植被恢复方式对红壤丘陵区弃土场植被生长指标与土壤理化性质的影响

2022-02-20董焕焕赵红邓俊双余小晴谢劲松廖原孙滨峰

环境工程技术学报 2022年1期

董焕焕，赵红*，邓俊双，余小晴，谢劲松，廖原，孙滨峰

1.江西省交通科学研究院

2.江西省交通工程集团有限公司

3.江西省农业科学院农业工程研究所

高速公路建设工程是一项线性建设项目，耗时耗力巨大，具有战线长和破坏地表面积大等特点，施工过程会产生大量的弃土弃渣，占用耕地、林地等土地资源，破坏当地自然景观的协调性，造成严重的水土流失。且由于这些裸露地面的土壤结构紊乱、理化性质差，不利于恢复耕种和景观功能[1-2]。因此，对高速公路弃土场采取相应的水土流失防治措施十分必要。

目前国内有诸多弃土场的植被修复案例，如徐斌等[3]以中国科学院长武试验站王东沟模拟弃土场为例，分析不同施肥下植物对弃土场土壤改良的效果，结果发现施有机肥处理下各植物种植区土壤水分较不施肥有明显的提高，土壤容重和孔隙度均有所改善，有机质、全氮、铵态氮、有效磷、有效钾浓度均有所提高。王旭等[4]针对张承高速公路弃土场的环境状况，筛选本土生长旺盛的草本、灌木和乔木品种，播撒草籽的配方包括披碱草8 g/m2，冷重型滑合花籽2 g/m2、紫花苜蓿5 g/m2、沙打旺2 g/m2、无芒雀麦8 g/m2、多年生黑麦草6 g/m2，结果发现研究区域的生态环境取得了较好的恢复效果，减少了土地资源的浪费，且与当地的自然环境融为一体。Cao 等[5]采用7 种不同的植被配置对莘南高速30°～33°的陡坡区进行修复，结果发现草本或草灌组合的土壤恢复效果较好，草藤组合的恢复效果最差。以上研究可为弃土场的生态修复提供一定的技术指导。但红壤丘陵区作为我国主要生态脆弱带之一，其弃土场的生态恢复具有较大困难[6-7]，相关研究报道也较少。此外，由于不同气候区域植被属性差异大，不同种类的植被所产生的恢复效果也不同[8-10]，因此在植被种类的选择和模式构建上也应进一步研究，同时应考虑其产业化和经济效益，使植被恢复和土壤修复工作具有长效性与持续性。

笔者选择江西省某红壤丘陵区高速公路弃土场作为试验区，在对弃土场的土壤养分进行检测的基础上，设置3 种植被配置方案与2 种基肥配置方案，研究不同植被恢复方式对弃土场的恢复效果，以期为高速公路弃土场的生态恢复提供科学参考。

1 研究区与研究方法

1.1 研究区概况

试验选取的江西省某高速公路全线位于赣西红壤丘陵生态区，沿线分布着多处大小不一的弃土场及施工便道，部分弃土场以石质为主，植被恢复情况欠佳，水土流失隐患巨大。通过调查发现某弃土场的规模较大，占地面积约20 000 m2，位于共青城以北尧德安县以南，弃用年限为3 a，表面建筑垃圾、废弃沥青垃圾及石砾（＞2 mm）含量较多，植被恢复率不足50%，有大量土壤处于裸露状态，部分区域有狗牙根、紫花苜蓿等植被覆盖，亟需采取相应的植被恢复措施。研究区年均气温为16.8 ℃，年均降水量为1 354.1 mm，土壤质地为红壤土，基础理化性质如表1 所示。

表1 弃土场土壤理化性质Table 1 Soil physical and chemical properties of abandoned soil site

1.2 试验设计

1.2.1植被配置与基肥配置

研究区地处长江以南，属亚热带季风性湿润气候，春阴夏热，秋旱冬冷，四季分明。调研公路沿线的植被种类，发现原生植被灌木包括伞房决明、紫穗槐及马棘等，草本包括狗牙根、百喜草及紫花苜蓿等。根据当地气候条件及植被类型，采用乔灌草混播，选择根系发达、分生能力强、抗性强和耐瘠薄的植物。草本选取狗牙根、百喜草、紫花苜蓿，灌木选取伞房决明和紫穗槐，乔木选取马尾松，藤本选取葛藤。先根据种子的发芽率、纯净度和千粒重等因素确定单个草种播种量，再根据混播比例确定植被混播量[11]。

试验设置3 种不同植被配置方案：植被配置1，狗牙根1.6 g/m2+百喜草3 g/m2+紫花苜蓿0.9 g/m2+白三叶0.1 g/m2+伞房决明2.5 g/m2+紫穗槐6 g/m2+马尾松（穴播）4～6 粒/m2；植被配置2，紫花苜蓿1.2 g/m2+白三叶0.15 g/m2+狗牙根1.2 g/m2+马棘2 g/m2+美丽胡枝子6.2 g/m2+马尾松（穴播）4～6 粒/m2；常规喷播，保水剂8 g/m2+黏合剂8 g/m2+复合肥100 g/m2+纸浆150 g/m2+水3.5 kg/m2+狗牙根2.5 g/m2+紫花苜蓿1.5 g/m2+马棘4 g/m2。采用这3 种植被配置对弃土场进行治理修复，测量不同时期的植被高度及地上生物量，并根据后期植被复绿状况以及成本来选取最佳方案。

根据DB/T 36797—2014《高速公路绿化栽植技术规程》的规定，种植土的各项理化指标应按DBJ/T 13-132—2010《园林绿化种植土质量标准》测定，通过对弃土场土壤样品的监测分析，发现复合肥施肥量应达到100 g/m2才能保证土壤养分达到要求。而通过调查发现公路弃土场的常规施肥量为50 g/m2，因此选择2 种基肥配置：基肥配置1，50 g/m2；基肥配置2，100 g/m2。

1.2.2试验小区设置

试验小区设置5 种植被恢复方式处理及对照处理，分别为植被配置1+基肥配置1（11 方式）、植被配置1+基肥配置2（12 方式）、植被配置2+基肥配置1（21 方式）、植被配置2+基肥配置2（22 方式）、常规客土喷播及空白处理（不施肥，不播种）。在每个样地试验区设置3 m×3 m 的小区，3 次重复共18 个小区，占地面积162 m2，2019 年4 月中旬完成播种及施肥。

由于试验小区表面土层遍布较多的石块和杂物，地表板结严重，不利于种子的萌发，在植被配置与基肥配置播种前用挖掘机将土地翻松，清除表层中的砼块、块石、砖头、钢筋等硬质物质。清理完毕检查合格后对土壤进行整平，苗床地形按自然起伏坡度整地。但应注意不得有积水，坡顶呈圆弧形，侧坡修整与原山体自然顺接，要把苗床里的土精细地耙平，耙地之后，土壤呈现上松下实状态。上面的土壤松，保墒通气好，有利于出苗；下面的土壤实，种子与土壤接触紧密，有利于吸水发芽和根系下扎；低洼积水地进行开沟排水。施工时在场地周边布设截（排）水沟、急流槽、沉沙池，弃土坡脚修建浆砌石挡土墙。常规喷播试验小区不对土壤进行前期处理。

1.2.3样品采集与分析

在每个试验小区内调查植被的基本特征，主要包括植被种类、数量、高度、覆盖率等。植被高度是指植株的绝对生长高度，每个试验小区随机选取10 株植物，测量其顶部与地表的平均距离；采用阴影法测量植被覆盖率；采用齐地刈割法测定地上生物量。在每个试验小区内随机取土样3 次，分0～10 和10～20 cm 2 个层次采集，土样带回实验室，经自然风干并过2 mm 筛，进行土壤容重、含水率、孔隙度以及全氮、碱解氮、速效磷、速效钾浓度等理化性质的监测，土壤容重和孔隙度均采集原状土，监测方法采用常规分析方法。每2 周采样1 次，采样时间为2019 年4 月中旬—7 月中旬。

用AVONA 分析对不同试验小区植被及土壤理化特征进行显著性检验，所测得数据采用SPSS 19.0 统计软件进行分析。

2 结果与讨论

2.1 不同植被恢复方式对植被特征的影响

2.1.1对植被覆盖率、高度的影响

植被恢复速度对于水土流失防治至关重要[12-13]，图1 为不同植被恢复方式下覆盖率的变化，图2为不同植被恢复方式对典型植被长势的影响，图3为不同植被恢复方式在不同时间段的植被恢复情况。由图1～图3 可知，种植75 d 后，12 方式下的植被覆盖率最高，比常规喷播高33 个百分点；播种25 d后，试验小区已基本复绿，草种萌芽，受微地形影响植被覆盖率为45%～80%，植被配置1 中百喜草长势最为茂盛，紫花苜蓿次之，植被配置2 中紫花苜蓿最为茂盛，狗牙根次之。种植25 d 后，11 方式中狗牙根、百喜草、紫花苜蓿、伞房决明平均苗高分别为16.1、21.7、6.0、6.4 cm；12 方式中狗牙根、百喜草、紫花苜蓿、伞房决明平均苗高分别为22.3、21.7、10.1、9.5 cm。无纺布移除后的第7 天，即种植32 d后，试验小区植物长势良好，除个别由于常规喷播不均匀因素影响外，所有小区植被覆盖率均达80%以上。21 方式中狗牙根、百喜草、紫花苜蓿、伞房决明平均苗高分别为17.4、6.3、10.2、10.3 cm；22 方式中狗牙根、百喜草、紫花苜蓿、伞房决明平均苗高分别为23.2、6.4、12.2、16.1 cm。种植75 d 后，所有小区植被覆盖率达95%～100%。12 方式中狗牙根、百喜草、紫花苜蓿、伞房决明平均苗高分别为44.4、119.6、52.9、60.5 cm；22 方式中狗牙根、白三叶、紫花苜蓿、伞房决明平均苗高分别为43.3、21.2、49.3、43.7 cm。施肥量为100 g/m2处理的植株高度显著高于50 g/m2处理。由图2 可知，除12 方式的狗牙根外，其他植被恢复方式下种植75 d后的苗高与种植25 和32 d 的存在显著差异（P＜0.05）。

图1 不同植被恢复方式下覆盖率的变化Fig.1 Change trend of vegetation coverage under different vegetation restoration methods

图2 不同植被恢复方式对苗高的影响Fig.2 Effects of different vegetation restoration methods on seedling height

图3 不同植被恢复方式在不同时间段的植被恢复情况Fig.3 Vegetation restoration of different vegetation restoration methods in different periods

本研究设置的植被与基肥处理均可有效进行弃土场的植被恢复，就2 种植被配置而言，恢复前期植被配置1 的覆盖率明显好于植被配置2，植被配置1 主要以禾本科植物为主，豆科植物为辅，植被配置2 主要以豆科植物为主，禾本科为辅。2 种植被恢复方式均包括多年生或一年生豆科草本植物，加速了土壤肥力的形成，同时改善土壤理化形状，予以植被充分的养分后，禾本科植被配置1 的前期恢复速度更快，更利于弃土场的水土保持，故推荐12 方式。

2.1.2对地上生物量的影响

不同植被恢复方式对地上生物量的影响见表2。由表2 可知，不同植被恢复方式对植物地上生物量有显著影响，1 个生长季后，4 种植被恢复方式下的地上生物量显著高于常规喷播方式，其中12 方式的地上生物量显著高于其他处理，达到421.7 g/m2。

表2 不同植被恢复方式对地上生物量的影响Table 2 Effects of different vegetation restoration methods on aboveground biomass g/m2

2.2 不同植被恢复方式对土壤物理性质的影响

土壤容重和孔隙度作为反映土壤结构状况的重要物理指标，在表征土壤物理性质变化方面发挥着重要作用[14-16]。研究表明，当土壤容重达到1.50 g/cm3时，植物根系已难以伸入，而达到1.60～1.70 g/cm3，已是根系穿透的临界点[17-18]。不同植被恢复方式下土壤物理性质如表3 所示。从表3 可以看出，4 种植被恢复方式下的土壤容重显著低于常规喷播，尤其0～10 cm 的土壤容重比常规喷播低了0.09～0.17 g/cm3。与常规喷播相比，4 种植被恢复方式下10～20 cm 含水率表现为12 方式＞21 方式＞22 方式＞11 方式＞常规喷播，总孔隙度比常规喷播显著提高6.79%～19.68%。12 方式的土壤容重最低，含水率及总孔隙度最高。

表3 不同植被恢复方式下土壤物理性质Table 3 Soil physical properties under different vegetation restoration methods

2.3 不同植被恢复方式对土壤化学性质的影响

土壤有机质是土壤养分的重要来源之一，是衡量土壤肥力水平的重要指标之一[19-20]。不同植被恢复方式对土壤氮、磷及钾的影响见图4。由图4 可知，与常规喷播相比较，其他4 种植被恢复方式下0～10 cm 土壤有机质浓度均具有显著的提高，提高幅度为16%～62%，10～20 cm 的土壤有机质浓度提高幅度为30%～71%，其中12 方式提高最明显，但4 种植被恢复方式间无显著差异。

图4 不同植被恢复方式对土壤氮、磷及钾浓度的影响Fig.4 Effects of different vegetation restoration methods on soil nitrogen,phosphorus and potassium

4 种植被恢复方式下土壤速效磷浓度与常规喷播无显著差异，0～10 cm 处的速效磷浓度分别比常规喷播高2%、4%、0.8%和0.5%，10～20 cm 速效磷浓度分别比常规喷播高33%、23%、6%和0.5%。由于植被恢复年限较短，短时间的植被恢复对土壤中磷的积累影响不明显。

各植被恢复方式下的土壤碱解氮浓度从大到小依次为12 方式＞11 方式＞21 方式≈22 方式≈常规喷播，其中12 方式下的碱解氮浓度分别高于12 和21 方式8%和11%，显著高于11 方式和常规喷播21%和26%。从平均水平来看，0～10 和10～20 cm的土壤碱解氮浓度较试验前提高8%和1%。诸多研究证明，施肥在增加地上生物量的同时显著增加了地下植物根系量[21-24]，植物根系可向土壤中传递养分，增加土壤养分。本研究采用的植被恢复方式均能促进弃土场全氮和速效氮的积累，增加土壤生产力，其中禾本科植物为主的植被配置1 固氮效果更明显。

土壤全钾浓度在10～20 cm 处的常规喷播和4 种植被恢复方式之间存在显著差异，其他深度和处理之间均无显著差异。土壤速效钾浓度的显著性差异更明显，10～20 cm 处的11、12 方式与21、22 方式、常规喷播处理差异显著。其中12 方式0～10 cm处速效钾浓比常规喷播高10%，10～20 cm 处高7%。植被对钾的活化作用是通过速效钾浓度的明显增长而体现出来的。

2.4 土壤理化性质与植被恢复的相关性

表4 为12 方式下植被高度与0～10 cm 土壤理化性质的相关性分析结果。从表4 可以看出，植被高度与有机质浓度、土壤孔隙度呈显著正相关，生物量与土壤孔隙度呈显著正相关，说明植被恢复情况与土壤孔隙度和有机质浓度均有显著的相关性，但土壤孔隙度对植被恢复的影响更大。另外，土壤有机质浓度和孔隙度呈显著正相关。故而，为提高红壤丘陵区弃土场植被恢复能力，一方面可采取相关措施提高土壤有机质浓度，另一方面可增加土壤孔隙度。