高陡石质边坡生态修复初期植物组合优化研究

贺握权 李志丹 高桂娟

摘 要 以广东石质边坡14种常用植被为研究对象，设置15种组合，利用液压喷播优化基质，观测植被群落初期动态变化特征及基质硬度与基础呼吸特性，以期为高陡石质立面中后期植被群落生长提供合理的预测。结果显示，各指标主要受草本植物组合比例影响。初期呈现茂盛生长的草本植物群落组合，显著影响乔、灌木的成活率、生长高度和生物量（p<0.05）。随时间延长，基质基础呼吸值随草本植物比例增加及组合覆盖速率增长呈先上升后下降趋势，即过快的草本覆盖速度反而抑制了土壤呼吸。基質硬度随组合物种多样性及地下生物量的增加而降低，即在施工早期，根部初期生长较慢的植物种占据优势可有效提高基质硬度，增强坡体土壤稳固性。组合总生物量与物种多样性之间相关性不显著（p>0.05）。表明合理的草本植物喷播比例是影响高陡石质边坡生态修复草、灌、乔各目标植物在时空上逐步向稳定和合理的分布格局发展的关键因素。

关键词 高陡石质边坡；生态修复；植物组合优化

中图分类号 Q146 文献标识码 A

受损高速路高陡石质边坡的生态恢复与重建成为当前恢复生态学研究热点之一。据统计，在我国每建设1 km高速公路，形成的裸露坡面面积约5～7万m2[1]，我国高速路建设每年形成的边坡面积约2～3亿m2[2]，从而造成的高陡裸露石质边坡面积也越来越多。目前，国内外进行此类受损边坡人工生态修复技术（如液压喷播、植被混凝土护坡绿化、三维植被网喷播植草、厚层基材喷射植被护坡、边坡TBS植被护坡绿化等[3-5]）应用的关键之一就是人工喷播基质及修复植被群落的合理性。但近年存在的主要问题在于工程峻工后景观效果自然维持时间太短，而且工程实施后普遍存在立面生境改善不明显、群落结构简单、植物死亡快及成本高等问题[6-8]。一般都会在生态修复初期，呈现植物生长旺盛，水土保持也不错的效果，然而随着时间的推移，植物群落就会出现衰退现象，复绿植被趋向单一化，最终难以形成稳定的植物群落[9]。其主要原因之一是对草、灌、乔合理的组合搭配考虑较少，要么侧重短期的恢复效果，要么强调施工成本，甚至出现直接播种单一灌木（如广河高速收费站36 km处边坡植被全为灰毛豆）或单一草本的现象（如韶赣高速公路某段边坡植被全为百喜草），植物群落缺乏多样性[10]。任何一个稳定的植物群落都是由多种的植物种类所组成，因每一种植物对环境各有一定的要求和反应，在群落中各处于不同的地位，起着不同的作用[11-12]。如何利用植被恢复重建被破坏的高陡石质边坡，重建的人工植被群落在自然演替过程中群落特征如何变化及人工植被群落是否能达到自然植被的稳定状态等方面的研究成为近年来此类边坡生态重建研究的重要课题。本研究以经课题组优化的用于液压喷播技术的人工基质[13]，对广东常用生态修复高陡石质边坡的植物群落初期合理组合方式进行优化研究，从构建合理的早期喷播植物组合角度出发，延长植物群落的长期有效性，为最终形成生态修复高陡石质边坡的稳定群落提供一定的理论基础与实践参考价值。

1 材料与方法

1.1 材料与设计

考虑到用于生态修复高陡石质边坡的喷播基质厚度一般只有8～10 cm，营养、水分等条件十分有限[14]，本研究兼顾植物根系分布、种间竞争、水土保持效果、耐干旱、耐贫瘠等特性，选取14种广东高陡边坡生态修复常用草、灌、乔植被类型（见表1）[10，15-17]，设置15种组合方式，每种组合涉及草、灌、乔等不同植被类型，各植物种在不同组合中的配比方式及播种密度见表2。本研究利用特别定制的塑料盘（模拟陡峭边坡的喷播厚度，并将盆倾斜60°处理）进行为期3个月的试验（规格：长100 cm×宽50 cm×高8 cm），每组合设置7个重复。

1.2 供试基质

本研究利用基质是经课题组优化的人工基质（其主要成分为：土壤、粘结剂、保水剂、成孔材料），其中，基质使用的土壤占主体，采自广州市花都区农业科学研究所试验田，其全N、全P和全K的含量分别为1.32、5.19、9.56 g/kg；有效N、P、K的含量分别为：153.6、135.9、161.2 mg/kg。有机质含量和pH值分别为21.8 g/kg、5.64。所有土壤经风干，压碎后过5 mm筛后使用[18]。

1.3 指标分析方法

本研究测定植株的成活率（%），株高（cm），盖度（%），地上、地下生物量（鲜重和干重；g/pot），以3 d为一测定周期进行3个月的动态观测。并采用ACE自动土壤呼吸监测系统（ACE，英国）测定各处理组合的基质呼吸，采用土壤硬度计（TE-3，南京）测定各基质硬度。

其中，总成活率的计算公式：

草本总成活率/%=（草本总成活数/草本总发芽数）×100，灌木和乔木的计算类同。

1.4 数据分析

本项研究所采用的数学统计方法主要包括单因素方差分析，主要用来进行各处理组合之间的土壤呼吸及土壤硬度显著差异性（LSD检验），以便确定最佳植物组合；简单相关分析，用来评价各个变量之间两两相关关系。上述数据分析使用Excel 2007和SPSS（19.0版）软件。文中所用植物名以中国数字植物标本馆（简称CVH，网站：www.cvh.org.cn）中记录名称为准。

2 结果与分析

本研究采用目前我国南方的人工石质边坡常用14种绿化植物，设计15种不同组合，通过观测不同组合中各植物类型的成活数、高度、盖度、生物量变化及土壤中微生物呼吸和硬度变化，来考察植物在特殊的喷播基质中的初期生长、竞争状况。

2.1 不同组合中各植株在特定土壤基质中的存活情况

成活率是评价种子在本研究特殊基质中利用效果的直观指标（见表3）。总体上，乔灌木的成活率明显劣于草本。就草本而言，在这种特殊的基质中，播种密度越大，成活率反呈下降趋势，而最终的总成活数基本趋于一致；乔灌木成活率变化直接受草本播种密度影响。如：狗牙根在C14和C12中的播种密度分别为40和20粒，但平均成活率分别为25.0%和50.0%，最终成活数均是10株（表2，表3）。糖蜜草在C15、C9、C12中的播种密度分别为100、50、25粒，平均成活率分别为13.71%、29.4%、57.2%，其成活数均在13～14株之间，其他草本植物均表现出类似趋势。灌木和乔木在各组合均设置同样播种密度的条件下，其成活数因草本植物的播种密度不同而异。结合直观数据和方差分析结果（表3），草本总成活数显著占优势的组合为C3、C4、C12；灌木成活数最高的组合为C6、C10、C14，乔木总成活数最高的组合为C1、C2、C11、C13、C15。整体上，草本表现较高成活率的组合，其乔灌木成活率相对较低。

2.2 不同组合中植株高度的动态变化

对于高陡石质边坡绿化来说，植物高度生长不是绝对的越高越好，要因种类而异，原则上为了更好的控制初期裸露基质的流失，植物生长越快越好，但因植物过快生长会导致养分的迅速贫瘠，因此，较好的生长模式：初期草本生长越快越好，中后期草本长势减弱，给乔灌木提供足够的生长空间。本研究针对各植物在不同组合中的高度生长进行了3个月的动态观测（图1）：在播种后的前50 d左右，同种植物的高度生长在不同组合之间的差异极小，但随着生长时间的延长，不同播种密度下的同一植被类型的高度生长表现出较大差异。所有组合中的狗牙根在第50天以后开始呈现出不同程度的快速生长趋势，其中，播种密度较低的C2（平均存活株数为5）表现最突出。糖蜜草的表现与之类似：组合C2和C6（平均存活株数为5）在50 d后的长势优于C9和C12（平均存活株数大于14）。而狼尾草表现刚好与之相反，50 d后存活株率越大的C8、C10、C13（均2株）的生长长势优于C11（平均存活株数为1.6），即植株密度越大，生长越占优势。由此推论，为了促进早期优势生长，而抑制后期优势生长：对于匍匐型草本植物，可相对提高播种密度，对于直立型草本植物，可相对降低播种密度。对于灌木，播种密度不影响高度生长，但其与草本植物的种植密度有密切关联，如山毛豆和刺槐，在C14、C15中的表现最佳，其相应组合中的草本植物只有一种，且存活密度较低。特殊的是，乔木几乎在所有的组合中都表现出随时间延长高度生长增加明显的趋势。

2.3 不同组合中的群落数量特征

2.3.1 不同组合中各植株盖度的动态变化 研究播种密度和植物配比方式对群落的盖度影响具有重要作用，可直接反映群落数量特征和多样性变化趋势[18-19]。在本研究设定的3个月生长周期内，整体上呈现出草本植物的盖度增长速度远大于灌木和乔木，草本植物成为混播后的前期优势种。各组合中草本植物盖度随时间延长呈现出的增长趋势与播种密度关系不大。如：狗牙根在C1、C3、C7中的播种密度是C2、C4、C8的2倍，但6个组合中的盖度增长趋势基本一致（图2），且这6种组合中的草灌比值与草乔比值之间的差异性很大，因此初步得出结论：边坡喷植初期，草本生长受灌木和乔木的影响较小。

不同于草本植物，草灌密度比值对部分灌木盖度影响较大。C12中猪屎豆的草灌比（14.12，图2）远远高于其他含猪屎豆组合（表3），但其盖度增长速度明显低于其他组合。草灌比值较低的C2、C6、C11、C14（分别为：8.86、4.20、4.12、7.37）中，山毛豆的盖度增长速度明显高于C1、C8、C9、C12（草灌比值分别为：17.71、21.05、13.66、14.12）。乔木生长也同样受到草乔比值的影响，即比值越大，盖度增长越慢。如C7中的车桑子生长较差，其草乔比值为7.01，而C12中的刺槐基本呈现出勉强维持生长状态，其草乔比值高达21.31。这一结果显示，在今后的喷播基质中，草本植物的播种比例不能过大于灌木和乔木，否则会严重影响灌乔的初期生长，尤其是针对匍匐性强的草本植物。

同时，灌木和乔木表现均较差的是组合C12，山毛豆在C12中甚至出现了在第69天死亡的现象，其草本平均存活数高达24.29（表3）。其次是C3，其草灌比为8.91，并不是很高，但其草本平均存活数高达16.57。因此推断，除了草灌比和草乔比是影响乔灌木初期生长的主要因素，草本植物的播种密度也是关键因素之一。总之，选择合适的草种配比和合理的播种密度，不仅可以节约成本，还是保证灌木和乔木初期正常生长的关键。虽然草本植物在群落生长初期通常占据群落的优势地位，但考虑到其长期竞争力低于灌木和乔木，甚至有可能在群落演替中逐渐被淘汰，因此，在各组合筛选过程中，在保证灌乔能够正常生长的情况下，可以选择较高的草本播种密度。当然，植被初期生长的覆盖速度是与喷播基质的流失速度呈正比的。表4结果显示，C7组合盖度在第40天最先达到100%，C3和C4的覆盖速度次之，为45 d。C6在第80天才到达100%。考虑到多种因素，C5、C6和C11是生长速度较慢的组合，建议C3和C12组合效果较差。

2.3.2 不同组合植物生物量及土壤特性 根据表5的土壤基础呼吸可以看出，虽然C4盖度很快达到100%，但其初期的生长量并不高，其地上生物量为260.38 g，显著低于C11，其相对应的土壤基础呼吸只有7.13 mol CO2/（m2·s），显著低于覆盖速度相对较慢的C5、C6、C11[土壤基础呼吸分别达到10.12、15.7、17.07 mol CO2/（m2·s）；p<0.05]。即过快的草本覆盖速度反而降低了土壤呼吸能力。基质硬度随组合物种多样性及地下生物量的增加而降低，初步推断，在工程施工早期，根部初期生长较慢的植物种占据优势可有效提高基质硬度，增加基质的抗雨水冲刷及风蚀能力。组合总生物量与物种多样性之间相关性不显著（p>0.05）。

2.4 相关性分析

对总地上、地下生物量、总盖度达到100%所需天数、物种多样性、土壤呼吸及土壤硬度之间进行相关性分析结果显示（表6），土壤呼吸与地上总生物量呈显著负相关（p<0.05），与总盖度达到100%所需天数呈显著正相关（p<0.05）。边坡基质要想维持长期有效的有机营养，其具备相对较慢的呼吸速率是非常必要的。土壤硬度与物种多样性及地下总生物量呈显著负相关（p<0.05），这从另一角度反映了喷播植物在施工后初期，要呈现出慢生长的重要性。组合总生物量与物种多样性之间相关性不显著。

3 讨论与结论

3.1 讨论

鉴于目前国内用于高陡石质边坡生态修复的技术主要是液压喷播[19-21]，其技术实施的关键环节之一就是将植物种子与基质充分混合后，同时喷在高陡石质边坡上。但由于喷播基质的特殊性（如本研究利用基质具高粘结性及碱性等[13，22]），会导致植物种子的发芽及成活情况与普通土壤条件下的差异较大[23]。在本研究中，高播种密度并未产生高的植被成活率，所以從成本角度讲，应该采用试验设置的中等播种密度。虽然草灌混播护坡效果是从最初以草本为主到后来以合理地草灌木结合的转化过程[24]，但在种植前期，草本植物的生长优势若得不到合理控制，会严重影响乔灌木的初期正常生长，而目前，植物灌木化建植是高速公路边坡防护的重要途径[25]。在本研究中，过快的草本盖度增长严重限制了乔灌木的发芽、成活与生长，这与利用实生苗灌木与草本混播时的受影响情况一致[26]。因此，适当降低草本类先锋植物的播种密度是非常重要的。

土壤基础呼吸强度代表了土壤碳素的周转速率和微生物的总体活性，与土壤环境质量密切相关[27]，其主要包括植物根系呼吸、土壤微生物呼吸及土壤动物呼吸3个生物学过程，其中根系呼吸和微生物呼吸起主导作用，其可以作为高速公路边坡生态恢复效果的评价指标[28]。本研究中组合群落植被的初期生长不仅影响了地上生长特征，同样影响了基质基础呼吸强度。有研究显示，不同的防护工艺对土壤微生物数量的增加和土壤性质的改善有不同的效果[29-30]。而本研究利用的是喷播基质，在此工艺基础上的草本植物初期覆盖速度过快，反而抑制了基础呼吸，但覆盖速度过慢，会导致基础呼吸强度过高。石壁边坡保水保肥十分困难，要合理利用喷播基质，须保证喷播植物对基质养分不能利用过快。因此，适中的植被组合可提高基质自身的养分可持续性。这与杨自全等[31]的研究结果一致，即植物早期生长过快，导致对土壤中养分消耗过快，反而不利于生物活性的增加，从而影响呼吸。本研究中，草本植被盖度增加过快的物种表现出植株细高、生物量低、扎根浅等现象，不利于基础呼吸。但草本植被覆盖度过慢，致使预留的竞争空间被狗牙根、糖蜜草等利用，实现快速繁殖，也会严重影响乔、灌木的初期生长。因此，建议根据裸露山体地区的气候特点，选择处于同一气候带的草、灌、乔植物种，其主要物种要具有自我繁殖能力，易与当地植被融合，保持物种多样性，这样有利于保持长久并产生近自然修复效果。考虑到乔木自身重量较大，针对喷播基质这类比较薄的生长土层，栽植乔木反而会导致边坡的不稳，且影响司乘人员视野，提高交通事故发生的几率等因素，建议高陡石质边坡建立灌草型或结合小型乔木植物群落为宜，尽量少栽植大乔木。同时，考虑到裸露山体植被生态修复既要迅速达到绿色效果，又要持久不衰，保持生物多样性，构成稳定的多物种的立体植被结构，具有较好的改良土壤能力和互利共生原则是非常必要的。高陡石质边坡在早期的复绿过程中，基质具备较高的硬度有助于土壤的保存及提高抗冲刷能力。本研究土壤硬度与地下总生物量呈显著负相关（p<0.05），这从另一角度反映了喷播植物在施工后，要呈现出较慢根系生长的重要性，即选择盖度增加较慢的草本植物种类是有效方式之一。组合总生物量与物种多样性之间相关性不显著，即用于此类特殊受损高陡边坡的生态修复植被群落的初期生产力受物种多样性的影响不大，张相锋等[32]的研究结果也证明了这点。

3.2 结论

组合中要控制草本群落的喷播比例，选择草本植物根部初期生长较慢的优势植物，利于草、灌、乔各目标植物类型在时空上逐步向稳定和合理分布的格局发展，并有效提高坡体抗冲刷力。根据各组合植被群落在高度、成活率、生物量、盖度、基质基础呼吸及基质硬度等指标中的综合表现，结合基质特性，通过排序，最终筛选出C11、C4和C2为最佳组合。

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