公路邊坡不同護坡措施表層土壤水分動態變化規律

陳志強, 王 瑄, 鮑永雪

(沈陽農業大學 水利學院, 沈陽 110866)

公路邊坡不同護坡措施表層土壤水分動態變化規律

陳志強, 王 瑄, 鮑永雪

(沈陽農業大學 水利學院, 沈陽 110866)

為了確定公路邊坡不同護坡措施保水效果，以沈撫高速沿線的草皮防護(CP)、掛網噴播(GW)、六角空心磚防護(LJ)和菱形防護(LX)四種典型邊坡防護措施為研究對象，利用土壤水分測量儀觀測不同護坡措施的表層土壤含水量，分析不同護坡措施下土壤含水量的時空演變特征。結果表明：不同護坡措施土壤含水量均表現為坡下>坡中>坡上；土壤含水量均值在13日，14日均表現為CP>GW>LJ>LX，而在15日，16日均表現為CP>LJ>GW>LX；在同種護坡措施下，土壤含水量變異程度在各坡位均表現為隨時間變化呈逐漸增大的規律；在同一坡面情況下，六角空心磚防護坡面表層土壤水分變異系數(CV)表現為坡上>坡下>坡中，其余三種護坡措施CV均表現為坡上>坡中>坡下；護坡措施土壤含水量變異程度隨時間變化表現為LX(12.5%)>GW(10.6%)>CP(9.2%)>LJ(8.5%)，菱形植草與其余三種措施間差異顯著(p<0.05)，掛網植草與六角空心磚防護差異顯著(p<0.05)，草皮防護與這兩種措施均未達到顯著水平；六角空心磚配合紫穗槐灌木和小火炬草本植被的護坡形式保水效果較好。

邊坡防護措施; 土壤含水量; 保水效果; 時空演變特征

公路邊坡防護在公路建設中具有舉足輕重的作用，研究各項護坡措施的防護效果具有重要的意義。鄧輔唐等[1]通過研究思小高速公路邊坡不同植被類型各個層次的蓄水保土功能，對比元磨高速和玉元高速公路護坡措施的水土保持效果，提出在高速公路邊坡生態恢復中應該采用喬灌草相結合的護坡形式。卓慕寧等[2]研究了京珠高速公路粵境南段終點路段邊坡生態防護技術的水土保持效應，得出采用建植草本植被的生態護坡技術能短期內完全覆蓋坡面，中雨暴雨情況下，邊坡徑流系數在15.97%以下，土壤流失量極小。駱漢等[3]采用人工模擬降雨的方式對三種不同覆蓋物防護的公路邊坡水土保持效果進行了描述，得出草簾子覆蓋下的坡面徑流量、徑流系數和坡面產沙量均明顯小于裸坡，水土保持效果較好。周顯廣[4]以陜北半干旱地區某高速公路典型邊坡防護為研究對象，分析各護坡措施的交通功能、生態收益、經濟收益和社會收益，得出半干旱區公路邊坡防護的效益以土工格式植草和客土噴播邊坡綠化為最優的結論。楊振[5]對哈綏高速亞布力段公路沿線水土保持措施的植被和土壤物理性質進行了研究，得出水土保持措施對公路邊坡防治水土流失和降低邊坡徑流量徑流含沙量上效果顯著，各措施防護效果比較是：土工格室植草>三維植被網>散播植草>六角空心磚植草。對于公路邊坡防護效果受到各學者的關注，但主要從邊坡土壤侵蝕及沖刷等角度進行考慮，在各種護坡措施下，土壤水分是一項重要的土壤特性指標，對于道路邊坡的穩定同樣有著十分重要的影響，但有關公路邊坡防護條件下土壤水分的空間和時間變異性的文獻報道較少[6]，因此，為充分了解邊坡綠化植被的防護保水效果，本試驗通過對沈撫高速沿線4種典型邊坡防護措施下土壤水分的變化進行監測，研究各措施下土壤水分的變化規律，并探討道路邊坡土壤水分在各種護坡措施下的空間變異性，以便對各項防護辦法的保水效益做出理性評價，旨在為邊坡防護辦法的完善及推廣應用提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗路段位于遼寧省東部，屬于北溫帶季風性大陸氣候，年降雨量750～850 mm，無霜期150 d左右，年平均氣溫5～7℃，≥10℃積溫平均達到了2 700～3 200℃，屬于丘陵地帶，土壤類型為發育在黃土性母質上的壤質棕壤土。沈撫高速為東西走向，全長776 km；路塹挖方段200多個，總長約31 km，路塹段風化程度較低，多為土質邊坡和弱風化巖石邊坡。沿線典型邊坡防護方式的基本概況見表1。

表1 調查點概況

1.2 試驗設計

經過對高速沿線各種護坡措施的多次野外考察，在沿線選擇4種典型措施作為試驗樣地，見圖1，由于各措施間防護方式存在差異，采用不同的樣地劃分方式。

1.2.1 菱形網格植草 選擇三處防護坡面作為試驗樣地，每處樣地均由兩個完整的菱形網格組成，分別位于邊坡上部和下部，呈對角形式，樣地長約6 m；三處樣地均間隔一個菱形網格，寬度約為3 m。由于每個完整的網格長度為3 m，把每個試驗網格平均劃分成三段，分為上部、中部和下部，等間距20 cm，在上部和下部選擇5個測點，中部選擇6個，各網格選擇16個，共計測點96個，以下統稱為菱形植草。

1.2.2 草皮防護 選擇三處防護坡面作為試驗樣地，各樣地間距3 m，寬度1 m，沿邊坡縱向從下往上取6 m長坡面，平均劃分為坡上、坡中和坡下三個坡位。在各坡位橫向每隔20 cm選擇測點，每個樣地選擇15個，共計測點45個。

1.2.3 六角空心磚防護 選擇三處防護坡面作為試驗地，每個樣地坡面橫向包括5個空心磚，樣地間距約為3 m，寬度約為1 m，在各樣地內沿坡橫向選取相鄰的五個空心磚，以間距20 cm在每個磚內取1條6 m長的縱向線，在每條線上每隔3 m選擇一個空心磚，每處樣地三個坡位共計空心磚15個。在每個空心磚內各選擇1個測點，三處樣地共計測點45個，以下統稱為六角防護。

1.2.4 掛網噴播 選擇三處防護邊坡作為試驗地，各樣地寬1 m，間距3 m，平均劃分為坡上、坡中和坡下三個坡位，試驗坡面長度6 m。在各坡位橫向每隔20 cm選擇測點，每個樣地選擇15個，共計測點45個，以下統稱為掛網植草。

圖1 邊坡防護措施類型

1.3 測定方法與數據處理

2016年4月12日試驗區降雨量達到了24 mm，從4月13日至16日的四天內，采用北京澳作生態儀器有限公司生產的土壤水分測量儀AZS-2，對各測點0—10 cm的土壤容積含水量(%)進行連續測定，對

雨后各護坡措施下坡面表層土壤水分的分布特征及變異情況進行觀測，對比分析和評價各護坡措施的保水效果。土壤容積含水量是土壤中水分容積與土壤容積的比例，容積含水量定義為：

θV=(VW/VS)×100%

(1)

式中：θV為容積含水率；VW為土樣中水的體積；VS為土樣的總體積。

采用Microsoft Excel 2010處理數據，同時使用IBM SPSS Statistics 21提供的One-way ANOVA進行各種護坡措施下土壤水分含量的差異顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 不同護坡措施下的土壤含水量分布特征

2.1.1 土壤含水量在各坡面的分布特征 在觀測的四天時間內各種護坡措施下土壤含水量情況見圖2。從圖中可以看出，各種護坡措施下土壤水分含量均表現為從坡上至坡下逐漸增大的變化規律。因為在坡面條件下，土壤水分受重力作用從坡上向坡下發生位移，使坡下水分條件較坡中和坡上好，且土壤養分能隨水分移動而逐漸向坡下聚集，導致下坡位的土壤養分含量較高，植被狀況好于坡上和坡中，這在一定程度上也起到涵養水源的作用，因此出現了含水量坡下>坡中>坡上的水分分異現象，任婷婷[7]和張慶[8]等的研究也同樣表明了這種變化規律。

圖2 不同邊坡防護措施下土壤含水量觀測結果

2.1.2 土壤含水量在各措施間的分布特征 各護坡措施下土壤含水量間的差異顯著性檢驗結果見表2。從表中可以看出，土壤含水量均值大小在13日，14日均表現為CP>GW>LJ>LX，而在15日，16日均表現為CP>LJ>GW>LX；在13日，14日的測量中，坡面含水量在菱形植草與其余三種護坡措施間差異顯著(p<0.05)，而其余三種措施間差異不顯著。因為草皮防護的坡面位于整個邊坡坡面中下部(邊坡坡長12 m，樣地坡長6 m)，降水在坡面再分配作用及較緩的坡度(平均坡度24.6°)較利于減少土壤水分的徑流損失而增加入滲量，在降雨過后形成了較好的水分條件，植被生長良好，且樣地坡向為西北，據Garten等[9]的研究表明，西北坡向收到的太陽輻射能較東南坡向小，更利于坡面水分保持，因此草皮防護的坡面水分含量最高；掛網植草和菱形植草坡向東南，但掛網植草采用的草種類型豐富，達10余種(無芒雀麥、黑麥草、白三葉、早熟禾等)，而菱形植草則類型單一(地錦、小火炬)，已出現植被萎蔫、發黃和長勢衰弱現象，相比菱形植草掛網植草所形成的邊坡植物群落更為穩定，長勢良好，因而對降水的涵養與保持能力更強；六角防護坡向西北，但受空心磚的限制，坡面植被蓋度較掛網植草和草皮防護低，且相比其他三種防護措施，部分降水沿磚流失，坡面土壤水分入滲量少，因此土壤含水量較低，但六角防護坡面的空心部分覆有坡中部紫穗槐灌木的枯枝落葉層，據徐娟[10]和吳欽孝[11]等研究表明，枯枝落葉層在截留降雨、攔蓄地表徑流、減少水分蒸發和增加土壤入滲等方面有一定作用，因此土壤含水量較菱形植草高，總體上表現為草皮防護>掛網植草>六角防護>菱形植草。

表2 各護坡措施下邊坡土壤含水量%

注：數值為平均值±標準誤，同一行小寫字母不同表示在p=0.05水平下差異顯著。

在15日、16日的測量中，坡面含水量在菱形植草與其余三種措施間差異顯著(p<0.05)，草皮防護與掛網植草間也達顯著水平(p<0.05)，而六角防護與草皮防護和掛網植草間均未達到顯著水平。由于草皮防護所處的微地形更利于保持水分，因此坡面土壤水分含量仍屬最高；六角防護采用復合形式，而紫穗槐灌木主要吸收深層水，對表層土壤水分基本不消耗，康艷萍[12]和盧鑫[13]等的研究表明，紫穗槐灌木根系發達，具耐干旱、寒冷、保持水土等作用，在護坡技術中得到廣泛應用。此外，加上枯枝落葉層的覆蓋，可在一定程度上減少坡面土壤水分耗散，保水效果良好；掛網植草和菱形植草坡向東南，輻射能強，土壤水分蒸發量大，受植被種類、成活率及蓋度的綜合影響，土壤水分狀況在兩種措施間差異顯著(p<0.05)，也正是上述因素，使得掛網植草坡面水分含量減少至小于六角防護，形成與草皮防護間顯著差異(p<0.05)以及與六角防護間不顯著差異，土壤含水量表現為草皮防護>六角防護>掛網植草>菱形植草。

2.2 不同護坡措施下土壤含水量變化特征

2.2.1 土壤含水量在各坡面的變化特征 在四天觀測期內邊坡土壤水分日變化量及總變化情況見圖3，由圖可知，在各種護坡措施下土壤水分的變異程度在同一坡位隨時間變化均呈現逐漸增大的規律；在同一坡面除六角防護外，其余三種護坡措施下變異程度表現為坡上>坡中>坡下，六角防護變異程度則表現為坡上>坡下>坡中。考慮到隨著降雨事件的結束，一方面坡面植被生長、蒸騰作用消耗大量水分，另一方面坡面水分滲入深層、直接蒸發，使土壤水分降低程度越來越明顯；另外，植被具有促進水分入滲的功能，較好的植被狀況能保持更多的水分，持水性能好，反之，土壤水分缺少植被保持，易于直接蒸發造成損耗；受復合防護形式的影響，六角防護與其他措施的土壤水分變異程度并不一致。

變異系數CV在坡面尺度下可以反映土壤水分的變異程度，反映土壤含水量在空間上的分布特征。

(2)

圖3 不同措施下坡面土壤水分日變化差值情況

措施種類坡位樣本數均值標準差標準誤變異系數/%極小值極大值均值的95%置信區間坡上1228.34.7001.35716.6020.733.925.33～31.31菱形防護坡中1230.34.1361.19413.6723.934.727.62～32.88坡下1232.14.0321.16412.5625.736.729.54～34.67坡上1223.65.8111.67824.6512.431.519.88～27.26坡中1225.25.4901.58521.8215.032.421.67～28.65鋪設草皮上部坡下1226.35.1611.49019.6117.332.723.04～29.59下部坡上1228.25.0641.46217.9819.734.624.95～31.39坡中1229.04.9081.41716.9321.334.825.86～32.10坡下1229.74.7521.37216.0221.935.126.64～32.68坡上1230.24.0721.17513.4923.835.027.59～32.77掛網噴播坡中1231.73.7651.08711.9025.035.829.26～34.04坡下1232.93.4240.98910.4126.736.530.71～35.06六角空心磚防護坡上1228.13.8891.12313.8622.032.325.59～30.53坡中1231.63.0320.8759.6026.634.829.65～33.51坡下1232.53.2940.95110.1527.335.830.36～34.54

注：各項護坡措施相同坡位樣本數表示在某種特定措施下每個試驗樣地同一坡位的平均土壤含水量的總數。

由表4可知，隨著雨后干旱天數增加，護坡措施坡面土壤水分減少量逐漸增大，雨后干旱天數間水分減少量均達到顯著(Sig.<0.05)或極顯著水平(Sig.<0.01)，表明雨后干旱天數對邊坡土壤水分的影響極顯著，這與圖3的分析結果一致。

2.2.2 土壤含水量在各措施間的變化特征 為充分比較4種護坡措施坡面土壤水分在觀測期的變異程度大小，以評價各項措施的保水效果，將各坡面的土壤含水量相鄰兩天的差值進行比較，并做差異顯著性分析，結果見表5。

表4 各護坡措施下邊坡土壤含水量差值的均值比較 %

注：平均值±標準誤，同一列小寫字母不同表示在p=0.05水平下差異顯著；(3)同一列大寫字母不同表示在p=0.01水平下差異顯著,下表同。

由表5可知，各護坡措施下土壤含水量差值變化規律表現為隨時間變化而逐漸增大，這與表4的分析結論一致。對于變異程度而言，均表現出了菱形植草>掛網植草>草皮防護>六角防護的規律，其中14日與13日相比，菱形植草與其余三種措施間差異顯著(p<0.05)，而其余三種措施間差異不顯著；15日與14日相比，菱形植草與掛網植草間及草皮防護與六角防護間差異不顯著，但都與另外兩種措施間存在顯著差異(p<0.05)；16日與15日相比，同樣表現出了菱形植草與掛網植草間及草皮防護與六角防護間的差異不顯著，但草皮防護與掛網植草不顯著而與菱形植草顯著(p<0.05)，六角防護則與這兩種措施都顯著(p<0.05)。主要是因為菱形植草坡面植被狀況不佳，以及較強太陽輻射能，使坡面水分耗散量一直處于較高水平，而其余三種護坡措施均具有較好的植被蓋度，水分不易損失；隨著雨后干旱天數增加，太陽輻射能的攝入引起水分直接蒸發，同時植被吸水蒸騰消耗較多水分，因此掛網植草防護坡面水分與菱形植草差異出現不顯著狀況；對于六角防護與草皮防護而言，輻射能較掛網植草少，同時草種類型較少，植被生長需水量相對偏少，因此兩措施間差異不顯著，而與掛網植草間存在顯著差異；到了雨后干旱第四天，掛網植草與草皮防護差異不顯著，原因是掛網植草坡面坡度較大，平均32°，坡面保持的水分不多，于是植被生長吸水、水分下滲和蒸發耗水等過程受到一定限制，水分損失量增加減緩，而對于草皮防護來說，整個邊坡的中下部水分條件較好，含水量充足，植被吸水量、水分下滲、蒸發量逐漸增大，因此耗水量較大；考慮到六角磚對坡面降水入滲具有一定限制作用，植被可利用的水分較少，加上坡面較好的防護模式，水分損失量始終處于最低水平。總體看來，坡面土壤水分變異程度從大到小依次為LX(12.5%)>GW(10.6%)>CP(9.2%)>LJ(8.5%)，其中菱形植草與其余三種措施間以及掛網植草與六角防護間均差異顯著(p<0.05)，草皮防護與這兩種措施均未達到顯著水平，說明六角空心磚配合紫穗槐灌木和小火炬草本植被的護坡形式在四種措施中保水效果最好。

表5 各護坡措施間邊坡土壤含水量差值比較%

3 結 論

(1) 在各項護坡措施下，坡面土壤含水量均表現為坡下>坡中>坡上的規律，土壤水分在坡面的分異規律明顯，有利于指導邊坡防護的植被種類選擇及后期撫育管理。

(2) 在13日、14日的測量中，坡面土壤含水量在菱形植草與其余三種措施間差異顯著(p<0.05)，而其余三種措施間差異不顯著，其大小順序均為CP>GW>LJ>LX；在15日，16日的測量中，土壤含水量在菱形植草與其余三種護坡措施間差異仍然顯著(p<0.05)，草皮防護與掛網植草間也達顯著水平(p<0.05)，而六角防護與草皮防護和掛網植草間均未達到顯著水平，其大小順序均為CP>LJ>GW>LX，這是受邊坡坡向、坡度等地形因子以及護坡植被的類型、蓋度等植被因子綜合作用的結果。

(3) 在同一坡面情況下，六角空心磚防護坡面CV表現為坡上>坡下>坡中，其余三種護坡措施CV均表現為坡上>坡中>坡下；各種護坡措施土壤含水量變異程度隨時間變化表現為LX(12.5%)>GW(10.6%)>CP(9.2%)>LJ(8.5%)，其中菱形植草與其余三種措施間以及掛網植草與六角防護間均差異顯著(p<0.05)，草皮防護與這兩種措施均未達到顯著水平；六角空心磚配合紫穗槐灌木和小火炬草本植被的護坡形式保水效果較好。

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DynamicVariationsofSurfaceSoilMoistureContentsUnderDifferentSlopeProtectionMeasuresinHighway

CHEN Zhiqiang, WANG Xuan, BAO Yongxue

(CollegeofWaterConservancy,ShenyangAgriculturalUniversity,Shenyang110866,China)

Four typical kinds of slope protection measures, including turf (CP), hanging net (GW), hexagon hollow brick (LJ) and rhombus (LX), along the Shenfu Highway, had been taken into account in order to determine the water conservation effects of those measures in highway slopes, and the soil moisture contents of those measures were determined using soil moisture measuring instrument, so as to analyze the spatiotemporal characteristics of surface soil moisture contents in different slope protection procedures. The results showed that in all protection slopes, soil water contents followed the order: lower slope>middle slope>upper slope; On the 13thday and 14thday, the mean soil water contents followed the order: CP>GW>LJ>LX, while on the 15thday and 16thday, it followed the order: CP>LJ>GW>LX; under the same protection measure, the variation degrees of soil water contents in each slope position increased gradually over time; under the same slope, the variable coefficient (CV) of surface soil moisture content in hexagon hollow brick slope followed the order: upper slope>lower slope>middle slope, while other slopes followed the order: upper slope>middle slope>lower slope; in all protection slopes, the variation degrees of soil water contents followed the order over time: LX(12.5%)>GW(10.6%)>CP(9.2%)>LJ(8.5%), in which the rhombus had a significant difference with other three measures(p<0.05), and hanging net had a significant difference with hexagon hollow brick (p<0.05), while the difference between turf and these two measures were insignificant; cooperation of hexagon hollow brick withAmorphafruticosaL. andKniphofiauvariahad better water conservation effect.

side slope protection measure; soil moisture content; water conservation effect; spatiotemporal characteristics

2016-07-05

：2016-07-20

遼寧省自然基金“坡耕地不同耕作模式產流產沙規律試驗研究”(201102193)

陳志強(1992—),男,湖南郴州人,碩士研究生,主要從事流域綜合治理研究。E-mail:1605326618@qq.com

王瑄(1965—),女,遼寧昌圖人,教授,博士,主要從事土壤侵蝕和農業節水的教學研究。E-mail:xuanw11@163.com

S152.7

：A

：1005-3409(2017)02-0077-07