高速公路巖質(zhì)邊坡植被恢復模式特征研究——以北京－承德高速公路（三期）為例

喬領新，劉榮堂

（甘肅農(nóng)業(yè)大學 草業(yè)學院/草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點實驗室/甘肅省草業(yè)工程實驗室/中－美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心，甘肅 蘭州 730070）

山區(qū)高速公路建設中，不可避免要進行邊坡開挖，改變原有地形地貌，破壞邊坡原有植被，形成大量次生裸露巖土邊坡，很容易引發(fā)嚴重的生態(tài)問題［1］。形成的次生裸露巖土邊坡不具備植物生長的條件，其植被自然恢復是一個漫長的過程。采用邊坡生態(tài)修復技術，加速邊坡植被的建立與恢復，能夠有效實現(xiàn)邊坡植被覆蓋。

目前，國內(nèi)對高速公路的邊坡生態(tài)修復已有大量研究，主要集中在生態(tài)恢復技術的應用方面。張俊云等［2］針對巖質(zhì)邊坡的植被防護，研究開發(fā)了厚層基材噴射植被護坡技術；許文年等［3］研究開發(fā)了植被混凝土護坡技術。此外，也有學者對護坡植物的適應性和功能作了初步研究［4］。但對于植被恢復工程竣工后的植被動態(tài)研究較少。為此，試驗以北京－承德高速公路（三期）邊坡植被恢復為例，探討了巖質(zhì)邊坡植被恢復過程中植被及土壤特性，為我國北方地區(qū)道路巖質(zhì)邊坡植被恢復與重建提供理論參考。

1 試驗區(qū)概況

試驗地位于北京市密云縣周禾莊村附近，邊坡地處標段 K122＋400～K122＋600段左側，N 40°30′，E 117°30′。坡面3級，邊坡坡比1∶0.5，邊坡上層為亞粘土（混碎石）、碎石土，下層為弱風化白云巖，但坡面有節(jié)理發(fā)育，植物自然恢復生長困難。該路線所在區(qū)域?qū)儆跍貛Т箨懠撅L氣候，春季多風沙，夏季炎熱多雨，冬季干燥寒冷，年均氣溫11.4℃，最熱為7月，極端最高氣溫40.5℃，1月平均氣溫－4.8℃，極端最低氣溫－19.1℃。無霜期191d。年均降水量611.8 mm，76%集中在夏季。京承高速（三期）公路沿線植被屬于溫帶落葉闊葉林區(qū)，主要樹種為喬木既遼東棟（Quercus hootungensis）、山楊（Populus davidiana）、側柏（Platycladus orientalis）、刺槐（Robinia pseudoacacia）等；灌木包括荊條 （Verbenaceae）、胡枝子（Lespedeza bicolor）、繡線菊 （Spiraea trilobata）、山杏（prunus armniaca）、酸棗（Ziziphus jujuba）等；草本主要以狗尾草（Setaria viridis）和白羊草（Bothriochloa ischaemum）為主。

2 材料和方法

試驗坡面人工土壤層的構建采用厚層基材噴播技術，人工土壤厚度10cm，設計為上下2層。下層為客土層，由土壤、草炭、有機堆肥、保水劑、粘結劑構成，厚度8cm；上層為種子層，由種子和土壤構成，厚度為2cm?？⒐ず鬁y定全層土壤的化學性質(zhì)，土壤的化學性質(zhì)（表1）。

表1 土壤理化性狀Table 1 Chemical properties of soil

2.1 試驗材料

試驗采用的植物包括紫花苜蓿（Medicago sativa）1.0g/m2、高羊茅（Festuca anmundinacea）3.0g/m2、沙打旺（Astragalus adsurgens）0.3g/m2、野菊花（Dendranthema indicum）0.2g/m2、胡枝子（Lespdeza bicolor）2.0g/m2和紫穗槐（Amorpha fruticosa）2.0g/m2。行株距1m×1m，采用人工移栽的方式。4月17日種植，種植后粗放管理。

2.2 研究方法

2009年5～9月在邊坡上、中、下坡面隨機設3個1m×1m樣地作為調(diào)查樣方，并用標簽標記。調(diào)查內(nèi)容包括植物種類、植物高度、植被覆蓋度、土壤pH值、土壤有機質(zhì)、土壤全氮、土壤有效磷、土壤有效鉀。同時記錄樣方內(nèi)的植物種類；從植株基部到莖頂端的自然高度來測定株高，分別對所選的同種植物同一階段的株高數(shù)據(jù)取平均值；覆蓋度采用針刺法。測定土壤理化性質(zhì)［5］：土壤容重、土壤pH、土壤有機質(zhì)、土壤全N、土壤速效P、土壤速效K。植被調(diào)查時間分別在5月1日、6月1日、7月2日、8月1日、9月1日進行土壤每隔60d采樣分析1次，分別于5月1日，7月2日和9月1日。

3 結果與分析

3.1 植被覆蓋度變化

植被覆蓋度是衡量一個植物群落生長狀況及其保持水土能力的重要指標，與植物群落類型、群落結構等關系密切。公路邊坡植被恢復初期，植被護坡群落覆蓋度表現(xiàn)出逐漸上升的趨勢（圖1）。坡面植被建植后，草本植物生長迅速，6月播種30d后植被覆蓋度為30%。7月溫度升高，草本植物進入夏眠，基本停止生長，而灌木生長迅速。8月試驗坡面植被覆蓋度90%，此時，移栽灌木的高度明顯高于草本，復層群落結構特征日漸明顯。9月野菊花開花后，生殖枝枯萎，植被覆蓋度降低。研究分析可知，植被覆蓋度具有明顯的季節(jié)動態(tài)變動。坡面人工植被建植后，草本植物生長迅速，可以在較短的時間內(nèi)形成較高的植被覆蓋度，同時草本植物對坡面的迅速覆蓋可有效截留雨季降水，降低雨滴對坡面的直接漸蝕，同時削弱陽光對坡面土壤的直射，控制土壤水分蒸發(fā)，有利于灌木的生長。

圖1 不同月份覆蓋度變化動態(tài)Fig.1 The Change of vegetation coverage with different month

3.2 植被高度變化

坡面人工植被建立后，各種植物的生長基本符合“S”型生長規(guī)律。5、6月，植物株高差異不明顯，植物群落中草本和灌木均未表現(xiàn)出競爭優(yōu)勢。7月高羊茅高度達到峰值為30cm，而后生長停滯；此時紫花苜蓿、野菊花、胡枝子、紫穗槐株高增加，其中，野菊花的高度增加尤為明顯，8月高度達80cm，表現(xiàn)出明顯的競爭優(yōu)勢；而胡枝子的生長比較緩慢，8月的高度僅為18.1cm，其生長明顯受到草本植物和野菊花的影響。8月植物高度順序依次為野菊花＞紫穗槐＞沙打旺＞苜蓿＞高羊茅＞胡枝子。9月，野菊花開花后停止生長，紫穗槐高度達到71.5cm，紫花苜蓿和胡枝子生長緩慢，株高變化不明顯（圖2）。

圖2 植物株高變化動態(tài)Fig.2 Change of plant height

不同植物在相同的生境條件下的生長上存在差異，不僅與植物自身的生物學特性有關；還與植物對養(yǎng)分、水分、光照的競爭有關。灌木中胡枝子的生長受到抑制，生長緩慢；而移栽紫穗槐的生長初期避免了與草本植物資源競爭，生長迅速。

3.3 坡面植物種類組成變化

坡面施工后由于建立了人工土壤層和人工植被，邊坡地表環(huán)境改變，侵入物種易于生存。從表2可以看出，5月初始設計播種物種完全存活，隨著時間的推移，降雨的增加，試驗坡面草本植物種類不斷增加，物種數(shù)量達到12種（其中，自然入侵物種數(shù)6種），侵入物種以1年生先鋒鄉(xiāng)土草本植物為主，分屬3個科6個屬（表3）。

表2 樣地內(nèi)植物物種數(shù)量的變化Table 2 The quantitative change of plant species in the plot

表3 入侵植物種類Table 3 The species of invasive plants

3.4 土壤理化特征

土壤是植物生長的主要環(huán)境因素，邊坡植被建立的過程，也是植物與土壤相互影響和相互作用的過程，在這個過程中土壤養(yǎng)分處于不斷地變化中［6］。通過不同時間段采樣，測定土壤容重、有機質(zhì)、全氮、有效磷、有效鉀，分析結果不同（表4）。

土壤容重是單位原狀土壤體積內(nèi)干土的重量，受土壤質(zhì)地、結構性和松緊度以及土壤有機質(zhì)含量的影響，反映了土壤孔隙多少和疏松緊實的程度。不同時間內(nèi)采樣，分析結果顯示9月與5月比較土壤容重減小0.036g/cm3，不同時間內(nèi)土壤容重差異不顯著。人工植被建立后，植被覆蓋以及不同植物根系擠壓、分割作用，改善了土壤結構，土壤容重呈下降趨勢。

土壤有機質(zhì)是土壤肥力的重要物質(zhì)基礎，是評價土壤質(zhì)量的一個重要指標。土壤有機質(zhì)可提高土壤養(yǎng)分的有效性，而且可促進團粒結構的形成，改善土壤的透水性、蓄水能力及通氣性，增強土壤的緩沖性等［7］。研究發(fā)現(xiàn)不同時間內(nèi)土壤有機質(zhì)含量差異不顯著。隨著植物的生長，土壤有機質(zhì)呈下降的趨勢，植物生長后期，下降變緩慢；5月與7月比較，下降4.8%，7月與9月比較下降2.2%。分析認為，5～7月為植物生長旺季，需要大量地吸收養(yǎng)分以保證其正常生長，土壤有機質(zhì)含量降低。

氮素是植物必須元素之一，土壤全氮含量表明土壤氮素的總儲量，反映土壤總體供氮潛力，土壤全氮含量是土壤肥力的一個基本指標。從3次測定結果分析（表4），土壤全氮差異不顯著。分析結果，5～7月是植物的生長高峰期，對氮素的需求量大，土壤儲存的氮釋放，因消耗遠大于供應，所以土壤全氮含量是降低的。

表4 不同月份土壤理化性狀Table 4 Chemical properties of soil at different time

土壤有效磷和速效鉀的含量水平也是評價土壤質(zhì)量的重要指標。研究發(fā)現(xiàn)9月與5月相比較土壤有效磷和速效鉀含量差異達顯著水平（P＜0.05），9月與7月比較差異不顯著。人工植被建立后，隨著植物的生長，植物對養(yǎng)分的吸收，有效磷與速效鉀的含量下降；另外，土壤中有效磷和速效鉀以離子形式存在，經(jīng)過雨水的淋溶，也導致土壤中含量的降低。

4 討論與結論

（1）在巖質(zhì)坡面植被恢復中，灌木和草本植物形成混合群落具有的組合優(yōu)勢，并可加快促進受損生態(tài)系統(tǒng)的恢復。通過護坡植物中草本與灌木的合理搭配，實現(xiàn)草灌共存的混合群落。灌草結合的護坡形式，充分利用草本植物速生、覆蓋率高及灌木植株較高、灌幅大、根系深的優(yōu)點，形成灌草結合的混合植物護坡結構，發(fā)揮植物間的互補依存關系，逐漸改善坡面微環(huán)境，實現(xiàn)植物護坡的可持續(xù)發(fā)展［8］。

（2）從試驗結果與分析可以看出，隨時間的推移，初始播種物種的覆蓋度、植株高度、植物種類組成均發(fā)生變化。植被覆蓋度是一個重要的生態(tài)學參數(shù)，有學者認為植被覆蓋度作為植被恢復效果的指標［9］。在植被恢復重建過程中，隨著物種的數(shù)量增加，物種多樣性同時增加，物種多樣性是群落多樣性的一個方面，物種多樣性的提高增加了群落的穩(wěn)定性。

（3）土壤的養(yǎng)分水平影響到植被恢復的后期效果，在人工植被建立后，土壤的理化性質(zhì)發(fā)生了變化，土壤容重隨植物的生長呈下降趨勢，而土壤全氮、有機質(zhì)、有效磷、速效鉀含量隨時間的推移呈下降趨勢。土壤氮、磷、鉀含量的高低，直接關系到土壤供肥能力的強與弱，保持土壤中氮、磷、鉀的動態(tài)平衡是非常重要的因素之一。

（4）試驗研究只對植被地上部分數(shù)量特征（高度、蓋度）作調(diào)查分析，對于植物群落生物量的測定沒有涉及。研究尚需進行連續(xù)長時間的群落生長動態(tài)變化分析以及土壤養(yǎng)分的動態(tài)變化，以便更深入地研究高速公路邊坡植被恢復機理并采取有效的恢復措施。

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