承德中东部山区公路边坡类型划分及植物配置研究

吴洪波 郭子薇 李菲 査同刚 彭栋

摘   要：基于公路边坡立地条件，对承德市中东部山区公路进行边坡类型划分，在此基础上进行植被配置研究，以提高公路边坡植被恢复措施的针对性和适应性。以承德市机场连接线为研究对象，将承德中东部山区公路边坡按坡面组成、坡度和坡向3个因子划分为土石混合斜、陡阳边坡，岩质斜阳边坡，土石混合斜、陡阴边坡和岩质斜阴边坡4种类型。通过对乡土植物和同类型公路边坡植被恢复调查，筛选出乡土植物和绿化经验植物共12种，用于研究区公路边坡植被恢复。遵循适地适树基本原理，基于物种Pearson相关分析与关联性检验，对区域内不同类型公路边进行植被恢复植物种类搭配，提高公路边坡植被恢复的科学性和合理性。

关键词：承德市机场连接线;公路边坡;立地类型划分;植物配置

公路边坡植被恢复是公路建设工程可持续发展的重要对策之一，具有较高的经济、生态和社会效益，进一步推进生态文明建设要求公路建设过程中，必须更加重视公路边坡的植被恢复工作[1～2]。我国公路边坡植被恢复的主要目标是建设生态型公路边坡，即在尽可能避免破坏自然环境、不违背自然和生态规律的情况下，合理进行边坡人工植被配置。然而由于施工者对于公路边坡立地条件与植被生态学特性之间的适应关系重视不足，在边坡植被恢复时往往只强调植被短期恢复效果，忽略长远效益，导致公路边坡植被出现短期恢复效果好，2～3年后因不适应当地生态环境而出现长势衰弱、叶片发黄，甚至大面积死亡的现象[3～4]。

我国关于公路边坡植被恢复的相关研究起步较晚但发展较为迅速[5～6]。为克服此分类系统尺度较大的不足，骆汉等[7]进行了基于微立地与坡面植被恢复概念的公路边坡分类研究。在公路边坡植被恢复的植物材料选择方面，章梦涛等[8]提出岩质坡面喷混快速绿化新技术。胡淼等[9]运用层次分析法，对植物生态学特性进行定性和定量分析，从而找出都汶高速公路边坡生态恢复的最佳植物种类。龚琴等[10]对广梧高速公路自然条件和植被进行了全面调查，结合植物本身的生物学、生态学及生理学特征，筛选出适于本段高速公路两侧绿化带、边坡绿化的乡土植物，并依据群落学的原则对其组合应用进行设计。

研究表明，公路边坡立地条件与植物生态适应性均是制约公路边坡植被恢复效果的重要因素，在公路边坡植被配置时应予以充分考虑[11]，但将区域公路边坡立地类型划分与植被配置物种选择相结合的研究较少。本研究以承德市机场连接线为研究对象，对承德市中东部山区公路进行边坡类型划分，在此基础上针对不同类型公路边坡进行植物选择搭配，并进行预期恢复效果分析，实现区域公路边坡立地条件与植被系统的耦合，实现公路边坡植被恢复的生态和社会效益最大化。

1     研究区概况

承德中东部山区地形错综复杂，山脉纵横分布，地势东北和西南高，中间低，逐渐过渡，山区海拔500～1000m，相对高度变化大。该区域受内蒙古高压影响较大，属温带半湿润间半干旱大陆性季风性燕山山地气候，春秋干旱多风，冬季干寒漫长，夏季短促。昼夜温差较大，年均气温6.0～9.1℃，年降水量532.5mm，降水主要集中在6～8月，约占年降水量70%。

承德市机场连接线位于承德市中东部的承德县内，长5.778km。区域内公路建设大多开山劈石，形成大量的挖方、填方裸露坡面，边坡海拔分布在510～590m。京承高速公路河北段，起点为京冀交界处的司马台，终点为承德市雹神庙，公路全长76.6km，于2005年建成通车并进行公路边坡喷播绿化。该公路边坡植被恢复目标群落为灌草群落，喷播乔灌木植物主要有：刺槐（Robinia pseudoacacia）、榆树（Ulmuspumila）、臭椿（Ailanthus altissima）、紫穗槐（Amorpha fruticosa）、二色胡枝子（Lespedeza bicolor）、荆条（Vitex chinensis）、小叶锦鸡儿（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   立地条件调查及样品采集

2017年7月，根据承德市机场连接线边坡填挖状况，按主线桩号及位置依次分为13段，编号为1～13号。对13段公路边坡进行立地条件调查：边坡地貌形态、经纬度和海拔使用GPS等测量;坡度、坡向和坡长使用罗盘仪和皮尺测量;沿途根据公路建设图纸确定边坡填挖状况;岩石风化程度采用定性评价方法，从岩石结构、颜色、破碎程度等综合分析确定;观察法确定边坡坡面组成、水土流失状况和周边土地利用方式;分别在每个样点上坡、中坡和下坡去除表层土（0～5cm）使用环刀法采集土样，每个样点重复取样3次，进行试验室直剪和三轴试验。

2.2   植被调查

在承德市机场连接线周边选择自然植被生长状况较好的山体3座，每座山体布设3个5 m×5m样方进行草本、灌木和小乔木调查。植被调查指标包括：植被类型、植物种类、株数、平均高度、盖度、分布状况及生长状况等。位于承德中东部山区的京承高速公路河北段与研究公路地形条件相似，选择5个典型绿化坡面进行公路边坡植被恢复调查，在上、中、下3个坡位分别布设大小为5m×5m样方，记录样方内植被盖度、植物种类、植物盖度、株数等。

2.3   数据分析

实地调查和室内试验数据初步整理分析在 Excel（2013）中进行，基于数据分析结果，采用定性的方法进行边坡立地类型划分因子提取。通过计算草本、灌木和小乔木的重要值选取优势乡土植物，重要值计算公式为：

通过对成对物种的Pearson相关分析与关联性检验，考察优势乡土植物主种间生态联结性，Pearson相关分析与关联性检验公式为：

式中：N为取样总数;a为2物种均出现的样方数;b、c分别为仅1个物种出现的样方数;d为2个物种均未出现的样方数。当ad>bc时为正联结，ad6.635（P<0.01），则表示物对种之间的联结性极显著。

3  结果与分析

3.1  公路边坡立地类型划分

3.1.1   筛选立地因子。（1）坡长。公路既有挖方形成的路堑边坡，也有填方形成的路堤边坡，各边坡坡长差距较大，最短斜坡长为6.5m，最长斜坡达38m（图1）。为保持边坡稳定性，在植被恢复前，对斜坡长20m以上坡面参照《公路路基设计规范》进行坡面分阶，划分后公路边坡坡长范围集中在10～13m，因此，不将坡长作为公路边坡类型划分立地因子。

（2）坡度。由于区域地理条件和施工条件限制，公路边坡整体坡度较大。由图1可知，公路边坡坡度范围集中在32～52°，依据《公路路基设计规范》将承德市机场连接线公路边坡边坡以45°为界，划分为2种类型：斜坡（30～45°）、陡坡（>45°）（图1）。

（3）坡向。由表2可知，承德市机场连接线公路边坡包括阳坡、阴坡、半阳坡和半阴坡，其中阴坡6个、阳坡5个、半阳坡和半阴坡各1个。由于半阳坡和半阴坡数量较少，将半阳坡归于阳坡，半阴坡归于阴坡，即将坡向分为2类，分别为阳坡和阴坡。

（4）坡面组成。承德市机场连接线公路边坡坡面既有由土壤母质、碎石等形成的土石混合边坡，也有由大石块、砾石等组成的石质边坡。由表2可知，13個样点边坡中，共有土石混合边坡8个，岩质边坡5个。

3.1.2   立地类型划分。基于承德市机场连接线公路边坡立地条件分析，充分考虑公路边坡立地条件与植被恢复措施的适应关系，采用定性的方法选择坡面组成、坡向、坡度3个立地因子，作为承德市机场公路边坡立地类型划分因子。坡面组成是影响公路边坡植被恢复效果的重要因素之一，岩质边坡坡度大、无土壤、植被生长发育困难，生态恢复难度远远大于土质边坡[12]。贾致荣等[13]关于边坡坡向对植被自然恢复的影响研究表明，公路边坡坡向植被恢复的盖度、物种类型、物种数量和地上生物量等存在影响。祝小科等[14]通过公路边坡立地条件调查结果，提出依据坡度和坡面物质组成等因子对黔东南国省干线公路边坡进行类型划分。共将承德市机场公路边坡划分为4种边坡类型，分别为：土石混合斜、陡阳边坡，岩质斜阳边坡，土石混合斜、陡阴边坡和岩质斜阴边坡。

3.1.3   4种立地类型坡面特征。承德市机场连线公路边坡坡面整体均表现出土石破碎、坡面凹凸不平，平整度差的特点。结合调查将岩质边坡风化程度划分为未风化、微风化、中风化3个等级，承德市机场连线公路边坡风化特点为：一是未风化边坡岩质新鲜，质地坚硬。二是微风化边坡岩石结构基本未发生改变，有少量裂隙出现。三是中风化边坡岩石结构破坏程度较高，沿节理面有较少次生矿物，裂隙发育，有破碎面，硬度较强土石混合边坡由于物质组成结构较为松散，在降水时形成坡面径流产生不同程度的侵蚀细沟。由调查结果可知，各土石混合边坡的侵蚀细沟数量为4～11条，均存在坡面表层水土流失现象。

3.2   公路边坡植被恢复物种选择

3.2.1   附近山体优势乡土植物植物筛选。承德市机场连接线周边自然山体乔灌植物和耐旱草花植物样方调查共自然植物33种，包括11种乔灌木和22种耐旱草花植物，因气候条件限制，承德地区公路边坡乔木普遍为树高低于2m的小乔木。33种植物隶属于15个科28个属，其中乔灌木以豆科、菊科和榆科三科为主，占到乔灌木植物总数的77.8%，耐旱草花植物以菊科、豆科、禾本科和蓼科为主，占到耐旱草花植物总数的60.0%以上。根据研究区内山体自然植被群落乔灌木层和草本层植物重要值计算结果可知：研究区内山体自然植被的重要值范围1.26%～10.39%，重要值最高的是胡枝子。在乔灌木层中，以胡枝子、紫穗槐、刺槐、大果榆（Ulmus macrocarpa）、荆条、小叶锦鸡儿和三裂绣线菊为主要优势种，重要值高于其他乔灌木种类。在草本层植物中，紫花苜蓿的重要值最高为8.12%，这主要与其耐贫瘠、萌发力强，根系发达的特点有关，沙打旺、歧茎蒿（Digitaria sanguinalis）的重要值分别为4.42和4.04。此外，狗尾草（Setaria viridis）、灰菜（chenopodium ficifolium）、牛筋草（Eleusine indica）lyrata）等入侵性较强的杂草的重要值高于其他耐旱花草植物的重要值。

根据重要值大小排序，剔除重要值较高但入侵性较强的杂草植物，共选出7种优势乡土植物，包括5种灌木，分别为紫穗槐、荆条、三裂绣线菊、小叶锦鸡儿、二色胡枝子和2种耐旱花草植物，分别为紫花苜蓿和沙打旺，并将7种优势植物分别编号为1～7。

3.2.2   优势乡土植物Pearson相关分析与关联性检验。图2为承德市中东部山区优势乡土植物种对之间的Pearson相关分析与关联性检验结果。由图2可见，承德市中东部山区7个优势乡土植物共计组成了21个种对。呈正相关的种对有10个，占种对总数的47.6%，其中极显著正相关的有6个种对、显著正相关的有4个种对;呈负相关的种对有2个，呈不相关的种对有9个，占种对总数的42.9%，说明承德市中东部山区优势乡土植物间相互依赖和对资源竞争程度较强，差异性较小。正关联种与负关联种之间的正负关系比为5，说明7种优势植物具有相似的生境要求。其中，紫穗槐与荆条、三裂叶绣线菊和小叶锦鸡儿极显著正关联，与二色胡枝子呈显著正关联。二色胡枝子与三裂叶绣线菊、紫花苜蓿和沙打旺呈极显著正相关，与荆条呈显著正相关，各物种生长时彼此之间的影响较高，群落的生态稳定性较高。

●为极显著正关联（P<0.01）;○为显著正关联（0.01bc，P>0.05）;-为负关联（ad

3.2.3   同类工程项目植被恢复初期优势植物种筛选。京承高速公路承德段3年期工程公路边坡植被恢复样方共调查植物14种，包括5种灌木和11种耐旱花草植物。16种植物隶属6科15属，其中以豆科、禾本科和菊科为主，占到植物总数的71.4%。根据京承高速公路边坡植被恢复植物种类及重要值计算结果，可知：在乔灌层中，以二色胡枝子、紫穗槐和刺槐占主要优势，重要值分别为11.24、9.10和5.94;在草本层中，高羊茅、紫花苜蓿、黑麦草、波斯菊、草木樨、狗尾草、沙打旺和马唐的重要值高于其他草本植物，重要值分别为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，狗尾草和马唐为入侵性较强的杂草植物，其余植物均为京承高速公路边坡植被恢复目标植物。

根据重要值大小排序，剔除重要值较高的乔木以及入侵性较强的杂草植物，共选出8种优势乡土植物，包括2种灌木，分别为二色胡枝子和紫穗槐，5种耐旱花草植物，分别为高羊茅、紫花苜蓿、黑麦草、波斯菊、草木樨和沙打旺，将8种植物分别编号为a～h。

3.2.4   同类工程项目植被恢复优势植物Pearson相关分析与关联性检验。图3为同类工程项目植被恢复优势植物种对之间的Pearson相关分析与关联性检验结果。由图3可见，承德市中东部山区8个优势乡土植物共计组成了28个种对。呈正相关的种对有13个，占种对总数的46.4%，其中极显著正相关的有6个种对，显著正相关的有7个种对;呈负相关的种对有3个，呈不相关的种对有12个，占种对总数的39.3%。表明京承高速公路河北段优势植被恢复植物种间独立性较高，生态位分离现象较明显，植物在生长过程中的彼此的影响较小，较易受外界的干扰而发生波动，植物群落的稳定性较差。

●为极显著正关联（P<0.01）;○为显著正关联（0.01bc，P>0.05）;-为负关联（ad

在8种优势植物种，二色胡枝子与紫穗槐、高羊茅呈极显著正关联，与紫花苜蓿、黑麦草呈显著正关联;紫穗槐与高羊茅呈极显著正相关，与紫花苜蓿呈显著正相关。高羊茅与黑麦草，草木樨与沙打旺也呈极显著正相关。种间的正关联说明这些物种之间有相同生境、共同利用物种间的资源，具有相似的生态适应性和相互重叠的生态位。种间的负关联说明这些物种之间有不同生境，不具有相似的生态适应性和相互重叠的生态位。

3.3   不同类型公路边坡植物配置

综合3.2.1、3.2.3研究结果，篩选出承德中东部山区优势乡土植物和同类典型公路工程边坡植被恢复经验植物共13种，作为此区域公路边坡植被恢复优选植物种，包括灌木5种，分别为紫穗槐、荆条、三裂绣线菊、小叶锦鸡儿和二色胡枝子;耐旱花草植物6种，分别为紫花苜蓿、沙打旺、波斯菊、高羊茅、黑麦草和草木樨，其余2种为油松和红瑞木，用于路旁绿化。

以建设生态型公路边坡为目标，考虑承德市中东部山区公路建设形成的裸露边坡多为坚硬岩石和土石混合边坡的特点，提出承德市中东部山区公路边坡将喷播“灌草花”与路旁移栽油松、红瑞木相结合的立体植被配置模式。此配置模式的优点在于：灌木和草本互为补充，草本生长发育迅速，弥补灌木在边坡绿化建植前期生长发育缓慢的不足，提早发挥护坡作用。

遵循适地适树和植被恢复基本原理，充分考虑承德中东部山区4种不同类型公路边坡立地条件与13种生态恢复优选植物的生态学特性。基于优势乡土植物种对Pearson相关系数及其显著性关于植物种间关系的分析结果，以形成以灌木为主、草本为辅、稳定的植被群落为目标，对承德中东部山区4种不同类型公路边坡进行乡土物种与边坡植被恢复经验植物相结合的合理搭配（见表1）。

在植被配置时，将灌木与耐旱花草植物配置比例提高至7∶3以上，既可以实现公路边坡早期植被恢复时草本快速覆绿，发挥草本植物对于恶劣环境的适应和改善能力，又可以在2～3年期形成以灌木为优势种和建群种的边坡群落，实现边坡植被恢复的群落建植目标。土石混合边坡的灌木与耐旱花草植物配置比例提高至8∶2，灌木根系将延伸至土石边坡基质中，发挥更加稳定持久的固坡作用。

对于4种不同类型的公路边坡，建植期植物种均以所配置的耐旱花草植物组合为主，尤其是以萌发力较强的紫花苜蓿、黑麦草和高羊茅为主要优势种。长效形成以所配置的灌木，尤其是紫穗槐，荆条和胡枝子等乡土植物为主要优势种，以目标草本植物和入侵杂草如狗尾草、泥胡菜、田旋花为辅的近自然稳定边坡植物群落。在岩质边坡上喷播荆条、沙打旺等固土固沙、改良土壤能力强的物种，将长效发挥植物对于生长环境和土壤的改良作用。在土石混合边坡上喷播三裂绣线菊、小叶锦鸡儿等优良的水土保持植物，起到调节坡面径流、防止公路边坡水土流失和减少土壤侵蚀的作用。

4     结论

（1）以承德市机场连接线为研究对象，对13段裸露边坡进行了各项立地因子的实地调查和室内试验分析，使用定性选取立地因子的方法。将承德中东部山区公路按坡面组成、坡向和坡度3个因子划分为4个边坡类型，分别为：土石混合斜、陡阳边坡，岩质斜阳边坡，土石混合斜、陡阴边坡和岩质斜阴边坡。

（2）通过调查分析承德中东部山区乡土植物和典型公路边坡植被恢复，确定承德中东部山区公路植被恢复的配置方式为：边坡喷播“灌草花”和路旁移栽油松、红瑞木相结合。以实现短时覆绿、长效构建、以灌木为主的公路边坡稳定群落为目标，筛选出乡土植物和边坡生态防护经验植物共13种作为承德市中东部山区公路边坡植被恢复优选植物种，包括5种灌木：紫穗槐、荆条、三裂绣线菊、小叶锦鸡儿和二色胡枝子;6种耐旱花草植物：紫花苜蓿、草木樨、波斯菊、高羊茅、黑麦草和沙打旺;以及油松和红瑞木2种乔木，用于路旁绿化。

（3）遵循适地适树和植被恢复基本原理，基于优势乡土植物种对Pearson相关系数及其显著性分析结果，对承德中东部山区4种不同类型公路边坡进行不同植被恢复物种搭配，实现公路边坡立地条件与植被之间的适应性种植，并分析各边坡植被恢复预期效果，以提高承德中东部山区不同类型公路边坡植被恢复措施的适应性和针对性，更好地发挥预期生态和社会等效益。

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（责任编辑   舒丹丹）