太行山高速邯鄲段道路兩旁植物凈化、抗寒及固土能力研究

王春云，彭 斌，喬建剛

（1.保定職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 保定071051；2.河北工業(yè)大學(xué) 土木與交通學(xué)院，天津300401）

0 引言

隨著我國(guó)山區(qū)高速公路的不斷開發(fā)建設(shè)，山體原始環(huán)境遭受破壞的現(xiàn)象愈發(fā)嚴(yán)重。生態(tài)恢復(fù)技術(shù)作為保證“綠水青山就是金山銀山”理念實(shí)施的前提，選擇出適宜的植物品種非常重要。盡管影響植物選擇的因素較多，不同植物對(duì)于氣候生長(zhǎng)環(huán)境的要求也不盡相同，但都應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)氐淖匀画h(huán)境以及實(shí)際需求進(jìn)行開展。當(dāng)前關(guān)于植物與環(huán)境的相互關(guān)系已經(jīng)有很多學(xué)者進(jìn)行了研究。陳冬霞等[1]研究草本植物對(duì)城市面源污染重金屬的去除能力，選擇北方地區(qū)常見的3種草本植物紫花苜蓿、早熟禾、黑麥草，通過(guò)水培實(shí)驗(yàn)考察了3種草本植物對(duì)微污染重金屬Cu、Cd、Pb的凈化能力；高志慧[2]以鐵線蕨、鳥巢蕨和腎蕨為材料，采用煙熏法測(cè)定了其對(duì)甲醛的凈化能力以及電導(dǎo)率、丙二醛含量、超氧物歧化酶活性和過(guò)氧化物酶活性等生理指標(biāo)；楊旸等[3]開展了植物固土能力分析模型的研究；潘翠萍等[4]以6個(gè)枇杷品種為試驗(yàn)材料，研究了低溫脅迫對(duì)枇杷幼果種胚相對(duì)電導(dǎo)率、丙二醛、脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白含量的變化；楊丹等[5]以3種陰生地被植物麥冬、虎耳草和紫萼玉簪為研究材料，采用人工模擬熏氣方法，測(cè)定不同濃度SO2脅迫下測(cè)試植物的外觀受害癥狀，以及膜質(zhì)過(guò)氧化、保護(hù)酶活性、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)等生理指標(biāo)；陳寶強(qiáng)等[6]通過(guò)遙感和GIS技術(shù)對(duì)植被群落調(diào)查得到晉西黃土區(qū)陡坡的植被恢復(fù)狀況。上述大多都是從單一角度進(jìn)行分析，而從綜合性優(yōu)化方向進(jìn)行生態(tài)植物品種選擇的研究比較少。所以用多目標(biāo)決策分析法定量確定適合太行山的植物類型，對(duì)于今后植物的選擇具有重要的參考意義。

1 太行山植物調(diào)查統(tǒng)計(jì)

太行山高速公路邯鄲段項(xiàng)目起于武安市上焦寺村西北的邢臺(tái)、邯鄲市界，止于涉縣合漳鄉(xiāng)邰家口村東的漳河冀豫省界，全長(zhǎng)68.685km，具有促進(jìn)地域溝通和發(fā)展生產(chǎn)的重要意義。通過(guò)對(duì)當(dāng)?shù)氐奈锓N實(shí)地調(diào)研，結(jié)合本土的氣候條件，選配了部分植物種類。其中取樣方法是：沿邯鄲段道路縱向取樣長(zhǎng)度為每隔5千米，橫向取樣長(zhǎng)度為公路兩側(cè)左右各200米，200米內(nèi)每隔20米取1m×1m的區(qū)域，采集該區(qū)域范圍內(nèi)植物的種類、名稱、株數(shù)及陰影面積，具體見圖1、圖2所示。

經(jīng)過(guò)調(diào)查統(tǒng)計(jì)分析可得到適合太行山區(qū)的植物有喬木：臭椿、山楂、加拿大楊、核桃等；灌木：連翹、紫穗槐、荊條、大葉黃楊、紫丁香等。草本：沿階草、白三葉等。后期以常見喬木和灌木共7種植物作為對(duì)象開展相關(guān)的分析。

2 影響因素的選擇

太行山地區(qū)公路建設(shè)破壞了大量山體，對(duì)山體的自然環(huán)境進(jìn)行生態(tài)恢復(fù)工作勢(shì)在必行。所以結(jié)合道路景觀、土木工程、植物學(xué)等理論，采用多目標(biāo)決策理論對(duì)影響太行山區(qū)域生態(tài)植物選擇的相關(guān)因素進(jìn)行了分析。具體包括植物的凈化能力、抗寒能力及固土能力三個(gè)方面，同時(shí)將其作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過(guò)對(duì)比分析，得到適合太行山地區(qū)生長(zhǎng)的植物，其中不同植物的SO2吸收量、抗寒溫度以及根系長(zhǎng)度如表1所示。

表1 植物SO2的吸收量、抗寒溫度及根系長(zhǎng)度表

2.1 凈化能力

大氣中的主要污染物為二氧化硫、氯氣和氟化氫等，其中二氧化硫在河北地區(qū)長(zhǎng)期處于較高水平，破壞生態(tài)環(huán)境的同時(shí)，很容易引起呼吸道疾病，影響人體健康[7-8]。植物對(duì)于自然環(huán)境的物質(zhì)循環(huán)以及能量流動(dòng)有至關(guān)重要的作用，植物不僅對(duì)環(huán)境中的污染物有一定抵抗力，更重要的是他們可通過(guò)葉片和枝干吸收污染。其中經(jīng)植物體自身的氧化還原作用，生成無(wú)毒物質(zhì)排出或者儲(chǔ)存在植物體內(nèi)的過(guò)程稱為植物的凈化過(guò)程。不同植物的吸收能力不同，其吸收量的多少可表征其凈化能力的大小。以SO2為例，各種植物對(duì)SO2吸收量如圖3所示。

由圖3可知，加拿大楊、臭椿、紫丁香、山楂等吸收SO2較強(qiáng)。

2.2 抗寒能力

植物抗寒性包括抗冷性和抗凍性。零上低溫對(duì)植物的傷害稱為冷害，植物對(duì)冰點(diǎn)以上低溫的適應(yīng)叫抗冷性。零下低溫對(duì)植物的傷害稱為凍害，植物對(duì)冰點(diǎn)以下低溫的適應(yīng)叫抗凍性。不同的耐寒性一定程度反映了植物的越冬的生存耐久性。太行山邯鄲段年平均氣溫在10℃左右，1月份最冷，平均氣溫為-5℃，平均最低氣溫在-10℃左右，極端最低氣溫-18.3℃。由于溫度是影響植物地理分布的一個(gè)重要影響因素，且不同的植物對(duì)于溫度的要求不同，且抗寒能力也相差很大。通過(guò)查閱得到植物抗寒性如圖4所示。

可見核桃、山楂、加拿大楊抗寒性較強(qiáng)。

2.3 固土能力

水土流失是指土壤在水的浸潤(rùn)和沖擊作用下，其結(jié)構(gòu)發(fā)生破碎與破壞[9-10]。其中降雨強(qiáng)度、邊坡角度、地表土質(zhì)環(huán)境及植被狀況等是影響水土流失的重要原因。而植物根系作為其自身重要的組成部分不僅能吸收所需要的養(yǎng)分，還能錨固土壤防止水土流失，對(duì)邊坡起到很好的防護(hù)作用。植物固土能力的大小與根系的生物量、根密度、根系長(zhǎng)度、根長(zhǎng)密度以及根表面積密度等有關(guān)。考慮根系長(zhǎng)度對(duì)于固土能力的影響，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)采集樣本，得到植物根系長(zhǎng)度如圖5所示。

可見加拿大楊、臭椿植物根系長(zhǎng)度較長(zhǎng)，說(shuō)明固土能力較優(yōu)異。

3 多目標(biāo)決策法應(yīng)用

多目標(biāo)決策法是20世紀(jì)70年代后迅速發(fā)展起來(lái)的一個(gè)重要方法，當(dāng)某個(gè)工程方案的選擇取決于多個(gè)目標(biāo)的滿足程度，就將其稱為多目標(biāo)決策[11-12]。多目標(biāo)決策數(shù)學(xué)模型包括3個(gè)要點(diǎn)：決策變量、目標(biāo)函數(shù)和約束條件，通常運(yùn)用以下模型進(jìn)行表達(dá)：

式中：

根據(jù)“化多為少”的需要，選用多目標(biāo)決策中的線性加權(quán)和法，將多目標(biāo)函數(shù)的n個(gè)分量fnxn（）按相應(yīng)的準(zhǔn)則加權(quán)后，再以相關(guān)方式進(jìn)行求和做出新評(píng)價(jià)函數(shù)，最后對(duì)此新評(píng)價(jià)函數(shù)進(jìn)行單目標(biāo)極大化得到最優(yōu)解。例如，設(shè)有m個(gè)目標(biāo)f1（x1）,f2（x2）,…,fm（xm），它的權(quán)系數(shù)為λi，新評(píng)價(jià)函數(shù)為：

其中：fi（xi）為目標(biāo)函數(shù)為權(quán)系數(shù)。

基于上述多目標(biāo)決策理論，將凈化性能、抗寒性能、固土性能三個(gè)指標(biāo)作為太行山植物選擇目標(biāo)最優(yōu)化的三個(gè)目標(biāo)，吸收二氧化硫量、抗寒、根系長(zhǎng)度定義為f1（ x1）、f2（ x2）、f3（ x3），對(duì)f （x）規(guī)范化，帶入新函數(shù)后，得到max U（x）等于1的是加拿大楊，因此加拿大楊為最優(yōu)，其次為連翹、紫丁香，不同植物抗性系數(shù)對(duì)比如表2所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

以太行山植物的優(yōu)化選擇為目的，結(jié)合凈化能力、抗寒能力以及固土能力，應(yīng)用多目標(biāo)決策法，選擇適合太行山的灌木為示例，決策出最佳植物為后期的生態(tài)恢復(fù)提供選擇，對(duì)今后關(guān)于生態(tài)植物選擇的方向提供了相關(guān)理論依據(jù)。

表2 不同植物的抗性系數(shù)對(duì)比