高陡石質(zhì)邊坡生態(tài)修復(fù)研究范文

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1材料與方法

1.1材料與設(shè)計(jì)考慮到用于生態(tài)修復(fù)高陡石質(zhì)邊坡的噴播基質(zhì)厚度一般只有8～10cm，營(yíng)養(yǎng)、水分等條件十分有限，本研究兼顧植物根系分布、種間競(jìng)爭(zhēng)、水土保持效果、耐干旱、耐貧瘠等特性，選取14種廣東高陡邊坡生態(tài)修復(fù)常用草、灌、喬植被類型（見表1），設(shè)置15種組合方式，每種組合涉及草、灌、喬等不同植被類型，各植物種在不同組合中的配比方式及播種密度見表2。本研究利用特別定制的塑料盤（模擬陡峭邊坡的噴播厚度，并將盆傾斜60°處理）進(jìn)行為期3個(gè)月的試驗(yàn)（規(guī)格：長(zhǎng)100cm×寬50cm×高8cm），每組合設(shè)置7個(gè)重復(fù)。

1.2供試基質(zhì)本研究利用基質(zhì)是經(jīng)課題組優(yōu)化的人工基質(zhì)（其主要成分為：土壤、粘結(jié)劑、保水劑、成孔材料），其中，基質(zhì)使用的土壤占主體，采自廣州市花都區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所試驗(yàn)田，其全N、全P和全K的含量分別為1.32、5.19、9.56g/kg；有效N、P、K的含量分別為：153.6、135.9、161.2mg/kg。有機(jī)質(zhì)含量和pH值分別為21.8g/kg、5.64。所有土壤經(jīng)風(fēng)干，壓碎后過5mm篩后使用[18]。

1.3指標(biāo)分析方法本研究測(cè)定植株的成活率（％），株高(cm)，蓋度（％），地上、地下生物量（鮮重和干重；g/pot），以3d為一測(cè)定周期進(jìn)行3個(gè)月的動(dòng)態(tài)觀測(cè)。并采用ACE自動(dòng)土壤呼吸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（ACE，英國(guó)）測(cè)定各處理組合的基質(zhì)呼吸，采用土壤硬度計(jì)（TE-3，南京）測(cè)定各基質(zhì)硬度。其中，總成活率的計(jì)算公式：草本總成活率/％=（草本總成活數(shù)/草本總發(fā)芽數(shù)）×100，灌木和喬木的計(jì)算類同。1.4數(shù)據(jù)分析本項(xiàng)研究所采用的數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法主要包括單因素方差分析，主要用來進(jìn)行各處理組合之間的土壤呼吸及土壤硬度顯著差異性（LSD檢驗(yàn)），以便確定最佳植物組合；簡(jiǎn)單相關(guān)分析，用來評(píng)價(jià)各個(gè)變量之間兩兩相關(guān)關(guān)系。上述數(shù)據(jù)分析使用Excel2007和SPSS（19.0版）軟件。文中所用植物名以中國(guó)數(shù)字植物標(biāo)本館(簡(jiǎn)稱CVH，網(wǎng)站：www.cvh.org.cn)中記錄名稱為準(zhǔn)。

2結(jié)果與分析

本研究采用目前我國(guó)南方的人工石質(zhì)邊坡常用14種綠化植物，設(shè)計(jì)15種不同組合，通過觀測(cè)不同組合中各植物類型的成活數(shù)、高度、蓋度、生物量變化及土壤中微生物呼吸和硬度變化，來考察植物在特殊的噴播基質(zhì)中的初期生長(zhǎng)、競(jìng)爭(zhēng)狀況。

2.1不同組合中各植株在特定土壤基質(zhì)中的存活情況成活率是評(píng)價(jià)種子在本研究特殊基質(zhì)中利用效果的直觀指標(biāo)（見表3）。總體上，喬灌木的成活率明顯劣于草本。就草本而言，在這種特殊的基質(zhì)中，播種密度越大，成活率反呈下降趨勢(shì)，而最終的總成活數(shù)基本趨于一致；喬灌木成活率變化直接受草本播種密度影響。如：狗牙根在C14和C12中的播種密度分別為40和20粒，但平均成活率分別為25.0％和50.0％，最終成活數(shù)均是10株（表2，表3）。糖蜜草在C15、C9、C12中的播種密度分別為100、50、25粒，平均成活率分別為13.71％、29.4％、57.2％，其成活數(shù)均在13～14株之間，其他草本植物均表現(xiàn)出類似趨勢(shì)。灌木和喬木在各組合均設(shè)置同樣播種密度的條件下，其成活數(shù)因草本植物的播種密度不同而異。結(jié)合直觀數(shù)據(jù)和方差分析結(jié)果（表3），草本總成活數(shù)顯著占優(yōu)勢(shì)的組合為C3、C4、C12；灌木成活數(shù)最高的組合為C6、C10、C14，喬木總成活數(shù)最高的組合為C1、C2、C11、C13、C15。整體上，草本表現(xiàn)較高成活率的組合，其喬灌木成活率相對(duì)較低。

2.2不同組合中植株高度的動(dòng)態(tài)變化對(duì)于高陡石質(zhì)邊坡綠化來說，植物高度生長(zhǎng)不是絕對(duì)的越高越好，要因種類而異，原則上為了更好的控制初期裸露基質(zhì)的流失，植物生長(zhǎng)越快越好，但因植物過快生長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致養(yǎng)分的迅速貧瘠，因此，較好的生長(zhǎng)模式：初期草本生長(zhǎng)越快越好，中后期草本長(zhǎng)勢(shì)減弱，給喬灌木提供足夠的生長(zhǎng)空間。本研究針對(duì)各植物在不同組合中的高度生長(zhǎng)進(jìn)行了3個(gè)月的動(dòng)態(tài)觀測(cè)（圖1）：在播種后的前50d左右，同種植物的高度生長(zhǎng)在不同組合之間的差異極小，但隨著生長(zhǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，不同播種密度下的同一植被類型的高度生長(zhǎng)表現(xiàn)出較大差異。所有組合中的狗牙根在第50天以后開始呈現(xiàn)出不同程度的快速生長(zhǎng)趨勢(shì)，其中，播種密度較低的C2（平均存活株數(shù)為5）表現(xiàn)最突出。糖蜜草的表現(xiàn)與之類似：組合C2和C6（平均存活株數(shù)為5）在50d后的長(zhǎng)勢(shì)優(yōu)于C9和C12（平均存活株數(shù)大于14）。而狼尾草表現(xiàn)剛好與之相反，50d后存活株率越大的C8、C10、C13（均2株）的生長(zhǎng)長(zhǎng)勢(shì)優(yōu)于C11（平均存活株數(shù)為1.6），即植株密度越大，生長(zhǎng)越占優(yōu)勢(shì)。由此推論，為了促進(jìn)早期優(yōu)勢(shì)生長(zhǎng)，而抑制后期優(yōu)勢(shì)生長(zhǎng)：對(duì)于匍匐型草本植物，可相對(duì)提高播種密度，對(duì)于直立型草本植物，可相對(duì)降低播種密度。對(duì)于灌木，播種密度不影響高度生長(zhǎng)，但其與草本植物的種植密度有密切關(guān)聯(lián)，如山毛豆和刺槐，在C14、C15中的表現(xiàn)最佳，其相應(yīng)組合中的草本植物只有一種，且存活密度較低。特殊的是，喬木幾乎在所有的組合中都表現(xiàn)出隨時(shí)間延長(zhǎng)高度生長(zhǎng)增加明顯的趨勢(shì)。

2.3不同組合中的群落數(shù)量特征

2.3.1不同組合中各植株蓋度的動(dòng)態(tài)變化研究播種密度和植物配比方式對(duì)群落的蓋度影響具有重要作用，可直接反映群落數(shù)量特征和多樣性變化趨勢(shì)。在本研究設(shè)定的3個(gè)月生長(zhǎng)周期內(nèi)，整體上呈現(xiàn)出草本植物的蓋度增長(zhǎng)速度遠(yuǎn)大于灌木和喬木，草本植物成為混播后的前期優(yōu)勢(shì)種。各組合中草本植物蓋度隨時(shí)間延長(zhǎng)呈現(xiàn)出的增長(zhǎng)趨勢(shì)與播種密度關(guān)系不大。如：狗牙根在C1、C3、C7中的播種密度是C2、C4、C8的2倍，但6個(gè)組合中的蓋度增長(zhǎng)趨勢(shì)基本一致（圖2），且這6種組合中的草灌比值與草喬比值之間的差異性很大，因此初步得出結(jié)論：邊坡噴植初期，草本生長(zhǎng)受灌木和喬木的影響較小。不同于草本植物，草灌密度比值對(duì)部分灌木蓋度影響較大。C12中豬屎豆的草灌比（14.12，圖2）遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他含豬屎豆組合（表3），但其蓋度增長(zhǎng)速度明顯低于其他組合。草灌比值較低的C2、C6、C11、C14（分別為：8.86、4.20、4.12、7.37）中，山毛豆的蓋度增長(zhǎng)速度明顯高于C1、C8、C9、C12（草灌比值分別為：17.71、21.05、13.66、14.12）。喬木生長(zhǎng)也同樣受到草喬比值的影響，即比值越大，蓋度增長(zhǎng)越慢。如C7中的車桑子生長(zhǎng)較差，其草喬比值為7.01，而C12中的刺槐基本呈現(xiàn)出勉強(qiáng)維持生長(zhǎng)狀態(tài)，其草喬比值高達(dá)21.31。這一結(jié)果顯示，在今后的噴播基質(zhì)中，草本植物的播種比例不能過大于灌木和喬木，否則會(huì)嚴(yán)重影響灌喬的初期生長(zhǎng)，尤其是針對(duì)匍匐性強(qiáng)的草本植物。同時(shí)，灌木和喬木表現(xiàn)均較差的是組合C12，山毛豆在C12中甚至出現(xiàn)了在第69天死亡的現(xiàn)象，其草本平均存活數(shù)高達(dá)24.29（表3）。其次是C3，其草灌比為8.91，并不是很高，但其草本平均存活數(shù)高達(dá)16.57。因此推斷，除了草灌比和草喬比是影響喬灌木初期生長(zhǎng)的主要因素，草本植物的播種密度也是關(guān)鍵因素之一。總之，選擇合適的草種配比和合理的播種密度，不僅可以節(jié)約成本，還是保證灌木和喬木初期正常生長(zhǎng)的關(guān)鍵。雖然草本植物在群落生長(zhǎng)初期通常占據(jù)群落的優(yōu)勢(shì)地位，但考慮到其長(zhǎng)期競(jìng)爭(zhēng)力低于灌木和喬木，甚至有可能在群落演替中逐漸被淘汰，因此，在各組合篩選過程中，在保證灌喬能夠正常生長(zhǎng)的情況下，可以選擇較高的草本播種密度。當(dāng)然，植被初期生長(zhǎng)的覆蓋速度是與噴播基質(zhì)的流失速度呈正比的。表4結(jié)果顯示，C7組合蓋度在第40天最先達(dá)到100％，C3和C4的覆蓋速度次之，為45d。C6在第80天才到達(dá)100％。考慮到多種因素，C5、C6和C11是生長(zhǎng)速度較慢的組合，建議C3和C12組合效果較差。

2.3.2不同組合植物生物量及土壤特性根據(jù)表5的土壤基礎(chǔ)呼吸可以看出，雖然C4蓋度很快達(dá)到100％，但其初期的生長(zhǎng)量并不高，其地上生物量為260.38g，顯著低于C11，其相對(duì)應(yīng)的土壤基礎(chǔ)呼吸只有7.13molCO2/（m2•s），顯著低于覆蓋速度相對(duì)較慢的C5、C6、C11[土壤基礎(chǔ)呼吸分別達(dá)到10.12、15.7、17.07molCO2/（m2•s）；p<0.05]。即過快的草本覆蓋速度反而降低了土壤呼吸能力。基質(zhì)硬度隨組合物種多樣性及地下生物量的增加而降低，初步推斷，在工程施工早期，根部初期生長(zhǎng)較慢的植物種占據(jù)優(yōu)勢(shì)可有效提高基質(zhì)硬度，增加基質(zhì)的抗雨水沖刷及風(fēng)蝕能力。組合總生物量與物種多樣性之間相關(guān)性不顯著（p>0.05）。

2.4相關(guān)性分析對(duì)總地上、地下生物量、總蓋度達(dá)到100％所需天數(shù)、物種多樣性、土壤呼吸及土壤硬度之間進(jìn)行相關(guān)性分析結(jié)果顯示（表6），土壤呼吸與地上總生物量呈顯著負(fù)相關(guān)(p<0.05)，與總蓋度達(dá)到100％所需天數(shù)呈顯著正相關(guān)(p<0.05)。邊坡基質(zhì)要想維持長(zhǎng)期有效的有機(jī)營(yíng)養(yǎng)，其具備相對(duì)較慢的呼吸速率是非常必要的。土壤硬度與物種多樣性及地下總生物量呈顯著負(fù)相關(guān)(p<0.05)，這從另一角度反映了噴播植物在施工后初期，要呈現(xiàn)出慢生長(zhǎng)的重要性。組合總生物量與物種多樣性之間相關(guān)性不顯著。

3討論與結(jié)論

3.1討論鑒于目前國(guó)內(nèi)用于高陡石質(zhì)邊坡生態(tài)修復(fù)的技術(shù)主要是液壓噴播，其技術(shù)實(shí)施的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一就是將植物種子與基質(zhì)充分混合后，同時(shí)噴在高陡石質(zhì)邊坡上。但由于噴播基質(zhì)的特殊性（如本研究利用基質(zhì)具高粘結(jié)性及堿性等），會(huì)導(dǎo)致植物種子的發(fā)芽及成活情況與普通土壤條件下的差異較大。在本研究中，高播種密度并未產(chǎn)生高的植被成活率，所以從成本角度講，應(yīng)該采用試驗(yàn)設(shè)置的中等播種密度。雖然草灌混播護(hù)坡效果是從最初以草本為主到后來以合理地草灌木結(jié)合的轉(zhuǎn)化過程，但在種植前期，草本植物的生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)若得不到合理控制，會(huì)嚴(yán)重影響喬灌木的初期正常生長(zhǎng)，而目前，植物灌木化建植是高速公路邊坡防護(hù)的重要途徑。在本研究中，過快的草本蓋度增長(zhǎng)嚴(yán)重限制了喬灌木的發(fā)芽、成活與生長(zhǎng)，這與利用實(shí)生苗灌木與草本混播時(shí)的受影響情況一致。因此，適當(dāng)降低草本類先鋒植物的播種密度是非常重要的。土壤基礎(chǔ)呼吸強(qiáng)度代表了土壤碳素的周轉(zhuǎn)速率和微生物的總體活性，與土壤環(huán)境質(zhì)量密切相關(guān)，其主要包括植物根系呼吸、土壤微生物呼吸及土壤動(dòng)物呼吸3個(gè)生物學(xué)過程，其中根系呼吸和微生物呼吸起主導(dǎo)作用，其可以作為高速公路邊坡生態(tài)恢復(fù)效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)。本研究中組合群落植被的初期生長(zhǎng)不僅影響了地上生長(zhǎng)特征，同樣影響了基質(zhì)基礎(chǔ)呼吸強(qiáng)度。有研究顯示，不同的防護(hù)工藝對(duì)土壤微生物數(shù)量的增加和土壤性質(zhì)的改善有不同的效果。而本研究利用的是噴播基質(zhì)，在此工藝基礎(chǔ)上的草本植物初期覆蓋速度過快，反而抑制了基礎(chǔ)呼吸，但覆蓋速度過慢，會(huì)導(dǎo)致基礎(chǔ)呼吸強(qiáng)度過高。石壁邊坡保水保肥十分困難，要合理利用噴播基質(zhì)，須保證噴播植物對(duì)基質(zhì)養(yǎng)分不能利用過快。因此，適中的植被組合可提高基質(zhì)自身的養(yǎng)分可持續(xù)性。這與楊自全等的研究結(jié)果一致，即植物早期生長(zhǎng)過快，導(dǎo)致對(duì)土壤中養(yǎng)分消耗過快，反而不利于生物活性的增加，從而影響呼吸。本研究中，草本植被蓋度增加過快的物種表現(xiàn)出植株細(xì)高、生物量低、扎根淺等現(xiàn)象，不利于基礎(chǔ)呼吸。但草本植被覆蓋度過慢，致使預(yù)留的競(jìng)爭(zhēng)空間被狗牙根、糖蜜草等利用，實(shí)現(xiàn)快速繁殖，也會(huì)嚴(yán)重影響喬、灌木的初期生長(zhǎng)。因此，建議根據(jù)裸露山體地區(qū)的氣候特點(diǎn)，選擇處于同一氣候帶的草、灌、喬植物種，其主要物種要具有自我繁殖能力，易與當(dāng)?shù)刂脖蝗诤希３治锓N多樣性，這樣有利于保持長(zhǎng)久并產(chǎn)生近自然修復(fù)效果。考慮到喬木自身重量較大，針對(duì)噴播基質(zhì)這類比較薄的生長(zhǎng)土層，栽植喬木反而會(huì)導(dǎo)致邊坡的不穩(wěn)，且影響司乘人員視野，提高交通事故發(fā)生的幾率等因素，建議高陡石質(zhì)邊坡建立灌草型或結(jié)合小型喬木植物群落為宜，盡量少栽植大喬木。同時(shí)，考慮到裸露山體植被生態(tài)修復(fù)既要迅速達(dá)到綠色效果，又要持久不衰，保持生物多樣性，構(gòu)成穩(wěn)定的多物種的立體植被結(jié)構(gòu)，具有較好的改良土壤能力和互利共生原則是非常必要的。高陡石質(zhì)邊坡在早期的復(fù)綠過程中，基質(zhì)具備較高的硬度有助于土壤的保存及提高抗沖刷能力。本研究土壤硬度與地下總生物量呈顯著負(fù)相關(guān)(p<0.05)，這從另一角度反映了噴播植物在施工后，要呈現(xiàn)出較慢根系生長(zhǎng)的重要性，即選擇蓋度增加較慢的草本植物種類是有效方式之一。組合總生物量與物種多樣性之間相關(guān)性不顯著，即用于此類特殊受損高陡邊坡的生態(tài)修復(fù)植被群落的初期生產(chǎn)力受物種多樣性的影響不大，張相鋒等[32]的研究結(jié)果也證明了這點(diǎn)。

3.2結(jié)論組合中要控制草本群落的噴播比例，選擇草本植物根部初期生長(zhǎng)較慢的優(yōu)勢(shì)植物，利于草、灌、喬各目標(biāo)植物類型在時(shí)空上逐步向穩(wěn)定和合理分布的格局發(fā)展，并有效提高坡體抗沖刷力。根據(jù)各組合植被群落在高度、成活率、生物量、蓋度、基質(zhì)基礎(chǔ)呼吸及基質(zhì)硬度等指標(biāo)中的綜合表現(xiàn)，結(jié)合基質(zhì)特性，通過排序，最終篩選出C11、C4和C2為最佳組合。

作者：賀握權(quán) 李志丹 高桂娟 單位：廣東第二師范學(xué)院廣東高校應(yīng)用生態(tài)工程技術(shù)開發(fā)中心