边坡生态修复中植物群落类型设计方法研究

边坡生态修复中植物群落类型设计方法研究李少丽,许文年,丰　瞻,周明涛(湖北省水电工程施工与管理重点实验室,湖北宜昌443002)[关键词]边坡;生态修复;植物群落;设计方法[摘　要]边坡生态修复的最终目的是建立健康稳定的植物群落,这就要求根据不同的生态修复方法和植物群落的演替规律,对目标植物群落进行合理的设计。

根据恢复生态学基本原理和研究团队多年的生态修复工程实践,在对边坡植物群落演替规律进行研究的基础上,对目标植物群落类型进行分类,总结了其设计原则,同时深入研究了公路(铁路)边坡、矿山废弃地、滨水岸坡等典型边坡的植物群落类型设计方法。

[中图分类号]S157.43 [文献标识码]B [文章编号]1000-0941(2007)12-0053-031　边坡生态修复现状边坡生态修复是近年来发展起来的一门边坡防护新技术。

目前,针对不同边坡有许多边坡生态修复方法,如液压喷播、植被混凝土护坡绿化、三维植被网喷播植草、厚层基材喷射植被护坡、边坡T BS植被护坡绿化等[1]。

这些方法在生态修复初期,植物生长旺盛,水土保持效果也不错,然而随着时间的推移,植物就会出现衰退现象,难以形成稳定的植物群落[2]。

究其原因,一是在生态修复过程中较多采用草本植物,对灌木、藤本植物的应用较少,植物群落缺乏多样性;二是生境基材的适应性和可持续性不够。

边坡生态修复的最终目的是建立一个稳定健康的植物群落,恢复其原有的生态功能,因此在边坡生态修复中不仅要考虑近期控制水土流失、泥石流等自然灾害的需求,同时更应考虑未来群落演替的类型[3],根据不同的生态修复方法和植物群落的演替规律,对目标植物群落进行合理的设计。

但目前边坡生态修复中大多仍以草本植物为主要建群种,形成的群落类型较单一,群落稳定性差。

针对这些问题,我们依据恢复生态学基本原理,结合研究团队多年的生态修复工程实践,在对边坡植物群落演替规律进行研究的基础上,对目标植物群落类型进行分类,总结其设计原则,同时深入研究了公路(铁路)边坡、矿山废弃地、滨水岸坡等典型边坡的植物群落类型设计方法,以供同行参考。

2　恢复生态学和生态工程的基本原理[4]2.1　恢复生态学基本原理恢复生态学是近年来发展起来的一门关于生态恢复的学科,是现代应用生态学的分支学科,主要致力于那些在自然突变和人类活动影响下受到损害的自然生态系统的恢复与重建。

[基金项目]国家科技支撑计划项目(2006BAC10B04);湖北省水电工程施工与管理重点实验室开放基金(HEF200502);湖北省教育厅自然科学研究项目资助项目(D200613005)国际生态恢复学会的定义为:恢复生态学是研究如何修复由于人类活动而遭损害的原生生态系统的生物多样性和动态功能的学科。

恢复生态学的理论主要有:限制因子原理、生态系统的结构理论、生态适宜性原理与生态位原理、生物群落演替理论、生物多样性原理等。

在进行目标植物群落类型设计时应以上述原理为指导,找出不同坡面生态修复的限制因子,针对不同的限制因子,设计不同的群落类型,选择不同的物种。

此外,在进行群落类型设计时还应注意选择不同生态位的物种,尽量用生态适宜性强的本地物种等。

2.2　生态工程的基本理论[5]生态工程可以定义为:“为了人类社会和自然双双受益,着眼于生态系统,特别是社会-经济-自然复合生态系统的可持续发展能力的整合工程技术。

促进人与自然和谐,经济与环境协调发展,从追求一维的经济增长或自然保护,走向富裕、健康、文明三维一体的复合生态繁荣和可持续发展。

”生态工程的应用主要在4个方面:①设计各种生态系统,来代替人工系统或能源密集系统,从而满足人类需要(如环境工程);②恢复受损生态系统,缓解对资源的过度开发(如生态恢复);③管理、利用和保护自然资源(如林业生态工程);④将人类社会和生态系统紧密结合起来,进行环境治理和环境建设(如景观建筑、城市规划、城市园林设计等)。

生态工程的设计与构建原则可归纳为3类:争取资源和开拓生态位的竞争原则;人与自然的共生原则;自我组织、自我调节、自我补偿以维持生态系统结构、功能和过程的自生原则。

实际上,应用自然生态系统的“自我设计”或“自我组织”特性是生态工程的一项重要原则。

3　目标植物群落类型所谓目标植物群落,就是根据不同边坡类型、护坡要求和景观效果确定的生态修复后的植物组成和层次目标[6]。

按建群种类型和层次,目标植物群落类型可分为草本型植・35・中国水土保持S WCC　2007年第12期物群落、灌草型植物群落、乔灌型植物群落和特殊型植物群落。

3.1　草本型植物群落及其效应草本型植物群落是以草本植物为建群种的植物群落类型,也是目前边坡生态修复中应用最多的群落类型。

草本植物前期生长快,易成活,能在短期内覆盖坡面,起到坡面防护的效果。

作为植物群落构建的先锋物种,其快速的生长能降解边坡土壤毒性,促进其活性化,使其更有利于植物生长,为当地物种的入侵创造有利条件,从而逐步实现群落的自然演替,最终达到稳定状态。

草本植物群落适用于周围为草原、农地或陡峭岩石坡面的生态修复。

目前,在边坡生态修复中常用的冷季型草种有白三叶、多年生黑麦草、高羊茅、草地早熟禾、剪股颖等,暖季型草种有狗牙根、假俭草、结缕草、百喜草等。

在生态修复工程中可根据当地的立地条件选择冷季型和暖季型草种混播。

3.2　灌草型植物群落及其效应灌草型植物群落是以灌木为建群种、草本植物为伴生种的多样性群落类型。

在生态修复初期,草本植物生长较快,可以充分发挥其前期护坡效果,并且草本植物的枯枝落叶可以为灌木的生长提供营养。

因为灌木的发芽条件比较严格,前期生长速度较慢,所以灌木一般宜采用栽植的方式,若采用与草本植物混播的方式,播种时一定要合理控制草本植物的密度,使草本植物和灌木有相对均等的生长空间。

灌木的根系较草本植物发达,且不易退化,能够起到很好的固坡作用,可以加快群落自然演替的进程,使其最终形成稳定、高效的植物群落。

灌草型植物群落适用于平缓坡面、都市近郊、采石场迹地、公路(铁路)边坡、近水岸坡等的生态修复。

在边坡生态修复中常用的灌木有胡枝子、紫穗槐、沙棘、锦鸡儿、夹竹桃、柠条、沙柳、黄荆、刺槐等。

3.3　乔灌型植物群落及其效应乔灌型植物群落是以乔木为主要建群种,辅以草灌的群落类型。

乔灌型植物群落较草本型植物群落和灌草型植物群落物种更丰富、群落更稳定,是最接近自然群落的群落类型。

乔木和灌木相比,根系更发达,固土护坡作用更好,但因其自重较大,在较陡的边坡上栽植容易增大坡面负荷,造成边坡失稳,反而不利于坡面稳定。

因此,乔灌型植物群落适用于周围为森林、平缓坡面、填土坡面、弃土(弃渣)堆等的生态修复,但不适用于公路(铁路)边坡及高陡边坡。

生态修复中常用的乔木有小叶杨、毛赤杨、日本桤木、日本白桦、法桐、小叶丁香、银杏、马尾松、日本白栎、赤松、垂柳等。

3.4　特殊型植物群落及其效应特殊型植物群落主要是针对景观要求较高的地段而设计的以观赏型植物为主要建群种的群落类型。

一些特殊场所,如公园、高速公路入口处等,对景观要求较高,在进行边坡生态修复时除了考虑边坡防护的要求外,还要根据周围的环境建立合适的植物群落类型。

在选择物种时要着重考虑景观效果好、观赏价值高的花卉、灌木以及一些有特殊寓意的植物,注意在形状、颜色、造型上的搭配。

观赏型植物群落是相对稳定的群落,不要求演替进程,更注重其健康稳定。

4　目标植物群落类型设计原则植物群落类型设计的总原则是建立符合当地的立地条件,形成与周围环境和谐一致的植物群落。

根据恢复生态学原理和生态工程设计与构建方法,设计合理的植物群落类型应满足以下几个原则[7]:4.1　自然性原则边坡生态修复的植物群落类型要符合当地的自然环境,尽量做到恢复植被与当地原有植被相协调。

因此就要求在植物群落类型确定前,先对当地的植被情况与气候等做详细调查,从而根据当地实际情况确定适合当地立地条件的物种,并进行合理的组合。

4.2　安全性原则植物群落类型设计应与边坡类型相结合,并且所选物种不会对边坡稳定和周边环境构成威胁。

在物种选择上要尽量选择当地的乡土物种,避免大量引进外来物种,尤其是入侵性强的植物物种,以免将来造成大量物种入侵。

4.3　多样性原则稳定的植物群落大多由乔、灌、草等多种物种组成,单一的物种难以形成稳定的植物群落。

因此,在植物群落类型设计时应注意乔、灌、草等多种物种在垂直结构、水平结构和时间结构上的合理搭配,改变目前边坡生态修复中单一使用草本植物的现状,构建物种丰富、稳定的植物群落。

4.4　功能性原则边坡生态修复的目的是通过工程手段,来恢复原有的植物类型,从而达到边坡稳定和防治水土流失的目的。

根据边坡特点,植物群落类型设计时应考虑植物的功能和特性,尽量选择具有水土保持效果、具有一定固坡能力和耐旱性强的植物类型。

4.5　景观性原则植物群落类型设计中除了考虑以上原则外,还应考虑植物的景观效果。

在满足护坡功能要求的基础上尽量选择具有较高景观价值的物种,能形成与周围环境协调一致的景观效果。

5　几个典型工程边坡植物群落类型的设计方法5.1　公路(铁路)边坡植物群落类型设计虽然在公路(铁路)建设过程中尽量采取了多种避让措施,但还是不可避免地形成了大量的裸露边坡,破坏了当地的自然环境[8]。

因此,必须依靠人工方法恢复植物群落,防治水土流失。

公路(铁路)边坡的植物群落类型,应根据其所在位置来确定。

5.1.1　城市郊区公路(铁路)边坡植物群落类型设计离市区较近的边坡或者高速公路入口处,对景观要求较高,因此植物群落类型要和周围环境相协调,以观赏价值高的灌木和花草为主,建立特殊型植物群落。

物种选择上要注意颜色、形状上的合理搭配,形成一个和周围环境相协调,又能体现自身特点的植物群落。

5.1.2　山区公路(铁路)边坡植物群落类型设计远离市区的路段边坡,以建立灌草型植物群落为宜,避免栽植乔木。

因为乔木自身重量较大,栽植乔木反而会导致边坡的不稳,且影响司乘人员视野,提高交通事故发生的几率。

在物种选择上应以一些根系发达、水土保持效果好、耐干旱、耐贫瘠的物种为首选,并对其进行垂直结构上的合理搭配,形成一个物种丰富度高、景观富于变化的群落。

・45・中国水土保持S WCC　2007年第12期5.2　矿山废弃地植物群落类型设计根据矿山废弃地不同区域的地貌特点和治理难易程度,其植物群落可具体采用坡顶垂吊脚爬藤、中间喷植加点缀、迹地植树造景观、整体和谐回自然的设计模式,因地制宜地实现植物时空合理配置,增强生态系统功能。

5.2.1　迹地植物群落类型设计迹地的坡度通常较缓,相对石壁施工要容易得多,而且植物较易扎根,因此生态修复也较容易。

目前国际上迹地目标生态系统重建主要有几种形式,即重建为耕地、重建为林地、重建为旅游休闲用地、重建为牧业用地等[9]。