坡耕地六角形磚生態(tài)景觀梯田設(shè)計與效果分析

高 瑜，董學(xué)德，高悅萌，陳赫男，，苗曉靖

(1. 澳大利亞昆士蘭大學(xué)，布里斯班 4072；2.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院， 山東 泰安 271018；3.泰安市水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測站，山東 泰安 271018)

在注重人與自然和諧相處的今天，水土流失與水土保持問題倍受關(guān)注。水土保持是生態(tài)文明建設(shè)的重要基礎(chǔ)，隨著人民生活水平的提高，水土保持工程集生態(tài)效應(yīng)、景觀效應(yīng)、經(jīng)濟效應(yīng)和安全效應(yīng)于一體已是必然趨勢[1- 3]。梯田是山區(qū)丘陵區(qū)治理坡耕地水土流失、建設(shè)基本農(nóng)田的有效措施。目前，根據(jù)建筑田埂材料不同，分為土坎梯田、石坎梯田和植物田埂梯田，尤其是以土坎或石坎梯田較多，這種梯田的田埂存在著如下突出問題：一是土坎和石坎梯田不僅是在修筑過程中容易產(chǎn)生水土流失，而且在暴雨條件下，土坎梯田田埂容易發(fā)生沖蝕、出現(xiàn)缺口、穿洞等損壞現(xiàn)象；石坎梯田易發(fā)生坍塌、產(chǎn)生次生災(zāi)害，影響坡下居民生產(chǎn)生活安全。二是土坎和石坎耐久性和穩(wěn)定性相對較低，二者需要日后的維護費用較高，導(dǎo)致梯田修筑運行的總體費用增加，部分梯田在運行中因維修不及時而出現(xiàn)新的水土流失，水土保持作用大大降低。三是土坎和石坎梯田缺乏生態(tài)景觀效果，尤其是石坎梯田，不僅維護困難，而且容易造成石漠化，與原地貌不相適應(yīng)[4- 6]。因此，研究探討新的梯田修筑和建設(shè)技術(shù)與方法，是亟待解決的問題。六角形磚是由混凝土澆筑而成的一種空心砌筑材料，具有抗沖蝕且中間空心處可植草的特點，廣泛地運用于交通、水利、市政、園林等工程中，如公路邊人行道鋪設(shè)、高速路坡面護坡等，但是在坡耕地治理梯田建設(shè)中尚未得到充分應(yīng)用[7- 9]。本文選擇山東省泰安新泰市龍廷鎮(zhèn)豹峪小流域坡耕地為研究對象，以水土保持學(xué)和景觀生態(tài)學(xué)為基礎(chǔ)，堅持人與自然和諧發(fā)展的生態(tài)梯田設(shè)計理念[10- 13]，將六角形磚與植草(或栽植灌木)技術(shù)進行耦合應(yīng)用于坡耕地梯田建設(shè)中，建成植草(或栽植灌木)六角形磚生態(tài)景觀梯田，以期為加速山地丘陵區(qū)坡耕地水土流失治理，提高其生態(tài)、景觀和經(jīng)濟等綜合效益提供技術(shù)支撐和實踐指導(dǎo)。

1 設(shè)計流域環(huán)境現(xiàn)狀與設(shè)計理念

1.1 流域環(huán)境現(xiàn)狀分析

設(shè)計流域位于泰沂山區(qū)(泰山沂蒙山區(qū))典型區(qū)域的山東省泰安新泰市龍廷鎮(zhèn)豹峪小流域境內(nèi)，屬于國家水土保持重點治理區(qū)。氣候類型為暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，年均輻射總量0.141(kW·h)/cm2，年平均氣溫13.1℃，年平均降水量646.8mm。植被主要為人工林植被，山頂以黑松和刺槐為主；溝河兩岸及道路兩旁以柳樹為主；山腰主要為核桃、板栗等經(jīng)濟林。土壤以棕壤為主，粗沙礫含量較高，其顆粒粗細(xì)不均勻，結(jié)構(gòu)松散，抵御沖蝕能力差，極易遭受暴雨破壞。小流域總面積11.18km2，其中，坡耕地面積6.88km2，占流域總面積的61.5%，坡耕地的水土流失較為嚴(yán)重，實施梯田工程建設(shè)，加速坡耕地水土流失治理，提高其綜合生產(chǎn)潛力勢在必行。

1.2 設(shè)計理念與思路

堅持人與自然和諧發(fā)展的設(shè)計理念，以水土保持學(xué)和景觀生態(tài)學(xué)理論為基礎(chǔ)，遵循水土保持與生態(tài)景觀工程相融合的原則[14- 15]，運用六角形磚無縫隙拼接的幾何構(gòu)造，將基底支撐板和壓頂蓋板與六角形磚鋪砌相結(jié)合，應(yīng)用六角形磚與植草(或栽植灌木)耦合技術(shù)于坡耕地梯田建設(shè)中，形成一種坡耕地六角形磚與植物相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)鑲嵌結(jié)構(gòu)生態(tài)景觀梯田，達(dá)到梯田建設(shè)集生態(tài)、景觀、經(jīng)濟安全等綜合效益于一體的總體目標(biāo)，如圖1所示。

依據(jù)GB/T16453.1—2008《水土保持綜合治理技術(shù)規(guī)范坡耕地治理技術(shù)》中水平梯田斷面尺寸參考數(shù)值，結(jié)合六角形磚結(jié)構(gòu)特點，利用LINGO軟件進行運算，得出能保證梯田穩(wěn)固最大的田坎參數(shù)，確保梯田埂坎的安全穩(wěn)定[10]，經(jīng)計算，確定六角形磚生態(tài)景觀梯田埂坎坡度控制在60°～80°，田坎高度控制在1.5～4.7m。將六角形磚與混凝土澆筑的基底支撐板和壓頂蓋板相結(jié)合，沿著梯田埂坡鋪砌，六角形磚空心處應(yīng)填入含沙量少、顆粒細(xì)膩、滲水速度慢、保水性能好的黏質(zhì)土或壤土，并植入所選植物(鄉(xiāng)土類植物為主)，使之在工程后較短時間內(nèi)融入當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境，提高梯田景觀生態(tài)效益。

圖1 坡耕地六角形磚生態(tài)景觀梯田設(shè)計思路

2 設(shè)計規(guī)格與結(jié)構(gòu)組成

坡耕地六角形磚生態(tài)景觀梯田，由六角形磚、基底支撐板、壓頂蓋板、土料和草本植物組成，在土坎梯田的埂坡上，通過清基、鋪設(shè)基底支撐板、砌筑空心六角形磚、鋪設(shè)壓頂蓋板、覆土、植草等步驟，形成一種六角形磚與植物網(wǎng)絡(luò)鑲嵌結(jié)構(gòu)的生態(tài)景觀梯田，如圖2所示。

圖2 六角形磚生態(tài)景觀梯田構(gòu)造圖

2.1 六角形磚

選擇質(zhì)地堅硬、新鮮、完整的六角形磚，六角形磚型220mm×170mm×80mm，密度達(dá)到3.0kg/m3以上，飽和極限抗壓強度30MPa以上即可，選取時應(yīng)盡可能減少使用有破損或薄邊的磚，如圖3所示。

2.2 基底支撐板和壓頂蓋板

采用混凝土澆筑的基底支撐板和壓頂蓋板，如圖3所示，二者的尺寸規(guī)格均為長度1.5m、寬度0.1m、厚度0.02m；且基底支撐板上表面和壓頂蓋板下表面上設(shè)置有與六角形磚形狀對應(yīng)的溝槽，且溝槽為傾斜設(shè)置，傾斜角度為60°～80°。

2.3 土料

土壤應(yīng)選擇含沙量少、顆粒細(xì)膩、滲水速度慢、保水性能好的黏質(zhì)土或壤土。

2.4 植物

植物的選取最好是鄉(xiāng)土類植物或與當(dāng)?shù)刂脖画h(huán)境及已有植物種類一致，使之在工程后較短時間內(nèi)融入當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境；適應(yīng)當(dāng)?shù)氐臍夂颉⑼寥罈l件(水分、pH值等)；根系相對發(fā)達(dá)，生長迅速，抗逆性強(抗旱、抗寒、抗病蟲害、耐貧瘠)；種子易得，栽培管理簡單，成本低。推薦植物有五葉地錦、常春藤、三葉草等。

圖3 六角形磚、基底支撐板構(gòu)造和壓頂蓋板構(gòu)造圖

表1 六角形磚生態(tài)景觀梯田與現(xiàn)有常規(guī)梯田的效果比較

3 施工步驟

3.1 清基

將梯田埂基處的虛土、草皮、樹根以及含腐殖質(zhì)較多的土壤清除，使堅實土層露出，以便使得基礎(chǔ)與基底支撐板的緊密結(jié)合。清基寬度根據(jù)基底支撐板的寬度而定，一般為0.1～0.15m，清基深度根據(jù)地表虛土和雜物情況而定。

3.2 鋪設(shè)基底支撐板

選擇上述規(guī)格的混凝土澆筑的基底支撐板，將其鋪設(shè)在梯田埂坡下方的清基處，為了使基底支撐板與六角形磚更好的結(jié)合，在基底支撐板的傾斜溝槽處鋪設(shè)混凝土砂漿，然后即可在基底支撐板上砌筑六角形磚，混凝土砂漿用量以能固定最底層六角形磚為準(zhǔn)；基底支撐板具有防止砌筑的六角形磚下沉滑塌，穩(wěn)定梯田埂坎底部，便于六角形磚鋪設(shè)的作用。

3.3 定位與砌筑六角形磚

六角形磚鋪設(shè)前，應(yīng)修整梯田埂坡、埂坎，不應(yīng)有明顯的隆起和凹陷。在鋪設(shè)的基底支撐板上面，沿著梯田埂坡順著向上鋪設(shè)砌筑成片六角形磚，六角形磚相互交錯、緊密排列，六角形磚之間的縫隙用混凝土砂漿填充。

3.4 鋪設(shè)壓頂蓋板

在完成六角形磚砌筑后，在最頂層六角形磚上表面鋪設(shè)混凝土砂漿，然后將壓頂蓋板平鋪放在砌筑六角形磚的梯田埂上方，混凝土砂漿用量以能固定最頂層六角形磚和壓頂蓋板為準(zhǔn)；壓頂蓋板具有防止降雨雨滴擊濺和梯田水平面的降雨徑流沖蝕梯田埂的作用。

3.5 覆土

在砌筑好的六角形磚梯田埂的六角形磚中間空心處覆土，覆土厚度1～2cm以不超過空心六角形磚的厚度為標(biāo)準(zhǔn)。

3.6 植草(或栽植灌木)

在六角形磚中間空心處覆土后種植適宜的鄉(xiāng)土類草本植物或栽植灌木，并進行定期管護，并令其向梯田埂外側(cè)下垂。

4 效果分析

與現(xiàn)有梯田修建技術(shù)相比，坡耕地植草六角形磚生態(tài)梯田通過改變田埂護坡方法實現(xiàn)了梯田功能性的優(yōu)化，見表1，其特點如下：

(1)施工較為簡便，六角形磚只需緊密鋪設(shè)即可，不需大量水泥砂漿砌筑技術(shù)。

(2)總體修建和維護費用低廉，容易被人們所接受。

(3)生態(tài)防護和生態(tài)景觀效果好，采用的六角形磚工程措施和植物措施相結(jié)合的方式，能有效防止水土流失，景觀見效快，景觀效果更自然、更豐富。

(4)工程安全穩(wěn)定強、使用壽命長，該生態(tài)梯田保存使用年限可達(dá)13～15a，且一般不用維修。

5 結(jié)語

我國坡耕地水土流失治理實施的土坎和石坎梯田較多，土坎梯田在暴雨條件下容易發(fā)生沖蝕、出現(xiàn)缺口、穿洞等損壞現(xiàn)象；石坎梯田易發(fā)生坍塌、產(chǎn)生次生災(zāi)害，這兩種梯田修筑和維護的總體費用較高，且缺乏生態(tài)景觀效果。六角形磚生態(tài)景觀梯田工程，將六角形磚與植草或栽植灌木技術(shù)進行耦合應(yīng)用于坡耕地梯田建設(shè)中，建成一種坡耕地六角形磚與植物相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)鑲嵌結(jié)構(gòu)生態(tài)景觀梯田，該梯田對于加速坡耕地水土流失治理，提高其生態(tài)、景觀、經(jīng)濟和安全等綜合效益具有重要實踐意義。