高速公路巖質(zhì)邊坡植被恢復(fù)初期噴播基材養(yǎng)分動(dòng)態(tài)

喬領(lǐng)新，劉榮堂，宋桂龍，孟 強(qiáng)，韓烈保，王英宇

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.北京林業(yè)大學(xué)草坪研究所，北京 100083;3.交通部公路科學(xué)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(shè)在促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，由于受到地形、地質(zhì)、公路線形等的限制，不可避免地進(jìn)行挖填方，形成了大量的次生裸露邊坡，嚴(yán)重破壞了沿線路域的生態(tài)環(huán)境。目前，采用生態(tài)工程恢復(fù)邊坡植被，使高速公路對(duì)路域生態(tài)系統(tǒng)破壞降至最小。常用的坡面生態(tài)工程包括客土噴播、厚層基材噴播、三維網(wǎng)、植生袋等[1]，其中厚層基材噴播因其可達(dá)到快速綠化，穩(wěn)定坡面，已成為巖質(zhì)邊坡生態(tài)防護(hù)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(jī)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(guò)空氣壓縮機(jī)等設(shè)備噴射到坡面上形成一層人工土壤與植物種子的復(fù)合層。厚層基材噴播技術(shù)中噴播的基材創(chuàng)造了植物生長(zhǎng)基礎(chǔ)，可達(dá)到植被恢復(fù)之功效。因此，基材的制備是實(shí)現(xiàn)巖質(zhì)邊坡綠化的技術(shù)核心, 基材混合物不僅要求前期(一年內(nèi))基材理化性狀適合植物生長(zhǎng)，而且應(yīng)保證多年后養(yǎng)分的充足供應(yīng)，實(shí)現(xiàn)坡面植被長(zhǎng)久覆蓋的目的。

目前，有關(guān)基材養(yǎng)分的動(dòng)態(tài)研究成果較少。李紹才等[2]通過(guò)對(duì)巖石噴播邊坡的植物和基材進(jìn)行觀測(cè)，認(rèn)為噴播基材養(yǎng)分變化體現(xiàn)在隨植被生長(zhǎng)發(fā)育呈動(dòng)態(tài)特征，當(dāng)基材能維持坡面植被的穩(wěn)定持續(xù)發(fā)展之時(shí)，無(wú)需外界再補(bǔ)給養(yǎng)分；舒安平等[3]對(duì)生態(tài)護(hù)坡工程中的客土土壤中的有機(jī)質(zhì)和堿解氮含量進(jìn)行了跟蹤測(cè)試，結(jié)果表明，隨著時(shí)間的推移，堿解氮含量在4個(gè)月后出現(xiàn)年內(nèi)穩(wěn)定恢復(fù)的跡象，而有機(jī)質(zhì)含量則在半年內(nèi)仍未停止衰減過(guò)程，客土養(yǎng)分的恢復(fù)尚需時(shí)日。而對(duì)于北方半干旱地區(qū)的基材養(yǎng)分動(dòng)態(tài)變化的研究文獻(xiàn)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(shí)施的厚層基材噴射護(hù)坡技術(shù)為依托，對(duì)2種噴播基層材料養(yǎng)分動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行探討，旨在探究不同基層材料養(yǎng)分動(dòng)態(tài)特征，為進(jìn)一步改進(jìn)基材性能，提高巖質(zhì)邊坡植被恢復(fù)效果提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)以京承高速公路三期為依托工程，邊坡在標(biāo)段(k122+400)～(k122+600)段左側(cè)挖方邊坡，該處邊坡屬于土建工程十三標(biāo)范圍，坡面三級(jí)，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(fēng)化白云巖，但坡面有節(jié)理發(fā)育，植物自然恢復(fù)生長(zhǎng)困難。

路線所在區(qū)域?qū)儆跍貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，春季多風(fēng)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(wú)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(qū)，主要樹(shù)種有喬木，包括遼東櫟(Quercuswutaishanica)、山楊(Populusdavidiana)、側(cè)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(yàn)材料 植被護(hù)坡工程采用厚層基材噴射護(hù)坡技術(shù)，采用2種基材施工?；腁組成：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(zhì)、種植土、保水劑、粘合劑、緩釋肥料等，其中植生基質(zhì)為有機(jī)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(cè)定2種基材的主要化學(xué)性質(zhì)(表1)。

表1 2種噴播基材的主要化學(xué)性質(zhì)

2.2試驗(yàn)方法 2009年5、7、9月分別進(jìn)行樣品采集，隨機(jī)采集樣品，每個(gè)樣點(diǎn)用環(huán)刀采集土樣，采樣深度5 cm，3次重復(fù)，測(cè)定其pH值，有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀含量。有機(jī)質(zhì)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(cè)定分析[4]。數(shù)據(jù)分析采用SPSS 17.0軟件對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

3 結(jié)果與分析

3.1基材pH值變化 在生態(tài)護(hù)坡過(guò)程中，優(yōu)良的護(hù)坡基材要求pH值維持在不影響植物生長(zhǎng)的水平，并能使植物根系在其中繁茂生長(zhǎng)[5]?；牡膒H值影響土壤微生物活動(dòng)，有機(jī)質(zhì)的合成與分解，氮、磷等營(yíng)養(yǎng)元素的轉(zhuǎn)化與釋放，微量元素的有效性，植物根系生長(zhǎng)和抗性等，是一個(gè)重要的性質(zhì)。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(zhǎng)，這與植物調(diào)查結(jié)果相符。pH值在6.5～7.5，養(yǎng)分的有效性高，對(duì)植物生長(zhǎng)最適宜[13]?；腁中泥炭含量高，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(jī)肥，使基材的pH值在植物適宜生長(zhǎng)的范圍內(nèi)。

圖1 基材pH值變化

3.2基材有機(jī)質(zhì)變化 有機(jī)質(zhì)是土壤肥力的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，是評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)。有機(jī)質(zhì)不僅能增強(qiáng)土壤的保肥和供肥能力，提高土壤養(yǎng)分的有效性，而且可促進(jìn)團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成，改善土壤的透水性、蓄水能力及通氣性，增強(qiáng)土壤的緩沖性等[6]。研究結(jié)果表明(圖2)，2種基材間有機(jī)質(zhì)動(dòng)態(tài)變化差異達(dá)顯著水平(P<0.05)，而同一基材在不同時(shí)間內(nèi)差異不顯著(P>0.05)。整體變化趨勢(shì)均為,7月有機(jī)質(zhì)含量相對(duì)于5月呈下降趨勢(shì)，而9月比7月又略有回升，但是回升幅度不及下降幅度，說(shuō)明有機(jī)質(zhì)整體上處于衰竭趨勢(shì)。具體表現(xiàn)為,7月有機(jī)質(zhì)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(jī)質(zhì)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(rèn)為，以泥炭為主的基材A有機(jī)質(zhì)含量遠(yuǎn)大于以種植土和有機(jī)肥為主的基材B，且泥炭中的有機(jī)質(zhì)分解速率要大于有機(jī)肥，這一點(diǎn)從有機(jī)質(zhì)的下降幅度可以看出。有機(jī)質(zhì)的月份變化特征主要是因?yàn)?-7月為植物生長(zhǎng)旺季，需要大量地吸收養(yǎng)分以保證其正常生長(zhǎng)；9月比7月有機(jī)質(zhì)含量有回升，原因可能是植物生長(zhǎng)變緩慢，減少了對(duì)養(yǎng)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(xiàn)了退化、枯萎，形成部分枯草層，在土壤中分解成腐殖質(zhì)，導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)9月出現(xiàn)緩慢上升。

圖2 基材有機(jī)質(zhì)含量動(dòng)態(tài)

3.3全氮的變化 氮素是植物生長(zhǎng)和發(fā)育所需的大量營(yíng)養(yǎng)元素之一[7]，由硝態(tài)氮、銨態(tài)氮和有機(jī)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(yīng)狀況的重要指標(biāo)，取決于氮素輸入和輸出量的相對(duì)大小。試驗(yàn)結(jié)果表明，2種基材之間土壤全氮?jiǎng)討B(tài)變化差異顯著(P<0.05)，而同一基材在不同時(shí)間內(nèi)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)?；腁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(jī)質(zhì)，有研究表明[7]，有機(jī)質(zhì)含量與全氮含量之間呈正相關(guān)。5-7月是植物的生長(zhǎng)高峰期，尤其是草本植物，對(duì)氮素的需求量大，是導(dǎo)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(zhǎng)停滯，枯草層形成，此時(shí)土壤氮消耗小于供應(yīng)，所以土壤全氮含量在9月出現(xiàn)回升，與有機(jī)質(zhì)變化趨勢(shì)一致；而基材B中有機(jī)質(zhì)分解緩慢，氮素變化呈現(xiàn)緩慢下降。

圖3 基材全氮含量動(dòng)態(tài)

3.4有效磷的變化 磷是植物生理過(guò)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(shuō)明土壤磷庫(kù)的變化情況以及土壤相對(duì)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(biāo)和施肥的一個(gè)重要依據(jù)[8]。2種基材有效磷動(dòng)態(tài)變化差異顯著(P<0.05)，而同一基材在不同時(shí)間內(nèi)差異不顯著(P>0.05)。基材A在試驗(yàn)期間均在下降，有效磷測(cè)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(cè)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(dǎo)致淋溶損失有關(guān)(圖4)。

圖4 基材有效磷含量動(dòng)態(tài)

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(xiàn)實(shí)供應(yīng)指標(biāo)，就當(dāng)季作物而言，土壤鉀素的供應(yīng)是否充足主要由速效鉀決定。分析結(jié)果表明(圖5)，2種基材有效鉀動(dòng)態(tài)變化差異顯著(P<0.05)，而同一基材在不同時(shí)間內(nèi)差異不顯著(P>0.05)。即隨時(shí)間推移基材A速效鉀表現(xiàn)為先下降而后上升，基材B表現(xiàn)為持續(xù)下降?；腁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(zhǎng)高峰階段對(duì)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(guān)系。

圖5 基材速效鉀含量動(dòng)態(tài)變化

3.6基材各化學(xué)性質(zhì)之間的相關(guān)分析 相關(guān)分析結(jié)果表明，基材A有機(jī)質(zhì)含量與全氮含量之間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，相關(guān)系數(shù)r=0.942；全氮(y)與有機(jī)質(zhì)(x)的回歸方程：y=0.032x+0.296?；腂有機(jī)質(zhì)含量與全氮含量之間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，相關(guān)系數(shù)r=0.831；全氮(y)與有機(jī)質(zhì)(x)的回歸方程：y=0.024x+0.460。

4 討論與結(jié)論

巖質(zhì)邊坡植被恢復(fù)的關(guān)鍵問(wèn)題之一是基材能否長(zhǎng)期提供養(yǎng)分和水分。較為理想的基材不僅含有植物所需養(yǎng)分，既有速效性又有緩釋性養(yǎng)分，肥效持久，在滿足植物生長(zhǎng)的同時(shí)不會(huì)因養(yǎng)分過(guò)多傷害植物，或由于養(yǎng)分過(guò)少而生長(zhǎng)不良。本試驗(yàn)結(jié)果表明，基材A的養(yǎng)分含量高于基材B，參照北京市土壤養(yǎng)分含量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[10]，基材A養(yǎng)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(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的關(guān)鍵，許多生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的研究計(jì)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(zhǎng)。但基材中養(yǎng)分的適宜含量，國(guó)內(nèi)目前尚無(wú)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。

巖質(zhì)邊坡植被建立過(guò)程，也是植物-基材相互影響和相互作用的過(guò)程?；睦砘再|(zhì)在影響植被形成與演替的同時(shí)，也必然受到植被群落的影響。試驗(yàn)中基材A與基材B的養(yǎng)分含量變化趨勢(shì)明顯不同，除了與2種基材中泥炭和有機(jī)肥分解特性有關(guān)外，也與植被恢復(fù)模式有關(guān)，2種基材坡面分別以草本植物和灌木植物為主的恢復(fù)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(jī)質(zhì)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(fù)為主，春季生長(zhǎng)迅速，養(yǎng)分需求大，而到了7、8月份，草本植物生長(zhǎng)停滯，甚至退化枯死，養(yǎng)分需求減弱，同時(shí)枯草層分解對(duì)于基材后期養(yǎng)分增加還有一定貢獻(xiàn)，因此，基材A各項(xiàng)養(yǎng)分指標(biāo)表現(xiàn)為先降后升；基材B坡面以灌木為主，全年生長(zhǎng)較為穩(wěn)定，對(duì)養(yǎng)分需求持續(xù)，各項(xiàng)養(yǎng)分指標(biāo)表現(xiàn)為緩慢下降。

噴播基材的組成成分影響基材的性質(zhì)。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(zhǎng)的pH值以6.0～7.5 為宜[13]。試驗(yàn)期間，隨時(shí)間推移，2種基材的pH值變動(dòng)較小，基材A的pH值變動(dòng)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(zhǎng)。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(shì)[14]。因此，在基材A配比中，應(yīng)適當(dāng)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(zhǎng)的范圍內(nèi)。

本研究對(duì)基材養(yǎng)分動(dòng)態(tài)分析時(shí)間比較短，其結(jié)論只是初步的探索，需要更深入的研究，需要更長(zhǎng)時(shí)間定位、定點(diǎn)來(lái)做大量工作，研究基材的養(yǎng)分動(dòng)態(tài)變化規(guī)律及影響因素，為基材的組成、配比提供理論依據(jù)。

總之，巖質(zhì)邊坡噴播基材的組成、配比對(duì)邊坡植被恢復(fù)至關(guān)重要，觀察坡面植物生長(zhǎng)過(guò)程中基材養(yǎng)分動(dòng)態(tài)的變化，對(duì)改進(jìn)噴播用基材性狀、建立持久健康的坡面生態(tài)等具有十分重要的指導(dǎo)意義。

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