（环境工程专业论文）铜黄高速公路路堑边坡植被恢复影响因子研究.pdf

摘要 公路建设对社会和经济发展具有重要的意义，但山区公路的建设破坏原始坡面植 被，造成岩土裸露，引发严重的生态问题，山区公路边坡植被恢复己成为生态建设的重 要组成部分。铜黄高速公路路堑边坡坡度陡峭，植被生长困难，因此关于铜黄高速公路 高陡路堑边坡植被恢复研究十分必要。本文对铜黄高速公路高陡路堑边坡植被生长特征 以及土壤理化性质进行了分析，得到以下成果： ( 1 ) 从植被生长状况来看，水平沟植草护坡不管是从植被覆盖度还是生物量、物 种丰富度、多样性等方面均不如其他生态防护类型，因此这一生态防护类型在铜黄高速 公路是不适用的；边坡样地灌草结合的效果良好，优于单一植草护坡；边坡样地植被生 长状况整体水平不如自然样地。 ( 2 ) 对边坡样地土壤的理化性质进行了分析和对比，样地0 1 0 c m 土层在有机质、 碱解氮、有效磷、速效钾、水分含量、p h 值以及水溶性盐含量方面均高于1 0 2 0 c m 土 层。喷播和穴播样地有机质含量和碱解氮含量相对较低；水平沟和穴播样地速效钾含量 和有效磷含量相对较低；穴播样地水分含量普遍偏低；喷播样地土壤容重较低。 铜黄高速公路高陡路堑边坡样地土壤均为砂土土质，p h 均高于7 8 ，为碱性土壤， 土壤水溶性盐含量差别不大。 ( 3 ) 在进行因子分析后得出，植被覆盖度、含水量、速效钾、植株密度、地下生 物量、p h 值、地上生物量以及土壤容重对铜黄高速公路植被恢复影响相对较大。使用 灰色关联度法一对一分析边坡样地土壤因子、边坡因子分别和植被覆盖度、地上生物量 以及地下生物量的相关性，并对关联度进行排序后得到，对边坡样地植被覆盖度影响较 大的为速效钾、有机质和含水量，关联度分别为0 7 6 4 、o 7 2 4 和0 7 1 9 ；对地上生物量 影响较大的为含水量、p h 值和土温，关联度分别为o 7 8 2 、0 7 5 5 和0 7 3 0 ；对地下生物 量影响较大的为含水量、有效磷和碱解氮，关联度为0 7 1 0 、o 7 0 6 和0 7 0 5 。 ( 4 ) 通过以上因子分析和灰色关联度分析结果，提出黄土地区公路路堑边坡植被 恢复建植意见，在公路边坡进行植被恢复时应提高节水保水意识，处理坡面，增加水分 入渗量，开发路域集水设施；保护和利用表层土，在边坡施肥中做到养分平衡；合理筛 选边坡植物，多采用禾本科和豆科植物，并使用灌草结合的方式，优化群落配置。 ( 5 ) 从7 月底和8 月底两次现场调查看，7 月底样地植被枯黄，覆盖度不高，8 月 样地植被覆盖度明显提高，主要是一些藤本植物覆盖样地，形成了较好的景观效果。植 被在高陡边坡坡面不易生存，在坡顶和坡脚平台却生长较好，所以在边坡平台栽植藤本 植物可以使公路边坡景观效果得到很大的提高。 关键词：公路，路堑边坡，植被恢复，影响因子，关联度 i i a b s t r a c t e x e s s w a yc o n s t r u c t i o ni si m p o r t a n tt op r o m o t et h ee c o n o m i ca n ds o c i a ld e v e l o p m e n t ， b u ti td e s t r o y e dt h eo r i g i n a ls l o p ev e g e t a t i o ni nm o u n t a i nr e g i o n s ，c a u s e dr o c ke x p o s e da n d s e r i o u se c o l o g i c a lp r o b l e m s s om o u n t a i nh i g h w a ys l o p ev e g e t a t i o nr e s t o r a t i o nh a sb e c a m ea n i m p o r t a n tp a r to fe c o l o g i c a lc o n s t r u c t i o n t h eg r a d i e n to ft o n g - h u a n ge x e s s w a y sc u t t i n g s l o p ei ss t e e p ，i t sh a r dt og r o ww i t hv e g e t a t i o ni nt h es l o p e ，s oi t sn e c e s s a r yt os t u d yo n t o n g h u a n ge x p r e s s w a yc u t t i n gs l o p ev e g e t a t i o nr e s t o r a t i o n t h i sp a p e ra n a l y s i s e st h ec u t t i n g s l o p ev e g e t a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n ds o i lp h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e s ，t h er e s u l ts h o w s t h a t ： ( 1 ) l e v e lt r e n c hs a m p l e sa r ea td i s a d v a n t a g e so nv e g e t a t i o nc o v e r a g e ，b i o m a s s ，s p e c i e s r i c h n e s s ，d i v e r s i t ya n ds oo nt h a nt h eo t h e rs l o p es a m p l e s ，s ol e v e lt r e n c h f a i l e da n di t s u n s u i t e do ns l o p ep r o t e c t i o no ft o n g h u a n ge x p r e s s w a y t h ee f f e c to fc o m b i n a t i o n o f s h r u b - g r a s si sb e t t e rt h a nu n i t a r yp l a n t i n gf o rs l o p ep r o t e c t i o n ，t h ev e g e t a t i o ng r o w t hs t a t u so f n a t u r a ls a m p l e sa r eb e t t e rt h a ns l o p es a m p l e s ( 2 ) t h r o u g ht h ea n a l y s i s i n gt h es o i lp h y s i c a la n dc h em i c a lp r o p e r t i e s ，0 - 10 c ms o i l l a y e r sc o n t a i nm o r en u t r i e n t st h a n10 - 2 0 c ms o i ll a y e r s s p r a y i n gs e e d i n gs a m p l e sa n dh o l e s e e d i n gs a m p l e sa r ea tal o w e rl e v e la to r g a n i cm a t t e ra n dh y d r o l y z a b l en i t r o g e n ；l e v e lt r e n c h a n dh o l es e e d i n gs a m p l e sh a sl e s sv a l i dp h o s p h o r u sa n da v a i l a b l ep o t a s s i u mt h a no t h e r s ，h o l e s e e d i n gs a m p l e sa r ea t t h el o w e rl e v e lo nw a t e rc o n t e n s ；s p r a y i n gs e e d i n gs a m p l e s sb u l k d e n s i t ya r em o r el i g h t e r t h es o i lo ft o n g c h u a n - h u a n g l i n ge x p r e s s w a ys l o p es a m p l e s a r es a n d s o i l ，a n dt h e i rp ha l em o r et h a n7 8 ，s ot h e ya l ea l k a l i n es o i l ，a n dl i t t l ed i f f e r e n c ei nw a t e r s o l u b l es a l tc o n t e n t ( 3 ) a f t e rw i t hf a c t o ra n a l y s i s ，w eg o tt h a tv e g e t a t i o nc o v e r a g e ，w a t e rc o n t e n t ，a v a i l a b l e p o t a s s i u m ，p l a n td e n s i t y , u n d e r g r o u n db i o m a s s ，p h ，a b o v e r g r o u n db i o m a s sa n db u l kd e n s i t yo f s o i la r em o r ei m p o r t a n to nv e g e t a t i o nr e s t o r a t i o n a n a l y s i s i n gt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n v e g e t a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n ds o i lp h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e sw i t ht h eg r e yr e l a t i o n a l d e g r e em e t h o d ，i tc a nb ef o u n dt h a tt h ec o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n to fa v a i l a b l ep o t a s s i u m ，o r g a n i c m a t t e ra n dw a t e rc o n t e n ta r eb i g g e rt h a no t h e r sw i t hv e g e t a t i o nc o v e r a g e ，t h e ya r eo 7 6 4 ，0 7 2 4 a n d0 719 ；t h ec o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n to fw a t e rc o n t e n t ，p ha n ds o i lt e m p r e t u r ea r eb i g g e rt h a n o t h e r sw i t ha b o v e g r o u n db i o m a s s ，t h e ya r eo 7 8 2 ，0 7 55a n d0 7 3 0 ，t h ec o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n to f w a t e rc o n t e n t ，a v a i l a b l ep h o s p h o r u sa n dh y d r o l y z a b l en i t r o g e na l eb i g g e rt h a no t h e r sw i t h a b o v e g r o u n db i o m a s s ，t h e ya r e o 7 1 0 ，0 7 0 6 a n d 0 7 0 5 s ob a s eo nt h ea n a l y s i sr e s u l t ，s o i lw a t e r a n ds o i ln u t r i e n ts h o u l eb eu n d e r a p p r e c i a t e d i ! i ( 4 ) a c c o r d i n gt ot h ea n a l y t i c a lr e s u l t ，w es h o u l dk e e pa w a r e n e s so fw a t e rs a v i n g a w a r e n e s s ，h a n d l et h es l o p e ，i n c r e a s ew a t e ri n f i l t r a t i o n ；a n dp r o t e c ta n du s e t h et o p s o i l ，a n dk e e p t h en u t r i e n t sb a l a n c ei ns l o p ef e r t i l i z a t i o n ；f i l t e rt h ev e g e t a t i o no fs l o p er e a s o n a b l y , u s em o r e g r a m i n e o u sa n dl e g u m i n o u sp l a n t s ，a n dt h ew a yo fc o m b i n a t i o no fs h r u b 。g r a s s ，o p t i m i z et h e a l l o c a t i o no fc o m m u n i t y ( 5 ) t h r o u g h i n gt h et w oi n v e s t i g a t i o n s ，v e g e t a t i o no fs a m p l e s a r ew i t h e r e da n dc o v e r a g e i sv e r yl o wi nj u n e ，b u tv e g e t a t i o no fs a m p l e si n c r e a s e da l o ti nj u l y b e c a u s es o m el i a n a g r o w e dw e l l ，t h e yp r o m o t e dt h el a n d s c a p ee f f e c t so fs a m p l e s v e g e t a t i o n s a r eh a r dt os u r v i v a l o nc u t t i n gs l o p e ，b u tt h e ya r eg r o w e dw e l lo np l a t f o r m s o ft h es l o p e s op l a n t t i n gl i a n ao n p l a t f o r m so f t h es l o p ec o u l di m p r o v et h el a n d s c a p ee f f e c t so f t h ee x p r e s s w a y k e yw o r d s ：e x p r e s s w a y , c u t t i n gs l o p e ，v e g e t a t i o nr e c o v e r y , i n f l u e n c e f a c t o r s ，c o r r e l a t i v e d e g r e e i v 长安人学硕：l 学位论文 第一章绪论 公路建设是重要的基础设施建设之一，对促进经济和社会发展具有重要的意义。我 国高速公路自1 9 8 8 年开始起步，以“五纵七横 规划为基础，经过2 0 多年的迅速发展， 2 0 1 0 年底，公路网总里程达到3 9 8 4 万k m 。其中，高速公路由“十五”期末的4 1 万k m 发展到了7 4 万k m ，位居世界第二位。从我国的的高速公路线网发展规划可以看出，我 国正在加快国家高速公路网主骨架建设的步伐。新路网主要由7 条首都放射线、9 条南 北纵向线和1 8 条东西横向线组成，称为“7 9 1 8 网”，预计十二五末，能基本建成。届时， 高速公路通车总里程将有望达1 0 万k m ，超过美国跃居世界第一。我国公路建设实现了 跨越式发展，使人们的出行和物资运输条件大为改善，也在公路设计、施工等方面积累 了丰富的经验。但是，山区公路建设过程中也暴露出较多的生态问题：公路的修建破坏 路域原始生态植被，形成大量新的岩石和土质坡面裸露，引发严重的生态问题，造成大 量的水土流失。 1 1 研究背景 1 9 8 8 年l o 月3 1 日，沪嘉( 上海一嘉定) 高速公路建成并正式投入使用，全长18 5 k m ， 结束了我国大陆没有高速公路的历史。我国高速公路的发展历程大致经历了三个阶段1 】： 1 9 8 8 年1 9 9 2 年为起步阶段，通车里程每年在5 0 k i n 2 5 0 k m 之间；1 9 9 3 年1 9 9 7 年是高 速公路第一个发展高潮期，年通车里程保持在每年4 5 0 k m - 1 4 0 0 k m 之间；1 9 9 8 年至今 为高速公路的大发展时期，在国家积极的财政政策推动下，这一阶段年通车里程基本保 持在3 0 0 0 k m - 5 0 0 0 k m 之间。 1 1 1 公路建设对路域生态环境的影响 公路建设引发了一系列的环境问题，破坏原始的坡面植被，造成大量岩土裸露，引 发严重的生态问题。据资料显示，在长江中、下游地区，由于公路建设，每年新增水土 流失量高达5 0 0 0 万t ，大量坡面的填挖取弃土导致原有的自然植被和环境遭到破坏，阻 碍了生态系统的正常循环，大量的坡面裸露导致公路边坡水土流失严重，进一步加剧了 生态系统的退化。在公路运营开始后，车辆产生的废气等会影响植物生长，导致生长繁 殖机能减退，抗病能力逐渐下降，最终引起植被的退化甚至死亡，有时也会对整个群落 产生影响【2 捌。f o r m a n 的研究表明：公路建设对自然植被斑块、河流水系、地形和稀有 生境及物种等不同位置的生态环境都会产生影响【4 5 1 。因此，高速公路坡面植被恢复应 引起人们的重视。 l 第一章绪论 1 1 2 我国公路路域植被建植和恢复中存在的问题 为了保证坡面稳定，防止水土流失，在1 9 8 8 1 9 9 6 年期间，公路护坡经常采用单 一的工程防护方式，如浆砌石、水泥护坡等。1 9 9 6 年昆曲( 昆明曲靖) 高速公路开始使 用生态护坡的方式，即生物与工程相结合的护坡措施。植被护坡是利用植被涵水固土的 功能来稳定岩土边坡，美化生态环境，是涉及岩土工程、恢复生态学、植物学、土壤肥 料学等多学科的综合工程技术。植被护坡最突出的特点就是其生物学属性，当坡面结构 发生不稳定时，可以调整自身状况来适应坡面变化，维持较高的抗蚀性能。大量的实践 证明，植被护坡能够提高坡面稳定性，减少坡面水土流失，改善高速公路路域的生态环 境，提高景观效果，并且能够提高安全行车性。 经过近十年的实践研究，坡面植被恢复已日渐成熟，但是因为我国公路植被护坡一 味追求绿化效果和绿化速度导致坡面植被恢复脱离科学依据。与发达囡家相比，我国在 高速公路建设中植被护坡存在两种不好的倾向，一是强调短期效果，忽视长期效果，这 种倾向还会直接导致“一年绿，两年黄，三年枯，四年死的现象发生。再就是过分强 调绿化效果，这一点在西部地区表现的比较明显，尽管干旱少雨，但单方面强调植被覆 盖率。在我国，各地气候、土壤、植被、地形等差异太大，在条件不具备的地方，就不 能一概而论。我国公路坡面建植植被经过几年的自行演替，一些新的问题已凸显出来： 外来植被入侵导致当地植物种类结构遭到破坏，引起坡面植被迅速退化，形成新的坡面 裸露；一些植被因栽植密度过大，设计不合理，因自身重量过重影响坡面的稳定性，引 起坡面剥落，重新进行植被恢复导致国家人力物力财力的浪费。 随着我国公路建设越来越多的深入山川地区，由此带来的水土流失、新建公路边坡 稳定和生态破坏等问题也愈加严峻清晰地摆在人们面前，引起了普遍的关注。传统的先 通后畅和裸露边坡已不能满足对高速公路安全、快速、通畅、优美的要求，实现“安全 第一，环境优先，恢复生态 已成为公路建设与生态环境协调发展的必然要求。 公路建设工程迅速发展，公路破面植被恢复却远远落后，边坡植被恢复技术标准和 评价规范也严重缺乏，关于公路边坡植被恢复的一些机理研究、设计规范以及评价规范 等仍旧处于探索阶段，缺乏科学合理的研究。 1 2 国内外路域植被恢复研究现状 植被恢复是生态恢复的一部分，是生态恢复的关键。植被恢复是运用生态学原理， 修复和重建森林和其他被破坏的生态系统，恢复其生物多样性及其生态系统功能，属于 生态学领域。植被护坡是综合工程力学、土壤学、生态学和植物学等学科的基本知 2 长安大学硕：i ：学位论文 识对斜坡或边坡进行支护，形成由植物或工程和植物组成的综合护坡系统的护坡 技术。植被护坡的研究领域较狭窄，到目前为止仍没有一个确定的概念【5 1 ，英文有 b i o t e c h n i q u e ，s o i lb i o e n g i n e e r i n g ，v e g e t a t i o n 或r e v e g e t a t i o n 等，国内也有生态护坡、 植物护坡、坡面生态工程、坡面植被恢复【7 】等说法。1 9 9 4 年9 月在牛津举行了以植被护 坡为主题的首次国际会议，在会议上把植被护坡定义为“用活的植物或者植物与土木工 程和非生命的植物材料相结合，来降低坡面的不稳定性，并减少水土侵1 8 】，它主要强 调了植被护坡的工程过程，没有注重后期植被恢复的持续演替性。 1 2 1 国外路域植被恢复研究进展与现状 国外一些发达国家从2 0 世纪3 0 一0 年代就开始在道路坡面开展植被恢复工作。 k e n d r a 等人研究了密度、盖度、生物量以及水土流失在不同的草本植物配置下的效果， 并总结出了较好的坡面植物种类和配置模式【9 l 。坡面植被恢复在得到一定发展后，乡土 植物研究也得到了人们广泛的重视，h a n s e n ，d j 等人研究了乡土植物运用在公路坡面进 行植被恢复的效果【l o 】，w a r r e nm o r t l o c k 的研究促进了乡土植物在坡面植被恢复中的利用 【1 1 1 o 2 0 世纪七八十年代，由于大量公路植被的建植，如何维护这些植物进行稳定有序的 生长繁衍成为研究的重要课题。1 9 9 8 年r o b i nw t y s e r 等人研究了使用除草剂对坡面禾 草植物及其种子库的影响，指出了除草剂能够减小外来非禾本和本地非禾本物种的入 侵，轻度增加本地禾本植物盖度，且有可能增加外来禾本科植物盖度【1 2 j ，r u s s e l la l a n p e r s y n 也对如何进行混合堆肥覆盖坡面植被来控制杂草进行了深入研究，在公路坡面植 被恢复期间，研究堆肥作为土壤表层或覆盖物的一种介质在土壤表层或亚表层对植物生 物和抵制杂草的影响作用，发现在土壤表层和亚表层堆肥时植物生长有明显差异，堆肥 在表层时能够显著减少杂草的生长，在亚表层土壤覆盖5 c m 和1 0 c m 的厚度没有明显差 异，说明堆肥覆盖较薄时对抑制杂草有较好的效果。2 0 0 4 年，e s t h e rb o c h e t 研究了不同 坡度、坡位和坡向对植被的影响，指出坡度、坡位和坡向是影响公路边坡植被恢复的主 要因烈1 3 】。 随着公路植被的科学建植和恢复后植被的生长演替，公路坡面植被群落的研究也成 为重要课题。2 0 0 5 年j s r e n t c h 等人研究了公路边坡不同位置的土壤和植物群落组成， 得出公路边坡不同位置的土壤养分之间差异极小，植物群落组成没有明显差异，并提出 了限制外来入侵物种着生和生长的措施，为公路坡面植被恢复中限制恶性杂灌草的入侵 提供了科学的指导方法【1 4 】。 3 第一章绪论 公路在建设期间和运营期间对生态环境的影响，带入了重金属【1 5 1 和盐分【1 6 1 ，这些化 学物质对坡面植被的生物学特性、群落组成、竞争和生长都有影响。在恢复技术方面， 国外的研究和设计已经很成熟。在恢复方法上，植被配置一般采取乔灌草相结合的方式， 如苏联及芬兰、瑞典、挪威等北欧洲国家，他们将坡面设计的十分低缓，坡度多为l ：2 一l ：5 ， 主要使用牧草进行植被恢复，保持公路边坡与周围牧场环境的协调；德国和奥地利等过 的坡面稍陡，多为l ：1 5 1 ：2 ，加拿大高速公路坡面坡度平均为2 7 0 ，采用先种草，然后 再移植灌木、乔木的方法，以达到坡面植被与周围区域环境相协调的目的【1 7 】。 关于高速公路坡面植被恢复的研究国外起步时间较早，研究时间较长，且研究内容 比较全面和成熟。但关于植被恢复的生态限制因子、基础理论、恢复的质量评价、恢复 植被的群落演替等方面的相关报道较少。 1 2 2 国内路域植被恢复研究进展与现状 在路域植被研究方面，路域植被恢复中物种筛选、物种配比、物种多样性研究等得 到了人们的关注。胥晓刚等人对四川地区的公路坡面种植的2 2 个不同植物生长适应性 进行了比较和研究，筛选出了四川地区公路坡面种植的适合的植物【l 引。随着研究的深入， 开始对坡面植草草种的配比与播种量进行研究，陈迎辉等人为坡面植被恢复确定适宜的 种植密度和配置i l9 1 。同时在一些坡面防护植物的抗性方面有了初步的研究，如张淑娥在 关于宁夏古王高速公路坡面生物防护研究中得出了沙打旺( a s t r a g a l u sh u a n g h e e n s i s ) 、紫 花苜蓿等的抗逆性最强【2 0 1 。随着人们对植被恢复认识的提高，越来越多的人开始了灌木 类、藤本攀援植物类、野生草本植物在公路坡面的研列2 。李西针对岩石坡面筛选出了 两种适合岩石坡面植物，金发草( p o g o n a t h e r u mp a n i c e u m ( l a i n ) h a c k l ) 和丛毛羊胡子草 ( e r i o p h o r u mc o m o s u mn e e s ) ，并进行了相关的经抗性研究，发现它们明显强于常用护坡 植物狗牙根( c y n o d o nd a c t y l o n ) t 2 2 1 。运用数学模型也能够解决高速公路坡面绿化植物的 选择问题，李自强运用a h p 法对植物的抗逆性、护坡效果等进行筛选【2 3 j ，李志刚对公 路坡面植被的抗冲刷能力进行定量研究【2 4 1 。方世杰，舒安平等在半干旱区高速公路路 域生态恢复工程植物多样性特征一文中研究了山东济青南线济南至莱芜高速公路路域 植物，将路域植物种类数目排序，并对不同路域区段的物种数、丰富度、多样性和均匀 度等多种指数进行计算分析，结果表明路域草本植物变化程度较小1 2 5 1 。 在植物土壤关系研究方面，关于区域性植被恢复土壤植被耦合关系研究较多，江源等在 放牧对五台山高山、亚高山草甸植被- 土壤系统耦合的影响一文中得到土壤有机质 和全氮与群落地上生物量、物种多样性、群落总盖度的关联度较高，土壤有机质、全氮 4 长安大学硕：l ：学位论文 对群落特征变化有一定影响1 2 6 1 。邓庆伟等人在高速公路路网规划对植物的影响一文 中指出边缘效应对植物群落演替的影响以及外来物种对当地生态系统的影响【2 7 1 。范亚辉 等人在煤矸石山植被恢复限制因素分析及治理对策一文中提出煤砰石山植被复垦的 重要坏节为后期管理，可以根据植被生长情况逐渐降低管理力度，使其自然生长，以便 生成稳定的生态环境【2 8 】。温达志等人在南亚热带酸雨地区陆地生态系统植被、土壤与 地表水现状的研究一文中根据测定结果，推测杉木、马尾松针叶受铝毒害的可能性很 小，但仍然难于判断松针叶是否受大气二氧化硫排放及其后期产物酸雨的危害【2 9 1 。侯扶 江等人在重牧退化草地的植被土壤及其耦合特征一文中得出结论，草地o - 4 0 c m 土 壤全n 、速效n 、有机质含量和高山草原土壤速效p 含量与牧压呈负相关，高山草原土 壤全p 含量与牧压呈正相关典型草原土壤全n 、速效n 和速效p 含量以及速效p 全p 比值低于高山草原，但速效n 全n 比值和全p 含量高于后者【3 0 】。李朝生在鄂尔多斯 高原北部沙区植被环境关系与生态建设对策一文中对鄂尔多斯高原北部沙区环境植 被关系不同尺度不同角度进行了剖析，土壤性质在不同植被类型下的差异较明显，草原 植物种区域较沙生植被分布区域土壤条件有所改善，人工植被土壤水分和盐分分布的均 匀性也远好于自然植被，所研究的1 0 种植被类型的土壤盐分和水分大部分具有较高的 空间相关性【3 1 l 。 我国高速公路建设自9 0 年代后才开始迅速发展，1 9 9 6 年云南昆曲高速公路开始运 用生态护坡进行绿化，与传统的护坡形式相比，生态护坡不仅能稳定坡面，保持水土， 而且节约成本。但其植被恢复的相关研究严重滞后，远远落后于一些发达国家，这一问 题得到了相关人员的重视，物种入侵、土壤植被耦合关系、土壤重金属对路域植物的影 响得到了一些研究。尤继勇等在川i 西南公路工程废弃地植被恢复与重建研究一文中 通过对锦屏水电站废弃地现状调查，对川西南公路工程废弃地植被恢复与重建进行了研 究，得到影响和制约植被分布和生长因子主要为水热状况【3 2 1 。杨喜田等对黄土地区高速 公路坡面植物侵入状况进行了分析【3 3 1 ，刘孔杰对公路坡面植物群落生物多样性也有一定 的研究【3 4 1 。关于公路生态方面的研究较多，潘树林等人对路域生态环境一直存在不同程 度的植被破坏和土壤铅污染等问题进行了研究，给动、植物和人类带来直接或间接影响， 同时也影响路域植被恢复的稳定性和持续性【3 5 l 。 我国公路裸露坡面植被恢复的研究尚处于起步阶段，护坡技术方面的研究较 多，能够基本上满足我国高速公路绿化建设的需要。但是相关基础研究相对落后，与 我国复杂多变的气候环境条件相比，研究不够全面、完善和系统，大多属于初步探索 5 第一章绪论 阶段，急需引起广大研究者的重视，加大研究力度，尽快赶上高速公路建设步伐，科 学地指导公路坡面植被恢复工程。 1 2 3 黄土地区植被恢复研究进展与现状 近年来，国内外已经开始了关于路域生态系统的恢复和重建的研究，但国内的研究 多集中在我国湿润的东部地区，黄土地区公路绿化的研究主要集中在下边坡、中央隔离 带、两侧绿化带以及立交区、服务区和收费站区。 陕西省大部分区域属于黄土地区，公路在建设初期为了节省成本，利用黄土垂直节 理发育这一特点，开挖边坡往往较陡。但是公路边坡生态防护的问题越来越被暴露出来： 黄土具有多孔性、透水性强的特点，且边坡坡度较陡，导致初期植被建植困难，在后期 植被也出现严重的退化，一些公路边坡甚至出现在建植前期覆盖度能达到5 0 以上，但 是到了后期植被难以在高陡边坡繁殖生长，导致后期滑坡或植被枯死，边坡裸露，水土 侵蚀流失严重，所以黄土公路边坡植被恢复的问题研究越来越受到人们的重视。 肖蓉针对铜延公路沿线边坡植被群落特征做了详细的调查，总共辨认了3 9 种植物， 认为出现频度最高的是人工栽植的苜蓿和柠条，而自然入侵出现频率最高的为猪毛蒿， 铜延高速公路边坡防护的植被主要是豆科和禾本科植物。而从土壤特征看，铜延高速公 路边坡土壤干旱缺水，肥力缺乏，坡向和坡位对土壤理化性质影响很大，最后提出水分 是黄土高原地区高速公路边坡护坡成功与否的关键因子，在植物组合方面多采用“豆科 + 禾本科、“草本+ 灌木”，充分利用乡土植物，区分对待阴阳坡和坡位植被组合和养护 管理方式【3 6 1 。张展等对黄延高速公路绿化植被、边坡土壤理化性质以及植物群落组成进 行了研究，总结了中央分隔带、平台和边坡有效配置模式，分析了土壤养分贫瘠的原因 和提高措施，提出土壤肥力和植被恢复是相辅相成的【3 7 1 。陈兵等利用生态位原理进行了 耐旱护坡植被的筛选进行种植工艺的实验，并经过初试、中试和两年的大面积施工实践， 取得了良好的覆盖效果p 引。 我国公路边坡植被恢复研究尚处于起步阶段，基础研究缺乏和落后，而地域性研究 更是甚少。由于黄土这一特殊土质以及黄土边坡的特殊性，导致黄土地区边坡植被恢复 困难，急需引起学者的重视，为黄土地区植被建植和恢复提供理论指导。 1 3 研究的目的和意义 在高速公路裸露坡面植被恢的研究进展方面，关于高速公路裸露坡面植被恢复的机 理研究较少，植被恢复中植物、土壤以及相互之间的关系、植被恢复的影响因子等仍未 6 长安大学硕：j ：学位论文 得到较深的研究。 纵观我国十年来高速公路裸露坡面植被恢复的现状及成果，现有的工程护坡景观效 果差，且在后期由于边坡剥落病害严重，需要不断的进行人工维护，耗费大量的人力物 力，公路坡面植被恢复机理性问题的科学认识的缺乏导致公路边坡植被恢复研究严重滞 后于高速公路建设，导致边坡再次裸露等一系列问题。 公路边坡植被恢复的研究得到了国内外相关学者的关注，同时高速公路边坡植被恢 复机理研究也为其它相关研究奠定了基础。因此，作者对铜黄高速公路高陡路堑边坡植 被恢复影响因子作为研究课题，从最基础的研究着手，以填补黄土地区高速公路路堑坡 面植被恢复工程建设缺乏理论基础和科学依据的空白，为我国大面积黄土地区高速公路 路堑边坡植被恢复提供科学依据和理论基础，研究成果也可作为废弃矿场、河岸堤坝等 次生裸露坡面植被恢复的参考依据和理论借鉴。 1 4 研究内容 本研究以铜( j i i ) 一黄( 陵) ( 以下简称铜黄公路) 高速公路为依托，进行公路路 域高陡路颦边坡植被恢复影响因子研究。本文的研究内容主要包括以下三个方面： ( 1 ) 铜黄高速公路路堑边坡植被生长状况调查，包括植被覆盖度、生物量、植株 密度、种群自然高度、植物种类等； ( 2 ) 对铜黄公路高陡边坡植被主要生长载体一土壤的物理化学性质以及边坡因子 进行研究，包括不同路堑边坡生态边坡类型土壤的养分、容重、水分、机械组成、p h 、 盐分等； ( 3 ) 使用s p s s 软件进行因子分析和灰色关联度分析，找出对铜黄高速公路路堑边 坡植被恢复的影响较大的因子，并使用灰色关联度法一对一分析土壤因子、边坡因子与 植被特征之间的相关性，并对关联度进行排序，探讨黄土地区公路路堑边坡植被恢复主 要影响因予，为该地区公路高陡路堑边坡植被恢复提供一定的理论基础。 1 5 研究技术路线 本文采用野外调查与室内实验分析相结合的方法，并运用定量运算法、对比法等，对边 坡植物恢复中的植物一土壤两大要素中的主要因子及其相关性进行了研究，首先结合4 种生 态防护模式，分析不同生态防护模式下高速公路边坡植被多样性特征、生长特征和土壤特性 以及边坡特性，然后在室内进行实验分析样地土壤理化性质，最后使用因子分析以及灰色关 联度进行数据的统计分析，找出公路边坡植被恢复的主要影响因子，为以后该地区边坡植被 7 第一章绪论 恢复提供一定的理论基础。技术路线如下图1 5 1 所示： 图1 孓l 研究技术路线 8 艮安人学坝l ：学他论义 1 6 研究方法 1 6 1 样地选择 铜黄公路路域边坡共有六种生态防护类型，分别为：植草拶一坡、砼骨架植草防护、 拱护植草防护、穴挖植草防护、水平沟植草防护、喷播植草防护。 本文主要是铜黄高速公路高陡路堑边坡的植被恢复影响因子研究，所以只选取路堑 边坡的生态护坡类型进行研究，若同一种防护类型的植被覆盖度差异不大，则只选择一 块样地进行研究，若同一种生态防护类型覆盖度存在差异，则选取覆盖度差异大的样地 进行研究，尽量将样地选在大环境千n i t x 的路段，通过分析植被生长小环境的差异来寻找 植被现状不同的原因。自然样地尽量选在筛选样地附近，并上下行各选择一个。通过对 样地的筛选，共筛选出1 l 块样地，并选择2 块高陡边坡自然生长样地作为对照样地。 样地筛选结果如下表1 1 一l 所示： 表1 1 1 铜黄高速公路边坡研究样地 生态防护类型桩号坡向坡度照片备注 砼骨架植草护 镌餮潞鬟遗汹 上行。士质边坡，每 m、i k 7 0 6 + 9 5 0 刚坡 4 8 0 j 、譬整孽：j 、z - 个砼骨架人小为 坡 一r 一，。：盔_ _ 2 6 0 c m 5 0 0 c m h 噶o 、 k 7 6 2 + 9 5 0阴坡6 9 0 一 下行，土质边坡 水平沟植草 护坡 一 7 0 l + 5 0 0 阳坡 7 2 0 瓯泣盛豳蝴譬 上行，土质边坡 穴橘植草护坡 k 7 6 5 + 0 0 0刚坡6 7 0 一 上行，土质边坡 滢骗幽 9 第一章绪论 续表1 1 1 铜黄高速公路边坡研究样地 l o k 发人二f 蜞i ：学化论义 续表1 1 1铜黄高速公路边坡研究样地 ! 扛态防护类j 弘桩，坡向坡度j j 箭注 k 7 6 0 + l5 0坡3 0 0，渗- i 鬻磐= | j ：，1 ：质边坡 f ，：j 拶。：o ， ， 。 、。 自然样地 童、：妒? ，- 。- k 7 0 9 + 3 5 0 阴坡 3 5 0 ! - 。o j ：0 卜行，十质边坡 。；。 ：。：! _ 1 。i 。，。一- ： 1 6 2 样方设置 应用普通生态学中的踏查法与样方法相结合的的方法对所选取的样地植被生长现 状进行调查，在每个防护类型样地区域内进行不同的取样方法，样地区域采用品字形取 样，在工程与植草相结合样地区域，砼骨架植草护坡样地骨架方格内取样方。山于边坡 护坡植被均为草本植物，所以没定每个样方大小为l m x l m 。 第二章研究区域概况 第二章研究区域概况 2 1 工程概况 铜黄高速公路是国家“九五”期间重点工程建设项目之一，也是陕西省利用世界 银行贷款修建的第二批公路项目中里程最长、投资最大、工程最艰巨的一条公路。 是陕西省“三纵四横五辐射公路主骨架的组成部分铜黄高速公路的建成延伸了陕 西省“米”字型公路主骨架的南北干线。铜黄高速公路是包头一南宁的重要一段，是 西铜高速公路的延伸，是国家和陕西省规划建设的包头至北海西部开发大通道的 重要路段。于1 9 9 7 年1 2 月1 9 日正式开工，2 0 0 1 年4 月3 0 日建成通车。 铜黄高速公路北接黄延高速公路，南接西铜一级公路，途经铜川市、宜君县，止 于黄陵县康崖底，全长7 2 2 5 公里，铜黄高速公路按照新建山岭重丘区一级公路标准设 计。全线为双向四车道并全部控制出入的高速公路，设计行车速度6 0 公里d , 时，路基 宽度2 1 5 米，中央分隔带宽度1 5 米，行车道宽度3 5 m 。 2 2 研究区自然环境概况 2 2 1 地形、地貌 铜黄高速公路所经地区为渭北高原向陕北黄土高原过渡的山岳地貌，地势西南高、 东北低，属中低山地貌，小地貌可进一步划分为河谷地貌与斜坡地貌。河谷地貌包括河 床漫滩与阶地，阶地共发育三四级，多为基座式阶地，其中第三、四级阶地多已被构 成斜坡的坡麓，组成了河谷与斜坡的过渡地貌。斜坡地貌主要包括斜坡堆积地貌和山梁 剥蚀地貌两种。 本段路线布设在山地山坡的中下部，山地海拔高1 2 0 0 - 1 7 0 0 m 。第三纪以来，该区 缓慢上升，历经多次黄土堆积和侵蚀作用，形成塬、梁、峁众布、沟壑纵横的黄土地貌 特征，地形地貌条件相对复杂。本项目沿线沟谷发育，沟壑纵横，地形破碎，地形坡度 大，植被少，水土流失严重。冲沟深切是勘察区内地貌的最主要特点，沟谷沟壁陡峭， 切深1 0 0 - 2 0 0 m ，沟谷呈“u ”或“v ”字形，冲沟内纵坡较陡，一般缓者1 0 - - - 1 5 ，陡者 可达3 0 ，甚至常出现跌水陡坎。因受流水侵蚀，沟坡破坏较严重，常在陡壁( 斜坡) 间 发生崩塌、滑坡等不良地质现象。本段公路路线主要沿河谷、沟道及坡面布设，以隧道 形式穿越梁、峁。 2 2 2 地层岩性 铜黄高速公路沿线及周边出露地层除三迭系外，主要是第四系地层，且其成因类型 1 2 长安火学硕j ：学位论文 繁多，现按其所处地貌位置、岩性、成因等划分，由新到老概述如下： ( 1 ) 新近人工堆积层：主要分布于公路沿线两侧及居民居住区。岩性多为狄黄、黄褐 色等杂色粘性土夹砂岩、泥岩块碎石组成。多为开挖路基弃土。 ( 2 ) 全新世重力堆积层：主要包括滑坡、崩塌等堆积物。分布于沟谷两侧阶地、斜坡 及公路两侧人工开挖区，其岩性大体可分为上下两层，上层以灰黄、灰黑褐色粉质粘土 为主，质地较均一而疏松，厚度较薄，一般为5 - 8 m 。下层原岩多为坡残积物，以灰黄、 灰绿、褐红色粉质粘土和碎石土为主，碎石以风化泥岩、砂岩组成。该层土一般密实， 坚硬，多为粘性土充填半固结，厚度较大，一般厚度大于l o m 。 ( 3 ) 全新统坡残积层：分布于斜坡地带，顺坡地形覆盖于基岩之上，其岩性多以灰黄、 灰绿色粉质粘土和碎石土为主，局部夹有块碎石等，其厚度较大，一般厚度为5 - l o m ， 最后可达2 0 余m 。该层土土质不均，结构成分复杂，性质变化大。特别是在雨季土体 饱和时，土体抗剪强度等力学性质降低，常引起山坡发生变形破坏，形成滑坡等地质灾 害。 ( 4 ) 上更新统风积层：分布于山梁及斜坡地带，披覆于基岩之上，为黄土夹棕褐、棕 红色古土壤层及钙质结核，土质均匀，较坚硬，直立性好。 ( 5 ) 三迭系上统互层状砂泥岩：砂岩呈灰黄、黄绿、青灰色，中细粒结构，层状结构， 节理较发育、较坚硬。泥岩呈灰黑、青灰色，泥质结构，薄层状构造，较软(