川西南公路工程废弃地植被恢复与重建研究——以锦屏水电站对外交通公路为例

尤继勇,覃志刚,张小平,魏宗华

(四川省林业科学研究院,四川 成都 610081)

引言

随着川西南地区经济建设的全面发展,各类工程(公路、铁路、水利、矿山及工业民用建筑)的大规模建设造成一系列的环境问题,其中最为突出的是破坏了当地原有植被,形成大面积不同程度裸露的边坡和废弃地,这些边坡和废弃地的存在进一步增加了水土流失、滑坡、泥石流的发生频率与强度,也造成局部小气候的恶化及生物链的破坏等生态灾害。虽然人们非常重视公路工程废弃地的植被恢复与重建,但常出现植物类型单一、外来物种入侵,维护费用过大、后期效果不佳等众多问题。如何按照生态规律恢复破坏的生态系统是近年来研究与关注的重点,我们针对锦屏水电站对外交通公路工程废弃地采用的生态恢复模式,从立地类型的确定以及先锋植物和不同立地类型的植被恢复模式等方面做了系统研究,对川西南公路工程废弃地植被恢复具有重要的指导作用。

1 研究地区概况

试验地选择为二滩水电开发有限责任公司开发建设的锦屏一级、二级水电站对外交通专用公路,该公路东起冕宁县漫水湾镇,西至磨房沟乡,全长 56 km。海拔高程范围在 1380m～2500m之间,高差为 1120m。区域气候属亚热带季风气候,雨热同季,干湿分明,从 11月到次年 4月为干季,干季晴朗少雨,风力大、蒸发强,每月平均相对湿度 60%左右,半年降水量只占全年的 10%,5月至 10月为雨季,尤以 6月 ～9月更为集中,降水量占全年的79%,这种季节分配过度的不均衡,往往会导致冬春干旱和秋涝。沿线土壤种类由低到高分别为冲积土、红壤和红棕壤,由于公路施工对原生土壤破坏严重,土壤石砾、混凝土和废弃物等含量较高,部分地段基岩裸露,土壤贫瘠,土壤质地多为砂质,水土流失严重。

2 立地类型划分

为便于对废弃地实施生态治理和植被恢复,有必要对现有废弃地进行立地类型划分,以便做到因地制宜、分类施策。对公路工程废弃地现状进行了分析,采用“地表破坏类型 +废弃地类型”的方法,将锦屏水电站对外交通公路工程废弃地共划分为 9种类型,各类型的成因、结构、稳定性、形态、复垦条件和立地状况差异较大,植被恢复难易程度和采用措施方法各不相同。类型划分结果及各类型特征见表1。

表 1 川西南公路工程废弃地类型及特征一览表

3 植被恢复与重建模式

3.1 渣料场植被恢复与重建

试验安排在 3个不同的海拔段(分别为 1500 m,2000m,2500m)进行,试图找出适宜不同海拔的乔、灌木和草种。由于渣料场立地条件差,没有植物生长的基本条件,必须对渣料场表面进行客土铺填,采用 3个不同的覆土厚度(分别为 10cm,20 cm,30cm)进行试验。在植物品种选择上,尽量选择乡土树种或草种,同时要方便采种,易繁殖。乔木选用了蒙自桤木、云南松、高山栎、油桐,灌木选用了马桑、火棘、车桑子、火炬树、新银合欢,草本选用了山蓼、酸模、艾蒿、香薷、洋金花。

于 2007年 5月 3日 ～15日进行种植或点播。种植方式采取营养袋植苗、点播和撒播,蒙自桤木和云南松采用 1a生营养袋苗,火棘为 1a生实生苗,其它乔木和灌木采用点播,草本采用撒播,草种的播种量为 20g◦m-2～30g◦m-2,组合上均采用乔、灌、草模式。在秋季对试验各项措施测定。测定内容:栽植的营养袋苗测定成活率、当年苗高生长量、冠幅(连续测定 60株),点播的乔木和灌木本测定出苗率、当年高生长量、冠幅(连续测定 60株),草本测定植物的株高、盖度。木本测定采用 2m×2m样方,草本采用 1m×1m样方,均做 3次重复。

2007年 9月 10日 ～15日对各试验进行调查测定,其结果见表 2,表中数据为 3次重复的平均值。

受山地气候的影响,水热状况在地貌上的垂直差异直接影响和制约着植被的分布和生长,从表 2中可以看出,乔木树种在各海拔段生长较好,仅油桐在海拔 2500m以上时生长指标较差。所有灌木的发芽率都较高,马桑在海拔 2000m以下的生长量可达 20cm,而火棘的生长量仅有 2.1cm～3cm,车桑子、火炬树和新银合欢虽然发芽率高,但到冬季时全部死亡。草本的盖度大多在 50%以上,其中山蓼和艾蒿在海拔 2500m以上时,其盖度小于 50%,洋金花在海拔 2000m以上时,其盖度小于 50%。其余草种都生长较好。

表 2 各试验植物的生长状况表

因此,对渣料场进行植被恢复与重建时,在不同的海拔段应选择不同的乔、灌、草种进行组合。在海拔 1500m左右,乔木可以选择蒙自桤木、云南松、高山栎和油桐,灌木可选择马桑、火棘,草本可选择山蓼、酸模、艾蒿、香薷、洋金花。在海拔 2000m左右,乔木可选择蒙自桤木、云南松、高山栎,灌木可选择马桑和火棘,草本可选择山蓼、酸模、艾蒿、香薷。在海拔 2500m左右,乔木选择蒙自桤木、云南松、高山栎,灌木可选择火棘,草本选择酸模、香薷。

3.2 台地植被恢复与重建

2008年春季实施试验,共设两个试验段。选择较为规整的台地两块,总面积为 0.20hm2。乔木选用蒙自桤木、女贞、油桐,灌木选用了马桑、火棘、新银合欢,草本选用了早熟禾、高羊茅、山蓼、酸模、艾蒿、香薷。对石质台地、泥夹石台地进行回填土壤处理,为了增加土壤肥力,另撒铺 5cm的腐质土。在将乔木分别种植在面积各为 0.10hm2两块地上。将其中面积各为 0.01hm2的四块地中的 3块分别撒播酸模、山蓼、早熟禾、高羊茅,一块地作为空白对照,不进行任何播种或栽植。选取植被覆盖度作为台地植被恢复状况指标,数据采集采用梅花式 5点取样,样方面积 1m2。试验 1a后,2009年 5月 1日 ～10日对其试验 段进行了调查,观测其恢复效果(表 3)。

表 3 1a台地植被恢复群落结构变化

调查结果表明 1号、2号实验地乔木、灌木长势较好,其根系在 50cm的土壤层呈伞形广泛分布,植株平均高度从移栽时的 5cm生长到目前的 10cm,植被覆盖度逐年提高;野生乡土草种植被覆盖度较高,且根系分布较深,植被恢复效果最好;而 3号地块早熟禾、高羊茅混播地块植被生长状况较差,根系主要分布在土层 10cm以内;且根系不发达,地上植株单一 ,拦蓄降水能力相对差一些,植被覆盖度增加较慢;对照地块 1号、2号乡土草种分布生长较快,须根系普遍位于 30cm土壤层内,植被覆盖增加速度相对较慢,在有大的降水过程中,蓄水保土能力相对较强。综合来看,人工种植的野生草本植物生长速度、根系分布和群落覆盖度方面明显优于其他试验处理地块,台地植被的恢复效果较好。

根据川西南公路工程废弃地台地土壤结构特点,确定以下恢复模式:乔木可以选择蒙自桤木、女贞、油桐,灌木可选择马桑、火棘,草本可选择山蓼、酸模、艾蒿、香薷。

3.3 边坡植被恢复与重建

3.3.1 石质边坡立地条件植被的恢复与重建

我们于 2006年 10月 ～2007年 10月在锦屏水电站对外交通专用公路 K34+K57路堑石质边坡进行了为期一年的植被恢复与重建野外试验。

结合沿线原有植被的调查结果,本试验植被恢复所选的植物种类如下:灌木选用了马桑、火棘、火炬树、新银合欢,草本选用了早熟禾、高羊茅、山蓼、酸模、艾蒿、香薷、洋金花、孔雀草、波斯菊,藤本选用了地锦、油麻藤、葛藤。根据不同海拔高度、边坡坡比、坡向以及周边背景植被类型和景观要求的差异,设置了不同的植物配置方式。以 K42+42～126为例,该边坡面积 1131.4m2,该坡面为裸露岩石坡面,立地条件较差,植物生长困难。

根据该坡面结构特点,首先对边坡进行客土人工回填,以保证植被恢复需要。植物种植安排:火炬树、马桑、新银合欢等大灌木单排种植间距 0.8m～1.0m,杜鹃等小灌木栽植密度 0.2m×0.2m～0.4 m×0.4m。植苗或插条栽植时将苗木置于种植穴中心,用泥土分层覆土压实。植苗完成后立即浇定根水,定根水必须浇足浇透,最后用秸秆等物进行覆盖。点播的播种量因植物种类而异,一般为 3粒 ～5粒◦穴-1,播种后随即覆土,并浇水灌溉。藤本采用植苗方式种植,藤高(藤长)20cm～40cm。沿边坡上下边缘及不规则配置,栽植密度平均为 0.3m×0.3m～0.8m×0.8m,单排栽植时株距 0.3m～0.4m。栽植时将苗木根部置于种植穴中心,用泥土分层覆土压实。植苗完成后立即浇定根水,定根水浇足浇透,最后用秸秆等物进行覆盖,由其地理条件不同而有所差异,采用自然组合方式,草本采用人工点播。

试验 1a后,2008年 10月 5日 ～20日对其试验段进行了调查,观测其恢复效果(表 4)。

表 4 1a内石质边坡植被恢复群落结构变化

根据野外试验结果,可以得出以下 3个结论:

(1)石质边坡土壤结构差,十分不利于植物的生长,在进行植被生态恢复与重建之前,必须对基质进行处理。

(2)乡土灌木、草本、藤本植物均能正常生长,说明乡土植物更能适应该地气候。新银合欢、地锦由于海拔较高,积温低,生长极差。

(3)在含泥土很少的石质边坡上进行植被恢复与重建,最关键的是能找到合适的植物种类。从试验结果来看,乡土灌木、草本、藤本植物可作为石质边坡上植被恢复与重建的先锋植物。

根据试验结果,确定了石质边坡两种植被恢复模式:马桑 +艾蒿 +香薷 +山蓼 +高羊茅,火棘 +艾蒿 +香薷 +山蓼 +高羊茅 +葛藤为基本模式。

3.3.2 泥夹石边坡立地条件植被的恢复与重建

考虑到锦屏水电站对外交通专用公路泥夹石边坡的土壤特性,在植物选择上,选用一些优良的乡土植物,灌木选用了马桑、火棘、火炬树、新银合欢,草本选用了早熟禾、高羊茅、山蓼、酸模、艾蒿、香薷、波斯菊、孔雀草。

试验安排在 K43+50-100段泥夹石边坡,其海拔在 1900m的 3个不同坡度(分别为 0°-15°,15°-35°,35°-45°)的边坡,试图找出不同坡度最适宜的种植模式。实验原则是生物措施与工程措施相结合,生物措施为主,并以乡土植物为先锋植物(表 5)。

表 5 泥夹石边坡的坡度与植物恢复模式

2008年 10月,对其实验段进行了观测,其情况如下:

(1)0°～15°泥夹石边坡:火炬树的成活率为6%,新银合欢为 85.6%,火棘为 84%。年均树高增长量新银合欢为 0.7m,火棘则较低,为 0.13m。年均胸径增长量新银合欢最高,为 0.7cm,而火棘为0.1cm。山蓼、酸模、高羊茅的混播草坪的覆盖率达到 95%,酸模生长较好,其次为艾蒿、香薷、山蓼。

(2)15°～35°泥夹石边坡:火炬树的成活率为4%,新银合欢为 87.6%,马桑为 89%。年均树高增长量新银合欢为 0.6m和马桑为 0.7m;年均胸径增长量新银合欢为 0.5cm,马桑为 0.4cm。山蓼、酸模、高羊茅的混播草坪的覆盖率达到 97%,酸模生长较好,其次为为艾蒿、香薷、山蓼。

(3)35°～45°泥夹石边坡:火炬树的成活率为4.4%,马桑为 85%,火棘为 88%。年均树高增长量马桑为 0.5m;火棘为 0.15m。年均胸径增长量马桑 0.4cm,火棘为 0.15cm。山蓼、酸模、高羊茅的混播草坪的覆盖率达到 95%,山蓼生长较好,其次为为艾蒿、香薷、山蓼。

在海拔 1900m坡度 45°以下,风化页岩平均占90%,风化页岩、泥岩土壤有机质含量甚微,干旱期达 186d和日降雨达 92.4mm的极端环境条件下所选择植物基本能正常生长,除火炬树外,其他植物都能正常生长,并形成了自然生态景观。由于植物根系的抗拉强度,增强了该风化边坡土岩的固持能力,恢复松散堆积物的内聚力,稳固了该病害边坡,从根本上解决了水土流失的诱因。应用生态防护技术这一软性生物措施,对川西南地区强风化岩质边坡的病害防护与稳固是非常有效的,与传统的土石方工程对比经济效益是非常显著的。

根据泥夹石边坡土壤结构特点,确定以下 3种恢复模式:

(1)0°～15°采用新银合欢 +火棘 +草本为基本模式;

(2)15°～35°采用新银合欢 +马桑 +草本;

(3)35°～45°采用火棘 +马桑 +草本为基本模式。

4 结论

工程废弃地植被恢复与重建工作是工程建设生态环境恢复与重建的主体,受到世界各国的广泛重视。通过川西南山地公路工程废弃地植被恢复与重建研究取得以下结论:

(1)对公路工程废弃地现状进行了分析,采用“地表破坏类型 +废弃地类型”的方法,将川西南山地公路工程废弃地按照地表破坏情况、废弃地形态部位及工程创面特征等要素划分成了 9种具体类型,为采取适宜的植被恢复技术措施提供了基础条件。

(2)植物种类选择的适当与否是废弃地植被恢复成败的关键之一。根据川西南山地区域植被特征和植物区系特点,选择了适宜该区植被恢复的先锋植物。

(3)根据公路工程废弃地类型,选择了渣场、边坡和台地 3种典型类型,进行了植被恢复试验,通过试验提出了 3种类型的植被恢复措施和植被恢复重建模式。

[1] 樊鸿章,刘宏,董建辉.勉县至宁强县高速公路生态恢复评价研究[J].水土保持通报,2007,8(4).

[2] 许文年,王铁桥,叶建军.工程边坡绿化技术初探[J].三峡大学学报(自然科学版),2006,(23).

[3] 周友生,边坡绿化工程的设计与分析[J].湖南环境生物职业技术学院学报,2003,9(3).

[4] 陈振盛.泥岩边坡植生技术研究[J].水土保持研究,1995,2(3).

[5] 黄尊景,陈孟达.台湾特殊地质区水土保持工法之应用[J].水土保持研究,1995,2(3).

[6] 李旭光.日本的公路边坡绿化与防护:1994年赴日本考察报告[J].公路交通科学,1995,12(2).

[7] 舒翔,杜娟,曹映泓,等.生态工程在高速公路岩石边坡防护工程中的应用[J].公路,2001,(7).

[8] 张俊云,周德培,李绍才.岩石边坡生态护坡研究简介[J].水土保持通报,2000,20(4).

[9] 许文年,王铁桥,叶建军.岩石边坡护坡绿化技术应用研究[J].水利水电技术,2002,33(3).

[10] 中国科学院中国植物志编辑委员会主编.中国植物志[M].北京:科学出版社,1959～1989.

[11] 《四川植物志》编辑委员会.四川植物志[M].成都:四川人民出版社,1981.

[12] 胥晓刚.公路区域生态破坏及植被恢复技术应用与研究发展[J].中国园林,2005,(1).

[13] 黄晓霞,江源,顾卫,等.中国公路生态研究的国际比较及展望[J].公路交通科技,2004,21(4).

[14] 高民欢,李辉,张新宇,等.高等级公路边坡冲刷理论与植物防护技术[M].北京:人民交通出版社,2005.

[15] 舒翔,杜鹃,曹映泓,等.生态工程在高速公路岩石边坡防护工程中的运用研究[J].公路,2001,(7).

[16] 王代军,胡桂馨,高洁.公路边坡侵蚀及坡面生态工程的应用现状[J].草原与草坪,2000,(3).

[17] 王云,龙春林,刘怡涛,等.植物在高速公路边坡防护中的作用[J].水土保持研究,2005,12(6).

[18] 王思成,兰剑,王宁.高速公路边坡生物防护技术研究进展[J].宁夏农学院院报,2003,24(2).

[19] 孙儒泳,李博,诸葛阳,等.普通生态学[M].北京:高等教育出版社,1997:104～112.

[20] 王代军,高洁.公路边坡侵蚀及坡面生态工程的应用现状[J].grasslandandturf,2000,(3).

[21] 周跃.欧美坡面生态工程原理及应用的发展现状[J].壤侵蚀与水土保持学报,1999,5(1).

[22] 小山内信智,南哲行,竹崎伸司,等.日本的水土保持坡面工程管理与维护[J].水土保持科技情报,2001,(1).

[23] 刘秀峰,唐成斌,刘正书,等.贵遵高等级公路边坡人工植被状况调查研究[J].草业科学,2001,(4).

[24] 余晓华.公路边坡草种适应性的定量分析[J].仲恺农业技术学院学报,2002,(3).

[25] 龙忠富,唐成斌,刘秀峰,等.草本植物混播对公路边坡的防护效果研究[J].中国水土保持,2003,(3).

[26] 马海天,廖心北.边坡生物防护研究现状初探[J].四川草原,2003,(3).