袁 清 超1，牛 首 业2，赵 廷 华1，牛 晓 繁2，郭 红 超2
(1.河南省水利勘测设计研究有限公司，河南 郑州 450016； 2.河南华美生态环境科技股份有限公司，河南 郑州 450016)
摘要：为研究石质边坡生态植被毯防护坡面的水土保持效果，在某高速公路施工现场软弱岩石边坡、碎石边坡段设置植被毯防护区和自然撒播草籽防护对照区，分不同时段对各区植被覆盖度、根系土壤根密度、崩解时间、地表径流量及土壤流失量等与水土保持相关的参数进行了测定， 并对实测数据进行了对比分析。结果表明：软弱石质坡面采用生态植被毯防护技术，可增加植被覆盖度，减少地表径流量和土壤侵蚀量，有效控制水土流失，水土保持效果明显优于直接撒播草籽护坡。该技术在同类边坡防护工程中具有较高的推广价值。
关 键 词：石质边坡； 生态植被毯； 边坡防护； 水土保持
随着国家对水土保持、生态保护、环境治理的日益重视，各类建设项目在工程建设的同时，均须考虑其建设对生态环境的影响，并采取必要的预防、保护与治理措施，以减少对生态环境的损害。在高速公路建设过程中或建成后形成的裸露边坡，采取必要防护措施，在保证工程安全的同时，也能起到减少水土流失、恢复景观生态的作用。但是，传统的边坡防护工程，尤其是石质边坡，由于其坡度陡、土壤贫、植被难以生长，多以挡墙、砌石、抹面等工程措施为主进行防护，渗水保水、生态效果差，与周边环境难以协调。近年来，一种新型的生态防护技术——生态植被毯技术应运而生，由于其具备建植容易、维护简单、养护成本低、生态及水土保持效果好等优点，已在国内河岸、公路、矿山等项目的水土保持治理中得到迅速推广。目前国内外对植被毯技术的护坡机理、材料的成型机理、植生机理等已有较多的研究，本文着重对采用生态植被毯防护的石质边坡的水土保持相关参数进行实测和分析，研究其水土保持效果，为类似工程提供参考。
由于石质边坡往往风化较轻，质地坚硬，岩石边坡坡度陡，且表面土壤存留少，无法直接采取植物防护措施，或直接采取植物防护措施的效果与采用植被毯技术的效果没有可比性。故该研究仅对能生长植物的、有一定风化软弱土层的石质边坡开展植被毯防护技术及其效果研究。在对河南省郑州至尧山高速公路石质边坡进行防护的过程中，针对软弱岩石边坡段和碎石边坡段分别选取长10 m的边坡面作为生态植被毯防护实验区，使用纤维格栅结构的纯椰丝型植被毯分段进行铺设，并选用黑麦草、高羊茅、无芒雀麦组合混播进行植被培育。另外选择长10 m的表层完全风化的石质边坡段作为对照区，除不铺设植被毯外其他处理均相同，以便进行水土保持效果对比。
2014年10月至2015年9月，在选定的实验区内铺设纯椰丝型植被毯，其密度规格选用300 g/m2，黑麦草、高羊茅、无芒雀麦组合混播密度为6.5 g/m2。没有铺设植被毯的碎石土对照区采用与铺设植被毯培育区相同的植被组合混播，密度亦为6.5 g/m2。各区植被同时建植并采用相同的方法进行养护，选择植被培育的不同时段，对各实验区植被覆盖度、根系土壤根密度与崩解时间、地表径流量及土壤流失量等水土保持相关参数进行测定，并分析研究生态植被毯防护坡面的水土保持效果，以得出石质边坡采用生态植被毯防护技术后的水土保持效果。
2.1 植被覆盖度参数测定
茎叶的吸附作用在一定程度上减小了雨滴对地表土壤的冲击[1]，增加了土壤入渗量，并减少了地表径流量和土壤侵蚀量[2]；同时，植被覆盖可减少地表水分蒸发，植被覆盖度和叶面积指数从一个侧面也反映了植被的水土保持性能[3]。故该研究中植被覆盖度指标测定包括植被覆盖度测定和叶面积指数测定。
(1) 植被覆盖度测定。采用目测与针刺样点法相结合，样方面积1 m×1 m，即测定在1 m2样方内插钎垂直插下所触及植物枝叶的针数与总针数的百分比。
(2) 叶面积指数测定。将边长20 cm的正方形细铁丝框随机放置于试验材料上方，收集铁丝框内部的所有叶片并迅速封存，用叶面积仪(LI-3000A，LI-COR，USA)测定其叶片总面积。
植被覆盖度与叶面积指数于2015年7月进行了测定，重复3次，取平均值。
2.2 土壤抗蚀性能测定
草本植物根系的加筋作用也有助于提高边坡土壤的抗蚀性[3]，有效根密度可作为土壤抗侵蚀性的一项重要指标；土的崩解是指黏性土由于浸水而发生碎裂、散体的现象，其崩解速率也可作为土壤抗侵蚀性的评价指标[4]。故实验中土壤抗侵蚀性能主要通过测定根系土壤的有效根密度和崩解时间两个指标来反映。
(1) 根系土壤根密度测定。植物根系提高土壤抗侵蚀能力主要是通过根径不大于1 mm的根系发挥作用的。100 cm2土壤截面上对土壤抗冲性有增强效应的不大于1 mm径级须根的根数，为有效根密度值。土样选取点为在每个调查场随机挖取3个10 cm×10 cm×10 cm的土方，清查每个土方4个剖面上不大于1 mm径级须根的根数，得出每个土方的须根数，再求出3个土方须根数的平均值。
(2) 根系土壤浸水完全崩解时间测定。用环刀在样地内取5 cm深的原状土，应用浸水法测定土壤完全崩解所需的时间。
测定时间为2015年8月，重复3次，取平均值。
2.3 地表径流量与泥沙流失量测定
地表径流量与泥沙流失量是水土保持治理工程需要控制的重要指标之一，采取不同的水土保持措施产生了不同的下垫面条件，直接影响径流和泥沙输移过程[5]。径流小区法是水土保持观测试验的重要方法之一，是测验径流、泥沙的主要手段[6]。该项目地表径流量与泥沙流失量测定亦采用径流小区法，即在不同坡面上布设径流小区，小区边界用塑胶板垂直插入土层内，围成面积3 m×5 m的小区，小区下方设集水桶收集坡面径流。
观测时间为2015年6～8月，观测项目包括降雨量、降雨历时、径流量、土壤侵蚀量等。
降雨量、降雨历时采用虹吸式雨量计观测；地表径流量用称量法测定，每次测定后，根据径流量换算出单位面积上的径流深度；泥沙流失量测定采用容器取样与量测集水桶的泥沙相结合的方法，在降水后将沉淀池中的水排出，取出全部泥沙；悬沙用简易比重法测定，充分干燥后称量，重复4～5次，再折算出单位面积侵蚀量。
3.1 不同石质坡面植被覆盖度特征
不同石质坡面植被培育10个月后，各区植被覆盖度及叶面积指数实测结果如表1所示。
表1 植被覆盖度及叶面积指数测定结果
测定区域植被覆盖度/%叶面积指数测定区域植被覆盖度/%叶面积指数岩石边坡区83．67．21对照边坡区65．44．80碎石边坡区86．57．41
植被覆盖度特别是贴地覆盖度对防止地表水土流失具有重要作用，对坡面水土流失有很好的阻滞效果，叶面积指数可以反映出植被对降雨的截留量。从实测的植被覆盖度情况看，铺设植被毯的岩石边坡坡面和碎石边坡坡面的植被覆盖度都大于80%，没有显著性差异，但与对照区植被覆盖度65.4%相比，覆盖度提高了30%左右；植被毯铺设区的叶面积指数也明显大于对照区，铺设植被毯的岩石边坡和碎石边坡分别比对照区提高了50.1%和54.3%。
3.2 地表径流量与土壤侵蚀量指标
2015年6～8月，选择具有代表性的单场降雨进行了不同石质边坡小区实测地表径流量测定，结果见表2，实测的坡面土壤侵蚀量见表3。
表2 不同防护坡面的地表径流量测定参数
观测日期/(年-月-日)降雨量/mm不同防护坡面的地表径流量/mm岩石边坡区碎石边坡区对照边坡区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测定的历次降雨量和径流量数据可知：相对于未使用植被毯的对照小区，铺设植被毯的小区单次降雨的坡面径流量均有明显减少，除了第一次降雨过程中径流量减少28%外，其他几次降雨过程中，坡面径流量减少了30.3%～37.1%，表明采用生态植被毯防护的边坡在降雨过程中减流效应相当显著。
表3中记录的土壤侵蚀量测定结果表明，不同石质坡面使用椰丝植被毯建植植物后，与对照区相比，土壤侵蚀量减少了19.7%～47.3%，效果非常明显。
表3 不同防护坡面的土壤侵蚀量测定参数
观测日期/(年-月-日)降雨量/mm不同防护坡面的的土壤侵蚀量/(t·km-2)岩石边坡区碎石边坡区对照边坡区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 防护形式对土壤抗蚀性能的影响
土壤的抗蚀性与土壤结构、土壤有机质及土壤根系含量有关。土壤的抗蚀性越强，地表径流对土壤的冲刷程度便越低。植被毯可有效帮助植被建植，使其均匀覆盖地表，形成密集根系，提高固结土壤能力，拦蓄和滞缓地表径流对土壤的冲刷。不同实验区的抗侵蚀性能指标详见表4。
表4 土壤抗蚀性能实测参数
测定区域崩析所需时间/min有效根密度/(条·cm-3)测定区域崩析所需时间/min有效根密度/(条·cm-3)岩石边坡区35845对照边坡区23541碎石边坡区38652
从表4的实测数据可知，使用植被毯建植植物的石质坡面的土壤完全崩析所需时间是对照坡面的1.5～1.7倍，有效根密度也是对照坡面的1.1～1.3倍，表明铺设植被毯坡面的抗侵蚀性能明显优于对照坡面。
相对于没有铺设植被毯的石质坡面，采用生态植被毯技术可以增加植被覆盖度，提高土壤的抗蚀性，大幅度减少地表径流量和土壤侵蚀量。另外，在遭遇降雨时，能有效保护坡面植被，降低降水对坡面的冲刷，呈现出良好的蓄水保土能力，有效控制了水土流失，其水土保持效果明显优于采取自然撒播防护的坡面。因此可以得出，生态植被毯技术在水土保持工程及同类边坡防护工程中具有较高推广价值。
参考文献：
[1] 张朝阳，许桂芳，周凤霞，等.10种藤本植物边坡水土保持效应研究[J].中国水土保持,2008,26(10):39-41.
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[5] 张玉华，江宁，张勇.水土保持措施防治面源污染效益研究——以河南省淅川县坡地柑橘种植为例[J].人民长江，2016，47(23):31-33,81.
[6] 谢颂华，方少文，王农.水土保持试验径流小区设计探讨[J].人民长江，2013，44(17):83-86,113.
[7] 赵延华，牛首业，郭红超.新型生态植被毯边坡防护技术水土保持效应研究[J].人民长江，2017，48(13).
(编辑：朱晓红)
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
中图法分类号：S157
文献标志码： A
DOI:10.16232/j.cnki.1001-4179.2017.17.008
收稿日期：2017-07-05
作者简介：袁清超，男，高级工程师，主要从事水利工程的设计与研究工作。E-mail：20372738@qq.com
文章编号：1001-4179(2017)17-0034-03
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