高速公路作为大规模的基础设施，对缓解区域客货运输矛盾、促进各地沟通与交流、加快区域经济发展具有极为重要的作用 (骆汉，2014)。但高速公路建设在使经济繁荣的同时，也带来了像环境破坏这样的负面影响 (江玉林等，2008；孙乔宝等，2000)，大量的挖方、填方，导致大面积的土石裸露边坡出现，原有的土层和原生植被损毁殆尽，景观破坏严重，会带来一系列的生态环境问题，如水土流失、滑坡、泥石流、局部小气候恶化及生物链破坏等 (刘东明等，2010)。因此，响应国家治理生态环境问题的决策，对高速公路边坡进行绿化，防治边坡水土流失、泥石流等问题刻不容缓。然而，由于施工者对公路边坡的立地条件缺少了解，在不同立地条件的公路边坡均采用相同的绿化措施和植物种，导致大片公路边坡植被长势衰弱、叶片发黄，栽植后第二年甚至全部死亡，直接影响了公路景观和生态环境 (杨勇等，2002)。

1893年，德国学者Raman在其编著的“森林土壤和立地学”中首次提到了森林立地学，芬兰学者Cajander在1909年提出了森林立地类型，随后北美及日本相继开展了森林立地研究 (黄超，2007；杨承栋，1991)。20世纪50年代初期，我国从前苏联引进了立地条件分类方法和分类系统，80年代末，形成了中国森林立地分类系统，为全国各地的造林营林工作提供了科学指导。然而，森林立地类型划分一般是大尺度的，具体到微立地尺度的边坡植被恢复，由于地块小、环境因素多、变异大，有时甚至需要考虑边坡表面的温湿度、粗糙度、裂隙密度等。边坡的各种立地因子都直接关系到绿化措施的成败，之前的森林立地分类系统已不能满足边坡植被恢复的需要。本研究基于微立地的概念对公路边坡立地类型进行划分，对森林立地分类系统进行延伸和补充，以期更好地指导高速公路的边坡绿化。

1 研究地段选择与研究方法 1.1 研究地段选择

以华北东部山区的京承 (北京至承德) 高速公路沙峪沟至市界段以及华北东部平原区的廊涿 (廊坊至涿州) 高速公路和京石 (北京至石家庄) 二通道高速公路大苑村至市界段的边坡为研究对象。京承高速公路沙峪沟至市界段起自北京市密云县的沙峪沟，止于北京与河北交界处的金山岭隧道，地处燕山山脉土石丘陵区。廊涿高速公路起自涿州南8 km处的松林店，止于廊坊市的旧州，地处海河水系的永定河冲积平原。京石二通道高速公路大苑村至市界段起自北京西六环的大苑村桥，向西南穿越房山至市界，与河北段道路接驳，地处华北平原与太行山交界地带。根据海拔、坡度、坡向、坡长等因素，共选取112个样点边坡，并依次进行编号。廊涿高速样点编号为1-29号，京石高速样点编号为30-67号，京承高速样点编号为68-112号。

1.2 研究方法

对每个样点边坡进行实地调查和室内试验获取边坡立地因子数据，然后对其进行分析分类，从而划分出高速公路边坡的立地类型。

1) 实地边坡调查与室内分析 2012年2-3月，运用GPS、海拔仪等调查每个样点边坡的地貌形态、经纬度和海拔。用罗盘仪和皮尺测量样点边坡的坡度、坡向和坡长。通过坡地法，垂直于坡面方向测定土层厚度 (张国正等，1987)。采用中山式土壤硬度计，分别在每个样点上坡、中坡和下坡测量土质公路边坡的土壤硬度，每个点测量5次，求平均值。岩质边坡采用粗糙单元的平均高度来表征粗糙度。首先了解整个公路边坡的粗糙度情况，进行分区，将粗糙度明显较大或者较小的部位分入不同区域，然后在每个分区内运用标杆进行粗糙度测定，每个边坡多个分区粗糙度的平均值作为此边坡的粗糙度 (田涛，2012)。在岩质边坡的上坡、中坡和下坡进行1 m×1 m的样方调查，记录单条裂隙的长度、宽度以及裂隙的总条数，样方内边坡各种裂隙的长度总和即为岩质边坡的裂隙密度，裂隙宽度则为边坡所有裂隙宽度的平均值。岩石风化程度划分采用工程地质定性评价方法，从岩石结构、岩石颜色、矿物成分、岩石破碎程度、掘进的难易程度等方面综合分析确定 (《岩土工程手册》编写委员会，1998)。

2012年4-11月，对样点边坡中所有土质边坡分别在其上坡、中坡和下坡用环刀法在表层 (0~5 cm) 取样，每个点3次重复，每5天取样1次，用烘干法测定土壤含水率。采用环刀法测定土壤密度。将土壤样本风干，去除根系等杂物后，一部分利用比重计法测定土壤颗粒组成，另一部分试验分析测定其pH值、有效P含量、有效K含量、有机质含量和全N含量。

2) 数据分析 运用Excel软件将实地调查和室内试验得到的数据进行整理，用Systat SigmaPlot 12.0(Systat Software Inc.2011) 软件做出定量化因子的分布或变化图；将部分定性因子数量化后，通过IBM SPSS Statistics 22.0(IBM SPSS，Inc.2013) 软件对所有量化因子进行方差分析、主成分分析及聚类分析等，以筛选出主导因子进行立地类型划分。

2 结果与分析 2.1 立地因子

1) 土质、海拔 廊涿高速的边坡均为土质边坡，京承高速沙峪沟至市界段的边坡除少数土质边坡外，其余均为岩质边坡，而京石二通道高速公路大苑村至市界段土质和岩质边坡都有。

由图 1可以看出，样点边坡海拔均在400 m以下。廊涿高速公路位于平原区，边坡海拔相对较低，最低海拔为18 m，最高海拔为28 m。京石二通道高速公路大苑村至市界段位于太行山山前冲积洪积平原地带，由于桥隧方案，道路没有翻山，因此海拔变化范围较小，最低海拔为71 m，最高海拔为115 m。京承高速公路沙峪沟至市界段位于丘陵区，边坡海拔相对较高，最低海拔为221 m，最高海拔为360 m。另外，京承高速公路沙峪沟至市界段边坡海拔基本呈现由低到高的趋势，这主要是与沿着公路走向从丘陵区外围逐渐向丘陵区内部延伸的调查方向有关。根据样点边坡海拔分布，廊涿高速公路和京石二通道高速公路大苑村至市界段的边坡海拔较低，均在150 m以下，为平原区；京承高速公路沙峪沟至市界段的边坡海拔为200~400 m，为丘陵区。

2) 坡长、坡度、坡向 修筑高速公路时，路基施工需要深挖高填，路基边坡挖方形成的坡面称为路堑边坡 (上边坡)，填方形成的坡面称为路堤边坡 (下边坡)。平原区的廊涿高速公路边坡均为路堤边坡，且坡度较大，均为55°(图 2)。京承高速公路沙峪沟至市界段以及京石二通道高速公路大苑村至市界段的边坡多为路堑边坡，坡度起伏较大，坡度为30°~70°。高速公路边坡由于受线路设计、施工等影响，坡度普遍较陡，因此结合周德培等 (2002)的坡度分级表和高速公路边坡的实际情况，将高速公路边坡坡度，分为缓坡 (≤30°)、斜坡 (30°~45°)、陡坡 (45°~60°)、急坡 (60°~90°) 和倒坡 (>90°)5个坡度级。

廊涿高速公路路堤边坡的坡长较为一致，均为6 m；京承高速公路沙峪沟至市界段以及京石二通道高速公路大苑村至市界段边坡的坡长则长短不一，最短3.8 m，最长17 m，平均7.7 m。根据调查结果，将高速公路边坡坡长分为短坡 (≤5 m)、中坡 (5~10 m) 和长坡 (>10 m)3个长度级。

坡向分为阳坡、阴坡、半阳坡和半阴坡。其中阳坡最多，为40个，占36%；阴坡30个，占27%；半阳坡25个，占22%；半阴坡17个，占15%。

3) 岩质边坡粗糙度 边坡粗糙度取决于边坡粗糙单元的大小、高度、种类、形状和排列方式等 (李振山等，1997)。边坡粗糙度会影响喷播层的稳定性、含种子植被毯与坡面的接触度、植物的发芽生长等 (黄小刚，2011)，也会导致护坡措施上的差异。

由样点边坡坡面粗糙单元平均高度 (图 3) 可以看出，各坡面之间的粗糙单元平均高度差异较大，最高为32.6 cm，最低为7 cm，平均为17.9 cm。结合田涛 (2012)的研究，将高速公路边坡的粗糙度分为光滑 (≤10 cm)、中等粗糙 (10~20 cm)、粗糙 (20~80 cm) 和极粗糙 (>80 cm)4个粗糙度级，公路边坡整体属于中等粗糙。

4) 岩质边坡裂隙密度和宽度 岩体是多裂隙介质，被各种结构面所切割，特别是在开挖区域的附近，裂隙明显较多 (柳天杰，2008)。由岩质边坡的裂隙密度和宽度 (图 4) 可以看出，边坡的裂隙密度较大，平均为69.9 cm·m^-2，但其裂隙宽度并不大，平均仅为7.4 cm，表明受边坡开挖影响，岩体产生了较多的细长裂隙。将岩质边坡的裂隙平均密度划分为4个等级：低密度 (≤50 cm·m^-2)、中密度 (50~100 cm·m^-2)、高密度 (100~200 cm·m^-2) 和超密度 (>200 cm·m^-2)。岩质边坡的裂隙宽度也划分为细小裂隙 (≤5 cm)、中裂隙 (5~15 cm)、粗裂隙 (15~50 cm) 和宽裂隙 (>50 cm)4个等级。

5) 岩质边坡风化程度 岩石的风化程度对于边坡工程具有重要意义 (李日运等，2004)，结合实地调查将风化程度划分为未风化、微风化、中风化、强风化和全风化5个等级 (表 1)。各级风化程度的属性表现为：未风化岩石岩质新鲜坚硬；微风化岩石结构基本未变，可以有少量裂隙；中风化岩石结构部分破坏，沿节理面有次生矿物，裂隙发育，有破碎面，有较强硬度；强风化岩石结构大部分破坏，矿物成分显著变化，风化裂隙发育，岩体破碎，硬度低；全风化岩石结构基本破坏，有残余结构强度。

6) 土壤厚度 由表 2可以看出，样点边坡的土壤厚度相对较薄，平均厚度为8.5 cm。路堤边坡的土壤厚度为10.8 cm，较路堑边坡的土壤厚度 (6.2 cm) 厚4.6 cm。另外，边坡土壤厚度的标准差相对较大 (2.56)，说明不同边坡的土壤厚度存在较大差异，在边坡立地类型划分时应充分考虑土壤厚度这个立地因子。根据曾宪勤等 (2008)以及杨喜田等 (1999)对土壤厚度的研究，结合高速公路边坡的实际情况，将高速公路边坡土壤厚度分为薄 (≤10 cm)、中等 (10~20 cm) 和厚 (>20 cm)3个厚度级。

7) 土质边坡土壤物理性质 由图 5可以看出，样点土质边坡的土壤密度和总孔隙度均有小幅度波动，但总体较为一致。土壤密度均值为1.27 g·cm^-3，总孔隙度均值为52.05%。土壤密度相对较大，而土壤总孔隙度相对较小。土壤密度是衡量土壤质量的常用指标，如果土壤密度过大，会影响到土壤中水、肥、气、热等条件的变化以及植物根系在土壤中的伸展，从而对植物生长造成影响 (Logsdon et al., 2004)。

由图 6可以看出，不同边坡的土壤硬度差距较大, 最大为23.9 mm，最小为18.6 mm，平均为21.1 mm。样点土质边坡的土壤硬度过大，植物根系不能在边坡土壤中正常延伸，不适宜植被的生长发育。因此在边坡绿化前必须采取客土或者土壤改良等技术以改善土壤硬度，满足植物生长的需要。根据调查结果，将高速公路边坡土壤硬度分为软质 (≤10 mm)、中等 (10~20 mm) 和硬质 (>20 mm)3个硬度级。

土壤机械组成对土壤的入渗能力、水分蓄持能力及有效水分保持时间具有较大影响 (李卓，2009)。根据调查结果，将高速公路边坡土壤颗粒分为细砂 (>0.5 mm土壤颗粒含量≤20%)、中砂 (>0.5 mm土壤颗粒含量占20%~50%) 和粗砂 (>0.5 mm土壤颗粒含量≥50%)。样点边坡土壤机械组成测定结果与黄土或者其他土壤相比，土壤颗粒的粒径相对较大，>0.5 mm的土壤颗粒占26.8%，为中砂。

8) 土质边坡土壤化学性质 由图 7可以看出，不同边坡的土壤含水率变化较大，最高为9.90%，最低为3.67%，平均为8.37%，公路边坡整体的土壤含水率相对较低。

阳坡、半阳坡、阴坡和半阴坡4个坡向边坡的平均土壤含水率分别为7.40%，7.99%，9.43%和8.68%，阳坡的平均含水率最低，阴坡最高，比阳坡高2.65%。公路边坡的土壤含水率和坡向密切相关，不同坡向的坡面及其植被受太阳辐射的强度和时间不同，导致不同的小气候和小环境，造成水分蒸发散的差异，从而形成土壤水分的变异 (Maria et al., 2008；Mudrick et al., 1994；Schimel et al., 1985)。不同坡向土壤水分的方差分析结果表明，坡向对土壤水分差异的影响达到显著水平 (P=0.000 < 0.01，α=0.01)。

样点边坡土壤的平均pH值为6.75，呈中性 (表 3)，且pH值相对稳定，变异系数仅为0.04。一般来讲，土壤细菌和放线菌等均适宜于中性环境，在此条件下其活动旺盛，有机质转化快，固氮作用也相对较强。有机质、有效P和全N含量相对较高 (表 3)。另外，样点边坡各种养分含量的变异系数都相对较大，说明不同边坡的土壤养分含量相差较大，在边坡立地类型划分中应当予以考虑。结合周德培等 (2002)的研究，将高速公路土壤酸碱性划分为极强酸性 (≤4.5)、强酸性 (4.5~5.5)、酸性 (5.5~6.5)、中性 (6.5~7.5)、碱性 (7.5~8.5)、强碱性 (8.5~9.5) 和极强碱性 (>9.5)7个酸碱性级 (表 3)。

2.2 高速公路边坡立地类型划分

1) 定性因子的选取方法与原则 立地因子的选取，一般采用定性与定量分析相结合的方法。此次研究定性因子主要有地区范围因子、地形地貌因子、边坡类型、岩性和坡向等。地区范围因子均为华北东部，地形地貌因子分为平原区和丘陵区 (海拔低于500 m)，边坡类型分为路堤边坡和路堑边坡，岩性分为土质和岩质，这些因子的分类已经确定，因此不再进行数量化。针对坡向这个定性因子，为了满足数据分析的需要，按经验公式建立隶属函数将其换算成编码：阳坡 (0.3)、半阳 (0.5)、半阴 (0.8)、阴坡 (1.0)(闫东锋等，2010；刘世梁等，2003；刘创民等，1996)，然后与定量因子一起进行数量化处理。

2) 边坡立地类型组选取了边坡定性因子 后，由地形地貌、边坡类型和岩性3个定性因子完全组合共有8个立地类型组。结合实地调查，剔除不存在的2个立地类型组，共划分出6个立地类型组：平原土质路堤边坡、平原土质路堑边坡、丘陵土质路堤边坡、丘陵土质路堑边坡、平原岩质路堑边坡和丘陵岩质路堑边坡立地类型组。

3) 主导因子的选取 立地因子要全面、准确的同时，还要便于调查、不易变动。土质公路边坡各立地类型组的定量立地因子初步定为坡度、坡向、坡长、土壤密度、土壤孔隙度、土壤厚度、土壤硬度、土壤粒径、土壤有机质含量、土壤全N含量、土壤有效P含量、土壤有效K含量和土壤pH值；岩质公路边坡各立地类型组的定量立地因子初步定为坡度、坡向、坡长、边坡粗糙度、裂隙密度、裂隙宽度和风化程度。

将立地因子数据标准化后，对其进行方差分析和主成分分析，对不同立地类型组各立地因子的影响程度进行综合评价，从而筛选出主导因子 (表 4)。

4) 分类方法  6个立地类型组中各有多个边坡，且每个边坡都有多个立地因子，为了达到将其分类降维的效果，选取分层R型聚类方法对各边坡立地类型组的边坡进行分析。因为分层R型聚类方法适用于变量数目较多且相关性比较强的情形，可以达到将性质相近的变量聚类为同一个类，并从中找出代表变量，从而减少变量个数以达到降维的效果。

5) 类型划分 以主导因子作为边坡立地类型划分的依据，结合分层R型聚类分析结果，对各边坡立地类型进行命名，最终划分出各立地类型 (表 5)。

2.3 高速公路边坡立地类型系统

华北东部高速公路边坡共划分出6个立地类型组，24个立地类型，结合中国森林立地的分类 (中国森林立地分类编组，1989)，得到华北东部高速公路边坡立地类型系统 (表 6)。

3 讨论

近年来，随着人们对生态环境的重视，“生态公路”的理念愈发被人们所熟知和接受，公路边坡绿化成为了公路建设的重中之重。高速公路为线性工程，路线长，穿越的地形地貌种类多，各个边坡的特征也各不相同，这给高速公路的边坡绿化带来了极大困难。进行边坡立地类型划分，是边坡绿化和生态防护的重要基础工作，是植被恢复实现“因地制宜、适地适树”的先决条件。之前有专家学者依据公路沿线自然条件、风沙危害状况以及基础设施安全性等，基于整个路域范围对公路进行了立地类型划分 (李丙文等，2008；王青，2006)，一定程度上提高了公路边坡绿化的针对性。顾卫等 (2012)从植被恢复的角度将岩质边坡划分为4种类型，为坡面生态恢复设计与施工提供了参考。但是到目前为止，对边坡立地类型的研究相对缺乏，结合区域特点进行归纳划分立地类型的研究更为鲜见。本研究基于微立地的概念，根据对样点边坡立地因子的调查分析，对高速公路土质和岩质边坡进行立地类型划分，对于立地因子的调查更加全面和细致，立地类型的划分也更加详细，旨在提高高速公路边坡植被恢复措施的针对性、更好地选配工程绿化方法、降低工程成本、提高边坡植被的成活率和保存率。然而，由于此项研究尚处于起步阶段，对于所划分立地类型的质量评价以及边坡绿化的实践效果验证还有所欠缺，这也正是下一步研究的重点。另外，不同地区的气候、地形地貌等差异巨大，虽然高速公路边坡的立地类型系统无法普遍适用，但可对其他地区高速公路边坡立地类型划分的研究提供参考，同时也为全国生态公路的建设提供了科学依据。

4 结论

本研究以位于华北东部山区的京承 (北京至承德) 高速公路沙峪沟至市界段以及华北东部平原区的廊涿 (廊坊至涿州) 高速公路和京石 (北京至石家庄) 二通道高速公路大苑村至市界段的边坡为研究对象，选取了112个样点边坡对其各项立地因子进行实地调查和室内试验分析。通过对定性因子的选取，确定6个高速公路边坡立地类型组：平原土质路堤边坡类型组、平原土质路堑边坡类型组、丘陵土质路堤边坡类型组、丘陵土质路堑边坡类型组、平原岩质路堑边坡类型组和丘陵岩质路堑边坡类型组，然后通过对各立地类型组的立地因子进行筛选，选出其主导因子，经过聚类分析，将6个高速公路边坡立地类型组进一步划分成24个高速公路边坡立地类型，并结合中国森林立地分类，得到华北东部高速公路边坡立地类型系统，提高了边坡绿化的科学性和合理性。