高速公路岩质边坡植被恢复模式特征研究——以北京－承德高速公路（三期）为例

乔领新，刘荣堂

（甘肃农业大学 草业学院/草业生态系统教育部重点实验室/甘肃省草业工程实验室/中－美草地畜牧业可持续发展研究中心，甘肃 兰州 730070）

山区高速公路建设中，不可避免要进行边坡开挖，改变原有地形地貌，破坏边坡原有植被，形成大量次生裸露岩土边坡，很容易引发严重的生态问题［1］。形成的次生裸露岩土边坡不具备植物生长的条件，其植被自然恢复是一个漫长的过程。采用边坡生态修复技术，加速边坡植被的建立与恢复，能够有效实现边坡植被覆盖。

目前，国内对高速公路的边坡生态修复已有大量研究，主要集中在生态恢复技术的应用方面。张俊云等［2］针对岩质边坡的植被防护，研究开发了厚层基材喷射植被护坡技术；许文年等［3］研究开发了植被混凝土护坡技术。此外，也有学者对护坡植物的适应性和功能作了初步研究［4］。但对于植被恢复工程竣工后的植被动态研究较少。为此，试验以北京－承德高速公路（三期）边坡植被恢复为例，探讨了岩质边坡植被恢复过程中植被及土壤特性，为我国北方地区道路岩质边坡植被恢复与重建提供理论参考。

1 试验区概况

试验地位于北京市密云县周禾庄村附近，边坡地处标段 K122＋400～K122＋600段左侧，N 40°30′，E 117°30′。坡面3级，边坡坡比1∶0.5，边坡上层为亚粘土（混碎石）、碎石土，下层为弱风化白云岩，但坡面有节理发育，植物自然恢复生长困难。该路线所在区域属于温带大陆季风气候，春季多风沙，夏季炎热多雨，冬季干燥寒冷，年均气温11.4℃，最热为7月，极端最高气温40.5℃，1月平均气温－4.8℃，极端最低气温－19.1℃。无霜期191d。年均降水量611.8 mm，76%集中在夏季。京承高速（三期）公路沿线植被属于温带落叶阔叶林区，主要树种为乔木既辽东栋（Quercus hootungensis）、山杨（Populus davidiana）、侧柏（Platycladus orientalis）、刺槐（Robinia pseudoacacia）等；灌木包括荆条 （Verbenaceae）、胡枝子（Lespedeza bicolor）、绣线菊 （Spiraea trilobata）、山杏（prunus armniaca）、酸枣（Ziziphus jujuba）等；草本主要以狗尾草（Setaria viridis）和白羊草（Bothriochloa ischaemum）为主。

2 材料和方法

试验坡面人工土壤层的构建采用厚层基材喷播技术，人工土壤厚度10cm，设计为上下2层。下层为客土层，由土壤、草炭、有机堆肥、保水剂、粘结剂构成，厚度8cm；上层为种子层，由种子和土壤构成，厚度为2cm。竣工后测定全层土壤的化学性质，土壤的化学性质（表1）。

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

2.1 试验材料

试验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日种植，种植后粗放管理。

2.2 研究方法

2009年5～9月在边坡上、中、下坡面随机设3个1m×1m样地作为调查样方，并用标签标记。调查内容包括植物种类、植物高度、植被覆盖度、土壤pH值、土壤有机质、土壤全氮、土壤有效磷、土壤有效钾。同时记录样方内的植物种类；从植株基部到茎顶端的自然高度来测定株高，分别对所选的同种植物同一阶段的株高数据取平均值；覆盖度采用针刺法。测定土壤理化性质［5］：土壤容重、土壤pH、土壤有机质、土壤全N、土壤速效P、土壤速效K。植被调查时间分别在5月1日、6月1日、7月2日、8月1日、9月1日进行土壤每隔60d采样分析1次，分别于5月1日，7月2日和9月1日。

3 结果与分析

3.1 植被覆盖度变化

植被覆盖度是衡量一个植物群落生长状况及其保持水土能力的重要指标，与植物群落类型、群落结构等关系密切。公路边坡植被恢复初期，植被护坡群落覆盖度表现出逐渐上升的趋势（图1）。坡面植被建植后，草本植物生长迅速，6月播种30d后植被覆盖度为30%。7月温度升高，草本植物进入夏眠，基本停止生长，而灌木生长迅速。8月试验坡面植被覆盖度90%，此时，移栽灌木的高度明显高于草本，复层群落结构特征日渐明显。9月野菊花开花后，生殖枝枯萎，植被覆盖度降低。研究分析可知，植被覆盖度具有明显的季节动态变动。坡面人工植被建植后，草本植物生长迅速，可以在较短的时间内形成较高的植被覆盖度，同时草本植物对坡面的迅速覆盖可有效截留雨季降水，降低雨滴对坡面的直接渐蚀，同时削弱阳光对坡面土壤的直射，控制土壤水分蒸发，有利于灌木的生长。

图1 不同月份覆盖度变化动态Fig.1 The Change of vegetation coverage with different month

3.2 植被高度变化

坡面人工植被建立后，各种植物的生长基本符合“S”型生长规律。5、6月，植物株高差异不明显，植物群落中草本和灌木均未表现出竞争优势。7月高羊茅高度达到峰值为30cm，而后生长停滞；此时紫花苜蓿、野菊花、胡枝子、紫穗槐株高增加，其中，野菊花的高度增加尤为明显，8月高度达80cm，表现出明显的竞争优势；而胡枝子的生长比较缓慢，8月的高度仅为18.1cm，其生长明显受到草本植物和野菊花的影响。8月植物高度顺序依次为野菊花＞紫穗槐＞沙打旺＞苜蓿＞高羊茅＞胡枝子。9月，野菊花开花后停止生长，紫穗槐高度达到71.5cm，紫花苜蓿和胡枝子生长缓慢，株高变化不明显（图2）。

图2 植物株高变化动态Fig.2 Change of plant height

不同植物在相同的生境条件下的生长上存在差异，不仅与植物自身的生物学特性有关；还与植物对养分、水分、光照的竞争有关。灌木中胡枝子的生长受到抑制，生长缓慢；而移栽紫穗槐的生长初期避免了与草本植物资源竞争，生长迅速。

3.3 坡面植物种类组成变化

坡面施工后由于建立了人工土壤层和人工植被，边坡地表环境改变，侵入物种易于生存。从表2可以看出，5月初始设计播种物种完全存活，随着时间的推移，降雨的增加，试验坡面草本植物种类不断增加，物种数量达到12种（其中，自然入侵物种数6种），侵入物种以1年生先锋乡土草本植物为主，分属3个科6个属（表3）。

表2 样地内植物物种数量的变化Table 2 The quantitative change of plant species in the plot

表3 入侵植物种类Table 3 The species of invasive plants

3.4 土壤理化特征

土壤是植物生长的主要环境因素，边坡植被建立的过程，也是植物与土壤相互影响和相互作用的过程，在这个过程中土壤养分处于不断地变化中［6］。通过不同时间段采样，测定土壤容重、有机质、全氮、有效磷、有效钾，分析结果不同（表4）。

土壤容重是单位原状土壤体积内干土的重量，受土壤质地、结构性和松紧度以及土壤有机质含量的影响，反映了土壤孔隙多少和疏松紧实的程度。不同时间内采样，分析结果显示9月与5月比较土壤容重减小0.036g/cm3，不同时间内土壤容重差异不显著。人工植被建立后，植被覆盖以及不同植物根系挤压、分割作用，改善了土壤结构，土壤容重呈下降趋势。

土壤有机质是土壤肥力的重要物质基础，是评价土壤质量的一个重要指标。土壤有机质可提高土壤养分的有效性，而且可促进团粒结构的形成，改善土壤的透水性、蓄水能力及通气性，增强土壤的缓冲性等［7］。研究发现不同时间内土壤有机质含量差异不显著。随着植物的生长，土壤有机质呈下降的趋势，植物生长后期，下降变缓慢；5月与7月比较，下降4.8%，7月与9月比较下降2.2%。分析认为，5～7月为植物生长旺季，需要大量地吸收养分以保证其正常生长，土壤有机质含量降低。

氮素是植物必须元素之一，土壤全氮含量表明土壤氮素的总储量，反映土壤总体供氮潜力，土壤全氮含量是土壤肥力的一个基本指标。从3次测定结果分析（表4），土壤全氮差异不显著。分析结果，5～7月是植物的生长高峰期，对氮素的需求量大，土壤储存的氮释放，因消耗远大于供应，所以土壤全氮含量是降低的。

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

土壤有效磷和速效钾的含量水平也是评价土壤质量的重要指标。研究发现9月与5月相比较土壤有效磷和速效钾含量差异达显著水平（P＜0.05），9月与7月比较差异不显著。人工植被建立后，随着植物的生长，植物对养分的吸收，有效磷与速效钾的含量下降；另外，土壤中有效磷和速效钾以离子形式存在，经过雨水的淋溶，也导致土壤中含量的降低。

4 讨论与结论

（1）在岩质坡面植被恢复中，灌木和草本植物形成混合群落具有的组合优势，并可加快促进受损生态系统的恢复。通过护坡植物中草本与灌木的合理搭配，实现草灌共存的混合群落。灌草结合的护坡形式，充分利用草本植物速生、覆盖率高及灌木植株较高、灌幅大、根系深的优点，形成灌草结合的混合植物护坡结构，发挥植物间的互补依存关系，逐渐改善坡面微环境，实现植物护坡的可持续发展［8］。

（2）从试验结果与分析可以看出，随时间的推移，初始播种物种的覆盖度、植株高度、植物种类组成均发生变化。植被覆盖度是一个重要的生态学参数，有学者认为植被覆盖度作为植被恢复效果的指标［9］。在植被恢复重建过程中，随着物种的数量增加，物种多样性同时增加，物种多样性是群落多样性的一个方面，物种多样性的提高增加了群落的稳定性。

（3）土壤的养分水平影响到植被恢复的后期效果，在人工植被建立后，土壤的理化性质发生了变化，土壤容重随植物的生长呈下降趋势，而土壤全氮、有机质、有效磷、速效钾含量随时间的推移呈下降趋势。土壤氮、磷、钾含量的高低，直接关系到土壤供肥能力的强与弱，保持土壤中氮、磷、钾的动态平衡是非常重要的因素之一。

（4）试验研究只对植被地上部分数量特征（高度、盖度）作调查分析，对于植物群落生物量的测定没有涉及。研究尚需进行连续长时间的群落生长动态变化分析以及土壤养分的动态变化，以便更深入地研究高速公路边坡植被恢复机理并采取有效的恢复措施。

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