高速邊坡植被選擇分析

高速邊坡植被選擇分析隨著國家對高速公路建設(shè)過程中破壞植被的恢復和生態(tài)與環(huán)境保護的重視，邊坡生態(tài)恢復技術(shù)正在受到前所未有的關(guān)注［1］。植物在邊坡防護中的應(yīng)用改善了工程護坡呆板的格局，形成了獨特的路域景觀，起到了減緩駕駛疲勞、改善地區(qū)小氣候和降低污染的作用。但是不難發(fā)現(xiàn)這樣的現(xiàn)象，很多高速公路邊坡植物在建植初期，植被生長狀況良好，但是到了后期，就逐漸衰退甚至死亡。究其原因，可能是因為在建植過程中，沒有充分考慮到高速公路路域地質(zhì)情況與植物選擇的關(guān)系。高速公路邊坡的路域地質(zhì)狀況很受限制，大部分植物無法正常生長甚至存活。因此，選擇適當?shù)闹脖活愋秃椭参锓雷o措施成了邊坡防護成功與否的關(guān)鍵。1高速公路邊坡的地質(zhì)狀況高速公路邊坡土壤屬于路域土壤，它包括機械挖掘所暴露出來的原生土壤的母質(zhì)（風化殼、基巖、心土），填埋碾壓所形成的回填土,綠化所移入的客土，以及部分未受工程擾動的原生土壤。路域土壤由于受人為活動長期的擾動，多次無序侵入土體和地下施工翻動，破壞了原有的表土層和腐殖質(zhì)層，形成了一類獨特的土壤［2］0該土壤從原始未受干擾的自然狀態(tài)向路域土壤演變的過程中經(jīng)受雨水侵蝕、風蝕等作用，土質(zhì)出現(xiàn)了明顯的退化，表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定、pH值偏高、外來物質(zhì)多、養(yǎng)分匱乏等特性。1.1邊坡結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性邊坡結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性主要體現(xiàn)在土壤侵蝕引起的水土流失。而坡面徑流是水土流失的主導因子，其大小及流速能反映邊坡水土流失的嚴重性：3］o郭廷輔［4］認為降雨量與坡面徑流有一定關(guān)系，從年降雨量來說，若年降雨量大，且在空間分布上比較均勻，就不會形成強勁的坡面流徑，反之則異。桑廣書等人［5］經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)降水量的多少對滑坡有明顯的影響，此結(jié)論與郭廷輔的相似。徑流的沖刷能力取決于它的動能和勢能，徑流的能量是徑流質(zhì)量和流速的函數(shù)，而流失的大小主要取決于徑流深與地面坡度，因此坡度直接影響徑流的沖刷能力［6.7］。坡度與徑流沖刷能力的關(guān)系為，在一定范圍內(nèi)，地面坡度越大沖刷能力越強，侵蝕量也越大，水土流失越嚴重，但有一臨界坡度［8?11］。楊喜田等人［8］研究發(fā)現(xiàn)60度以上坡度對徑流沖刷能力有一定阻力作用，當坡度超過某一臨界坡度，侵蝕量隨坡度的增加而減小；陳永宗等［9］通過研究得出臨界坡度為26度?28度;而趙曉光等［10］通過實驗分析得出臨界坡度為21度的結(jié)論;還有的研究者則認為在40度左右［11］,目前尚未得出統(tǒng)一的結(jié)論。研究還表明坡長對邊坡穩(wěn)定性也有一定的影響，坡長越長，侵蝕量越大，邊坡越不穩(wěn)定，坡長重力侵蝕增加，水土流失嚴重［8］o1.2土壤水分缺乏土壤水分是植物生長、植被恢復以及土壤侵蝕過程的重要影響因素，是反映土壤特性的重要指標［12］。而高速公路邊坡土壤更是植物形成、生長、演替的基礎(chǔ)。眾所周知，植被在道路邊坡防護以及生態(tài)景觀恢復方面有著不可取代的重要作用。但高速公路邊坡土壤水分條件不穩(wěn)定，表現(xiàn)為不同坡度、坡向、坡形水分條件分布不同，制約了植物的生長。因此了解不同坡面的水分分布狀況對邊坡植被修復有著重大的意義。劉浩等［12］以成昆鐵路形成的路塹邊坡為對象，對道路邊坡土壤水分在不同坡度、坡長、坡位的空間變異性進行觀測研究，結(jié)果表明道路邊坡土壤水分隨著坡度的增大呈現(xiàn)先增大再減小的變化趨勢;在同一坡面不同坡位上的土壤含水量表現(xiàn)為坡下＞坡中〉坡上；同一坡地不同坡面的土壤含水量表現(xiàn)為陰坡〉陽坡。董元杰等［13］利用磁測法對魯中山區(qū)的小流域坡面調(diào)查發(fā)現(xiàn)，陰坡水分持有量、植物覆蓋率均大于陽坡，究其原因可能是陰坡較陽坡接受的太陽輻射量少，因而水分條件好,適合植物生長,而植物覆蓋率高的坡面，侵蝕量減少，從而又保涵了土壤的水分。1.3土壤養(yǎng)分分布不均土壤養(yǎng)分的分布是任何景觀格局形成、分布、變化的基礎(chǔ)。肥力好的土壤有利于植物的生長與發(fā)育。高速公路邊坡由于水土流失、風蝕和太陽輻射等原因?qū)е峦寥鲤B(yǎng)分的不均勻分布。Schimel等［14］研究發(fā)現(xiàn)，由于土壤侵蝕等影響,N和P的有效性從坡頂?shù)狡碌驮黾?，且N在植物的地上部分與地下部分的含量相差明顯。余海龍等［2］對呼集高速公路卓資縣六蘇木鄉(xiāng)境內(nèi)地表土壤的養(yǎng)分及有機質(zhì)含量的調(diào)查結(jié)果表明，養(yǎng)分中除全P含量略高于自然土壤外，全量養(yǎng)分中的氮和鉀呈明顯下降趨勢，邊坡土壤平均下降96.4%和18.7%,總的特點是表層土壤中養(yǎng)分和有機質(zhì)的含量都有減少的趨勢。呂煥哲等［15］以紅壤坡地為材料，對4種土地利用方式進行了研究得出，土壤有機物含量在下坡位高于上坡位。楊武德等對林地紅壤肥力的研究也表明，下坡土壤養(yǎng)分明顯富集［16］。因為從上坡位到下坡位，土壤逐漸由侵蝕過渡為堆積，所以下坡位比上坡位有機層厚，有機含量也有所增加［17］。2植物防護措施高速公路邊坡土壤狀況的惡劣性表現(xiàn)為邊坡結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性、土壤水分缺乏和土壤養(yǎng)分分布不均，因此，對植物的生長具有限制性，為了保證邊坡結(jié)構(gòu)及植物恢復的成功，需要針對不同類型的邊坡土質(zhì)條件，采用不同的植物防護措施［18?23］。3.1依據(jù)地質(zhì)情況考慮高速公路邊坡具有穩(wěn)定性差、土壤水肥分布不均勻、土壤硬度大、pH值偏高等特點，為了保證植物護坡的成功，建立長久的、自然的景觀格局，在植被類型的選擇上應(yīng)充分考慮其相關(guān)性。3.1.1豐富的植被類型，能增強邊坡結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性邊坡的穩(wěn)定性與坡長、坡度、地表徑流等有著密切的關(guān)系。而植物對增加邊坡的穩(wěn)定性有一定的貢獻。據(jù)孟慶華等［24］報道，在地形梯度上設(shè)立灌叢緩沖帶和減少斑塊面積，建立鑲嵌景觀格局，相當于減少了坡長和坡度，增加了邊坡的穩(wěn)定。眾多學者，如張洪江、許岳飛、石禮培、鄧輔唐等［25—28］,均認為栽植多種植物類型，有利于增加坡面粗造度、削弱徑流動能以及雨滴勢能、降低水蝕對坡面的破壞。也有學者持不同的觀點，CarrollC［29］認為在所有生物措施中，草地植被覆蓋對坡地水土流失防治起著至關(guān)重要的作用。張鐵軍等［30］在北京昌平區(qū)小湯山實驗場以草地雀麥進行坡地水土流失防治實驗，結(jié)果表明，在坡地上種植草地雀麥，水土流失防治效果顯著，可使坡地年徑流量與土壤侵蝕模數(shù)達到6781.7m3•km-2和36.4t&bul1;km-2&bul1;a-1,保水、固土能力為93.0%和99.9%。但據(jù)于興修等［31］報道，在坡面徑流有草坡段時，對出流時間具有決定性影響的主要是坡面徑流的流速，在坡面徑流量較小時，坡面草被在延緩徑流流速方面作用明顯;在大流量時，這種作用相對有限。而〃草+灌〃、〃草+灌+藤〃混合模式，由灌木、草及藤混合而成，當強降雨出現(xiàn)時，在降雨持續(xù)過程中，雖然會產(chǎn)生地表徑流，由于灌木的粗大根系、強健莖稈，不會被雨滴打到徑流當中，起到一定截留的效果［30］。因此，草、灌、藤相結(jié)合的多種形式的植被類型更有利于邊坡的穩(wěn)定，在邊坡的植物選擇上應(yīng)盡量豐富植被類型。和#分頁標題#e#3.1.2增加土壤保水保肥能力土壤中養(yǎng)分和水分的含量對植物的生長有一定作用，而植物對土壤的水肥能力也有一定的反作用。許岳飛等人［26］將豆科灌木木豆(Cajanuscajan)和銀合歡(Leucaenaleucocephala),禾本科牧草非洲狗尾草(Setariasphacelata)和高羊茅(Festucaarundina-cea)以及豆科藤本牧草大翼豆(Macroptiliumatropu-reum)、豆科草本白三葉(Trifoliumrepens)和雜三葉(Trifo1iumhydridum)進行組合，以測定不同組合方式的水土保護效果，最后通過水土保持功能的多項測定分析，〃灌+草+藤〃復合型模式 〃木豆+非洲狗尾草+高羊茅+大翼豆+白三葉+雜三葉〃模式優(yōu)于其他模式。究其原因，可能是因為灌草藤能有效的改變了毛管孔隙度與非毛管孔隙度比值。另外凋落物增加地表覆蓋度，降低地下水分蒸發(fā)。還有就是豆科植物有著很強的固氮能力，增加了土壤中的養(yǎng)分。據(jù)LalR[32]報道，新合歡等高等植物籬一一農(nóng)作物系統(tǒng)中徑流攜帶的N03——N、P04——P養(yǎng)分損失較籬耕坡地為少，但徑流中鹽基離子（Ca、K、Mg、Na）卻比較高，他認為是由灌木植物籬的深根系擴大了養(yǎng)分循環(huán)的范圍，將下層土壤中鹽基離子吸收到地上部分而進入表土所致。而MittalSPetal[33]的研究表明，豆科樹種新銀合歡修剪的枝葉作為綠肥，在化肥昂貴地區(qū)可以替代部分化肥，尤其氮肥的作用。這些都說明了適當?shù)闹参锎钆淇梢詼p少水土流失、改善甚至增加土壤肥力，特別是豆科植物在邊坡土壤水肥不足的情況下具有重要的意義，在植物選擇時應(yīng)多加考慮。3.2從景觀融合的角度考慮景觀即是生物的棲息地，更是人類的生態(tài)環(huán)境。景觀具有經(jīng)濟、生態(tài)和文化的多重價值，已成為表達社會和自然空間特征的常用方法[34]。而景觀格局的特征在維護生物多樣性，保護物種，完善整體結(jié)構(gòu)和功能，促進景觀結(jié)構(gòu)自然演替以及抗干擾能力等方面是不同的[35]?，F(xiàn)在，人類對景觀結(jié)構(gòu)的影響將隨著人類歷史的延長和技術(shù)的發(fā)展而越發(fā)強烈，隨著人類活動范圍的日益擴大，將會有越來越多的自然景觀被人工景觀所逐漸代替[36]。但是根據(jù)黃土高原地區(qū)，以往盲目改造林相和追求植樹造林面積導致生態(tài)建設(shè)失敗的教訓說明，對景觀生態(tài)價值的認識與區(qū)域生態(tài)安全評價，需要考慮區(qū)域生態(tài)承載力：37］與景觀生態(tài)服務(wù)功能的持續(xù)性［38］等多方面因素。Ludwing等［39］在4種不同景觀結(jié)果中的研究表明，景觀中的灌叢斑塊對景觀功能有重要影響。沒有灌叢斑塊的景觀其徑流損失比有灌叢斑塊的景觀多25%,條紋狀和線狀灌叢鑲嵌格局比點狀灌叢鑲嵌格局截獲徑流的能力高8%且生產(chǎn)力提高10%o而且灌木與喬木有利與路域景觀與周圍景觀的相互融合。如河北滄州地區(qū)在公路邊坡栽植火炬樹，不僅防護作用好且秋后火炬樹的葉子變成紅色，與周圍建筑相互輝映，成為公路的一道獨特景觀［40］。3.3從生態(tài)效應(yīng)考慮一般說來，植物的重建與恢復應(yīng)遵循所處地區(qū)的經(jīng)濟與自然環(huán)境條件。通常有3種途徑，第1種是使其自然恢復，不作人為干擾，恢復過程需要很長的時間;第2種是在人類的幫助下，恢復到初始狀態(tài),如果成功就成為真正的恢復，如果不成功可能就恢復到某一階段;第3種是建立人工植被［41］。高速公路邊坡情況特殊，因其土壤養(yǎng)分、水分等受限制，自然恢復多數(shù)很困難并且不符合綠色通道建設(shè)規(guī)范,而建立純粹的人工植被這種途徑被廣泛應(yīng)用，但是實踐證明這種方法也是不理想的。很多邊坡植物在栽植初期生長旺盛，覆蓋率高，水土保持效果也不錯，然而隨著時間的推移，植物就會出現(xiàn)衰退現(xiàn)象，難以形成穩(wěn)定的植物群落。究其原因，一是在生態(tài)修復過程中較多采用草本植物，對灌木、藤本植物的應(yīng)用較少，植物群落缺乏多樣性;二是生境基材的適應(yīng)性和可持續(xù)性不夠;三是建植植物覆蓋率過高不利于鄉(xiāng)土植物侵入。因此在建立人工植被的同時給予空間讓其能夠自己進行恢復的方式成了我們的最優(yōu)選擇。邊坡植物防護的最終目的是建立一個穩(wěn)定健康優(yōu)美的植物群落，盡可能恢復其原有的生態(tài)功能，因此在邊坡防護中不僅要考慮形成優(yōu)美的通道景觀，也要考慮近期控制水土流失、泥石流等自然災害的需求，同時更應(yīng)考慮未來群落演替的類型，根據(jù)不同的防護方法和植物群落的演替規(guī)律，對目標植物群落進行合理的設(shè)計。在進行目標植物群落類型設(shè)計時應(yīng)找出不同坡面生態(tài)修復的限制因子，針對不同的限制因子，設(shè)計不同的群落類型，選擇不同的物種。止匕外，還應(yīng)注意選擇不同生態(tài)位的物種，盡量用生態(tài)適宜性強的本地植物。確定可能恢復的目標植物群落，據(jù)此來構(gòu)建坡面先鋒植物群落，改善坡面土壤，小氣候條件以便為最終演替的目標植物群落創(chuàng)造有利條件［42］。卓慕寧等［19］認為,草本植物可作為先鋒植物，豆科植物可改良邊坡貧瘠的土壤環(huán)境，有利于當?shù)剜l(xiāng)土植物的自然繁衍演替，從而達到人造邊坡植被向自然邊坡方向演替的目的，建立與自然相協(xié)調(diào)及低養(yǎng)護成本的邊坡植被。