贛南紅壤邊坡護坡草本植物環(huán)境適應(yīng)性研究

陳飛　錢乾　高超　蔡超

摘要：為了優(yōu)化和篩選出適合贛南地區(qū)酸性紅壤邊坡的護坡草本植物，進行紅壤邊坡護坡草本植物的環(huán)境適應(yīng)性試驗。選擇能夠在紅壤地區(qū)生長的7種草本植物（白三葉、黑麥草、紅三葉、果嶺草、高羊茅、百喜草、四季青），對這7種植物進行室外的播撒試驗，根據(jù)植物生長特性、紅壤特點、成本等，選擇了14個指標進行觀測。運用層次分析法判斷指標權(quán)重，再將同一指標下不同種類植物的數(shù)據(jù)進行歸一化，通過在同一指標中的占比大小來判斷每種植物的權(quán)重，最后結(jié)合兩組權(quán)重綜合評價每種植物的環(huán)境適應(yīng)性。結(jié)果表明：7種草本植物中黑麥草總體表現(xiàn)最佳且綜合權(quán)重最大，百喜草和四季青次之，建議選擇這3種植物作為贛南地區(qū)紅壤邊坡的護坡草本植物，而紅三葉、白三葉環(huán)境適應(yīng)性差、護坡效果一般，不建議作為該地區(qū)的紅壤邊坡的護坡植物。

關(guān)鍵詞：紅壤邊坡; 護坡植物; 環(huán)境適應(yīng)性; 草本植物; 層次分析法; 贛南

中圖法分類號： X45

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.10.011

0引 言

生態(tài)護坡利用植物根系增強邊坡土體的抗剪強度、抗沖刷能力，加固邊坡土、防治滑坡。對于根系固土的研究已取得了一系列成果，其中Waldron等[1-2]通過直剪試驗，探究了根系含量和土抗剪強度之間的關(guān)系，得出根系含量增加會增強土的抗剪切強度;劉潤等[3]對4種苔蘚進行試驗，認為植物根系擁有較強的抗沖刷能力，可有效減少土壤流失;陳飛等[4]以狗牙根與贛州稀土礦山邊坡砂質(zhì)黏土構(gòu)成的根-土復(fù)合體為研究對象，通過直剪試驗，分析了土壤含根量和含水率對抗剪強度的影響。

贛南地區(qū)以山地、丘陵、盆地為主，山坡眾多，屬于亞熱帶季風氣候區(qū)，雨量充沛，多集中于春夏，因此贛南地區(qū)是滑坡災(zāi)害的高發(fā)地區(qū)。該地區(qū)氣候適宜，植物種類眾多，是生態(tài)護坡的理想地區(qū)。贛南地區(qū)邊坡以紅壤為主，呈酸性，富鋁化作用顯著，質(zhì)地較為黏重。紅壤一般氮、磷、鉀的供應(yīng)不足，有效態(tài)鈣、鎂的含量也少，硼、鉬也很貧乏，不利于植物生長發(fā)育[5-7]。因此，需選擇適宜在贛南地區(qū)良好生長的護坡植物。程諒等[8]探究了黑麥草、香根草和白三葉對紅壤地區(qū)的環(huán)境適宜性;奚同行等[9]研究了在百喜草種植、枯落百喜草覆蓋、裸露3種處理下，紅壤坡地土壤水分虧缺狀況;喻榮崗等[10]選擇了19種植物在贛南紅壤區(qū)域進行種植試驗，得出畫眉草、黑麥草、狗牙根、假儉草和蘇丹草5種草本植物在第四紀紅壤侵蝕區(qū)生長良好的結(jié)論。

綜上，針對適合贛南地區(qū)偏酸性土質(zhì)的護坡草本植物的研究較少，因此，本文結(jié)合植物的觀賞性和經(jīng)濟實用型，對7種草本植物進行室外播撒試驗研究，并對草種生態(tài)適應(yīng)性進行綜合評價，分析現(xiàn)場邊坡植被保護效果，篩選出適合該地區(qū)的草本植物，以期豐富該地區(qū)護坡草本植物的種類，可為贛南紅壤邊坡的生態(tài)護坡提供依據(jù)。

1紅壤邊坡特點

紅壤是在高溫高濕條件下，礦物發(fā)生強烈的風化產(chǎn)生大量可溶性的鹽基、硅酸和含鋁鐵物質(zhì)鹽基，硅酸進入地下水后流走，含鋁鐵物質(zhì)則積累下來，在干燥條件下發(fā)生脫水形成無水的鐵鋁氧化物，因而使得土壤呈現(xiàn)紅色。紅壤中含有比較多的硅酸鹽，因此呈現(xiàn)酸性。

贛南地區(qū)為丘陵地帶，紅壤邊坡眾多。研究表明[11]：紅壤抗剪強度取決于土顆粒的大小以及土顆粒之間的聯(lián)結(jié)和排列方式;紅壤邊坡滑坡的原因是雨水對邊坡土體的增重、軟化和潤滑3方面的綜合作用。贛南地處中亞熱帶南緣，屬亞熱帶季風氣候區(qū)，雨水多集中在春夏兩季，尤其是3～5月份，冷暖氣流對抗加劇，帶來強降水。缺少植物覆蓋的紅壤邊坡，雨水會直接沖刷土壤，從而加劇裸露的紅壤邊坡發(fā)生滑坡災(zāi)害的可能。因此需要對紅壤邊坡進行生態(tài)護坡，降低滑坡災(zāi)害的發(fā)生。

紅壤質(zhì)地黏重，耕作困難，酸性較強（pH值4.5～5.5），有效氧分少、磷素缺乏，具有酸、黏、板、瘦等不良特性[11]。適宜在這類地區(qū)生存的草本植物不僅要耐酸性，還要能夠在有機物含量較少的紅壤中獲取生長所需的營養(yǎng)物質(zhì)。贛南地區(qū)春夏多雨，氣候溫暖且潮濕;秋冬少雨，較為干旱。草本植物不僅喜溫暖，而且能夠適應(yīng)潮濕多雨的春季;需要較為發(fā)達的根系來抵抗夏季暴雨的沖刷;還要具備一定的抗旱能力以應(yīng)對較為干旱的秋冬兩季。

2護坡草本植物環(huán)境適應(yīng)性試驗

2.1試驗材料

結(jié)合贛南地區(qū)當?shù)氐臍夂驐l件和土壤特征，初步篩選出7種能夠在當?shù)匕l(fā)芽并生長的草本植物：白三葉（Trifolium repens）、黑麥草（Lolium Perenne）、紅三葉（Trifolium pratense）、果嶺草（Cynodon dactylon）、高羊茅（Festuca arundinacea）、百喜草（Paspalum notatum Flugge）、四季青（Agrostis stolonifera），不同草本植物的特點如表1所列。

2.2試驗方法和過程

試驗選擇贛州市章水下游附近的一處邊坡，邊坡所用試驗場地總長度為3 m，高1 m，總面積為3 m2，在邊坡上劃分出7個區(qū)域，每一個區(qū)域的面積為0.8 m×0.4 m，試驗時間選擇5～7月，此時贛南地區(qū)雨水較為充沛，植物易于發(fā)芽存活。在此期間進行室外播撒試驗，每種草在相同的室外條件下生長。每種草分別種植兩組，并設(shè)置室內(nèi)對照組觀察生長狀況以判斷室外組生長是否異常，防止由于其中一組生長異常導致最終結(jié)果出現(xiàn)偏差。

從2020年5月4日開始播種，具體步驟如下：

（1） 清除試驗場地中的雜物、石塊，平整場地;

（2） 對邊坡表面約5 mm厚的土壤進行松土，并噴灑營養(yǎng)液;

（3） 每種草籽按照55.6 g/m2的播種密度均勻地播撒;

（4） 對播撒后的土壤輕輕壓實;

（5） 對土壤均勻地澆水，保證土壤足夠濕潤。

根據(jù)天氣情況，對試驗區(qū)域及時澆水，為了防止雜草干擾，要及時清除試驗區(qū)雜草。試驗持續(xù)10周共70 d，持續(xù)到7月12日，發(fā)芽期和植物快速生長期會對植物每天的生長情況進行詳細的觀測，最后一周對現(xiàn)場的土樣以及草本植物進行采樣，收集相關(guān)指標的數(shù)據(jù)。

綜合考慮每種草的生長特性、紅壤的特點以及參考文獻[12-13]的指標，選定根深、根重、生長高度、蓋度、耐旱性、耐病蟲、發(fā)芽時間、生長速度、發(fā)芽率、抗沖刷、成本、景觀效果以及含有根系土的黏聚力和內(nèi)摩擦角等14個指標進行觀察和測量。

根深為第70天每種草根系深入土壤中的平均深度。根重是在第70天，從每種草播種區(qū)域采集3處面積相等的土樣，篩選出土壤中的根系，測量并計算得到平均重量。生長高度為最后一周草生長的平均高度。蓋度通過植物地上部分垂直投影面積與取樣面積之比來計算。耐旱性試驗為了排除如晝夜光照條件、晝夜溫差、病蟲害、雨水沖刷等干擾因素，更好地控制單一變量，因此在室內(nèi)進行。采取室外試驗場地的土樣，將土按與室外相同的壓實度水平鋪設(shè)在模型箱中，再將各種草類種植在模型箱中，在28 ℃和全天24 h日光燈照射下的室內(nèi)環(huán)境相進行相同水量的噴灑養(yǎng)護，每種草都種植兩組（箱1和箱2），所有室內(nèi)試驗的模型箱按照相同條件養(yǎng)護。在每種草生長到第4周即28 d時，它們的高度不再明顯增加，第29天開始停止對所有室內(nèi)模型箱澆水，并時刻觀察植物的狀態(tài)。當一種草本植物枯萎發(fā)黃時，對箱1進行澆水，如果箱1中的草不能重新變綠生長，則此時的天數(shù)為耐旱天數(shù)。如果可以生長，則等待3 d后對箱2澆水，若不復(fù)綠則此時的天數(shù)為耐旱天數(shù);若依舊復(fù)綠則3 d后對箱1澆水，觀察其生長狀況，如此往復(fù)循環(huán)，直到某一模型箱中的草澆水不再復(fù)綠，則此時的天數(shù)為草的耐旱天數(shù)。耐病蟲通過評分的方式對每種草進行評價，0～2為差，3～4為一般，5～7為較好，8～10為好，通過觀察每種草的試驗全過程來評分。發(fā)芽時間為從草籽播撒開始到草籽大面積發(fā)芽所需的天數(shù)。生長速度為每種草高度增加最快的生長期每天平均生長的高度。發(fā)芽率則是在紅壤邊坡上種植相同數(shù)量的草籽，計算最終發(fā)芽的草數(shù)量與播種草籽數(shù)量的比值。由于贛州當?shù)卮合挠晁渑妫啾┯?，因此觀察每種草在暴雨沖刷下的表現(xiàn)，并按0～2為差，3～4為一般，5～7為較好，8～10為好的評判標準來進行評分。成本為每種草籽每千克的價格。景觀效果通過專家評分的方法按照0～2為差，3～4為一般，5～7為較好，8～10為好來評分。此外，還要對每種草的固土效果進行評價，測定每種草根-土復(fù)合物的黏聚力和內(nèi)摩擦角，從每種草的種植區(qū)域采集土樣進行直剪試驗，測定出含有不同根系的紅壤土的黏聚力和內(nèi)摩擦角。

2.3評價方法

運用層次分析法得出每種指標的權(quán)重。層次分析法主要包括3個步驟：首先根據(jù)元素的特點建立層次建構(gòu)模型;其次將同從屬的每層元素按標度進行兩兩比較，得出各元素之間的判斷矩陣;最后通過計算，得出結(jié)果，并經(jīng)過一致性檢驗，判斷結(jié)果的合理性?？紤]紅壤邊坡護坡草本植物環(huán)境適應(yīng)性試驗的特點，運用層次分析法對14個評價指標進行分級，建立層次結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

將不同評價指標合并、分級并自上而下的構(gòu)成目標層、準則層和方案層，使得有從屬關(guān)系的同層之間兩兩相互比較，從而建立判斷矩陣。每層元素之間兩兩相比較各自的重要程度，重要程度的度量采用1～9標度，具體意義如表2所列。

將標準矩陣每一行數(shù)據(jù)求和，再將不同草的數(shù)值與總和相比，計算每種草在相同指標下的占比大小，從而得到每種草的重要程度即權(quán)重。綜合各指標的權(quán)重和每種草在不同指標下的重要程度得出紅壤邊坡護坡草本植物綜合評價的權(quán)重值，比較其大小，最終得出環(huán)境適應(yīng)性最好的護坡草本植物。

3環(huán)境適應(yīng)性試驗結(jié)果與評價

3.1試驗結(jié)果

按照上文所述的試驗方法，最終得出紅壤邊坡護坡草本植物環(huán)境適應(yīng)性試驗的觀測結(jié)果，如表3所列。

從表3可以初步看出黑麥草表現(xiàn)良好，其根深為79.2 mm、根重為10.5 g、生長高度為97.5 mm、蓋度為100%，根-土復(fù)合黏聚力為36.9 kPa，這些指標在所有種類草中為最優(yōu)，并且其耐旱性、耐病蟲、發(fā)芽時間等其他指標表現(xiàn)也較為優(yōu)異。

從根深指標來看，黑麥草、四季青、果嶺草這3種草表現(xiàn)優(yōu)異，最差的為百喜草。根重指標中排名前三的為黑麥草、紅三葉和四季青。生長高度指標中黑麥草、四季青和果嶺草表現(xiàn)較好，百喜草最矮，其中黑麥草與其他種類草相比具有明顯優(yōu)勢。從蓋度來看，白三葉、黑麥草和紅三葉最大，都為100%，其他種類草雖有差別但差別較小。從耐旱性來看，百喜草表現(xiàn)優(yōu)異，在缺水情況下可以生存22 d，其次是黑麥草為18 d，紅三葉和白三葉只有8 d，表現(xiàn)最差。耐病蟲的評分中最好的是百喜草，試驗期間幾乎沒有病蟲侵擾，黑麥草僅次于百喜草，白三葉和紅三葉表現(xiàn)最差，在種植期間出現(xiàn)了白粉病。從發(fā)芽時間看，白三葉、紅三葉僅3 d就發(fā)芽，所需天數(shù)最短，其次為需要4 d發(fā)芽的百喜草和黑麥草，發(fā)芽所需時間最長的是高羊茅和四季青。從生長速度看，四季青生長速度最快達到19.4 mm/d，其次為黑麥草，生長速度最慢的是白三葉。發(fā)芽率指標中，最高的是百喜草，達到98%，黑麥草是97%排第二，發(fā)芽率最低的是果嶺草，但是每種草發(fā)芽率都較高，差別不明顯。從抗沖刷看，百喜草表現(xiàn)最好，其次是黑麥草、果嶺草和高羊茅，表現(xiàn)最差的是白三葉，在暴雨期間部分被沖毀。從含根系土的黏聚力和內(nèi)摩擦角看，原狀土的黏聚力為21.56 kPa、內(nèi)摩擦角為22.06°，黏聚力提升最多的就是黑麥草，最低是百喜草。內(nèi)摩擦角提升幅度均較小，不同草之間差別不明顯。從成本看，最便宜的是紅三葉，其次是白三葉和黑麥草，最貴的是百喜草。景觀效果的評分中，紅三葉效果最好，其次是百喜草，白三葉、高羊茅、四季青表現(xiàn)一般。

黑麥草在14個指標中有5個指標表現(xiàn)最優(yōu)，其余指標表現(xiàn)也較好，因而初步判斷黑麥草是最為合適護坡草本植物。但是從其余種類的草表現(xiàn)看，依據(jù)單一指標來分析每種草本植物的環(huán)境適應(yīng)性是難以選擇出最佳的護坡植物，還需要綜合考慮各種指標，對7種草的環(huán)境適應(yīng)性進行綜合評價，最終選擇出最佳的護坡植物。

對表3中觀測結(jié)果的各項數(shù)據(jù)按式（2）和式（3）進行歸一化處理，消除量綱的影響，將不同種類草在同一指標下的數(shù)據(jù)簡化到0～1之間，求和后再計算每種草在不同指標下的占比大小，確定每種草的重要性即權(quán)重，結(jié)果如表6所列。

3.3評價結(jié)果

綜合表5與表6的結(jié)果，得到紅壤邊坡護坡草本植物綜合評價權(quán)重排序的結(jié)果（見表7）。

由表7可見：① 黑麥草、百喜草和四季青為排名前三的護坡植物，表現(xiàn)良好;尤其是黑麥草所占權(quán)重最大，評價最高，與表3中初步判斷的結(jié)果一致。② 黑麥草根系長，根莖較粗，對于邊坡表層土而言，有很好的固土能力;并且黑麥草生長速度快，地上部分茂密，能夠減緩贛南地區(qū)暴雨對邊坡土壤的沖刷;黑麥草耐酸，能夠在贛南地區(qū)酸性土壤中發(fā)芽并生長;黑麥草價格便宜，作為護坡成本較低，適合作為贛南地區(qū)紅壤邊坡的護坡植物。

③ 百喜草雖然根系發(fā)達程度一般，多數(shù)指標不突出，但是相較于其他品種的草耐旱性優(yōu)越、發(fā)芽快、耐病蟲好，并且對生長環(huán)境要求不高，非常容易發(fā)芽存活，因而綜合評價僅次于黑麥草;并且百喜草擁有較寬的葉子，能夠減緩雨水對邊坡土壤的沖刷，也是較為合適的紅壤邊坡護坡植物。四季青根系發(fā)達、生長高度較高、價格相較低，是一種較好的護坡植物。但是其發(fā)芽時間最長，耐病蟲表現(xiàn)一般，對于酸性土壤的適應(yīng)性弱于百喜草。

④ 白三葉和紅三葉雖然能在紅壤環(huán)境中快速發(fā)芽，但是固土能力、耐旱性以及抗病蟲表現(xiàn)最差，綜合評價最低。白三葉和紅三葉并不能很好的適應(yīng)贛南地區(qū)的環(huán)境，因而不建議作為當?shù)丶t壤邊坡的護坡的草本植物。

⑤ 以往針對贛南地區(qū)護坡草本植物的研究往往選取當?shù)刈匀簧L良好的草本植物，但是這些草本植物本身并沒有太高的經(jīng)濟價值和觀賞性，本文充分考慮了草本植物的觀賞性和經(jīng)濟實用性來選取試驗植物。如黑麥草是一種良好的牧草可作為經(jīng)濟作物種植，白三葉、紅三葉是觀賞性極佳的開花三葉草。通過試驗研究豐富了贛南地區(qū)可選擇種護坡植草本植物種類。在評價指標中，植物的生長能力是非常重要的參考指標[14-16]，但將固土效果作為綜合評價指標的較少，本文將固土效果放入綜合評價之中，把根-土復(fù)合物的黏聚力和內(nèi)摩擦角作為綜合評價指標的一部分，突出了護坡草本植物在護坡過程中的作用。

4結(jié) 論

選擇7種能夠在紅壤中發(fā)芽和生長的植物，為了篩選出既能夠起到固坡作用又在贛南地區(qū)生長狀況良好的植物，選定根深、根重等14個指標作為評判依據(jù)。其中針對環(huán)境適應(yīng)性好的特點選擇了生長速度、根深、根重、耐旱天數(shù)耐病蟲等9個常見指標，針對護坡植物特點選擇了黏聚力、內(nèi)摩擦角和抗沖刷作為指標，針對易推廣性選擇了價格和景觀效果作為指標。

綜合計算得到評價結(jié)果，通過對綜合權(quán)重進行排序，得出黑麥草作為當?shù)丶t壤邊坡的護坡植物最適合，百喜草和四季青次之，也是較為合適的紅壤邊坡護坡草本植物。白三葉和紅三葉對當?shù)丨h(huán)境適應(yīng)性最差，不宜作為紅壤邊坡護坡草本植物。綜合評價認為，黑麥草、百喜草和四季青是贛南紅壤地區(qū)最為合適的護坡草本植物。

參考文獻：

[1]WALDRON L J，DAKESSIAN S.Soil reinforcement by roots，calculation of increased soil shear resistance from root properties[J].Soil Science，1981，132（6）：427-435.

[2]GRAY D H，OHASHI H.Mechanics of fiber reinforcement in sands[J].Journal of Geotechnical Engineering，1983，109（3）：335-353.

[3]劉潤，申家琛，張朝暉.4種苔蘚植物在喀斯特石漠化地區(qū)的生態(tài)修復(fù)意義[J].水土保持學報，2018，32（6）：141-148.

[4]陳飛，鐘連祥，郭順，等.生態(tài)防護技術(shù)對稀土礦山邊坡的固坡效果[J].水土保持通報，2019，39（3）：132-136，143.

[5]王璐.紅壤地區(qū)水土保持植物措施技術(shù)特點及發(fā)展趨勢[J].水土保持應(yīng)用技術(shù)，2019（4）：10-12.

[6]王驍.G45雙通高速公路紅壤土邊坡生物綠化關(guān)鍵技術(shù)研究[J].交通建設(shè)與管理，2015（12）：88-90.

[7]莫明浩，謝頌華，聶小飛，等.南方紅壤區(qū)水土流失綜合治理模式研究：以江西省為例[J].水土保持通報，2019，39（4）：207-213.

[8]程諒，占海歌，郭忠錄.3種草本植物根系對土壤抗蝕特性的響應(yīng)[J].草業(yè)科學，2019，36（2）：284-294.

[9]奚同行，左長清，尹忠東，等.紅壤坡地土壤水分虧缺特性分析[J].水土保持研究，2012，19（4）：30-33.

[10]喻榮崗，左長清，楊潔，等.紅壤侵蝕區(qū)優(yōu)良水土保持草本植物的選擇及評價[J].水土保持通報，2008（2）：205-210.

[11]石崇喜.云南紅土型滑坡室內(nèi)試驗研究[D].昆明：昆明理工大學，2011.

[12]陳雨彤，李法虎.一年野生草本植物根系力學性能動態(tài)變化特征[J].人民長江，2018，49（9）：19-25，40.

[13]梁力，季貴斌，趙穎.高速公路邊坡暖季型草本植物生態(tài)適應(yīng)性評價[J].東北大學學報（自然科學版），2018，39（1）：128-132.

[14]賈致榮，張瑋.公路邊坡植被恢復(fù)質(zhì)量評價指標及方法研究[J].水土保持通報，2008（1）：115-118.

[15]包賽很那，郭云雷，孫磊，等.9種護坡植物種子萌發(fā)特性的研究[J].高原農(nóng)業(yè)，2020，4（5）：481-485，493.

[16]李琴，王建光，于然，等.三種禾草不同比例混播護坡植被莖葉水文生態(tài)效應(yīng)研究[J].草原與草業(yè)，2016，28（2）：51-57.

（編輯：黃文晉）

Abstract：In order to optimize the selection of appropriate herbaceous plants for acidic red soil slope protection in South Jiangxi Province，an environment adaptability test was conducted.Seven plants（Trifolium repens，Lolium Perenne，Trifolium pratense，Cynodon dactylon，F(xiàn)estuca arundinacea，Paspalum notatum Flugge，Agrostis stolonifera）which could survive in red soil were sowed in the field.Fourteen indices were observed according to the growth performance，red soil features and cost.The weight of every index was determined by analytic hierarchy process（AHP）.The data of seven plants was normalized under the same indicator，then the weight of plant was calculated through proportion of every plants under the same indicator.The environmental adaptabilities of seven plants were evaluated comprehensively at last.The results show that among the seven plants，Lolium Perenne has the highest weight，followed by Paspalum notatum Flugge and Agrostis stolonifera，which are recommended for acidic red soil slope protection in South Jiangxi Province.Trifolium repens and Trifolium pratense have minimum weights indicating that they have the worst environmental adaptability and slope protection ability and are not used as herbaceous plants for red soil slope protection in south Jiangxi Province.

Key words：red soil slope;slope protection plants;environmental adaptability;herbaceous plants;analytic hierarchy process（AHP）;South Jiangxi Province