不同覆土厚度對伊犁地區公路護坡植被質量的影響

李宏鈞， 張曉峰， 劉 濤

(交通運輸部科學研究院，北京 100029)

公路建設在緩解交通擁堵、促進經濟發展的同時，也對沿線生態環境造成了一定程度的破壞[1-2]，公路建設中大規模的挖填、征占土地極易造成嚴重水土流失[3]。目前關于公路水土流失治理主要有植物措施和工程措施[4]，隨著人們生態環保意識逐漸增強，公路水土流失的治理逐漸向植物措施傾斜[5]，力求探索公路建設與環境的和諧發展。公路邊坡是一種典型的困難立地，其少土少肥，水熱安全性差的環境特點明顯抑制了植物的生長[6]；現有的公路邊坡植被營造技術取得了一定的研究成果，但在伊犁地區該方面的研究并不多[7]，定量研究少，沒有形成科學的理論指導。

伊犁地區深居我國西北邊陲，生態環境脆弱，由于土地利用不合理，沙漠化迅速發展，水土流失在地勢不平、高陡邊坡和低植被覆蓋度區域頻發[8]，土壤資源顯得尤為珍貴，如何利用有限的表土資源實現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試驗，對比分析不同覆土厚度下植被的護坡質量，以期篩選出植被建植質量較好的表土回填厚度，為伊犁地區類似區域的公路工程建設的邊坡植被防護提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗地點位于新疆伊犁哈薩克自治州境內S242 線鞏留至尼勒克的公路路基邊坡上，地理坐標為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[9]，溫帶大陸性半干旱氣候區，年平均降雨量316.55 mm，年平均風速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

試驗設計了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，結合區域氣候環境和公路建設中的水土流失防治需求選擇細莖冰草(SlenderWildrye)、高羊茅(Festucaelata)、披堿草(ElymusdahuricusTurcz)、紫花苜蓿(MedicagosativaLinn.)、紅豆草(OnobrychisviciaefoliaScop.)、檸條(CaraganaKorshinskiiKom)6個物種，其對應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，按所設計的覆土厚度回覆修筑路基前剝離的表層土壤，坡比1:1，每個試驗小區面積為5 m×5 m，將草本植物種子按設計比例稱量、混合均勻后撒播，點播檸條；設置對照小區，覆土厚度10 cm，不播種任何植物。試驗設計了3次重復，共計15個小區。

小區布設完成后，每年8月觀測各個小區的水土流失情況，統計侵蝕溝的數量，測量侵蝕溝的長度、寬度及深度，采集土樣，密封封存后帶回實驗室分析。本文所用數據為小區布設一年后觀測所得。

1.3 測定方法

1.3.1土壤物理性質的測定 采用環刀法測定土壤容重，環刀浸透法測定土壤孔隙度[11]，采用浸水實驗[12]和原狀土水槽沖刷法[13]分別測定土壤抗蝕性和土壤抗沖性。

1.3.2植物生長指標的測定 蓋度：灌木用樣線法測定，禾草用樣點法測定[14]。

密度：統計1 m×1 m樣方內的植物個體數，邊坡上部和下部各一個，取平均值。

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

1.3.3灰色關聯度分析方法 灰色關聯度分析法能對各種現象給出質的定性解釋和量的確切描述[16]，是一種基于指標測量計算的客觀性方法，其具體計算步驟詳見相關文獻[17]。

1.4數據分析

利用Office 2016整理處理數據，用Excel篩選模式篩選出各分項的二級大差和二級最小差，然后用自定義公式模塊編輯公式進行計算，用Origin 8 Pro軟件制圖，用PASW Statistics 18進行顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 不同覆土厚度對植物生長的影響

回覆土壤為表土，里面含有較多的原生植物種子，經過一年的自然恢復，邊坡上生長了較多刺藜(ChenopodiumaristatumL.)和霧冰藜(Bassiadasyphylla)，且單個個體生長旺盛；對采集的數據進行整理，所得結果見表1和圖1。

表1 不同覆土厚度對植物生長的影響Table 1 Effects of different soil thickness on plant growth

注：“F”表示F檢驗的統計量；“P”表示檢驗水平

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情況Fig.1 Plant growthin different thickness of soil

試驗結果表明，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，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定，植被蓋度小幅遞增8.6%，說明隨著覆土厚度的增加，整體的植物指標趨于穩定，但單個的植物個體有所增強，在植被蓋度上有明顯體現。覆土5 cm和對照組的植物生長情況相差無幾，這是因為其土層薄，土壤養分含量少，加之試驗所采用植物多為低矮草本，撒播植物大量生長，但單個個體羸弱，而霧冰藜和刺藜本土適生，覆土10 cm土壤的養分相對含量更高，對照小區的單個植物個體生長旺盛，故對照小區的植被高度要高于覆土5 cm小區，植被蓋度則略低之。

從植物多樣性角度來看，隨著覆土厚度的增加，辛普森指數呈2%～6%的速率小幅遞增，均勻度指數呈1%～5%的速率遞增，2個指標的增速均是先快后緩；覆土厚度增加到15 cm后，其多樣性指標趨于穩定，覆土15 cm和20 cm的植物多樣性指標差異很小。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域和近坡腳的積水區域，而對照小區整個坡面均有原生植被生長，故試驗小區的均勻度指數較對照小區低，而對照小區由于坡面植被群落較為簡單導致其Simpson指數明顯較低。

2.2 植物對不同覆土厚度的土壤的改良效果

對采集的土樣進行檢測，所得結果見表2。

表2 不同覆土厚度的土壤質地Table 2 Soil texture with different soil thickness

根據表2土壤機械組成測定結果，對比國際制土壤質地分級標準，對照小區土壤質地為壤土；試驗小區種植的植物自然生長一年后，小區土壤質地相比對照小區有了較明顯的改良，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小區的土壤的粘粒含量已經翻倍，土壤質地轉變為粉砂質壤土。

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%，說明隨著覆土厚度的增加，植物對土壤的改良效果呈先加速后加速減緩的趨勢。

2.3 不同覆土厚度的護坡植被質量

整理分析觀測和土壤檢測所得數據，所得指標原始測定值見表3。

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

注：X0為參考對象，在此選用的是每項測試指標中的最大值

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

利用灰色關聯度分析方法對原始數據進行相關處理，所得結果見表4。

表4 評價對象與參考對象的關聯度系數和關聯度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

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

從灰色關聯度值來看，土壤孔隙度(0.74)、土壤抗沖系數(0.71)、土壤抗蝕指數(0.72)與參考指標關聯度較大，植被均勻度指數最小(0.50)，說明土壤孔隙度、土壤抗沖系數、土壤抗蝕指數對護坡植被質量的影響較大，而植被均勻度是造成這4種覆土厚度下的護坡植被質量差異的主要原因。

3 討論

本試驗位于伊利地區的山區丘陵區，地方本身土層薄，表土資源有限，故未設計更厚的覆土試驗。周瑋等[18]研究巖溶地區不同土層厚度下植物多樣性及其相關性，發現隨著土層厚度的減少，地上植被的豐富度指數、Simpson指數及Shannon-wiener指數逐漸減少；本研究的結果也證明覆土厚度與植物多樣性存在不同程度的正相關關系，但這種遞增趨勢隨著覆土厚度的增加逐漸放緩，且經單因素方差分析發現不同覆土厚度小區之間的植物多樣性差異顯著，根據試驗結果未能直觀確定出最佳的邊坡覆土厚度，故后續研究中，可結合區域實際情況追加覆土厚度梯度，尋找護坡質量趨于穩定或最佳的覆土厚度。

土壤厚度代表了土壤空間大小、養分蓄積和水分蓄積的差異,反映了植物生長發育與生殖的土壤環境差異,是塑造植物性狀或表型資源性因素的關鍵組成[19]。李樹彬[20]通過對廢棄地植物群落實地采樣分析，發現由短期研究提供的土壤厚度，對于初始重建的生物群落比長期重建獲取成功更重要，覆土較厚的區域，植物產量也隨之增加；這與本研究分析所得結果一致，隨著覆土厚度的增加，植物個體增強，植被蓋度增加，小區植被平均高度增加，植物多樣性加強，整體護坡質量呈遞增趨勢，尤其是覆土厚度由5 cm增加到10 cm，對應的護坡植被質量有了48.9%的提升，其一年的植物群落護坡效果與覆土厚度呈顯著正相關。根據本研究結果，為確保邊坡植物重建效果，建議伊犁地區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分不斷積累、物理性能不斷改善的過程，而植物群落的逆向演替是土壤不斷退化的過程[21]。王璐等[22]以崇明東灘濕地為墾區為例，對栽植10 年不同植物群落配置模式下土壤主要的理化性質進行測定，研究發現灌草復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%，其中草本植物對表層0～40 cm的土壤改善效果要比灌木強，尤其表現在0～10 cm的土壤；本文研究結果與之相一致，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，尤其表現在覆土厚度15 cm以上的小區，土壤改良效果尤為顯著。后續研究可以考慮改良土壤效果較強的功能型植被作為先鋒植物，結合本土植物的適生環境，有針對性的改良公路邊坡土壤環境，為植物群落的正向演替創造條件，以期實現植物長期穩定的保護公路邊坡。

4 結論

研究通過實地試驗，對建植一年后的植被和土壤進行綜合分析，應用灰色關聯度評價法對伊犁地區公路邊坡不同表土回填厚度下的護坡植被質量進行綜合評價，其結果真實的反映了伊犁地區公路邊坡不同表土回填厚度下的護坡植被質量，結果表明，覆土20 cm的草灌混播護坡模式綜合評判值G(k)最高(0.83)，其護坡植被質量最好；覆土10 cm以上的護坡植被質量較覆土5 cm和對照小區均有顯著提高，說明覆土10 cm是保證伊犁地區公路邊坡護坡植被質量的閾值。