锦屏山采石场地处河南省宜阳县城南部，由于多年开采导致山体破坏严重，原有土壤层缺失，形成众多裸露高陡石灰岩宕口，坡度一般≥ 70°，坡高范围 30～ 160 m。研究区为暖温带大陆性季风气候，年均温 14.8℃，最高 43.7 ℃（1966.6.20），降雨主要集中在 6—8月，占全年降雨量的 80%左右，雨热同季，年平均降水量 694 mm，年平均蒸发量 1 837.98 mm。

本课题组于 2012年 4月 15日在研究区使用地境再造技术实验种植植被 56株，本研究所使用的地境再造技术是基于生态地质学理论，在高陡岩质边坡，使用人工的方法为植被提供生存所需的基本地境条件。种植方法如图1所示，孔内土壤为坡底自然堆积形成，实验期间共监测养护 100 d，实验结束当年成活率为 87.5%，后期无人工管理。经过两年的自然生长，本课题组于 2015年 7月对实验种植植被进行生长状况调查 ,调查结果见表1。

图1 地境再造技术实验方法
Fig.1 Approach to the man-made reconstruction below- ground habitat

表1 植被生长状况调查
Table 1 Status of vegetation growth

从调查结果来看，相同实验植被种类生长状况差异明显（最大植株高度、冠幅及胸径是最小植株的两倍多大小），但整体生长状况良好（见图2），部分植被出现病虫害现象导致生长一般。黄栌在本次试验中生长状况最好。

地境条件是植被生长的物质基础，植被的种类、生活习性、生理特征乃至生长状况与其生存的地境息息相关，总体上讲是植物对地境的适应 ^[10]。然而关于裂隙岩体内部植被根系生长空间及肥分、温度、水分等地境条件能否满足植被自身生长的生态适宜性及其与植被根系生长之间的关系，还需要进行深入的研究。

植被根系是植被与地境的联系纽带，是植被地境资源的直接利用器官和植被产量的重要贡献者，植被对立地的利用状况可以通过植被根系的形态分布特征直接反映，对植物生长具有决定作用 ^[12]。在高陡岩质边坡条件下，植被立地条件差，甚至缺乏植被生长所需的地境条件。但是，事实证明用地境再造技术种植的植物生长良好，为了研究在高陡岩质边坡条件下这些植被对地境条件的利用情况，本课题组对研究区实验植被根系进行开挖调查。

图2 岩壁生长的黄栌
Fig.2 Contius coggygria grows inside rock

从开挖剖面（见图3）以及结合根系统计结果可知，实验植被根群圈在 16～ 34 cm深度范围，在此范围内植被根系生物量约占开挖面根系总生物量的 90%。粗根数目多，且多呈分叉状。开挖面出露根系为侧根与须状根，须状根中粗根（≥ 2 mm）与细根（＜ 2 mm）交织形成的片网状根系结构沿土体与岩体的接触面呈筒状生长，在岩体裂隙发育较好的区域，植被根系相对密集，同时有部分粗根已经沿着岩体裂隙深入岩体内部超过 40 cm，但由于裂隙宽度（约为 0.2 cm）小于该植被根系正常直径（约为 0.3 cm），因此伸入岩体裂隙内部的植被根系已经呈扁平状发育（见图4），在裂隙发育较差或岩体裂隙相对闭合的区域，植被根系较少。

图3 根系形态特征调查剖面
Fig.3 Investigation of root morphology

图4 岩体内部扁平状侧根
Fig.4 The flat roots grow inside rock

多年生植物物种根群圈一般在 40～ 100 cm深度范围 ^[13]，但边坡植被根系由于生长空间的胁迫作用，本次调查实验植被根系圈明显比正常多年生植被根群圈深度范围浅，且限制在再造种植孔内。通过对再造孔中植被的根系特征调查我们可以看出，植被在生长的过程中，为了尽可能多的利用岩体内部的资源，已经改变了正常纺锤体形态，岩体裂隙的分布限定了植被根系的生长情况。由于研究区裂隙隙宽一般在 1 mm左右（最大 1 cm）^[14-16]，植被在向岩体裂隙内部生长的过程中，为了适应岩体裂隙发育特征，不得不改变正常的根系形态，形成我们在调查中出现的扁平状侧根。

在高陡岩质边坡条件下，由于缺少表土覆盖，岩石边坡温度变化快，变化幅度大，影响深度范围广。若岩体内部根群圈范围温度高于或者低于植被根系生长的正常温度，都将影响植被根系的正常生长发育。另外，在高陡岩质边坡生态恢复的过程中，决定恢复效果成败的最主要因素是水分 ^[18]。

为了探究在高陡岩质边坡条件下，岩体内部温度及水分条件对植被根系生长的影响，我们在研究区边坡布置了 8个水平监测孔（见图5），鉴于本次调查中实验植被根群圈深度范围以及岩体内部温湿度条件对植被根系影响的深度范围，本次研究监测孔深度设计为 2 m（岩体内部更大深度范围内温湿度条件同样对植被根系生长有影响，但作用相对较小），每个监测孔如图6所示分别布置 5个温湿度记录仪（美国 Apresys，179­DTH）监测岩体内部温湿度变化，监测过程中用棉垫对各监测孔进行密封，以防止孔内受外界空气流动的干扰，保证监测仪器记录的数据能反映裂隙岩体内部真实的温湿度情况。

图5 各监测孔的相对位置示意图像
Fig.5 The relative place of holes

本次监测分别对岩体内部春、夏、秋、冬 4个季节分时段监测，每个季节监测 7天，共得到岩体内部温湿度数据 194万组（每组含对应时间温湿度值），最后选用每个壁面每个季节的温度、绝对湿度（该温度下的饱和湿度乘以对应时刻相对湿度百分比）平均值代表每个季节岩体内部的温湿度状况，并通过 Excel处理得到下表2及图7～图 10。

2.1.1 岩体内部温度条件

由表2可以看出，在监测壁面 0～ 200 cm 范围内，冬季岩体内部温度一般维持在3 ～ 8 ℃，夏季一般在18.6 ～ 23.5 ℃，而多年生植被在冬季休眠期根系对温度的要求不低于2 ～ 4 ℃，在夏季生长旺盛时期则要求是不超过30 ℃ ^[19]。春秋两季温度相差不大，介于14.6 ～ 23 ℃之间，同样满足该季节多年生植被根系生长对温度的需求。因此，岩体内部温度条件可以满足植被生长根系对温度的要求。

图6 监测孔内各监测点布设位置
Fig.6 The position of detecting points in hole

表2 各季节期间边坡内部温度均值
Table 2 The mean temperature of slope of each season

图7 春季绝对湿度均值与深度关系
Fig.7 Relationship between mean of absolute humidity and depth in spring

图8 夏季绝对湿度均值与深度关系
Fig.8 Relationship between mean of absolute humidity and depth in summer

图9 秋季绝对湿度均值与深度关系
Fig.9 Relationship between mean of absolute humidity and depth in autumn

2.1.2 岩体内部水分条件

从图4～图7可以看出，岩体内部冬季水汽绝对湿度最低，在监测孔深度范围为 4.60～ 7.12 g/m³；夏季岩体内部水汽绝对湿度最高，且基本处于饱和状态，水汽绝对湿度为 15.10～ 21.47 g/m³；春秋两季岩体内部气态水含量介于冬季、夏季两者之间。因此，在岩体内部存在的气态水资源能满足根系对水分的部分需求，但仅靠气态水并不能完全满足植物生长的水分需求，还需吸收部分液态水（结合水、孔角毛细水、悬挂毛细水）。

图 10 冬季绝对湿度均值与深度关系
Fig.10 Relationship between mean of absolute humidity and depth in winter

从表2及图4、图5可以看出，在春夏两季，岩体浅部温湿度大于深部，在水汽分压差的作用下，水汽由岩体外部向内运移，同时北方降雨增多，春夏两季岩体内部水分和热量得到补给。由于岩体浅部温度高于深部，在水汽运移的过程中会不断发生凝结，除此之外，大气降水入渗的重力水与凝结水一起增大岩体内部液态水含量，增大悬挂毛细水的高度和孔角毛细水的分布范围。同时由于植被根系吸水作用，会在岩体浅部截留更多的过路重力水，与凝结形成的液态水一起被植物利用。因此岩体内部水分含量可能会减少，但岩体浅部非饱和带水分含量可能仍保持较高水平。由于夏季植被处于生长旺盛期，需要大量水分蒸腾蒸发，而凝结水及其他液态水大量赋存于岩体内部较深处，诱使植被根系向岩体深部生长，并通过植被根系的水力提升作用，将岩体深部水分提升至岩体浅部供植被根群圈吸收利用。

由表2及图6、图7可以看出，在秋冬季节，伴随着外界温度降低，北方降水减少，岩壁外部的水汽分压小于岩体内部，岩体内部水汽携带热量由岩体内部向外散失。岩体与大气界面成为水分、热量的耗散物理边界。由于岩体深部温度大于浅部，水汽在向外迁移的过程中会不断在浅部形成凝结水，存在于岩体浅部的根系可以直接利用凝结产生的水分供植被生存发育，与此同时，下伏岩体饱水带中的水也会有部分汽化扩散到非饱和带中，成为秋冬季节非饱和带的重要水分补给源。由于此时植物代谢能力减弱，对水分的需求减少，所以非饱和带水分在满足植被生长发育的基础上，含量也不会有太大变化。

2.2 土壤养分研究

土壤是植被生长繁育和生物生产的基地，肥力是土壤的基本属性和质的特征，是土壤从营养条件和环境条件方面，供应和协调植物生长的能力 ^[20]。通过调查可知，在高陡岩质边坡条件下，土壤主要赋存于岩体裂隙或者再造孔内裂隙浅部。土壤养分的空间异质性影响植被根系的生长和分布，植被在长期演化过程中，对土壤养分的空间异质性形成了各种可塑性反应 ^[21]。而植被在岩壁生长发育的同时，又可以对土壤肥力进行改善 ^[22]。由于本课题组 2012年进行地境再造实验时，未对再造孔内土壤进行测试，因此本次在调查植被根系发育特征的过程中，对实验植被开挖土壤剖面进行取样，同时收集试验点附近岩体裂隙中的原始土壤成分（ 2份），一起送往河南农业科学院进行测试。测试结果见表3。

表3 土壤肥分测试结果
Table 3 Test results of soil nutrient

一般将土壤中速效钾含量为 50 mg/kg定为植被生长最低临界指标 ^[23]，土壤中有效磷含量低于 3 mg/kg时，农作物开始出现严重缺乏症状，生长受到限制 ^[24]，而当土壤含盐量超过 0.6%时，大多数植被将不能生长 ^[25]。通过本次测试结果可以看出，除裂隙土壤①内有效磷严重缺乏以外，裂隙土壤②及再造孔内土壤均能满足植被最低生长需求，有植被生长的再造孔内土壤肥力明显高于原始岩体裂隙土壤，对照中华人民共和国农业行业标准《全国耕地类型区、耕地地力等级划分》（NY/ T 309—1996），其肥力相当于北方山地丘陵棕壤、褐土（含黄棕壤、黄褐土）耕地类型中的九类土。

在高陡岩质边坡条件下，土壤主要贮存在坡顶较为平坦的地方，经雨水侵蚀后会携带大量的有机质及可供植被生长的腐殖质和其他微量元素，在沿着边坡壁面向下部流失的过程中，不断被边坡壁面存在的裂隙截留，将高陡岩质边坡有限的土壤资源在裂隙浅部积累。在岩体内部，土壤肥分的空间异质性诱使植被在岩体裂隙相对发育、水肥条件相对较好地方尽可能的增加根系生物量，以便从土壤中获取更多的水分和养分，但由于受到生长空间的限制，植被根系在生长的过程中相互交织，最终在再造孔内土体与岩体接触面形成片网状根系结构。同时，伸入岩壁裂隙中的植被根系在生长的过程中，会不断的分泌有机酸及死亡根系形成的腐殖质及腐殖酸，通过溶解和根系的挤压作用破坏矿物晶格，将矿物元素转化为可供植被利用的形式 ^[20]。