高速公路巖質邊坡植被恢復初期噴播基材養分動態

喬領新，劉榮堂，宋桂龍，孟 強，韓烈保，王英宇

(1.甘肅農業大學草業學院，甘肅 蘭州 730070；2.北京林業大學草坪研究所，北京 100083;3.交通部公路科學研究院，北京 100085；4.北京市京石園林綠化有限公司，北京 102600)

高速公路的建設在促進經濟發展的同時，由于受到地形、地質、公路線形等的限制，不可避免地進行挖填方，形成了大量的次生裸露邊坡，嚴重破壞了沿線路域的生態環境。目前，采用生態工程恢復邊坡植被，使高速公路對路域生態系統破壞降至最小。常用的坡面生態工程包括客土噴播、厚層基材噴播、三維網、植生袋等[1]，其中厚層基材噴播因其可達到快速綠化，穩定坡面，已成為巖質邊坡生態防護主要的工法之一。厚層基材噴播是將配置好的基材(包括土壤、有機肥、纖維、粘合劑、保水劑、緩效性肥料)和植物種子等按一定比例配合、攪拌均勻，并通過空氣壓縮機等設備噴射到坡面上形成一層人工土壤與植物種子的復合層。厚層基材噴播技術中噴播的基材創造了植物生長基礎，可達到植被恢復之功效。因此，基材的制備是實現巖質邊坡綠化的技術核心, 基材混合物不僅要求前期(一年內)基材理化性狀適合植物生長，而且應保證多年后養分的充足供應，實現坡面植被長久覆蓋的目的。

目前，有關基材養分的動態研究成果較少。李紹才等[2]通過對巖石噴播邊坡的植物和基材進行觀測，認為噴播基材養分變化體現在隨植被生長發育呈動態特征，當基材能維持坡面植被的穩定持續發展之時，無需外界再補給養分；舒安平等[3]對生態護坡工程中的客土土壤中的有機質和堿解氮含量進行了跟蹤測試，結果表明，隨著時間的推移，堿解氮含量在4個月后出現年內穩定恢復的跡象，而有機質含量則在半年內仍未停止衰減過程，客土養分的恢復尚需時日。而對于北方半干旱地區的基材養分動態變化的研究文獻資料較少，有必要深入研究。

本研究以京承高速公路三期邊坡實施的厚層基材噴射護坡技術為依托，對2種噴播基層材料養分動態變化進行探討，旨在探究不同基層材料養分動態特征，為進一步改進基材性能，提高巖質邊坡植被恢復效果提供科學依據。

1 試驗區概況

試驗以京承高速公路三期為依托工程，邊坡在標段(k122+400)～(k122+600)段左側挖方邊坡，該處邊坡屬于土建工程十三標范圍，坡面三級，邊坡坡比1.0∶0.5，邊坡上層為亞粘土(混碎石)、碎石土，下層為弱風化白云巖，但坡面有節理發育，植物自然恢復生長困難。

路線所在區域屬于溫帶大陸性季風氣候，春季多風沙，夏季炎熱多雨，冬季干燥寒冷，年平均氣溫11. 4 ℃，最熱為7月，極端最高氣溫40.5 ℃，1月平均氣溫-4.8 ℃，極端最低氣溫-19.1 ℃。無霜期191 d。年平均降水量611.8 mm，76%集中在夏季。京承高速三期公路沿線植被屬于暖溫帶落葉闊葉林區，主要樹種有喬木，包括遼東櫟(Quercuswutaishanica)、山楊(Populusdavidiana)、側柏(Platycladusorientalis)、刺槐(Robiniapseudoacacia)等；灌木包括荊條(Vitexnegundovar.heterophylla)、胡枝子(Lespedezabicolor)、繡線菊 (Spiraeatrilobata)、山杏(Armeniacasibirica)、酸棗(Ziziphusjujubavar.spinosa)等；草本主要以狗尾草(Setariaviridis)、白羊草(Bothriochloaischcemum)為主。

2 材料與方法

2.1試驗材料 植被護坡工程采用厚層基材噴射護坡技術，采用2種基材施工。基材A組成：泥炭、纖維、種植土、粘合劑、緩釋肥料等成分，其中泥炭∶種植土為9∶1；基材B組成：植生基質、種植土、保水劑、粘合劑、緩釋肥料等，其中植生基質為有機堆肥和泥炭的混合物，與種植土含量之比為6∶4。在坡面施工后植物出苗前，測定2種基材的主要化學性質(表1)。

表1 2種噴播基材的主要化學性質

2.2試驗方法 2009年5、7、9月分別進行樣品采集，隨機采集樣品，每個樣點用環刀采集土樣，采樣深度5 cm，3次重復，測定其pH值，有機質、全氮、有效磷、速效鉀含量。有機質采用重鉻酸鉀氧化法，全氮采用半微量凱氏定氮法，有效磷采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法，速效鉀采用醋酸銨浸提-火焰光度法測定分析[4]。數據分析采用SPSS 17.0軟件對測試結果進行統計分析。

3 結果與分析

3.1基材pH值變化 在生態護坡過程中，優良的護坡基材要求pH值維持在不影響植物生長的水平，并能使植物根系在其中繁茂生長[5]。基材的pH值影響土壤微生物活動，有機質的合成與分解，氮、磷等營養元素的轉化與釋放，微量元素的有效性，植物根系生長和抗性等，是一個重要的性質。2種基材pH值變化不顯著(圖1)，表明噴播第1年2種基材的酸堿性變化較小。2種基材比較，基材A的pH值小于基材B，且基材A的pH值在4.6～4.7，呈酸性；基材B的pH值變化在6.4～6.6，呈弱酸性，從pH值角度，以種植土和植生基材為主的基材B更適宜植物生長，這與植物調查結果相符。pH值在6.5～7.5，養分的有效性高，對植物生長最適宜[13]。基材A中泥炭含量高，而泥炭的pH值偏低，這是基材A的pH值偏低的原因。因此，在基材A中可以添加泥炭的替代物如有機肥，使基材的pH值在植物適宜生長的范圍內。

圖1 基材pH值變化

3.2基材有機質變化 有機質是土壤肥力的重要物質基礎，是評價土壤質量的一個重要指標。有機質不僅能增強土壤的保肥和供肥能力，提高土壤養分的有效性，而且可促進團粒結構的形成，改善土壤的透水性、蓄水能力及通氣性，增強土壤的緩沖性等[6]。研究結果表明(圖2)，2種基材間有機質動態變化差異達顯著水平(P<0.05)，而同一基材在不同時間內差異不顯著(P>0.05)。整體變化趨勢均為,7月有機質含量相對于5月呈下降趨勢，而9月比7月又略有回升，但是回升幅度不及下降幅度，說明有機質整體上處于衰竭趨勢。具體表現為,7月有機質含量與5月相比較，基材A和基材B下降幅度分別為17.16%和4.86%；9月有機質含量與5月相比較，基材A和基材B的分別下降了5.35%和1.14%。分析認為，以泥炭為主的基材A有機質含量遠大于以種植土和有機肥為主的基材B，且泥炭中的有機質分解速率要大于有機肥，這一點從有機質的下降幅度可以看出。有機質的月份變化特征主要是因為5-7月為植物生長旺季，需要大量地吸收養分以保證其正常生長；9月比7月有機質含量有回升，原因可能是植物生長變緩慢，減少了對養分的吸收，此外基材A坡面植物配置以草本植物，7、8月草本植物出現了退化、枯萎，形成部分枯草層，在土壤中分解成腐殖質，導致土壤有機質9月出現緩慢上升。

圖2 基材有機質含量動態

3.3全氮的變化 氮素是植物生長和發育所需的大量營養元素之一[7]，由硝態氮、銨態氮和有機氮3部分組成。土壤氮素是土壤肥力中最活躍的因素[8]，是衡量土壤氮素供應狀況的重要指標，取決于氮素輸入和輸出量的相對大小。試驗結果表明，2種基材之間土壤全氮動態變化差異顯著(P<0.05)，而同一基材在不同時間內差異不顯著(P>0.05)。基材A的全氮含量變化在7.3～8.7 g/kg；基材B的變化在1.8～2.1 g/kg(圖3)。基材A的全氮含量高于基材B，主要原因是基材A泥炭的含量高，泥炭含有豐富有機質，有研究表明[7]，有機質含量與全氮含量之間呈正相關。5-7月是植物的生長高峰期，尤其是草本植物，對氮素的需求量大，是導致基材A氮素明顯下降的主要原因，到了7、8月草本植物生長停滯，枯草層形成，此時土壤氮消耗小于供應，所以土壤全氮含量在9月出現回升，與有機質變化趨勢一致；而基材B中有機質分解緩慢，氮素變化呈現緩慢下降。

圖3 基材全氮含量動態

3.4有效磷的變化 磷是植物生理過程重要的元素之一，其有效性是指土壤中存在的磷能被植物吸收的程度，有效磷含量說明土壤磷庫的變化情況以及土壤相對供磷水平[9]。因此，土壤有效磷含量是判斷土壤磷豐缺的主要指標和施肥的一個重要依據[8]。2種基材有效磷動態變化差異顯著(P<0.05)，而同一基材在不同時間內差異不顯著(P>0.05)。基材A在試驗期間均在下降，有效磷測定值分布在39.5～57.3 mg/kg；而基材B有效磷含量變化先上升而后下降，有效磷測定值分布在12.5～23.5 mg/kg。其中基材A有效磷降低，可能與基材A土壤容重小，滲透率高，導致淋溶損失有關(圖4)。

圖4 基材有效磷含量動態

3.5速效鉀含量變化 速效鉀是植物根系吸收的直接鉀素供給源，是土壤鉀素的現實供應指標，就當季作物而言，土壤鉀素的供應是否充足主要由速效鉀決定。分析結果表明(圖5)，2種基材有效鉀動態變化差異顯著(P<0.05)，而同一基材在不同時間內差異不顯著(P>0.05)。即隨時間推移基材A速效鉀表現為先下降而后上升，基材B表現為持續下降。基材A的速效鉀含量總體增加了9.94%，基材B總體下降了26.9%。其原因可能是在5-7月植物處于生長高峰階段對土壤速效鉀的需求量很大，由于速效鉀是以鉀離子的形式存在，極易淋失，降水量增多與速效鉀淋溶有不可分割的關系。

圖5 基材速效鉀含量動態變化

3.6基材各化學性質之間的相關分析 相關分析結果表明，基材A有機質含量與全氮含量之間存在顯著的正相關關系(P<0.05)，相關系數r=0.942；全氮(y)與有機質(x)的回歸方程：y=0.032x+0.296。基材B有機質含量與全氮含量之間存在顯著的正相關關系(P<0.05)，相關系數r=0.831；全氮(y)與有機質(x)的回歸方程：y=0.024x+0.460。

4 討論與結論

巖質邊坡植被恢復的關鍵問題之一是基材能否長期提供養分和水分。較為理想的基材不僅含有植物所需養分，既有速效性又有緩釋性養分，肥效持久，在滿足植物生長的同時不會因養分過多傷害植物，或由于養分過少而生長不良。本試驗結果表明，基材A的養分含量高于基材B，參照北京市土壤養分含量分級標準[10]，基材A養分含量豐富，而基材B中的有效磷和速效鉀含量低，氮和磷的有效性是生態系統恢復的關鍵，許多生態系統恢復的研究計劃主要是改善氮和磷的狀況[11]。因而基材A更適于植物生長。但基材中養分的適宜含量，國內目前尚無統一的標準。

巖質邊坡植被建立過程，也是植物-基材相互影響和相互作用的過程。基材理化性質在影響植被形成與演替的同時，也必然受到植被群落的影響。試驗中基材A與基材B的養分含量變化趨勢明顯不同，除了與2種基材中泥炭和有機肥分解特性有關外，也與植被恢復模式有關，2種基材坡面分別以草本植物和灌木植物為主的恢復模式，相異的植物群落由于新陳代謝和土壤中殘留的植物根、莖、葉差異，使土壤的有機質和氮、磷、鉀含量與土壤的pH值不同[12]。基材A坡面以草本植物植被恢復為主，春季生長迅速，養分需求大，而到了7、8月份，草本植物生長停滯，甚至退化枯死，養分需求減弱，同時枯草層分解對于基材后期養分增加還有一定貢獻，因此，基材A各項養分指標表現為先降后升；基材B坡面以灌木為主，全年生長較為穩定，對養分需求持續，各項養分指標表現為緩慢下降。

噴播基材的組成成分影響基材的性質。人工配制的基材的酸堿度一般以近中性為宜，植物適宜生長的pH值以6.0～7.5 為宜[13]。試驗期間，隨時間推移，2種基材的pH值變動較小，基材A的pH值變動在4.6～4.7，基材B的pH值在6.4～6.6，基材B的pH值較有利于植物生長。由于基材A中泥炭含量高，而基材的pH值隨泥炭添加量的增加而呈下降趨勢[14]。因此，在基材A配比中，應適當降低泥炭的含量，增加泥炭替代物的使用，使基材pH值在適宜植物生長的范圍內。

本研究對基材養分動態分析時間比較短，其結論只是初步的探索，需要更深入的研究，需要更長時間定位、定點來做大量工作，研究基材的養分動態變化規律及影響因素，為基材的組成、配比提供理論依據。

總之，巖質邊坡噴播基材的組成、配比對邊坡植被恢復至關重要，觀察坡面植物生長過程中基材養分動態的變化，對改進噴播用基材性狀、建立持久健康的坡面生態等具有十分重要的指導意義。

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