高速公路岩质边坡植被恢复初期喷播基材养分动态

2011-04-25乔领新刘荣堂宋桂龙韩烈保王英宇

草业科学 2011年12期

乔领新，刘荣堂，宋桂龙，孟强，韩烈保，王英宇

(1.甘肃农业大学草业学院，甘肃兰州 730070；2.北京林业大学草坪研究所，北京 100083;3.交通部公路科学研究院，北京 100085；4.北京市京石园林绿化有限公司，北京 102600)

高速公路的建设在促进经济发展的同时，由于受到地形、地质、公路线形等的限制，不可避免地进行挖填方，形成了大量的次生裸露边坡，严重破坏了沿线路域的生态环境。目前，采用生态工程恢复边坡植被，使高速公路对路域生态系统破坏降至最小。常用的坡面生态工程包括客土喷播、厚层基材喷播、三维网、植生袋等[1]，其中厚层基材喷播因其可达到快速绿化，稳定坡面，已成为岩质边坡生态防护主要的工法之一。厚层基材喷播是将配置好的基材(包括土壤、有机肥、纤维、粘合剂、保水剂、缓效性肥料)和植物种子等按一定比例配合、搅拌均匀，并通过空气压缩机等设备喷射到坡面上形成一层人工土壤与植物种子的复合层。厚层基材喷播技术中喷播的基材创造了植物生长基础，可达到植被恢复之功效。因此，基材的制备是实现岩质边坡绿化的技术核心, 基材混合物不仅要求前期(一年内)基材理化性状适合植物生长，而且应保证多年后养分的充足供应，实现坡面植被长久覆盖的目的。

目前，有关基材养分的动态研究成果较少。李绍才等[2]通过对岩石喷播边坡的植物和基材进行观测，认为喷播基材养分变化体现在随植被生长发育呈动态特征，当基材能维持坡面植被的稳定持续发展之时，无需外界再补给养分；舒安平等[3]对生态护坡工程中的客土土壤中的有机质和碱解氮含量进行了跟踪测试，结果表明，随着时间的推移，碱解氮含量在4个月后出现年内稳定恢复的迹象，而有机质含量则在半年内仍未停止衰减过程，客土养分的恢复尚需时日。而对于北方半干旱地区的基材养分动态变化的研究文献资料较少，有必要深入研究。

本研究以京承高速公路三期边坡实施的厚层基材喷射护坡技术为依托，对2种喷播基层材料养分动态变化进行探讨，旨在探究不同基层材料养分动态特征，为进一步改进基材性能，提高岩质边坡植被恢复效果提供科学依据。

1 试验区概况

试验以京承高速公路三期为依托工程，边坡在标段(k122+400)～(k122+600)段左侧挖方边坡，该处边坡属于土建工程十三标范围，坡面三级，边坡坡比1.0∶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。

路线所在区域属于温带大陆性季风气候，春季多风沙，夏季炎热多雨，冬季干燥寒冷，年平均气温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191 d。年平均降水量611.8 mm，76%集中在夏季。京承高速三期公路沿线植被属于暖温带落叶阔叶林区，主要树种有乔木，包括辽东栎(Quercuswutaishanica)、山杨(Populusdavidiana)、侧柏(Platycladusorientalis)、刺槐(Robiniapseudoacacia)等；灌木包括荆条(Vitexnegundovar.heterophylla)、胡枝子(Lespedezabicolor)、绣线菊 (Spiraeatrilobata)、山杏(Armeniacasibirica)、酸枣(Ziziphusjujubavar.spinosa)等；草本主要以狗尾草(Setariaviridis)、白羊草(Bothriochloaischcemum)为主。

2 材料与方法

2.1试验材料植被护坡工程采用厚层基材喷射护坡技术，采用2种基材施工。基材A组成：泥炭、纤维、种植土、粘合剂、缓释肥料等成分，其中泥炭∶种植土为9∶1；基材B组成：植生基质、种植土、保水剂、粘合剂、缓释肥料等，其中植生基质为有机堆肥和泥炭的混合物，与种植土含量之比为6∶4。在坡面施工后植物出苗前，测定2种基材的主要化学性质(表1)。

表1 2种喷播基材的主要化学性质

2.2试验方法 2009年5、7、9月分别进行样品采集，随机采集样品，每个样点用环刀采集土样，采样深度5 cm，3次重复，测定其pH值，有机质、全氮、有效磷、速效钾含量。有机质采用重铬酸钾氧化法，全氮采用半微量凯氏定氮法，有效磷采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法，速效钾采用醋酸铵浸提-火焰光度法测定分析[4]。数据分析采用SPSS 17.0软件对测试结果进行统计分析。

3 结果与分析

3.1基材pH值变化在生态护坡过程中，优良的护坡基材要求pH值维持在不影响植物生长的水平，并能使植物根系在其中繁茂生长[5]。基材的pH值影响土壤微生物活动，有机质的合成与分解，氮、磷等营养元素的转化与释放，微量元素的有效性，植物根系生长和抗性等，是一个重要的性质。2种基材pH值变化不显著(图1)，表明喷播第1年2种基材的酸碱性变化较小。2种基材比较，基材A的pH值小于基材B，且基材A的pH值在4.6～4.7，呈酸性；基材B的pH值变化在6.4～6.6，呈弱酸性，从pH值角度，以种植土和植生基材为主的基材B更适宜植物生长，这与植物调查结果相符。pH值在6.5～7.5，养分的有效性高，对植物生长最适宜[13]。基材A中泥炭含量高，而泥炭的pH值偏低，这是基材A的pH值偏低的原因。因此，在基材A中可以添加泥炭的替代物如有机肥，使基材的pH值在植物适宜生长的范围内。

图1 基材pH值变化

3.2基材有机质变化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。有机质不仅能增强土壤的保肥和供肥能力，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[6]。研究结果表明(图2)，2种基材间有机质动态变化差异达显著水平(P<0.05)，而同一基材在不同时间内差异不显著(P>0.05)。整体变化趋势均为,7月有机质含量相对于5月呈下降趋势，而9月比7月又略有回升，但是回升幅度不及下降幅度，说明有机质整体上处于衰竭趋势。具体表现为,7月有机质含量与5月相比较，基材A和基材B下降幅度分别为17.16%和4.86%；9月有机质含量与5月相比较，基材A和基材B的分别下降了5.35%和1.14%。分析认为，以泥炭为主的基材A有机质含量远大于以种植土和有机肥为主的基材B，且泥炭中的有机质分解速率要大于有机肥，这一点从有机质的下降幅度可以看出。有机质的月份变化特征主要是因为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；9月比7月有机质含量有回升，原因可能是植物生长变缓慢，减少了对养分的吸收，此外基材A坡面植物配置以草本植物，7、8月草本植物出现了退化、枯萎，形成部分枯草层，在土壤中分解成腐殖质，导致土壤有机质9月出现缓慢上升。

图2 基材有机质含量动态

3.3全氮的变化氮素是植物生长和发育所需的大量营养元素之一[7]，由硝态氮、铵态氮和有机氮3部分组成。土壤氮素是土壤肥力中最活跃的因素[8]，是衡量土壤氮素供应状况的重要指标，取决于氮素输入和输出量的相对大小。试验结果表明，2种基材之间土壤全氮动态变化差异显著(P<0.05)，而同一基材在不同时间内差异不显著(P>0.05)。基材A的全氮含量变化在7.3～8.7 g/kg；基材B的变化在1.8～2.1 g/kg(图3)。基材A的全氮含量高于基材B，主要原因是基材A泥炭的含量高，泥炭含有丰富有机质，有研究表明[7]，有机质含量与全氮含量之间呈正相关。5-7月是植物的生长高峰期，尤其是草本植物，对氮素的需求量大，是导致基材A氮素明显下降的主要原因，到了7、8月草本植物生长停滞，枯草层形成，此时土壤氮消耗小于供应，所以土壤全氮含量在9月出现回升，与有机质变化趋势一致；而基材B中有机质分解缓慢，氮素变化呈现缓慢下降。

图3 基材全氮含量动态

3.4有效磷的变化磷是植物生理过程重要的元素之一，其有效性是指土壤中存在的磷能被植物吸收的程度，有效磷含量说明土壤磷库的变化情况以及土壤相对供磷水平[9]。因此，土壤有效磷含量是判断土壤磷丰缺的主要指标和施肥的一个重要依据[8]。2种基材有效磷动态变化差异显著(P<0.05)，而同一基材在不同时间内差异不显著(P>0.05)。基材A在试验期间均在下降，有效磷测定值分布在39.5～57.3 mg/kg；而基材B有效磷含量变化先上升而后下降，有效磷测定值分布在12.5～23.5 mg/kg。其中基材A有效磷降低，可能与基材A土壤容重小，渗透率高，导致淋溶损失有关(图4)。

图4 基材有效磷含量动态

3.5速效钾含量变化速效钾是植物根系吸收的直接钾素供给源，是土壤钾素的现实供应指标，就当季作物而言，土壤钾素的供应是否充足主要由速效钾决定。分析结果表明(图5)，2种基材有效钾动态变化差异显著(P<0.05)，而同一基材在不同时间内差异不显著(P>0.05)。即随时间推移基材A速效钾表现为先下降而后上升，基材B表现为持续下降。基材A的速效钾含量总体增加了9.94%，基材B总体下降了26.9%。其原因可能是在5-7月植物处于生长高峰阶段对土壤速效钾的需求量很大，由于速效钾是以钾离子的形式存在，极易淋失，降水量增多与速效钾淋溶有不可分割的关系。

图5 基材速效钾含量动态变化

3.6基材各化学性质之间的相关分析相关分析结果表明，基材A有机质含量与全氮含量之间存在显著的正相关关系(P<0.05)，相关系数r=0.942；全氮(y)与有机质(x)的回归方程：y=0.032x+0.296。基材B有机质含量与全氮含量之间存在显著的正相关关系(P<0.05)，相关系数r=0.831；全氮(y)与有机质(x)的回归方程：y=0.024x+0.460。

4 讨论与结论

岩质边坡植被恢复的关键问题之一是基材能否长期提供养分和水分。较为理想的基材不仅含有植物所需养分，既有速效性又有缓释性养分，肥效持久，在满足植物生长的同时不会因养分过多伤害植物，或由于养分过少而生长不良。本试验结果表明，基材A的养分含量高于基材B，参照北京市土壤养分含量分级标准[10]，基材A养分含量丰富，而基材B中的有效磷和速效钾含量低，氮和磷的有效性是生态系统恢复的关键，许多生态系统恢复的研究计划主要是改善氮和磷的状况[11]。因而基材A更适于植物生长。但基材中养分的适宜含量，国内目前尚无统一的标准。

岩质边坡植被建立过程，也是植物-基材相互影响和相互作用的过程。基材理化性质在影响植被形成与演替的同时，也必然受到植被群落的影响。试验中基材A与基材B的养分含量变化趋势明显不同，除了与2种基材中泥炭和有机肥分解特性有关外，也与植被恢复模式有关，2种基材坡面分别以草本植物和灌木植物为主的恢复模式，相异的植物群落由于新陈代谢和土壤中残留的植物根、茎、叶差异，使土壤的有机质和氮、磷、钾含量与土壤的pH值不同[12]。基材A坡面以草本植物植被恢复为主，春季生长迅速，养分需求大，而到了7、8月份，草本植物生长停滞，甚至退化枯死，养分需求减弱，同时枯草层分解对于基材后期养分增加还有一定贡献，因此，基材A各项养分指标表现为先降后升；基材B坡面以灌木为主，全年生长较为稳定，对养分需求持续，各项养分指标表现为缓慢下降。

喷播基材的组成成分影响基材的性质。人工配制的基材的酸碱度一般以近中性为宜，植物适宜生长的pH值以6.0～7.5 为宜[13]。试验期间，随时间推移，2种基材的pH值变动较小，基材A的pH值变动在4.6～4.7，基材B的pH值在6.4～6.6，基材B的pH值较有利于植物生长。由于基材A中泥炭含量高，而基材的pH值随泥炭添加量的增加而呈下降趋势[14]。因此，在基材A配比中，应适当降低泥炭的含量，增加泥炭替代物的使用，使基材pH值在适宜植物生长的范围内。

本研究对基材养分动态分析时间比较短，其结论只是初步的探索，需要更深入的研究，需要更长时间定位、定点来做大量工作，研究基材的养分动态变化规律及影响因素，为基材的组成、配比提供理论依据。

总之，岩质边坡喷播基材的组成、配比对边坡植被恢复至关重要，观察坡面植物生长过程中基材养分动态的变化，对改进喷播用基材性状、建立持久健康的坡面生态等具有十分重要的指导意义。

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