承德中東部山區公路邊坡類型劃分及植物配置研究

吳洪波 郭子薇 李菲 査同剛 彭棟

摘? ?要：基于公路邊坡立地條件，對承德市中東部山區公路進行邊坡類型劃分，在此基礎上進行植被配置研究，以提高公路邊坡植被恢復措施的針對性和適應性。以承德市機場連接線為研究對象，將承德中東部山區公路邊坡按坡面組成、坡度和坡向3個因子劃分為土石混合斜、陡陽邊坡，巖質斜陽邊坡，土石混合斜、陡陰邊坡和巖質斜陰邊坡4種類型。通過對鄉土植物和同類型公路邊坡植被恢復調查，篩選出鄉土植物和綠化經驗植物共12種，用于研究區公路邊坡植被恢復。遵循適地適樹基本原理，基于物種Pearson相關分析與關聯性檢驗，對區域內不同類型公路邊進行植被恢復植物種類搭配，提高公路邊坡植被恢復的科學性和合理性。

關鍵詞：承德市機場連接線;公路邊坡;立地類型劃分;植物配置

公路邊坡植被恢復是公路建設工程可持續發展的重要對策之一，具有較高的經濟、生態和社會效益，進一步推進生態文明建設要求公路建設過程中，必須更加重視公路邊坡的植被恢復工作[1～2]。我國公路邊坡植被恢復的主要目標是建設生態型公路邊坡，即在盡可能避免破壞自然環境、不違背自然和生態規律的情況下，合理進行邊坡人工植被配置。然而由于施工者對于公路邊坡立地條件與植被生態學特性之間的適應關系重視不足，在邊坡植被恢復時往往只強調植被短期恢復效果，忽略長遠效益，導致公路邊坡植被出現短期恢復效果好，2～3年后因不適應當地生態環境而出現長勢衰弱、葉片發黃，甚至大面積死亡的現象[3～4]。

我國關于公路邊坡植被恢復的相關研究起步較晚但發展較為迅速[5～6]。為克服此分類系統尺度較大的不足，駱漢等[7]進行了基于微立地與坡面植被恢復概念的公路邊坡分類研究。在公路邊坡植被恢復的植物材料選擇方面，章夢濤等[8]提出巖質坡面噴混快速綠化新技術。胡淼等[9]運用層次分析法，對植物生態學特性進行定性和定量分析，從而找出都汶高速公路邊坡生態恢復的最佳植物種類。龔琴等[10]對廣梧高速公路自然條件和植被進行了全面調查，結合植物本身的生物學、生態學及生理學特征，篩選出適于本段高速公路兩側綠化帶、邊坡綠化的鄉土植物，并依據群落學的原則對其組合應用進行設計。

研究表明，公路邊坡立地條件與植物生態適應性均是制約公路邊坡植被恢復效果的重要因素，在公路邊坡植被配置時應予以充分考慮[11]，但將區域公路邊坡立地類型劃分與植被配置物種選擇相結合的研究較少。本研究以承德市機場連接線為研究對象，對承德市中東部山區公路進行邊坡類型劃分，在此基礎上針對不同類型公路邊坡進行植物選擇搭配，并進行預期恢復效果分析，實現區域公路邊坡立地條件與植被系統的耦合，實現公路邊坡植被恢復的生態和社會效益最大化。

1? ? ?研究區概況

承德中東部山區地形錯綜復雜，山脈縱橫分布，地勢東北和西南高，中間低，逐漸過渡，山區海拔500～1000m，相對高度變化大。該區域受內蒙古高壓影響較大，屬溫帶半濕潤間半干旱大陸性季風性燕山山地氣候，春秋干旱多風，冬季干寒漫長，夏季短促。晝夜溫差較大，年均氣溫6.0～9.1℃，年降水量532.5mm，降水主要集中在6～8月，約占年降水量70%。

承德市機場連接線位于承德市中東部的承德縣內，長5.778km。區域內公路建設大多開山劈石，形成大量的挖方、填方裸露坡面，邊坡海拔分布在510～590m。京承高速公路河北段，起點為京冀交界處的司馬臺，終點為承德市雹神廟，公路全長76.6km，于2005年建成通車并進行公路邊坡噴播綠化。該公路邊坡植被恢復目標群落為灌草群落，噴播喬灌木植物主要有：刺槐（Robinia pseudoacacia）、榆樹（Ulmuspumila）、臭椿（Ailanthus altissima）、紫穗槐（Amorpha fruticosa）、二色胡枝子（Lespedeza bicolor）、荊條（Vitex chinensis）、小葉錦雞兒（Caragana microphylia）;耐旱草花植物主要有：草木樨（Melilotussuaveolens）、沙打旺（Astragalus adsurgens）、紫花苜蓿（Medicago sativa）、高羊茅（Festuca arundinacea）、黑麥草（Lolium perenne）、波斯菊（Cosmos bipinnatus）等。

2? ? ?研究方法

2.1? ?立地條件調查及樣品采集

2017年7月，根據承德市機場連接線邊坡填挖狀況，按主線樁號及位置依次分為13段，編號為1～13號。對13段公路邊坡進行立地條件調查：邊坡地貌形態、經緯度和海拔使用GPS等測量;坡度、坡向和坡長使用羅盤儀和皮尺測量;沿途根據公路建設圖紙確定邊坡填挖狀況;巖石風化程度采用定性評價方法，從巖石結構、顏色、破碎程度等綜合分析確定;觀察法確定邊坡坡面組成、水土流失狀況和周邊土地利用方式;分別在每個樣點上坡、中坡和下坡去除表層土（0～5cm）使用環刀法采集土樣，每個樣點重復取樣3次，進行試驗室直剪和三軸試驗。

2.2? ?植被調查

在承德市機場連接線周邊選擇自然植被生長狀況較好的山體3座，每座山體布設3個5 m×5m樣方進行草本、灌木和小喬木調查。植被調查指標包括：植被類型、植物種類、株數、平均高度、蓋度、分布狀況及生長狀況等。位于承德中東部山區的京承高速公路河北段與研究公路地形條件相似，選擇5個典型綠化坡面進行公路邊坡植被恢復調查，在上、中、下3個坡位分別布設大小為5m×5m樣方，記錄樣方內植被蓋度、植物種類、植物蓋度、株數等。

2.3? ?數據分析

實地調查和室內試驗數據初步整理分析在 Excel（2013）中進行，基于數據分析結果，采用定性的方法進行邊坡立地類型劃分因子提取。通過計算草本、灌木和小喬木的重要值選取優勢鄉土植物，重要值計算公式為：

通過對成對物種的Pearson相關分析與關聯性檢驗，考察優勢鄉土植物主種間生態聯結性，Pearson相關分析與關聯性檢驗公式為：

式中：N為取樣總數;a為2物種均出現的樣方數;b、c分別為僅1個物種出現的樣方數;d為2個物種均未出現的樣方數。當ad>bc時為正聯結，ad6.635（P<0.01），則表示物對種之間的聯結性極顯著。

3? 結果與分析

3.1? 公路邊坡立地類型劃分

3.1.1? ?篩選立地因子。（1）坡長。公路既有挖方形成的路塹邊坡，也有填方形成的路堤邊坡，各邊坡坡長差距較大，最短斜坡長為6.5m，最長斜坡達38m（圖1）。為保持邊坡穩定性，在植被恢復前，對斜坡長20m以上坡面參照《公路路基設計規范》進行坡面分階，劃分后公路邊坡坡長范圍集中在10～13m，因此，不將坡長作為公路邊坡類型劃分立地因子。

（2）坡度。由于區域地理條件和施工條件限制，公路邊坡整體坡度較大。由圖1可知，公路邊坡坡度范圍集中在32～52°，依據《公路路基設計規范》將承德市機場連接線公路邊坡邊坡以45°為界，劃分為2種類型：斜坡（30～45°）、陡坡（>45°）（圖1）。

（3）坡向。由表2可知，承德市機場連接線公路邊坡包括陽坡、陰坡、半陽坡和半陰坡，其中陰坡6個、陽坡5個、半陽坡和半陰坡各1個。由于半陽坡和半陰坡數量較少，將半陽坡歸于陽坡，半陰坡歸于陰坡，即將坡向分為2類，分別為陽坡和陰坡。

（4）坡面組成。承德市機場連接線公路邊坡坡面既有由土壤母質、碎石等形成的土石混合邊坡，也有由大石塊、礫石等組成的石質邊坡。由表2可知，13個樣點邊坡中，共有土石混合邊坡8個，巖質邊坡5個。

3.1.2? ?立地類型劃分?；诔械率袡C場連接線公路邊坡立地條件分析，充分考慮公路邊坡立地條件與植被恢復措施的適應關系，采用定性的方法選擇坡面組成、坡向、坡度3個立地因子，作為承德市機場公路邊坡立地類型劃分因子。坡面組成是影響公路邊坡植被恢復效果的重要因素之一，巖質邊坡坡度大、無土壤、植被生長發育困難，生態恢復難度遠遠大于土質邊坡[12]。賈致榮等[13]關于邊坡坡向對植被自然恢復的影響研究表明，公路邊坡坡向植被恢復的蓋度、物種類型、物種數量和地上生物量等存在影響。祝小科等[14]通過公路邊坡立地條件調查結果，提出依據坡度和坡面物質組成等因子對黔東南國省干線公路邊坡進行類型劃分。共將承德市機場公路邊坡劃分為4種邊坡類型，分別為：土石混合斜、陡陽邊坡，巖質斜陽邊坡，土石混合斜、陡陰邊坡和巖質斜陰邊坡。

3.1.3? ?4種立地類型坡面特征。承德市機場連線公路邊坡坡面整體均表現出土石破碎、坡面凹凸不平，平整度差的特點。結合調查將巖質邊坡風化程度劃分為未風化、微風化、中風化3個等級，承德市機場連線公路邊坡風化特點為：一是未風化邊坡巖質新鮮，質地堅硬。二是微風化邊坡巖石結構基本未發生改變，有少量裂隙出現。三是中風化邊坡巖石結構破壞程度較高，沿節理面有較少次生礦物，裂隙發育，有破碎面，硬度較強土石混合邊坡由于物質組成結構較為松散，在降水時形成坡面徑流產生不同程度的侵蝕細溝。由調查結果可知，各土石混合邊坡的侵蝕細溝數量為4～11條，均存在坡面表層水土流失現象。

3.2? ?公路邊坡植被恢復物種選擇

3.2.1? ?附近山體優勢鄉土植物植物篩選。承德市機場連接線周邊自然山體喬灌植物和耐旱草花植物樣方調查共自然植物33種，包括11種喬灌木和22種耐旱草花植物，因氣候條件限制，承德地區公路邊坡喬木普遍為樹高低于2m的小喬木。33種植物隸屬于15個科28個屬，其中喬灌木以豆科、菊科和榆科三科為主，占到喬灌木植物總數的77.8%，耐旱草花植物以菊科、豆科、禾本科和蓼科為主，占到耐旱草花植物總數的60.0%以上。根據研究區內山體自然植被群落喬灌木層和草本層植物重要值計算結果可知：研究區內山體自然植被的重要值范圍1.26%～10.39%，重要值最高的是胡枝子。在喬灌木層中，以胡枝子、紫穗槐、刺槐、大果榆（Ulmus macrocarpa）、荊條、小葉錦雞兒和三裂繡線菊為主要優勢種，重要值高于其他喬灌木種類。在草本層植物中，紫花苜蓿的重要值最高為8.12%，這主要與其耐貧瘠、萌發力強，根系發達的特點有關，沙打旺、歧莖蒿（Digitaria sanguinalis）的重要值分別為4.42和4.04。此外，狗尾草（Setaria viridis）、灰菜（chenopodium ficifolium）、牛筋草（Eleusine indica）lyrata）等入侵性較強的雜草的重要值高于其他耐旱花草植物的重要值。

根據重要值大小排序，剔除重要值較高但入侵性較強的雜草植物，共選出7種優勢鄉土植物，包括5種灌木，分別為紫穗槐、荊條、三裂繡線菊、小葉錦雞兒、二色胡枝子和2種耐旱花草植物，分別為紫花苜蓿和沙打旺，并將7種優勢植物分別編號為1～7。

3.2.2? ?優勢鄉土植物Pearson相關分析與關聯性檢驗。圖2為承德市中東部山區優勢鄉土植物種對之間的Pearson相關分析與關聯性檢驗結果。由圖2可見，承德市中東部山區7個優勢鄉土植物共計組成了21個種對。呈正相關的種對有10個，占種對總數的47.6%，其中極顯著正相關的有6個種對、顯著正相關的有4個種對;呈負相關的種對有2個，呈不相關的種對有9個，占種對總數的42.9%，說明承德市中東部山區優勢鄉土植物間相互依賴和對資源競爭程度較強，差異性較小。正關聯種與負關聯種之間的正負關系比為5，說明7種優勢植物具有相似的生境要求。其中，紫穗槐與荊條、三裂葉繡線菊和小葉錦雞兒極顯著正關聯，與二色胡枝子呈顯著正關聯。二色胡枝子與三裂葉繡線菊、紫花苜蓿和沙打旺呈極顯著正相關，與荊條呈顯著正相關，各物種生長時彼此之間的影響較高，群落的生態穩定性較高。

●為極顯著正關聯（P<0.01）;○為顯著正關聯（0.01bc，P>0.05）;-為負關聯（ad

3.2.3? ?同類工程項目植被恢復初期優勢植物種篩選。京承高速公路承德段3年期工程公路邊坡植被恢復樣方共調查植物14種，包括5種灌木和11種耐旱花草植物。16種植物隸屬6科15屬，其中以豆科、禾本科和菊科為主，占到植物總數的71.4%。根據京承高速公路邊坡植被恢復植物種類及重要值計算結果，可知：在喬灌層中，以二色胡枝子、紫穗槐和刺槐占主要優勢，重要值分別為11.24、9.10和5.94;在草本層中，高羊茅、紫花苜蓿、黑麥草、波斯菊、草木樨、狗尾草、沙打旺和馬唐的重要值高于其他草本植物，重要值分別為13.7、11.29、10.56、9.75、9.38、8.69、6.47和5.03。在重要值大于5.00的植物中，狗尾草和馬唐為入侵性較強的雜草植物，其余植物均為京承高速公路邊坡植被恢復目標植物。

根據重要值大小排序，剔除重要值較高的喬木以及入侵性較強的雜草植物，共選出8種優勢鄉土植物，包括2種灌木，分別為二色胡枝子和紫穗槐，5種耐旱花草植物，分別為高羊茅、紫花苜蓿、黑麥草、波斯菊、草木樨和沙打旺，將8種植物分別編號為a～h。

3.2.4? ?同類工程項目植被恢復優勢植物Pearson相關分析與關聯性檢驗。圖3為同類工程項目植被恢復優勢植物種對之間的Pearson相關分析與關聯性檢驗結果。由圖3可見，承德市中東部山區8個優勢鄉土植物共計組成了28個種對。呈正相關的種對有13個，占種對總數的46.4%，其中極顯著正相關的有6個種對，顯著正相關的有7個種對;呈負相關的種對有3個，呈不相關的種對有12個，占種對總數的39.3%。表明京承高速公路河北段優勢植被恢復植物種間獨立性較高，生態位分離現象較明顯，植物在生長過程中的彼此的影響較小，較易受外界的干擾而發生波動，植物群落的穩定性較差。

●為極顯著正關聯（P<0.01）;○為顯著正關聯（0.01bc，P>0.05）;-為負關聯（ad

在8種優勢植物種，二色胡枝子與紫穗槐、高羊茅呈極顯著正關聯，與紫花苜蓿、黑麥草呈顯著正關聯;紫穗槐與高羊茅呈極顯著正相關，與紫花苜蓿呈顯著正相關。高羊茅與黑麥草，草木樨與沙打旺也呈極顯著正相關。種間的正關聯說明這些物種之間有相同生境、共同利用物種間的資源，具有相似的生態適應性和相互重疊的生態位。種間的負關聯說明這些物種之間有不同生境，不具有相似的生態適應性和相互重疊的生態位。

3.3? ?不同類型公路邊坡植物配置

綜合3.2.1、3.2.3研究結果，篩選出承德中東部山區優勢鄉土植物和同類典型公路工程邊坡植被恢復經驗植物共13種，作為此區域公路邊坡植被恢復優選植物種，包括灌木5種，分別為紫穗槐、荊條、三裂繡線菊、小葉錦雞兒和二色胡枝子;耐旱花草植物6種，分別為紫花苜蓿、沙打旺、波斯菊、高羊茅、黑麥草和草木樨，其余2種為油松和紅瑞木，用于路旁綠化。

以建設生態型公路邊坡為目標，考慮承德市中東部山區公路建設形成的裸露邊坡多為堅硬巖石和土石混合邊坡的特點，提出承德市中東部山區公路邊坡將噴播“灌草花”與路旁移栽油松、紅瑞木相結合的立體植被配置模式。此配置模式的優點在于：灌木和草本互為補充，草本生長發育迅速，彌補灌木在邊坡綠化建植前期生長發育緩慢的不足，提早發揮護坡作用。

遵循適地適樹和植被恢復基本原理，充分考慮承德中東部山區4種不同類型公路邊坡立地條件與13種生態恢復優選植物的生態學特性?；趦瀯萼l土植物種對Pearson相關系數及其顯著性關于植物種間關系的分析結果，以形成以灌木為主、草本為輔、穩定的植被群落為目標，對承德中東部山區4種不同類型公路邊坡進行鄉土物種與邊坡植被恢復經驗植物相結合的合理搭配（見表1）。

在植被配置時，將灌木與耐旱花草植物配置比例提高至7∶3以上，既可以實現公路邊坡早期植被恢復時草本快速覆綠，發揮草本植物對于惡劣環境的適應和改善能力，又可以在2～3年期形成以灌木為優勢種和建群種的邊坡群落，實現邊坡植被恢復的群落建植目標。土石混合邊坡的灌木與耐旱花草植物配置比例提高至8∶2，灌木根系將延伸至土石邊坡基質中，發揮更加穩定持久的固坡作用。

對于4種不同類型的公路邊坡，建植期植物種均以所配置的耐旱花草植物組合為主，尤其是以萌發力較強的紫花苜蓿、黑麥草和高羊茅為主要優勢種。長效形成以所配置的灌木，尤其是紫穗槐，荊條和胡枝子等鄉土植物為主要優勢種，以目標草本植物和入侵雜草如狗尾草、泥胡菜、田旋花為輔的近自然穩定邊坡植物群落。在巖質邊坡上噴播荊條、沙打旺等固土固沙、改良土壤能力強的物種，將長效發揮植物對于生長環境和土壤的改良作用。在土石混合邊坡上噴播三裂繡線菊、小葉錦雞兒等優良的水土保持植物，起到調節坡面徑流、防止公路邊坡水土流失和減少土壤侵蝕的作用。

4? ? ?結論

（1）以承德市機場連接線為研究對象，對13段裸露邊坡進行了各項立地因子的實地調查和室內試驗分析，使用定性選取立地因子的方法。將承德中東部山區公路按坡面組成、坡向和坡度3個因子劃分為4個邊坡類型，分別為：土石混合斜、陡陽邊坡，巖質斜陽邊坡，土石混合斜、陡陰邊坡和巖質斜陰邊坡。

（2）通過調查分析承德中東部山區鄉土植物和典型公路邊坡植被恢復，確定承德中東部山區公路植被恢復的配置方式為：邊坡噴播“灌草花”和路旁移栽油松、紅瑞木相結合。以實現短時覆綠、長效構建、以灌木為主的公路邊坡穩定群落為目標，篩選出鄉土植物和邊坡生態防護經驗植物共13種作為承德市中東部山區公路邊坡植被恢復優選植物種，包括5種灌木：紫穗槐、荊條、三裂繡線菊、小葉錦雞兒和二色胡枝子;6種耐旱花草植物：紫花苜蓿、草木樨、波斯菊、高羊茅、黑麥草和沙打旺;以及油松和紅瑞木2種喬木，用于路旁綠化。

（3）遵循適地適樹和植被恢復基本原理，基于優勢鄉土植物種對Pearson相關系數及其顯著性分析結果，對承德中東部山區4種不同類型公路邊坡進行不同植被恢復物種搭配，實現公路邊坡立地條件與植被之間的適應性種植，并分析各邊坡植被恢復預期效果，以提高承德中東部山區不同類型公路邊坡植被恢復措施的適應性和針對性，更好地發揮預期生態和社會等效益。

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（責任編輯? ?舒丹丹）