高速公路边坡土质特征与重建植被的响应

2012-11-28郭先锦文智猷尤海舟刘兴良

四川林业科技 2012年2期

蔡蕾，何飞，郭先锦，文智猷，4，贾程，樊华，4，尤海舟，刘兴良，＊＊

(1.成都市成华区建设局，四川成都 610051;2.四川省林业科学研究院，四川成都 610081;3.四川省林业调查规划院，四川成都 610081;4.四川农业大学，四川雅安 625014;5.河北省林业科学研究院，河北石家庄 050061)

随着国家对高速公路建设过程中破坏植被的恢复和生态与环境保护的重视，边坡生态恢复技术正在受到前所未有的关注［1］。植物在边坡防护中的应用改善了工程护坡呆板的格局，形成了独特的路域景观，起到了减缓驾驶疲劳、改善地区小气候和降低污染的作用。但是不难发现这样的现象，很多高速公路边坡植物在建植初期，植被生长状况良好，但是到了后期，就逐渐衰退甚至死亡。究其原因，可能是因为在建植过程中，没有充分考虑到高速公路路域地质情况与植物选择的关系。高速公路边坡的路域地质状况很受限制，大部分植物无法正常生长甚至存活。因此，选择适当的植被类型和植物防护措施成了边坡防护成功与否的关键。

1 高速公路边坡的地质状况

高速公路边坡土壤属于路域土壤，它包括机械挖掘所暴露出来的原生土壤的母质(风化壳、基岩、心土)，填埋碾压所形成的回填土，绿化所移入的客土，以及部分未受工程扰动的原生土壤。路域土壤由于受人为活动长期的扰动，多次无序侵入土体和地下施工翻动，破坏了原有的表土层和腐殖质层，形成了一类独特的土壤［2］。该土壤从原始未受干扰的自然状态向路域土壤演变的过程中经受雨水侵蚀、风蚀等作用，土质出现了明显的退化，表现为结构不稳定、pH值偏高、外来物质多、养分匮乏等特性。

1.1 边坡结构不稳定性

边坡结构的不稳定性主要体现在土壤侵蚀引起的水土流失。而坡面径流是水土流失的主导因子，其大小及流速能反映边坡水土流失的严重性［3］。郭廷辅［4］认为降雨量与坡面径流有一定关系，从年降雨量来说，若年降雨量大，且在空间分布上比较均匀，就不会形成强劲的坡面流径，反之则异。桑广书等人［5］经调查发现降水量的多少对滑坡有明显的影响，此结论与郭廷辅的相似。

径流的冲刷能力取决于它的动能和势能，径流的能量是径流质量和流速的函数，而流失的大小主要取决于径流深与地面坡度，因此坡度直接影响径流的冲刷能力［6.7］。坡度与径流冲刷能力的关系为，在一定范围内，地面坡度越大冲刷能力越强，侵蚀量也越大，水土流失越严重，但有一临界坡度［8～11］。杨喜田等人［8］研究发现 60°以上坡度对径流冲刷能力有一定阻力作用，当坡度超过某一临界坡度，侵蚀量随坡度的增加而减小;陈永宗等［9］通过研究得出临界坡度为26°～28°;而赵晓光等［10］通过实验分析得出临界坡度为21°的结论;还有的研究者则认为在40°左右［11］，目前尚未得出统一的结论。

研究还表明坡长对边坡稳定性也有一定的影响，坡长越长，侵蚀量越大，边坡越不稳定，坡长重力侵蚀增加，水土流失严重［8］。

1.2 土壤水分缺乏

土壤水分是植物生长、植被恢复以及土壤侵蚀过程的重要影响因素，是反映土壤特性的重要指标［12］。而高速公路边坡土壤更是植物形成、生长、演替的基础。众所周知，植被在道路边坡防护以及生态景观恢复方面有着不可取代的重要作用。但高速公路边坡土壤水分条件不稳定，表现为不同坡度、坡向、坡形水分条件分布不同，制约了植物的生长。因此了解不同坡面的水分分布状况对边坡植被修复有着重大的意义。刘浩等［12］以成昆铁路形成的路堑边坡为对象，对道路边坡土壤水分在不同坡度、坡长、坡位的空间变异性进行观测研究，结果表明道路边坡土壤水分随着坡度的增大呈现先增大再减小的变化趋势;在同一坡面不同坡位上的土壤含水量表现为坡下＞坡中＞坡上;同一坡地不同坡面的土壤含水量表现为阴坡＞阳坡。董元杰等［13］利用磁测法对鲁中山区的小流域坡面调查发现，阴坡水分持有量、植物覆盖率均大于阳坡，究其原因可能是阴坡较阳坡接受的太阳辐射量少，因而水分条件好，适合植物生长，而植物覆盖率高的坡面，侵蚀量减少，从而又保涵了土壤的水分。

1.3 土壤养分分布不均

土壤养分的分布是任何景观格局形成、分布、变化的基础。肥力好的土壤有利于植物的生长与发育。高速公路边坡由于水土流失、风蚀和太阳辐射等原因导致土壤养分的不均匀分布。Schimel等［14］研究发现，由于土壤侵蚀等影响，N和P的有效性从坡顶到坡低增加，且N在植物的地上部分与地下部分的含量相差明显。余海龙等［2］对呼集高速公路卓资县六苏木乡境内地表土壤的养分及有机质含量的调查结果表明，养分中除全P含量略高于自然土壤外，全量养分中的氮和钾呈明显下降趋势，边坡土壤平均下降96.4% 和18.7%，总的特点是表层土壤中养分和有机质的含量都有减少的趋势。吕焕哲等［15］以红壤坡地为材料，对4种土地利用方式进行了研究得出，土壤有机物含量在下坡位高于上坡位。杨武德等对林地红壤肥力的研究也表明，下坡土壤养分明显富集［16］。因为从上坡位到下坡位，土壤逐渐由侵蚀过渡为堆积，所以下坡位比上坡位有机层厚，有机含量也有所增加［17］。

2 植物防护措施

高速公路边坡土壤状况的恶劣性表现为边坡结构不稳定性、土壤水分缺乏和土壤养分分布不均，因此，对植物的生长具有限制性，为了保证边坡结构及植物恢复的成功，需要针对不同类型的边坡土质条件，采用不同的植物防护措施［18～23］(见表 1)。

表1 不同土壤类型的植物防护措施

3 植物选择的原则

为保证路域植被成功的建植、生态环境的自然演替及区域景观的建立，在植物选择需要考虑很多因素，如土壤条件对植物的制约性、植物与周围景观的融合性、植物的生态效应等。

3.1 依据地质情况考虑

高速公路边坡具有稳定性差、土壤水肥分布不均匀、土壤硬度大、pH值偏高等特点，为了保证植物护坡的成功，建立长久的、自然的景观格局，在植被类型的选择上应充分考虑其相关性。

3.1.1 丰富的植被类型，能增强边坡结构稳定性

边坡的稳定性与坡长、坡度、地表径流等有着密切的关系。而植物对增加边坡的稳定性有一定的贡献。据孟庆华等［24］报道，在地形梯度上设立灌丛缓冲带和减少斑块面积，建立镶嵌景观格局，相当于减少了坡长和坡度，增加了边坡的稳定。众多学者，如张洪江、许岳飞、石礼培、邓辅唐等［25-28］，均认为栽植多种植物类型，有利于增加坡面粗造度、削弱径流动能以及雨滴势能、降低水蚀对坡面的破坏。也有学者持不同的观点，Carroll C［29］认为在所有生物措施中，草地植被覆盖对坡地水土流失防治起着至关重要的作用。张铁军等［30］在北京昌平区小汤山实验场以草地雀麦进行坡地水土流失防治实验，结果表明，在坡地上种植草地雀麦，水土流失防治效果显著，可使坡地年径流量与土壤侵蚀模数达到6 781.7 m3·km-2和 36.4 t·km-2·a-1，保水、固土能力为93.0%和99.9%。但据于兴修等［31］报道，在坡面径流有草坡段时，对出流时间具有决定性影响的主要是坡面径流的流速，在坡面径流量较小时，坡面草被在延缓径流流速方面作用明显;在大流量时，这种作用相对有限。而“草+灌”、“草+灌+藤”混合模式，由灌木、草及藤混合而成，当强降雨出现时，在降雨持续过程中，虽然会产生地表径流，由于灌木的粗大根系、强健茎秆，不会被雨滴打到径流当中，起到一定截留的效果［30］。因此，草、灌、藤相结合的多种形式的植被类型更有利于边坡的稳定，在边坡的植物选择上应尽量丰富植被类型。

3.1.2 增加土壤保水保肥能力

土壤中养分和水分的含量对植物的生长有一定作用，而植物对土壤的水肥能力也有一定的反作用。许岳飞等人［26］将豆科灌木木豆(Cajanus cajan)和银合欢(Leucaena leucocephala)，禾本科牧草非洲狗尾草(Setaria sphacelata)和高羊茅(Festuca arundinacea)以及豆科藤本牧草大翼豆(Macroptilium atropureum)、豆科草本白三叶(Trifolium repens)和杂三叶(Trifolium hydridum)进行组合，以测定不同组合方式的水土保护效果，最后通过水土保持功能的多项测定分析，“灌+草+藤”复合型模式——“木豆+非洲狗尾草+高羊茅+大翼豆+白三叶+杂三叶”模式优于其他模式。究其原因，可能是因为灌草藤能有效的改变了毛管孔隙度与非毛管孔隙度比值。另外凋落物增加地表覆盖度，降低地下水分蒸发。还有就是豆科植物有着很强的固氮能力，增加了土壤中的养分。据Lal R［32］报道，新合欢等高等植物篱—农作物系统中径流携带的NO3—N、PO4—P养分损失较篱耕坡地为少，但径流中盐基离子(Ca、K、Mg、Na)却比较高，他认为是由灌木植物篱的深根系扩大了养分循环的范围，将下层土壤中盐基离子吸收到地上部分而进入表土所致。而Mittal S P et al［33］的研究表明，豆科树种新银合欢修剪的枝叶作为绿肥，在化肥昂贵地区可以替代部分化肥，尤其氮肥的作用。这些都说明了适当的植物搭配可以减少水土流失、改善甚至增加土壤肥力，特别是豆科植物在边坡土壤水肥不足的情况下具有重要的意义，在植物选择时应多加考虑。

3.2 从景观融合的角度考虑

景观即是生物的栖息地，更是人类的生态环境。景观具有经济、生态和文化的多重价值，已成为表达社会和自然空间特征的常用方法［34］。而景观格局的特征在维护生物多样性，保护物种，完善整体结构和功能，促进景观结构自然演替以及抗干扰能力等方面是不同的［35］。现在，人类对景观结构的影响将随着人类历史的延长和技术的发展而越发强烈，随着人类活动范围的日益扩大，将会有越来越多的自然景观被人工景观所逐渐代替［36］。但是根据黄土高原地区，以往盲目改造林相和追求植树造林面积导致生态建设失败的教训说明，对景观生态价值的认识与区域生态安全评价，需要考虑区域生态承载力［37］与景观生态服务功能的持续性［38］等多方面因素。Ludwing等［39］在4种不同景观结果中的研究表明，景观中的灌丛斑块对景观功能有重要影响。没有灌丛斑块的景观其径流损失比有灌丛斑块的景观多25%，条纹状和线状灌丛镶嵌格局比点状灌丛镶嵌格局截获径流的能力高8%且生产力提高10%。而且灌木与乔木有利与路域景观与周围景观的相互融合。如河北沧州地区在公路边坡栽植火炬树，不仅防护作用好且秋后火炬树的叶子变成红色，与周围建筑相互辉映，成为公路的一道独特景观［40］。

3.3 从生态效应考虑

一般说来，植物的重建与恢复应遵循所处地区的经济与自然环境条件。通常有3种途径，第1种是使其自然恢复，不作人为干扰，恢复过程需要很长的时间;第2种是在人类的帮助下，恢复到初始状态，如果成功就成为真正的恢复，如果不成功可能就恢复到某一阶段;第3种是建立人工植被［41］。高速公路边坡情况特殊，因其土壤养分、水分等受限制，自然恢复多数很困难并且不符合绿色通道建设规范，而建立纯粹的人工植被这种途径被广泛应用，但是实践证明这种方法也是不理想的。很多边坡植物在栽植初期生长旺盛，覆盖率高，水土保持效果也不错，然而随着时间的推移，植物就会出现衰退现象，难以形成稳定的植物群落。究其原因，一是在生态修复过程中较多采用草本植物，对灌木、藤本植物的应用较少，植物群落缺乏多样性;二是生境基材的适应性和可持续性不够;三是建植植物覆盖率过高不利于乡土植物侵入。因此在建立人工植被的同时给予空间让其能够自己进行恢复的方式成了我们的最优选择。边坡植物防护的最终目的是建立一个稳定健康优美的植物群落，尽可能恢复其原有的生态功能，因此在边坡防护中不仅要考虑形成优美的通道景观，也要考虑近期控制水土流失、泥石流等自然灾害的需求，同时更应考虑未来群落演替的类型，根据不同的防护方法和植物群落的演替规律，对目标植物群落进行合理的设计。在进行目标植物群落类型设计时应找出不同坡面生态修复的限制因子，针对不同的限制因子，设计不同的群落类型，选择不同的物种。此外，还应注意选择不同生态位的物种，尽量用生态适宜性强的本地植物。确定可能恢复的目标植物群落，据此来构建坡面先锋植物群落，改善坡面土壤，小气候条件以便为最终演替的目标植物群落创造有利条件［42］。卓慕宁等［19］认为，草本植物可作为先锋植物，豆科植物可改良边坡贫瘠的土壤环境，有利于当地乡土植物的自然繁衍演替，从而达到人造边坡植被向自然边坡方向演替的目的，建立与自然相协调及低养护成本的边坡植被。

4 植物的种类

根据高速公路边坡地质情况、景观融合度和生态效应等方面的植物选择原则，笔者对南、北方高速公路边坡防护中可选用的植物种类进行了统计(见表 2)［18.43～54］。

表2 南北可选用植物种类表

5 结论

(1)土壤条件是边坡植物成活的抑制因素，因此了解高速公路边坡地质情况对植物护坡的成功有指导意义。

(2)根据不同的边坡土质情况选择不同的施工措施，是保证边坡稳定性的关键。

(3)一个成功的生态边坡防护工程，在植物的选择上，不仅要考虑到土壤与植物的关系，还要保证所选植物与周围的环境形成一个统一的景观;保证它们能适应该地区的生态结构，完成正常的演替，形成稳定的地域景观。

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