hlh a v ep o o rr e s i s t a n c e ；b u th t e xn e g u n d ov a r , a i l a n t h u sa l t i s s i m a ( m i l l ) s w i n g l ea n ds a p i u ms e b i f e r u m ，r o x bh a v es t r o n gr e s i s t a n c ea n da d a p t a b i l i t y i f f u r t h e re x p e r i m e n t sp r o v et h er e s u l t s , t h e s er e s i s t a n c es p e c i e sc a nb ep r i o r y c o n s i d e r e da sr e s u m es p e c i e sf o rf r e e w a y 4 t h er e s u l t sa r es h o w e da c c o r d i n gt om o n i t o r i n go nt h ep h y s i o l o g i c a la n d b i o c h e m i c a lf a c t o r so fv i t e xn e g l l n d ov a r ：t h es i t u a t i o no fh t e xn e g l o i d ov a rg r o w t h e n v i r o n m e n ti sg r a d u a l l yw o r s e n , j u n c h u a n l i u l i n q i a n c h a n g t h e r ea l em a n y r e a s o n sc a u s e dt h ee n v i r o n m e n th a v ed i f f e r e n tm e r i t s o nt h eo n eh a n a , t h e s e m o n i t o r e dp l o t sh a v ed i f f e r e n te n v i r o n m e n tf a c t o r s , b u tt h ea g r o t y p ea n dw e a t h e r g e n eh a v el i t t l ed i f f e r e n c ei nt h e s em o n i t o r e dp l o t s s ot h i si n f l u e n c ei s n o tm a i n r e a s o i lo nt h eo t h e rh a n d ，b c c a u s co ff r e e w a yc o n s t r u c t i o nc a u s e de n v i r o n m e n t a l p o l l u t i o n ，t h e s em o n i t o r e dp l o t sg e td i f f e r e n tp o l l u t i o ng r a d e ，s oc a u g p a lt h e e n v i r o n m e n th a v ed i f f e r e n tm c r i t s k e yw o r d s ：f r e e w a y , p l a n t s ，e n t i r o n m e n t ，r e s u m e h 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：盏i 笺一日期上蚪 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： 摊一 导师签名： 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第1 章绪论 随着高速公路建设如火如荼的进行，总里程的不断增加，它对生态环境的影 响与破坏愈来愈严重，已成为一个不可忽视的环境问题，所以有必要进行高速公 路生态环境影响评价研究。 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。但是，现有研究很少将高速 公路建设的干扰作用与植物生理生化特征以及种群分布、群落覆盖率等生态变化 紧密联系，虽然一些研究将覆盖率等作为了高速公路建设生态影响评价的定量指 标进行了分析和探讨，但其影响范围、影响强度等关键问题一直没有得到很好解 决，其影响机理也有待深入探讨；在植物生理特征方面的研究却主要集中在s 0 2 、 n o x 等公路营运期的主要污染物胁迫下的植物生理响应上，对公路建设期扬尘、 沥青烟、扰动等严重干扰下的植物生理响应的研究甚少且局限于较小的时间和空 间尺度，如盆栽实验或野外条件下植物单叶的生理生态测定等从而难以将研究 结果推广到较大的时空尺度的生理生态现象。即使在高速公路建设的后期，开始 采取生态恢复措施以恢复被破坏了的生态环境，但是在人工生态恢复和生态重建 的条件下，产生的生态变化情况，以及原有生态系统得到了的恢复程度和变化的 趋势仍然是不清楚的。 本论文的研究内容2 0 0 5 年湖北省交通厅课题高速公路建设期路域陆生生态 系统中植物影响的评价研究的一部分，以湖北省随( 州) 岳( 阳) 高速公路中 段为依托，在实地调查研究的基础上，一方面，分析原有路域陆生植物群落在高 速公路建设期0 6 年n 0 7 年的变化情况，为评价高速公路建设期植物生态指标受到 的影响提供参考；另一方面，对建设期高速公路沿线有代表性的区域内植物群落 中优势种植物和防污绿化植物的生理生化现状及变化趋势进行实时、准确的监 测，根据受到高速公路建设影响的生态因子的相关数据，综合分析评价植物各生 理生化因子由于高速公路建设造成的多种逆境胁迫下受到的影响，为以后建设工 程项目的生态评价指标的选择提供参考，为建设真正意义上的生态高速公路作贡 献。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 高速公路建设对植物生存环境的影响 高速公路建设，作为一个庞大的开发建设工程，会对生态环境产生较大的负 面影响。高速公路建设所引起的生态破坏已成为生态环境恶化的主要原因之一， 并且呈加重和发展趋势。通过了解高速公路建设对植物生存环境的影响，便于知 道高速公路建设对植物生态、生理、生化因子的影响的根本原因。一般而言，高 速公路建设期对生态环境的影响主要由大规模的土建工程所产生，这些影响表现 在以下方面。 ( 1 ) 大气污染 高速公路建设过程中对环境空气产生的污染主要有：公路建筑材料中的石 灰、水泥，粉煤灰等含有大量的粉尘，在运输和施工过程中如果不采取适当措旌， 会产生大量的扬尘，对周围空气造成污染：施工中所使用的便道，特别是在干 旱季节，经施工车辆多次碾压后，路面泥土变成粉末状，也会造成扬尘，对周围 空气造成污染；沥青在熬拌过程中会产生含有苯并( a ) 芘、吖啶类、酚类、 吡啶类、蒽萘类等对环境有害的沥青烟。 ( 2 ) 水污染 高速公路建设过程中产生的水污染主要有：道路施工中的弃土弃渣等固体 废物直接排放水体，造成水污染；桥梁施工对河流的污染；施工时产生的施 工、生活废水所造成的水污染。 ( 3 ) 土壤环境的影响 高速公路建设对土壤最重要的影响源于高速公路建设引起的水土流失，水土 流失将导致土壤中有机质含量减少，大量无机元素流失，土层厚度变薄，土壤颗 粒度变大，土壤结构和质地变差，最终导致土壤朝沙土和大团粒结构转化，对植 物产生直接或间接影响。另外，通过大气的迁移和扩散，水迁移和机械迁移等途 径形成高速公路对路域范围内土壤环境的污染，土壤环境污染的结果主要表现 在：土壤理化性质和结构的改变，土壤微生物数量减少，土壤重金属、有毒有害 元素含量增加和土壤肥力和保水力降低等。在高速公路建设期间，由于土方的频 繁挖填和运输，严重破坏原肥沃表土层。裸露面土壤以生土为主，有机质含量低， 土壤费力差，土壤不疏松，不利于植被的生长。 ( 4 ) 道路的廊道和分割效应 高速公路是连接城市与城市、城市与乡镇的通道，是人类相互连接的廊道。 但是，对生物来说，它却是一道屏障，起着分离与阻隔作用。公路的分割使景观 破碎，将自然生境切割成孤立的块状，使生境岛屿化，使生活在其中的生物变得 脆弱。例如，当高速公路穿过一片森林时，被分割成两部分的森林总的生态价值 2 武汉理工大学硕士学位论文 将小于原先的整体价值。高速公路把原来生活在森林两侧的植物分开来。如果这 些植物的数量太少，它们就会因为繁殖受到影响或生境恶化等原因而从该地区消 失，森林环境的生态价值也将随之减少。 综上所述可见，高速公路建设会对沿线植物的生存环境造成很大影响。由此 造成高速公路建设沿线的原生植被破坏，因而高速公路建设对沿线植物造成的影 响就成为高速公路生态环境影响评价和高速公路生态环境保护和管理中的重点 领域。 1 3 高速公路建设对沿线植物的影响 1 3 1 高速公路建设对植被的直接破坏和群落生态的影响 高速公路路基的开挖打乱了土层，取走表土，使原生植被遭到破坏，失去了 生存的土壤条件。同时高速公路建设过程中遗弃的建筑垃圾( 如沥青、石灰、水 泥等) 对生长的植被造成污染，迫使植被死亡。 1 3 1 1 对植被的直接破坏 在建设过程中高速公路两侧工程所设置的筑路材料料场、取土场、弃土堆、 施工营地和便道等临时占地，破坏了原有土壤和植被，使区域内地表裸露增加， 对风力、水力作用的敏感性增强，生态环境恶化，稳定性下降。另一方面，各种 施工活动包括土石方工程、桥梁工程、道路平整、施工机械活动、材料堆放、临 时营地都破坏地表植被。其中，由于土石方的开挖破坏了地表土层，只留下坚硬 的岩石，植被难以恢复。其他地表活动造成的植被l 临时破坏引起的水土流失也影 响植被的恢复【。此外，施工产生的扬尘和其他有害气体对路边植被的影响同样 不可忽视，尤其是沥青的熬炼对附近的植被可造成严重的伤害，施工人员的活动 包括施工和生活，亦会对植被产生严重的破坏1 2 1 。 高速公路施工过程中的山体切割和在林中穿越的道路，将砍伐部分森林。大 量的填挖方工程造成对植被的破坏。由于路基设计大部分为线位两侧取土填筑 路基，致使路基成型后线位两侧留下很深的沟，到了雨季则成为了积水坑，坑内 寸草不生。取料场不按设计到处取，给山坡的植被造成很大的破坏。挖方开 山地段附近，弃土堆乱堆乱放，给周围的植被造成很大的破坏，弃土堆几乎布满 了山坡，给山坡的植被造成了破坏唧。 高速公路建设对森林、草原的破坏，主要有以下几种情况1 4 l ：因料场选择 不当，取料不足，原料场废弃，造成地面破碎，又无恢复措施；施工中在山坡 上随意取料，更为严重的是往往将表面土壤层和风化层剥取，一遇基岩即废弃， 3 武汉理工大学硕七学位论文 将当地的树木、草皮及有机质含量较高的土壤层全部破坏；许多取料场没有将 原地表腐殖土层给予保存，施工完毕后这些地点将有很长时间无法得到植被的保 护，形成一个个秃斑；在草原区特别是农牧交错带，施工中任意碾压草场，施 工便道形同虚设，使得大面积草场在今后很长一段时间无法恢复。 高速公路建设不仅对工程区植被造成影响，对沿线影响带植被的破坏也十分 明显四。一般认为，切割较缓的坡面( “5 。) 及迎风坡有利于植物种子着床。加 上较好的水分条件，植被的自然恢复将会较快。推土后的地表板结，但水分条件 稍好，估计1 0 年后植被可以自然恢复，车轮碾压严重的地表难见植物生长，而 碾压轻微处有植的再生芽，估计1 0 2 0 年植被才能自然恢复。公路两侧推土填 方带( 5 0 m 左右) 受到破坏，至少需要2 0 年以上的时间才能恢复。 1 3 1 2 对植被的群落生态的影响 高速公路建设对地形的影响，随建设场地的不同差异很大，山岭重丘区建设 高速公路对原地形的破坏大于平原微丘区，在较大程度上改变地形地貌【6 l ，高速 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，降低了森林对环境的适应和调 节能力；而处于林缘的施工用地如果将灌木砍伐，将直接使森林退化成为灌丛或 裸地。由于植物个体发生了变化，就对植物种群的大小、分布、密度产生了直接 的影响。由于植物个体随高速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 使没有超过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 ( m a c k e n z i e as ，1 9 9 8 ) 。h 可 正可负，当高速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i 刀，高速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。在高速公路建设前， 该区域环境状况单一，种群成均匀型分布，密度相同或相近，高速公路建成后由 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 发展嗍。 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 问相互影响、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 4 武汉理工大学硕士学位论文 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。高 速公路建设对路域范围内植物群落中种群的多样性、群落中物种的相互作用力、 群落结构产生直接和间接影响。高速公路建设较大程度改变了原生境的地形地 貌，使植物分布发生变化，通过影响区域生态平衡，影响生态系统负反馈机制等， 最终导致沿线物种多样性变化。高速公路建设还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 r 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，高速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 环境和植物空问的异质性，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，导致群落物 种多样性、群落结构、群落物种关系的改变，群落发生逆向演替，降低群落自身 稳定性1 9 】。有研究表明i l o j ，高速公路建设造成气候因子的变化范围相对整个高速 公路建设影响区域很小，程度不大，不会导致高速公路沿线路域范围的气候变迁， 因此，高速公路沿线植物群落的变化不会是气候变迁的原因而造成。 另外人为活动也对项目周围地区植被有着严重的影响。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，特别是对灌木层和草本层的破坏，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。乔本层由于缺乏 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 3 2 高速公路建设对植物个体生理生化的影响 高速公路的施工虽然在宏观上对植物群落会造成影响，但是这种影响的外在 表现是极其缓慢的，一般是要几年以后才能在群落的数量指标上体现出来。为了 全面反映高速公路沿线路域陆生植物在旌工的胁迫下受影响的情况，还应该研究 群落内植物个体内的生理生化参数对这种胁迫的响应。 5 武汉理工大学硕士学位论文 植物受外界污染物的伤害分为急性伤害、慢性伤害和隐性伤害。当植物叶片 很快呈现各种坏死斑、落花落果、甚至枯萎死亡，这是急性伤害：有些植物与污 染物接触，往往并没有产生明显的伤害症状，但与正常的相比较生长发育不良， 产量稍有下降，或出现早衰等现象，这是慢性伤害。第三种隐性伤害，即表面上 看不出任何伤害迹象，但植物正常的生理生化活动已受到影响，比如光合能力下 降，呼吸强度改交，一些酶的活力受阻等等，这类细微变化要通过精密仪器才能 检测出来。隐性伤害是三种伤害中反应最为灵敏的一个，也是其中人为操作空问 最大的一个，因为着及时发现并终止污染，植物仍可恢复正常。 高速公路的建设期，施工现场周围的空气中含有大量的粉尘、沥青烟等，由 于植物叶片其表面特性和本身的湿润性使得植物具有很大的滞尘能力，从而使这 些尘埃状的粉尘在植物叶片上被吸附、滞留，这些颗粒状污染物堵塞了植物的气 孔，使得植物光合作用的能力下降，生长受到抑制，当遇到雨水的冲刷，这些粉 尘会被带走，但不久新的污染又将继续进行，植物冈有了一定程度的恢复又受到 了下一轮的污染，当污染物质的强度超过了植物的忍耐限度就会将隐性的伤害转 化为慢性伤害甚至是急性伤害，使植物的生长受到严重影响。从目前的研究结果 来看，大多数重点放在了研究植物的滞尘能力的强弱【1 1 ，1 2 , ”l ，丽关于灰尘等污染 物对植物生理生化活动造成的隐性影响的大小研究较少；高速公路各种污染物对 植物生理生化活动的影响研究也集中在s o x ，n o x 等公路运营期的汽车尾气以及 大气中c 0 2 浓度的增加等对植物生理参数的影响上1 1 4 ，1 5 , 1 7 1 ，而对公路建设期 施工中粉尘等污染物对植物生理活动的影响研究较少，高速公路的建设期是对周 围生态系统破坏最大的时期，所以对这个时期的植物生理生化活动的变化进行研 究是非常必要的，通过研究这些变化可为以后制定高速公路建设项目对周围植物 生态系统的影响达到最小化的对策和植被恢复计划提供依据。 植物对逆境的响应表现在很多方面，从宏观的生长量到微观的生理生化因 子，都有不同程度的反应。其中微观生理生化的反应要更为敏感，有研究表明在 植物还未出现受害症状之前，其体内某些生理指标就发生了极大的变化。在正常 情况下，植物细胞中存在着活性氧的产生和清除2 个过程i 嘲。植物在逆境条件 下会产生大量的活性氧( 0 2 一、n 2 0 2 、o h 和0 2 等) ，体内p o d 、s o d 等保护 酶难以清除，从而使植物细胞内膜发生过氧化作用或脱脂作用，使质膜受到损害， 透性改变，损伤膜系统，植物受到伤害；丙二醛( m d a ) 是细胞内膜脂过氧化 或脱脂的产物，会严重损伤细胞的生物膜，降低膜中不饱和脂肪酸的含量，使膜 的流动性降低。质膜是细胞与环境之间物质交换的界面，它能调节和控制细胞内 外物质的运输和交换。当植物处于逆境胁迫时，其选择透过机能受损，透性增大， 使细胞内一些可溶性物质外渗，破坏了酶及代谢作用，这是植物受害的原因之一。 6 武汉理工大学硕士学位论文 在以往的研究中，采用的检测手段多以叶片外观伤害症状、植株长势等来判 断植物受伤害程度，这种方法得出的结果很粗略，准确性差。近年又通过叶片解 剖形态和生理生化特征来评价植物受污染的状况，但是单一的生理生化指标很难 全面地反应植物对外界逆境的响应，只有进行多个指标的综合评价，才能做出全 面而正确的评价。利用植物对大气污染的综合反应，选择多个生理生化指标组成 综合指标来评价植物对逆境的响应可以使植物逆境生理理论的研究更加全面，为 制定进一步的污染防治措施提供依据。 1 4 指标的选取 1 4 1 指标的含义 指标( i n d i c a t e ) ，美国传统词典中解释为：a n yo f v a r i o u ss t a t i s t i c a lv a l u e st h a t t o g e t h e rp r o v i d e a l li n d i c a t i o no ft h ec o n d i t i o no rd i r e c t i o no f t h ee c o n o m y 意思是， 能综合表明经济状况或经济发展方向的任何统计数值。 指标一般具有以下的基本特征： ( 1 ) 具有明确的含义； ( 2 ) 一般能够进行定量化，容易解释和说明，具有综合概括反映事物关键 因素的能力，在时间上具有动态性，对事物的变化具有敏感性； ( 3 ) 指标是一定复杂事物或现象的替代物，力求逼真但却不能等同。 在研究复杂事物时，通常单个指标较难于反映事物的主要特征，这就需要具 有联系的几个指标或指标体系，来全面、系统地反映复杂事物。 1 4 2 指标建立的基本原则 根据目前国内外研究现状，当前在高速公路建设对植物影响研究中，可量化 的指标及相应的计算统计方法相对薄弱，本文在选取指标方面主要遵循以下基本 原则： ( 1 ) 可比性、可量性原则 要求指标必须适用于不同的研究区域，各项指标的涵义，统计口径和适用范 围对于不同的区域必须一致，具有可比性；所有选择的指标都能够根据其度量方 法进行度量，同时也便于比较相关的研究项目。 ( 2 ) 可靠性、可操作性原则 指标是研究理论与实践操作结合点。指标选取既要以研究理论为基础，同时 又必须考虑实践操作的可行性和现实数据资料支持的可行性。尤其是在目前，在 7 武汉理：i = 大学硕士学位论文 相关资料所掌握的信息还比较缺乏的情况下，可操作性是制约指标选取的最大因 素。统计数据是评价研究的基础，统计资料来源的可靠性是研究必须注重的环节 之一 ( 3 ) 动态导向性原则 高速公路建设对植物影响研究本身作为一种动态过程，客观上要求编制的指 标具有动态待点，所选择指标既能够反映高速公路建设对植物影响的历史状况和 各项指标的现在状况，又能够对未来高速公路建成后对植被恢复情况做出评价。 1 4 3 指标的选择 基于以上基本原则，首先对高速公路建设前植被现状做详细调查。基于高速 公路建设对植物造成多方面的影响，分别从各个不同的角度对高速公路建设对植 物造成影响做分析。并通过0 6 年4 月和0 r 7 年4 月两次的现场监测，提出如下因 子作为指标选取的考虑对象( 图1 - i ) ，为今后指标的确定提供参考。 f 围 固 j 围 圈 l 国 雾 1 5 研究目的、目标、内容及技术路线 1 5 。1 研究目的 8 武汉理工大学硕士学位论文 本研究是属于“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”课题的一部分。该课题主要对高速公路建设期公路沿线植物现状 及变化趋势进行实时、准确的大量监测和研究，旨在探索和建立一套行之有效的 监测方法来评价高速公路建设过程对原有生态系统破坏的程度，以及人工生态恢 复和生态重建的效果，从而改善我国在高速公路建设对沿线及周边地区生态环境 的影响评价和生态环境监测方面工作相对滞后的状态，为建设真正意义上的生态 高速公路做出贡献。 1 5 2 研究目标 本研究是通过对随岳高速公路建设现场中筛选的各种植物的生态、生理、生 化因子的监测，分析出高速公路建设期对植物个体和种群的影响情况。筛选出对 高速公路施工中出现的各种胁迫具有普遍抗性的植物种类。以便于绿化方案设计 寻找到适合随岳高速公路各地段栽种的最佳适宜生长的植物，为随岳高速公路的 生态恢复与生态重建提供真实可靠的数据支持。并通过该研究项目的监测和评 价，为建立起有效的植物生态破坏和恢复监测评价的量化指标体系打好基础。该 体系的建立为以后的高速公路植物生态破坏和恢复监测评价提供理论依据。由于 研究内容太多，本论文研究属于中期的阶段性成果( 0 6 年4 月和0 7 年4 月监测数据 的分析结果) ，研究内容限于各监测样方内植被覆盖率的变化情况和监测样方内 生理生化因子变化较明显的植物进行初步分析，为后期具体指标的建立和物种的 筛选提供参考。 1 5 3 研究内容 ( 1 ) 测定现场样方中的陆生植物群落的生态状况，将0 6 年和0 7 年两年的 覆盖率数据进行分析比较，以此作为评价高速公路建设沿线植物生态因子受到影 响情况的依据； ( 2 ) 测定现场样方中的选定植物的净光合速率，将所测数据进行横向和纵 向比较，即比较相同样方中不同植物的净光合速率，以及同种植物在不同年份不 同样方所反映的数据，以此作为评价高速公路建设沿线植物生理因子受到影响情 况的依据： ( 3 ) 将现场采集的样本进行如下离体实验：测定各植物样本的叶绿素含量、 硝酸还原酶活性、可溶性蛋白含量、s o d 活性，并将所测数据进行横向和纵向比 较，以此作为评价高速公路建设沿线植物生化因子受到影响情况的依据； ( 4 ) 根据高速公路建设期的监溺数据，分析出高速公路建设对植物的造成 的影响并为建立相关指标提供参考。 9 武汉理工大学硕士学位论文 1 5 4 技术路线 以随岳高速公路湖北省中段工程为依托，以典型路段和环境影响区域为研究 重点，通过调查和测试得到相关数据，并采用s i g m a p l o t 和e x c e l 等软件对数据 处理和统计分析，具体测试工作流程如图1 - 2 所示 高速公路沿线植物原生状况调查 设置高速公路沿线植物监 测样方( 受旌工影响样方) 设置远离高速公路植物 监测样方( 对照样方) 现场测定植物生态及生理参数 采集植物样本并带回实验室做 离体实验分析生化参数 处理样本植物各项生态 生理生化监测数据 各样方不同 年份生态参 数变化进行 比较 同一样方中的 不同种植物在 不同年份的各 项生理生化数 据进行比较 不同样方中的 同种植物在不 同年份的各项 生理生化参数 变化进行比较 分析得出结论 图1 - 2 实验设计框架 f i g 1 - 2d e s i g nf r a m eo ft h ee x p e r i m e n t 武汉理工大学硕士学位论文 1 6 预期的研究成果和创新点 1 6 1 预期的研究成果 ( 1 ) 通过对现场样方中植物群落的监测，研究出高速公路建设对沿线植物 生态破坏情况。 ( 2 ) 通过对现场样方中植物生理生化因子的监测，研究出植物在高速公路 建设严重干扰下的生理生化响应。 ( 3 ) 为高速公路植被恢复和绿化提供科学的数据支持。 1 6 2 创性点 ( 1 ) 根据高速公路建设对原生植物的影响进行定量的生态生理生化研究， 这比以往的定性研究更能为公路竣工后沿线和周围地区内植被的生态恢复和重 建效果的检测和评价提供有力的数据支撑； ( 2 ) 将生态学和植物生理学与高速公路植被恢复有机结合，通过植物生理 实验研究筛选出适宜于高速公路种植的植物种类； ( 3 ) 为如何选取植物具有代表性的生态生理生化因子作为指标提供参考， 为今后建立起有效的植物生态破坏和恢复监测评价的量化指标体系提供支持。 1 1 武汉理t 大学硕士学位论文 第2 章高速公路建设对植物生态因子的影响 2 1 前言 作为生态系统的初级生产者，绿色植物对于维系生态系统的能量流动和物质 循环、保证生态系统各项功能的正常发挥、实现生态过程的稳态具有决定性的作 用，因此它是衡量自然生态环境状况和性质的主要指示物。它在空问和时间上的 动态直接反映了全球、区域和局地环境的变化结果。植被变化主要包括植被类型 及植被的破坏和恢复所带来的变化，主要采用植被覆盖率衡量。植被覆盖率是许 多全球及区域生态模型和气候模型中所需的重要信息，也是指示生态系统变化的 重要指标。在考察地表植被蒸腾、光合作用的过程时，植被覆盖率都是作为一个 重要的控制因子而存在。 植被覆盖率不仅是评判生态环境状况的重要指标，也是刻画陆地表面植被数 量的一个重要参数，还是指示生念系统变化的重要指标1 1 9 1 。植被覆盖率是指观 测区域内植被垂直投影面积占地表面积的百分比，在考察地表植被蒸腾和土壤水 分蒸发损失总量、光合作用的过程时，植被覆盖率都是作为一个重要的控制因子 而存在。植被覆盖率也是很多土壤侵蚀预报模型中的一个基本输入变量，其测量 准确与否对土壤侵蚀预报精度影响很大。植被覆盖率易于观测并与植被的破坏程 度关系密切，因此有关植被覆盖率的研究引起了人们的普遍关注。目前常见的植 被覆盖率概念有两组，一组是郁闭度、植被盖度、植被覆盖率( 或称植被覆盖 度) f 驯。郁闭度：指森林中乔木树冠彼此相接而遮蔽地面的程度。它反映了林 木植株问冠层生长状况的相互关系。多用于林木，用十分数表示，以完全覆盖地 面的程度为i ，依次分为十等：1 0 ，0 9 ，0 1 。在野外调查中多应用经验定 性估测办法。植被盏度：是一个植被因子的综合度量指标，应用较广泛，指林 草地( 包括乔、灌、草) 上林草植株冠层或叶面在地面的垂直投影面积占林草地总 面积的比例。当全部为林地时，则类似于林木郁闭度的概念。在用绝对数值表示 时，不受样方大小的影响，比较客观和容易估计和实测。植物学家和生态学家倾 向于采用基部覆盖即植被的主茎历占地的实际地表面积作为植被覆盖测量的原 则。盖度通常分层计算，由于植物枝叶互相重叠，放各层盖度之和可能大于总盖 度。盖度测定在苏联和北欧将枝叶空隙部分略而不计，而英美学派则常将枝叶问 空隙包括在内。植被覆盖率：指林草冠层或叶面在地面的垂直投影面积占统计 区总面积的比例1 2 1 ) 。当统计区全为林草地所覆盖时，则等同于植被盖度的概念。 武汉理：亡大学硕士学位论文 植被覆盖率这一指标具有一定的相对性，同一片植被，因被纳入统计的范围不同 而表现为不同的植被覆盖率。如一个地区的植被覆盖率很高，但平均到全国水平 就大大降低了。这3 个指标是关于植被覆盖度最基本的指标，其它指标都是从它 们中延伸出来的。另一组是有效盖度、临界盖度和潜势盖度。这3 个指标都是从 水土保持的意义出发的。有效盖度是指林草地土壤流失量达到允许流失量时的盖 度。临界盖度是指植被群落的水土保持作用达到最大或极限时的群落盖度。当群 落盖度大于临界盖度时，植被保持水土的功能几乎不随覆盖度的增加而增强。潜 势盖度是指在自然条件下，位于某一立地条件的植物群落，其覆盖地表的最大程 度1 2 2 j 。临界盖度和有效盖度是相对于水土保持而言的，而潜势盖度是植被自身 发展的顶盛值。由于本论文主要研究高速公路建设对沿线选取的样方内植物的影 响情况，因此选取能综合反应乔木、灌木和草本受影响情况的植被覆盖率进行研 究。 能够对植被覆盖率产生影响的因素很多，且影响机制各不相同。虽然影响植 物植被覆盖率的因素很多，但从长期看，绿色植物数量及其光合速率大小是根本 因素，前者决定了植被覆盖率合成的尺度，而后者则决定了其生理合成速率( 捌。 高速公路正是通过影响沿线各类植物的数量和其光合速率等生理过程对沿线植 物植被覆盖率产生了影响，高速公路是沿线主要的干扰源闭，能够通过植被砍 伐、工程占地等直接干扰改变沿线绿色植物的密度，对参与光合作用的植物数量 产生影响【 2 5 】；能够通过影响与植物生长发育密切相关的土壤、气候和地形等生 态因子对其生长发育产生扰动1 7 r , - 3 0 1 。根据生物对生态因子的耐受曲线1 3 l j ( 图2 - 1 ) ，当高速公路建设干扰下生态因子的变化超出植物耐受范围时，植物 消亡；当生态因子状态偏离最适区时，植物生长发育受到影响，其光合作用过程 将受阻而发生变化：当生态因子状态接近最适区时，植物光合作用过程得到改善。 植物得以快速蔓延。可见，高速公路建设对沿线植物的影响结果有个体数量和生 命状态变化两种，两者共同对植被覆盖率产生影响，其影响强度与距离高速公路 远近和沿线自然条件密切相关，一般而言，生长在距离高速公路近、起伏大的地 点处的植物受到的干扰强度大，生长在距离高速公路远、相对平坦的地点的植物 受到的干