高速公路路塹邊坡客土噴播的長期防護效果

汪益敏，陶玥琛，程致遠，李博文

華南理工大學土木與交通學院，廣東 廣州 510640

公路建設不可避免會對路域生態環境造成干擾和破壞，隨著人們環保意識的增強，公路邊坡的生態恢復越來越受到重視。生態護坡技術是一種利用植物來改善坡面抗侵蝕性能同時兼顧恢復植被的措施（Liu et al.，2020）。路塹邊坡生態防護受邊坡坡度、巖性以及水分賦存條件等影響往往較路堤邊坡更為困難（Fu et al.，2018），同時，高路塹邊坡在降雨條件下更容易發生坡面沖刷。如何合理采用防護措施來保證路塹邊坡長期穩定和恢復生態一直是公路建設中關注和研究的熱點。

客土噴播通過將回填土、腐殖質、植物纖維、化學肥料和植物種子等材料混合，噴灑到坡面上以形成用于植被建立的土壤層，實現因開挖裸露的坡面植被快速恢復，具有良好的生態和環境效益（譚少華等，2004）。客土噴播的設計和施工方法相對較為成熟（蔣鵬飛等，2011），防護效果的研究報道多集中于邊坡交工后1—4年的試驗觀測結果（Cao et al.，2018；張霄等，2017；喻永祥等，2021）。由于公路邊坡的生態恢復和植物演替是一個漫長的過程，目前很少見到關于客土噴播對高速公路路塹邊坡防護效果的長期跟蹤研究報道。本文以廣東省惠河高速公路客土噴播路塹邊坡為對象，調查研究邊坡建植后18年的坡面植被生長情況，并運用水蝕預報模型定量分析坡面植被的水土保持效果，為高速公路路塹邊坡生態防護工程設計提供參考和借鑒。

1 工程概況

研究邊坡位于廣東省高速公路 S202惠州至河源段，沿線地區屬亞熱帶季風氣候，年平均氣溫22.4 ℃，年平均降雨量1922 mm，4—9月的降雨量達到了將近全年降雨量的85%。邊坡地層巖性主要是風化程度不等的砂頁巖或殘積碎石土，土壤類型為赤紅壤。1號坡為4級邊坡（圖1a），每級邊坡的高度為 10 m，其中第 1級邊坡采用漿砌片石防護，第2級邊坡的防護類型為混凝土框格梁加錨桿以及客土噴播，第3、4級坡則采用客土噴播進行坡面防護，每級邊坡間設置2 m寬的平臺。2號坡的最大坡高約為38.5 m，設計為4級邊坡（圖1b），第 1—3級邊坡采用混凝土格梁客土噴播的方式進行防護，每級邊坡高度10 m，第4級邊坡采用客土噴播防護，高度為8.5 m。

圖1 研究邊坡的設計斷面和施工完成現場圖Fig. 1 Sectional drawing and construction site of the study cutting slope

客土噴播所用的客土為經多種微生物群落發酵而培育出的有機型天然土，通過添加速效化肥和緩效有機肥，以增加客土中植物生長所需的氮磷鉀和有機質，同時混合了粘結劑和保水劑，使客土能黏附在邊坡表面，為植被發育提供養分和水。種子的選用主要考慮地區適應性和水土保持性能，1號坡選用狗牙根（Cynodon dactylon）、糖蜜草（Melinis minutiflora）、百喜草（Paspalum notatum）和多花木藍（Indigofera amblyantha），施工時間為2003年4月15日，2號坡選用狗牙根、大翼豆（Macroptilium lathyroides）、山毛豆（Tephrosia candida）、柱花草（Stylosanthes guianensis）和糖蜜草，噴播時間為2003年9月3日。噴播施工前先整平坡面，并鋪設用螺紋鋼筋固定的鍍鋅鐵絲網，客土噴播厚度視坡面情況為 6—10 cm不等，完成噴播后即覆蓋無紡布進行早期防護（譚少華，2005）。

2 研究方法

2.1 植被調查及統計方法

為了調查邊坡重建后的植被恢復和生長情況，分別于2003年的8—11月，2004年的1、4、7、10月，2005年的1、5、11月和2020年的11月，對研究邊坡進行了12次跟蹤調查，時間跨度長達18年。使用正方形樣方法進行調查對象的抽選，在每級邊坡的4個角和中部設置2 m×2 m大樣方調查灌木情況，由于坡面喬木發育階段較為初級，故而與灌木選用相同方法調查。在每個大樣方內設置2個1 m×1 m小樣方調查草本情況。

本研究主要以蓋度和生物量指標對植被生長情況進行評價，并換算成相對蓋度來表示物種對群落的貢獻度，其計算方法如式（1）所示，并對不同坡、不同坡級之間的植被蓋度進行單因素方差分析。使用數碼相機對每個樣方進行垂直拍照，將照片導入ImageJ軟件中分析獲得植被蓋度。使用植物圖鑒和植物識別軟件來綜合識別和記錄植物種類。在調查地上生物量時則換用0.5 m×0.5 m的樣方框，使用鐮刀和園藝剪收割樣方中植物的地上部分，帶至實驗室烘干得到地上生物量。

式中：

Rj表示物種相對蓋度；

Cj表示物種在樣方中的覆蓋度。

2.2 水蝕預報模型基本原理

水蝕預報模型（WEPP）是由美國農業部于1985年開發，其坡面版研發較為成熟且應用廣泛。坡面版WEPP模型基于物理過程，使用穩態泥沙連續方程計算輸沙量（Nearing et al.，1989），計算方法如式（2）所示：

式中：

x為坡面上一點沿坡面到坡底的距離，m；

G 為輸沙量，kg·s?1·m?1；

Vr為細溝侵蝕速率，kg·s?1·m?2；

Vi為細溝間侵蝕速率，kg·s?1·m?2。

Vr的計算方法如式（3）所示：

式中：

Kr為細溝土壤可蝕性，s·m?1；

τf為水流剪切應力，Pa；

τc為土壤臨界剪切應力，Pa；

Tr為細溝輸沙速率，kg·s?1·m?1；

β為雨滴引起的湍流系數，降雨條件下設為0.5；

vr為細溝有效泥沙下沉速率，s?1·m；

q 為單位寬度的徑流量，s?1·m2。

Vi計算方法如（4）所示：

式中：

Ki為細溝間土壤可蝕性，kg·s·m?4；

IE為有效降雨強度，m·s?1；

F為植被覆蓋度，0—1；

HE為有效冠層高度，m；

gi為細溝間的殘留物覆蓋度，0—1；

S為細溝間距，m；

b為細溝寬度，m。

2.3 水蝕預報模型建立

運行模型需要輸入地形、氣候、土壤和作物管理4個文件所建立的數據庫（Flanagan et al.，2012）。氣候文件建立是以標準的CLIGEN格式，輸入了當地的氣候數據。本研究中模型所應用的主要土壤參數如表1所示，依據美國制土壤粒徑分級標準劃分砂粒、粉粒和黏粒，劃分粒徑分別為0.05—2 mm、0.002—0.05 mm和<0.002 mm。參照坡面土樣調查結果和中國土壤數據庫中的相關數據，設置砂粒含量、黏粒含量、有機質含量、碎石含量及陽離子交換量參數，WEPP模型會據此計算出粉粒含量和細溝間土壤可蝕性Ki。初始飽和度使用推薦值70%。使用人工降雨裝置，在客土噴播3 d和30 d時對坡面進行分組沖刷試驗，收集并稱重得到不同雨強下的土壤侵蝕量，參照有關研究設置初值后（余長洪等，2013），利用第1組試驗數據，按照累計誤差法對敏感土壤參數進行率定，最終有效水力傳導系數KE、土壤臨界剪切力 τc和細溝土壤可蝕性 Kr分別為 20.1 mm·h?1、3 Pa 和 0.003 s·m?1。利用第 2 組試驗數據基于Nash-Sutcliffe有效性系數（Kumar et al.，2021）對模型有效性進行驗證，結果顯示模型的該系數大于0.5，即參數設定具有合理性。地形文件根據邊坡施工設計文件獲取。作物管理文件的植被參數參照WEPP自帶數據庫和相關研究（Elliot et al.，1997），并根據實際觀測的植被生長情況進行修正，以得出符合本項目特征的徑流和土壤流失預測，主要參數設置如表2所示，其中客土噴播第1年沒有經歷完整的自然年，因而進行單獨設置。

表1 WEPP所用的主要土壤參數Table 1 Major soil inputs for WEPP applications

表2 WEPP所用的主要作物管理參數Table 2 Major management inputs for WEPP applications

3 結果與分析

3.1 植被蓋度及生物量變化

對研究邊坡建植前3年和第18年的植被蓋度進行了統計。從圖2a可以看出，在客土噴播邊坡建植的第1年，便可實現較高的植被覆蓋度。1號邊坡在4月15日進行客土噴播后植被蓋度迅速增加，4個月后蓋度達到73%，在10月達到峰值蓋度88%；2號邊坡在9月3日進行了客土噴播后，在11月初達到了該年的峰值蓋度48%，隨后蓋度出現下降。1、2號邊坡在第2年的10月達到的峰值蓋度分別為 96%和 88%，較第 1年的峰值蓋度分別提高了8%和40%，基本實現植被對坡面的全覆蓋。第3年的11月，1、2號坡的植被蓋度較去年變化不大，分別為95%和88%，但全年植被蓋度的變化幅度為9%和16%，小于第2年24%和44%的變化幅度。第18年11月植被蓋度較第3年變化不大，客土噴播邊坡的植被生長情況顯示出良好的長期效果。圖3為不同坡級的植被蓋度對比，對不同坡、不同坡級之間的植被蓋度進行單因素方差分析后可以得出，兩個邊坡的不同坡級之間的植被蓋度不存在顯著性差異（P>0.05），而1號坡和2號坡之間的植被蓋度則存在顯著的差異（P<0.01）。

圖2 植被蓋度和地上生物量變化Fig. 2 Variations in vegetation coverage and aboveground biomass

圖3 不同坡級的植被蓋度對比Fig. 3 Comparison of vegetation coverage between different slope grades

由圖 2b可知，地上生物量的年內變化規律顯著，年際變化為逐年增加。在邊坡建植的第1年的10月左右，兩個邊坡分別達到了該年的峰值生物量0.33 kg·m?2和 0.27 kg·m?2。隨后植被進入衰退期，到1月份分別減少了39.7%和15.9%的生物量，1號坡在經歷第2個冬天時，減少了38.7%的生物量，與第1年相似，而2號坡則減少了34.9%的生物量，遠高于第1年越冬時的生物量減少率。

3.2 群落物種組成變化

跟蹤調查期間，群落的物種組成發生了顯著變化（圖4）。建植第1年出現在樣方的物種數量有10種，其中非初始噴播的鄉土植物有3種，此時1號坡的主要優勢種為狗牙根和百喜草，在8月時占據了90%以上的相對蓋度，到9月時，坡面開始出現了鄉土植物勝紅薊（Ageratum conyzoides）。2號坡的優勢種為狗牙根和糖蜜草，在10、11月出現了極少量的鄉土植物勝紅薊、芒萁（Dicranopteris dichotoma）和蟋蟀草（Eleusine indica）。到第2年時鄉土植物的數量增長到了5種，1號坡在7、10月新生長出旗草（Brachiaria brizantha）和葫蘆茶（Tadehagi triquetrum），2號坡只發現勝紅薊一種鄉土植物。從第2年7月開始，初始噴播物種的相對蓋度開始逐漸降低，鄉土植被在群落中的相對蓋度則逐步上升。

圖4 相對物種蓋度變化Fig. 4 Variations in relative species coverage

在第 18年的坡面植被調查中，樣方范圍內共發現20種植物，兩個邊坡均未發現初始噴播物種。將此次調查發現的相對物種蓋度繪制如圖5所示。由圖5可知，經過長期植被恢復后，客土噴播邊坡的植被組成仍以草本植物為主，但灌木和喬木對整體蓋度貢獻也達到了31.5%和24.8%的較高水平。其中 1號坡的優勢種為芒萁、芒（Miscanthus sinensis）等植物，其相對蓋度分別為29.7%和12.1%（圖5a），2號坡的優勢種為芒萁、旗草、芒等植物，其相對蓋度分別為24.8%、15.8%和14.3%（圖5b）。在整體上，植被長勢良好，綠色鮮活植物比例較高（圖 6）。草本植物在數量上占據優勢，生長比較充分，呈明顯分物種聚集特征，灌木植物數量則顯著低于草本植物，坡面未發現發育出粗壯主干的喬木。

圖5 第18年11月的相對物種蓋度Fig. 5 Relative species coverage in November of the 18th year

圖6 第18年11月的典型植物圖像和名稱Fig. 6 Images and names of the typical plants in November of the 18th year

3.3 基于水蝕預報模型的客土噴播護坡效益分析

為定量評估客土噴播邊坡的水土保持效益，使用WEPP模型計算了從客土噴播后的第1天開始，對應第1周年、第2周年和第18年的徑流量和土壤流失量，并與裸露邊坡的模擬值進行對比。如圖7所示，無論在客土噴播后的早期還是第18年，植被對土壤流失的減少均顯著有效。1號坡和2號坡在第 1周年的土壤流失減少率達到了 68.6%和91.4%，減流率則為31.2%和63.7%，2號坡在建坡第1周年便已經實現了較為理想的水土保持效益。到第2周年，研究邊坡均實現了90%以上的土壤流失減少率，分別為 97.1%和 96.9%，與潘聲旺等（2013）在成渝高速的試驗結果相似。在第2周年的6月，2號坡遭遇了2天降水量接近500 mm大暴雨事件，但這兩天的土壤流失減少率仍有93.5%。基于WEPP模型模擬了2004—2020年期間的土壤流失情況，由圖8可知，坡面年土壤流失量隨降雨量的變化較明顯，在植被恢復期間，該地區的年降雨量在1186—2806 mm區間變化，而對應的年平均土壤流失量分別在 0.31—8.16 kg·m?2和 0.19—7.07 kg·m?2。在調查末期，土壤流失量減少率維持在與第 2周年相近的水平，減少率分別為 96.7%和96.3%，說明客土噴播植被能夠實現理想的長期減沙效果。總體而言，植被對土壤流失的控制相當理想，但對于坡面徑流的控制比較有限，需輔助排水溝等工程措施（Xu et al.，2006）。

圖7 客土噴播坡面與裸坡的土壤流失和徑流對比Fig. 7 Comparison of soil loss and runoff on external-soil spray seeding slope and bare slope

圖8 坡面土壤流失量與降雨量的年際變化Fig. 8 Inter-monthly variations of soil loss on slope and rainfall

4 討論

對比兩個坡建植前3年和第18年的蓋度調查數據可以看出，客土噴播能為路塹邊坡恢復早期提供充足的種子支持，狗牙根等先鋒植物能夠快速生長綠化坡面，但是這些初始噴播物種在群落中的優勢主要在前2年左右，往后鄉土植物便開始逐漸占據主導地位，這與廢棄礦區進行水力播種后的演替規律類似（Martínez-Ruiz et al.，2007）。盡管兩個邊坡的初始噴播物種存在較大差異，在第 18年的調查中，1、2號坡的群落基本演替成鄉土植物，且兩者的優勢物種和群落組成相似性較高，說明初始噴播物種的選擇可能對群落的長期演替影響較小，以往研究也指出，植被的恢復演替主要受土壤質地、土壤侵蝕和氣候條件驅動（Vidal-Macua et al.，2020）。故而在客土噴播種子的選擇上，以往主要考慮早期快速恢復的做法是可行的，盡管這些物種存在時間可能較短，但在改善建植早期的坡面侵蝕上是有效的，這意味著邊坡建植早期更少的土壤侵蝕、更安全的邊坡以及更多的種子和養分得以保留，并且對土壤質地的改善也為后續鄉土植物的定植提供更好的立地條件（Huang et al.，2017）。因為裸露土地的植被演替規律往往是不定向的（Munroe et al.，2013），在客土噴播路塹邊坡這種特殊生長環境下，提前引入本地物種加速坡面演替進程的效果難以預見反而增加施工成本。

1號坡和2號坡在進行客土噴播后，蓋度和生物量增長出現明顯差異。導致噴播第1年蓋度差異的一個主要原因是噴播月份的不同，1號坡植被在4月噴播后經歷了6個月的植被生長期，而2號坡植被僅生長了2個月后便進入冬季衰減期。覆土厚度會對公路邊坡植被恢復效果產生重要影響（劉濤等，2021），在建坡第2年時2號坡出現了一定裸露巖石，部分坡面區域風化程度較低，更低的粗糙度使更多客土流失，巖石區域植被的缺失導致整體植被蓋度的下降。坡度是影響植被恢復的重要因素，當坡度大于 50°時土壤水分會有明顯下降（王忠偉等，2018），但坡度為53°的2號坡的1、2級坡植被蓋度并未與其他坡級具有顯著差異，可能是該地區豐沛的降雨量能夠滿足植被生長需要。通常，植被蓋度在高于80%時便可實現較為理想的水土保持效果（Chen et al.，2019），盡管2號坡的植被蓋度在第二年后一定程度低于1號坡，但植被的土壤流失控制效果仍然是十分理想的。

5 結論

通過對高速公路路塹邊坡客土噴播防護長期效果的跟蹤調查，并利用WEPP模型分析預測邊坡坡面侵蝕變化，得出以下主要結論：

（1）在客土噴播初期，噴播物種中的狗牙根等先鋒植被，能夠在早期快速覆蓋坡面，3個月實現48%—61%的整體植被覆蓋率，建植初期的成坪速度受噴播季節和草種類型的影響。長期植被覆蓋率保持在84%—96%左右，高速公路路塹邊坡客土噴播的植被恢復速度和持續效果良好。

（2）坡面植物在經過18年的演替后，群落的物種組成發生顯著變化，最初噴播植物已基本被其他鄉土植物物種替代，形成了以芒萁等草本植物為優勢種的新群落，灌木植物和喬木植物蓋度提升，在群落中的相對蓋度到31.5%和24.8%的較高水平。

（3）客土噴播形成的邊坡植被對坡面土壤流失的控制效果顯著，第1周年就實現了68.6%和91.4%的土壤流失減少率，長期年土壤流失減少率高于96%。