伊犁地區(qū)公路邊坡不同植物組合的水土保持效應(yīng)研究
——以S242線鞏留至尼勒克公路建設(shè)為例

李宏鈞，劉 濤，張曉峰，李 偉

（交通運(yùn)輸部科學(xué)研究院，北京 100029）

0 引言

公路建設(shè)是一項(xiàng)與自然環(huán)境緊密相關(guān)的工程，不可避免地會(huì)破壞沿線生態(tài)環(huán)境，造成水土流失[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每新建1km的高速公路最高可占地5～7公頃，如不做好水土流失防護(hù)措施，僅路基主體每年即可新增水土流失2000～5000 t/km[2]。土壤侵蝕的持續(xù)發(fā)生不僅會(huì)使土壤質(zhì)量下降[3]，導(dǎo)致土地退化，還會(huì)造成生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能下降、作物產(chǎn)量降低，危及飲用水安全，甚至擾動(dòng)碳平衡等一系列生態(tài)環(huán)境問(wèn)題[4]。

長(zhǎng)期以來(lái)，諸多學(xué)者對(duì)公路建設(shè)中的水土流失防治做了大量研究。美國(guó)Forman等[5]分析了道路對(duì)水文及整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的影響，發(fā)現(xiàn)道路修建會(huì)加快土壤侵蝕過(guò)程；德國(guó)土壤學(xué)家沃倫[6]通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)植被可以防止土壤侵蝕，揭開了利用植被治理水土流失的序幕；Hengchaovanich[7]通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，植物根系能明顯增大土壤的抗剪強(qiáng)度，其中每一單位草本植物的抗剪強(qiáng)度增加值是樹木根系的2～3倍；日本在建設(shè)公路時(shí)一直以工程兼顧綠化為主要思想，不斷加強(qiáng)喬木、灌木與草本相結(jié)合的多層次綠化，形成了邊坡生態(tài)防護(hù)體系[8]。目前我國(guó)公路邊坡水土流失治理基本以草本為主[6]。高強(qiáng)等[9]認(rèn)為植物防護(hù)措施的選種應(yīng)強(qiáng)調(diào)生態(tài)適應(yīng)性、功能綜合性和抗逆性；穆立薔等[10]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)和室外調(diào)查高等級(jí)公路邊坡野生植物種類，篩選出了適宜黑龍江省公路邊坡生態(tài)防護(hù)的植物種類；蔣德松等[11]通過(guò)實(shí)地調(diào)查生態(tài)防護(hù)植被，篩選出了適宜廣西寨任路巖質(zhì)邊坡防護(hù)的草種；王大慶[12]在天山自然保護(hù)區(qū)開展試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)植被可有效減小徑流速率與產(chǎn)沙量；朱兆華等[13]通過(guò)在深圳市橫坪快速路進(jìn)行實(shí)地試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)假儉草能快速固定裸露坡面的土壤基質(zhì)，保持水土，生態(tài)防護(hù)效果良好。現(xiàn)有的研究發(fā)現(xiàn)，植被防護(hù)可顯著減少土壤侵蝕[14]，但關(guān)于伊犁地區(qū)相關(guān)方面的研究卻鮮見報(bào)道[15]。由于伊犁地區(qū)獨(dú)特的氣候條件和區(qū)位環(huán)境，其他區(qū)域的研究成果難以直接應(yīng)用，因此借鑒現(xiàn)有研究成果，建立契合伊犁地區(qū)環(huán)境特色的公路植物水土流失防治措施具有重要意義。

本文在對(duì)伊犁地區(qū)植物群落調(diào)查的基礎(chǔ)上，篩選出7種生長(zhǎng)迅速、抗逆性強(qiáng)的植物進(jìn)行組合搭配，用于S242鞏留—尼勒克公路建設(shè)中的邊坡水土流失防治，從土壤性質(zhì)變化的角度對(duì)比分析不同植物組合的水土保持效應(yīng)，以期篩選出水土保持效果較好的植物組合，為伊犁地區(qū)環(huán)境類似區(qū)域的公路工程建設(shè)中的水土流失防治提供參考。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)采集

試驗(yàn)依托S242線鞏留—尼勒克公路展開，地理坐標(biāo)為82°15′25″～ 82°25′33″E，43°35′0.5″～ 43°49′47″N，屬天山北麓阿布熱勒山區(qū)，大陸性溫帶半干旱氣候[16]，土壤以灰鈣土、潮土為主[17]。

通過(guò)調(diào)查伊犁地區(qū)鄉(xiāng)土植物種及可成熟引用的植物種，結(jié)合其公路建設(shè)中的水土流失防治需要和植物景觀融合需求，篩選出細(xì)莖冰草、高羊茅、披堿草、紫花苜蓿、紅豆草、檸條、紫穗槐等7種植物，組合搭配后用于邊坡試驗(yàn)。試驗(yàn)配置了4種植物組合，設(shè)置裸坡對(duì)照（CK），每個(gè)小區(qū)面積為5m×5m，坡度為1∶1，重復(fù)3次，共計(jì)15個(gè)試驗(yàn)小區(qū)，具體試驗(yàn)設(shè)計(jì)見表1。

表1 4種植物組合

試驗(yàn)小區(qū)布設(shè)完成后，定期觀測(cè)各個(gè)小區(qū)的水土流失情況，統(tǒng)計(jì)侵蝕溝的數(shù)量，測(cè)量侵蝕溝的長(zhǎng)度、寬度及深度，并采集小區(qū)坡面原狀土樣，密封封存后帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析，采用浸水試驗(yàn)和原狀土水槽沖刷法分別測(cè)定土壤抗蝕性和抗沖性。本文所用數(shù)據(jù)為小區(qū)布設(shè)1年后觀測(cè)所得。

2 不同植物組合對(duì)公路邊坡土壤性質(zhì)的影響

2.1 不同植物組合對(duì)土壤機(jī)械組成的影響

土壤機(jī)械組成是指土壤中礦物顆粒的大小及組成比例，直接關(guān)系到土壤的保肥保水和通透性等[18]，間接影響著植物的生長(zhǎng)。測(cè)定各植物組合下的土壤機(jī)械組成，分析其砂粒、粉粒和黏粒的含量，所得結(jié)果見表2。

表2 不同植物組合的土壤機(jī)械組成

根據(jù)表2的測(cè)定結(jié)果，對(duì)照國(guó)際制土壤質(zhì)地分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，確定CK小區(qū)的土壤質(zhì)地為壤土，經(jīng)不同植物組合處理后，其土壤砂粒、粉粒和黏粒含量均產(chǎn)生了變化。

試驗(yàn)區(qū)域的土壤砂粒含量較CK小區(qū)均有所減小，從小到大依次為：丁＜丙＜乙＜甲＜CK。其中，丁植物組合的土壤砂粒含量降幅最大，相比CK小區(qū)降低了31.85%。土壤粉粒和黏粒含量較CK小區(qū)有所增加。其中，丁植物組合的土壤粉粒和黏粒含量增幅最大，土壤粉粒含量相比CK小區(qū)提高了25.23%，土壤黏粒含量相比CK小區(qū)提高了58.26%。對(duì)照國(guó)際制土壤質(zhì)地分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)現(xiàn)經(jīng)植物處理后的土壤質(zhì)地為粉砂質(zhì)壤土，說(shuō)明所配置的植物組合對(duì)該區(qū)域的土壤改良效果較為明顯，其中添加了灌木的丁植物組合對(duì)土壤的改良效果相對(duì)更好。

2.2 不同植物組合對(duì)土壤容重和孔隙度的影響

土壤的容重和孔隙度是土壤的基本物理性質(zhì)，直接影響著土壤的蓄水能力和透氣性，間接影響土壤的肥力和植物的生長(zhǎng)[19]。植物根系在土壤中生長(zhǎng)，相互纏繞交叉，改變了土壤顆粒空間分布，使土壤變得疏松多孔，土壤的容重降低，孔隙度提高[20]。土壤容重和土壤孔隙度與植物相互影響，形成良性循環(huán)，使得植物可發(fā)揮較好的水土保持效力。檢測(cè)各個(gè)試驗(yàn)小區(qū)的土壤容重和土壤孔隙度，所得結(jié)果見圖1。

圖1 不同植物組合下的土壤容重和土壤孔隙度

從圖1可知，試驗(yàn)小區(qū)的土壤容重介于1.25～1.45g/cm3之間，從小到大依次為：丙＜丁＜乙＜甲＜CK。采取了植物布設(shè)措施的小區(qū)其土壤容重明顯小于CK小區(qū)，其中丙植物組合土壤容重降幅最大，為10.56%。土壤孔隙度與土壤容重表現(xiàn)出相反的規(guī)律。土壤孔隙度介于40%～50%之間，從小到大依次為：CK＜甲＜乙＜丁＜丙。其中，丙植物組合下的土壤孔隙度增幅最大，為4.88%。

土壤非毛管孔隙的多少和聯(lián)通性的好壞直接影響著土壤的通氣性能[21]。非毛管孔隙是土壤快速儲(chǔ)水的場(chǎng)所，非毛管孔隙度越大，表明土壤中可能吸持的無(wú)效水容量越小，有效水的儲(chǔ)存容量越大[22]。由圖1可知，丙植物組合的土壤非毛管孔隙度最大，甲、乙、丁植物組合的土壤非毛管孔隙度相差無(wú)幾，略小于CK小區(qū)，這是由于CK小區(qū)砂礫含量大導(dǎo)致其非毛管孔隙度較大，說(shuō)明丙植物組合下的土壤具有最好的儲(chǔ)水能力，通氣性好，易于植物生長(zhǎng)發(fā)育。

2.3 不同植物組合對(duì)土壤抗蝕性的影響

土壤抗蝕性是土壤抵抗分散和懸浮的能力，是控制土壤承受降雨和徑流分離等過(guò)程的綜合效應(yīng)[23]，是評(píng)價(jià)土壤抵抗侵蝕應(yīng)力破壞的能力和土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)之一[24]。對(duì)不同植物組合下的土壤進(jìn)行抗蝕性分析，其結(jié)果見圖2。

圖2 不同植物組合下土壤抗蝕指數(shù)隨時(shí)間的變化

由圖2可知，隨著土壤浸水時(shí)間的延長(zhǎng)，土壤的抗蝕性能呈先緩慢減弱，再加速減弱后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)：在5min時(shí)，抗蝕指數(shù)開始加速減弱，8min時(shí)減弱速度開始放緩，9min后抗蝕指數(shù)趨于穩(wěn)定。整體來(lái)看，種植植物的土壤其抗蝕性能均高于CK小區(qū)。其中，丙、丁植物組合下的土壤抗蝕性能最好，不僅土壤抗蝕指數(shù)高，而且抗蝕性減弱速度慢，趨于穩(wěn)定的土壤也具有較強(qiáng)的抗蝕性。

對(duì)不同植物組合下的土壤抗蝕指數(shù)S（%）與土壤浸水時(shí)間t（min）的關(guān)系進(jìn)行擬合，結(jié)果見表3。

表3 抗蝕指數(shù)與浸水時(shí)間的擬合公式

由表3可以看出，各種組合的相關(guān)度R2都很高，表明其數(shù)據(jù)相關(guān)性較高，其關(guān)系通式可表示為：

式（1）中：a,b,c,d均為常數(shù)。

2.4 不同植物組合對(duì)土壤抗沖性的影響

土壤抗沖性是土壤抵抗徑流對(duì)其的機(jī)械破壞和推動(dòng)下移的性能[25]，它的強(qiáng)弱主要取決于根系的纏繞和固結(jié)作用。這種作用可以提高土體的水穩(wěn)性和抗沖蝕強(qiáng)度，從而使其不易被徑流帶走[26]。對(duì)不同植物組合下的土壤進(jìn)行抗沖性能檢測(cè)，所得結(jié)果見圖3。

圖3 不同植物組合下的土壤抗沖性能

由圖3可知，植物組合的土壤抗沖性能明顯強(qiáng)于CK小區(qū)，其土壤抗沖刷系數(shù)均在1.1L·min/g以上，其中點(diǎn)播灌木的丙、丁植物組合的土壤抗沖性要強(qiáng)于純草本的甲、乙植物組合，丙植物組合下的土壤抗沖性最強(qiáng)，為CK小區(qū)的1.57倍，說(shuō)明所選植物組合均可以提高土壤的抗沖性，增加灌木植物對(duì)提高土壤的抗沖性能效果相對(duì)更明顯，其根系纏繞和固結(jié)作用強(qiáng)。

2.5 不同植物組合的水土流失情況

水土流失量是植物保持水土作用好壞的直觀體現(xiàn)。觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)小區(qū)以淺溝侵蝕為主，侵蝕從近路肩的坡面上部產(chǎn)生，由路面匯水下挖沖刷路肩土壤，沖刷到一定深度和寬度后逐漸順坡蔓延向下，坡面中間位置受沖刷較少，溝長(zhǎng)多小于2m。分析各試驗(yàn)小區(qū)的水土流失數(shù)據(jù)，所得結(jié)果見圖4。

圖4 不同植物組合下土壤侵蝕情況

植物自然生長(zhǎng)1年后，不同試驗(yàn)小區(qū)的土壤侵蝕情況有了較明顯的差異。由圖4可知，土壤侵蝕量從大到小依次為：CK＞丁＞乙＞甲＞丙；侵蝕溝數(shù)量從多到少依次為：CK＞甲＞丁＞乙、丙；布設(shè)植物措施邊坡的土壤侵蝕量和侵蝕溝數(shù)量均小于CK小區(qū)。其中，丙植物組合的土壤侵蝕量和侵蝕溝數(shù)量均為最少，土壤侵蝕量?jī)H為CK小區(qū)的15.3%；甲小區(qū)侵蝕溝多，但其整體坡面較平整，土壤沖刷下挖淺，總的侵蝕量小；乙、丁試驗(yàn)小區(qū)隨著侵蝕溝數(shù)量的增加土壤侵蝕量增加較明顯，尤其是丁試驗(yàn)小區(qū)，侵蝕溝多，且土壤侵蝕量大，為CK小區(qū)的81.6%。

3 基于灰色關(guān)聯(lián)度法的不同植物組合下水土保持效應(yīng)評(píng)價(jià)

3.1 評(píng)價(jià)步驟

本文采用灰色關(guān)聯(lián)度法[27]綜合評(píng)價(jià)不同植物組合的水土保持效應(yīng)，其評(píng)價(jià)過(guò)程如下。

（1）定義參考數(shù)列

式（2）中：X0為參考數(shù)列，其值選用每項(xiàng)測(cè)試指標(biāo)的最大值；Xi為比較數(shù)列，被評(píng)價(jià)的對(duì)象數(shù)為：

（2）關(guān)聯(lián)系數(shù)的計(jì)算

先計(jì)算比較數(shù)列Xi與參考數(shù)列X0各對(duì)應(yīng)點(diǎn)的差值絕對(duì)值：

然后找出二級(jí)最大差和二級(jí)最小差，計(jì)算關(guān)聯(lián)系數(shù)：

式（5）中：ξi(k)為第k點(diǎn)比較曲線Xi與參考曲線X0的相對(duì)值，即Xi對(duì)X0在k點(diǎn)的關(guān)聯(lián)系數(shù)；Δ0,i(k)為X0數(shù)列與Xi數(shù)列在第k點(diǎn)的絕對(duì)值，1≤i≤m,m為正數(shù)；Δmin,Δmax分別為所有比較序列在各個(gè)點(diǎn)的絕對(duì)差值中的最小值和最大值；ρ為分辨系數(shù)，取值范圍是[0,1]，它由人為設(shè)定，屬定性分析的人為系數(shù)，用來(lái)削弱Δmax數(shù)值過(guò)大而造成的失真影響，以增加關(guān)聯(lián)系數(shù)之間的差異顯著性，此次試驗(yàn)取ρ=0.5。

（3）灰色關(guān)聯(lián)度計(jì)算

式（6）中：ri表示灰色關(guān)聯(lián)度；ξi(k)意義同前。

為了更真實(shí)、客觀地衡量各指標(biāo)的重要性，本研究采用變異系數(shù)法來(lái)計(jì)算指標(biāo)的權(quán)重Wi：

然后，結(jié)合關(guān)聯(lián)度值求灰色綜合評(píng)價(jià)值Gk：

3.2 水土保持效應(yīng)評(píng)價(jià)結(jié)果與分析

按以上步驟對(duì)原數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，所得結(jié)果見表4。

表4 各評(píng)價(jià)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度和關(guān)聯(lián)系數(shù)

綜合評(píng)判值的大小直觀反映了水土保持效應(yīng)：綜合評(píng)判值越大，表示其對(duì)應(yīng)的水土保持效應(yīng)越好。由表4可知，灰色綜合評(píng)判值的大小依次是：丙（0.77）＞丁（0.73）＞甲（0.56）＞乙（0.52）。土壤抗沖性指標(biāo)與參考指標(biāo)關(guān)聯(lián)度最大，說(shuō)明土壤抗沖性對(duì)該區(qū)域的水土保持效應(yīng)影響最大。結(jié)果顯示，丙植物組合的水土保持效應(yīng)最好。

4 結(jié)語(yǔ)

本文依托伊犁地區(qū)S242線鞏留—尼勒克公路邊坡展開試驗(yàn)，檢驗(yàn)了4種植物組合在公路邊坡上的水土保持效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)采用的4種植物組合在1年后對(duì)邊坡土壤均有一定程度的改良：丁植物組合下的土壤也具有較好的土壤結(jié)構(gòu)，卻產(chǎn)生了較高的土壤侵蝕量，需后續(xù)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)論證其組合搭配的合理性；純草本植物的甲、乙植物組合在觀測(cè)期內(nèi)保護(hù)邊坡效果較為明顯，其效果的持續(xù)性還有待持續(xù)監(jiān)測(cè)論證。

本試驗(yàn)植物組合中草本植物居多，旨在以草本植物為先導(dǎo)，改善邊坡微環(huán)境，為灌木植物的生長(zhǎng)和本土植物向邊坡上蔓延創(chuàng)造條件，但實(shí)際觀測(cè)中發(fā)現(xiàn)灌木生長(zhǎng)緩慢，基本以草本植物護(hù)坡為主，季節(jié)更替中邊坡裸露面積大，易產(chǎn)生水土流失，后續(xù)研究可結(jié)合各公路沿線的特色，適當(dāng)增加伊犁特有的野果林植物種，豐富植被群落，實(shí)現(xiàn)季節(jié)更替中植物水土保持職責(zé)的交接，以求達(dá)到更好的護(hù)坡效果。

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