李宏鈞， 張曉峰， 劉 濤

(交通運(yùn)輸部科學(xué)研究院，北京 100029)

公路建設(shè)在緩解交通擁堵、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，也對(duì)沿線生態(tài)環(huán)境造成了一定程度的破壞[1-2]，公路建設(shè)中大規(guī)模的挖填、征占土地極易造成嚴(yán)重水土流失[3]。目前關(guān)于公路水土流失治理主要有植物措施和工程措施[4]，隨著人們生態(tài)環(huán)保意識(shí)逐漸增強(qiáng)，公路水土流失的治理逐漸向植物措施傾斜[5]，力求探索公路建設(shè)與環(huán)境的和諧發(fā)展。公路邊坡是一種典型的困難立地，其少土少肥，水熱安全性差的環(huán)境特點(diǎn)明顯抑制了植物的生長(zhǎng)[6]；現(xiàn)有的公路邊坡植被營(yíng)造技術(shù)取得了一定的研究成果，但在伊犁地區(qū)該方面的研究并不多[7]，定量研究少，沒(méi)有形成科學(xué)的理論指導(dǎo)。

伊犁地區(qū)深居我國(guó)西北邊陲，生態(tài)環(huán)境脆弱，由于土地利用不合理，沙漠化迅速發(fā)展，水土流失在地勢(shì)不平、高陡邊坡和低植被覆蓋度區(qū)域頻發(fā)[8]，土壤資源顯得尤為珍貴，如何利用有限的表土資源實(shí)現(xiàn)更好的公路邊坡植被具有重要意義。因此，本文依托S242線鞏留至尼勒克公路邊坡展開(kāi)試驗(yàn)，對(duì)比分析不同覆土厚度下植被的護(hù)坡質(zhì)量，以期篩選出植被建植質(zhì)量較好的表土回填厚度，為伊犁地區(qū)類似區(qū)域的公路工程建設(shè)的邊坡植被防護(hù)提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于新疆伊犁哈薩克自治州境內(nèi)S242 線鞏留至尼勒克的公路路基邊坡上，地理坐標(biāo)為82°15′25″～82°25′33″ E，43°35′0.5″～43°49′47″ N，屬天山北麓阿布熱勒山區(qū)[9]，溫帶大陸性半干旱氣候區(qū)，年平均降雨量316.55 mm，年平均風(fēng)速1.14 m·s-1。土壤以灰鈣土、潮土為主，植被覆蓋度30%～60%[10]。

1.2 研究方法

試驗(yàn)設(shè)計(jì)了4種覆土厚度，分別為5 cm、10 cm、15 cm、20 cm，分別用FT5、FT10、FT15和FT20表示，結(jié)合區(qū)域氣候環(huán)境和公路建設(shè)中的水土流失防治需求選擇細(xì)莖冰草(SlenderWildrye)、高羊茅(Festucaelata)、披堿草(ElymusdahuricusTurcz)、紫花苜蓿(MedicagosativaLinn.)、紅豆草(OnobrychisviciaefoliaScop.)、檸條(CaraganaKorshinskiiKom)6個(gè)物種，其對(duì)應(yīng)的植物種子用量分別為10 g·m-2、5 g·m-2、3 g·m-2、7 g·m-2、4 g·m-2、5 g·m-2，待路基邊坡成型后，按所設(shè)計(jì)的覆土厚度回覆修筑路基前剝離的表層土壤，坡比1:1，每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)面積為5 m×5 m，將草本植物種子按設(shè)計(jì)比例稱量、混合均勻后撒播，點(diǎn)播檸條；設(shè)置對(duì)照小區(qū)，覆土厚度10 cm，不播種任何植物。試驗(yàn)設(shè)計(jì)了3次重復(fù)，共計(jì)15個(gè)小區(qū)。

小區(qū)布設(shè)完成后，每年8月觀測(cè)各個(gè)小區(qū)的水土流失情況，統(tǒng)計(jì)侵蝕溝的數(shù)量，測(cè)量侵蝕溝的長(zhǎng)度、寬度及深度，采集土樣，密封封存后帶回實(shí)驗(yàn)室分析。本文所用數(shù)據(jù)為小區(qū)布設(shè)一年后觀測(cè)所得。

1.3 測(cè)定方法

1.3.1土壤物理性質(zhì)的測(cè)定 采用環(huán)刀法測(cè)定土壤容重，環(huán)刀浸透法測(cè)定土壤孔隙度[11]，采用浸水實(shí)驗(yàn)[12]和原狀土水槽沖刷法[13]分別測(cè)定土壤抗蝕性和土壤抗沖性。

1.3.2植物生長(zhǎng)指標(biāo)的測(cè)定 蓋度：灌木用樣線法測(cè)定，禾草用樣點(diǎn)法測(cè)定[14]。

密度：統(tǒng)計(jì)1 m×1 m樣方內(nèi)的植物個(gè)體數(shù)，邊坡上部和下部各一個(gè)，取平均值。

式中：Ni為第i種的個(gè)體數(shù)，N為所有種的個(gè)體總數(shù)，Pi為物種i種的個(gè)體數(shù)Ni占所有個(gè)體總數(shù)的比例，即Pi=N/Ni，i=1,2,3,……S，S為物種總數(shù)[15]。

1.3.3灰色關(guān)聯(lián)度分析方法 灰色關(guān)聯(lián)度分析法能對(duì)各種現(xiàn)象給出質(zhì)的定性解釋和量的確切描述[16]，是一種基于指標(biāo)測(cè)量計(jì)算的客觀性方法，其具體計(jì)算步驟詳見(jiàn)相關(guān)文獻(xiàn)[17]。

1.4數(shù)據(jù)分析

利用Office 2016整理處理數(shù)據(jù)，用Excel篩選模式篩選出各分項(xiàng)的二級(jí)大差和二級(jí)最小差，然后用自定義公式模塊編輯公式進(jìn)行計(jì)算，用Origin 8 Pro軟件制圖，用PASW Statistics 18進(jìn)行顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同覆土厚度對(duì)植物生長(zhǎng)的影響

回覆土壤為表土，里面含有較多的原生植物種子，經(jīng)過(guò)一年的自然恢復(fù)，邊坡上生長(zhǎng)了較多刺藜(ChenopodiumaristatumL.)和霧冰藜(Bassiadasyphylla)，且單個(gè)個(gè)體生長(zhǎng)旺盛；對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，所得結(jié)果見(jiàn)表1和圖1。

表1 不同覆土厚度對(duì)植物生長(zhǎng)的影響Table 1 Effects of different soil thickness on plant growth

注：“F”表示F檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)量；“P”表示檢驗(yàn)水平

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

圖1 不同覆土厚度的植物生長(zhǎng)情況Fig.1 Plant growthin different thickness of soil

試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著覆土厚度的增加，植物的蓋度、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時(shí)，植被蓋度、高度、密度分別增加了27.3%、62.0%和45.5%，漲幅較為明顯，其中不同覆土厚度小區(qū)的植被蓋度和植被高度差異顯著；覆土厚度由10 cm增加到20 cm，植被高度和密度基本趨于穩(wěn)定，植被蓋度小幅遞增8.6%，說(shuō)明隨著覆土厚度的增加，整體的植物指標(biāo)趨于穩(wěn)定，但單個(gè)的植物個(gè)體有所增強(qiáng)，在植被蓋度上有明顯體現(xiàn)。覆土5 cm和對(duì)照組的植物生長(zhǎng)情況相差無(wú)幾，這是因?yàn)槠渫翆颖?，土壤養(yǎng)分含量少，加之試驗(yàn)所采用植物多為低矮草本，撒播植物大量生長(zhǎng)，但單個(gè)個(gè)體羸弱，而霧冰藜和刺藜本土適生，覆土10 cm土壤的養(yǎng)分相對(duì)含量更高，對(duì)照小區(qū)的單個(gè)植物個(gè)體生長(zhǎng)旺盛，故對(duì)照小區(qū)的植被高度要高于覆土5 cm小區(qū)，植被蓋度則略低之。

從植物多樣性角度來(lái)看，隨著覆土厚度的增加，辛普森指數(shù)呈2%～6%的速率小幅遞增，均勻度指數(shù)呈1%～5%的速率遞增，2個(gè)指標(biāo)的增速均是先快后緩；覆土厚度增加到15 cm后，其多樣性指標(biāo)趨于穩(wěn)定，覆土15 cm和20 cm的植物多樣性指標(biāo)差異很小。草本植物在邊坡上部和下部較為集中，尤其是近路肩的匯水區(qū)域和近坡腳的積水區(qū)域，而對(duì)照小區(qū)整個(gè)坡面均有原生植被生長(zhǎng)，故試驗(yàn)小區(qū)的均勻度指數(shù)較對(duì)照小區(qū)低，而對(duì)照小區(qū)由于坡面植被群落較為簡(jiǎn)單導(dǎo)致其Simpson指數(shù)明顯較低。

2.2 植物對(duì)不同覆土厚度的土壤的改良效果

對(duì)采集的土樣進(jìn)行檢測(cè)，所得結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同覆土厚度的土壤質(zhì)地Table 2 Soil texture with different soil thickness

根據(jù)表2土壤機(jī)械組成測(cè)定結(jié)果，對(duì)比國(guó)際制土壤質(zhì)地分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)照小區(qū)土壤質(zhì)地為壤土；試驗(yàn)小區(qū)種植的植物自然生長(zhǎng)一年后，小區(qū)土壤質(zhì)地相比對(duì)照小區(qū)有了較明顯的改良，土壤砂粒呈15%～23%的減小，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小區(qū)的土壤的粘粒含量已經(jīng)翻倍，土壤質(zhì)地轉(zhuǎn)變?yōu)榉凵百|(zhì)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別變化了-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別變化了-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別變化了-0.80%和0.47%，說(shuō)明隨著覆土厚度的增加，植物對(duì)土壤的改良效果呈先加速后加速減緩的趨勢(shì)。

2.3 不同覆土厚度的護(hù)坡植被質(zhì)量

整理分析觀測(cè)和土壤檢測(cè)所得數(shù)據(jù)，所得指標(biāo)原始測(cè)定值見(jiàn)表3。

表3 參考指標(biāo)與各參試處理性狀測(cè)定值Table 3 Measured data and reference indicators for cultivation mode assessment

注：X0為參考對(duì)象，在此選用的是每項(xiàng)測(cè)試指標(biāo)中的最大值

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

利用灰色關(guān)聯(lián)度分析方法對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)處理，所得結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 評(píng)價(jià)對(duì)象與參考對(duì)象的關(guān)聯(lián)度系數(shù)和關(guān)聯(lián)度Table 4 Correlation coefficient andcorrelation degree of the evaluated indices and the reference indices

注：*表示差異顯著(P<0.05)

Note：* indicates significant differences at the 0.05 level

綜合評(píng)判值[G(k)]反映了護(hù)坡植被的質(zhì)量，綜合評(píng)判值越大，表明其護(hù)坡植被質(zhì)量越高。由表4可知，綜合評(píng)判值的大小依次為：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的護(hù)坡植被質(zhì)量最好，覆土5 cm試驗(yàn)小區(qū)的護(hù)坡植被質(zhì)量比對(duì)照小區(qū)都差，覆土10 cm以上的試驗(yàn)小區(qū)護(hù)坡植被質(zhì)量均好于對(duì)照小區(qū)，且護(hù)坡質(zhì)量差異顯著，表明增加覆土厚度對(duì)植物的護(hù)坡質(zhì)量有提升作用，有條件的區(qū)域應(yīng)適當(dāng)增加公路邊坡表土回覆厚度。

從灰色關(guān)聯(lián)度值來(lái)看，土壤孔隙度(0.74)、土壤抗沖系數(shù)(0.71)、土壤抗蝕指數(shù)(0.72)與參考指標(biāo)關(guān)聯(lián)度較大，植被均勻度指數(shù)最小(0.50)，說(shuō)明土壤孔隙度、土壤抗沖系數(shù)、土壤抗蝕指數(shù)對(duì)護(hù)坡植被質(zhì)量的影響較大，而植被均勻度是造成這4種覆土厚度下的護(hù)坡植被質(zhì)量差異的主要原因。

3 討論

本試驗(yàn)位于伊利地區(qū)的山區(qū)丘陵區(qū)，地方本身土層薄，表土資源有限，故未設(shè)計(jì)更厚的覆土試驗(yàn)。周瑋等[18]研究巖溶地區(qū)不同土層厚度下植物多樣性及其相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)隨著土層厚度的減少，地上植被的豐富度指數(shù)、Simpson指數(shù)及Shannon-wiener指數(shù)逐漸減少；本研究的結(jié)果也證明覆土厚度與植物多樣性存在不同程度的正相關(guān)關(guān)系，但這種遞增趨勢(shì)隨著覆土厚度的增加逐漸放緩，且經(jīng)單因素方差分析發(fā)現(xiàn)不同覆土厚度小區(qū)之間的植物多樣性差異顯著，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果未能直觀確定出最佳的邊坡覆土厚度，故后續(xù)研究中，可結(jié)合區(qū)域?qū)嶋H情況追加覆土厚度梯度，尋找護(hù)坡質(zhì)量趨于穩(wěn)定或最佳的覆土厚度。

土壤厚度代表了土壤空間大小、養(yǎng)分蓄積和水分蓄積的差異,反映了植物生長(zhǎng)發(fā)育與生殖的土壤環(huán)境差異,是塑造植物性狀或表型資源性因素的關(guān)鍵組成[19]。李樹彬[20]通過(guò)對(duì)廢棄地植物群落實(shí)地采樣分析，發(fā)現(xiàn)由短期研究提供的土壤厚度，對(duì)于初始重建的生物群落比長(zhǎng)期重建獲取成功更重要，覆土較厚的區(qū)域，植物產(chǎn)量也隨之增加；這與本研究分析所得結(jié)果一致，隨著覆土厚度的增加，植物個(gè)體增強(qiáng)，植被蓋度增加，小區(qū)植被平均高度增加，植物多樣性加強(qiáng)，整體護(hù)坡質(zhì)量呈遞增趨勢(shì)，尤其是覆土厚度由5 cm增加到10 cm，對(duì)應(yīng)的護(hù)坡植被質(zhì)量有了48.9%的提升，其一年的植物群落護(hù)坡效果與覆土厚度呈顯著正相關(guān)。根據(jù)本研究結(jié)果，為確保邊坡植物重建效果，建議伊犁地區(qū)公路邊坡的表土回填厚度至少保證10 cm。

在一定程度上，植物群落的正向演替是土壤養(yǎng)分不斷積累、物理性能不斷改善的過(guò)程，而植物群落的逆向演替是土壤不斷退化的過(guò)程[21]。王璐等[22]以崇明東灘濕地為墾區(qū)為例，對(duì)栽植10 年不同植物群落配置模式下土壤主要的理化性質(zhì)進(jìn)行測(cè)定，研究發(fā)現(xiàn)灌草復(fù)合種植模式下土壤的物理性黏粒增加57. 8%，容重減小13.7%，總孔隙度增加18.2%，其中草本植物對(duì)表層0～40 cm的土壤改善效果要比灌木強(qiáng)，尤其表現(xiàn)在0～10 cm的土壤；本文研究結(jié)果與之相一致，撒播植物的土壤容重均有不同程度的減小，孔隙度增加，土壤粘粒含量大幅增加，尤其表現(xiàn)在覆土厚度15 cm以上的小區(qū)，土壤改良效果尤為顯著。后續(xù)研究可以考慮改良土壤效果較強(qiáng)的功能型植被作為先鋒植物，結(jié)合本土植物的適生環(huán)境，有針對(duì)性的改良公路邊坡土壤環(huán)境，為植物群落的正向演替創(chuàng)造條件，以期實(shí)現(xiàn)植物長(zhǎng)期穩(wěn)定的保護(hù)公路邊坡。

4 結(jié)論

研究通過(guò)實(shí)地試驗(yàn)，對(duì)建植一年后的植被和土壤進(jìn)行綜合分析，應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)度評(píng)價(jià)法對(duì)伊犁地區(qū)公路邊坡不同表土回填厚度下的護(hù)坡植被質(zhì)量進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，其結(jié)果真實(shí)的反映了伊犁地區(qū)公路邊坡不同表土回填厚度下的護(hù)坡植被質(zhì)量，結(jié)果表明，覆土20 cm的草灌混播護(hù)坡模式綜合評(píng)判值G(k)最高(0.83)，其護(hù)坡植被質(zhì)量最好；覆土10 cm以上的護(hù)坡植被質(zhì)量較覆土5 cm和對(duì)照小區(qū)均有顯著提高，說(shuō)明覆土10 cm是保證伊犁地區(qū)公路邊坡護(hù)坡植被質(zhì)量的閾值。