岩质边坡上植物地境结构研究

岩质边坡上植物地境结构研究
李喆;董宏炳
【摘要】植物地境决定着植物的存活与生长.高陡岩质边坡复绿的关键在于构建能够提供植物的地境需求.本研究对宜阳县锦屏山岩质边坡上植物的地境结构进行研究,为该边坡复绿提供技术支撑.得出结论:(1)植被地境深度以40cm为界,受底层岩石胁迫其根群层片发育不完整;(2)边坡及岩缝中土壤肥力略差于国家九类土标准,但可以满足植被生长的基本需要;(3)土壤含水量能够保证植物基本生长需求,在目前气候条件下、在没有人工养护的前提下植被可具有自组织功能持续生长.
【期刊名称】《湖南工业职业技术学院学报》
【年(卷),期】2019(019)002
【总页数】6页(P21-25,65)
【关键词】岩质边坡;植被;地境;宜阳
【作者】李喆;董宏炳
【作者单位】河南省地质环境监测院,河南郑州,450003;温州工程地质勘察院,浙江温州,325000
【正文语种】中文
【中图分类】Q948
1 问题的提出
工程建设遗留的高陡岩质边坡造成景观破坏和生态退化，其植被恢复成为公众关注
的热点，也成为生态恢复工作中的难点，属于世界性难题[1]。

国外在上世纪开始进行这方面的研究和实践，Moorish等进行了公路两侧种植草皮的试验[2][3]，川端勇作开发了采用外来草种的植生盘用于道路坡面[4]，Cary.R.F.等对加利福尼亚荒漠中高速公路边坡植被恢复的技术与植物物种选择展开研究[5]，Esther Bochet 指出影响边坡植物恢复的主要原因是坡度、坡位和坡向[6]。

日本生态学家宫胁昭根运用乡土种进行快速植被恢复的方法，从造林到森林的形成可比自然演替的时间缩短3/5～4/5，被称为“宫胁法”[7]。

目前日本国内的客土喷播有20多种施工方法[8]。

中国从90年代开始进行这方面的实践，谭雪红等的研究表明，在尊重自然规律的前提下，对物种进行合理的搭配种植有利于边坡植被的恢复[9]。

尽管目前的研究和实践已经很多，但仍存在一些问题，主要有：（1）对高陡（30m、600以上）岩质边坡植被恢复缺乏有效手段；（2）对植物的立地条件理论探讨不够。

事实上，无论何种坡度、无论何种立地条件，只要具备基本的生境，植被都可以生长，并逐渐形成具有自组织功能的植被生态系统[10]。

在物种生境研究中常被生态学家忽视的是地下生境（简称地境），地境是生态地质学理论的主要内容，它是指容纳植物根系的空间，也是其肥分、水分、有机质等的来源。

它与植物的种类、生长状况、植被群落的结构都有着密不可分的关系。

地境中任一条件的改变都可直接影响植物的存活和生长，而且植物的各种形态学的特征都与地境有密不可分的关系。

不同类型植物生存所需的水肥条件各不相同，而地境的研究则能准确的反映出不同植物生长过程中所需特定的水肥组合[11]。

通过对植物地境结构特征的研究可以反映出不同植物生长过程中对不同地境条件的要求，可以说，有什么样的地境结构就决定了可以长出什么样的植物。

岩质高陡边坡植被恢复的根本问题就是如何在高陡边坡建造植物需要的地境的问题。

基于此，本文以河南省宜阳县锦屏山岩质边坡为例进行植物的地境结构特征研究。

2 锦屏山边坡概况
宜阳县位于豫西山区，多年平均气温14.8℃，多年平均降雨量694mm，全年无
霜期229天。

锦屏山位于伏牛山脉北缘，山体呈近东西走向，最高海拔444.2m，最低处 196.1m，东西长 5km，南北宽2km，其名缘自唐女皇武则天题词“锦屏
奇观”。

从上世纪80年代开始为了取用石材，当地企业对锦屏山进行大规模的开挖，历经17年的开采，整个采石场自东向西已形成了长约2500m，宽30-50m，剥离面高30-150m的人工采掘面。

即山体的北半边为高约150m左右、坡度达600以上的人工石质边坡。

在本世纪初采石场相继被关闭，但遗留的边坡怪石嶙峋、光秃秃的山体成了宜阳县城环境的一道“伤疤”。

受母质岩性、地貌、植被及人工采石的综合作用，研究区内的土壤类型较为复杂，大体可分为三类：①山脚处的覆土，土层较厚，区内厚30～300cm，部分已作为耕地；②山顶和陡壁的石缝中的土壤，这类土量较少，区内厚0～20cm；③山坡
上的土为灰黄褐色、灰褐色、黄褐色、棕褐色或棕黄色亚砂土，质地较粗，且松散，碎石含量由表及里逐渐增多，区内厚20～50cm。

3 地境特征分析
野外调查发现植被不是不能在岩体上生长，而且可以有层次地、长年地生长（见照片1、2、3），那么这些植物的生长在何种地境结构中？这些地境条件人工可否
再造？本文以生态地质学理论为指导，以样方和样坑调查、土样分析等方法进行研究。

照片1 灌木覆盖的石山
照片2 岩缝中的荩草
照片3 岩壁上的灌木
3.1 植被特征
研究区内天然植被以次生灌木林和草本为主，间有长势一般的乔木，根据植被覆盖情况可将研究区分为三类：
（1）人工开采形成的一系列连续的采掘面和人工台地植被覆盖率低于5%。

植物
仅生长在缝隙内和微地貌形成的小台阶上，乔灌木少见，多为草本，植物主要有臭椿（Ailanthus altissima.）、构树（Broussonetia papyrifera.）、锦鸡儿（Caragana sinica.）、胡枝子（Lespedeza bicolor Turcz.）、黄荆（Vitex negundo Linn.）、钝萼铁线莲（Clematis.）、荩草（Arthraxon Beauv.）、一年蓬（Erigeron annuus.）等；
（2）自然复绿的采石场植被覆盖率平均约40%。

陡壁上植被覆盖率低，约15%，植物主要生长在裂缝和微地貌形成的台阶上，乔灌木及草本皆有，乔灌木主要是臭椿、构树、锦鸡儿、黄荆、胡枝子、枸杞（Lycium chinense），藤本有乌头叶蛇葡萄（Ampelopsis aconitifolia Bunge），草本主要有苍耳（Xanthium sibiricum）、猪毛蒿（Artemisia scoparia Waldst.et Kit.）、小飞蓬、荩草、紫马唐（Digitaria violascens Link.）、鬼针草（Bidens pilosa）、悬钩子（Rubus corchorifolius Linn.f）等；
（3）天然山坡上植被覆盖率在60%以上。

在山脚偶见天然乔木，如臭椿、构树、榆树（Ulmus pumila L）、刺槐（Robinia pseudoacacia L.）等；山脚及山腰下部有人工种植的柏树（Platycladus orientalis(L.)Francoptmxjjkmsc），灌木主
要有胡枝子，乔灌混生；山顶及山腰上部乔木极少见，灌木黄荆、胡枝子、酸枣（Ziziphus jujuba var.spinosa(Bunge)Hu）、红花锦鸡儿和树锦鸡儿较常见，草本中毛莲蒿（Artemisia vestita）、沙蒿（Artemisia desertorum
Spreng.Syst.Veg.）为优势种。

3.2 地境调查
植物的根不仅对植物体起到固着与支持作用，还从地境吸收水分和养分。

从理论上看，无论是深根系的木本植物还是浅根系的草本植物，也无论是直根系还是须根系植物，真正具有吸收功能的不是粗壮成熟的主根和侧根，而是细根的根尖和其上的
根毛。

根系的分布不均匀，一般在垂向上呈纺锤状，纺锤体的中上部根重大、根土比高，且细根（根茎＜2mm的根）数目多，也是根毛最密集的部位[12]，这个部位即为根群[11][13]。

根群是根系中吸收水分和养分最主要的功能区，根群与其中包含的土壤称为根群圈。

一个群落中的不同物种拥有不同的根群深度，有的处于浅部，有的位于深部，同种物种的根群圈接连形成特定的层片，多个物种就有多个层片。

但不同植物的根系相互交错缠绕，很难区分出层次，而根群的统计结果则能清楚的反映层片的分布规律，呈现出不同植物的根群范围。

所以，研究区野外生态地质调查中的研究重点是调查不同植物物种的分布以及其生长状况，用以研究地境层片与不同植物物种的对应关系及各层片的水肥条件与植物长势。

（1）样地的选择
此次野外调查共选择4块样地，1号样地位于天然边坡坡面上；2号样地位于天然边坡山顶，裂隙发达，植物全部生长于岩石裂隙中；3号样地位于自然恢复段采石场坡面处；4号样地样地位于自然恢复段采石场前平台。

其中2号样坑位于岩体上无法进行样坑开挖。

（2）样地的调查内容与方法
地境结构调查包括土层岩性、温度、含水量、各种营养盐含量和根系分布特征等内容，相关形状和指标的获取通过开挖样坑、分层取样、现场测试和室内化验等一系列环节完成。

地境结构的调查主要通过样坑的开挖来实现。

样方大小约为7m×7m，并在样地中央开挖一个宽110cm，深度为30～50cm，长80cm的样坑，坑壁直立一面为取样和根系调查的主界面。

坑深在30～50cm是由于该区为山区，很多地方为采石场的废弃地，土壤厚度较薄，基岩埋深浅。

开挖过程中一般距离乔木或灌木
80cm左右，以避免对其根群损伤过大而造成植物物种死亡。

在样坑开挖完成后，
在主调查面上依次完成下述工作：①土层岩性鉴定、分层；②取心土测定含水量；
③进行植物根系调查，计数时按粗根（根茎＞10mm），中根（根茎为2～10mm）和细根（根茎＜2mm）三级划分；④根的调查统计工作完成后，在主调查面上，
由上至下每10cm取一组土样，用以室内测定肥分、离子成分等物理化学指标。

（3）根群层片分析
以两组细根频率分布曲线对调查区地境结构进行分析：第一组是细根总频率-深度
曲线；第二组是主调查面中轴（左右对称轴）两侧不同距离处的细根频率-深度曲
线类型。

1号样坑（图1）：总频率分布曲线有一个波峰，在11cm处出现峰值，在不同平距频率分布曲线中，该波峰左右对称分布，与植被样地相对应的植物是为毛莲蒿、沙蒿、乱子草等草本植物的根群圈范围；20cm向下一定距离为黄荆等灌木根群圈范围。

3号样坑（图2）：总频率分布曲线有一个波峰，在15cm处出现峰值，与植被样地调查相对的植物是毛莲蒿、荩草、紫马唐等草本植物的根群圈范围，20cm向下一定距离为臭椿、乌头叶蛇葡萄等乔灌木的根群位置。

4号样坑（图3）：总频率分布曲线有一个波峰，在12cm处出现峰值，与植被调查相对应的植物为猪毛蒿、小飞蓬等草本植物的根群圈范围，样地附近不存在乔灌木。

图1 1号样坑细根频率分布图
图2 3号样坑细根频率分布图
图3 4号样坑细根频率分布图
通过对上述样坑植物根群层片规律的分析可知，该地细根频率曲线收敛域在40cm 以内，中根的最大分布深度为30cm，即锦屏山调查区域的植物地境的底界在
40cm以内。

这是由于几块样地均缺乏成年乔木，且未成年乔木数量也极少，加之根群受到坚硬地层的胁迫效应使得乔木、灌木根群层片发育受到限制，因此所有根群只能挤在同一处而无法形成完整根群层片。

虽然各植物的根群层片不完整，但样地内不乏长势良好的草本及灌木，说明除草本植物外，该区仍有种植灌木的良好基
质。

另外2号样地调查的是岩壁上的缝隙，说明在岩石的缝隙中可以存活、长久
生长植物，包括灌木和草本，即使在如此狭小的空间里，植物的根仍然能找到伸缩的空间，这也说明这些裂缝可以满足植物生存所必需的地境条件。

照片4是岩壁
上的构树，长势固然不是很好，但照片5中该树的根系却足够发达，说明依然可
以从照片6是岩石裂缝中吸收丰富的有机质。

照片4 岩缝中的构树
照片5 构树的根系
照片6 岩缝中的有机质
3.3 样坑土壤肥力状况分析
研究区共调查样坑四个，获得土样肥力数据21组，肥力数据及各分层肥力状况见表1。

1号样坑代表了天然边坡的坡面地段的土壤，2号样地位于天然边坡的坡顶，该样地内主要分布有8条裂缝，共采集裂缝土样8份；3号样坑代表了自然恢复
段边坡坡面的土壤特征，4号样坑代表了自然恢复段边坡坡脚平台的土壤特征。

由于2号样地内的土样均取自山顶裂缝内土壤，对比可知，同样是天然状态下，
缝隙中土壤肥力的有机质含量是天然边坡土壤的2倍多，有效磷高出4倍，碱解
氮高出大约一倍，有效钾高出3倍，相当于东北黑土型耕地类型区中的九类土，
这可能由于缝隙自身的形态特点在风、雨等自然力的作用下易于汇集养分，加之腐殖质不易流失，最终导致土壤肥力增高。

与全国耕地类型区、耕地地力等级划分标准相对照，宜阳县采石场自然恢复段边坡的土壤属于北方山地丘陵棕壤、褐土（含黄棕壤、黄褐土）耕地类型区，其肥力水平较其中九类土要差，尤其有机质与有效钾含量水平低于该耕地类型区内的九类土，为坡度大于20°的岗坡地地貌，自地表往下30cm的深度内土体呈棕黄色，含碎石亚砂土，粒径在1—3cm间，碎石为棱角状青灰色石灰岩，土石比约6:4，土质松散，虫孔发育，较湿润，耕作层厚度一般小于10cm。

从表1可以看出，无论是自然山坡、人工平台都有植物生长，且长势良好，具有
自组织持续生长能力，其土壤肥力数据说明能够满足植物的生长需要，有机质的变化特征是随着坡度升高呈增长趋势，有效磷变化随着坡度增高也具有逐渐升高的特征，氮、钾、含水量等都具有这个特点，这说明植物的离地面条件与坡度不具备明显的直线相关关系，即既非坡度越高植被生存条件越差，也非任何石质高陡边坡都具有植物生长的基本条件，它与边坡上的裂隙发育程度以及裂隙中肥分含量等有关。

表1 1-4号样坑测试数据表?
4 结论
锦屏山石质边坡植被地境结构具有以下特征：
（1）植被地境深度以40cm为界，受底层岩石胁迫其根群层片发育不完整；（2）边坡及岩缝中土壤肥力略差于国家九类土标准，但可以满足植被生长的基本需要；
（3）土壤含水量能够保证植物基本生长需求，在目前气候条件下、在没有人工养护的前提下植被可具有自组织功能持续生长。

以上说明在人工高陡边坡植被恢复中可以人工构建植物生长的基本地镜，在前期加以简要的人工养护下可以保证植物持续健康生长，达到边坡生态恢复的目的。

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