護(hù)坡植物在植物卷材中的適應(yīng)性研究

劉 沖，李紹才，羅 雙，羅龍?jiān)?，王云翔，孫海龍

(1.四川大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，四川成都 610064;4.貴州省土壤肥料研究所，貴州貴陽 550006;3.四川大學(xué)水利水電學(xué)院，四川成都 610064;4.四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610064)

巖石邊坡由于不具備植物生長的基質(zhì)，因此綠化非常困難。目前常用于巖石邊坡綠化的技術(shù)有厚層基材噴射綠化法、植被混凝土護(hù)坡技術(shù)、三維網(wǎng)植草技術(shù)、噴混植草技術(shù)、客土噴播綠化法、纖維綠化法等。但是，厚層基材噴射綠化法和纖維綠化法的共同缺點(diǎn)是強(qiáng)度很低，不能承擔(dān)邊坡防護(hù)作用;客土噴播綠化法和噴混植草技術(shù)的保水、保肥效果較差，植物演替及隔熱性能較低;三維網(wǎng)植草技術(shù)施工速度較慢，不適合巖石邊坡防護(hù);植被混凝土護(hù)坡技術(shù)為植物提供養(yǎng)分能力差且成本過高，植被養(yǎng)護(hù)費(fèi)用較大，限制了其推廣范圍［1－6］。所以，尋求一種高強(qiáng)度、低成本的邊坡綠化技術(shù)勢在必行。植物卷材就是針對目前巖石邊坡防護(hù)難、成本高而設(shè)計(jì)的一種人工植被基材。本試驗(yàn)通過對植物卷材上植物的數(shù)量、高度、冠幅、分蘗數(shù)、根冠比等指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，評價(jià)這些植物在植物卷材上的適應(yīng)性，從而為巖石邊坡植被恢復(fù)施工工藝的改良提供幫助，也為熱帶亞熱帶巖石邊坡植被恢復(fù)的物種選擇提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)地概況

三亞市位于北緯 18°09'34″—18°37'27″、東經(jīng) 108°56'30″—109°48'28″之間，是中國最南部的濱海旅游城市。其氣候獨(dú)特，屬于熱帶海洋季風(fēng)性氣候，年均氣溫25.4℃，極端氣溫最高35.9℃、最低5.1℃。年均降水量1 279 mm，5—10月為雨季。全年無霧，日照時(shí)間達(dá)到2 500 h以上。試驗(yàn)坡面位于三亞市田獨(dú)鎮(zhèn)嶺仔村，距三亞市中心7 km左右，是一個(gè)人工修砌的擋土墻，陽坡，坡度45°;施工日期為2011年1月1日。

2 試驗(yàn)材料和方法

2.1 植物卷材構(gòu)造模式以及原理

如圖1所示，植物卷材構(gòu)造主要包括根系誘導(dǎo)層、水分阻控層、溫度調(diào)節(jié)層、輻照反射層和種子萌發(fā)堆。根系誘導(dǎo)層具有水分、養(yǎng)分平衡高效調(diào)控供給、誘導(dǎo)根系定根功能，保障植物在無土界面的穩(wěn)定建植;水分阻控層具有控溫、阻隔水分蒸發(fā)、防止光合誘導(dǎo)的作用;溫度調(diào)節(jié)層具有對熱量傳導(dǎo)過程的緩沖調(diào)節(jié)、輔助阻光、緩沖降雨侵蝕等作用;輻照反射層具有通過阻光達(dá)到溫度調(diào)控、抑制水分蒸發(fā)、增加水分入滲、透氣等功能;種子萌發(fā)堆具有保障種子萌發(fā)和幼苗生長的前期物質(zhì)基礎(chǔ)作用，且有提供水分入滲通道、引導(dǎo)根系定植過程與根系定植層有機(jī)融合及協(xié)同功能，可保障裸露巖土面的快速植被建植與恢復(fù)。

圖1 植物卷材構(gòu)造模式

2.2 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)設(shè)計(jì)了兩種不同植物配置的植物卷材C1和C2，每種卷材3個(gè)重復(fù)(編號(hào)分別為C1－1、C1－2、C1－3和C2－1、C2 －2、C2－3)，每塊面積1.1 m ×1.5 m。施工方法簡單，直接將植物卷材平鋪在坡面上，然后四周用錨桿固定即可，它們在坡面上的排列順序如圖2所示。C1中植物種類為高羊茅(Festuca elata)、白灰毛豆(Tephrosia candida)、多花木藍(lán)(Indigofera amblyantha)、白刺花(Sophora davidii)、車桑子(Dodonaea viscosa)、馬桑(Coriaria nepalensis)、黃荊(Vitex negundo)和截葉胡枝子(Lespedeza cuneata)8種;與C1相比，C2中的植物種類增加了喬木刺槐(Robinia pseudoacacia)。兩種卷材中同一植物種子的用量相同，且在卷材縫制過程中加入到種子萌發(fā)堆中。由于三亞在1—3月是旱季，降雨量極少，故前期需要進(jìn)行水分管理。根據(jù)干旱情況，不定期地對坡面進(jìn)行澆水，以確保種子的萌發(fā)和幼苗的正常生長。每塊卷材的澆水量一致。

圖2 植物卷材正面及布置順序

2.3 觀測內(nèi)容

對每種植物種子的萌發(fā)時(shí)間進(jìn)行觀測并記錄，同時(shí)對坡面植物數(shù)量、高度、冠幅、草本分蘗數(shù)等指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，每月統(tǒng)計(jì)1次，時(shí)間安排在月底，共統(tǒng)計(jì)6次。在試驗(yàn)開始后的第3個(gè)月的月末，對木本植物的根冠比進(jìn)行1次測量。另外對三亞每天的天氣情況進(jìn)行記錄，數(shù)據(jù)來源于中國氣象局網(wǎng)站。

2.4 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS軟件包(SPSS16.0)對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。數(shù)據(jù)的正態(tài)性檢驗(yàn)使用的是Kolmogorov－Smirnov檢驗(yàn)法，如果數(shù)據(jù)不符合正態(tài)分布，則對數(shù)據(jù)進(jìn)行對數(shù)轉(zhuǎn)化。對兩種卷材上植物種子的發(fā)芽率、幼苗的死亡率以及植株高度、冠幅、分蘗數(shù)進(jìn)行兩配對樣本T檢驗(yàn)分析，探明它們之間的差異。

3 結(jié)果分析

3.1 種子萌發(fā)時(shí)間和發(fā)芽率

除截葉胡枝子和黃荊外，另外7種植物在半個(gè)月內(nèi)均開始萌發(fā)。其中高羊茅、白灰毛豆和刺槐的萌發(fā)時(shí)間較短，均在5 d以內(nèi);而截葉胡枝子和黃荊的萌發(fā)時(shí)間較長，分別為20和30 d(表1)。從表2中可以看出:卷材C1上植物種子的發(fā)芽率普遍高于卷材C2上的。兩種卷材中，草本高羊茅的發(fā)芽率都是最高的，均在60%以上;木本植物種子的發(fā)芽率普遍比較低，其中發(fā)芽率最高的是喬木刺槐，為32.7%，而白刺花、截葉胡枝子和黃荊的發(fā)芽率均不超過5%。這是因?yàn)榘状袒ā⒔厝~胡枝子和黃荊的種子外殼都比較厚實(shí)，種胚不易沖破外殼而發(fā)芽，在常規(guī)方法下，將種子置于45℃溫水中浸種24 h后播種，發(fā)芽率僅5%，用0.9%濃度的鹽酸溶液浸種24 h后播種，發(fā)芽率最高，但也僅為24%［7］;另外，黃荊種子萌發(fā)的最適宜溫度為30℃［8］，遠(yuǎn)高于三亞1月份的平均溫度。李興美等［9］研究表明，白刺花種子需要用濃硫酸(濃度為98%)和熱水浸種以及砂擦處理，這樣才能大大提高白刺花的發(fā)芽率。此次試驗(yàn)屬于工程驗(yàn)證試驗(yàn)，為了保證種子在植物卷材中能長時(shí)間保存，所以并未對種子進(jìn)行任何催芽處理，另外購買的截葉胡枝子種子也未進(jìn)行過脫殼處理，導(dǎo)致這些種子的發(fā)芽率都不高。此外，我們對C1和C2兩種卷材中植物種子的發(fā)芽率進(jìn)行了差異性分析，發(fā)現(xiàn)二者并沒有顯著差異，但C1上種子的發(fā)芽率普遍略高于C2上的(表2)，表明刺槐對其他植物種子萌發(fā)的影響還是存在的，只是不顯著而已。

表1 植物卷材中種子萌發(fā)所需時(shí)間

表2 植物卷材中種子的發(fā)芽率

3.2 植株數(shù)量隨時(shí)間變化情況

從圖3、圖4可以看出，植株數(shù)量變化主要有4種情況:一是植株數(shù)量比較穩(wěn)定，如多花木藍(lán)和刺槐，它們180 d時(shí)的死亡率均在30%以下(表3);二是前3個(gè)月比較穩(wěn)定，后3個(gè)月大幅度下降，高羊茅、白灰毛豆、車桑子和白刺花屬于這種情況，其中高羊茅的數(shù)量在后3個(gè)月下降幅度最大;三是一直下降，而且下降幅度比較大，如馬桑在30 d時(shí)每平方米的數(shù)量高達(dá)95株和79株，分別為各自坡面最大值，但在120 d時(shí)僅剩3株和2株，在180 d時(shí)全部死亡;四是先增后減，如黃荊和截葉胡枝子，它們的數(shù)量從30 d到60 d時(shí)是遞增的，在60 d時(shí)達(dá)到最大值，然后逐漸下降。

圖3 卷材C1上植物數(shù)量變化

圖4 卷材C2上植物數(shù)量變化

植物卷材中植物幼苗的死亡率普遍比較高，除多花木藍(lán)和刺槐外，其他植物幼苗的死亡率均在40%以上(表3)。導(dǎo)致這種高死亡率的原因可能是植物卷材的結(jié)構(gòu)太薄，保水性能不好，種子萌發(fā)堆和根系誘導(dǎo)層飽和吸水后，厚度僅3 cm左右，表面水分很容易散失;另外，試驗(yàn)前3個(gè)月降水量太少，對植物卷材的補(bǔ)水不足也嚴(yán)重影響了植物幼苗的生存;高溫天氣也是影響植物幼苗存活的另一個(gè)重要原因，受其影響嚴(yán)重的植物有高羊茅。此次試驗(yàn)采用的高羊茅品種為護(hù)坡衛(wèi)士，在試驗(yàn)前期發(fā)芽情況非常好，30 d時(shí)數(shù)量達(dá)到最大值，前3個(gè)月數(shù)量維持穩(wěn)定，但進(jìn)入4月份后數(shù)量開始急劇下降，這與溫度有很大關(guān)系，護(hù)坡衛(wèi)士并不適應(yīng)熱帶地區(qū)的高溫天氣，進(jìn)入4月份后，溫度陡升，致使高羊茅大面積死亡，從表3中可以看出，6月底C1和C2上高羊茅的死亡率分別高達(dá)84.9%和89.0%。另外，對C1和C2上植物幼苗的死亡率進(jìn)行差異性分析，發(fā)現(xiàn)二者并沒有顯著性差異，表明刺槐對其他植物幼苗的存活并未產(chǎn)生顯著影響。

表3 180 d時(shí)植物的死亡率

3.3 植株高度、冠幅、分蘗數(shù)變化

從表4可以看出，除截葉胡枝子外卷材C1上其他植物高度、草本分蘗數(shù)和灌木冠幅均要大于C2，可見C1上植物長勢要明顯優(yōu)于C2。卷材C1和C2中，高羊茅的高度和分蘗數(shù)均在90 d時(shí)達(dá)到最大值，90 d后受高溫的影響，高羊茅開始慢慢萎蔫至枯萎，數(shù)量、高度和分蘗數(shù)都急速下降;木本中白灰毛豆、多花木藍(lán)、車桑子和刺槐的長勢特別好，白刺花和黃荊生長特別緩慢，馬桑和截葉胡枝子在植物卷材中體現(xiàn)出了極強(qiáng)的不適應(yīng)性，前期生長速度非常緩慢，后期全部死亡。白灰毛豆、多花木藍(lán)、車桑子和刺槐4種植物前3個(gè)月的生長速度一般，后3個(gè)月生長迅速，這與降雨量增多有很大關(guān)系。三亞每年的5—10月份是雨季，降雨量占全年的90%以上;每年前3個(gè)月的月降雨量均在10 mm以下，4月份增至48 mm，5、6月份更是高達(dá)94和162 mm。降水的增加使得根系建植層可以充分吸收水分，植物主要靠根系吸水來維持生長，而植物卷材中植物根系都定植在根系建植層內(nèi)，建植層內(nèi)水分的增加使得植物有更多的水分可以利用，這樣植物就可以快速地生長。

目前國內(nèi)高速公路、鐵路等護(hù)坡工程中常常采用銀合歡進(jìn)行坡面綠化，銀合歡雖然生長快、萌生力強(qiáng)、根系發(fā)達(dá)，但是在群落中它通過化感作用影響其他植物的生長。Ahmed等［10］研究表明:銀合歡落葉對森林物種有化感作用，抑制植物的萌發(fā)和生長，該抑制作用依賴于萃取物濃度、凋落物及受體物種類型。海南島東線高速鐵路的邊坡上采用的就是銀合歡護(hù)坡，銀合歡群落下已基本不長其他植物了，表明化感作用已經(jīng)產(chǎn)生了。如果改用白灰毛豆、多花木藍(lán)和車桑子等植物進(jìn)行坡面綠化，可以避免形成單一群落，從而起到更好的護(hù)坡效果。

在對兩種卷材上的植物高度、分蘗數(shù)和冠幅進(jìn)行差異性分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，刺槐對卷材C2中大部分植物的生長產(chǎn)生了顯著影響(表4)。刺槐是坡面上唯一的喬木，它在前期發(fā)芽率高，生長速度快，而且數(shù)量穩(wěn)定，在卷材C2上形成了優(yōu)勢物種，是群落中水分、養(yǎng)分和空間上的強(qiáng)有力競爭者，這就導(dǎo)致了其他灌木的生長速度下降。

3.4 植物根冠比

試驗(yàn)前3個(gè)月內(nèi)的降雨量非常少，人工水分管理也并不能時(shí)時(shí)刻刻地滿足坡面植物的生長需要，所以坡面上植物大部分時(shí)間處于水分脅迫下。在水分脅迫下，光合產(chǎn)物優(yōu)先分配給根系，根冠比加大［11］。由于試驗(yàn)坡面是石質(zhì)邊坡，而且根系誘導(dǎo)層膨脹后厚度僅為2～3 cm，植物粗壯的主根不能深扎進(jìn)巖石里，為了攝取更多的水分和養(yǎng)分，就必須有發(fā)達(dá)的須根來穿過巖石的縫隙，所以坡面上植物須根的長度長于主根，可以在坡面上形成龐大的根系網(wǎng)絡(luò)，利于植物抗旱。一般來說，根冠比越大，植物的抗旱性和耐貧瘠的能力就越強(qiáng)。

各種植物的根冠比大小依次為:多花木藍(lán)＞刺槐＞白灰毛豆＞截葉胡枝子＞車桑子＞黃荊＞白刺花＞馬桑(圖5)。發(fā)達(dá)的根系能夠大大提高多花木藍(lán)、刺槐和白灰毛豆的抗旱性和生長能力，是它們在植物卷材中成活率高、生長好的重要原因;根冠比較小的車桑子、白刺花和黃荊，由于弱小的根系不能保證它們正常生長所需的養(yǎng)分和水分，致使它們在坡面上生長緩慢，死亡率也較高;根冠比最小的馬桑不太適應(yīng)植物卷材中的生存環(huán)境，致使其在坡面上的死亡率極高;截葉胡枝子雖然有相對較發(fā)達(dá)的根系，但前期發(fā)芽率太低，坡面植株數(shù)量極少，因試驗(yàn)的需要以及少量的自然死亡，造成了坡面上截葉胡枝子的消失。

表4 植物高度、冠幅或分蘗數(shù)變化

圖5 坡面植物的根冠比

4 結(jié)論

(1)試驗(yàn)表明，適合在三亞冬季施工的護(hù)坡植物有高羊茅、白灰毛豆、刺槐、多花木藍(lán)、車桑子和白刺花。建議在熱帶亞熱帶地區(qū)改用白灰毛豆、多花木藍(lán)和車桑子等植物代替銀合歡進(jìn)行坡面綠化，可以形成具有生物多樣性的植物群落，對邊坡的穩(wěn)定和環(huán)境的協(xié)調(diào)能起到更好的效果。

(2)高羊茅前期生長速度快，分蘗數(shù)多，可以迅速覆蓋坡面，是坡面上優(yōu)良的先鋒物種;3個(gè)月后，隨著雨季的到來，喬木刺槐與灌木白灰毛豆、多花木藍(lán)等快速生長，替代高羊茅而對坡面起到覆蓋作用，高羊茅的死亡與退化也可以為這些喬灌木的生長騰出許多空間，減小群落中植物對空間、水分、養(yǎng)分等的競爭，而且坡面上植物的覆蓋度并不會(huì)受草本死亡的影響而下降。另外，灌木發(fā)達(dá)的根系對植物卷材和邊坡的穩(wěn)定性也起著非常重要的作用。

(3)喬木刺槐在卷材C2上形成了優(yōu)勢物種，對其他植物種子的萌發(fā)和幼苗的存活并未產(chǎn)生顯著影響，但對大部分植物幼苗的生長影響非常顯著;另外，隨著時(shí)間的推移，高大喬木的重量和對風(fēng)的抵抗并不利于坡面的穩(wěn)定，所以不建議在巖石陡邊坡綠化中采用刺槐這類高大的喬木。

(4)植物卷材的種子萌發(fā)堆和根系誘導(dǎo)層在飽和吸水后厚度僅3 cm左右，單薄的構(gòu)造導(dǎo)致植物卷材保水性能并不太好;另外，種子萌發(fā)堆表層水分很容易散失，致使植物幼苗很容易就處于水分脅迫中，造成坡面上植物幼苗的死亡率普遍比較高。植物卷材是一種新型的護(hù)坡技術(shù)，突出特點(diǎn)是施工簡單、管理粗放、成本低，目前還處于試驗(yàn)驗(yàn)證階段，后期希望通過試驗(yàn)對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效的調(diào)整，使其能更好地滿足植物的生長，增強(qiáng)邊坡的穩(wěn)定性。

［1］許文年，王鐵橋，葉建軍.巖石邊坡護(hù)坡綠化技術(shù)應(yīng)用研究［J］.水利水電技術(shù)，2002，33(7):35 －40.

［2］周德培，張俊云.植被護(hù)坡工程技術(shù)［M］.北京:人民交通出版社，2003:215－218.

［3］楊果，何惠琴，李倩.高速公路巖石邊坡生物防護(hù)的回顧與展望［J］.路基工程，2008(3):17－18.

［4］沈小明，李軒，周國光.高速公路巖石邊坡生態(tài)防護(hù)技術(shù)綜述［J］.公路工程，2007，32(5):185 －189.

［5］舒翔，杜鵑，曹映泓，等.生態(tài)工程在高速公路巖石邊坡防護(hù)工程中的應(yīng)用［J］.公路，2001(7):86－89.

［6］張俊云，周德培，李紹才.高速公路巖石邊坡綠化方法探討［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2002，21(9):1400 －1403.

［7］盧清華，歐斌，王波.黃荊種子預(yù)處理方法對其發(fā)芽的影響試驗(yàn)［J］.江西林業(yè)科技，2007(3):18.

［8］國家林業(yè)局國有林場和林木種苗工作總站.中國木本植物種子［M］.中國林業(yè)出版社，2001:978.

［9］李興美，何勝江，何勇.白刺花硬實(shí)種子不同處理方法的探討［J］.貴州農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，38(5):70 －72.

［10］Ahmed R，Hoque A T M R，Hossain M K.Allelopathic effects of Leucaena leucocephala leaf litter on some forest and agricultural crops grown in nursery［J］.Journal of Forestry Research，2008，19(4):298 －302.

［11］Smucker A J M，Aiken R M.Dynamic root response to water deficits［J］.Soil Science，1992，154(4):281 －289.