袁 清 超1，牛 首 業(yè)2，趙 廷 華1，牛 曉 繁2，郭 紅 超2
(1.河南省水利勘測設(shè)計(jì)研究有限公司，河南 鄭州 450016； 2.河南華美生態(tài)環(huán)境科技股份有限公司，河南 鄭州 450016)
摘要：為研究石質(zhì)邊坡生態(tài)植被毯防護(hù)坡面的水土保持效果，在某高速公路施工現(xiàn)場軟弱巖石邊坡、碎石邊坡段設(shè)置植被毯防護(hù)區(qū)和自然撒播草籽防護(hù)對照區(qū)，分不同時(shí)段對各區(qū)植被覆蓋度、根系土壤根密度、崩解時(shí)間、地表徑流量及土壤流失量等與水土保持相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行了測定， 并對實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比分析。結(jié)果表明：軟弱石質(zhì)坡面采用生態(tài)植被毯防護(hù)技術(shù)，可增加植被覆蓋度，減少地表徑流量和土壤侵蝕量，有效控制水土流失，水土保持效果明顯優(yōu)于直接撒播草籽護(hù)坡。該技術(shù)在同類邊坡防護(hù)工程中具有較高的推廣價(jià)值。
關(guān) 鍵 詞：石質(zhì)邊坡； 生態(tài)植被毯； 邊坡防護(hù)； 水土保持
隨著國家對水土保持、生態(tài)保護(hù)、環(huán)境治理的日益重視，各類建設(shè)項(xiàng)目在工程建設(shè)的同時(shí)，均須考慮其建設(shè)對生態(tài)環(huán)境的影響，并采取必要的預(yù)防、保護(hù)與治理措施，以減少對生態(tài)環(huán)境的損害。在高速公路建設(shè)過程中或建成后形成的裸露邊坡，采取必要防護(hù)措施，在保證工程安全的同時(shí)，也能起到減少水土流失、恢復(fù)景觀生態(tài)的作用。但是，傳統(tǒng)的邊坡防護(hù)工程，尤其是石質(zhì)邊坡，由于其坡度陡、土壤貧、植被難以生長，多以擋墻、砌石、抹面等工程措施為主進(jìn)行防護(hù)，滲水保水、生態(tài)效果差，與周邊環(huán)境難以協(xié)調(diào)。近年來，一種新型的生態(tài)防護(hù)技術(shù)——生態(tài)植被毯技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，由于其具備建植容易、維護(hù)簡單、養(yǎng)護(hù)成本低、生態(tài)及水土保持效果好等優(yōu)點(diǎn)，已在國內(nèi)河岸、公路、礦山等項(xiàng)目的水土保持治理中得到迅速推廣。目前國內(nèi)外對植被毯技術(shù)的護(hù)坡機(jī)理、材料的成型機(jī)理、植生機(jī)理等已有較多的研究，本文著重對采用生態(tài)植被毯防護(hù)的石質(zhì)邊坡的水土保持相關(guān)參數(shù)進(jìn)行實(shí)測和分析，研究其水土保持效果，為類似工程提供參考。
由于石質(zhì)邊坡往往風(fēng)化較輕，質(zhì)地堅(jiān)硬，巖石邊坡坡度陡，且表面土壤存留少，無法直接采取植物防護(hù)措施，或直接采取植物防護(hù)措施的效果與采用植被毯技術(shù)的效果沒有可比性。故該研究僅對能生長植物的、有一定風(fēng)化軟弱土層的石質(zhì)邊坡開展植被毯防護(hù)技術(shù)及其效果研究。在對河南省鄭州至堯山高速公路石質(zhì)邊坡進(jìn)行防護(hù)的過程中，針對軟弱巖石邊坡段和碎石邊坡段分別選取長10 m的邊坡面作為生態(tài)植被毯防護(hù)實(shí)驗(yàn)區(qū)，使用纖維格柵結(jié)構(gòu)的純椰絲型植被毯分段進(jìn)行鋪設(shè)，并選用黑麥草、高羊茅、無芒雀麥組合混播進(jìn)行植被培育。另外選擇長10 m的表層完全風(fēng)化的石質(zhì)邊坡段作為對照區(qū)，除不鋪設(shè)植被毯外其他處理均相同，以便進(jìn)行水土保持效果對比。
2014年10月至2015年9月，在選定的實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)鋪設(shè)純椰絲型植被毯，其密度規(guī)格選用300 g/m2，黑麥草、高羊茅、無芒雀麥組合混播密度為6.5 g/m2。沒有鋪設(shè)植被毯的碎石土對照區(qū)采用與鋪設(shè)植被毯培育區(qū)相同的植被組合混播，密度亦為6.5 g/m2。各區(qū)植被同時(shí)建植并采用相同的方法進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，選擇植被培育的不同時(shí)段，對各實(shí)驗(yàn)區(qū)植被覆蓋度、根系土壤根密度與崩解時(shí)間、地表徑流量及土壤流失量等水土保持相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測定，并分析研究生態(tài)植被毯防護(hù)坡面的水土保持效果，以得出石質(zhì)邊坡采用生態(tài)植被毯防護(hù)技術(shù)后的水土保持效果。
2.1 植被覆蓋度參數(shù)測定
莖葉的吸附作用在一定程度上減小了雨滴對地表土壤的沖擊[1]，增加了土壤入滲量，并減少了地表徑流量和土壤侵蝕量[2]；同時(shí)，植被覆蓋可減少地表水分蒸發(fā)，植被覆蓋度和葉面積指數(shù)從一個側(cè)面也反映了植被的水土保持性能[3]。故該研究中植被覆蓋度指標(biāo)測定包括植被覆蓋度測定和葉面積指數(shù)測定。
(1) 植被覆蓋度測定。采用目測與針刺樣點(diǎn)法相結(jié)合，樣方面積1 m×1 m，即測定在1 m2樣方內(nèi)插釬垂直插下所觸及植物枝葉的針數(shù)與總針數(shù)的百分比。
(2) 葉面積指數(shù)測定。將邊長20 cm的正方形細(xì)鐵絲框隨機(jī)放置于試驗(yàn)材料上方，收集鐵絲框內(nèi)部的所有葉片并迅速封存，用葉面積儀(LI-3000A，LI-COR，USA)測定其葉片總面積。
植被覆蓋度與葉面積指數(shù)于2015年7月進(jìn)行了測定，重復(fù)3次，取平均值。
2.2 土壤抗蝕性能測定
草本植物根系的加筋作用也有助于提高邊坡土壤的抗蝕性[3]，有效根密度可作為土壤抗侵蝕性的一項(xiàng)重要指標(biāo)；土的崩解是指黏性土由于浸水而發(fā)生碎裂、散體的現(xiàn)象，其崩解速率也可作為土壤抗侵蝕性的評價(jià)指標(biāo)[4]。故實(shí)驗(yàn)中土壤抗侵蝕性能主要通過測定根系土壤的有效根密度和崩解時(shí)間兩個指標(biāo)來反映。
(1) 根系土壤根密度測定。植物根系提高土壤抗侵蝕能力主要是通過根徑不大于1 mm的根系發(fā)揮作用的。100 cm2土壤截面上對土壤抗沖性有增強(qiáng)效應(yīng)的不大于1 mm徑級須根的根數(shù)，為有效根密度值。土樣選取點(diǎn)為在每個調(diào)查場隨機(jī)挖取3個10 cm×10 cm×10 cm的土方，清查每個土方4個剖面上不大于1 mm徑級須根的根數(shù)，得出每個土方的須根數(shù)，再求出3個土方須根數(shù)的平均值。
(2) 根系土壤浸水完全崩解時(shí)間測定。用環(huán)刀在樣地內(nèi)取5 cm深的原狀土，應(yīng)用浸水法測定土壤完全崩解所需的時(shí)間。
測定時(shí)間為2015年8月，重復(fù)3次，取平均值。
2.3 地表徑流量與泥沙流失量測定
地表徑流量與泥沙流失量是水土保持治理工程需要控制的重要指標(biāo)之一，采取不同的水土保持措施產(chǎn)生了不同的下墊面條件，直接影響徑流和泥沙輸移過程[5]。徑流小區(qū)法是水土保持觀測試驗(yàn)的重要方法之一，是測驗(yàn)徑流、泥沙的主要手段[6]。該項(xiàng)目地表徑流量與泥沙流失量測定亦采用徑流小區(qū)法，即在不同坡面上布設(shè)徑流小區(qū)，小區(qū)邊界用塑膠板垂直插入土層內(nèi)，圍成面積3 m×5 m的小區(qū)，小區(qū)下方設(shè)集水桶收集坡面徑流。
觀測時(shí)間為2015年6～8月，觀測項(xiàng)目包括降雨量、降雨歷時(shí)、徑流量、土壤侵蝕量等。
降雨量、降雨歷時(shí)采用虹吸式雨量計(jì)觀測；地表徑流量用稱量法測定，每次測定后，根據(jù)徑流量換算出單位面積上的徑流深度；泥沙流失量測定采用容器取樣與量測集水桶的泥沙相結(jié)合的方法，在降水后將沉淀池中的水排出，取出全部泥沙；懸沙用簡易比重法測定，充分干燥后稱量，重復(fù)4～5次，再折算出單位面積侵蝕量。
3.1 不同石質(zhì)坡面植被覆蓋度特征
不同石質(zhì)坡面植被培育10個月后，各區(qū)植被覆蓋度及葉面積指數(shù)實(shí)測結(jié)果如表1所示。
表1 植被覆蓋度及葉面積指數(shù)測定結(jié)果
測定區(qū)域植被覆蓋度/%葉面積指數(shù)測定區(qū)域植被覆蓋度/%葉面積指數(shù)巖石邊坡區(qū)83．67．21對照邊坡區(qū)65．44．80碎石邊坡區(qū)86．57．41
植被覆蓋度特別是貼地覆蓋度對防止地表水土流失具有重要作用，對坡面水土流失有很好的阻滯效果，葉面積指數(shù)可以反映出植被對降雨的截留量。從實(shí)測的植被覆蓋度情況看，鋪設(shè)植被毯的巖石邊坡坡面和碎石邊坡坡面的植被覆蓋度都大于80%，沒有顯著性差異，但與對照區(qū)植被覆蓋度65.4%相比，覆蓋度提高了30%左右；植被毯鋪設(shè)區(qū)的葉面積指數(shù)也明顯大于對照區(qū)，鋪設(shè)植被毯的巖石邊坡和碎石邊坡分別比對照區(qū)提高了50.1%和54.3%。
3.2 地表徑流量與土壤侵蝕量指標(biāo)
2015年6～8月，選擇具有代表性的單場降雨進(jìn)行了不同石質(zhì)邊坡小區(qū)實(shí)測地表徑流量測定，結(jié)果見表2，實(shí)測的坡面土壤侵蝕量見表3。
表2 不同防護(hù)坡面的地表徑流量測定參數(shù)
觀測日期/(年-月-日)降雨量/mm不同防護(hù)坡面的地表徑流量/mm巖石邊坡區(qū)碎石邊坡區(qū)對照邊坡區(qū)2015-06-2895．538．338．153．22015-06-3040．823．122．835．02015-07-0832．716．114．923．12015-08-3125．814．013．221．0
由表2測定的歷次降雨量和徑流量數(shù)據(jù)可知：相對于未使用植被毯的對照小區(qū)，鋪設(shè)植被毯的小區(qū)單次降雨的坡面徑流量均有明顯減少，除了第一次降雨過程中徑流量減少28%外，其他幾次降雨過程中，坡面徑流量減少了30.3%～37.1%，表明采用生態(tài)植被毯防護(hù)的邊坡在降雨過程中減流效應(yīng)相當(dāng)顯著。
表3中記錄的土壤侵蝕量測定結(jié)果表明，不同石質(zhì)坡面使用椰絲植被毯建植植物后，與對照區(qū)相比，土壤侵蝕量減少了19.7%～47.3%，效果非常明顯。
表3 不同防護(hù)坡面的土壤侵蝕量測定參數(shù)
觀測日期/(年-月-日)降雨量/mm不同防護(hù)坡面的的土壤侵蝕量/(t·km-2)巖石邊坡區(qū)碎石邊坡區(qū)對照邊坡區(qū)2015-06-2895．5100．197．5185．02015-06-3040．895．289．5136．02015-07-0832．786．279．4107．32015-08-3125．872．169．199．6
3.3 防護(hù)形式對土壤抗蝕性能的影響
土壤的抗蝕性與土壤結(jié)構(gòu)、土壤有機(jī)質(zhì)及土壤根系含量有關(guān)。土壤的抗蝕性越強(qiáng)，地表徑流對土壤的沖刷程度便越低。植被毯可有效幫助植被建植，使其均勻覆蓋地表，形成密集根系，提高固結(jié)土壤能力，攔蓄和滯緩地表徑流對土壤的沖刷。不同實(shí)驗(yàn)區(qū)的抗侵蝕性能指標(biāo)詳見表4。
表4 土壤抗蝕性能實(shí)測參數(shù)
測定區(qū)域崩析所需時(shí)間/min有效根密度/(條·cm-3)測定區(qū)域崩析所需時(shí)間/min有效根密度/(條·cm-3)巖石邊坡區(qū)35845對照邊坡區(qū)23541碎石邊坡區(qū)38652
從表4的實(shí)測數(shù)據(jù)可知，使用植被毯建植植物的石質(zhì)坡面的土壤完全崩析所需時(shí)間是對照坡面的1.5～1.7倍，有效根密度也是對照坡面的1.1～1.3倍，表明鋪設(shè)植被毯坡面的抗侵蝕性能明顯優(yōu)于對照坡面。
相對于沒有鋪設(shè)植被毯的石質(zhì)坡面，采用生態(tài)植被毯技術(shù)可以增加植被覆蓋度，提高土壤的抗蝕性，大幅度減少地表徑流量和土壤侵蝕量。另外，在遭遇降雨時(shí)，能有效保護(hù)坡面植被，降低降水對坡面的沖刷，呈現(xiàn)出良好的蓄水保土能力，有效控制了水土流失，其水土保持效果明顯優(yōu)于采取自然撒播防護(hù)的坡面。因此可以得出，生態(tài)植被毯技術(shù)在水土保持工程及同類邊坡防護(hù)工程中具有較高推廣價(jià)值。
參考文獻(xiàn)：
[1] 張朝陽，許桂芳，周鳳霞，等.10種藤本植物邊坡水土保持效應(yīng)研究[J].中國水土保持,2008,26(10):39-41.
[2] 夏青，尚潤陽.植被覆蓋對土壤水蝕的影響評價(jià)[J].海河水利，2014，32(2):52-55.
[3] 卓慕寧,李定強(qiáng),鄭煜基.高速公路生態(tài)護(hù)坡技術(shù)的水土保持效應(yīng)研究[J].水土保持學(xué)報(bào)，2006，20(1):164-167.
[4] 李家春，崔世富，田偉平.公路邊坡降雨侵蝕特征及土的崩解試驗(yàn)[J].長安大學(xué)學(xué)報(bào)， 2007，27(1):23-26.
[5] 張玉華，江寧，張勇.水土保持措施防治面源污染效益研究——以河南省淅川縣坡地柑橘種植為例[J].人民長江，2016，47(23):31-33,81.
[6] 謝頌華，方少文，王農(nóng).水土保持試驗(yàn)徑流小區(qū)設(shè)計(jì)探討[J].人民長江，2013，44(17):83-86,113.
[7] 趙延華，牛首業(yè)，郭紅超.新型生態(tài)植被毯邊坡防護(hù)技術(shù)水土保持效應(yīng)研究[J].人民長江，2017，48(13).
(編輯：朱曉紅)
YUAN Qingchao1, NIU Shouye2, ZHAO Tinghua1, NIU Xiaofan2, GUO Hongchao2
(1.Henan Water & Power Engineering Consulting Co., Ltd, Zhengzhou 450016; 2. Henan Huamei Ecological& Environmental Technology Co., Ltd, Zhengzhou 450016, China)
Abstract: In order to investigate the soil and water conservation effect of ecological vegetation blanket for rocky slope, a series of comparative tests aiming at vegetation blanket area and naturally broadcasting sowing grass seeds area were conducted for soft rocky slope and rubble rocky slope at a highway construction field. In the tests, some parameters were measured and compared for the two contrast areas, including vegetation coverage ratio, soil root density, collapsing time, ground runoff, soil erosion quantity. The results show that for the soft rocky slope, the vegetation blanket has superior conservation effect than the method of naturally broadcasting grass seeds in terms of increasing vegetation coverage ratio, reducing ground runoff and soil erosion.
Key words: rocky slope; ecological vegetation blanket; slope protection; soil and water conservation
中圖法分類號：S157
文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A
DOI:10.16232/j.cnki.1001-4179.2017.17.008
收稿日期：2017-07-05
作者簡介：袁清超，男，高級工程師，主要從事水利工程的設(shè)計(jì)與研究工作。E-mail：20372738@qq.com
文章編號：1001-4179(2017)17-0034-03
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