高速公路边坡植被恢复效果研究[1]

1、第24卷第7期2007年7月公路交通科技Journal of Highway and T ransportation Research and DevelopmentV ol 124N o 17Jul 12007文章编号:10020268(2007 07014706收稿日期:20070324基金项目:交通部西部交通建设科技资助项目(200331822333作者简介:江源(1960- , 女, 甘肃正宁人, 教授, 博士生导师, 从事植被生态学、景观生态学及城市生态环境研究1(jiangy bnu1edu 1cn 高速公路边坡植被恢复效果研究江源, 陶岩, 顾卫, 刘永兵, 余海龙(北京师范大学

2、资源学院地表过程与资源生态国家重点实验室(北京师范大学 , 北京100875摘要:对采用厚层基材喷附技术建植的太原环城高速路护坡植被进行了为期4年的植物群落生态学跟踪调查, 以评价该技术的应用效果。结果表明:1 禾草和豆科植物混合播种, 坡面覆盖效果优于由纯禾草或者纯豆科植物构成的群落; 2 护坡群落的变化表现出向当地自然群落的趋同, ; 3 植物盖度以及禾草与豆科植物比例是两个较好在评价指标, 力和护坡植被长期稳定的可能性; 4 灌木物种后期生长不良, 。关键词:环境工程; 植被恢复; 厚层基质喷附; ; 中图分类号:S73118:AAsse by Soil Spray Seeding Te

3、chniqueRoad Verge Slope s of Expre sswayJ I ANG Y uan , T AO Y an , G U Wei , LI U Y ong bing , Y U Hai long(C ollege of Res ources Science and T echnology , Beijing N ormal University , S tate K ey Laboratory of Earth Sarface Processes and Res ources Ecology (Beijing N ormal University , Beijing 10

4、0875, China Abstract:Based on four year field investigation , the vegetation restoration by s oil spray seeding technique on road verge slops of expressway around the T aiyuan City is assessed 1The results show that :1 the restored plant communities composed of Leguminous and G ramineous species hav

5、e a better coverage than those composed of either Leguminous or G ramineous only ; 2 the change of the community parameters has trended to approximating the community parameters in the natural habitats nearby ; 3the coverage and the ratio of Leguminous to G ramineous are two effective parameters for

6、 assessing the restored vegetation , for the coverage reflects the effect of erosion protection , and the ratio of Leguminous to G ramineous indicates the stability of restored vegetation ; 4the shrub species has grown not as well as expected , and a further study should be conducted in future for i

7、mproving the shrub species growing 1K ey words :environmental engineering ; vegetation restoration ; s oil spray seeding technique ; expressway around city ; assessment0引言随着我国经济快速发展和改革力度的深入, 环境污染和生态破坏已成为阻碍社会可持续发展的主要问题之一。对于公路建设来说, 有效保护受损生态环境, 是我们必须正视和认真对待的问题1。在公路工程建设中, 经常要开挖大量边坡, 破坏原有路域范围的植物覆盖层, 导致出现

8、大量的次生裸地以及严重的水土流失, 并引发自然生态系统的退化2。因此, 如何快速恢复由于开挖边坡产生的生态环境破坏, 实现坡面的长期植物保护是我国21世纪公路建设中一个亟需研究和解决的课题3,4。公路边坡植物是路域生态系统的重要组成部分, 其好坏直接影响路域生态系统的稳定程度和发展方向5,6。植物地上部分的茎、枝、叶可有效阻挡降雨直接溅落坡面, 间接起到降低降雨强度、控制地表水土流失的作用; 植物在地下分布有丰富的根系, 其中, 浅层根系互相连结并与土壤结合起到加筋作用, 可有效固持坡面浅层土壤, 防止侵蚀流失; 深层根系在边坡土壤中可以起到锚固作用, 使地表植物与深层 土壤融为一体, 提高坡

9、体的稳定程度8,9。另外, 植被护坡还具有降低噪声大气污染、调节小气候、美化生态环境、改善道路景观功能等生态效果。因此, 应用植物防护边坡可从根本上解决边坡工程建设与生态环境破坏之间的矛盾10。随着高速公路建设的快速发展, 如何在我国中西部地区公路建设中兼顾公路建设与生态保护, 体现人与自然的和谐理念; 如何认识和评估我国中西部地区公路生态保护效果已逐步成为中国高速公路建设中倍受关注的热点研究问题11,12。为此, 本研究选择位于我国黄土高原区域、山岭面积广泛分布、公路建设对原有生态环境破坏较为严重的山西省太原市绕城高速公路(西北环 为试验区域, 探讨植被护坡的生态效果, 为我国中西部地区道路

10、边坡植物恢复与重建提供理论与技术依据。1试验区域概况线, K 20+000K 21+286标段。试验地地处东经112°281618、北纬37°482414, 海拔862m , 公路呈南北走向, 路两侧均为开挖边坡。东坡垂直高度为20m , 坡麓有2m 高的水泥砖砌护坡, 上部为植被护坡。西坡垂直高度为6m , 全部是植被护坡。该地区气候属北温带大陆性气候, 冬季寒冷干燥, 春季大风干旱, 夏季炎热多雨, 秋季短暂凉爽。年平均气温915, 1月平均气温-616, 7月平均气温2315。日平均气温5日数为220d 。年平均降水量45915mm 。土壤枯枝落叶层和淋溶层厚度为10

11、cm 左右, 养分构成状况较好(表1 。公路周边现存植物类型有人工侧柏林、荆条灌丛、酸枣灌丛和农田等, 山坡上部人工林和灌丛发育处的植物覆盖度约为80%, 下部为50%左右。地带性土壤为暖温带森林草原褐土, 地带性植被属于温暖带落叶阔叶林。表1试验区附近自然坡面土壤理化性质T ab 11Physical and chemical properties of undisturbed s oilnear the experimental slops采样点全氮%有效磷(mg kg -1 速效钾(mg kg -1 交换性镁(mg kg -1交换性钙%有机质%pH 值东坡0104218130713371

12、350134014281402材料与方法施工坡面基质为黄土, 坡度均为50°, 水平长度约200m , 因其为挖方边坡, 新开挖的坡面尚未出现风化。植被护坡工程采用挂网厚层基材喷附技术, 首先紧贴坡面用锚杆固定铁丝网, 然后将混有种子的基材喷附于挂网坡面之上, 含有种子基材的喷附平均厚度为7cm 。边坡植物恢复设计播种量为7000株m 2,2003年7月初施工完毕。厚层基材喷附工程完成之后, 坡面植被的养护措施主要为定期浇水。211试验材料物种设计组合采用以禾本科和豆科草本植物为主、灌木植物为辅的模式。根据试验地的实际环境条件及试验目的要求, :东坡:无芒雀麦( 、苇状羊茅(Fest

13、u 2ca perenne 、小冠花( viciaef 、柠条(Car 2;:扁穗冰草(Agropyron cristatum 、无芒雀麦、苇状羊茅、沙打旺(Astragalus adsurgens 、小冠花、柠条。在这些物种中, 无芒雀麦具有发达的地下根茎, 蔓延能力极强; 扁穗冰草须根稠密; 小冠花和沙打旺主根粗壮, 侧根发达, 地上部分分枝较多, 生长迅速匍匐生长蔓延力强; 苇状羊茅茎直立, 叶片长大, 耐旱抗热性较好; 柠条根系发达, 耐干旱, 护坡效果突出; 红豆草花色美丽, 根系发达, 根上生有大量根瘤, 固氮效果好。混合使用这些物种, 期望达到草灌结合、长短根系结合、先锋物种与稳

14、定物种结合等特征, 既满足坡面群落的植物多样性设计, 也符合群落内物种的自营养循环机制, 以达到快速覆盖、牢固护坡、群落稳定、养护量小的边坡生态恢复目的。具体物种设计数量比例见表2。表2边坡植被恢复的种子配比方案T ab 12Seed Proportion of different species forthe vegetation restoration 坡向设计播种物种数量比例%扁穗冰草无芒雀麦苇状羊茅沙打旺小冠花柠条黑麦草红豆草-1214-138350注:表示无此物种。212相关数据的测定方法2003年9月2006年8月每年监测调查一次边坡植物恢复和生长状况。植物采样的方法是: 选择植物

15、生长均匀且具有代表性的固定公路坡面, 从坡顶向坡麓在上、中、下部位各布设34个样方, 进行样方调查。其中覆盖度的调查采用点测法, 即将1m ×841公路交通科技第24卷1m 的样方等分成为100个10cm ×10cm 的小网格,对每个网格结点登记是否在点向地面的垂线方向被植物体分布, 最后统计有植物体分布的总结点数与所有网格结点数的比值, 并以此作为盖度指标, 用百分数表示。生物量则选取1m ×1m 样方中的14, 剪取植株地上部分, 带回室内烘干后称重, 得到植物地上部分生物量数据。地下部分生物量测定采用挖土取样法, 在10cm ×10cm ×

16、;20cm 土体上按照每10cm 深度取样, 清洗、烘干、称重, 获得根系生物量。样方调查坡面植物的指标还有:物种种类组成、高度、优势物种变化、禾本科与豆科物种比例等。在试验公路边坡附近选取近似坡度和坡向的自然坡面并进行样方调查, 记录自然坡面植物种类组成及生长指标, 以便与公路坡面植物调查结果进行比较。3结果与分析311种类组成变化, 3可以看出, 截止到2006, 西坡在植物建植后第1年(2004 有一个物种被淘汰出群落物种组成。建植后的前3年, 西坡坡面的植物种总数呈逐年下降趋势, 2006年物种数目骤增到27种; 东坡物种数目呈逐年增加趋势, 这主要是由于当地自然物种侵入数目的波动引起

17、的, 侵入物种以1年生先锋草本植物为主, 由于对坡面环境和小气候的影响较为敏感, 种类组成年际间变化较大。表3不同坡向样地内外物种数量的年变化T ab 13Variation of the species composition inside and outsidethe sample plots am ong different years坡向物种来源2003年2004年2005年2006年初始播种物种数6666东坡样地外侵入物种数4122123总物种数10182729初始播种物种数6555西坡样地外侵入物种数1211722总物种数18161227东、西两面边坡生态恢复群落中, 初始设计播种

18、物种的比例从2003年2006年发生了较大变化。东坡初始播种的6 , 还是在群势, 可以看出, 建植当年(2003 、苇状羊茅和红豆草为主, 建植后第1年(2004 和第2年(2005 黑麦草在群落中的分布逐渐被其他物种所替代, 而到了建植后第3年(2006 , 初始播种物种在坡面植物中的相对比例均降到10%以下, 作为灌木种的柠条在建植后只有少量存活, 相对比例在1%以下。西坡在植物恢复的前2年, 无芒雀麦在群落中占据主要优势, 建植后第2年(2005 生长开始退化; 与此相对应, 群落中的沙打旺则从初始阶段较低的相对比例逐步成为群落中的优势物种(图1 。这主要是因为西坡面面积较小, 坡面植

19、物群落稳定性容易受到当地自然环境因素的改变图1西坡(左 和东城(右 生态恢复群落物种盖度比例变化Fig 11Change of the species composition in plant communities on the west (left and east (right slops而发生波动 , 所以, 坡面植物种类组成及数目变化较大; 而东坡坡面面积较大, 坡面内部异质性小, 护坡植物群落抵抗外界因素变化的能力要大于西坡, 因此东坡护坡植物群落物种种类组成更容易保持稳定。312优势物种变化由表4可以看出, 东坡护坡植物群落优势物种在建植的当年和第1年主要以禾本科植物为主, 第2

20、年和第3年豆科植物逐渐替代禾本科植物并占据绝对优势; 西坡亦呈现相似规律, 即在坡面植物建植当年和第1年, 坡面植物以禾本科植物占主导地位, 此后禾本科植物比例逐渐下降, 以沙打旺为主的豆科植物成为坡面群落中的主要优势物种。这主要是因为, 在护坡植物群落建植初期, 坡面日照充足、土壤养分丰富, 导致禾本科牧草迅速生长, 并在建植当年和第1941第7期江源, 等:高速公路边坡植被恢复效果研究年明显抑制豆科牧草的生长。但是伴随着时间的推移, 土壤养分在植物吸收和降水冲刷的作用下逐渐减少, 禾本科牧草的生长由于受到环境因子的限制逐渐退化, 而豆科牧草主根发达, 可吸取深层土壤水分, 并且豆科牧草较禾

21、本科牧草更加耐旱、耐贫瘠, 所以在护坡植物群落建植后期, 豆科植物逐步替代禾本科植物, 成为坡面主要优势物种。表4不同坡向样地坡面群落优势物种的变化T ab 14Change of dominant species in the plant communities 年份东坡优势物种盖度%西坡优势物种盖度%黑麦草15小冠花132003苇状羊茅55无芒雀麦40无芒雀麦10扁穗冰草10苇状羊茅24黑麦草31沙打旺242004苇状羊茅512545红豆草512005苇状羊茅15小冠花20无芒雀麦192006红豆草16沙打旺43无芒雀麦15注:盖度大于10%确定为坡面优势物种313覆盖度变化图2生态恢复边

22、坡群落覆盖度变化Fig 12Change of the total coverage in the reconstructed vegetatio in different years2003年施工当年东、西两面植被护坡群落覆盖度平均达到了90%以上, 并且均在建植后的第1年达到最高值, 此后至2006年两个坡向上均表现出覆盖度逐渐下降的趋势, 平均盖度为70%(图2 。公路边坡植物恢复初期, 在较短的时间内迅速形成较高的植物覆盖度是必要的, 这样不但可以实现坡面的初期景观效果, 而且对于减少降水对裸露边坡的侵蚀和冲刷具有良好的保护作用13,14。据调查, 当地自然坡面中, 西坡植物覆盖度平均

23、为65%, 而东坡植物覆盖度平均只有45%。对比生态恢复工程的坡面植物盖度变化可以看出, 从护坡植物群落建植的第2年开始, 在覆盖度方面已经在向近自然生境中的群落特征靠近。分析其原因主要是, 公路边坡植物建植初期, 由于植被护坡采用的是厚层基质喷附方法, 基质营养相对丰富。加之有后期浇水养护, 水分也较为充足。所以在前两年呈现植物生长旺盛, 覆盖度高的现象。但是坡面土壤养分随着植物吸收和降雨冲刷逐年减少, 生境条件逐渐与自然坡面条件接近, 所以在建植后期, 植物覆盖度会逐年下降。由于公路边坡坡度通常大于植物自然恢复的坡面, 因此护坡植物的盖度也许还会有所降低, 最终随着群落物种演替的变化而逐渐

24、趋于稳定。314植物生物量变化, 结合种类组成指标, 可以分析。实验样地内护坡植物群落地上生物量变化的总体规律是, 建植初期增长迅速, 随着时间的推移不断减少。西坡坡面植物的地上生物量在建植后的第2年达到最高值, 东坡在植物恢复第1年达到最高值, 此后坡面植物地上生物量均表现出逐年下降趋势, 并逐渐接近当地自然条件下的坡面植物地上生物量(图3 。地上生物量的变化规律与盖度变化情况基本一致。图3西坡(左 和东城(右 地上生物量的年变化Fig 13Change of aboveground biomass in the reconstructed vegetation in different y

25、ears地上生物量及地上植物覆盖度, 直接反映了植物 地上部分的茎、枝、叶等构件的丰富程度, 主要功能体现在防止坡面土壤侵蚀、控制地表水土流失等方面。除此之外, 植物的地下生物量则指示了根系的生长及丰富程度, 而根系的发育情况及分布格局可直接影响其对坡面深层及浅层土壤的固持能力的强弱。与2004年相比, 2006年东、西两面护坡植物不同深度地下生物量及地下总生物量均有一定程度的增加; 另外, 相同年份中, 西坡植物不同深度地下生物量及地下总生物量均高于东坡, 这与坡面植物的地上生物量变化是具有一定紧密相关性的。结合表4可知, 200451公路交通科技第24卷年东坡植物群落以黑麦草、苇状羊茅等禾

26、本科植物占主要优势, 而禾本科牧草主根不发达, 根系分布单一, 地下生物量增长有限。而到了2006年坡面优势种主要以红豆草等豆科植物为主, 豆科植物主根系粗壮发达, 并可深入土层。植物根系生长的逐渐累加及坡面优势物种的改变是地下生物量增长速率波动的主要原因(图4 。图4地下生物量及其分布Fig 14Change of underground biomass structed 从垂直分布看, 壤表层10cm 其所占比例大约是1020cm 深度地下生物量的3倍左右。另外, 护坡植物 群落中灌木生长受到草本植物抑制并被淘汰出物种组成, 也是造成地下生物量过分集中于地表的原因。315群落多样性变化生物

27、多样性是指生物种的多样化和变异性以及物种生境的生态复杂性。而生态系统的多样性则指示了生态复合体系的多样化和健康状态。路域植物的生物多样性是维护路域生态系统稳定性的基础性条件, 也是路域植物恢复评价的主要标准之一。生态学上认为, 多样性的增加可使网状食物链结构增加, 使系统内关联更为复杂, 这样可以使生态系统更趋向于稳定14。图5生态恢复边坡群落多样性变化Fig 15The change of plant biodiversity in the reconstructedvegetation in different years从图5中我们可以看出, 西坡植物群落多样性在建植后第1年略有增加,

28、其后逐年下降, 趋势为逐渐接近自然坡面。而东坡植物群落多样性则是逐年增加的, 并渐渐开始高于自然坡面。决定群落多样性大小的两个重要指标是群落的物种丰富度和均匀度, 其中, 东坡群落多样性变化与群落物种数目变化趋势一致, 说明东坡的群落多样性主要是受当地侵入自然物种的数目影响, 群落外物种侵入坡面后能够在短时间内与原有群落物种融为一体, 并均匀分布于坡面群落, 随着物种数目的增多, 群落多样性增加。西坡群落多样性变化与物种数量差异较大, 这主要是由于西坡面积较小, 当地自然物种侵入坡面后只在坡面的局部区域生长和存活; 另外, 群落中各年优势物种盖度之和均在58%以上, 群落种类组成主要以小冠花、

29、沙打旺、无芒雀麦、苇状羊茅和扁穗冰草等少数优势物种为主, 减少, , 最终导致群落, 同时也具有深根性质, 对增加土层稳定具有重要作用。因此, 不仅在公路生态恢复工程中, 其他各类生态工程中, 豆科植物都是经常被选用的植物类群。豆科植物与禾本科植物混合播种已经成为最为常见而有效的物种组合。选择沙打旺、小冠花、红豆草、柠条与禾本科植物混合播种, 其中沙打旺和红豆草生长最好, 并且在建植后第3年分别占据东、西坡的主要优势物种。小冠花只在东坡植物建植后期和西坡植物建植初期成为优势物种。柠条在建植当年尚有小苗存活, 但是建植1年后, 因其生长缓慢并受到草本植物的强烈竞争作用, 基本被淘汰出群落物种组成

30、, 只在坡面上缘光照较好且植物稀疏的地方, 柠条才有零星分布。20032006年东、西两边坡群落中豆科草本和禾本科草本相对盖度之和均在70%以上, 说明这两科植物始终是坡面群落优势物种。此外, 豆科与禾本科相对盖度比表现为逐年增加趋势, 在建植当年及第1年, 豆科植物所占比例低于禾本科植物, 但是到了第2年和第 3年, 豆科植物所占比例迅速增加, 并明显高于禾本科植物(表5 。由此可见, 由于坡面土壤覆盖层采用厚层基质喷附形成, 营养丰富, 所以在护坡植物建植初期, 无论是东坡还是西坡都是禾本科植物先迅速生长并占据坡面群落主要优势, 随着时间的推移, 禾本科植物优势度被豆科植物所替代, 而豆科

31、植物的旺盛生长对于改善坡面土壤性质, 增加边坡土体稳定性都是有好处的。4结论(1 禾草植物在护坡植被建植早期容易形成较高151第7期江源, 等:高速公路边坡植被恢复效果研究 24 卷 公 路 交 通 科 技 第 152 表5 豆科与禾本科植物盖度比值的年际变化 Tab15 Change of coverage ratio between Leguminous and Gramineous species 16123 83170 17144 77179 0122 0119 13100 80100 33156 64188 0152 0116 ( 4 建植群落中的灌木种类 , 在建植初期生长较 坡向

32、 类别 2003 年 2004 年 2005 年 2006 年 50177 43108 58120 41130 1141 1118 43198 29147 62134 36177 1170 1149 自然坡 3100 7106 0142 3192 9127 0142 豆科相对盖度% 禾本科 东坡 相对盖度% 豆科 禾本科 好 , 但后期发展受到草本植物的强烈竞争 , 乃至于在 群落中的保存数量极少 。根据对植被恢复工程跟踪监 测 , 灌木种类生长受到抑制主要是光竞争的结果 。草 本植物前期生长迅速 , 导致灌木种类处于草本植物的 严重遮蔽之下 。据此 , 建议加强开展边坡植被恢复中 的草 灌配

33、置模式研究 , 以减少草本物种对灌木物种 的光竞争强度 , 开发兼具快速护坡和长期持久护坡效 益 、适合于半干旱和半湿润地区的厚层基质喷附建植 草灌结合群落的有效技术 。 参考文献 : 1 周德培 , 张俊云 1 植被护坡工程技术 M 1 北京 : 人民交通出 2 MORG R R C , RICKSON R J 1Slope stabilization and erosion con2 AN 4 黄晓霞 , 江源 , 顾卫 , 等 1 中国公路生态研究的国际比较及展 5 高民欢 , 李辉 , 张新宇 , 等 1 高等级公路边坡冲刷理论与植物 6 舒翔 , 杜鹃 , 曹映泓 , 等 1 生态工

34、程在高速公路岩石边坡防护 8 王云 , 龙春林 , 刘怡涛 , 等 1 植物在高速公路边坡防护中的作 9 X P , ZHANGL Q , ZHANG Z1Soil bioengineering and the ecological LI 10 11 12 13 14 osphere , 2004 , 55 : 1 349 - 1 3591 BENEDICTE VIARD , FRANCOIS PIHAN , SANDRINE PROMEYRAT , 7 王代军 , 胡桂馨 , 高洁 1 公路边坡侵蚀及坡面生态工程的应用 相对盖度比 豆科相对盖度% 禾本科 西坡 相对盖度% 豆科 禾本科 相对

35、盖度比 的坡面覆盖度 。本试验研究的结果表明 , 在植被建植 的前 2 年 , 禾草植物的优势明显 , 具有快速有效降低 坡面侵蚀的效果 。但是禾草植物的根系较浅 , 而且在 建植后期生长力逐渐衰退 , 长期持续生存性差 , 因此 长期保持公路边坡稳定的能力较弱 。豆科植物前期生 长不及禾草 , 但在后期优势逐渐凸现 , 而且根系能够 达到土层深处 , 弥补禾草根系较浅的不足 。因此 , 禾 草和豆科植物混合播种 , 护坡效果优于由纯禾草或者 纯豆科植物构成的护坡群落 。 ( 2 从试验调查的结果与分析可以看出 , 人工建 植护坡植物群落的覆盖度 、种类组成 、生物量 、群落 多样性 、豆科与禾本科植物比例与播种当年相比较 , 均发生了较大的变化 。虽然各项指标都具有下降趋 势 , 但均体现为向更加接近当地自然群落特征发展的 趋势 。这种变化过程很可能体现了护坡植物群落的一 般规律 , 即向当地自然植被的方向演替的特征 。这种 规律虽然可使护坡效果在一定阶段受到不同程度影 响