高速公路边坡植被重建过程中群落组成特征

崔丹娜, 张显国, 成克武, 温 静, 黄大庄

(1.河北农业大学 园林与旅游学院, 河北 保定 071000; 2, 河北省高速公路管理局, 河北 石家庄 050000)

高速公路边坡植被重建过程中群落组成特征

崔丹娜1, 张显国2, 成克武1, 温 静1, 黄大庄1

(1.河北农业大学 园林与旅游学院, 河北 保定 071000; 2, 河北省高速公路管理局, 河北 石家庄 050000)

[目的] 对河北省西柏坡高速公路4种不同边坡类型进行调查,旨在选择合适的边坡植被恢复技术。[方法] 通过随机取样调查进行不同边坡群落组成结构分析。[结果] 4种边坡类型的物种多样性差异显著。自然恢复土质边坡植被盖度最低,自然恢复石质边坡的物种多样性最差,人工恢复生态袋技术边坡的物种多样性和植被盖度最高。 [结论] 人工恢复生态袋技术和挂网喷播技术对高速公路边坡复绿都有明显的改善,而生态袋技术对边坡复绿改善最为明显。

边坡复绿; 生态袋技术; 植物多样性

近年来，高速公路飞速发展，促进了各地区间的物资、信息交流和发展，但同时由于高速公路的建设，给沿线环境带来了一定不良影响[1]。高速公路不可避免的对山体进行破坏，植被面对了毁灭性的威胁，对地表造成了较大的伤害，水土流失较为严重，自然恢复植被难以生长，这些都对高速公路边坡植被重建提出了挑战[2]。为了改善由高速公路带来的影响，政府对高速公路边坡植被恢复投入大量人力物力。河北省西柏坡高速沿线气候干燥，受水土流失，汽车尾气污染等因素影响，目前，关于人工植被重建后续研究，主要集中在生态环境改善与群落特征方面[3]。高速公路设计上的传统边坡防护型式多样，绿化防护一般用于对结构要求不高的土质、石质边坡路段，其绿化效果较好。挂网喷播技术广泛应用于高速公路边坡植被恢复绿化工程[4]及废弃矿山的植被恢复而生态袋是在充分考虑材料力学、水利学、生物学、植物学等诸多学科要求的前提下，对其厚度、单位质量、物理力学性能、外形、纤维类型、受力方式、方向、几何尺寸和透水性能及满足植物生长的等效孔径等指标，广泛应用于水利[5]、公路、铁路、航道[6]、采矿、垂直绿化[7]等岩土边坡生态防护工程，在水土保持与环境建设领域具有广阔的应用前景，其生态性、快速性、整体性、环保性的特点，改变过去单一硬性护坡导致景观不佳，生态功能退化的弊端，实现了工程建设和环境保护的完美结合。

本文选取河北省西柏坡高速公路边坡为研究对象，通过对不同边坡类型的植物种类、盖度及多样性进行研究，探讨不同边坡类型的植被多样性及植被复绿情况，拟为高速公路边坡复绿的植被多样性恢复以及复绿技术的合理选择提供科学依据。

1 研究方法

1.1 研究区自然概况

河北省西柏坡高速公路地理坐标为东经114°00′—114°44′，北纬38°10′—38°40′，全长71.36 km。西柏坡低山群落植被稀少，土层较薄，水土流失严重。坡度为60°～80°。土壤母质以花岗岩、片麻岩为主，有少量石灰岩和页岩分布。西柏坡地处暖温带，属半干旱大陆性季风气候，四季分明，冬季寒冷干燥，夏季炎热多雨，年平均气温12.5 ℃。年最热月份是7 月，平均气温26.3 ℃；最冷月份是1月，平均气温-8.2 ℃。年较差29.5 ℃。各月平均气温除最热的7月和最冷的1月外，其余10个月可以7月为轴分为对称的5对近似月。太阳年总辐射量547.58～568.48 kJ/(cm2·a)。无霜期平均140～180 d。

1.2 工程概况

西柏坡高速植被恢复边坡以石质为主，两侧多为裸露岩石，部分为土质边坡，但土层较薄。岩石边坡主要由片麻岩和页岩构成，不同位置风化程度不同。人工植被恢复措施有挂网喷播技术和生态袋技术。

1.3 调查方法

1.3.1 样地基本情况 采样研究于2013年7月开始进行，通过现场考察植被长势以及收集的资料，了解研究区域概况，自然植被恢复情况和人工植被恢复技术的应用及效果。根据高速公路不同植被恢复边坡类型进行分类，分为4种类型：土质边坡、石质边坡、挂网喷播植被恢复技术边坡、生态袋植被恢复技术边坡。土质边坡和石质边坡的植被恢复时间是2010年8月，挂网喷播植被恢复技术边坡的植被恢复时间是2011年8月，生态袋植被恢复技术边坡的植被恢复时间是2013年5月。沿河北省西柏坡高速路段选取不同边坡进行调查，随机采样，每种类型边坡分别在2，4和6 m垂直高度的位置各取2个样方，同时设置3个重复，共调查样方72个。调查采用样方法，所有边坡植被多为草本，极少数为藤本和灌木，设置样方大小：2 m×2 m为1个样方。

1.3.2 调查内容及方法 于2013年7月中旬和2014年5月下旬对各样方进行采样，植被处于生长期，现场分别鉴定不同边坡类型中每个样方中的物种类别，并采集标本带回标本室进行重复鉴定，同时记录种数、盖度、频度、个体数、高度等植物特征。

1.3.3 统计内容

(1) 盖度。盖度为某物种投影面积占样地面积的百分比；相对盖度为某物种的盖度占样地内所有物种盖度之和的百分比，其公式为：

(2) 重要值。在对野外调查原始数据进行初步分类整理的基础上，统计植物的密度、频度，并计算相对密度、相对频度及重要值，计算公式为:

(3)α多样性指数。根据钱迎倩等[8]评述植物群落多样性测定方法，选择物种多样性分析选取Shannon—Wiener 指数、Simpson 指数和Pielou 均匀度指数3个指标进行测定：

① Shannon—Wiener 指数(SW):

式中：N——群落中全部种的总个体数； Pi=Ni/N，Ni——样方中第i种物种的个体数。

(4)Simpson生态优势度(C):

式中：S——样方面积群落中总植物种数；N——群落中全部种的总个体数；Ni——样方中第i种物种的个体数。

(5) Pielou 群落均匀度指数(E):

式中：S——样方面积群落中总植物种数；N——群落中全部种的总个体数；Pi=Ni/N，Ni——样方中第i种物种的个体数。

2 结果与分析

2.1 不同植被类型科属特征

2014年5月下旬所采集样方的植物种类与2013年7月中旬采集样方的植物种类基本一致。2014年5月下旬各植被恢复的边坡样方中新生植物处于生长期。因此，以2013年7月采集的不同边坡植被恢复类型样方的植被数量及植物科属分布特征为研究对象(表1—2)。

表1 不同边坡类型植物数量及科属特征 个

表2 不同边坡类型植物科属分布特征 个

由表1—2可知，于2013年7月时，各种类型植被恢复边坡特征如下：土质边坡主要由9种植物组成，隶属7科9属，以葡萄科和禾本科植物为主要组成物种，植物个体数为288；石质边坡主要由12种植物组成，隶属8科12属，以菊科和禾本科植物为主要组成物种，植物个体数为168；挂网喷播植被恢复技术边坡主要由14种植物组成，隶属8科12属，以藜科，苋科和禾本科植物为主要组成物种，植物个体数为696；生态袋试验边坡主要由14种植物组成，隶属7科12属，以豆科，禾本科和菊科植物为主要组成物种，植物个体数为837。

2.2 不同边坡植被类型盖度

盖度可以在直观上更能反映边坡植被恢复效果，是反映植物种群地上生存空间的重要指标，其中总盖度在一定程度上能够反映植物种的多度、频度和生活型等特征，在本文中所指的盖度均指的是投影盖度[9]。

从图1可见，2013年7月时，挂网喷播技术植被盖度最低，为88%；生态袋技术植被盖度最高，为100%。自然恢复边坡中，石质边坡比土质边坡植被盖度高，分别是93%和90%。2014年5月时，边坡多为枯草覆盖，挂网喷播技术植被盖度最高，为56%；生态袋技术植被盖度最低，为20%。自然恢复边坡中，石质边坡比土质边坡植被盖度高，分别是48%和35%。2个月份对比，生态袋技术植被盖度相差量最多，为80%；挂网喷播技术植被盖度相差量最少，为32%。

图1 不同类型边坡植被类型盖度比较

2.3 不同边坡植被类型多样性分析

全面衡量物种多样性需要从物种丰富度、均匀度和生态优势度3个方面进行比较，它们都从不同的角度反映群落物种组成结构水平，三者具有一定的联系[10]。其中，植物Shannon—Wiener物种多样性指数的大小反映植物种类的多少和植物种类所占比例的变化，Shannon—Wiener物种多样性指数越大，表示植物种类越复杂。Pielou均匀度指数的大小反映个体在种间的分配均匀程度，Pielou均匀度大，表示没有明显的优势个体类型，个体类型在群落中均匀分布。Simpon生态优势度指数反映了各物种种群数量的变化情况，Simpon生态优势度指数越大，说明群落内物种数量分布越不均匀，优势种的地位越突出[11]。试验数据分别来自2013年7月和2014年5月所采集样方。

通过图2—4可得知，4种不同类型边坡中，各边坡Shannon—Wiener物种多样性指数、Simpon生态优势度、Pielou群落均匀度指数在2013年7月与2014年5月之间差异不明显，整体趋势相同。土质边坡的Shannon—Wiener物种多样性指数最低；Simpon生态优势度最高；石质边坡Pielou群落均匀度指数最高；生态袋技术边坡的物种多样性指数最高，生态优势度最低。

图2 不同类型边坡植被Shannon-Wiener 物种多样性指数比较

图3 不同类型边坡植被Simpon生态优势度指数比较

图4 不同类型边坡植被Pielou群落均匀度指数比较

通过用SPSS 17.0分析不同边坡类型的数据得知，2013年7月样方：Shannon—Wiener物种多样性指数方差分析结果中的p值为0.012，Simpon生态优势度指数方差分析结果中的p值为0.013，Pielou群落均匀度指数方差分析结果中的p值为0.002。2014年5月样方：Shannon—Wiener物种多样性指数方差分析结果中的p值为0.011，Simpon生态优势度指数方差分析结果中的p值为0.012，Pielou群落均匀度指数方差分析结果中的p值为0.002，p值均小于0.05。因此否定Ho假设，不同边坡类型对植物多样性有显著性意义，结论是不同边坡类型的植物多样性有明显不同。

在Shannon—Wiener物种多样性指数和Simpon生态优势度指数方差分析中：土质边坡与石质边坡的之间存在显著差异；石质边坡与挂网喷播和生态袋边坡之间存在显著差异；挂网喷播边坡与石质边坡之间存在显著差异；生态袋边坡与石质边坡之间存在显著差异。在Pielou群落均匀度指数方差分析中：土质边坡与挂网喷播和生态袋边坡之间存在显著差异；石质边坡与挂网喷播和生态袋边坡之间存在显著差异；挂网喷播与土质边坡之间存在显著差异；生态袋边坡与土质边坡之间存在显著差异。

3 讨论与结论

3.1 讨 论

3.1.1 从物种科属组成结构分析 试验数据表明，挂网喷播技术及生态袋技术对于边坡植被种类和数量的增加有明显效果。自然恢复的土质边坡和石质边坡植物种数较少，种类多为自播能力较强的野生草本和藤本，植物类型较其他两种人工植被恢复边坡较单一，挂网喷播植被恢复技术边坡和生态袋技术边坡植物的植物种数和植物数量明显偏多，植物多样性丰富，但人工植被恢复边坡植物多为1和2年生草本，且自播能力较自然恢复边坡类型差，从而为来年边坡景观和后续的植被复绿的工作量提出一定的挑战。

3.1.2 从不同类型边坡植被盖度分析 2013年7月生态袋技术边坡的植被盖度最高，挂网喷播技术边坡最低。而造成这种现象的原因，主要是因为水土保持的问题。挂网喷播技术的边坡喷的泥浆受重力影响，上边坡较下边坡土层厚度薄，导致不容易保持水土，植物无法生存，已有部分区域形成冲刷沟。而生态袋具有透水不透土的过滤功能，生态袋的立体网状纤维结构吸收了雨水冲击所产生的能量，能有效地减小雨水形成的径流对土壤地表的冲刷力[12]。石质边坡的盖度较土质边坡大，单位面积内植物数量却比土质边坡小，分析为植物的种类的原因造成的：石质边坡的优势种为五叶地锦，五叶地锦叶大且攀援性强。

2014年5月生态袋技术边坡的植被盖度最低，挂网喷播技术边坡最高。造成这种现象的原因是植物种类的不同，生态袋技术边坡的植物种类多为1年生，植物大面积枯亡，而5月份时1年生植物并无生长，只有少量灌木类植被处于生长期，造成生态袋技术边坡的植被盖度明显降低。而自然恢复边坡盖度变化不大。

3.1.3 从不同类型边坡植被多样性分析 2013年7月，根据试验数据表明，4种植被恢复边坡类型的对比：土质边坡和石质边坡单位面积内植物种类较少，群落内物种数量分布不均匀，优势种明显；挂网喷播技术边坡和生态袋技术边坡单位面积内植物种类较多，群落内物种数量分布均匀，优势种的地位不突出。

2014年5月，根据试验数据表明，4种植被恢复边坡类型的对比：土质边坡、石质边坡以及生态袋技术边坡单位面积内植物种类少，群落内植物数量分布不均匀，优势种明显；挂网喷播技术边坡单位面积内植物种类较多，群落内物种数量分布均匀，优势种的地位不突出。

3.2 结 论

通过对4种不同类型边坡的各项指标分析，说明人工参与的挂网喷播技术和生态袋技术相对于自然植被恢复来说，均可以明显增加边坡植被盖度及丰富物种多样性。2013年7月生态袋技术的盖度及物种多样性较挂网喷播技术高，同时生态袋技术对边坡状况要求比挂网喷播技术低。因此，生态袋技术对高速公路边坡复绿有更明显的效果。但难以在第二年春季保持良好的盖度和植物多样性，多需人工重新播种。且因生态袋技术的施工成本本就较挂网喷播技术的成本更高，目前在植物选择上也存在一定缺陷，在考虑高速公路边坡复绿需要使用的技术时，还要合理选择植物种类，乔灌草结合，完成可持续的景观绿化，分析具体情况，合理使用，也可两者相互结合。

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Community Composition Characteristics of Vegetation on Highway Slope During Recovery Process

CUI Danna1, ZHANG Xianguo2, CHENG Kewu1, WEN Jing1, HUANG Dazhuang1

(1.CollegeofGardenandTourism,AgriculturalUniversityofHebei,Baoding,Hebei071000,China;2.HebeiProvincialExpresswayManagementOffice,Shijiazhuang,Hebei050000,China)

[Objective] We aimed to investigate the characteristics of vegetation community along different slopes in Xibaipo highway of Hebei Province in order to choose the optimal slope vegetation restoration technology. [Methods] A random sampling method was conducted to investigate the community composition and structure on 4 different types of slopes. [Results] Species diversity showed significant differences among 4 different types of slopes. The vegetation coverage on soil slope was the lowest and the species diversity in rocky slope was the least under spontaneous recovery. In contrast, the species diversity and vegetation coverage was the highest on slopes by using ecological bags vegetation recovery technique. [Conclusion] Both ecological bags recovery and net-suspended spray seeding techniques can improve the vegetation recovery on highway slope, and ecological bags recovery is the most effective method.

vegetation restoration; ecological bags; plant diversity

2014-07-22

2014-09-16

河北省邢衡高速公路筹建处项目“高速公路边坡生态防护与植物选择”(20137863)

崔丹娜(1990—),女(汉族),河北省石家庄市人,硕士研究生,研究方向为园林植物应用。 E-mail:cuidanna@126.com。

黄大庄(1963—),男(汉族),河北省保定市人,博士,教授,主要从事园林植物应用研究。 E-mail:huangdazhuang@126.com。

A

1000-288X(2015)05-0257-05

S732