PAM對川渝地區邊坡植被水土保持性能的影響

潘聲旺，何茂萍，趙雪峰，王玲玲

(1.成都大學 建筑與土木工程學院，四川 成都 610106； 2.成都大學 檔案館，四川 成都 610106)

PAM對川渝地區邊坡植被水土保持性能的影響

潘聲旺1，何茂萍1，趙雪峰2，王玲玲1

(1.成都大學 建筑與土木工程學院，四川 成都 610106； 2.成都大學 檔案館，四川 成都 610106)

為了探討聚丙烯酰胺在促進生態護坡、遏制水土流失過程中的作用，借助3個物種配置試驗，于2012年3月構建了以草本、灌木或喬木為主體的草本型、灌木型、喬木型及草灌喬混合型綠化配置試驗區；以不施聚丙烯酰胺為對照，分別撒施0.5、1.0和1.5 g·m-2聚丙烯酰胺，自建植次年(2013年)起，對試驗區進行持續4年的生態監測.結果表明：邊坡植被的水土保持性能(徑流系數、侵蝕模數)與鄉土植物的生活型構成及建植年限有關；成坪初期(2013、2014年)，草本型配置所在邊坡的水土保持性能較強，自第3年(2015年)起, 草灌喬混合型配置所在邊坡表現出較強的水土保持性能；試驗范圍(0～1.5 g·m-2)內，聚丙烯酰胺可有效提高邊坡植被的水土保持性能，施用量為1.0 g·m-2時效果最佳；利用聚丙烯酰胺的改良作用強化草灌喬混合型配置的生態防護效應，既可改善邊坡植被重建初期的水土保持性能，又能縮短其演化進程.

邊坡；植被恢復；生活型；聚丙烯酰胺；水土保持性能

0 引 言

邊坡防護工程中，基于鄉土植物的生態優勢，在裸露邊坡上重建邊坡植被的生態固坡技術在改善路域景觀、減少水土流失等方面的應用日益普及[1-2].而重建后植被群落是否穩定、能否實現自然演替，則是衡量植被恢復成功與否的重要標志.研究表明，植被群落地上莖葉組織對雨滴的分層攔截、緩沖作用及地下根系結構對土壤顆粒的加筋、錨固作用，有利于減小坡面水土流失并增強坡體穩定性[3].一般而言，灌(喬)木生長緩慢、結構稀疏，建坪初期難以實現控制水土流失的目的.草本類植物種子小、生長快、分布均勻，能有效防止早期的土壤侵蝕，維護坡體穩定性，但其層次結構單一，種間競爭激烈，群落穩定性差，演化進程緩慢，易導致早期恢復的邊坡植出現退化，甚至再次裸露.草灌喬混合型配置雖能有效縮短邊坡植被的演化進程，增加邊坡植被的層次性，但成坪過程漫長，建坪初期的護坡性能較差，尚不能有效控制土壤侵蝕，減少水土流失[4-5].因此，如何結合工程措施，強化建坪初期的生態防護作用，減小坡面水土流失一直是工程領域的研究熱點.

聚丙烯酰胺(polyacrylamide，PAM)是一種線型水溶性高分子聚合物，具有很強的絮凝作用與水合作用[6].研究發現，PAM的適量使用可促進土壤團聚體形成、防止土壤結皮、促進水分入滲、減少水土流失及環境污染[7-11].因PAM能很好地改善土壤的理化性質，如提高土壤大團聚體含量和增加土壤表面糙度，提高土壤入滲率，增加土壤含水量等，而成為一種高效的土壤結構改良劑，其改良作用與PAM施用方法、類型、用量、土壤質地等密切相關[12].目前，有關PAM減少水土流失的研究多局限于室內[7]，利用PAM的改良作用強化邊坡植被固土防護效應的相關研究尚未見報道.據此，本研究擬以草本、灌木和小喬木為主體分別構建草本型、灌木型、喬木型或草灌喬混合型配置的邊坡重建試驗區[3-4]，監測不同劑量的PAM對試驗區內地表徑流、土壤流失影響狀況，擬為PAM技術在邊坡防護中的推廣應用提供依據.

1 材料與方法

1.1 研究區概況

本研究試驗區域選定在川東、渝西接壤處的成渝高速(G85)永川段，路基邊坡位于K305+140～K305+920處.所在區域的氣候狀況、地形地貌、土壤屬性、植被類型及擬修復邊坡的坡體特征在文獻[3-4]中已做了詳細報道.

1.2 試驗材料

在試驗中，本研究以川渝地區3種代表性綠化配置[3-4]為基礎，分別與黑麥草、棉槐、刺槐等路域優勢種隨機組合，建立3個物種的配置試驗,構建以草、灌、喬為主體的草本型、灌木型、喬木型初始綠化配置試驗區，以及由3種路域優勢種構建草灌喬混合型初始綠化配置試驗區[4](見表1).

表1 不同配置模式中綠化植物的組成

1.3 試驗設計

在試驗設計上，參照文獻[3-4]方法，在擬修復的路基邊坡整理出132個規格為8 m×6 m的矩形小區，備用.

2012年3月，將10種待測配置隨機分配于試驗區內，3個重復[3-4]；另設1個對照區(CK)，用于觀測自然演替的裸露邊坡的產沙與產流特征，3個重復.在此基礎上，于2013～2016年4月將PAM與適量干細土混合后，采用干撒法分別將不同劑量的PAM(0、0.5、1.0和1.5 g·m-2)均勻撒施在試驗區的土壤表面.

1.4 測定項目

參照文獻[3-4]方法，分別測定2013～2016年汛期(5～9月)各個試驗區內的降雨量、徑流量和泥沙量，評價不同劑量的PAM對試驗區內邊坡植被水土保持性能(徑流系數、侵蝕模數)的影響差異.

1.5 數據處理

試驗數據經Microsoft Excel 2003處理后，借助SPSS 11.5軟件的LSD法分析不同處理間的差異顯著性.

2 結果與分析

2.1 裸露邊坡的產流、產沙特征

在2013～2016年汛期，研究區域內自然降雨量及裸露邊坡的產流、產沙特征[3]如表2所示.

從表2可以看出，試驗區內，雨季集中，產流量大，水土流失嚴重，屬地質災害多發區.

2.2 綠化植物的生活型對水土保持性能的影響

徑流系數、侵蝕模數是衡量植被涵養水源、固土護坡的主要指標，也是表征生態系統功能的重要尺度[3].2013～2016年間，不同綠化植物配置所在邊坡的產流、產沙特征如圖1所示.

表2 2013～2016年汛期的降雨量及裸露邊坡產流、產沙特征[3]

圖1 2013～2016年間不同綠化配置所在邊坡的產流、產沙特征

圖1顯示，綠化植物的生活型構成不同，所在邊坡的水土保持性能也不一樣(n=12,P<0.05)，年際差異明顯.

成坪初期(2013、2014年)，草本型配置的邊坡植被表現出較強的水土保持性能，小區內徑流系數(4.91%～7.78%)、侵蝕模數(76.96～111.43 t·km-2·a-1)明顯小于其他試驗區(n=12,P<0.05)，草灌喬混合型配置次之；不同生活型間的水土保持性能呈現草本型>草灌喬混合型>灌木型>喬木型變化趨勢，且差異明顯(P<0.05)[3]；同類配置中，草本類取代種試驗區的水土保持性能遠小于灌、喬類取代種所在的試驗區(P<0.05)[3].

自建坪后第3年(2015年)開始，草灌喬混合型配置所在邊坡表現出較好的水土保持性能，小區內徑流系數(3.24%～4.25%)、侵蝕模數(45.24～52.65 t·km-2·a-1)明顯低于其他觀測區(n=12,P<0.05)，不同生活型配置間的水土保持性能呈現草灌喬混合型>草本型>灌木型>喬木型變化趨勢，且差異明顯(P<0.05)[3]；除草本型外，同類配置中，草本類取代種試驗區內的徑流系數、侵蝕模數均明顯小于灌木、喬木類取代種試驗區(P<0.05)[3].

2.3 PAM對邊坡水土保持性能的影響

2.3.1 對邊坡產流特征的影響.

試驗期間(2013～2016年)，PAM施撒區(PAM1～PAM3)內的徑流系數均小于未施用PAM的對照區(PAM0)，結果見圖2.

圖2 PAM對試驗區內不同綠化配置模式所在邊坡的產流特征的影響

由圖2可知，試驗期間，試驗區內徑流系數隨著PAM施撒量的增加而遞減；施撒量為PAM2(1.0 g·m-2)時，徑流系數的降幅最為顯著，且明顯小于對照區(P<0.05)，但施撒量增至PAM3(1.5 g·m-2)時，徑流系數的降低幅度并不明顯(P>0.05).

試驗期間，PAM對不同初始綠化配置所在邊坡產流特征的影響效應也不一樣.5種觀測類型中，1.0 g·m-2的施撒量對草灌喬混合型所在邊坡的徑流系數影響最大.成坪初期(2013、2014年)，其徑流系數與相同處理條件下草本型配置相近，且遠小于灌木型、喬木型及對照區.自第三年(2015年)開始，其徑流系數明顯小于其他觀測區.試驗結果表明，適量施撒PAM能有效的改善土壤的吸水性能，提高土壤入滲率，降低徑流系數.

2.3.2 對土壤侵蝕模數的影響.

試驗期間(2013～2016年)，PAM施撒區(PAM1～PAM3)內的土壤侵蝕模數均小于未施用區(PAM0)，結果見圖3.

圖3 PAM對試驗區內不同綠化配置模式所在邊坡侵蝕模數的影響

從圖3可知，試驗期間，觀察區內土壤侵蝕模數隨著PAM施撒量的增加而遞減；施撒量為PAM2(1.0 g·m-2)時，侵蝕模數的降幅最為顯著，且明顯小于其對照區(P<0.05)，但施撒量增至PAM3(1.5 g·m-2)時，觀察區內侵蝕模數與施撒量為PAM2時無明顯差異(P>0.05).

總體上，草灌喬混合型綠化配置所在邊坡的土壤侵蝕模數對施撒PAM的響應最強烈.PAM2時，草灌喬混合型配置所在邊坡的土壤侵蝕模數在成坪初期與相同處理條件下草本型配置相近，且遠小于灌木型、喬木型及對照區；自建坪第3年(2015年)起，其侵蝕模數則明顯小于其他觀測區(P<0.05).試驗結果表明，適量施撒PAM可促進土壤團聚體形成，減少水土流失，進而增加坡體穩定性.

3 討 論

在植被恢復過程中，因資源利用、環境行為差異及綠化植物的種類不同，對各種環境資源的利用方式、利用強度及其根際沉積、根際效應等生物學過程也不一樣[3].與草本植物相比，喬木、灌木類植物擁有更為豐富的層次結構，空間異質性較強.建坪初期，草本類綠化植物的種子較小，植株密度大、分布均勻，其伴生植物也呈均勻分布，所在群落擁有較高的物種多樣性；喬木、灌木類綠化種的層次結構較強，但資源分配遠不及草本類群落均勻，其伴生植物呈斑塊狀分布，多樣性水平較低[3].隨著時間的推移，群落密度逐漸增加，空間結構日趨飽和，資源利用性競爭成為群落動態的決定性因素[4]，草灌喬混合型配置所在群落的生態位互補效應日趨明顯，其多樣性水平逐漸超越其他配置，表現出較強的系統穩定性[4].邊坡植被的空間層次結構特征在保水固土、維持坡面穩定過程中具有不可替代的作用.草本植物生長快、成坪時間短，在成坪初期就能呈現出較強的水土保持性能.喬木、灌木類綠化種生長慢，成坪時間長，在建坪初期的水土保持效益普遍較差；隨著時間推移，喬木、灌木類的群落優勢逐漸增強，所在群落的層次結構日趨分化，莖葉的分層攔截和緩沖作用、根系的加筋及錨固作用愈發突出，進而呈現出較強的水土保持性能.試驗發現，當PAM撒施量為0.5～1.0 g·m-2時，不同處理的產流量、徑流系數隨著PAM撒施量的增加而減少；當PAM撒施量較大(1.0～1.5 g·m-2)時，由于PAM分子鏈較長，在絮凝、吸附土壤顆粒時，其長鏈的尾部仍有許多存在于土壤溶液中，易堵塞土壤的傳導孔隙，促進土壤結皮形成，減少土壤水力傳導度，阻礙降水入滲，增加地表徑流，不同處理的產流量、徑流系數并未隨PAM撒施量的增加而線性遞減.本研究與李晶晶等[10]的研究結果一致.

地表徑流是土壤侵蝕的原動力.試驗表明，當PAM撒施量為0.5～1.0 g·m-2時，地表徑流隨著PAM撒施量的增加而減少，因而土壤侵蝕泥沙量也相應減少;當PAM撒施量為1.0～1.5 g·m-2時，地表徑流增幅放緩，土壤侵蝕量則趨于穩定.可能的原因是：當PAM撒施量超過一定值(1.0 g·m-2)時，土壤表層形成結皮，且撒施量越大結皮越緊密，土壤結皮使土壤表面擁有較細的土壤孔隙及較低的導水性，土壤顆粒不易松散及崩潰，降低了土壤侵蝕泥沙量、土壤侵蝕模數亦趨于穩定[6].

4 結 論

1)生活型構成與邊坡植被的水土保持性能密切相關.成坪初期(2013、2014年)，草本型配置所在邊坡表現出較強水土保持性能(徑流系數、侵蝕模數)，不同配置間呈現草本型>草灌喬混合型>灌木型>喬木型的變化；自建坪第三年(2015年)開始，草灌喬混合型配置所在邊坡表現出較強的水土保持性能，不同配置間呈現草灌喬混合型>草本型>灌木型>喬木型的波動.

2)試驗范圍(0～1.5 g·m-2)內，施撒PAM可有效的改善所在邊坡的水土保持性能.試驗期間，以草灌喬混合型綠化配置所在邊坡對施撒PAM的環境響應最為強烈，其中，PAM施撒量為1.0 g·m-2時，草灌喬混合型配置的水土保持性能成坪初期與相同處理條件下草本型相近，且遠小于灌木型、喬木型及對照組；自建坪第三年(2015年)起，其侵蝕模數明顯小于其他觀測區(P<0.05)，為試驗條件下的最佳施用量.

3)相似環境條件下，利用PAM(1.0 g·m-2)的改良作用來強化草灌喬混合型綠化配置邊坡植被的固土防護作用，既可減少建坪初期的水土流失，強化坡體的抗雨水沖蝕能力，又能快速營造結構穩定的邊坡植被防護系統，縮短邊坡植被的演化進程.該模式對川渝地區邊坡植被快速恢復具有極高參考價值.

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EffectsofPolyacrylamideonSoilandWaterConservationofSlopeVegetationinSichuan-ChongqingRegion

PANShengwang1，HEMaoping1，ZHAOXuefeng2,WANGLingling1

(1.School of Architecture and Civil Engineering，Chengdu University，Chengdu 610106, China；2.Archives,Chengdu University，Chengdu 610106, China)

In order to explore the role of polyacrylamide(PAM) in promoting ecological slope protection and controlling soil erosion,three species assembly experiments were carried out in March,2012,and four ecological models represented by tree-,shrub-,herb-dominated and herb-shrub-tree-dominated experimental areas were reconstructed.In comparison with the areas without PAM,PAM treatment amount in these areas with PAM was 0，0.5，1.0 and 1.5 g·m-2．Since 2013 which was the second year after the establishment of these experimental plots,ecological monitoring has been done in consecutive four years.The results showed that:1)Soil and water conservation properties of slope vegetation(i.e.runoff coefficient and erosion modulus) were closely related to life forms of the native plants and their years of planting.Of the four ecological models tested,the runoff coefficient and erosion in the period from 2013 to 2014 were the highest in herb-dominated areas whereas since 2015,the herb-shrub-tree-dominated areas had manifested a more prominent soil and water conservation compared with other ecological models.2)Within the experimental range(0～1.5 g·m-2),PAM could effectively improve the soil and water conservation performance of slope vegetation,and when the application amount of PAM was at 1.0 g·m-2,the effects were the best in tested side slopes.3)Using PAM to strengthen the ecological protection performance of herb-shrub-tree-dominated areas could not only improve the potential of their soil and water conservation in the early stage of slope revegetation,but also shorten the evolution process.These results could provide effective guidance for the application of PAM to improve soil and water conservation properties and their rapid restoration of the slope vegetation in Sichuan-Chongqing region.

side slopes;revegetation;life form;polyacrylamide;soil and water conservation

S157.2

A

1004-5422(2017)04-0438-05

2017-10-08.

四川省教育廳自然科學基金(17ZA0091)、 成都市科技惠民計劃(2015-HM01-00368-SF)資助項目.

潘聲旺(1973 — )，男，博士，副教授，從事環境生態與生態修復技術研究.