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(fù)和生態(tài)與環(huán)境保護的重視，邊坡生態(tài)恢復(fù)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(dāng)?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(fēng)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(fēng)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(dǎo)因子，其大小及流速能反映邊坡水土流失的嚴(yán)重性：3］o郭廷輔［4］認(rèn)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(yán)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(dāng)坡度超過某一臨界坡度，侵蝕量隨坡度的增加而減??；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(rèn)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(yán)重［8］o1.2土壤水分缺乏土壤水分是植物生長、植被恢復(fù)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(biāo)［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(fù)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(fù)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(fēng)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(fù)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(dāng)于減少了坡長和坡度，增加了邊坡的穩(wěn)定。眾多學(xué)者，如張洪江、許岳飛、石禮培、鄧輔唐等［25—28］,均認(rèn)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(xué)者持不同的觀點，CarrollC［29］認(rèn)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(dāng)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(dāng)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(biāo)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(fù)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(rèn)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(dāng)?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(dǎo)致生態(tài)建設(shè)失敗的教訓(xùn)說明，對景觀生態(tài)價值的認(rèn)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(fù)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(fù)，不作人為干擾，恢復(fù)過程需要很長的時間;第2種是在人類的幫助下，恢復(fù)到初始狀態(tài),如果成功就成為真正的恢復(fù)，如果不成功可能就恢復(fù)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(fù)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(fù)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(fù)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(fù)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(zāi)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(biāo)植物群落進行合理的設(shè)計。在進行目標(biāo)植物群落類型設(shè)計時應(yīng)找出不同坡面生態(tài)修復(fù)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(fù)的目標(biāo)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(biāo)植物群落創(chuàng)造有利條件［42］。卓慕寧等［19］認(rèn)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(dāng)?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。