生態(tài)護(hù)坡運(yùn)用植物混凝土格柵

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本文作者：錢斌天、高甲榮、王越、顧嵐、王穎、郭維 單位：北京林業(yè)大學(xué)水土保持和荒漠化防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

近年來，由于各國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，各種環(huán)境問題層出不窮，當(dāng)面對(duì)各種復(fù)雜的修復(fù)環(huán)境和高昂的治理費(fèi)用時(shí)，各種省工、省時(shí)又省錢的生態(tài)護(hù)坡技術(shù)越來越受到各國(guó)的青睞。目前，風(fēng)靡歐美各國(guó)的一種生態(tài)修復(fù)技術(shù)是土壤生物工程，這種技術(shù)是采用存活植物及其它輔助材料來構(gòu)筑各類邊坡（山地斜坡、江河湖庫堤岸和海岸坡岸等）結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定邊坡，減少水土流失和改善棲息地生境等［1－2］。雖然，近30a來歐美國(guó)家這項(xiàng)工程技術(shù)的發(fā)展有了很大的進(jìn)步，但其在我國(guó)卻還處于探索階段［3－5］。因此，新型生態(tài)護(hù)坡技術(shù)的實(shí)驗(yàn)研究對(duì)我國(guó)今后在這方面的發(fā)展具有極其重要的意義。

2006年，國(guó)內(nèi)學(xué)者李小平等［6］對(duì)上海市浦東新區(qū)機(jī)場(chǎng)已實(shí)施的約4km河道的土壤生物工程坡岸示范工程進(jìn)行了調(diào)查研究，論述了土壤生物工程在我國(guó)的發(fā)展?jié)摿?。高甲榮等［7－10］在北京地區(qū)對(duì)該項(xiàng)措施的植物材料選擇，適宜應(yīng)用的范圍以及實(shí)施效果做了大量的研究，探討了該技術(shù)在北京地區(qū)推廣的必要性和可行性。本文對(duì)植物混凝土格柵技術(shù)實(shí)施以來旱柳的成活率、覆蓋度、生長(zhǎng)情況、土壤養(yǎng)分及生物多樣性進(jìn)行了調(diào)查與分析，以期進(jìn)一步完善植物混凝土格柵技術(shù)的施工和后期管理方法，為其在北京地區(qū)生態(tài)護(hù)坡中的推廣應(yīng)用提供一定的理論技術(shù)指導(dǎo)依據(jù)。

1實(shí)驗(yàn)原理

植物混凝土格柵技術(shù)是以土壤生物工程原理為指導(dǎo)，以混凝土格柵理論為基礎(chǔ)研發(fā)出來的新型護(hù)坡技術(shù)。土壤生物工程原理是指選取處于休眠期的植物枝條，將其植于不穩(wěn)定的侵蝕邊坡之上。當(dāng)割條生根成長(zhǎng)時(shí)，就會(huì)在地表產(chǎn)生濃密的植被，保護(hù)邊坡，避免侵蝕，與此同時(shí)植物的地下部分也產(chǎn)生了大量根系，這樣就加強(qiáng)了該項(xiàng)工程措施的固土護(hù)坡效果［11］。

混凝土格柵理論主要是利用混凝土來澆筑格柵，制造出具有強(qiáng)度大，耐久性好，易養(yǎng)護(hù)的混凝土格柵。實(shí)際上就是將工程、生物和生態(tài)結(jié)合在一起，構(gòu)造出一種有生命的工程結(jié)構(gòu)，以此達(dá)到控制土壤侵蝕，穩(wěn)定邊坡以及美化環(huán)境的目的。根據(jù)本實(shí)驗(yàn)的布設(shè)需要，在施工過程中主要采用了土壤生物工程中的扦插措施。扦插主要是利用可以生根的活枝單體，直接扦插或按壓進(jìn)入坡岸土壤，活枝生根以后與岸坡土壤顆粒相互作用，同時(shí)還可以吸收一部分多余的水分。該措施主要的特點(diǎn)是施工方便，工作量小且成本低廉，同時(shí)還可以與其他措施聯(lián)合使用［12］。具體設(shè)計(jì)效果見圖1。

2實(shí)驗(yàn)材料及方法

2．1研究區(qū)概況

北京市延慶縣水土保持科技示范園位于北京市延慶縣大榆樹鎮(zhèn)上辛莊村，屬永定河水系中官廳水庫上游一級(jí)支流媯水河流域。示范園以玉皇山向南延伸的分水嶺分界，南北長(zhǎng)約1．72km，東西寬約1．56km，面積為158．54hm2。園區(qū)總體東高西低，地形起伏較大，溝壑縱橫，溝壑密度達(dá)2．05km／km2。示范區(qū)所在流域的年平均氣溫為8．5℃，無霜期在150～160d左右。降雨是引起該區(qū)水土流失的主要因素，全流域多年平均降雨量為474．51mm，降雨量在年際分布上極為不均，最大及最小降雨量相差很大。該區(qū)域面積不大，相對(duì)高程范圍為527．9～722．8m，地形復(fù)雜，但土壤分布有其一定的規(guī)律［13］。示范園具有黃土區(qū)和土石山區(qū)兩種地貌類型特點(diǎn)，因干旱缺水，區(qū)域內(nèi)植被稀疏，其土層深厚，沖溝發(fā)育，切割破碎，水土流失嚴(yán)重。本研究中的陡坡為黃土坡體，坡度80°，坡向西偏南25°，長(zhǎng)度25m，護(hù)坡總面積150m2，坡面原有植被主要有早熟禾（PoaannuaL．）、賴草（Leymussecalinus（Georgi）Tzvel．）、狗尾草（Setariaviridis（L．）Beauv）和茵陳蒿（Artemisacapillaries）4種。

2．2施工方法

2．2．1施工材料的選擇

（1）工程材料的選擇。工程材料前期需要準(zhǔn)備的主要有混凝土構(gòu)件、土工格柵、土工布和碎石。①混凝土構(gòu)件?；炷翗?gòu)件要根據(jù)所防護(hù)的坡面特點(diǎn)進(jìn)行制作，制作前應(yīng)該注意根據(jù)構(gòu)件尺寸和部位，合理選擇水泥、砂、石等原材料的品種、標(biāo)號(hào)和用量，避免因品質(zhì)差異導(dǎo)致工程質(zhì)量差異和顏色變化。其次，混凝土攪拌過程中要注意控制好攪拌時(shí)間，以免出現(xiàn)攪拌不均的現(xiàn)象。最后，混凝土構(gòu)件澆筑過程中應(yīng)確保模板要有足夠的強(qiáng)度和剛度，能夠承受混凝土產(chǎn)生的側(cè)向壓力和各種施工荷載而不變形。這樣制作出來的混凝土構(gòu)件成品就會(huì)減少麻面、蜂窩、露筋和跑模等缺陷的發(fā)生。②土工格柵。格柵是用聚丙烯、聚氯乙烯等高分子聚合物經(jīng)熱塑或模壓而成的二維網(wǎng)格狀或具有一定高度的三維立體網(wǎng)格屏柵，當(dāng)作為土木工程使用時(shí)稱為土工格柵。選擇使用土工格柵的主要目的是為了增強(qiáng)填充土與混凝土框架的結(jié)合強(qiáng)度。根據(jù)需要，本研究選用了由高密度聚乙烯制作而成的塑料土工格柵，強(qiáng)度為40RE。③土工布。又稱土工織物，它是由合成纖維通過針刺或編織而成的透水性土工合成材料，分為有紡?fù)凉げ己蜔o紡?fù)凉げ肌１狙芯扛鶕?jù)需要選擇使用了具有過濾、排水、隔離、加筋、防護(hù)以及封閉作用的無紡?fù)凉げ?。④碎石。碎石主要選擇兩種規(guī)格，一種是混凝土中使用的，粒徑大概為5～25mm，另一種則是碎石濾層中使用的，粒徑大概為2～5cm。碎石濾層的作用主要是為了防止植物扦插初期雨水對(duì)各層填充土的沖淘。

（2）植物材料的選擇。土壤生物工程所選用的植物材料要求其能在短期內(nèi)迅速生根并能大量繁殖，在河道邊坡治理中還要求其能有良好的耐水性能［14］。國(guó)內(nèi)學(xué)者在北京地區(qū)的植物材料篩選中得出了金絲柳（Salixalbavar．tristis）、旱柳（Salixmet－sudana）、加拿大楊（PopuluscanadensisMoench）以及紫穗槐（AmorphafruticosaL．）等多種植物適用于土壤生物工程。在本研究中，由于研究區(qū)冬季寒冷，土壤貧瘠，干旱少雨且最大最小降雨量相差很大，所以經(jīng)過多種植物對(duì)比發(fā)現(xiàn)，旱柳具有喜光，耐寒性強(qiáng)，喜水濕，亦耐干旱，且對(duì)土壤要求不高，生長(zhǎng)快，萌發(fā)力強(qiáng)，根系發(fā)達(dá)，扦插極易成活等優(yōu)點(diǎn)。此外旱柳樹形優(yōu)美，分布廣泛，扦插枝條容易獲得，故本研究選取旱柳作為扦插用的植物材料。根據(jù)施工需求，選取的插條基徑為2～5cm，長(zhǎng)度為150cm。扦插時(shí)，插條與水平面成15°角斜插入土壤120cm左右，枝條間距為50cm，需要注意的是插條出土的一端必須剪切整齊，不能出現(xiàn)劈裂，否則會(huì)增大蒸發(fā)量，降低成活率。

2．2．2施工過程

（1）提前預(yù)制混凝土構(gòu)件。本研究中，根據(jù)坡體的具體情況，固腳用的混凝土構(gòu)件長(zhǎng)145cm，寬25cm，厚10cm。上下兩層混凝土格柵之間的兩端各縱向安裝1個(gè)混凝土格柵，以此來支撐整個(gè)結(jié)構(gòu)，并保持穩(wěn)定性。具體混凝土格柵設(shè)計(jì)及上下層的構(gòu)件安裝效果見圖2。

（2）陡坡處理。將不平整的坡面整體沿坡向開挖30cm，平整好坡面后，將多余的挖方堆在附近留作回填土用。

（3）夯實(shí)基礎(chǔ)。在坡腳處向下開挖約寬100cm，深50cm的基槽，夯實(shí)后填充碎石做鋪墊層。

（4）施工?；A(chǔ)處理完成后，具體的施工工序見圖3。施工采用土工格柵，增強(qiáng)填充土與混凝土框架結(jié)合強(qiáng)度。土工格柵放置時(shí)，受力方向指向坡外。每一層柳條栽植后在根部適當(dāng)澆水；對(duì)于截干的柳條頂端以油漆封口，減少水分蒸發(fā)。

2．2．3后期養(yǎng)護(hù)管理

（1）澆水。施工完成后1個(gè)月內(nèi)，對(duì)柳條插穗下部補(bǔ)充水分，以保證生根成活。之后3個(gè)月內(nèi)適當(dāng)澆水以保證植物枝條、根系的迅速生長(zhǎng)。在第2a里，如遇到極其干旱時(shí)期，應(yīng)適當(dāng)澆水（澆水量視干旱程度而定），避免幼苗大量死亡。

（2）補(bǔ)苗。第2a的4月初，根據(jù)柳條成活情況進(jìn)行補(bǔ)苗作業(yè)。補(bǔ)苗后，管護(hù)措施如同第1a，要定期澆水，以確保后補(bǔ)枝條的成活。

2．2．4實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)與調(diào)查

本研究采取隨機(jī)取樣和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的方法，對(duì)延慶縣水土保持科技示范園內(nèi)經(jīng)過植物混凝土格柵技術(shù)修復(fù)后的岸坡上旱柳的生長(zhǎng)特性進(jìn)行了一系列的觀測(cè)。分別在2007年10月、2008年10月和2011年6月，即完工后3個(gè)月、15個(gè)月和47個(gè)月對(duì)旱柳的成活率和覆蓋度做了調(diào)查。其中2011年6月的調(diào)查中還對(duì)旱柳的生長(zhǎng)情況包括新生枝條的基徑和株高、土壤養(yǎng)分以及周邊環(huán)境和生物的多樣性做了調(diào)查。通過調(diào)查總結(jié)了該措施的生態(tài)防護(hù)效果、適用范圍以及存在的一些問題，并對(duì)存在的問題提出了一些可行的建議與意見。

3結(jié)果與分析

3．1植物生長(zhǎng)狀況

植物生長(zhǎng)的好壞以及對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性是檢驗(yàn)植物混凝土格柵技術(shù)成功與否的重要條件。觀測(cè)表明，完工3個(gè)月后旱柳的成活率為80％，覆蓋度為35％。由于部分死亡，在第2a的4月份進(jìn)行了人工補(bǔ)植，距最初完工15個(gè)月后，再次觀測(cè)得出旱柳的成活率達(dá)到了90％，覆蓋度也達(dá)到了85％。在2011年6月份的調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，此時(shí)旱柳的存活率僅為35％，覆蓋度為50％（表1）。綜合各方面的因素分析，出現(xiàn)此種現(xiàn)象的原因如下：

（1）該技術(shù)施工完成2a后開始實(shí)行減少人為干預(yù)、植被自然恢復(fù)的管理措施，目的是檢驗(yàn)旱柳對(duì)該環(huán)境的適應(yīng)性，以及該技術(shù)對(duì)周邊環(huán)境的影響。在開始放任管理的第1a（即2009年）該地區(qū)普遍干旱，據(jù)統(tǒng)計(jì)，截止8月底累計(jì)降水量為326mm，比2008年同期的438mm減少112mm，比多年平均同期的418mm減少了92mm，而這段時(shí)間又停止了人工澆水，這就導(dǎo)致建群初期占主導(dǎo)地位的旱柳大部分死亡。

（2）扦插枝條的土層太薄。在設(shè)計(jì)初期，混凝土格柵需要回填種植土，由于相鄰格柵之間間距太小，二者之間所能存放的種植土也就越少。當(dāng)植被長(zhǎng)到一定階段，根系就會(huì)向下生長(zhǎng)直至觸及混凝土格柵，此時(shí)格柵就會(huì)影響根系繼續(xù)向下生長(zhǎng)，由此會(huì)導(dǎo)致部分扦插柳條的死亡。

（3）水分分布不均。由于降水不多，使得下滲深度不夠，位于混凝土格柵中部的植株就不能很好地吸收水分，由此導(dǎo)致了格柵中部的植株大部分死亡。基于上述原因，該技術(shù)今后在用于干旱地區(qū)邊坡修復(fù)時(shí)需要投入一定的人工管理，干旱時(shí)期要適時(shí)適量澆水；而當(dāng)用于河岸邊坡固定時(shí)，由于水分比較充足，可適當(dāng)減少人為管理，這樣才能保證插條的成活成長(zhǎng)，才能發(fā)揮其最大的生態(tài)效益。在該技術(shù)措施完工47個(gè)月后，筆者還調(diào)查研究了旱柳的生長(zhǎng)狀況。觀察發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過47個(gè)月的生長(zhǎng)，扦插旱柳新生枝條的最大基徑為3．38cm，最小基徑為1．14cm，平均基徑為2．02cm；新生枝條的最大株高為420．6cm，最小株高為241．2cm，平均株高為317．2cm（表2）。通過對(duì)旱柳扦插直徑，47個(gè)月后新生枝條的基徑和株高三者的數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，在一定范圍內(nèi)扦插直徑越大，將來新生枝條的基徑也會(huì)越大，且株高也越高。由于本研究所采用的扦插直徑大致分布在1．5cm到5cm之間，所以由此可得知在此分布范圍內(nèi)扦插直徑越大，將來新生枝條的基徑也就越大，相應(yīng)的植株的株高就越高。通過對(duì)旱柳的生長(zhǎng)狀況分析表明，在今后植物混凝土格柵護(hù)坡措施的施工中要選取的扦插枝條直徑盡量在1．5cm到5cm之間，而且如果條件允許的話在此區(qū)間內(nèi)枝條直徑越大越好。此外，旱柳在北方地區(qū)有一定水分的情況下，能夠在短時(shí)間內(nèi)迅速生長(zhǎng)達(dá)到一定的景觀效果，所以是北京地區(qū)生態(tài)護(hù)坡的一種優(yōu)良材料。

3．2對(duì)土壤的改良作用

土壤有機(jī)質(zhì)是土壤中來源于動(dòng)植物體的所有有機(jī)物質(zhì)，其含量的多少是土壤肥力高低的重要指標(biāo)［15］。在本措施完工47個(gè)月后，取旱柳根部附近的土壤以及周邊裸地的土樣各100g進(jìn)行理化性質(zhì)分析，具體分析結(jié)果見表3。由表3可以看出，完工47個(gè)月以后，旱柳根部附近土壤與原始邊坡土樣相比，有機(jī)質(zhì)含量增加了4．32g／kg，速效磷和速效鉀分別增加了4．27mg／kg和12．14mg／kg，同時(shí)pH值下降了0．25；與周邊裸露邊坡土樣相比，有機(jī)質(zhì)含量提高3．43g／kg，速效磷和速效鉀分別提高3．21mg／kg和8．81mg／kg，同時(shí)pH值低0．16，說明植物混凝土格柵護(hù)坡措施能夠有效改良土壤，通過一定時(shí)間的修復(fù)，能使得原來貧瘠的土壤得到一定的改良。

3．3對(duì)周邊環(huán)境的改善作用

3．3．1生物多樣性的增加

植物多樣性的變化是衡量植物混凝土格柵技術(shù)修復(fù)邊坡效果好壞的重要指標(biāo)。自該措施完工47個(gè)月以來，周邊植物的種類有了明顯的增加。施工初期，周圍只有早熟禾、賴草、狗尾草和茵陳蒿4種植物，現(xiàn)在周邊植物有早熟禾、賴草、蒲公英（Taraxacum）、紫花地丁（ViolaphilippicaCar）、黃花蒿（ArtemisaannuaL．）、茵陳蒿、青蒿（Artemisaapiacea）、胡枝子（LespedezabicolorTurcz）、田旋花（ConvolvulusarvensisL．）、狗尾草等，達(dá)到18種之多，而且這些植物的總覆蓋度也達(dá)到了95％以上。通過現(xiàn)場(chǎng)挖根測(cè)定，完工47個(gè)月后單株旱柳的根系生物量比完工1a后平均增長(zhǎng)了63％，單位面積50cm深土壤中根系生物量較完工1a后增長(zhǎng)了72％，大大增強(qiáng)了岸坡抗侵蝕的能力。不僅如此，這些植被的生長(zhǎng)還為一些小型的昆蟲和爬行動(dòng)物提供了一個(gè)良好的棲息環(huán)境。

3．3．2美化周邊環(huán)境的效果

自該技術(shù)實(shí)施以來，周邊的環(huán)境發(fā)生了明顯的變化。隨著旱柳的不斷生長(zhǎng)，周邊的生態(tài)系統(tǒng)也開始逐漸完善。形成了上層喬木，中層小灌木，下層草本的立體結(jié)構(gòu)。整個(gè)坡面植被高低錯(cuò)落有致，帶給人一種綠意盎然，充滿生機(jī)的感覺，創(chuàng)造了極佳的美學(xué)效果。除此之外，通過對(duì)該措施周邊環(huán)境的溫度和濕度監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，由于植物的蒸騰作用帶走了大量熱量，使得周邊環(huán)境溫度低于外景平均溫度2．8℃，濕度高于外界平均濕度12％。旱柳和周邊的伴生植被還能在一定程度上凈化空氣，吸附塵埃和消除噪音等［16］?？傊?，通過植物措施可以改善邊坡小氣候，營(yíng)建一個(gè)干凈、清爽且富有生機(jī)的坡面環(huán)境。

4結(jié)論

通過對(duì)延慶縣水土保持科技示范園內(nèi)一處陡峭裸露邊坡進(jìn)行植物混凝土格柵技術(shù)近自然修復(fù)，得出如下幾條結(jié)論。

（1）在施工完成后的前2a里，旱柳能達(dá)到90％的存活率和85％的覆蓋度，對(duì)岸坡起到了一定的防護(hù)作用，并且形成了較好的景觀效果。因此，旱柳是一種適合于北京地區(qū)生態(tài)護(hù)坡的優(yōu)良植物材料。

（2）旱柳枝條的扦插直徑在2～5cm內(nèi)，扦插直徑越大，將來新生枝條的基徑也越大，并且相應(yīng)枝條的株高也越高。因此，今后在選取扦插枝條直徑時(shí)，盡量選取在2cm到5cm之間。而且如果條件允許的話，在此區(qū)間內(nèi)，扦插直徑越大越好。

（3）植物混凝土格柵技術(shù)在實(shí)施47個(gè)月后，能夠明顯改良土壤，增加物種多樣性，穩(wěn)定邊坡和美化環(huán)境。此技術(shù)適用于河道護(hù)岸，水庫塌岸治理等坡比介于1∶0．5～1∶0．2的高陡土質(zhì)邊坡，是一種在北京地區(qū)值得推廣的生態(tài)護(hù)坡技術(shù)。

在本研究的后期監(jiān)測(cè)管護(hù)過程中發(fā)現(xiàn)，水分是影響該技術(shù)的一個(gè)主要因素。當(dāng)該技術(shù)應(yīng)用于河道護(hù)岸時(shí)，由于河道邊水分充足，該技術(shù)能很好地發(fā)揮應(yīng)有的生態(tài)效益，但是當(dāng)應(yīng)用于干旱地區(qū)的邊坡治理時(shí)，就需要投入一定的人力來進(jìn)行后期管護(hù)，尤其是定期澆水，否則效果不佳。今后，護(hù)坡技術(shù)與灌溉技術(shù)相互結(jié)合使用是生態(tài)護(hù)坡技術(shù)需要研究的一個(gè)方向，對(duì)于生態(tài)護(hù)坡的發(fā)展具有十分重要的意義。