董煥煥，趙紅*，鄧俊雙，余小晴，謝勁松，廖原，孫濱峰

1.江西省交通科學(xué)研究院

2.江西省交通工程集團(tuán)有限公司

3.江西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)工程研究所

高速公路建設(shè)工程是一項(xiàng)線性建設(shè)項(xiàng)目，耗時(shí)耗力巨大，具有戰(zhàn)線長(zhǎng)和破壞地表面積大等特點(diǎn)，施工過程會(huì)產(chǎn)生大量的棄土棄渣，占用耕地、林地等土地資源，破壞當(dāng)?shù)刈匀痪坝^的協(xié)調(diào)性，造成嚴(yán)重的水土流失。且由于這些裸露地面的土壤結(jié)構(gòu)紊亂、理化性質(zhì)差，不利于恢復(fù)耕種和景觀功能[1-2]。因此，對(duì)高速公路棄土場(chǎng)采取相應(yīng)的水土流失防治措施十分必要。

目前國(guó)內(nèi)有諸多棄土場(chǎng)的植被修復(fù)案例，如徐斌等[3]以中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)武試驗(yàn)站王東溝模擬棄土場(chǎng)為例，分析不同施肥下植物對(duì)棄土場(chǎng)土壤改良的效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)施有機(jī)肥處理下各植物種植區(qū)土壤水分較不施肥有明顯的提高，土壤容重和孔隙度均有所改善，有機(jī)質(zhì)、全氮、銨態(tài)氮、有效磷、有效鉀濃度均有所提高。王旭等[4]針對(duì)張承高速公路棄土場(chǎng)的環(huán)境狀況，篩選本土生長(zhǎng)旺盛的草本、灌木和喬木品種，播撒草籽的配方包括披堿草8 g/m2，冷重型滑合花籽2 g/m2、紫花苜蓿5 g/m2、沙打旺2 g/m2、無芒雀麥8 g/m2、多年生黑麥草6 g/m2，結(jié)果發(fā)現(xiàn)研究區(qū)域的生態(tài)環(huán)境取得了較好的恢復(fù)效果，減少了土地資源的浪費(fèi)，且與當(dāng)?shù)氐淖匀画h(huán)境融為一體。Cao 等[5]采用7 種不同的植被配置對(duì)莘南高速30°～33°的陡坡區(qū)進(jìn)行修復(fù)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)草本或草灌組合的土壤恢復(fù)效果較好，草藤組合的恢復(fù)效果最差。以上研究可為棄土場(chǎng)的生態(tài)修復(fù)提供一定的技術(shù)指導(dǎo)。但紅壤丘陵區(qū)作為我國(guó)主要生態(tài)脆弱帶之一，其棄土場(chǎng)的生態(tài)恢復(fù)具有較大困難[6-7]，相關(guān)研究報(bào)道也較少。此外，由于不同氣候區(qū)域植被屬性差異大，不同種類的植被所產(chǎn)生的恢復(fù)效果也不同[8-10]，因此在植被種類的選擇和模式構(gòu)建上也應(yīng)進(jìn)一步研究，同時(shí)應(yīng)考慮其產(chǎn)業(yè)化和經(jīng)濟(jì)效益，使植被恢復(fù)和土壤修復(fù)工作具有長(zhǎng)效性與持續(xù)性。

筆者選擇江西省某紅壤丘陵區(qū)高速公路棄土場(chǎng)作為試驗(yàn)區(qū)，在對(duì)棄土場(chǎng)的土壤養(yǎng)分進(jìn)行檢測(cè)的基礎(chǔ)上，設(shè)置3 種植被配置方案與2 種基肥配置方案，研究不同植被恢復(fù)方式對(duì)棄土場(chǎng)的恢復(fù)效果，以期為高速公路棄土場(chǎng)的生態(tài)恢復(fù)提供科學(xué)參考。

1 研究區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)選取的江西省某高速公路全線位于贛西紅壤丘陵生態(tài)區(qū)，沿線分布著多處大小不一的棄土場(chǎng)及施工便道，部分棄土場(chǎng)以石質(zhì)為主，植被恢復(fù)情況欠佳，水土流失隱患巨大。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)某棄土場(chǎng)的規(guī)模較大，占地面積約20 000 m2，位于共青城以北堯德安縣以南，棄用年限為3 a，表面建筑垃圾、廢棄瀝青垃圾及石礫（＞2 mm）含量較多，植被恢復(fù)率不足50%，有大量土壤處于裸露狀態(tài)，部分區(qū)域有狗牙根、紫花苜蓿等植被覆蓋，亟需采取相應(yīng)的植被恢復(fù)措施。研究區(qū)年均氣溫為16.8 ℃，年均降水量為1 354.1 mm，土壤質(zhì)地為紅壤土，基礎(chǔ)理化性質(zhì)如表1 所示。

表1 棄土場(chǎng)土壤理化性質(zhì)Table 1 Soil physical and chemical properties of abandoned soil site

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1植被配置與基肥配置

研究區(qū)地處長(zhǎng)江以南，屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候，春陰夏熱，秋旱冬冷，四季分明。調(diào)研公路沿線的植被種類，發(fā)現(xiàn)原生植被灌木包括傘房決明、紫穗槐及馬棘等，草本包括狗牙根、百喜草及紫花苜蓿等。根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂驐l件及植被類型，采用喬灌草混播，選擇根系發(fā)達(dá)、分生能力強(qiáng)、抗性強(qiáng)和耐瘠薄的植物。草本選取狗牙根、百喜草、紫花苜蓿，灌木選取傘房決明和紫穗槐，喬木選取馬尾松，藤本選取葛藤。先根據(jù)種子的發(fā)芽率、純凈度和千粒重等因素確定單個(gè)草種播種量，再根據(jù)混播比例確定植被混播量[11]。

試驗(yàn)設(shè)置3 種不同植被配置方案：植被配置1，狗牙根1.6 g/m2+百喜草3 g/m2+紫花苜蓿0.9 g/m2+白三葉0.1 g/m2+傘房決明2.5 g/m2+紫穗槐6 g/m2+馬尾松（穴播）4～6 粒/m2；植被配置2，紫花苜蓿1.2 g/m2+白三葉0.15 g/m2+狗牙根1.2 g/m2+馬棘2 g/m2+美麗胡枝子6.2 g/m2+馬尾松（穴播）4～6 粒/m2；常規(guī)噴播，保水劑8 g/m2+黏合劑8 g/m2+復(fù)合肥100 g/m2+紙漿150 g/m2+水3.5 kg/m2+狗牙根2.5 g/m2+紫花苜蓿1.5 g/m2+馬棘4 g/m2。采用這3 種植被配置對(duì)棄土場(chǎng)進(jìn)行治理修復(fù)，測(cè)量不同時(shí)期的植被高度及地上生物量，并根據(jù)后期植被復(fù)綠狀況以及成本來選取最佳方案。

根據(jù)DB/T 36797—2014《高速公路綠化栽植技術(shù)規(guī)程》的規(guī)定，種植土的各項(xiàng)理化指標(biāo)應(yīng)按DBJ/T 13-132—2010《園林綠化種植土質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》測(cè)定，通過對(duì)棄土場(chǎng)土壤樣品的監(jiān)測(cè)分析，發(fā)現(xiàn)復(fù)合肥施肥量應(yīng)達(dá)到100 g/m2才能保證土壤養(yǎng)分達(dá)到要求。而通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)公路棄土場(chǎng)的常規(guī)施肥量為50 g/m2，因此選擇2 種基肥配置：基肥配置1，50 g/m2；基肥配置2，100 g/m2。

1.2.2試驗(yàn)小區(qū)設(shè)置

試驗(yàn)小區(qū)設(shè)置5 種植被恢復(fù)方式處理及對(duì)照處理，分別為植被配置1+基肥配置1（11 方式）、植被配置1+基肥配置2（12 方式）、植被配置2+基肥配置1（21 方式）、植被配置2+基肥配置2（22 方式）、常規(guī)客土噴播及空白處理（不施肥，不播種）。在每個(gè)樣地試驗(yàn)區(qū)設(shè)置3 m×3 m 的小區(qū)，3 次重復(fù)共18 個(gè)小區(qū)，占地面積162 m2，2019 年4 月中旬完成播種及施肥。

由于試驗(yàn)小區(qū)表面土層遍布較多的石塊和雜物，地表板結(jié)嚴(yán)重，不利于種子的萌發(fā)，在植被配置與基肥配置播種前用挖掘機(jī)將土地翻松，清除表層中的砼塊、塊石、磚頭、鋼筋等硬質(zhì)物質(zhì)。清理完畢檢查合格后對(duì)土壤進(jìn)行整平，苗床地形按自然起伏坡度整地。但應(yīng)注意不得有積水，坡頂呈圓弧形，側(cè)坡修整與原山體自然順接，要把苗床里的土精細(xì)地耙平，耙地之后，土壤呈現(xiàn)上松下實(shí)狀態(tài)。上面的土壤松，保墑通氣好，有利于出苗；下面的土壤實(shí)，種子與土壤接觸緊密，有利于吸水發(fā)芽和根系下扎；低洼積水地進(jìn)行開溝排水。施工時(shí)在場(chǎng)地周邊布設(shè)截（排）水溝、急流槽、沉沙池，棄土坡腳修建漿砌石擋土墻。常規(guī)噴播試驗(yàn)小區(qū)不對(duì)土壤進(jìn)行前期處理。

1.2.3樣品采集與分析

在每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)調(diào)查植被的基本特征，主要包括植被種類、數(shù)量、高度、覆蓋率等。植被高度是指植株的絕對(duì)生長(zhǎng)高度，每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)隨機(jī)選取10 株植物，測(cè)量其頂部與地表的平均距離；采用陰影法測(cè)量植被覆蓋率；采用齊地刈割法測(cè)定地上生物量。在每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)隨機(jī)取土樣3 次，分0～10 和10～20 cm 2 個(gè)層次采集，土樣帶回實(shí)驗(yàn)室，經(jīng)自然風(fēng)干并過2 mm 篩，進(jìn)行土壤容重、含水率、孔隙度以及全氮、堿解氮、速效磷、速效鉀濃度等理化性質(zhì)的監(jiān)測(cè)，土壤容重和孔隙度均采集原狀土，監(jiān)測(cè)方法采用常規(guī)分析方法。每2 周采樣1 次，采樣時(shí)間為2019 年4 月中旬—7 月中旬。

用AVONA 分析對(duì)不同試驗(yàn)小區(qū)植被及土壤理化特征進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，所測(cè)得數(shù)據(jù)采用SPSS 19.0 統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同植被恢復(fù)方式對(duì)植被特征的影響

2.1.1對(duì)植被覆蓋率、高度的影響

植被恢復(fù)速度對(duì)于水土流失防治至關(guān)重要[12-13]，圖1 為不同植被恢復(fù)方式下覆蓋率的變化，圖2為不同植被恢復(fù)方式對(duì)典型植被長(zhǎng)勢(shì)的影響，圖3為不同植被恢復(fù)方式在不同時(shí)間段的植被恢復(fù)情況。由圖1～圖3 可知，種植75 d 后，12 方式下的植被覆蓋率最高，比常規(guī)噴播高33 個(gè)百分點(diǎn)；播種25 d后，試驗(yàn)小區(qū)已基本復(fù)綠，草種萌芽，受微地形影響植被覆蓋率為45%～80%，植被配置1 中百喜草長(zhǎng)勢(shì)最為茂盛，紫花苜蓿次之，植被配置2 中紫花苜蓿最為茂盛，狗牙根次之。種植25 d 后，11 方式中狗牙根、百喜草、紫花苜蓿、傘房決明平均苗高分別為16.1、21.7、6.0、6.4 cm；12 方式中狗牙根、百喜草、紫花苜蓿、傘房決明平均苗高分別為22.3、21.7、10.1、9.5 cm。無紡布移除后的第7 天，即種植32 d后，試驗(yàn)小區(qū)植物長(zhǎng)勢(shì)良好，除個(gè)別由于常規(guī)噴播不均勻因素影響外，所有小區(qū)植被覆蓋率均達(dá)80%以上。21 方式中狗牙根、百喜草、紫花苜蓿、傘房決明平均苗高分別為17.4、6.3、10.2、10.3 cm；22 方式中狗牙根、百喜草、紫花苜蓿、傘房決明平均苗高分別為23.2、6.4、12.2、16.1 cm。種植75 d 后，所有小區(qū)植被覆蓋率達(dá)95%～100%。12 方式中狗牙根、百喜草、紫花苜蓿、傘房決明平均苗高分別為44.4、119.6、52.9、60.5 cm；22 方式中狗牙根、白三葉、紫花苜蓿、傘房決明平均苗高分別為43.3、21.2、49.3、43.7 cm。施肥量為100 g/m2處理的植株高度顯著高于50 g/m2處理。由圖2 可知，除12 方式的狗牙根外，其他植被恢復(fù)方式下種植75 d后的苗高與種植25 和32 d 的存在顯著差異（P＜0.05）。

圖1 不同植被恢復(fù)方式下覆蓋率的變化Fig.1 Change trend of vegetation coverage under different vegetation restoration methods

圖2 不同植被恢復(fù)方式對(duì)苗高的影響Fig.2 Effects of different vegetation restoration methods on seedling height

圖3 不同植被恢復(fù)方式在不同時(shí)間段的植被恢復(fù)情況Fig.3 Vegetation restoration of different vegetation restoration methods in different periods

本研究設(shè)置的植被與基肥處理均可有效進(jìn)行棄土場(chǎng)的植被恢復(fù)，就2 種植被配置而言，恢復(fù)前期植被配置1 的覆蓋率明顯好于植被配置2，植被配置1 主要以禾本科植物為主，豆科植物為輔，植被配置2 主要以豆科植物為主，禾本科為輔。2 種植被恢復(fù)方式均包括多年生或一年生豆科草本植物，加速了土壤肥力的形成，同時(shí)改善土壤理化形狀，予以植被充分的養(yǎng)分后，禾本科植被配置1 的前期恢復(fù)速度更快，更利于棄土場(chǎng)的水土保持，故推薦12 方式。

2.1.2對(duì)地上生物量的影響

不同植被恢復(fù)方式對(duì)地上生物量的影響見表2。由表2 可知，不同植被恢復(fù)方式對(duì)植物地上生物量有顯著影響，1 個(gè)生長(zhǎng)季后，4 種植被恢復(fù)方式下的地上生物量顯著高于常規(guī)噴播方式，其中12 方式的地上生物量顯著高于其他處理，達(dá)到421.7 g/m2。

表2 不同植被恢復(fù)方式對(duì)地上生物量的影響Table 2 Effects of different vegetation restoration methods on aboveground biomass g/m2

2.2 不同植被恢復(fù)方式對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響

土壤容重和孔隙度作為反映土壤結(jié)構(gòu)狀況的重要物理指標(biāo)，在表征土壤物理性質(zhì)變化方面發(fā)揮著重要作用[14-16]。研究表明，當(dāng)土壤容重達(dá)到1.50 g/cm3時(shí)，植物根系已難以伸入，而達(dá)到1.60～1.70 g/cm3，已是根系穿透的臨界點(diǎn)[17-18]。不同植被恢復(fù)方式下土壤物理性質(zhì)如表3 所示。從表3 可以看出，4 種植被恢復(fù)方式下的土壤容重顯著低于常規(guī)噴播，尤其0～10 cm 的土壤容重比常規(guī)噴播低了0.09～0.17 g/cm3。與常規(guī)噴播相比，4 種植被恢復(fù)方式下10～20 cm 含水率表現(xiàn)為12 方式＞21 方式＞22 方式＞11 方式＞常規(guī)噴播，總孔隙度比常規(guī)噴播顯著提高6.79%～19.68%。12 方式的土壤容重最低，含水率及總孔隙度最高。

表3 不同植被恢復(fù)方式下土壤物理性質(zhì)Table 3 Soil physical properties under different vegetation restoration methods

2.3 不同植被恢復(fù)方式對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

土壤有機(jī)質(zhì)是土壤養(yǎng)分的重要來源之一，是衡量土壤肥力水平的重要指標(biāo)之一[19-20]。不同植被恢復(fù)方式對(duì)土壤氮、磷及鉀的影響見圖4。由圖4 可知，與常規(guī)噴播相比較，其他4 種植被恢復(fù)方式下0～10 cm 土壤有機(jī)質(zhì)濃度均具有顯著的提高，提高幅度為16%～62%，10～20 cm 的土壤有機(jī)質(zhì)濃度提高幅度為30%～71%，其中12 方式提高最明顯，但4 種植被恢復(fù)方式間無顯著差異。

圖4 不同植被恢復(fù)方式對(duì)土壤氮、磷及鉀濃度的影響Fig.4 Effects of different vegetation restoration methods on soil nitrogen,phosphorus and potassium

4 種植被恢復(fù)方式下土壤速效磷濃度與常規(guī)噴播無顯著差異，0～10 cm 處的速效磷濃度分別比常規(guī)噴播高2%、4%、0.8%和0.5%，10～20 cm 速效磷濃度分別比常規(guī)噴播高33%、23%、6%和0.5%。由于植被恢復(fù)年限較短，短時(shí)間的植被恢復(fù)對(duì)土壤中磷的積累影響不明顯。

各植被恢復(fù)方式下的土壤堿解氮濃度從大到小依次為12 方式＞11 方式＞21 方式≈22 方式≈常規(guī)噴播，其中12 方式下的堿解氮濃度分別高于12 和21 方式8%和11%，顯著高于11 方式和常規(guī)噴播21%和26%。從平均水平來看，0～10 和10～20 cm的土壤堿解氮濃度較試驗(yàn)前提高8%和1%。諸多研究證明，施肥在增加地上生物量的同時(shí)顯著增加了地下植物根系量[21-24]，植物根系可向土壤中傳遞養(yǎng)分，增加土壤養(yǎng)分。本研究采用的植被恢復(fù)方式均能促進(jìn)棄土場(chǎng)全氮和速效氮的積累，增加土壤生產(chǎn)力，其中禾本科植物為主的植被配置1 固氮效果更明顯。

土壤全鉀濃度在10～20 cm 處的常規(guī)噴播和4 種植被恢復(fù)方式之間存在顯著差異，其他深度和處理之間均無顯著差異。土壤速效鉀濃度的顯著性差異更明顯，10～20 cm 處的11、12 方式與21、22 方式、常規(guī)噴播處理差異顯著。其中12 方式0～10 cm處速效鉀濃比常規(guī)噴播高10%，10～20 cm 處高7%。植被對(duì)鉀的活化作用是通過速效鉀濃度的明顯增長(zhǎng)而體現(xiàn)出來的。

2.4 土壤理化性質(zhì)與植被恢復(fù)的相關(guān)性

表4 為12 方式下植被高度與0～10 cm 土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性分析結(jié)果。從表4 可以看出，植被高度與有機(jī)質(zhì)濃度、土壤孔隙度呈顯著正相關(guān)，生物量與土壤孔隙度呈顯著正相關(guān)，說明植被恢復(fù)情況與土壤孔隙度和有機(jī)質(zhì)濃度均有顯著的相關(guān)性，但土壤孔隙度對(duì)植被恢復(fù)的影響更大。另外，土壤有機(jī)質(zhì)濃度和孔隙度呈顯著正相關(guān)。故而，為提高紅壤丘陵區(qū)棄土場(chǎng)植被恢復(fù)能力，一方面可采取相關(guān)措施提高土壤有機(jī)質(zhì)濃度，另一方面可增加土壤孔隙度。

表4 植被高度與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性Table 4 Correlation between vegetation height and soil physical and chemical properties

2.5 經(jīng)濟(jì)效益分析

本試驗(yàn)施工簡(jiǎn)單、植被恢復(fù)周期短，具有效益顯著、經(jīng)濟(jì)適用的特點(diǎn)。表5 為12 方式與常規(guī)噴播的經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比。由表5 可見，12 方式預(yù)估可節(jié)省資金1.62～2.02 元/m2，相當(dāng)于節(jié)省常規(guī)噴播的50%。植被配置1+基肥配置2 恢復(fù)方式解決了常規(guī)噴播投入大、產(chǎn)出少的問題，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益。

表5 經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比Table 5 Comparison of economic benefits 元/m2

3 結(jié)論

（1）植被配置1+基肥配置2 恢復(fù)方式是紅壤丘陵區(qū)棄土場(chǎng)植被恢復(fù)的較佳選擇，32 d 后植被覆蓋率可達(dá)80%，75 d 后植被覆蓋率達(dá)95%以上。

（2）與常規(guī)噴播相比，植被配置1+基肥配置2 恢復(fù)方式下土壤容重減少0.17 g/cm3，土壤總孔隙度提高19.68%，土壤有機(jī)質(zhì)濃度提高62%，堿解氮濃度提高8%，節(jié)省資金1.62～2.02 元/m2，預(yù)防和減輕了水土流失，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益。

（3）紅壤丘陵區(qū)土壤孔隙度和有機(jī)質(zhì)濃度對(duì)棄土場(chǎng)植被恢復(fù)情況有一定影響，其中土壤孔隙度對(duì)植被恢復(fù)的影響更大。為提高紅壤丘陵區(qū)棄土場(chǎng)植被恢復(fù)能力，一方面可采取相關(guān)措施提高土壤有機(jī)質(zhì)濃度，另一方面可增加土壤孔隙度。