现浇网格护坡技术建设初期植物的生态适应性

梅雪梅，，马岚†，王建军，王兵，郭凯力，张栋，陈琼

(1.北京林业大学水土保持学院，100083，北京；2.内蒙古和信源生态工程研发中心，010000，呼和浩特；3.北京沃尔德防灾绿化技术有限公司，100048，北京)

现浇网格护坡技术建设初期植物的生态适应性

(1.北京林业大学水土保持学院，100083，北京；2.内蒙古和信源生态工程研发中心，010000，呼和浩特；3.北京沃尔德防灾绿化技术有限公司，100048，北京)

为探讨公路边坡上现浇网格护坡技术建设初期不同植物的生态适应性，以内蒙古自治区千里山公路为例，分别测定了现浇网格技术施工1个月、4个月和2年后网格内种植的4种典型乡土植物的保存率、株高、基径、枝条生物量、冠幅、地上生物量和地下生物量，运用主成分分析方法探讨了植物的生态适应性。结果表明：施工4个月后与施工1个月后相比胡枝子的保存率基本不变，而金叶莸、杨柴和柽柳的保存率均下降；施工2年后植物的保存率基本保持稳定，表现为胡枝子(92%)>金叶莸(85%)>杨柴(75%)>柽柳(73%)；虽然不同植物的生长指标增量明显不同，但各生长指标增长速度总体表现为胡枝子、金叶莸均大于杨柴、柽柳；基径的变化与地上和地下生物量的变化之间呈显著正相关，相关系数分别为0.999和0.915，地上和地下生物量之间也呈显著正相关，相关系数为0.901，其他生长指标之间没有显著相关性；生态适应能力高低表现为：胡枝子>金叶莸>杨柴>柽柳。该研究结果可为内蒙古及类似地区的公路边坡植被建设和现浇网格技术的推广提供参考。

现浇网格； 公路边坡； 生态适应性； 护坡技术

随着我国经济的快速发展，公路建设的进程也日益加快。公路建设不可避免地会改变当地的地形地貌、破坏土壤结构和植被类型[1]，造成一定程度的水土流失。公路护坡技术不仅可以稳定路基，延长使用寿命，而且可以减少水土流失，保护生态环境。目前公路护坡技术的研究多集中在浆砌石护坡、液压喷播技术、客土种植技术、植生基质植物护坡技术等[2-4]；然而这些护坡技术本身存在一定的局限性，或者在我国北方寒冷干旱地区的适用性较低。浆砌石护坡虽有较强的稳定性，但景观性较差。液压喷播技术[5]由于所采用的植物主要是草本，生命周期短，对水分、养分要求高，一般应用于南方降雨量丰富地区，在寒冷干旱地区的适用性较差。客土种植技术多用于坡度小于30°的岩基坡面、风化岩硬质土砂道路边坡以及贫瘠土地边坡，客土肥力好，水土保持能力较强；但对于高寒干旱的北方地区客土种植的困难较大，不宜大面积推广。植生基质植物护坡技术[6]的施工技术相对较难，其喷播的基质材料厚度较难把握，而且工程量较大，因此也不适用于寒冷干旱地区大面积推广。而新型的现浇网格生态护坡技术克服了上述不足，成为适应于我国北方寒冷干旱地区的创新型生态护坡技术。它是在边坡上应用生态护坡模板现场浇筑形成的鱼鳞形钢筋混凝土网格。钢筋网格结合其内表面铺设的抗冲刷基质材料构成水土保持系统，不仅为网格内护坡植物的正常生长储存了水分，而且有效的减少了地表径流[7-9]。目前在保证边坡稳定的前提下，如何快速有效的构建生态护坡模式和植被组合方式，已成为国内外研究热点[10-13]；但对于现浇网格中有效的植被组合方式的研究却很少，植被作为现浇网格护坡技术中重要的生物因素，在公路边坡的生态修复过程中起着重要作用[14-18]，因此研究不同植物在现浇网格技术中的生态适应性具有重要意义。

本文依托内蒙古自治区乌海市千里山公路边坡生态防护工程，通过对现浇网格技术完工后杨柴(HedysarummongolicumTurez)、金叶莸(Caryopterisclandonensis‘Worcester Gold’)、胡枝子(LespedezabicolorTurcz)、柽柳(TamarixchinensisLour)4种乡土植物的生长因子进行定点定期系统跟踪测试，以建植1个月、4个月和2年后的试验数据分析现浇网格护坡技术建设初期植被生态适应性，为公路边坡植被建设和现浇网格技术的推广提供参考。

1 研究区概况

选取内蒙古乌海市千里山公路边坡作为研究基地。研究区位于乌海市，地处黄河上游。地理位置为E106°46′25″～106°46′55″，N 39°49′52″～39°49′59″，海拔1 150 m，典型的大陆性气候。最低气温为-36.6 ℃，最高气温为40.2 ℃。年平均降水量为159 mm；但是雨量集中，降雨历时短，强度大，常形成暴雨山洪，且植被稀疏易造成水土流失，蒸发量较大，年平均蒸发量为3 289 mm。土壤以碎石土为主，表面水蚀和风蚀现象严重。公路边坡的施工坡段总长约1 800 m，坡面与水平方向夹角约为35°～45°。代表性植物主要有马莲、杨柴、金叶莸、胡枝子、柽柳等。

2 研究方法

将千里山公路施工坡段处设为试验区，本着因地制宜、抗逆性和景观性的原则在试验区分别种植了杨柴、金叶莸、胡枝子、柽柳4种乡土植物，每个品种按株行距20 cm×20 cm栽植规格为株高25～30 cm、冠幅15～20 cm且生长状况良好的幼苗。施工时间为2010年5月，施工方式为机械开挖+人工栽植。在公路边坡选取土壤类型相同，坡向、坡位相似的4种乡土植物样地(表1)分别布设3个样方，每个样方取样面积5 m×5 m(共13个网格)。在每个样方内选取株高、基茎和冠幅适中的植物作为标准株。在植物种植1个月、4个月、2年后进行调查，即于2010年6月底进行调查(图1)。对样方内的植物进行调查，调查的指标主要有保存率、株高、基茎、枝条生物量、植被冠幅、地上生物量和地下生物量。

保存率按公式“保存率=样方内成活株数/样方内总植株数”计算。采用游标卡尺(精度为0.02 mm)、米尺(精确到0.1 cm)分别测定标准株的基茎、株高和冠幅。枝条生物量的测定采用实验开始时每个样地内标准株的枝条，于1个月、4个月、2年后分别测定枝条的干质量；地上生物量的测定采用把观测区标准株地上部分植物全部剪断后，带进实验室放入烘箱烘干称量的方法；地下生物量的测定采用挖土块的方法获取标准株的根系，然后将其带进实验室放入烘箱烘干称量的方法。

采用Microsoft Office Excel 2010软件对测定数据进行处理分析，用SPSS18.0软件对不同生长指标进行Pearson相关分析、对不同植物的生态适应能力进行主成分分析。

3 结果与分析

3.1 不同植物的生长适应特征

坡面植物的生长状况对坡面的美观效果和控制

表1 现浇网格护坡技术中不同植物样地基本状况

图1 现浇网格生态护坡技术治理前后Fig.1 Characteristics of plants before and after construction of the technique of slope protection by cast-in-situ grids

水土流失的能力有重要影响[19-21]。由于植物自身的特性不同，植物的生长状况明显相同，对环境的生态适应性也不尽相同。由图2可看出，现浇网格技术施工1个月后植物的生长特征表现为：植物的成活率表现为胡枝子(94%)>金叶莸(90%)>杨柴(86%)>柽柳(83%)。施工4个月后植物处于胡枝子的保存率基本不变，金叶莸、杨柴和柽柳的保存率均下降。施工2年后植物的保存率有所降低，但已基本保持稳定，表现为胡枝子(92%)>金叶莸(85%)>杨柴(75%)>柽柳(73%)。胡枝子对寒冷条件的适用性较强，在过冬后保存率最高；柽柳对寒冷条件的适应性较差，在过冬后保存率明显降低。

图2 现浇网格中4种植物的生长特征Fig.2 Growth characteristics of plants planted in cast-in-situ grids

在现浇网格技术施工后随着时间变化，植物的生长因子均有所变化，2年期间不同植物的长势变化有一定差异：植物的基茎呈现金叶莸最大，柽柳最小；基茎增长速度表现为胡枝子最高，柽柳最低。植物株高呈现柽柳较高，金叶莸最低；株高增长速度表现为胡枝子最高，而柽柳最低。植物冠幅呈现金叶莸和胡枝子较大，杨柴最小；冠幅增长速度表现为胡枝子最高，柽柳最低。枝条生物量、地上生物量和地下生物量均呈现胡枝子的增长速度最快。整体来看，胡枝子在寒冷干旱地区施工的现浇网格中长势最好。

3.2 不同生长指标之间的相关性分析

对株高增量(X1)、基茎增量(X2)、枝条生物量增量(X3)、植被冠幅增量(X4)、地上生物量增量(X5)和地下生物量增量(X6)进行相关分析，结果(表2)表明：植物的基茎变化与植物地上生物量的变化成极显著正相关(P<0.01)，与地下生物量的变化成显著正相关(P<0.05)，这说明随着基茎的增加，植物的地上生物量和地下生物量逐渐增加；地上生物量的变化和地下生物量的变化成显著正相关(P<0.05)，这说明随着地上生物量的增加，地下生物量也逐渐增加。由此可以说明植物的基茎、地上生物量和地下生物量的变化趋势趋于一致。其他指标之间没有显著相关性，这可能与测量方式或树种的生长方式有关[22]。

表2 不同生长指标之间的相关性

注：**表示在0.01水平(双侧)上显著相关；*表示在0.05水平(双侧)上显著相关。Note:**show significant level atP<0.01; *show significant level atP<0.05。

3.3 4种植物生态适应性的综合评价与分析

以株高、基茎、枝条生物量、植被冠幅、地上生物量和地下生物量的变化来表征植物的生态适应能力，并运用主成分分析评价4种植物生态适应能力。主成分分析是通过原始变量的少数几个线性组合来解释原始变量的绝大部分信息。为综合分析比较出现浇网格技术中4种植物在的生态适应能力优劣顺序。以株高增量(X1)、基茎增量(X2)、枝条生物量增量(X3)、植被冠幅增量(X4)、地上生物量增量(X5)和地下生物量增量(X6)等为评定指标进行主成分分析(表3)。结果表明：第1、2主成分的累积贡献率高达82.792%，按照累计方差贡献率大于80%的原则，选定了2个主成分。由表3可以看出，基茎、地上生物量和地下生物量的变化在第1主成分上的特征值最大。表明植物的生态适应性能力主要表现在基茎、地上生物量和地下生物量的变化，这可能是由于植物对干旱的基本适应机理是发达的根系和粗壮的基茎利于提高植物获取水分的能力[23]。第1主成分可以表示为植物对干旱条件的适应性；株高、枝条生物量和植被冠幅的变化在第2主城分上的特征值最大。由图3可以看出4种植物在第1、第2主成分上的分布情况：在第1主成分上胡枝子的分布最大，柽柳的分布最小；在第2主成分上胡枝子的分布最大，杨柴的分布最小。每种植物在第1主成分的分布远大于在第2主成分上的分布，故植物的生态适应能力主要由第1主成分决定。表4为主成分分析过程中旋转以后得到的因子得分系数矩阵，根据该表得到因子得分函数:y′1=0.073x1+0.303x′2-0.183x3+0.073x′4+0.304x′5+0.287x′6；y″2=-0.447x″1+0.115x″2+0.325x″3-0.493x″4+0.104x″5-0.014x″6(x′i、x″i为各指标的标准化数据)。为了比较4种乡土植物的生态适应能力，根据得分函数方程y，计算各个植物的生态适应能力综合得分，并进行排序，见表5。可以看出，在现浇网格护坡技术施工初期4种乡土植物生态适应能力优劣顺序为：胡枝子>金叶莸>杨柴>柽柳，这与陈琼[24]等的研究结果基本一致。

表3 4种植物生态适应能力主成分分析

表4 成分得分系数矩阵

4 讨论与结论

植物的生态适应性表现是由多种因素共同作用而构成的一个较为复杂的综合性状，它是由多种生长指标共同表现出来的，任何单一的生长指标都不能准确的描述植物的生态适应性，需从整体考虑运用多个生长指标来描述，并运用主成分分析法来评价不同植物的生态适应能力大小。

表5 4种植物生态适应能力优劣排序

图3 4种植物在第1、2主成分上的分布情况Fig.3 Location of four plants in principal component

1)在施工2年后植物的保存率保持基本稳定，4种植物植物的保存率大小表现为：胡枝子的最高，柽柳的最低。说明胡枝子在内蒙古地区现浇网格技术环境下具有较好的适应性，易于成活。在现浇网格技术施工1个月、4个月、2年后，不同植物的株高、基茎、枝条生物量、植被冠幅、地下生物量和地上生物量均有明显差异，在施工后两年期间胡枝子在各个指标的增长上有明显优势。

2)植物的基茎与地上生物量和地下生物量之间成显著正相关，说明植物的基茎、地下生物量和地上生物量的变化对植物的生态适应性的影响是基本一致的，这可能与测量方式或树种的生长方式有关[22]。

3)由植物生态适应能力综合得分可以看出，现浇网格护坡技术建设初期4种乡土植物生态适应能力大小表现为：胡枝子>金叶莸>杨柴>柽柳，这肯定与植物的生态学特性有关。在内蒙古自治区的公路边坡上干旱和寒冷是植物生长最大的限制因素。由于根系是植物感受水分最初的部分，根系的数量、大小、干质量和生理状况都是决定植物是否抗旱的重要方面[25]，所以植物对干旱的适应性主要体现在发达在根系上。胡枝子属于豆科植物，根系具有生态固氮的功能，可以有效的改良土壤养分，为植物的生长尤其是地下生物量的增加提供了养分条件，同时有利于适应干旱的环境。植物对于寒冷的适应性主要表现在保存率上，在过冬后胡枝子的保存率基本不变仍为最高。胡枝子分枝多、细长，常拱垂，有棱脊，微被平伏毛，具有适应寒冷条件的植物形态。金叶莸和杨柴在现浇网格中其生态适应性略低于胡枝子。柽柳表现出了极差的适应性，不适合在现浇网格中栽种。而胡枝子不仅成活率高，耐阴、耐寒、耐干旱、耐瘠薄、根系发达、适应性强、对土壤无要求，而且是一种多用途的树种，具有极高的经济价值；因此在现浇网格生态护坡技术中胡枝子是最首选植物，它不仅可以起到生态护坡，降低水土流失的作用，而且可以促进当地的经济。

4)为了找到适宜在寒冷干旱地区的现浇网格技术条件下种植的植物最优模式，需要对植物的生态适应性进行长期的调查与研究。2种或2种以上的植物是否在现浇网格内能起到更好的防护效果，需要考虑到植物间的相互作用关系，有待进一步研究。

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(责任编辑：郭雪芳)

《中国水土保持科学》入选中文核心

2015年9月，《中文核心期刊要目总览》2014年版(即第七版)由北京大学出版社正式出版，我刊入编其农业基础科学类的核心期刊。

据悉，《中文核心期刊要目总览》评选中，参加核心期刊评审的学科专家3700多位。此次评价选取被索量、被摘量、被引量、他引量、被摘率、影响因子、他引影响因子、被重要检索系统收录、基金论文比、Web下载量、论文被引指数、互引指数等12个评价指标，采用定量评价和定性评审相结合的方法，从14 728种期刊中评选出1 983种核心期刊。

(《中国水土保持科学》编辑部)

Ecological adaptability of plants in beginning period of slope protection by cast-in-situ grids

(1.School of Soil and Water Conservation，Beijing Forestry University，100083，Beijing, China; 2.Inner Mongolia Hexinyuan Ecological Engineering R & D Center，010000，Hohhot, China; 3.Beijing World Hazard Preventing Technology Co., Ltd., 100048, Beijing, China)

Slope protection by cast-in-situ grids is a technique using reinforced concrete grids with shrub or grass to get the structures with some engineering and ecological functions, which contributes to stabilizing slope. In the Inner Mongolia Autonomous Region in China, a road slope in the Qianlishan Road by cast-in-situ grids was selected to determine ecological adaptability of different plants in the beginning period of the protection by cast-in-situ grids. Four bush plant species planted in the cast-in-situ grids were taken as the research object to analyze the ecological adaptability. The main characteristics of these plants were investigated in the first and fourth month and the second year after construction of cast-in-situ grids, including preserving rate, height, collar diameter, biomass of branch, crown width, underground biomass and aboveground biomass of plants, based on which their ecological adaptability was analyzed by principal component analysis method. The results showed that preserving rate ofLespedezabicolorTurcz tended to remain stable, while those of other plant species decreased from the first to fourth month after construction of cast-in-situ grids. But preserving rate of the four bush plant species tended to remain stable in the second year after construction, and the order of preserving rate from high to low was:L.bicolor(92%) >Caryopterisclandonensis‘Worcester Gold’ (85%) >HedysarummongolicumTurez (75%) >TamarixchinensisLour (73%). In addition, the four bush plant species had obviously fast growth speed, although the growth indexes increment of different local plants were significantly different during the research period. And the growth rate of growth indexes ofLespedezabicolorandC.clandonensis‘Worcester Gold’ was higher than those ofH.mongolicumandT.chinensis. On the whole, compared with the other bush plant species,L.bicolorgrew best. A significant positive correlation could be found between collar diameter and underground biomass, aboveground biomass, and the correlation coefficients were 0.915 and 0.999 respectively. Meanwhile there existed a significant positive correlation between underground biomass and aboveground biomass, with the correlation coefficients of 0.901. However, there was no significant correlation among other growth indexes. The principal component analysis indicated that the order of ecological adaptability in the beginning period of the protection by cast-in-situ grids from high to low was:L.bicolor>C.clandonensis‘Worcester Gold’ >H.mongolicum>T.chinensis. Thus,L.bicoloris most suitable to grow in the technique of slope protection by cast-in-situ grids in cold and dry area of Inner Mongolia Autonomous Region. The results provide a reference for vegetation construction on road slope in cold and dry areas and extension of slope protection technology by cast-in-situ grids.

cast-in-situ grids; road slope; ecological adaptability; slope protection

2015-01-13

2015-08-05

梅雪梅(1992—)，女，硕士研究生。主要研究方向：水土保持与流域管理。E-mail：1569175496@qq.com

†通信作者简介：马岚(1981—)，女，博士，讲师。主要研究方向：水土保持与流域管理。E-mail:mlpcz@sina.com

S157.1

A

1672-3007(2015)05-0079-07

项目名称：北京市科技计划课题“怀柔小流域河岸带生态恢复技术研究”(Z151100001115001)