郭碧花,張雪梅,劉金平*,游明鴻,甘小洪,羊勇
(1.西華師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,四川 南充 637009;2.四川省草原科學(xué)研究院,四川 成都 611731;3.四川久馬高速公路有限責(zé)任公司,四川 成都 611212)
川西北高原地處青藏高原東緣,是典型高寒生態(tài)脆弱地帶[1]和國家重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)[2],也是產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)薄弱、交通條件落后的區(qū)域性深度貧困地區(qū)。修建高速公路對(duì)消除貧困、改善民生,加強(qiáng)民族團(tuán)結(jié)和保證邊疆穩(wěn)定,實(shí)現(xiàn)國家西部發(fā)展和“一帶一路”倡議具有重大意義。因川西北高原海拔高、輻射強(qiáng)、積溫低、生長期短的特殊氣候條件[3],加之土壤、植被與景觀的地域性分布與整體生態(tài)脆弱性,實(shí)施安全、穩(wěn)定、環(huán)保的邊坡生態(tài)防護(hù)工程,是統(tǒng)籌推進(jìn)交通強(qiáng)國建設(shè),實(shí)現(xiàn)交通生態(tài)環(huán)境保護(hù)修復(fù)的基本要求。
為增加公路邊坡的抗蝕能力、生態(tài)安全性和景觀效益,常通過干砌塊石、防滑掛網(wǎng)、添換客土、液壓噴播等技術(shù),建植護(hù)坡植物群落[4-5]。關(guān)于公路邊坡的基質(zhì)配比與厚度[6-7]、植物選擇與配置[8]、播種方式與養(yǎng)護(hù)技術(shù)[9],及再生群落穩(wěn)定性與水土保持效果評(píng)價(jià)[10-11]進(jìn)行了大量研究與實(shí)踐。但針對(duì)高寒地區(qū)公路邊坡可借鑒的經(jīng)驗(yàn)與成果極少,開展現(xiàn)有公路邊坡的沙化現(xiàn)狀調(diào)查研究與固土護(hù)坡效果評(píng)價(jià),是摸索與總結(jié)該區(qū)生態(tài)邊坡建設(shè)經(jīng)驗(yàn)的有效途徑。
坡度影響太陽輻射、水分、氧氣和養(yǎng)分分布格局[12],引起立地條件與生存環(huán)境異質(zhì)性,使植物可利用資源數(shù)量、對(duì)資源競(jìng)爭強(qiáng)度及反饋表達(dá)不同,從而影響護(hù)坡植物群落組成、外貌特征與群落穩(wěn)定性。本研究在國道G248紅原縣機(jī)場(chǎng)段,選擇經(jīng)10年自然演替的5個(gè)坡度等級(jí)的公路護(hù)坡,通過測(cè)定土壤質(zhì)地和理化性狀及沙化程度比例等指標(biāo),分析坡度對(duì)土壤保水保肥能力、植被蓋度及沙化等級(jí)的影響,探究不同坡度上護(hù)坡工程建設(shè)技術(shù)要點(diǎn)。研究結(jié)果為高寒地區(qū)高速公路護(hù)坡工程設(shè)計(jì)、植物選擇與配置及建植養(yǎng)護(hù)技術(shù)優(yōu)化提供依據(jù),為川西北高原未來4600 km規(guī)劃路網(wǎng)建設(shè)及青藏高原類似工程建設(shè)提供借鑒。
試驗(yàn)于G248四川省阿壩州紅原縣機(jī)場(chǎng)段進(jìn)行,東經(jīng)102°21′,北緯32°31′,為大陸性高原溫帶季風(fēng)氣候,海拔3560 m,年均溫1.1℃,極端高溫23.5℃,極端低溫-33.8℃,年降水量738 mm,相對(duì)濕度71%,年積溫865℃,年輻射量(20.93~29.30)×106kJ·m-2。地帶性植被為高寒草甸,植被類型為禾草-嵩草-雜類草草甸。
于2021年7月,參照森林調(diào)查坡度劃分等級(jí)[13],在國道G248機(jī)場(chǎng)段(均為墊基公路,均為坡高<5 m的非地帶性小尺度低護(hù)坡),在約5 km公路兩側(cè)護(hù)坡[2011年擴(kuò)建時(shí),僅通過堆基、土壤平整、補(bǔ)播老芒麥(Elymusspp.)等本地禾草建成護(hù)坡,未進(jìn)行干砌塊石、坡面固定、防滑掛網(wǎng)等工程技術(shù)處理,自然演替至今]上,依坡度大小劃分為緩坡(6°~15°)、斜坡(16°~25°)、陡坡(26°~35°)、急坡(36°~45°)和峭坡(>45°)5個(gè)等級(jí),每級(jí)坡度上,隨機(jī)劃定樣地(約10 m2)各20個(gè),每樣地中隨機(jī)設(shè)置1.0 m×1.0 m樣方各3個(gè)。以距路基>10 m的未受工程干擾的平坦天然草地為對(duì)照(CK)。
土壤性狀:每樣方隨機(jī)用直徑50 mm環(huán)刀,鉆取0~20 cm原狀土(土層過薄時(shí),到巖石層為止),3次重復(fù),去除雜物稱鮮重后,裝入鋁盒,110℃烘干至恒重為干重。土壤含水量=(土樣鮮重-土樣干重)/土樣鮮重×100%;土壤容重=環(huán)刀干土重/環(huán)刀容積。用干篩法振蕩10 min,按國際制分離為黏粒(<0.002 mm)、粉粒(0.002~0.020 mm)、細(xì)砂粒(0.02~0.20 mm)、粗砂粒(0.20~2.00 mm)和石礫(>2 mm)稱重,計(jì)算各粒級(jí)比例。土壤數(shù)據(jù)由楊凌新化生態(tài)科技有限公司測(cè)定,具體采用總有機(jī)碳分析儀(Min/C 3100)測(cè)有機(jī)質(zhì)、總碳、溶解性有機(jī)碳和無機(jī)碳含量,凱氏定氮法測(cè)全氮和有效氮含量,堿解擴(kuò)散法測(cè)堿解氮含量,鉬銻比色法測(cè)全磷含量,碳酸氫鈉法測(cè)有效磷含量,火焰法測(cè)全鉀含量,乙酸銨提取法測(cè)有效鉀含量[14]。
沙化度:網(wǎng)格法(1.0 m×1.0 m方框,劃分為100格)測(cè)樣方所有植物的蓋度,參照《天然草地退化、沙化、鹽漬化的分級(jí)指標(biāo)》國家標(biāo)準(zhǔn)(GB 19377-2003)[15],結(jié)合護(hù)坡的植被蓋度,劃定未沙化(non desertification,ND,蓋度≥95%)、輕度沙化(light desertification,LD,蓋度80%~94%)、中度沙化(moderate desertification,MD,蓋度50%~79%)、重 度 沙 化(severe desertification,SD,蓋 度20%~49%)、極 重 度 沙 化(extremely severe desertification,ED,蓋度≤19%),計(jì)算:某個(gè)沙化度比例=某個(gè)沙化度面積/總面積×100%。
沙化表現(xiàn):參照《天然草地退化、沙化、鹽漬化的分級(jí)指標(biāo)》[15],以必須監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中的植物群落特征指標(biāo):草地總蓋度相對(duì)百分?jǐn)?shù)的減少率=(CK蓋度-某坡度的沙化蓋度)/CK蓋度×100%,沙化面積占草地面積相對(duì)百分?jǐn)?shù)的增加率=(某坡度的沙化面積-CK沙化面積)/CK沙化面積×100%;以輔助監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中的機(jī)械組成指標(biāo)和養(yǎng)分含量指標(biāo):<0.02 mm粉粒相對(duì)減少率=(CK粉粒比例-某坡度粉粒比例)/CK粉粒比例×100%,>0.05 mm砂粒相對(duì)增加率=(某坡度砂粒比例-CK砂粒比例)/CK砂粒比例×100%,有機(jī)質(zhì)含量相對(duì)減少率=(CK有機(jī)質(zhì)含量-某坡度有機(jī)質(zhì)含量)/CK有機(jī)質(zhì)含量×100%,全氮含量相對(duì)減少率=(CK全氮含量-某坡度全氮含量)/CK全氮含量×100%。
采用SPSS 19.0進(jìn)行SNK多重比較、單因素方差分析等數(shù)據(jù)分析,并用Duncan法對(duì)各參數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。
坡度對(duì)土壤顆粒組成有極顯著影響(P<0.01)(表1),隨坡度增加,粗砂粒和石礫比例不斷增加,黏粒、粉粒和細(xì)砂粒比例不斷下降。坡度對(duì)土壤顆粒影響為石礫>粗砂粒>粉粒>黏粒>細(xì)砂粒。緩坡上細(xì)砂粒和石礫比例與CK差異較小,黏粒和粉粒占比下降14.05%和21.53%,而粗砂粒增加221.34%。黏粒和細(xì)砂粒隨坡度增加相對(duì)均速降低,粉粒在陡坡上降幅最大,粗砂粒和石礫在峭坡上增幅最大。急坡和峭坡上黏粒、粉粒和細(xì)砂粒僅為CK的27.33%、20.69%和24.92%,14.09%、10.65%和37.00%,而粗砂粒和石礫是CK的9.10、204.80倍和10.79、362.4倍。坡度越大粗砂粒比例越大,土壤質(zhì)地越差且沙化特征越明顯。
表1 坡度對(duì)土壤粒級(jí)組成的影響Table 1 Effects of slope size on grassland soil granularity composition(%)
坡度對(duì)土壤pH、容重和含水量有極顯著影響(P<0.01)(表2),隨坡度增加容重和pH不斷增加,含水量不斷下降(P<0.05)。CK和緩坡上pH為酸性、斜坡和陡坡上近中性、急坡和峭坡上為堿性,斜坡和陡坡間pH差異較小。5個(gè)坡度級(jí)上土壤容重分別是CK的1.54、2.06、2.74、3.68、4.92倍,而含水量分別是CK的73.11%、48.86%、32.16%、23.72%、15.10%。急坡和峭坡上pH>7而含水量<20%,呈現(xiàn)出典型鹽堿化和干旱化特征。
2.3.1 碳含量 坡度對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)(soil organic matter,SOM)、總碳(total carbon,TC)、溶解性有機(jī)碳(dissolved organic carbon,DOC)、無機(jī)碳(inorganic carbon,IC)含量有極顯著影響(P<0.001)(表2),隨坡度增加SOM和TC含量顯著逐步下降,DOC和IC則先顯著下降后趨于穩(wěn)定(P<0.05)。坡度對(duì)碳含量影響為SOM>TC>IC>DOC,5個(gè)坡度級(jí)上SOM和TC分別為CK的80.27%、62.35%、26.31%、8.29%、2.92%和86.96%、50.05%、37.33%、34.94%、26.73%,SOM下降幅度與速度大于TC,斜坡和陡坡下SOM下降約40%。緩坡使DOC和IC下降大于50%,斜坡使IC下降幅度與速度大于DOC,陡坡、急坡和峭坡間DOC和IC含量無顯著差異(P>0.05)。
表2 坡度對(duì)土壤物理性狀和碳含量的影響Table 2 Effects of slope size on soil physical properties and carbon content
2.3.2 土壤肥力 坡度對(duì)土壤全N、全P、全K和有效N、有效P、有效K含量有極顯著影響(P<0.001)(表3),隨坡度增加,全N、有效N和堿解N顯著下降,全P、全K和有效P、有效K則表現(xiàn)不同。坡度對(duì)土壤肥力影響為有效N>堿解N>全N>有效K>有效P>全K>全P,緩坡下全P和全K與CK差異較小,有效P高于CK,有效K低于CK,全N、堿解N和有效N均低于CK(P<0.05)。5個(gè)坡度級(jí)下全N、堿解N和有效N分別是CK的56.43%、42.37%、20.41%、11.66%、10.12%,60.07%、34.58%、15.52%、9.58%、7.25%,45.40%、28.24%、19.63%、10.87%、2.67%,有效N在緩坡和斜坡下降速度快于全N和堿解N,全N和堿解N在陡坡下降幅度最大。緩坡全P和有效P大于CK,斜坡全P和有效P比緩坡下降22.03%和41.01%,而在陡坡、急坡、峭坡間差異較小(P>0.05)。5個(gè)坡度級(jí)的全K均大于CK,斜坡全K達(dá)最大值,陡坡、急坡、峭坡間差異較?。≒>0.05),而有效K分別為CK的94.03%、63.39%、43.51%、39.10%、39.51%,有效K在斜坡和陡坡下降速度較快。
表3 坡度對(duì)土壤肥力的影響Table 3 Effects of slope size on soil fertility
坡度對(duì)護(hù)坡沙化等級(jí)比例有極顯著影響(P<0.001)(表4),隨坡度增加,ND比例越來越小,LD、MD和SD比例先增加后減少,ED比例越來越大,坡度對(duì)沙化等級(jí)影響為ED>ND>MD>LD>SD。緩坡降低ND比例,增加LD和MD比例,而對(duì)SD和ED幾無影響。緩坡和斜坡上ND比例下降為CK的74.80%和3.34%,LD、MD和SD比例是CK的1.50和0.68倍、2.27和14.25倍、1.13和329.00倍。LD、MD和SD比例分別在緩坡、斜坡和陡坡達(dá)最大后,隨沙化度增加又快速降低,在峭坡上占比僅為0.09%、6.11%和11.03%,而ED比例在>25°后快速上升。
表4 坡度對(duì)沙化等級(jí)比例的影響Table 4 Effect of slope size on the proportion of desertification degree(%)
坡度對(duì)沙化表現(xiàn)指標(biāo)有極顯著影響(P<0.001)(表5),隨坡度增加,沙化表現(xiàn)指標(biāo)均越來越大,總蓋度相對(duì)百分?jǐn)?shù)減少率、<0.02 mm粉粒相對(duì)減少率、>0.05 mm砂粒相對(duì)增加率顯著增加,沙化面積相對(duì)增加率在陡坡、急坡和峭坡間無差異,有機(jī)質(zhì)含量和全氮含量相對(duì)減少率在急坡和峭坡間無差異??偵w度相對(duì)百分?jǐn)?shù)的減少率在斜坡下增加幅度較大,沙化面積相對(duì)增加率在緩坡和斜坡下增加幅度較大,有機(jī)質(zhì)含量和全氮含量相對(duì)減少率在緩坡、斜坡和陡坡下增加幅度較大。
表5 坡度對(duì)沙化度評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響Table 5 Effect of slope size on the evaluation index of desertification degree(%)
坡度依尺度、區(qū)域、對(duì)象與目的有諸多的劃分方法與標(biāo)準(zhǔn)[16-17],本研究把試驗(yàn)路段公路護(hù)坡劃為5個(gè)坡度等級(jí),占比約為緩坡22%、斜坡38%、陡坡21%、急坡12%和峭坡7%。不同坡度水蝕風(fēng)蝕強(qiáng)度的差異,使坡度越大,粗砂粒和石礫比例越高,黏粒和粉粒流失越嚴(yán)重。不同粒級(jí)的物理性質(zhì)、物理機(jī)械性質(zhì)和營養(yǎng)程度不同,顆粒越小養(yǎng)分越高且蓄水保肥力越強(qiáng)[18],坡度增加引起植物群落密度和蓋度降低[16],根系保水固土能力下降[17],水土流失導(dǎo)致土壤容重增加,使土壤呈現(xiàn)出退化、沙化和鹽堿化特征,與其他區(qū)域研究結(jié)果一致[10]。坡度影響水肥截留能力與抗侵蝕能力[19],坡度越大滯留凋落物、轉(zhuǎn)化有機(jī)質(zhì)、釋放養(yǎng)分能力越低[20],碳輸入減少與粉粒流失,間接影響土壤酶數(shù)量與活性[19],使酶流失量隨坡度增大呈指數(shù)倍增多[21],從而影響土壤團(tuán)聚體組成、數(shù)量、分形維數(shù)、分布能力,引起土壤結(jié)構(gòu)性、通氣性、滲透性、吸附性、緩沖性及穩(wěn)定性衰退與喪失[22],致使土壤理化性狀發(fā)生改變。
坡度升高顯著降低植被蓋度與減少滯留凋落物[17],進(jìn)而影響有機(jī)碳輸入輸出、分解轉(zhuǎn)化[23],使TC和SOM含量下降,SOM多以沉積有機(jī)碳(sedimentary organic carbon,SOC)的形式存在,DOC為溶解性易受環(huán)境影響的SOC,土壤水分含量下降使在緩坡和斜坡上DOC流失速率大于TC和SOM。當(dāng)坡度>25°對(duì)DOC幾乎無影響,而SOM流失速度大于TC,說明坡度主要引起土壤中活性SOC流失。90%的SOC儲(chǔ)存在土壤團(tuán)聚體內(nèi)[24],難分解或頑固性SOC占土壤SOM的60%~80%[25],不同沙化土壤中SOC存在于不同粒徑的團(tuán)聚體中[24]。土壤SOC與含水量顯著正相關(guān)[26],與土壤pH顯著負(fù)相關(guān)[27],坡度增大使水分降低、pH增大,致使TC、SOC和SOM降低。土壤中的無機(jī)碳包括土壤中根系、微生物和動(dòng)物呼吸及含碳化合物的化學(xué)氧化產(chǎn)生的CO2和碳酸鹽[28],土壤CO2含量與水分含量成正比,緩坡和斜坡下IC顯著降低,是水分流失影響土壤呼吸的結(jié)果。而坡度>25°后,水分降低而IC含量幾乎無變化,說明土壤呼吸使CO2降低量與沙化使碳酸鹽增加量趨于平衡。坡度對(duì)土壤碳的種類、數(shù)量影響,引起土壤碳的時(shí)空分布、變異特征變化,持續(xù)影響土壤質(zhì)地及供水供肥能力。
有機(jī)質(zhì)累積數(shù)量、熟化程度、分解速度與存在形式,對(duì)土壤物理肥力、化學(xué)肥力和生物肥力貯藏與釋放起關(guān)鍵作用[27]。坡度越大SOM流失越嚴(yán)重,土壤表層流失是土壤中氮素流失的主要途徑[29],故土壤中全N、有效N和堿解N隨坡度增加而不斷下降,有效N和堿解N易受土壤質(zhì)地、水熱條件和生物活動(dòng)的影響[20,22],故流失速率大于全N。坡度>12°后養(yǎng)分流失量與坡度為冪函數(shù)關(guān)系[30],P素隨坡度增大流失量也增大,有效P流失率大于全P[31]。但坡度>15°后全P并未下降,且有效P在陡坡和峭坡上無差異,或因全磷含量主要受成土母質(zhì)的影響,固存在土壤礦物質(zhì)或次生礦物質(zhì)中,生境條件與土壤情況對(duì)其生物地球化學(xué)過程影響較?。?2],僅有機(jī)P易流失。隨坡度增加全K含量增加而有效K降低,且有效K占全K比例不斷下降。坡度引起土壤沙化與干旱,使水溶性K和交換性K降低而礦物中固定K增加,隨水分流失K由底層運(yùn)輸且滯留于地表,使表層土壤鹽堿化而pH值升高。坡度對(duì)N、P、K含量與存在狀態(tài)及比例的影響,使不同坡度土壤供水供肥能力不同。
土壤與植物相互選擇、互相適應(yīng)與協(xié)同進(jìn)化能力,是群落構(gòu)建、生產(chǎn)力形成的根本動(dòng)力。坡度升高會(huì)降低植物的凈光合速率及蒸騰速率[16],限制植物分蘗、拓展與再生能力,限制根系向坡面深處延伸[17],降低種子庫的種子密度和物種豐富度[33],影響植物群落外貌、結(jié)構(gòu)和數(shù)量特征,致使坡度對(duì)以蓋度為基礎(chǔ)的沙化等級(jí)比例有極顯著影響。坡度越大高等級(jí)沙化的比例越大,緩坡主要引起LD,斜坡下ND占比52.46%,坡度>25°ED占比急劇增加。常以蓋度作為草地沙化的劃分依據(jù)[34-35],但坡度對(duì)植物生態(tài)型、生活型等功能群組成及優(yōu)勢(shì)度影響,僅以植被蓋度不能體現(xiàn)群落的物種豐富度和物種多樣性及其功能特征[34-35]。本研究以《天然草地退化、沙化、鹽漬化的分級(jí)指標(biāo)》[15]中必測(cè)項(xiàng)目植物群落特征指標(biāo)和輔測(cè)項(xiàng)目機(jī)械組成指標(biāo)及養(yǎng)分含量指標(biāo),對(duì)坡度沙化表現(xiàn)分析表明,總蓋度相對(duì)百分?jǐn)?shù)的減少率隨坡度增加其數(shù)值變化較小,當(dāng)坡度>25°沙化面積相對(duì)增加率幾乎無變化,僅靠蓋度不能表達(dá)真實(shí)沙化程度。而當(dāng)坡度>25°有機(jī)質(zhì)含量和全氮含量相對(duì)減少率差異較小,僅粉粒相對(duì)減少率和砂粒相對(duì)增加率才能真正反映所有坡度的沙化情況。故對(duì)高寒草地健康程度及公路護(hù)坡功能評(píng)價(jià)時(shí),需依據(jù)坡度選擇與構(gòu)建合適的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。
高寒草甸生態(tài)脆弱區(qū)建設(shè)公路邊坡是系統(tǒng)的生態(tài)防護(hù)工程,依據(jù)坡度構(gòu)建相對(duì)穩(wěn)定的“坡度-土壤-植物”關(guān)系,是體現(xiàn)公路護(hù)坡主要綠化、美化和生態(tài)功能的基礎(chǔ)。坡度對(duì)土壤質(zhì)地、pH值、含水量及肥力的影響,使不同坡度護(hù)坡沙化等級(jí)比例與沙化表現(xiàn)差異顯著,實(shí)質(zhì)是水土流失導(dǎo)致土壤退化、沙化、鹽堿化的外在表現(xiàn)。本研究僅分析了5個(gè)坡度級(jí)上建成10年護(hù)坡的土壤性狀及沙化表現(xiàn),而存留植物種類、群落特征、優(yōu)勢(shì)種及功能群等植物層次的現(xiàn)狀,可反映“坡度-土壤-植物”相互適應(yīng)、協(xié)同進(jìn)化及自然選擇的結(jié)果,對(duì)公路邊坡的坡面處理與工程措施、草種選擇與配置、景觀多樣性與豐富度構(gòu)建等具有參考價(jià)值。其實(shí)坡向決定著坡面的受光方向、光照強(qiáng)度及光照時(shí)數(shù),改變著坡面上生態(tài)因子獲取量與分配途徑[4,13],坡位影響著水分和養(yǎng)分的分布、流動(dòng)、散失及利用效率,從而影響種子分布、植株形態(tài)、生活史和群落特征[36-37],故需深入開展坡度、坡向、坡位對(duì)微生境生態(tài)因子影響的研究,為建設(shè)公路護(hù)坡“土壤-植物-功能”關(guān)系及制定生態(tài)防護(hù)工程技術(shù)路線,提供系統(tǒng)的科學(xué)依據(jù)。
坡度對(duì)土壤質(zhì)地、pH值、含水量、碳組成與含量、養(yǎng)分組成與數(shù)量有顯著影響,黏粒和粉粒流失降低了土壤有機(jī)質(zhì)和總碳含量,使土壤質(zhì)地和供水供肥能力下降,>25°坡度使土壤呈現(xiàn)出退化、沙化、鹽堿化特征。坡度對(duì)沙化等級(jí)比例及沙化表現(xiàn)有顯著影響,坡度>25°時(shí),不能以蓋度減少率和沙化面積增加率,進(jìn)行沙化度等級(jí)劃分與功能評(píng)價(jià)。故高寒地區(qū)公路生態(tài)護(hù)坡建設(shè)時(shí),需注意不同坡度上土壤性狀、沙化度及沙化表現(xiàn)的差異,結(jié)合高寒氣候特點(diǎn),制定相應(yīng)技術(shù)方案。