松花江干流治理工程生態護坡覆土改良研究

王笑峰 郭顯鋒 蔡體久 王洪君 琚存勇

0 引言

生態護坡是基于現代水利工程學、環境科學、工程力學、生物科學和生態學等學科的基本原理，利用坡面活性植被植物體及其根系結合其他工程材料并相互作用，在河道邊坡上構建的具有生態功能的護坡[1-2]。生態護坡不僅具備傳統護坡防洪排澇、穩固邊坡和防止水土流失的基本功能[3]，還能夠有效降低傳統硬質護坡所造成的河流與河岸之間的生態隔離，提高和維持邊坡生物多樣性，進而促進河流生態系統的健康發展[4-5]。

松花江是黑龍江最大的支流，地處我國東北地區的北部，流域總面積56.12萬km2。松花江干流橫跨松嫩平原和三江平原，是我國重要的工業基地和糧食生產基地，是水旱災害頻繁發生的地區。為改善松花江干流堤防工程標準較低，傳統硬質護岸生態功能低下的現狀，2017年開展“松花江干流治理工程”建設，治理工程93.2%的迎水坡坡面采用了雷諾護墊生態護坡型式進行建設。雷諾護墊生態護坡是以獨立鉛絲籠在坡面進行鋪裝，然后連接成整體，內裝石塊并封裝蓋網后在其上覆土種植護坡植物的一種生態護坡類型[6-7]。在工程建設過程中發現存在以下問題：①此次工程建設以對原堤防的加高培厚為主，施工過程能夠剝離的表層腐殖土土量較少，無法滿足設計對護坡覆土量的需求;②工程沿線位于黑龍江省水稻主要種植區，剝離出的少量表層腐殖土主要為在黏土母質上發育形成的適宜水稻生長的稻田土，經過長期水田耕作，土質結構不良，濕時粘韌，干時堅硬，滲透性極差，植物根系不易下扎[8-12]，且直接用于覆土后無法有效填充雷諾護墊內部石塊間的空隙，對陸生護坡植物的正常生長造成嚴重影響;③如外購腐殖土用于坡面覆土，則存在土源缺乏、價格高、運距大和成本過高的問題;④堤防沿線地貌單元以堆積漫灘為主，底層土壤主要為黏土和砂土，工程現場存有大量工程基礎開挖廢棄的黏土和砂土。

本研究選取工程現場的稻田土、砂土和黏土3種土壤，依據其理化特性，設計9種不同配比改良土壤進行覆土改良試驗研究，通過對改良土壤的質地、水分特征、養分狀況以及盆栽試驗植物生長狀況的測定、調查和分析，優選出適宜的改良配比，以解決工程現場腐殖土不足以及土質較差的問題，達到改善覆土效果、促進植物生長、有效利用現場廢棄土降低工程成本的目的[13-16]。

1 研究區及工程概況

研究區位于黑龍江省中部，小興安嶺南麓，松花江中游干流堤防通河段（45°52′30″～46°37′30″ N，128°7′30″～129°24′30″ E），堤防全長131.497 km，設計防洪等級2級，江道水面寬1.5～2.0 km，坡降0.006%～0.015%，平均年徑流量達7.62×108 m3，非汛期平均水深約1 m，枯水期水深不足1 m，流速小于1 m/s。研究區地處大陸性季風氣候，冬季嚴寒漫長，春季干燥多風，夏秋炎熱多雨，秋季降溫急劇，常有凍害發生，多年平均氣溫變化為-3～5 ℃。降水的年際變化較大，降雨多集中在夏季，年內分配不均，多年平均年降水量為553 mm，汛期6—9月份降雨量占年降水量的70%～80%。工程建設概況見表1。

2 研究方法

2.1 土壤處理

實驗用稻田土、砂土與黏土均取自松花江干流堤防通河段工程現場，稻田土取自堤防沿線占用稻田的表層剝離土，質地為黏壤土，養分狀況較均衡，持水性高，透水性差;沙土與黏土取自現場工程建筑物基礎開挖的廢棄土，養分狀況均較差，砂土保水、保肥能力低下，黏土透水通氣性能差。2017年4月取土，運回實驗室后，分別通風陰干后碾碎。

2.2 配比設計

將稻田土、砂土和黏土按不同配比設計9種改良土壤（見表2）。

2.3 盆栽試驗

將處理后土壤按設計配比分別裝盆。盆高20 cm，直徑25 cm，每個處理設置3個重復。選取草木犀種子于2017年5月進行盆栽試驗，每盆播種40粒，發芽兩周后，調查保苗率，然后進行間苗，每盆保留10株草木犀，以保證后期生長數據的一致性。播種后根據天氣情況統一進行澆水。2017年9月進行生長數據采集。

2.4 持水、保水性試驗

（1）持水性能測試方法

將各處理土樣，分別稱取180.00 g置于底部，均勻分布有小孔的硬質塑料杯中，杯中底部事先鋪一層濾紙，防止土壤流失，在土樣上平鋪一層紗網，紗網上面再平鋪一層濾紙，用滴管向濾紙上均勻滴水來模擬降雨，濾紙可保證滴下的水均勻下滲，更接近自然降雨，塑料紗網可以防止土樣粘附在濾紙上。當杯中改良土壤吸水達到飽和狀態且水從杯底小孔中滲出時，立即停止滴水，待底部小孔滲水停止后進行稱重，計算不同處理的飽和含水量。依上述方法重復3次。

（2）保水性能測試方法

將持水性能測試試驗中已達飽和狀態的試驗樣置于自然條件下蒸發，每隔24 h測量試驗樣的質量，待測試樣質量保持不變為止，統計試樣保水時間。

2.5 理化性質測定方法

顆粒組成：激光粒度儀測定;pH：電位法;有機質：容量分析法;全磷：高氯酸-硫酸酸溶-鉬銻鈧比色法;速效磷：碳酸氫鈉法;速效氮：擴散吸收法;速效鉀：乙酸銨-火焰光度計法。

2.6 數據處理

數據處理、圖表制作：SPSS 25.0。

3 結果與分析

3.1 改良土壤的質地狀況

土壤顆粒組成見表3，根據國際制土壤質地分類標準，試驗用稻田土屬黏壤土，黏粒含量較高，土質細密、保水保肥力強，但排水不佳、干燥后易板結，播種后保苗困難[17-19]。試驗用砂土砂粒含量達到95.5%，黏粒及粉粒含量極低;試驗用黏土為粉砂質黏土，相對黏粒含量較少，粉粒和砂粒含量較高。

試驗數據表明，稻田土、黏土和砂土按設計配比混合后形成的改良土壤質地均為壤土類，隨著配比的變化，不同處理質地類型略有差異，但總體上偏向砂質化，有利于降低坡面覆土的黏性，提高疏松度，易于填充格賓石籠的空隙，增加通水透氣性，促進植物生長。其中，處理G、H、J、K、N質地為砂質壤土，M為砂質黏壤土，I、L、O為黏壤土。

3.2 改良土壤的酸堿性

由表4數據表明，稻田土、砂土和黏土的pH分別為5.88、6.37、5.53，呈弱酸性，其余不同處理的改良土壤各處理pH為5.78～6.25，平均為6.07，仍呈弱酸性，對護坡植物的生長無不利影響。

3.3 改良土壤的養分特征

土壤養分指標測定數據顯示（表4），用于改良試驗的3種土壤營養狀況由大到小排序為：稻田土、黏土、砂土。砂土和黏土的養分指標除速效鉀外其余均比較接近，整體營養狀況較差;稻田土營養狀況好，各項養分指標均顯著高于砂土和黏土。稻田土有機質含量為3.646%，達到土壤養分二級標準，是砂土與黏土有機質含量的2.49倍和2.32倍;全磷含量為362.667 mg/kg，是砂土和黏土平均值的2.42倍;速效磷含量達到二級標準，速效鉀含量達到一級標準，速效氮含量為四級標準，分別為砂土和黏土平均值的4.27、1.88、3.22倍，三者混合后，能夠保持改良土壤的營養水平。

改良土壤營養狀況隨配比的不同存在一定差異，但總體上均高于砂土和黏土。有機質含量整體處于中等水平，其中處理M達到土壤養分三級標準，其余處理均為四級標準;速效磷含量為22.933～29.236 mg/kg，全部達到二級標準;速效鉀含量較豐富，處理N達到一級標準，處理I、J、M、O達到二級標準，其余為三級;速效氮含量整體處于缺乏狀態。根據不同處理，各項養分指標含量等級高低，改良土壤的營養狀況排序為：N>M>I、O、J>G、H、K、L。

3.4 改良土壤的持水、保水能力

各處理土壤飽和含水量如圖1所示，稻田土飽和含水量最高，為52.54%;砂土飽和含水量最低，為17.45%;黏土飽和含水量為38.77%。土壤飽和含水量代表土壤最大容水能力，一般與土壤中黏粒、粉粒以及腐殖質含量呈正相關關系，通常對于同一質地的土壤，其飽和含水量越高，代表其對植物的水分供給能力也越高。改良土壤的飽和含水量為26.25%～38.31%，其中，處理HL>I>M>J>K>30%。

圖2為保水能力試驗結果，其數據顯示，稻田土保水能力最強，水分蒸發速度慢且蒸發速率較穩定，試驗第30 d時，水分蒸發率僅為85.17%;砂土水分蒸發最快，在試驗第13 d水分蒸發就達到了95.29%，在實驗第19 d水分蒸發達到了100%;黏土的保水能力介于二者之間。

不同處理的改良土壤水分蒸發過程表現出比較一致的蒸發特征，即隨著試驗時間的延續，蒸發速率由快變慢。以實驗結束時蒸發率數據統計，各處理保水能力高低排序為：O>L>I>M>J>G>K>N>H。

3.5 改良土壤對植物生長的影響

在光照、環境溫度、播種質量和灌溉澆水量等條件一致的情況下，影響植物生長狀況的主要因素為土壤質地、土壤水分以及土壤養分的綜合作用。盆栽試驗草木犀成苗率、株高和平均蓋度等生長指標調查數據見表5。

表5數據表明，稻田土、砂土和黏土的成苗率為48.75%～65.00%，平均為56.32%，成苗率較低。稻田土自身養分狀況較好，成苗率低主要是受土壤質地和水分狀況的綜合影響;養分狀況差可能是造成砂土和黏土成苗率低的主要原因。

不同處理的改良土壤種植的草木犀成苗率差異較大，H、I、J、K、L成苗率較低，平均僅為42.25%，其余4個處理的成苗率大于80%，由高到低排序為：M>O>N>G，其中M、O成苗率達到100%和97.5%，成苗率是稻田土的1.81倍和1.77倍。草木犀的高生長，除黏土較低外，其余處理之間無顯著差異。蓋度較高的3個處理分別為O>N>M，平均蓋度為46.33%;其余各處理蓋度接近，平均為25.67%。

4 結論與建議

4.1 結論

土壤是重要的自然資源，在維持陸地生物群落穩定、實現生物圈物質循環等過程中發揮著不可或缺的重要作用，土壤也是陸生動、植物及微生物生活的基底，土壤的理化性質對植物的生長有著強烈的影響，土壤的形成需要漫長的過程，且易受污染和破壞，科學開發、利用和保護土壤資源，具有重要的意義。

（1）稻田土、黏土和砂土按設計配比混合后形成的改良土壤質地均為壤土類，處理G、H、J、K、N質地為砂質壤土，M為砂質黏壤土，I、L、O為黏壤土，質地整體上偏向砂質化，具有降低坡面覆土黏性、提高疏松度、增加通水透氣性、易于填充空隙和促進護坡植物生長的作用。

（2）改良土壤的飽和含水量為26.25%～38.31%，其中，O>L>I>M>J>K>30%;改良土壤的有機質含量整體處于中等水平，速效磷含量全部達到二級標準;速效鉀含量較豐富，全部達到三級以上;速效氮含量整體處于缺乏狀態。改良土壤的營養狀況排序為：N>M>I、O、J>G、H、K、L。

（3）不同處理的改良土壤種植的草木犀成苗率差異較大，H、I、J、K、L成苗率較低，M、O、N、G的成苗率高于80%，其中M、O成苗率分別達到100%和97.5%，成苗率是稻田土的1.81倍和1.77倍。草木犀的株高，除黏土較低外，其余處理之間無顯著差異。蓋度較高的3個處理分別為O>N>M，平均蓋度為46.33%。

（4）通過對9個處理改良土壤的質地、養分、水分狀況及盆栽試驗植物生長狀況的綜合對比、分析，處理M（50%稻田土+25%砂土+25%黏土）和處理O（50%稻田土+10%砂土+40%黏土）均可作為覆土改良優選配比，在保證護坡植被正常生長的前提下，能夠減少50%腐殖土用量，合理利用現場廢棄土，有效降低工程成本。

4.2 建議

在改良土壤混合時，可適當加入當地水稻生產過程廢棄的稻殼或粉碎的水稻秸稈，既能夠增加改良土壤的有機質含量，還可以進一步改善土壤的物理結構，同時還有效利用了秸稈等廢棄物;改良土壤中速效氮缺乏，建議選擇紫花苜蓿、草木犀和野大豆等豆科植物作為護坡植被，通過其固氮功能加以補充和改善。

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