护坡植物在植物卷材中的适应性研究

刘 冲，李绍才，罗 双，罗龙皂，王云翔，孙海龙

(1.四川大学生命科学学院，四川成都 610064;4.贵州省土壤肥料研究所，贵州贵阳 550006;3.四川大学水利水电学院，四川成都 610064;4.四川大学水力学与山区河流保护国家重点实验室，四川成都 610064)

岩石边坡由于不具备植物生长的基质，因此绿化非常困难。目前常用于岩石边坡绿化的技术有厚层基材喷射绿化法、植被混凝土护坡技术、三维网植草技术、喷混植草技术、客土喷播绿化法、纤维绿化法等。但是，厚层基材喷射绿化法和纤维绿化法的共同缺点是强度很低，不能承担边坡防护作用;客土喷播绿化法和喷混植草技术的保水、保肥效果较差，植物演替及隔热性能较低;三维网植草技术施工速度较慢，不适合岩石边坡防护;植被混凝土护坡技术为植物提供养分能力差且成本过高，植被养护费用较大，限制了其推广范围［1－6］。所以，寻求一种高强度、低成本的边坡绿化技术势在必行。植物卷材就是针对目前岩石边坡防护难、成本高而设计的一种人工植被基材。本试验通过对植物卷材上植物的数量、高度、冠幅、分蘖数、根冠比等指标进行统计分析，评价这些植物在植物卷材上的适应性，从而为岩石边坡植被恢复施工工艺的改良提供帮助，也为热带亚热带岩石边坡植被恢复的物种选择提供依据。

1 试验地概况

三亚市位于北纬 18°09'34″—18°37'27″、东经 108°56'30″—109°48'28″之间，是中国最南部的滨海旅游城市。其气候独特，属于热带海洋季风性气候，年均气温25.4℃，极端气温最高35.9℃、最低5.1℃。年均降水量1 279 mm，5—10月为雨季。全年无雾，日照时间达到2 500 h以上。试验坡面位于三亚市田独镇岭仔村，距三亚市中心7 km左右，是一个人工修砌的挡土墙，阳坡，坡度45°;施工日期为2011年1月1日。

2 试验材料和方法

2.1 植物卷材构造模式以及原理

如图1所示，植物卷材构造主要包括根系诱导层、水分阻控层、温度调节层、辐照反射层和种子萌发堆。根系诱导层具有水分、养分平衡高效调控供给、诱导根系定根功能，保障植物在无土界面的稳定建植;水分阻控层具有控温、阻隔水分蒸发、防止光合诱导的作用;温度调节层具有对热量传导过程的缓冲调节、辅助阻光、缓冲降雨侵蚀等作用;辐照反射层具有通过阻光达到温度调控、抑制水分蒸发、增加水分入渗、透气等功能;种子萌发堆具有保障种子萌发和幼苗生长的前期物质基础作用，且有提供水分入渗通道、引导根系定植过程与根系定植层有机融合及协同功能，可保障裸露岩土面的快速植被建植与恢复。

图1 植物卷材构造模式

2.2 试验方案

本试验设计了两种不同植物配置的植物卷材C1和C2，每种卷材3个重复(编号分别为C1－1、C1－2、C1－3和C2－1、C2 －2、C2－3)，每块面积1.1 m ×1.5 m。施工方法简单，直接将植物卷材平铺在坡面上，然后四周用锚杆固定即可，它们在坡面上的排列顺序如图2所示。C1中植物种类为高羊茅(Festuca elata)、白灰毛豆(Tephrosia candida)、多花木蓝(Indigofera amblyantha)、白刺花(Sophora davidii)、车桑子(Dodonaea viscosa)、马桑(Coriaria nepalensis)、黄荆(Vitex negundo)和截叶胡枝子(Lespedeza cuneata)8种;与C1相比，C2中的植物种类增加了乔木刺槐(Robinia pseudoacacia)。两种卷材中同一植物种子的用量相同，且在卷材缝制过程中加入到种子萌发堆中。由于三亚在1—3月是旱季，降雨量极少，故前期需要进行水分管理。根据干旱情况，不定期地对坡面进行浇水，以确保种子的萌发和幼苗的正常生长。每块卷材的浇水量一致。

图2 植物卷材正面及布置顺序

2.3 观测内容

对每种植物种子的萌发时间进行观测并记录，同时对坡面植物数量、高度、冠幅、草本分蘖数等指标进行统计，每月统计1次，时间安排在月底，共统计6次。在试验开始后的第3个月的月末，对木本植物的根冠比进行1次测量。另外对三亚每天的天气情况进行记录，数据来源于中国气象局网站。

2.4 数据分析

采用SPSS软件包(SPSS16.0)对数据进行统计分析。数据的正态性检验使用的是Kolmogorov－Smirnov检验法，如果数据不符合正态分布，则对数据进行对数转化。对两种卷材上植物种子的发芽率、幼苗的死亡率以及植株高度、冠幅、分蘖数进行两配对样本T检验分析，探明它们之间的差异。

3 结果分析

3.1 种子萌发时间和发芽率

除截叶胡枝子和黄荆外，另外7种植物在半个月内均开始萌发。其中高羊茅、白灰毛豆和刺槐的萌发时间较短，均在5 d以内;而截叶胡枝子和黄荆的萌发时间较长，分别为20和30 d(表1)。从表2中可以看出:卷材C1上植物种子的发芽率普遍高于卷材C2上的。两种卷材中，草本高羊茅的发芽率都是最高的，均在60%以上;木本植物种子的发芽率普遍比较低，其中发芽率最高的是乔木刺槐，为32.7%，而白刺花、截叶胡枝子和黄荆的发芽率均不超过5%。这是因为白刺花、截叶胡枝子和黄荆的种子外壳都比较厚实，种胚不易冲破外壳而发芽，在常规方法下，将种子置于45℃温水中浸种24 h后播种，发芽率仅5%，用0.9%浓度的盐酸溶液浸种24 h后播种，发芽率最高，但也仅为24%［7］;另外，黄荆种子萌发的最适宜温度为30℃［8］，远高于三亚1月份的平均温度。李兴美等［9］研究表明，白刺花种子需要用浓硫酸(浓度为98%)和热水浸种以及砂擦处理，这样才能大大提高白刺花的发芽率。此次试验属于工程验证试验，为了保证种子在植物卷材中能长时间保存，所以并未对种子进行任何催芽处理，另外购买的截叶胡枝子种子也未进行过脱壳处理，导致这些种子的发芽率都不高。此外，我们对C1和C2两种卷材中植物种子的发芽率进行了差异性分析，发现二者并没有显著差异，但C1上种子的发芽率普遍略高于C2上的(表2)，表明刺槐对其他植物种子萌发的影响还是存在的，只是不显著而已。

表1 植物卷材中种子萌发所需时间

表2 植物卷材中种子的发芽率

3.2 植株数量随时间变化情况

从图3、图4可以看出，植株数量变化主要有4种情况:一是植株数量比较稳定，如多花木蓝和刺槐，它们180 d时的死亡率均在30%以下(表3);二是前3个月比较稳定，后3个月大幅度下降，高羊茅、白灰毛豆、车桑子和白刺花属于这种情况，其中高羊茅的数量在后3个月下降幅度最大;三是一直下降，而且下降幅度比较大，如马桑在30 d时每平方米的数量高达95株和79株，分别为各自坡面最大值，但在120 d时仅剩3株和2株，在180 d时全部死亡;四是先增后减，如黄荆和截叶胡枝子，它们的数量从30 d到60 d时是递增的，在60 d时达到最大值，然后逐渐下降。

图3 卷材C1上植物数量变化

图4 卷材C2上植物数量变化

植物卷材中植物幼苗的死亡率普遍比较高，除多花木蓝和刺槐外，其他植物幼苗的死亡率均在40%以上(表3)。导致这种高死亡率的原因可能是植物卷材的结构太薄，保水性能不好，种子萌发堆和根系诱导层饱和吸水后，厚度仅3 cm左右，表面水分很容易散失;另外，试验前3个月降水量太少，对植物卷材的补水不足也严重影响了植物幼苗的生存;高温天气也是影响植物幼苗存活的另一个重要原因，受其影响严重的植物有高羊茅。此次试验采用的高羊茅品种为护坡卫士，在试验前期发芽情况非常好，30 d时数量达到最大值，前3个月数量维持稳定，但进入4月份后数量开始急剧下降，这与温度有很大关系，护坡卫士并不适应热带地区的高温天气，进入4月份后，温度陡升，致使高羊茅大面积死亡，从表3中可以看出，6月底C1和C2上高羊茅的死亡率分别高达84.9%和89.0%。另外，对C1和C2上植物幼苗的死亡率进行差异性分析，发现二者并没有显著性差异，表明刺槐对其他植物幼苗的存活并未产生显著影响。

表3 180 d时植物的死亡率

3.3 植株高度、冠幅、分蘖数变化

从表4可以看出，除截叶胡枝子外卷材C1上其他植物高度、草本分蘖数和灌木冠幅均要大于C2，可见C1上植物长势要明显优于C2。卷材C1和C2中，高羊茅的高度和分蘖数均在90 d时达到最大值，90 d后受高温的影响，高羊茅开始慢慢萎蔫至枯萎，数量、高度和分蘖数都急速下降;木本中白灰毛豆、多花木蓝、车桑子和刺槐的长势特别好，白刺花和黄荆生长特别缓慢，马桑和截叶胡枝子在植物卷材中体现出了极强的不适应性，前期生长速度非常缓慢，后期全部死亡。白灰毛豆、多花木蓝、车桑子和刺槐4种植物前3个月的生长速度一般，后3个月生长迅速，这与降雨量增多有很大关系。三亚每年的5—10月份是雨季，降雨量占全年的90%以上;每年前3个月的月降雨量均在10 mm以下，4月份增至48 mm，5、6月份更是高达94和162 mm。降水的增加使得根系建植层可以充分吸收水分，植物主要靠根系吸水来维持生长，而植物卷材中植物根系都定植在根系建植层内，建植层内水分的增加使得植物有更多的水分可以利用，这样植物就可以快速地生长。

目前国内高速公路、铁路等护坡工程中常常采用银合欢进行坡面绿化，银合欢虽然生长快、萌生力强、根系发达，但是在群落中它通过化感作用影响其他植物的生长。Ahmed等［10］研究表明:银合欢落叶对森林物种有化感作用，抑制植物的萌发和生长，该抑制作用依赖于萃取物浓度、凋落物及受体物种类型。海南岛东线高速铁路的边坡上采用的就是银合欢护坡，银合欢群落下已基本不长其他植物了，表明化感作用已经产生了。如果改用白灰毛豆、多花木蓝和车桑子等植物进行坡面绿化，可以避免形成单一群落，从而起到更好的护坡效果。

在对两种卷材上的植物高度、分蘖数和冠幅进行差异性分析时发现，刺槐对卷材C2中大部分植物的生长产生了显著影响(表4)。刺槐是坡面上唯一的乔木，它在前期发芽率高，生长速度快，而且数量稳定，在卷材C2上形成了优势物种，是群落中水分、养分和空间上的强有力竞争者，这就导致了其他灌木的生长速度下降。

3.4 植物根冠比

试验前3个月内的降雨量非常少，人工水分管理也并不能时时刻刻地满足坡面植物的生长需要，所以坡面上植物大部分时间处于水分胁迫下。在水分胁迫下，光合产物优先分配给根系，根冠比加大［11］。由于试验坡面是石质边坡，而且根系诱导层膨胀后厚度仅为2～3 cm，植物粗壮的主根不能深扎进岩石里，为了摄取更多的水分和养分，就必须有发达的须根来穿过岩石的缝隙，所以坡面上植物须根的长度长于主根，可以在坡面上形成庞大的根系网络，利于植物抗旱。一般来说，根冠比越大，植物的抗旱性和耐贫瘠的能力就越强。

各种植物的根冠比大小依次为:多花木蓝＞刺槐＞白灰毛豆＞截叶胡枝子＞车桑子＞黄荆＞白刺花＞马桑(图5)。发达的根系能够大大提高多花木蓝、刺槐和白灰毛豆的抗旱性和生长能力，是它们在植物卷材中成活率高、生长好的重要原因;根冠比较小的车桑子、白刺花和黄荆，由于弱小的根系不能保证它们正常生长所需的养分和水分，致使它们在坡面上生长缓慢，死亡率也较高;根冠比最小的马桑不太适应植物卷材中的生存环境，致使其在坡面上的死亡率极高;截叶胡枝子虽然有相对较发达的根系，但前期发芽率太低，坡面植株数量极少，因试验的需要以及少量的自然死亡，造成了坡面上截叶胡枝子的消失。

表4 植物高度、冠幅或分蘖数变化

图5 坡面植物的根冠比

4 结论

(1)试验表明，适合在三亚冬季施工的护坡植物有高羊茅、白灰毛豆、刺槐、多花木蓝、车桑子和白刺花。建议在热带亚热带地区改用白灰毛豆、多花木蓝和车桑子等植物代替银合欢进行坡面绿化，可以形成具有生物多样性的植物群落，对边坡的稳定和环境的协调能起到更好的效果。

(2)高羊茅前期生长速度快，分蘖数多，可以迅速覆盖坡面，是坡面上优良的先锋物种;3个月后，随着雨季的到来，乔木刺槐与灌木白灰毛豆、多花木蓝等快速生长，替代高羊茅而对坡面起到覆盖作用，高羊茅的死亡与退化也可以为这些乔灌木的生长腾出许多空间，减小群落中植物对空间、水分、养分等的竞争，而且坡面上植物的覆盖度并不会受草本死亡的影响而下降。另外，灌木发达的根系对植物卷材和边坡的稳定性也起着非常重要的作用。

(3)乔木刺槐在卷材C2上形成了优势物种，对其他植物种子的萌发和幼苗的存活并未产生显著影响，但对大部分植物幼苗的生长影响非常显著;另外，随着时间的推移，高大乔木的重量和对风的抵抗并不利于坡面的稳定，所以不建议在岩石陡边坡绿化中采用刺槐这类高大的乔木。

(4)植物卷材的种子萌发堆和根系诱导层在饱和吸水后厚度仅3 cm左右，单薄的构造导致植物卷材保水性能并不太好;另外，种子萌发堆表层水分很容易散失，致使植物幼苗很容易就处于水分胁迫中，造成坡面上植物幼苗的死亡率普遍比较高。植物卷材是一种新型的护坡技术，突出特点是施工简单、管理粗放、成本低，目前还处于试验验证阶段，后期希望通过试验对其结构进行有效的调整，使其能更好地满足植物的生长，增强边坡的稳定性。

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