生態(tài)護坡運用植物混凝土格柵

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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)大學水土保持和荒漠化防治教育部重點實驗室

近年來，由于各國經(jīng)濟的高速發(fā)展，各種環(huán)境問題層出不窮，當面對各種復雜的修復環(huán)境和高昂的治理費用時，各種省工、省時又省錢的生態(tài)護坡技術(shù)越來越受到各國的青睞。目前，風靡歐美各國的一種生態(tài)修復技術(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來歐美國家這項工程技術(shù)的發(fā)展有了很大的進步，但其在我國卻還處于探索階段［3－5］。因此，新型生態(tài)護坡技術(shù)的實驗研究對我國今后在這方面的發(fā)展具有極其重要的意義。

2006年，國內(nèi)學者李小平等［6］對上海市浦東新區(qū)機場已實施的約4km河道的土壤生物工程坡岸示范工程進行了調(diào)查研究，論述了土壤生物工程在我國的發(fā)展?jié)摿?。高甲榮等［7－10］在北京地區(qū)對該項措施的植物材料選擇，適宜應(yīng)用的范圍以及實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。本文對植物混凝土格柵技術(shù)實施以來旱柳的成活率、覆蓋度、生長情況、土壤養(yǎng)分及生物多樣性進行了調(diào)查與分析，以期進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)護坡中的推廣應(yīng)用提供一定的理論技術(shù)指導依據(jù)。

1實驗原理

植物混凝土格柵技術(shù)是以土壤生物工程原理為指導，以混凝土格柵理論為基礎(chǔ)研發(fā)出來的新型護坡技術(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。當割條生根成長時，就會在地表產(chǎn)生濃密的植被，保護邊坡，避免侵蝕，與此同時植物的地下部分也產(chǎn)生了大量根系，這樣就加強了該項工程措施的固土護坡效果［11］。

混凝土格柵理論主要是利用混凝土來澆筑格柵，制造出具有強度大，耐久性好，易養(yǎng)護的混凝土格柵。實際上就是將工程、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)本實驗的布設(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，直接扦插或按壓進入坡岸土壤，活枝生根以后與岸坡土壤顆粒相互作用，同時還可以吸收一部分多余的水分。該措施主要的特點是施工方便，工作量小且成本低廉，同時還可以與其他措施聯(lián)合使用［12］。具體設(shè)計效果見圖1。

2實驗材料及方法

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，相對高程范圍為527．9～722．8m，地形復雜，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，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，水土流失嚴重。本研究中的陡坡為黃土坡體，坡度80°，坡向西偏南25°，長度25m，護坡總面積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)所防護的坡面特點進行制作，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、標號和用量，避免因品質(zhì)差異導致工程質(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，當作為土木工程使用時稱為土工格柵。選擇使用土工格柵的主要目的是為了增強填充土與混凝土框架的結(jié)合強度。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，分為有紡土工布和無紡土工布。本研究根據(jù)需要選擇使用了具有過濾、排水、隔離、加筋、防護以及封閉作用的無紡土工布。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］。國內(nèi)學者在北京地區(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)過多種植物對比發(fā)現(xiàn)，旱柳具有喜光，耐寒性強，喜水濕，亦耐干旱，且對土壤要求不高，生長快，萌發(fā)力強，根系發(fā)達，扦插極易成活等優(yōu)點。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，長度為150cm。扦插時，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，否則會增大蒸發(fā)量，降低成活率。

2．2．2施工過程

（1）提前預制混凝土構(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個混凝土格柵，以此來支撐整個結(jié)構(gòu)，并保持穩(wěn)定性。具體混凝土格柵設(shè)計及上下層的構(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）夯實基礎(chǔ)。在坡腳處向下開挖約寬100cm，深50cm的基槽，夯實后填充碎石做鋪墊層。

（4）施工。基礎(chǔ)處理完成后，具體的施工工序見圖3。施工采用土工格柵，增強填充土與混凝土框架結(jié)合強度。土工格柵放置時，受力方向指向坡外。每一層柳條栽植后在根部適當澆水；對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)護管理

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

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

2．2．4實驗監(jiān)測與調(diào)查

本研究采取隨機取樣和現(xiàn)場測量的方法，對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)修復后的岸坡上旱柳的生長特性進行了一系列的觀測。分別在2007年10月、2008年10月和2011年6月，即完工后3個月、15個月和47個月對旱柳的成活率和覆蓋度做了調(diào)查。其中2011年6月的調(diào)查中還對旱柳的生長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)防護效果、適用范圍以及存在的一些問題，并對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植物生長狀況

植物生長的好壞以及對環(huán)境的適應(yīng)性是檢驗植物混凝土格柵技術(shù)成功與否的重要條件。觀測表明，完工3個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月份進行了人工補植，距最初完工15個月后，再次觀測得出旱柳的成活率達到了90％，覆蓋度也達到了85％。在2011年6月份的調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，此時旱柳的存活率僅為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后開始實行減少人為干預、植被自然恢復的管理措施，目的是檢驗旱柳對該環(huán)境的適應(yīng)性，以及該技術(shù)對周邊環(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，截止8月底累計降水量為326mm，比2008年同期的438mm減少112mm，比多年平均同期的418mm減少了92mm，而這段時間又停止了人工澆水，這就導致建群初期占主導地位的旱柳大部分死亡。

（2）扦插枝條的土層太薄。在設(shè)計初期，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。當植被長到一定階段，根系就會向下生長直至觸及混凝土格柵，此時格柵就會影響根系繼續(xù)向下生長，由此會導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，由此導致了格柵中部的植株大部分死亡?；谏鲜鲈?，該技術(shù)今后在用于干旱地區(qū)邊坡修復時需要投入一定的人工管理，干旱時期要適時適量澆水；而當用于河岸邊坡固定時，由于水分比較充足，可適當減少人為管理，這樣才能保證插條的成活成長，才能發(fā)揮其最大的生態(tài)效益。在該技術(shù)措施完工47個月后，筆者還調(diào)查研究了旱柳的生長狀況。觀察發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過47個月的生長，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）。通過對旱柳扦插直徑，47個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。通過對旱柳的生長狀況分析表明，在今后植物混凝土格柵護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，能夠在短時間內(nèi)迅速生長達到一定的景觀效果，所以是北京地區(qū)生態(tài)護坡的一種優(yōu)良材料。

3．2對土壤的改良作用

土壤有機質(zhì)是土壤中來源于動植物體的所有有機物質(zhì)，其含量的多少是土壤肥力高低的重要指標［15］。在本措施完工47個月后，取旱柳根部附近的土壤以及周邊裸地的土樣各100g進行理化性質(zhì)分析，具體分析結(jié)果見表3。由表3可以看出，完工47個月以后，旱柳根部附近土壤與原始邊坡土樣相比，有機質(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pH值下降了0．25；與周邊裸露邊坡土樣相比，有機質(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pH值低0．16，說明植物混凝土格柵護坡措施能夠有效改良土壤，通過一定時間的修復，能使得原來貧瘠的土壤得到一定的改良。

3．3對周邊環(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)修復邊坡效果好壞的重要指標。自該措施完工47個月以來，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，達到18種之多，而且這些植物的總覆蓋度也達到了95％以上。通過現(xiàn)場挖根測定，完工47個月后單株旱柳的根系生物量比完工1a后平均增長了63％，單位面積50cm深土壤中根系生物量較完工1a后增長了72％，大大增強了岸坡抗侵蝕的能力。不僅如此，這些植被的生長還為一些小型的昆蟲和爬行動物提供了一個良好的棲息環(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，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)。整個坡面植被高低錯落有致，帶給人一種綠意盎然，充滿生機的感覺，創(chuàng)造了極佳的美學效果。除此之外，通過對該措施周邊環(huán)境的溫度和濕度監(jiān)測發(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，營建一個干凈、清爽且富有生機的坡面環(huán)境。

4結(jié)論

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

（1）在施工完成后的前2a里，旱柳能達到90％的存活率和85％的覆蓋度，對岸坡起到了一定的防護作用，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，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)在實施47個月后，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)護坡技術(shù)。

在本研究的后期監(jiān)測管護過程中發(fā)現(xiàn)，水分是影響該技術(shù)的一個主要因素。當該技術(shù)應(yīng)用于河道護岸時，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，但是當應(yīng)用于干旱地區(qū)的邊坡治理時，就需要投入一定的人力來進行后期管護，尤其是定期澆水，否則效果不佳。今后，護坡技術(shù)與灌溉技術(shù)相互結(jié)合使用是生態(tài)護坡技術(shù)需要研究的一個方向，對于生態(tài)護坡的發(fā)展具有十分重要的意義。