赣南红壤边坡护坡草本植物环境适应性研究

陈飞　钱乾　高超　蔡超

摘要：为了优化和筛选出适合赣南地区酸性红壤边坡的护坡草本植物，进行红壤边坡护坡草本植物的环境适应性试验。选择能够在红壤地区生长的7种草本植物（白三叶、黑麦草、红三叶、果岭草、高羊茅、百喜草、四季青），对这7种植物进行室外的播撒试验，根据植物生长特性、红壤特点、成本等，选择了14个指标进行观测。运用层次分析法判断指标权重，再将同一指标下不同种类植物的数据进行归一化，通过在同一指标中的占比大小来判断每种植物的权重，最后结合两组权重综合评价每种植物的环境适应性。结果表明：7种草本植物中黑麦草总体表现最佳且综合权重最大，百喜草和四季青次之，建议选择这3种植物作为赣南地区红壤边坡的护坡草本植物，而红三叶、白三叶环境适应性差、护坡效果一般，不建议作为该地区的红壤边坡的护坡植物。

关键词：红壤边坡; 护坡植物; 环境适应性; 草本植物; 层次分析法; 赣南

中图法分类号： X45

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.10.011

0引 言

生态护坡利用植物根系增强边坡土体的抗剪强度、抗冲刷能力，加固边坡土、防治滑坡。对于根系固土的研究已取得了一系列成果，其中Waldron等[1-2]通过直剪试验，探究了根系含量和土抗剪强度之间的关系，得出根系含量增加会增强土的抗剪切强度;刘润等[3]对4种苔藓进行试验，认为植物根系拥有较强的抗冲刷能力，可有效减少土壤流失;陈飞等[4]以狗牙根与赣州稀土矿山边坡砂质黏土构成的根-土复合体为研究对象，通过直剪试验，分析了土壤含根量和含水率对抗剪强度的影响。

赣南地区以山地、丘陵、盆地为主，山坡众多，属于亚热带季风气候区，雨量充沛，多集中于春夏，因此赣南地区是滑坡灾害的高发地区。该地区气候适宜，植物种类众多，是生态护坡的理想地区。赣南地区边坡以红壤为主，呈酸性，富铝化作用显著，质地较为黏重。红壤一般氮、磷、钾的供应不足，有效态钙、镁的含量也少，硼、钼也很贫乏，不利于植物生长发育[5-7]。因此，需选择适宜在赣南地区良好生长的护坡植物。程谅等[8]探究了黑麦草、香根草和白三叶对红壤地区的环境适宜性;奚同行等[9]研究了在百喜草种植、枯落百喜草覆盖、裸露3种处理下，红壤坡地土壤水分亏缺状况;喻荣岗等[10]选择了19种植物在赣南红壤区域进行种植试验，得出画眉草、黑麦草、狗牙根、假俭草和苏丹草5种草本植物在第四纪红壤侵蚀区生长良好的结论。

综上，针对适合赣南地区偏酸性土质的护坡草本植物的研究较少，因此，本文结合植物的观赏性和经济实用型，对7种草本植物进行室外播撒试验研究，并对草种生态适应性进行综合评价，分析现场边坡植被保护效果，筛选出适合该地区的草本植物，以期丰富该地区护坡草本植物的种类，可为赣南红壤边坡的生态护坡提供依据。

1红壤边坡特点

红壤是在高温高湿条件下，矿物发生强烈的风化产生大量可溶性的盐基、硅酸和含铝铁物质盐基，硅酸进入地下水后流走，含铝铁物质则积累下来，在干燥条件下发生脱水形成无水的铁铝氧化物，因而使得土壤呈现红色。红壤中含有比较多的硅酸盐，因此呈现酸性。

赣南地区为丘陵地带，红壤边坡众多。研究表明[11]：红壤抗剪强度取决于土颗粒的大小以及土颗粒之间的联结和排列方式;红壤边坡滑坡的原因是雨水对边坡土体的增重、软化和润滑3方面的综合作用。赣南地处中亚热带南缘，属亚热带季风气候区，雨水多集中在春夏两季，尤其是3～5月份，冷暖气流对抗加剧，带来强降水。缺少植物覆盖的红壤边坡，雨水会直接冲刷土壤，从而加剧裸露的红壤边坡发生滑坡灾害的可能。因此需要对红壤边坡进行生态护坡，降低滑坡灾害的发生。

红壤质地黏重，耕作困难，酸性较强（pH值4.5～5.5），有效氧分少、磷素缺乏，具有酸、黏、板、瘦等不良特性[11]。适宜在这类地区生存的草本植物不仅要耐酸性，还要能够在有机物含量较少的红壤中获取生长所需的营养物质。赣南地区春夏多雨，气候温暖且潮濕;秋冬少雨，较为干旱。草本植物不仅喜温暖，而且能够适应潮湿多雨的春季;需要较为发达的根系来抵抗夏季暴雨的冲刷;还要具备一定的抗旱能力以应对较为干旱的秋冬两季。

2护坡草本植物环境适应性试验

2.1试验材料

结合赣南地区当地的气候条件和土壤特征，初步筛选出7种能够在当地发芽并生长的草本植物：白三叶（Trifolium repens）、黑麦草（Lolium Perenne）、红三叶（Trifolium pratense）、果岭草（Cynodon dactylon）、高羊茅（Festuca arundinacea）、百喜草（Paspalum notatum Flugge）、四季青（Agrostis stolonifera），不同草本植物的特点如表1所列。

2.2试验方法和过程

试验选择赣州市章水下游附近的一处边坡，边坡所用试验场地总长度为3 m，高1 m，总面积为3 m2，在边坡上划分出7个区域，每一个区域的面积为0.8 m×0.4 m，试验时间选择5～7月，此时赣南地区雨水较为充沛，植物易于发芽存活。在此期间进行室外播撒试验，每种草在相同的室外条件下生长。每种草分别种植两组，并设置室内对照组观察生长状况以判断室外组生长是否异常，防止由于其中一组生长异常导致最终结果出现偏差。

从2020年5月4日开始播种，具体步骤如下：

（1） 清除试验场地中的杂物、石块，平整场地;

（2） 对边坡表面约5 mm厚的土壤进行松土，并喷洒营养液;

（3） 每种草籽按照55.6 g/m2的播种密度均匀地播撒;

（4） 对播撒后的土壤轻轻压实;

（5） 对土壤均匀地浇水，保证土壤足够湿润。

根据天气情况，对试验区域及时浇水，为了防止杂草干扰，要及时清除试验区杂草。试验持续10周共70 d，持续到7月12日，发芽期和植物快速生长期会对植物每天的生长情况进行详细的观测，最后一周对现场的土样以及草本植物进行采样，收集相关指标的数据。

综合考虑每种草的生长特性、红壤的特点以及参考文献[12-13]的指标，选定根深、根重、生长高度、盖度、耐旱性、耐病虫、发芽时间、生长速度、发芽率、抗冲刷、成本、景观效果以及含有根系土的黏聚力和内摩擦角等14个指标进行观察和测量。

根深为第70天每种草根系深入土壤中的平均深度。根重是在第70天，从每种草播种区域采集3处面积相等的土样，筛选出土壤中的根系，测量并计算得到平均重量。生长高度为最后一周草生长的平均高度。盖度通过植物地上部分垂直投影面积与取样面积之比来计算。耐旱性试验为了排除如昼夜光照条件、昼夜温差、病虫害、雨水冲刷等干扰因素，更好地控制单一变量，因此在室内进行。采取室外试验场地的土样，将土按与室外相同的压实度水平铺设在模型箱中，再将各种草类种植在模型箱中，在28 ℃和全天24 h日光灯照射下的室内环境相进行相同水量的喷洒养护，每种草都种植两组（箱1和箱2），所有室内试验的模型箱按照相同条件养护。在每种草生长到第4周即28 d时，它们的高度不再明显增加，第29天开始停止对所有室内模型箱浇水，并时刻观察植物的状态。当一种草本植物枯萎发黄时，对箱1进行浇水，如果箱1中的草不能重新变绿生长，则此时的天数为耐旱天数。如果可以生长，则等待3 d后对箱2浇水，若不复绿则此时的天数为耐旱天数;若依旧复绿则3 d后对箱1浇水，观察其生长状况，如此往复循环，直到某一模型箱中的草浇水不再复绿，则此时的天数为草的耐旱天数。耐病虫通过评分的方式对每种草进行评价，0～2为差，3～4为一般，5～7为较好，8～10为好，通过观察每种草的试验全过程来评分。发芽时间为从草籽播撒开始到草籽大面积发芽所需的天数。生长速度为每种草高度增加最快的生长期每天平均生长的高度。发芽率则是在红壤边坡上种植相同数量的草籽，计算最终发芽的草数量与播种草籽数量的比值。由于赣州当地春夏雨水充沛，多暴雨，因此观察每种草在暴雨冲刷下的表现，并按0～2为差，3～4为一般，5～7为较好，8～10为好的评判标准来进行评分。成本为每种草籽每千克的价格。景观效果通过专家评分的方法按照0～2为差，3～4为一般，5～7为较好，8～10为好来评分。此外，还要对每种草的固土效果进行评价，测定每种草根-土复合物的黏聚力和内摩擦角，从每种草的种植区域采集土样进行直剪试验，测定出含有不同根系的红壤土的黏聚力和内摩擦角。

2.3评价方法

运用层次分析法得出每种指标的权重。层次分析法主要包括3个步骤：首先根据元素的特点建立层次建构模型;其次将同从属的每层元素按标度进行两两比较，得出各元素之间的判断矩阵;最后通过计算，得出结果，并经过一致性检验，判断结果的合理性。考虑红壤边坡护坡草本植物环境适应性试验的特点，运用层次分析法对14个评价指标进行分级，建立层次结构模型如图1所示。

将不同评价指标合并、分级并自上而下的构成目标层、准则层和方案层，使得有从属关系的同层之间两两相互比较，从而建立判断矩阵。每层元素之间两两相比较各自的重要程度，重要程度的度量采用1～9标度，具体意义如表2所列。

将标准矩阵每一行数据求和，再将不同草的数值与总和相比，计算每种草在相同指标下的占比大小，从而得到每种草的重要程度即权重。综合各指标的权重和每种草在不同指标下的重要程度得出红壤边坡护坡草本植物综合评价的权重值，比较其大小，最终得出环境适应性最好的护坡草本植物。

3环境适应性试验结果与评价

3.1试验结果

按照上文所述的试验方法，最终得出红壤边坡护坡草本植物环境适应性试验的观测结果，如表3所列。

从表3可以初步看出黑麦草表现良好，其根深为79.2 mm、根重为10.5 g、生长高度为97.5 mm、盖度为100%，根-土复合黏聚力为36.9 kPa，这些指标在所有种类草中为最优，并且其耐旱性、耐病虫、发芽时间等其他指标表现也较为优异。

从根深指标来看，黑麦草、四季青、果岭草这3种草表现优异，最差的为百喜草。根重指标中排名前三的为黑麦草、红三叶和四季青。生长高度指标中黑麦草、四季青和果岭草表现较好，百喜草最矮，其中黑麦草与其他种类草相比具有明显优势。从盖度来看，白三叶、黑麦草和红三叶最大，都为100%，其他种类草虽有差别但差别较小。从耐旱性来看，百喜草表现优异，在缺水情况下可以生存22 d，其次是黑麦草为18 d，红三叶和白三叶只有8 d，表现最差。耐病虫的评分中最好的是百喜草，试验期间几乎没有病虫侵扰，黑麦草仅次于百喜草，白三叶和红三叶表现最差，在种植期间出现了白粉病。从发芽时间看，白三叶、红三叶仅3 d就发芽，所需天数最短，其次为需要4 d发芽的百喜草和黑麦草，发芽所需时间最长的是高羊茅和四季青。从生长速度看，四季青生长速度最快达到19.4 mm/d，其次为黑麦草，生长速度最慢的是白三叶。发芽率指标中，最高的是百喜草，达到98%，黑麦草是97%排第二，发芽率最低的是果岭草，但是每种草发芽率都较高，差别不明显。从抗冲刷看，百喜草表现最好，其次是黑麦草、果岭草和高羊茅，表现最差的是白三叶，在暴雨期间部分被冲毁。从含根系土的黏聚力和內摩擦角看，原状土的黏聚力为21.56 kPa、内摩擦角为22.06°，黏聚力提升最多的就是黑麦草，最低是百喜草。内摩擦角提升幅度均较小，不同草之间差别不明显。从成本看，最便宜的是红三叶，其次是白三叶和黑麦草，最贵的是百喜草。景观效果的评分中，红三叶效果最好，其次是百喜草，白三叶、高羊茅、四季青表现一般。

黑麦草在14个指标中有5个指标表现最优，其余指标表现也较好，因而初步判断黑麦草是最为合适护坡草本植物。但是从其余种类的草表现看，依据单一指标来分析每种草本植物的环境适应性是难以选择出最佳的护坡植物，还需要综合考虑各种指标，对7种草的环境适应性进行综合评价，最终选择出最佳的护坡植物。

对表3中观测结果的各项数据按式（2）和式（3）进行归一化处理，消除量纲的影响，将不同种类草在同一指标下的数据简化到0～1之间，求和后再计算每种草在不同指标下的占比大小，确定每种草的重要性即权重，结果如表6所列。

3.3评价结果

综合表5与表6的结果，得到红壤边坡护坡草本植物综合评价权重排序的结果（见表7）。

由表7可见：① 黑麦草、百喜草和四季青为排名前三的护坡植物，表现良好;尤其是黑麦草所占权重最大，评价最高，与表3中初步判断的结果一致。② 黑麦草根系长，根茎较粗，对于边坡表层土而言，有很好的固土能力;并且黑麦草生长速度快，地上部分茂密，能够减缓赣南地区暴雨对边坡土壤的冲刷;黑麦草耐酸，能够在赣南地区酸性土壤中发芽并生长;黑麦草价格便宜，作为护坡成本较低，适合作为赣南地区红壤边坡的护坡植物。

③ 百喜草虽然根系发达程度一般，多数指标不突出，但是相较于其他品种的草耐旱性优越、发芽快、耐病虫好，并且对生长环境要求不高，非常容易发芽存活，因而综合评价仅次于黑麦草;并且百喜草拥有较宽的叶子，能够减缓雨水对边坡土壤的冲刷，也是较为合适的红壤边坡护坡植物。四季青根系发达、生长高度较高、价格相较低，是一种较好的护坡植物。但是其发芽时间最长，耐病虫表现一般，对于酸性土壤的适应性弱于百喜草。

④ 白三叶和红三叶虽然能在红壤环境中快速发芽，但是固土能力、耐旱性以及抗病虫表现最差，综合评价最低。白三叶和红三叶并不能很好的适应赣南地区的环境，因而不建议作为当地红壤边坡的护坡的草本植物。

⑤ 以往针对赣南地区护坡草本植物的研究往往选取当地自然生长良好的草本植物，但是这些草本植物本身并没有太高的经济价值和观赏性，本文充分考虑了草本植物的观赏性和经济实用性来选取试验植物。如黑麦草是一种良好的牧草可作为经济作物种植，白三叶、红三叶是观赏性极佳的开花三叶草。通过试验研究丰富了赣南地区可选择种护坡植草本植物种类。在评价指标中，植物的生长能力是非常重要的参考指标[14-16]，但将固土效果作为综合评价指标的较少，本文将固土效果放入综合评价之中，把根-土复合物的黏聚力和内摩擦角作为综合评价指标的一部分，突出了护坡草本植物在护坡过程中的作用。

4结 论

选择7种能够在红壤中发芽和生长的植物，为了筛选出既能够起到固坡作用又在赣南地区生长状况良好的植物，选定根深、根重等14个指标作为评判依据。其中针对环境适应性好的特点选择了生长速度、根深、根重、耐旱天数耐病虫等9个常见指标，针对护坡植物特点选择了黏聚力、内摩擦角和抗冲刷作为指标，针对易推广性选择了价格和景观效果作为指标。

综合计算得到评价结果，通过对综合权重进行排序，得出黑麦草作为当地红壤边坡的护坡植物最适合，百喜草和四季青次之，也是较为合适的红壤边坡护坡草本植物。白三叶和红三叶对当地环境适应性最差，不宜作为红壤边坡护坡草本植物。综合评价认为，黑麦草、百喜草和四季青是赣南红壤地区最为合适的护坡草本植物。

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（编辑：黄文晋）

Abstract：In order to optimize the selection of appropriate herbaceous plants for acidic red soil slope protection in South Jiangxi Province，an environment adaptability test was conducted.Seven plants（Trifolium repens，Lolium Perenne，Trifolium pratense，Cynodon dactylon，Festuca arundinacea，Paspalum notatum Flugge，Agrostis stolonifera）which could survive in red soil were sowed in the field.Fourteen indices were observed according to the growth performance，red soil features and cost.The weight of every index was determined by analytic hierarchy process（AHP）.The data of seven plants was normalized under the same indicator，then the weight of plant was calculated through proportion of every plants under the same indicator.The environmental adaptabilities of seven plants were evaluated comprehensively at last.The results show that among the seven plants，Lolium Perenne has the highest weight，followed by Paspalum notatum Flugge and Agrostis stolonifera，which are recommended for acidic red soil slope protection in South Jiangxi Province.Trifolium repens and Trifolium pratense have minimum weights indicating that they have the worst environmental adaptability and slope protection ability and are not used as herbaceous plants for red soil slope protection in south Jiangxi Province.

Key words：red soil slope;slope protection plants;environmental adaptability;herbaceous plants;analytic hierarchy process（AHP）;South Jiangxi Province