不同覆土厚度对伊犁地区公路护坡植被质量的影响

李宏钧， 张晓峰， 刘 涛

(交通运输部科学研究院，北京 100029)

公路建设在缓解交通拥堵、促进经济发展的同时，也对沿线生态环境造成了一定程度的破坏[1-2]，公路建设中大规模的挖填、征占土地极易造成严重水土流失[3]。目前关于公路水土流失治理主要有植物措施和工程措施[4]，随着人们生态环保意识逐渐增强，公路水土流失的治理逐渐向植物措施倾斜[5]，力求探索公路建设与环境的和谐发展。公路边坡是一种典型的困难立地，其少土少肥，水热安全性差的环境特点明显抑制了植物的生长[6]；现有的公路边坡植被营造技术取得了一定的研究成果，但在伊犁地区该方面的研究并不多[7]，定量研究少，没有形成科学的理论指导。

伊犁地区深居我国西北边陲，生态环境脆弱，由于土地利用不合理，沙漠化迅速发展，水土流失在地势不平、高陡边坡和低植被覆盖度区域频发[8]，土壤资源显得尤为珍贵，如何利用有限的表土资源实现更好的公路边坡植被具有重要意义。因此，本文依托S242线巩留至尼勒克公路边坡展开试验，对比分析不同覆土厚度下植被的护坡质量，以期筛选出植被建植质量较好的表土回填厚度，为伊犁地区类似区域的公路工程建设的边坡植被防护提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验地点位于新疆伊犁哈萨克自治州境内S242 线巩留至尼勒克的公路路基边坡上，地理坐标为82°15′25″～82°25′33″ E，43°35′0.5″～43°49′47″ N，属天山北麓阿布热勒山区[9]，温带大陆性半干旱气候区，年平均降雨量316.55 mm，年平均风速1.14 m·s-1。土壤以灰钙土、潮土为主，植被覆盖度30%～60%[10]。

1.2 研究方法

试验设计了4种覆土厚度，分别为5 cm、10 cm、15 cm、20 cm，分别用FT5、FT10、FT15和FT20表示，结合区域气候环境和公路建设中的水土流失防治需求选择细茎冰草(SlenderWildrye)、高羊茅(Festucaelata)、披碱草(ElymusdahuricusTurcz)、紫花苜蓿(MedicagosativaLinn.)、红豆草(OnobrychisviciaefoliaScop.)、柠条(CaraganaKorshinskiiKom)6个物种，其对应的植物种子用量分别为10 g·m-2、5 g·m-2、3 g·m-2、7 g·m-2、4 g·m-2、5 g·m-2，待路基边坡成型后，按所设计的覆土厚度回覆修筑路基前剥离的表层土壤，坡比1:1，每个试验小区面积为5 m×5 m，将草本植物种子按设计比例称量、混合均匀后撒播，点播柠条；设置对照小区，覆土厚度10 cm，不播种任何植物。试验设计了3次重复，共计15个小区。

小区布设完成后，每年8月观测各个小区的水土流失情况，统计侵蚀沟的数量，测量侵蚀沟的长度、宽度及深度，采集土样，密封封存后带回实验室分析。本文所用数据为小区布设一年后观测所得。

1.3 测定方法

1.3.1土壤物理性质的测定 采用环刀法测定土壤容重，环刀浸透法测定土壤孔隙度[11]，采用浸水实验[12]和原状土水槽冲刷法[13]分别测定土壤抗蚀性和土壤抗冲性。

1.3.2植物生长指标的测定 盖度：灌木用样线法测定，禾草用样点法测定[14]。

密度：统计1 m×1 m样方内的植物个体数，边坡上部和下部各一个，取平均值。

式中：Ni为第i种的个体数，N为所有种的个体总数，Pi为物种i种的个体数Ni占所有个体总数的比例，即Pi=N/Ni，i=1,2,3,……S，S为物种总数[15]。

1.3.3灰色关联度分析方法 灰色关联度分析法能对各种现象给出质的定性解释和量的确切描述[16]，是一种基于指标测量计算的客观性方法，其具体计算步骤详见相关文献[17]。

1.4数据分析

利用Office 2016整理处理数据，用Excel筛选模式筛选出各分项的二级大差和二级最小差，然后用自定义公式模块编辑公式进行计算，用Origin 8 Pro软件制图，用PASW Statistics 18进行显著性分析。

2 结果与分析

2.1 不同覆土厚度对植物生长的影响

回覆土壤为表土，里面含有较多的原生植物种子，经过一年的自然恢复，边坡上生长了较多刺藜(ChenopodiumaristatumL.)和雾冰藜(Bassiadasyphylla)，且单个个体生长旺盛；对采集的数据进行整理，所得结果见表1和图1。

表1 不同覆土厚度对植物生长的影响Table 1 Effects of different soil thickness on plant growth

注：“F”表示F检验的统计量；“P”表示检验水平

Note：“F” indicates the statistics of the F test;“P” indicates the test level

图1 不同覆土厚度的植物生长情况Fig.1 Plant growthin different thickness of soil

试验结果表明，随着覆土厚度的增加，植物的盖度、高度、密度均有一定程度的增加，覆土厚度由5 cm增加到10 cm时，植被盖度、高度、密度分别增加了27.3%、62.0%和45.5%，涨幅较为明显，其中不同覆土厚度小区的植被盖度和植被高度差异显著；覆土厚度由10 cm增加到20 cm，植被高度和密度基本趋于稳定，植被盖度小幅递增8.6%，说明随着覆土厚度的增加，整体的植物指标趋于稳定，但单个的植物个体有所增强，在植被盖度上有明显体现。覆土5 cm和对照组的植物生长情况相差无几，这是因为其土层薄，土壤养分含量少，加之试验所采用植物多为低矮草本，撒播植物大量生长，但单个个体羸弱，而雾冰藜和刺藜本土适生，覆土10 cm土壤的养分相对含量更高，对照小区的单个植物个体生长旺盛，故对照小区的植被高度要高于覆土5 cm小区，植被盖度则略低之。

从植物多样性角度来看，随着覆土厚度的增加，辛普森指数呈2%～6%的速率小幅递增，均匀度指数呈1%～5%的速率递增，2个指标的增速均是先快后缓；覆土厚度增加到15 cm后，其多样性指标趋于稳定，覆土15 cm和20 cm的植物多样性指标差异很小。草本植物在边坡上部和下部较为集中，尤其是近路肩的汇水区域和近坡脚的积水区域，而对照小区整个坡面均有原生植被生长，故试验小区的均匀度指数较对照小区低，而对照小区由于坡面植被群落较为简单导致其Simpson指数明显较低。

2.2 植物对不同覆土厚度的土壤的改良效果

对采集的土样进行检测，所得结果见表2。

表2 不同覆土厚度的土壤质地Table 2 Soil texture with different soil thickness

根据表2土壤机械组成测定结果，对比国际制土壤质地分级标准，对照小区土壤质地为壤土；试验小区种植的植物自然生长一年后，小区土壤质地相比对照小区有了较明显的改良，土壤砂粒呈15%～23%的减小，粉粒呈18%～23%的增加，粘粒含量增幅最大，其中覆土15 cm和覆土20 cm小区的土壤的粘粒含量已经翻倍，土壤质地转变为粉砂质壤土。

覆土厚度由5 cm增加到10 cm，其土壤容重和土壤孔隙度孔隙度分别变化了-5.93%和16.96%，覆土厚度由10 cm增加到15 cm，其土壤容重和土壤孔隙度分别变化了-1.58%和1.07%，覆土厚度由15 cm增加到20 cm，其土壤容重和土壤孔隙度分别变化了-0.80%和0.47%，说明随着覆土厚度的增加，植物对土壤的改良效果呈先加速后加速减缓的趋势。

2.3 不同覆土厚度的护坡植被质量

整理分析观测和土壤检测所得数据，所得指标原始测定值见表3。

表3 参考指标与各参试处理性状测定值Table 3 Measured data and reference indicators for cultivation mode assessment

注：X0为参考对象，在此选用的是每项测试指标中的最大值

Note：X0is the reference object，and it is the maximum of each tested index

利用灰色关联度分析方法对原始数据进行相关处理，所得结果见表4。

表4 评价对象与参考对象的关联度系数和关联度Table 4 Correlation coefficient andcorrelation degree of the evaluated indices and the reference indices

注：*表示差异显著(P<0.05)

Note：* indicates significant differences at the 0.05 level

综合评判值[G(k)]反映了护坡植被的质量，综合评判值越大，表明其护坡植被质量越高。由表4可知，综合评判值的大小依次为：覆土20 cm(0.83)>覆土15 cm(0.76)>覆土10 cm(0.70)> CK(0.48)>覆土5 cm(0.47)，覆土20 cm的护坡植被质量最好，覆土5 cm试验小区的护坡植被质量比对照小区都差，覆土10 cm以上的试验小区护坡植被质量均好于对照小区，且护坡质量差异显著，表明增加覆土厚度对植物的护坡质量有提升作用，有条件的区域应适当增加公路边坡表土回覆厚度。

从灰色关联度值来看，土壤孔隙度(0.74)、土壤抗冲系数(0.71)、土壤抗蚀指数(0.72)与参考指标关联度较大，植被均匀度指数最小(0.50)，说明土壤孔隙度、土壤抗冲系数、土壤抗蚀指数对护坡植被质量的影响较大，而植被均匀度是造成这4种覆土厚度下的护坡植被质量差异的主要原因。

3 讨论

本试验位于伊利地区的山区丘陵区，地方本身土层薄，表土资源有限，故未设计更厚的覆土试验。周玮等[18]研究岩溶地区不同土层厚度下植物多样性及其相关性，发现随着土层厚度的减少，地上植被的丰富度指数、Simpson指数及Shannon-wiener指数逐渐减少；本研究的结果也证明覆土厚度与植物多样性存在不同程度的正相关关系，但这种递增趋势随着覆土厚度的增加逐渐放缓，且经单因素方差分析发现不同覆土厚度小区之间的植物多样性差异显著，根据试验结果未能直观确定出最佳的边坡覆土厚度，故后续研究中，可结合区域实际情况追加覆土厚度梯度，寻找护坡质量趋于稳定或最佳的覆土厚度。

土壤厚度代表了土壤空间大小、养分蓄积和水分蓄积的差异,反映了植物生长发育与生殖的土壤环境差异,是塑造植物性状或表型资源性因素的关键组成[19]。李树彬[20]通过对废弃地植物群落实地采样分析，发现由短期研究提供的土壤厚度，对于初始重建的生物群落比长期重建获取成功更重要，覆土较厚的区域，植物产量也随之增加；这与本研究分析所得结果一致，随着覆土厚度的增加，植物个体增强，植被盖度增加，小区植被平均高度增加，植物多样性加强，整体护坡质量呈递增趋势，尤其是覆土厚度由5 cm增加到10 cm，对应的护坡植被质量有了48.9%的提升，其一年的植物群落护坡效果与覆土厚度呈显著正相关。根据本研究结果，为确保边坡植物重建效果，建议伊犁地区公路边坡的表土回填厚度至少保证10 cm。

在一定程度上，植物群落的正向演替是土壤养分不断积累、物理性能不断改善的过程，而植物群落的逆向演替是土壤不断退化的过程[21]。王璐等[22]以崇明东滩湿地为垦区为例，对栽植10 年不同植物群落配置模式下土壤主要的理化性质进行测定，研究发现灌草复合种植模式下土壤的物理性黏粒增加57. 8%，容重减小13.7%，总孔隙度增加18.2%，其中草本植物对表层0～40 cm的土壤改善效果要比灌木强，尤其表现在0～10 cm的土壤；本文研究结果与之相一致，撒播植物的土壤容重均有不同程度的减小，孔隙度增加，土壤粘粒含量大幅增加，尤其表现在覆土厚度15 cm以上的小区，土壤改良效果尤为显著。后续研究可以考虑改良土壤效果较强的功能型植被作为先锋植物，结合本土植物的适生环境，有针对性的改良公路边坡土壤环境，为植物群落的正向演替创造条件，以期实现植物长期稳定的保护公路边坡。

4 结论

研究通过实地试验，对建植一年后的植被和土壤进行综合分析，应用灰色关联度评价法对伊犁地区公路边坡不同表土回填厚度下的护坡植被质量进行综合评价，其结果真实的反映了伊犁地区公路边坡不同表土回填厚度下的护坡植被质量，结果表明，覆土20 cm的草灌混播护坡模式综合评判值G(k)最高(0.83)，其护坡植被质量最好；覆土10 cm以上的护坡植被质量较覆土5 cm和对照小区均有显著提高，说明覆土10 cm是保证伊犁地区公路边坡护坡植被质量的阈值。