一種新型坡面穴植結構保水及抗旱試驗研究

王 倜，陳 兵，王新軍，李云鵬

（交通運輸部科學研究院，北京 100029）

0 引言

公路建設、礦山開挖等工程建設往往不可避免地形成大量裸露邊坡，這些坡面如果得不到及時有效的防護或恢復，可能存在水土流失、坡面滑塌等隱患，嚴重時甚至會影響生態系統穩定和司乘人員的生命安全[1-2]。目前，裸露邊坡植被恢復技術措施主要有客土噴播技術、植被混凝土防護技術、三維植被網噴播技術、飄臺法、植生袋法、厚層基材噴播技術、爆破燕窩生態重建技術、打孔綠化、藤本護坡等[3]。其中，噴播技術、三維植被網技術、藤本垂直護坡技術等常見邊坡植被恢復技術因能配合工程防護實施，在兼顧安全、穩定性的同時使坡面得到一定程度的植被恢復，已在工程中得到了廣泛應用。不過，部分工程建設形成的高陡邊坡、巖質邊坡等劣質坡面，因其特有的坡度和坡面結構等，導致天然土壤基質缺乏，人工基質也難以附著，使得坡面人工植被無法持續獲取生長所需水分和養分，植被大多會在后期退化消失。對于這種情況，上述植被恢復技術應用均受到一定限制，綠化恢復問題尚未得到有效解決[4-5]，同時后期養護成本高更進一步增加了坡面植被恢復難度。為此，有必要研發一種節水抗旱、經濟高效的劣質坡面植被恢復技術，以解決植被持續生長的問題，有效改善坡面植被恢復效果。

打穴（鉆孔）植苗技術（以下簡稱“穴植技術”）是一種較為成熟的坡面植被恢復技術，主要通過在坡面開鑿的穴孔內放置育苗營養缽的方式進行植被恢復。已有研究表明，穴植技術對于土質坡面有較好的植被恢復效果，在高陡和石質坡面的試驗應用也取得了初步成果，因此該技術在改善部分劣質坡面植被恢復效果和解決坡面灌木持續生長問題方面具有一定作用[6-11]。穴植營養缽結構（以下簡稱“穴植結構”）為穴植技術最重要的組成部分，主要為植被生長提供長期穩定的土壤環境。長期以來，國內外對于穴植結構的研究較少，主要集中在結構外殼材料的改進上，例如采用可降解環保材料和生物材料取代傳統的塑料外殼，試驗觀測對改良土壤和提高植被成活率有一定效果[12-13]；日本的山寺喜成研發了以硬質土塊作為外殼材料的保育塊技術，能促進植物主根生長，對提高移栽成活率有利[14-15]。截至目前，雖然現有成果對提高綠化植被成活率有一定作用，但在結構和基質組成、保水保墑功能等方面仍缺少深入探索，現有的穴植結構并不能有效解決坡面植被生長的水分制約這一關鍵問題[5]，穴植技術目前還無法成為解決干旱半干旱地區邊坡、高陡和石質等劣質邊坡植被恢復難題的較佳技術方案。

綜上所述，穴植結構基礎研究的缺失直接影響了穴植技術的改進升級，使其無法有效發揮技術優勢，應用推廣也受到明顯的限制，因此暫時無法用于解決劣質坡面植被恢復難題。為解決坡面水分制約關鍵問題，顯著提升坡面植被恢復效果，本文將通過模擬自然土層結構研發一種新型穴植結構模型，相較于傳統穴植單層土壤結構，增加砂礫層、碎石層和外接儲水罐結構。然后，針對該新型結構模型的透水性、保水性和植被極限存活時間等性能指標開展室內和室外對比試驗研究，以驗證結構模型設計的合理性及相較于傳統單層穴植結構在保水抗旱功能方面是否具有明顯的優勢，以期為傳統穴植技術的優化升級、新技術的推廣應用提供理論和技術依據。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

試驗地點位于陜西省咸陽市。咸陽市位于陜西省關中平原，西安市西北部，屬于暖溫帶半濕潤-半干旱季風氣候，年平均降水量約為500mm[16]。試驗時間為2018年6月至2019年6月，包括室內和室外兩部分試驗。其中，2018 年6 月夏季在實驗室進行穴植復合結構的透水及保水試驗；2019年6月夏季在試驗場建立室外試驗邊坡，進行植物極限抗旱試驗。

1.2 試驗設計

1.2.1 設計思路

通常，邊坡種植孔（穴）的開鑿深度約為30cm、直徑約為10cm。穴植綠化施工時，先往種植孔（穴）內填充種植土，然后放置帶土營養缽苗。為提高結構的透水性、保水性和抗旱性，本研究主要對植孔（穴）內填充基質的結構和組分進行試驗改進。試驗通過模擬未經擾動的土壤剖面結構（表層、亞層、風化母層），設計了“土壤層+砂礫層+碎石層”的新型穴植結構模型，同時為實現長期供水，還在模型底部增加了頂部開孔的儲水罐結構。整個結構模型一體化設計，可提前預制并實現坡面快速裝填。

1.2.2 試驗材料及規格

（1）模型尺寸及外殼設計

穴植結構模型均采用長20cm、內徑10cm 的透明硬質塑料筒，筒上刻度達毫米級。透明塑料有利于觀察和記錄結構模型內部情況，刻度用于多種厚度組合基質的對比計量。塑料筒上部開口用以添加試驗用基質材料和種植植物；底部封閉，其上均勻開9個小孔（孔徑為5mm），并與儲水罐連接且通過小孔互通。儲水罐采用相同材質與內徑尺寸的透明硬質塑料筒，高度為8cm 且帶毫米級精度刻度，為半密閉罐體構造，透明塑料和刻度有利于準確觀察和記錄試驗中儲水罐水量變化情況。儲水罐頂部同樣均勻開9個透水小孔，可與上部試驗結構模型連接，固定后透水小孔互通。

（2）內部填充基質設計

穴植結構模型組成從下到上分別為碎石層、砂礫層及土壤層。碎石層試驗用石子的粒徑范圍為10～20mm，砂礫層試驗用砂礫的粒徑范圍為3～5mm，土壤層組分為綠化種植土。根據試驗設計，用不同厚度的基質材料裝填。

（3）植物材料設計

本次試驗用的紫穗槐（Amorpha Fruticosa）統一采用株高為40cm、冠幅為30cm 的幼苗，以盡量減小試驗誤差。

1.2.3 試驗方法

（1）室內試驗

在干旱和半干旱地區，由于水分是穴植（栽）結構內植物存活的關鍵因子，因此穴植結構模型在充分有效利用水分、減緩水分蒸發方面是否具有突出優勢需要通過試驗驗證。為此，在2018 年6 月設計了穴植結構模型的透水性和保水性室內對比試驗，包括3 種“土壤層+砂礫層+碎石層”不同基質厚度組合的結構模型，以及1 種單層土壤結構空白對照（Control Check,CK），每種結構模型進行3 次重復試驗，共計12 個試驗樣本，試驗情況如表1和圖1所示。

圖1 穴植結構模型示意圖

表1 透水及保水試驗穴植結構模型組成 單位：cm

透水性試驗主要驗證結構模型在有限的水分供應條件下，水分的滲透性和存儲效率相比對照是否有明顯提高，具體方法為：記錄從結構模型表面持續緩慢灌水，水分滲透通過20 cm 厚度的結構層后，最終到達儲水罐的整個過程所用時間。通常，所用時間越短，說明結構模型的透水性越好，能夠在短時間內將水分最大化存儲并供長期利用。

保水試驗主要驗證結構模型對于減緩儲水罐中水分蒸發相比對照是否具有明顯優勢，具體方法為：從6 月8 日開始將結構模型放置在室內自然環境下，每間隔7d 觀測記錄1 次儲水罐的水位，相同時間內儲水罐水位降低越慢，說明結構模型的保水性越好。試驗記錄時間為6 月15 日至10月26日。

（2）室外試驗

為驗證穴植結構模型在實際坡面綠化工程中是否具有突出的抗旱性能，在2019 年6 月進行了室外植物極限抗旱對比試驗，包括1 種室內試驗篩選出的試驗結構組成A 和1 種單層土壤結構組成的空白對照B（見表2 和圖2）。將紫穗槐幼苗于兩種試驗模型結構中進行提前培育，待植株根系生長達到結構底部時，選擇苗木規格（株高40cm，冠幅30cm），基本一致的結構模型作為試驗樣本，對每種結構模型進行9 次重復試驗，共計18個試驗樣本。

表2 植物極限抗旱試驗結構模型組成

圖2 植物極限抗旱試驗結構模型示意圖

在試驗場建立了規格為5m×5m、坡率為1:1的人工試驗土質邊坡，分別在坡頂、坡中和坡底均勻布設6 個孔徑為12cm、深度為30cm 的種植孔，共計18 個種植孔，種植孔開孔方向與地面垂直。

試驗開始后，將兩種試驗結構模型灌足水后分別填充于3 列種植孔內，在不澆水（遮雨）條件下記錄試驗結構模型內紫穗槐葉片在干旱脅迫下發生明顯外部形態變化的平均時間節點并進行對比，以驗證結構模型的保水抗旱性能。由于植物對水分最敏感的部分是葉片和莖[17]，干旱脅迫過程中生長嚴重受抑[18]，葉片會發生失綠、變軟、枯黃、萎蔫、死亡、脫落等明顯的形態變化[19-20]，因此葉片形態是鑒定植物抗旱性的指標之一[21]。

1.2.4 分析方法

采用SPSS 19 軟件對透水性能試驗的時間數據進行單因素方差分析，采用Excel 2016 對保水性能試驗數據和植物極限抗旱試驗數據進行統計分析。

2 試驗結果與分析

2.1 結構模型透水試驗

不同結構模型的透水時間試驗結果如圖3 所示。由該圖可見，不同結構的透水時間存在顯著差異（P＜0.05），按透水時間由短至長排序為：結構模型2、結構模型3、結構模型1、結構模型4（CK）。其中，結構模型2 的透水時間明顯優于其他結構模型；結構模型3 和結構模型1 的透水時間無顯著差異（P>0.05）；對照結構模型4（CK）透水時間最長；結構模型2 相較于CK 透水速率提高了約38%。結構中的碎石層，由于孔隙度大且不能持水，有利于水分快速向下通過，在整體結構長度一定（20cm）的試驗條件下，其長度是影響整體結構透水時間長短的關鍵。另外，在試驗現場觀測發現，對照CK 的儲水罐內有土壤進入，說明隨著水分的滲透存在土壤流失，有造成透水孔堵塞或儲水罐內淤積土壤的風險，而結構模型1、結構模型2、結構模型3 儲水罐內未發現土壤進入，說明增加砂礫層和碎石層，對于緩解結構內上層土壤流失具有一定作用。

圖3 不同結構模型的透水時間

2.2 結構模型防蒸發試驗

不同結構模型儲水罐水位隨時間降低的變化趨勢如圖4所示。由該圖可以看出，隨時間變化，4 種結構模型的儲水罐內水分因蒸發而減少的情況有較明顯的差異。相同試驗時間內（6月8日—10 月26 日），結構模型2 水分減少量最小，試驗結束后水位只降低了約0.4cm，其次是結構模型3，兩者降低高度差異不明顯。試驗期間水分減少最多的是對照組結構模型4，水位降低約1.3cm，與結構模型2、結構模型3均有較為顯著的差異。現場還發現，對照處理土壤層的部分土壤會通過透水孔進入儲水罐與水接觸并向上出現虹吸反滲現象，后期隨著水位的降低，土壤不再與水接觸，但水位仍然持續較快降低，這可能與水分持續蒸發有關。試驗結果表明，采用碎石層能夠有效防止儲水罐水分過快蒸發，對阻隔土壤毛細管虹吸也有一定作用，其中4cm 和6cm 厚度的碎石層結構防蒸發效果較好。

圖4 不同穴植結構模型儲水罐水位隨時間降低高度

2.3 結構模型植物極限抗旱試驗

基于結構模型的透水及保水試驗結果，優選結構模型2 作為植物極限抗旱試驗的結構模型。試驗植物在持續干旱脅迫下，植被形態、儲水罐水量及土壤發生改變的重要時間節點見圖5。由該圖可見，兩組對比試驗在前期表層和半層土壤干涸的時間節點上無明顯差異，而隨著下層土壤的逐漸干涸，時間節點的差異越來越顯著。如在結構模型內土壤全部干涸的時間節點上，結構模型2 可長達91d，而對照CK 在第21 天其內土壤已全部干涸，兩者在土壤干涸時間上差異巨大。這是由于結構模型2 安裝了儲水罐，其中的水耗盡后（71d），土壤才逐漸全部干涸（91d），而對照CK 因無儲水罐而在第21 天左右土壤就已全部干涸。這說明植物能夠從土壤和儲水罐中吸收水分存活，而儲水罐能持續為植物供水超過2 個月。土壤干涸后，植物受干旱脅迫影響加劇，植株表征的時間節點差異也同樣明顯且趨勢相同。如結構模型2 紫穗槐從受干旱脅迫起至葉片萎焉的時間約為118d，至死亡的時間約為145d，而對照組分別僅約為41d 和66d，這表明結構模型2 紫穗槐的存活時間至少延長了2 倍。試驗結果表明，結構模型2設計能明顯延長植物在無養護狀態下的存活時間，極限時間為3～4個月；3個月后植物也會受到干旱脅迫，可能會造成不可逆的傷害甚至死亡。

圖5 植物極限抗旱試驗時間節點

3 討論

3.1 碎石層顯著提高結構透水性

“土壤層+砂礫層+碎石層”的穴植結構模型模擬了自然土層剖面結構，對比單層土壤層結構，能明顯提高結構的整體透水性和保水保墑效果。研究結果表明，碎石層由于具有較大的孔隙度且不具有持水性，在結構整體長度一定的條件下，隨著碎石層組分長度的增加可顯著提高結構模型水分的滲透性。已有研究證明，碎石有利于土壤水分的入滲和穩定滲透，且1～3cm 粒徑的礫石水分入滲性能最好[22-23]，這為本次試驗研究中碎石層結構設計提供了一定的科學依據，同時為進一步優化碎石層粒徑組成提供了借鑒。

3.2 碎石層有效抑制水分過快蒸發

目前已有研究表明碎石覆蓋可以較好地抑制土壤水分蒸發[24]。本文的試驗結果同樣證明了結構中的碎石層能夠有效減緩儲水罐中水分的蒸發速度，這是由于碎石遮擋了儲水罐上的透水孔。此外，碎石減少了土壤結構中的毛細管含量，降低了根系利用土壤虹吸進行吸水的能力，因此降低了植物對水分的消耗速度。增加碎石層結構取代部分土壤層的做法雖然提高了結構的保水性，且本次試驗中未觀測到植物生長受到明顯的抑制，但是否會對結構中植物的長期生長產生影響尚需進一步試驗觀測。

3.3 砂礫層保水保墑效果明顯

土層中的砂礫層結構具有一定的保水保墑作用[25-27]，是穴植結構模型設計研究的重要基礎參考。試驗結果表明，砂礫層對防止結構中土壤隨水分流失有一定的效果，這是因為砂礫層對上層土壤起到了一定的阻擋作用，對防止土壤不斷隨水分進入碎石層和儲水罐有一定作用。這種設計提高了上層土壤的持水能力，對防止結構的保水性和儲水功能降低具有一定效果。

3.4 儲水罐保證植物長期存活

儲水罐能夠額外且持續為結構中植物生長提供必需的水分，其半密封設計保證了水分的長期儲存，同時上面的透水孔也能滿足植物根系吸水。根據試驗數據，增加的儲水罐結構可為植物持續供水超過2 個月，植株開始受干旱脅迫影響時間可推遲至第118d，而植物極限存活時間因此可長達145d。試驗結果表明，增加儲水罐的結構模型抗旱性能優越，理論上能實現坡面植物3 個月左右無需養護，可抵御試驗地區歷史記載的最長極端干旱無雨期62d[28]。研究同時認為，即使采用結構模型，坡面綠化植物也需在3 個月內進行養護澆水，為儲水罐重新儲水，保證植物個體生長不受干旱脅迫的影響。

3.5 模型結構可促進根系生長

室外試驗中，結構模型采用整體穴植移栽到坡面的方式不損根系，因此可加速木本植物主根的生長，有利于坡面的安全穩固。由于模型結構的限制，植株根系側向空間有限，但具有更多向下生長的空間。試驗中觀測發現紫穗槐主根生長發育相較于普通營養缽苗更長、更粗壯，強壯的主根能使木本植物在坡面生長更加穩固且更能適應惡劣的坡面立地條件，目前的保育塊技術的核心也是通過類似方式來加強植物主根生長達到固坡的目的[29-30]。在此基礎上，如果結構模型的外殼材料采用可降解材料，在主根強壯穩固后，隨著外殼分解須根也會迅速橫向生長，使整個植株在坡面縱向和橫向形成根系網穩定坡面。根系固坡原理是在主根錨固邊坡土壤平面，以須根為主的整個根系形成復雜網絡，輔助加筋固牢土壤護坡[31-32]，使邊坡安全系數隨著植物生長而增大[33]，相關基礎研究為結構模型的固坡效應提供了理論支撐。

4 結語

本文構建的“土壤層+砂礫層+碎石層”及外接儲水罐的穴植結構模型，經試驗驗證結構合理，抗旱保水保墑性能較好，能極大地延長坡面穴植植物存活時間。該結構模型的土壤層、砂礫層和碎石層組合基于自然土層結構，同時參考了當前相關研究成果，經驗證結構的透水和保水效果明顯，能夠達到迅速透水和儲水并防止儲水罐內水分過快蒸發和消耗的效果。利用穴植結構模型進行的植物極限抗旱試驗發現，紫穗槐存活時間長達145d，能夠有效降低坡面綠化養護的頻率和成本。因此，本文研究設計的新型穴植結構模型對于突破當前穴植技術面臨的環境水分限制、提高坡面穴植植物的存活率具有重要參考意義。如將研究結果進一步優化后進行產業化，將具有較好的應用推廣前景，尤其在干旱半干旱地區，以及有低養護需求的劣質坡面綠化工程。

由于試驗條件限制，研究中關于“土壤層+砂礫層+碎石層”不同組分長度的對比試驗設計，試驗樣本量仍顯不足，因此試驗篩選出的優選結構模型還需進一步試驗驗證，研究結果可能并不適用于所有氣候類型的地區，如對于水分條件充足的地區，該模型可能需要適當調整，為此建議通過試驗因地制宜地調整組分。另外，研究尚未摸清結構模型中各組分比例長度在不同環境條件下的調整原則和機制，這也是下一步研究的重點內容。此外，對外殼材料及其對植物生長的影響規律研究、配套鉆孔機械研發、規模化加工預制等，也將是后續關注的方向。