內蒙古中東部高速公路路塹陽坡植被恢復效果研究

陶 巖，段問宇，卜慶國，王新民，江 源*(．東北師范大學地理科學學院，吉林長春3004;．北京師范大學資源學院，北京00875;3．國家環(huán)境保護創(chuàng)面生態(tài)修復工程技術中心，北京0008;4．路域生態(tài)工程有限公司，北京0008)

隨著國民經濟的快速發(fā)展，高速公路已經成為我國現代化公路運輸不可缺少的基礎設施之一。以內蒙古自治區(qū)為例，到“十二五”末，全區(qū)公路總里程將達到1．7×105km，其中高速公路和一級公路里程將達到1．3×104km。高等級公路的快速發(fā)展有效地改善了我國現有的公路網結構，極大地促進了區(qū)域間的經濟聯系。但是隨著公路建設里程和等級的不斷提高，各種生態(tài)與環(huán)境問題在路域范圍內日漸凸顯，例如，公路建設造成大量坡體的巖石和表土裸露，導致植被、動物棲息地和自然景觀遭到破壞，土壤結構的擾動，進而引起水土流失、邊坡塌方、土壤質量下降、環(huán)境污染加劇等一系列問題［1］。尤其是在我國的內蒙古地區(qū)，生態(tài)環(huán)境十分脆弱，植被和土壤一旦遭到破壞，自然恢復難度大，時間長，其影響范圍不僅是內蒙古自治區(qū)本身，還將對我國中東部地區(qū)生態(tài)環(huán)境造成極大威脅［2］。

因此，在公路建設的同時，如何有效地恢復和重建公路邊坡植被，改善路域生態(tài)條件和環(huán)境質量，做到公路建設與生態(tài)環(huán)境保護的協調發(fā)展，已經成為當今公路生態(tài)建設必不可少的任務之一［3－4］。然而，與近些年高速公路的快速發(fā)展相比，公路邊坡生態(tài)恢復與重建的相關研究卻嚴重滯后，特別是針對生態(tài)條件最為惡劣的路塹陽坡的植被恢復效果研究更加匱乏［5－6］。筆者以內蒙古中東部地區(qū)高速公路路塹陽坡為研究對象，選擇典型的試驗路段，以生態(tài)系統(tǒng)理論為指導，系統(tǒng)地觀測了護坡植被的群落組成變化特征，并對植被護坡群落的生態(tài)恢復效果和演替過程進行了深入的探討和研究。

1 研究區(qū)概況

研究依托“京新高速公路(G7)韓家營(晉蒙界)至集寧段道路生態(tài)景觀建設”在建工程進行，標段為K0+105—K72+050，位于烏蘭察布市察哈爾右翼前旗巴音塔拉鄉(xiāng)劉家村東部。地貌類型以盆地為主，屬淺山丘陵區(qū);氣候屬于北溫帶大陸性干旱氣候，風多雨少，降水量在350～400 mm，晝夜溫差大。土壤屬于溫帶干草原栗鈣土地帶，地帶性植被為典型草原，優(yōu)勢種為大針茅(Stipa grandis)、克氏針茅(Stipa krylovii)等。干旱區(qū)陽坡嚴酷的自然條件使得試驗路段的地表植被極易遭受破壞，一旦破壞之后，夏季暴雨的沖刷和冬春季節(jié)強烈的風蝕作用使得土壤養(yǎng)分很快流失，植被難以恢復。此外，由于此地區(qū)絕大部分年降水發(fā)生在夏季，因此春旱也是制約當地植物生長的重要因素。

2 材料與方法

2．1 試驗地條件與建植技術 試驗路段路塹邊坡地理位置為113°51'50．51″E，40°42'12．14″N，海拔高度 1 423 m，距離興和縣城20 km。路塹邊坡坡面為巖石土坡，基巖為砂頁巖，坡面傾斜角度為45°～60°。植被護坡工程于2013年7月完成施工。試驗陽坡的物種設計采用喬木+灌木+草本的立體組合模式，具體選用的物種種類及播種量見表1，播種后的覆土厚度為2 cm。

表1 試驗路段高速公路邊坡生態(tài)恢復物種設計方案

2．2 恢復效果調查方法 2013年8月～2014年8月期間，在植物生長季定期監(jiān)測試驗邊坡植被的生長和恢復效果。調查主要通過樣帶和坡面固定樣方跟蹤調查的方式進行，調查方法是:選擇典型路塹陽坡坡面作為樣地，從坡頂向坡麓，在上、中、下部位各布設4個1 m×1 m的樣方，測定樣方內的植物種類、高度、密度、群落覆蓋度、地上生物量、葉綠素含量等生物學指標，并對每個樣方周邊5 m×5 m范圍內出現的新植物種類進行登記。其中覆蓋度的調查采用樣方點測法，即將1 m×1 m的樣方等分成為100個10 cm×10 cm的小網格，對每個網格節(jié)點登記是否在點向地面的垂線方向被植物體分布，最后統(tǒng)計有植物體分布的總點數與所有網格點數的比值，并以此作為覆蓋度指標，用百分數表示。為減少對護坡植被的破壞，生物量的測定為選取1 m×1 m樣方中的1/4，即剪取樣方內50 cm×50 cm的植株地上部分，帶回室內烘干后稱重。葉綠素熒光比率(CFR)和相對葉綠素含量采用美國OPTI-sciences CCM-300葉綠素含量測量儀測定。根據對坡面植被調查數據，還計算了群落各物種的相對比例和Shannon-Weiner多樣性指數。

此外，為了更好地對比和說明坡面植被的恢復效果，研究還對試驗陽坡對面的陰坡和試驗陽坡附近的草原群落進行了植物樣方調查，記錄了各群落的植物種類組成及相關生長指標。

3 結果與分析

3．1 物種數目變化 試驗陽坡的初始設計物種為12種(表2)，在坡面植被建植后1個月(2013年8月)左右，有7種植物順利出苗生長，并在建植1年后(2014年)仍然存活，表明這7種植物基本能夠適應當地氣候和土壤等條件。此外，在坡面植被建植當年，有8種樣地外鄉(xiāng)土植物進入護坡植被群落，在建植后第1年，有14種鄉(xiāng)土植物進入護坡植被群落，坡面總物種數目分別達到了15種和21種，鄉(xiāng)土植物種在群落中所占的比例呈現穩(wěn)定增加趨勢，而附近草原群落的常見物種數目介于二者之間，表明坡面群落在初始設計物種的基礎之上，正在向適應當地環(huán)境條件的群落演替。

陽坡的這個特征與陰坡形成了鮮明對比。調查數據顯示，陰坡僅在建植當年有8種鄉(xiāng)土植物進入邊坡(與陽坡相同)，而此后一年無更多鄉(xiāng)土植物侵入。這表明本地區(qū)高速公路陰坡坡面的護坡植物群落在建植后的一段時間內，不利于本地植物的進入。究其原因，可能在于陰坡坡面播種的植物能夠形成較大蓋度，對當地侵入植物形成較大競爭壓力。而相對干旱的陽坡生境，因水分等條件較差，人工播種的植物蓋度不高，為本地植物成功侵入提供了較多生態(tài)位。

表2 路塹陽坡生態(tài)恢復群落物種數目變化及對比

3．2 種類組成變化

3．2．1 優(yōu)勢物種變化。根據陽坡初始設計的播種種類及其數量，對照建植后坡面植被群落中各物種的密度及蓋度，計算出了陽坡生態(tài)恢復群落的物種相對比例變化(圖1)。根據統(tǒng)計結果，初始設計物種在建植當年和建植后第1年分別表現出相對比例增加、減少和先增加后減少3種趨勢。其中，沙打旺、紫花苜蓿、波斯菊的相對比例表現為逐年增加，相對比例分別由初始設計比例的13．25%、5．3%、0．21%，增加到建植后第1年的68%、10%、2．9%。榆樹、紫穗槐、檸條、刺槐、臭椿、沙棘、火炬樹、野菊花的相對比例表現為逐年下降，其中刺槐、臭椿、沙棘、火炬樹、野菊花在坡面植被建植1年后在群落物種組成中消失。胡枝子初始設計時的相對比例僅為2．36%，然而其在建植當年的出苗率非常高，再加上受到其他物種出苗率低的影響，相對比例達到20．71%，但是在建植1年后又大量減少，相對比例降低到1．4%。

按照相對比例大于10%的標準確定坡面優(yōu)勢物種，可以得出，在陽坡植被建植當年，群落優(yōu)勢植物由榆樹、胡枝子、沙打旺3個物種構成;建植1年后，坡面優(yōu)勢物種變?yōu)樯炒蛲妥匣ㄜ俎?，其中沙打旺在陽坡占據絕對優(yōu)勢地位。

3．2．2 生活型比例變化。在陽坡初始設計物種中，喬木、灌木、草本3種生活型的種類比例為1∶1∶1，根據建植當年出苗調查結果(此次調查在播種后1個月左右，因此某些木本植物可能尚未出苗)，刺槐、臭椿、火炬樹3種喬木種子出苗率較低或未出苗，灌木沙棘出苗率較低或未出苗，草本植物野菊花未出苗，喬木和灌木在群落中所占比例下降。建植后第1年，邊坡上的喬木和灌木物種與建植當年8月相同，但草本植物由建植當年的11種增加到了17種，當地鄉(xiāng)土草本植物大量進入護坡群落，因此喬木和灌木所占的比例進一步降低，喬灌草物種比例達到1∶3∶17(表3)。對比試驗邊坡周邊的天然草原后發(fā)現，天然草原中幾乎沒有喬木生長，僅有少量灌木存在，主要還是因為該區(qū)域降雨量偏少，而且地下有深厚且不利于植物根系生長的鈣土層，所以大多數木本植物很難生長。另外，根據樣方調查結果，天然草原中的喬木、灌木、草本物種數目的比例約為0∶2∶19，而此比例恰好與陽坡喬灌草比例相接近，這說明護坡植物群落中各物種的生活型比例也正在向當地自然群落進行過渡。

0∶2∶19這個比例對于內蒙古中東部地區(qū)路域邊坡植被恢復過程中，關于喬、灌、草的物種選配比例具有明顯的指導意義:在此區(qū)域內進行路域護坡實踐時，應充分考慮氣候及土壤因素對植物生長的制約，盡量限制喬木的使用，主要使用多年生旱生草本植物，適量搭配耐旱、耐寒型灌木。如果選擇喬木物種，則應采取澆水、除草等相應的特殊管護措施。

表3 路塹陽坡生態(tài)恢復群落不同生活型種類數目變化及對比

3．2．3 各科植物比例變化。在陽坡植被恢復群落中，禾本科植物沒有設計在初始播種物種中，邊坡中出現的禾本科植物均為樣地外侵入，并在群落建植當年占到了一定比例(13%)，但1年之后比例開始下降(5%)。豆科植物的初始播種數量比例(49%)與自然環(huán)境(42%)最為接近，在播種當年8月份比例略有上升，到第2年8月份比例急劇上升，占到坡面總數量的83%，結合樣方數據分析，主要是由于沙打旺和紫花苜蓿兩種豆科植物數量上升所致，尤其是沙打旺已經成為了陽坡群落的最優(yōu)勢物種。菊科植物初始播種數量比例為2%，而在天然草原中的數量比例為3%，二者比較接近，建植當年野菊花未出苗，但有一定數量的鬼針草侵入護坡群落，使菊科所占比例略有上升，建植1年后所占比例下降(1%)，主要組成物種是波斯菊和菊科蒿屬中的一些植物。初始設計中的其他科植物主要集中在喬灌木種類，如榆樹(榆科)、臭椿(苦木科)、沙棘(胡頹子科)、火炬樹(漆樹科)，由于除了榆樹外的其他喬灌木在建植后均出現了大量減少，因此其他科數量相對比例下降較為明顯，但在建植后的1年時間里，樣地外的藜科，如藜(Chenopodium album)、豬毛菜(Salsola collina);十字花科，如油菜(Brassica campestris);車前科，如車前(Plantago asiatica)等植物開始侵入，因此也在一定程度上減緩了其他科植物的數量下降比例。

3．3 物種多樣性變化 群落的物種多樣性既體現了生物之間及生物與環(huán)境之間的復雜關系，又體現了生物資源的豐富性［7－10］。從圖3可以看出，路塹陽坡在植被恢復當年表現出了較高的物種多樣性，而到了建植1年后開始下降，物種多樣性低于天然草原群落。這是因為有兩個因素影響著Shannon-Wiener物種多樣性指數，一是物種豐富程度，二是各種間個體分配的均勻性，即群落物種豐富程度越高，物種個體分配越均勻，Shannon-Wiener多樣性指數越大。結合樣方調查數據分析，陽坡物種的豐富程度在建植后第1年有所升高，由建植當年的15種增加到了21種，但是從各物種所占的數量比例來看，沙打旺和紫花苜蓿兩個物種占到了78%，導致群落各種間個體分配極不均勻，因此物種多樣性處于較低水平，這與已有研究結果一致［11］。

3．4 植物葉綠素含量變化 葉綠素是存在于植物細胞中的一類極為重要的綠色色素，是綠色植物進行光合作用時吸收、轉化和傳遞光能的主要物質。植物中的葉綠素含量直接影響植物的光合作用、營養(yǎng)吸收等過程，因此被廣泛用作植物生長的常規(guī)監(jiān)測指標［12－13］。另外，影響植物體葉綠素含量的因素主要有光照、溫度、土壤營養(yǎng)元素等，所以葉綠素含量除了可以反映植物的生長情況外，也可以作為反映生境條件的綜合指標［14－15］。

表4中列出了試驗路段陽坡和陰坡主要優(yōu)勢物種的葉綠素熒光比率(CFR)和相對葉綠素含量，從表中可以看出，絕大多數測定物種在陽坡上的CFR值和相對葉綠素含量均高于陰坡，即從理論上來說，這些物種更適于陽坡生長。其中沙打旺、紫花苜蓿、老芒麥(Elymus sibiricus)、白草(Pennisetum centrasiaticum)4種植物的CFR值和相對葉綠素含量增加比較明顯，表明這4種植物相對于白花草木樨(Melilotus alba)更適合于陽坡生長。另外，測試物種中只有賴草(Leymus secalinus)的CFR值是陰坡大于陽坡，表明該物種更適于陰坡環(huán)境生長。

表4 不同坡向路塹護坡群落優(yōu)勢物種葉綠素含量比較

此外，陽坡中同一種植物生長在不同坡位時，其CFR值和相對葉綠素含量也表現出了一定的差異，沙打旺、紫花苜蓿、草木樨、老芒麥在坡下部的CFR值和相對葉綠素含量高于坡頂部(表5)。這說明對于陽坡而言，坡上部立地條件更為惡劣，土質更為干旱，植物生長受到地形、光照、土壤水分、養(yǎng)分等多重因素的影響，長勢較弱;而坡下部由于水分較好，長時間累積后土層加厚，坡度變緩，土壤營養(yǎng)元素富集，因此植被長勢良好［9，16］。

表5 路塹陽坡不同坡位優(yōu)勢物種葉綠素含量比較

4 結論與討論

植被護坡的物種組成及在未來的變化發(fā)展趨勢對高速公路路域景觀和邊坡結構的穩(wěn)定具有重要影響。坡面初始設計物種的變化及當地鄉(xiāng)土物種的侵入反映了邊坡植物群落的演替過程，這個過程將直接決定坡面最終植物群落的建成情況和對坡面表層及深層土壤的保護程度。在內蒙古干旱半干旱的區(qū)域條件下，路塹陽坡與天然草原的生態(tài)條件更加接近，鄉(xiāng)土植物在護坡群落建植初期更易侵入。

在路塹陽坡植被建植后的演替過程中，群落物種數目和植物生活型構成比例兩個指標逐漸與天然草原相接近，體現出了人工群落對生境條件的逐步適應和向自然植被進行過渡的趨勢。而群落中優(yōu)勢種和優(yōu)勢科兩個指標與天然草原差異較大，在植被護坡建植1年后，坡面植被主要被豆科植物占據優(yōu)勢，其他科植物受豆科植物競爭影響較大。這種現象導致的結果是，護坡群落物種多樣性較低，地上生物量短期內快速增加。較低的物種多樣性降低了群落的抗擾動能力，而較高的地上生物量又預示著植被對坡面地表和地下部分起到了很好的保護和穩(wěn)固作用［17］，這是一個相對矛盾的結果。如何協調二者在群落演替過程中的利弊作用，是筆者接下來的重要工作之一。

根據對研究結果的分析可知，針對內蒙古中東部地區(qū)的生態(tài)恢復物種種類篩選，應該主要以草本植物為主，而且應首選豆科和禾本科植物，其次考慮少量搭配耐寒、耐旱型灌木，而對于喬木物種則建議不使用。另外，通過試驗路段主要優(yōu)勢物種的CFR值和相對葉綠素含量可知，沙打旺、紫花苜蓿、老芒麥、白草、草木樨5種草本植物更適應于陽坡生境生長，而賴草則更適應于陰坡生境生長。并且位于邊坡下部的植物生長情況要好于邊坡上部。這些特征一方面反映出了植物的生態(tài)適應能力，另一方面也反映了坡面不同部位生態(tài)條件的差異，因此這些因素在路域邊坡生態(tài)恢復實踐中應予以充分考慮。

［1］BRADSHAW A．The use of natural processes in reclamation:Advantages and difficulties［J］．Landscape and Urban Planning，2000，51:89 －100．

［2］陶巖，江源，顧衛(wèi)，等．內蒙古中部高速公路邊坡植被恢復研究［J］．中國水土保持科學，2006，4(S1):61 －66．

［3］WANG Z Q，WU L H，LIU T T．Revegetation of steep rocky slopes:Planting climbing vegetation species in artificially drilled holes［J］．Ecological Engineering，2009，35:1079 －1084．

［4］江源，陶巖，顧衛(wèi)，等．高速公路邊坡植被恢復效果研究［J］．公路交通科技，2007，24(7):147 －152．

［5］劉春霞，韓烈保．高速公路邊坡植被恢復研究進展［J］．生態(tài)學報，2007，27(5):2090－2098．

［6］ADOLFO C，RAUL N，IBONE A，et al．Local topoclimate effect on shortterm cutslope reclamation success［J］．Ecological Engineering，2002，18:489－498．

［7］鄒蜜，羅慶華，辜彬，等．生境因子對巖質邊坡生態(tài)恢復過程中植被多樣性的影響［J］．生態(tài)學雜志，2013，32(1):7 －14．

［8］潘樹林，辜彬，李家祥．巖質公路邊坡生態(tài)恢復土壤特性與植物多樣性［J］．生態(tài)學報，2012，32(20):6404 －6411．

［9］馬旭東，張?zhí)K峻，蘇志堯，等．車八嶺山地常綠闊葉林群落結構特征與微地形條件的關系［J］．生態(tài)學報，2010，30(19):5151 －5160．

［10］孫懦泳，李博，諸葛陽，等．普通生態(tài)學［M］．北京:高等教育出版社，1997:104－l12．

［11］ALDAY J G，MARRS R H，RUIZ C M．The importance of topography and climate on short-term revegetation of coal wastes in Spain［J］．Ecological Engineering，2010，36:579 －585．

［12］王平榮，張帆濤，高家旭，等．高等植物葉綠素生物合成的研究進展［J］．西北植物學報，2009，29(3):629 －636．

［13］胡頌平，梅捍衛(wèi)，鄒桂花，等．正常與水分脅迫下水稻葉片葉綠素含量的QTL 分析［J］．植物生態(tài)學報，2006，30(3):479－486．

［14］趙娟，宋媛，毛子軍．蒙古櫟幼苗光合作用以及葉綠素熒光對溫度和降水交互作用的響應［J］．北京林業(yè)大學學報，2013，35(1):64 －71．

［15］王文杰，李文馨，祖元剛，等．紫莖澤蘭莖和葉片色素及葉綠素熒光相關參數對不同溫度處理的響應差異［J］．生態(tài)學報，2009，29(10):5424－5433．

［16］秦松，樊燕，劉洪斌，等．地形因子與土壤養(yǎng)分空間分布的相關性研究［J］．水土保持研究，2008，15(1):47 －52．

［17］梁彥濤，徐太海，金連豐，等．豆科植物在生態(tài)恢復方面的應用研究進展［J］．安徽農業(yè)科學，2014，42(20):6637 －6638，6655．