巖石邊坡格子梁客土噴播工程土壤與植被特征分析

［關鍵詞］ 巖石邊坡；格子梁；客土噴播；土壤特性；植被恢復

［摘要］ 巖石邊坡格子梁客土噴播工程是一種“坡體穩定防護+坡面植被恢復”的綜合防護模式。為探討格子梁在坡面形成的獨立單元空間對植被恢復產生的影響，為相關工程設計及施工提供借鑒和參考，以山東省某巖石邊坡格子梁客土噴播工程區為研究區，持續4 a對格子梁客土噴播區（簡稱“格子梁區”）和無格子梁客土噴播區（簡稱“無格子梁區”）的土壤含水量、土壤硬度、土壤厚度和植被進行觀測，結果發現兩個區域土壤和植被情況存在一定差異：格子梁能夠改變坡面小生境，梁體周圍的土壤水分更容易蒸發，土壤硬度值偏大；格子梁區單元格內高位測點的土壤含水量遠低于中、低位測點和無格子梁區測點的土壤含水量，且格子梁區單元格內高位測點土壤遷移劇烈，植被覆蓋度低。因此，巖石邊坡格子梁綠化工程應解決格子梁單元格內的土壤遷移和水分保持問題，以避免形成不一致的植被恢復效果。

［中圖分類號］ S157；U416.14[文獻標識碼] ADOI：10.3969/j.issn.1000-0941.2024.04.015

［引用格式］ 高小虎，李本鵬，申新山，等.巖石邊坡格子梁客土噴播工程土壤與植被特征分析[J].中國水土保持，2024（4）：53-57.

伴隨著我國基礎設施建設往更高、更險、更遠的多山地區發展，大規模坡體開挖不可避免地會形成大量的挖方邊坡，從而需要大量的邊坡防護工程、植被恢復工程。格子梁是一種非常重要的坡體穩定防護措施，能夠在傳遞巖體壓力、改善應力狀態、控制坡體變形與位移、確保坡體穩定的同時，還為坡面保留一定的植被恢復空間，與客土噴播、三維網、植生袋等植被恢復措施相結合，最終形成格子梁綠化工程[1-2]。格子梁綠化工程是一種“坡體穩定防護+坡面植被恢復”的綜合防護模式[3-4]，能夠很好地滿足當前邊坡工程建設和生態景觀恢復的需求，也極大地響應了當前生態文明和“兩山”理論的指引。由于巖土組成、地質結構、環境演變等的不同，因此當坡體遇挖填外力作用時，內部結構及應力狀態有可能會發生變化，若未妥善處置，則有可能出現不同程度的工程地質災害，而格子梁錨固工程能夠很好地解決此類問題[5]。自1911年美國首先在礦山巷道邊坡工程中嘗試應用格子梁后，世界各地迅速展開了其在各種不同地層條件下的應用，我國則是在20世紀中葉引入，隨后逐漸在公路、鐵路、水利等建設工程中得到迅速發展[6]。客土噴播是采用專門的噴播設備，將植物種子與土壤、有機肥、保水劑等按一定比例混合后，用高壓噴槍噴射到坡面形成適宜植物生長的土壤層的一種坡面綠化技術[7-9]。1989年我國華南地區的邊坡工程試驗引入了相關設備和技術，至今已發展形成多種技術類別。目前與客土噴播工藝類似的細分技術還包括噴混植生、厚層基材噴射、高次團粒噴播、植生基質噴播、噴砼植草、植被混凝土、乳液噴播等[10]。可以說，格子梁是為了解決坡體不穩定狀態而進行的防護處理，而客土噴播是為了在坡面塑造植被而實施的生態恢復，二者并不矛盾且能很好地結合。巖石邊坡上實施格子梁工程后，在坡面形成的每一個單元格都是一個相對獨立的水土空間，工程實踐中也能發現格子梁區單元格內恢復的植被與無格子梁區存在差異，說明格子梁會對植被恢復產生一定的影響，但目前相關研究十分少見。為探討格子梁在坡面形成的獨立單元空間是否會對植被恢復產生影響，本研究以巖石邊坡格子梁客土噴播工程區為研究區，持續4 a對格子梁客土噴播區（以下簡稱“格子梁區”）和無格子梁客土噴播區（以下簡稱“無格子梁區”）的土壤含水量、土壤硬度、土壤厚度和恢復植被等進行觀測分析，以期為相關工程設計及施工提供借鑒和參考。

1研究區概況為使本研究具有代表性，選擇山東省某巖石邊坡格子梁客土噴播工程區為研究區。該研究區位于山東省濱州市，屬大陸性季風氣候區，四季分明，雨熱同季，年均氣溫13.1 ℃，年均日照時數2 619.8 h，年均太陽輻射總量529 kJ/cm3，年均降水量650 mm，周邊土壤以褐土為主。試驗邊坡為三級挖方邊坡，陽坡，巖石以石灰巖為主，整體性好且裂隙少，邊坡坡比1∶0.75，分別采取“格子梁+客土噴播”和“客土噴播”兩種防護方案。格子梁規格4.00 m×5.25 m，橫縱梁寬30 cm，梁體外露高度20 cm，單個格子梁單元格綠化面積18.315 m2。兩個區域均采用相同的客土噴播方案，噴播厚度10 cm。為避免外部區域雨水沖刷影響，在坡頂及平臺全部設置截排水溝，所有工程于2019年6月全部完成。

2研究方法

2.1測區與測點分別在格子梁區和無格子梁區的中部選取觀測區，共選取16個觀測區，見圖1。其中，1級坡格子梁區設A1、A2、A3、A4共4個觀測區，2級坡格子梁區設A5、A6、A7、A8共4個觀測區；1級坡左右兩側無格子梁區設B1、B2、B3、B4共4個觀測區，3級坡無格子梁區設B5、B6、B7、B8共4個觀測區。每個觀測區自下至上居中設置a、b、c共3個測點，其中格子梁區測點a和測點c距離格子梁橫梁10 cm，見圖2。

2.2監測方法土壤水分采用TZS-Ⅱ土壤水分測量儀測定，土壤硬度采用LX-D型硬度計測定，土壤厚度采用預置鋼筋標記測量；對恢復植被采取樣方調查法， 高小虎等：巖石邊坡格子梁客土噴播工程土壤與植被特征分析包括物種及分布、數量、植株高度、覆蓋度。2019—2022年期間，每年測定1次，均為8月中下旬（雨后第5天13：00—15：00）。為減少誤差，所有數據均重復測定3次。

2.3數據處理及分析本研究數據統計及分析采用SPSS 13，制圖采用Excel 2013、AutoCAD 2016。

3結果與分析

3.1土壤含水量連續4 a對48個測點土壤含水量進行了觀測，按“低—中—高”位置和年度統計，結果見圖3。格子梁區和無格子梁區的土壤含水量均保持在6.12%～8.26%，其中格子梁區單元格內2019年低位測點a的值最大，2022年高位測點c的值最小。每次測定的格子梁區“低—中—高”測點的土壤含水量都呈現明顯的“高—中—低”水平，即格子梁單元格內土壤含水量隨著相對位置的升高而降低，因此2019—2022年格子梁區不同位置測點土壤含水量形成波浪式分布。無格子梁區測點土壤含水量趨于穩定，第1年（2019年）土壤含水量超過7.5%，第2年至第4年（2020—2022年）土壤含水量均值降至6.97%。

3.2土壤硬度第1年，坡面完成客土噴播后土壤硬度值較低，為5.79～6.06 kg/cm2；自第2年起，任意測點的土壤硬度都較第1年大，見圖4。無格子梁區土壤硬度在第2年至第4年相對穩定，為6.90～7.09 kg/cm2，整體都低于同時期格子梁區的土壤硬度。格子梁區不同位置測點的土壤硬度發生變化，單個格子梁單元格內的土壤硬度形成了縱向差異。以2022年為例，低位測點a、中位測點b、高位測點c的土壤硬度分別為7.83、9.06、9.13 kg/cm2，高、中位測點土壤硬度增幅較大。

3.3土壤厚度噴射完工的土壤厚度（本研究原值）為10 cm。在2019—2022年測得的土壤厚度結果中，無格子梁區土壤厚度測量值均低于原值，其中2019年土壤厚度為9.6～9.7 cm（施工后2個月測量），2020年土壤厚度降至9.2～9.3 cm（施工后14個月測量），2021年、2022年土壤厚度未再發生明顯下降。對于格子梁區，單元格內不同位置測點的土壤厚度存在顯著差異：高位測點c的土壤流失劇烈，2019年施工后2個月首次測量厚度僅6.2 cm，流失比例38%，且在2020年降至3.4 cm，2021年降至3.2 cm，2022年降至3.0 cm，累計流失比例達到70%；由于格子梁橫梁的滯留，因此同時期低位測點a的土壤厚度出現增大，以2022年為例，土壤厚度達到17.8 cm，土壤滯留比例達到78%。圖5為經擬合形成的2022年不同區域土壤厚度縱向剖面示意。

3.4恢復植被通過樣方調查，發現研究區內共出現刺槐（Robinia pseudoacacia）、紫穗槐（Amorpha fruticosa）、胡枝子（Lespedeza bicolor）、紫花苜蓿（Medicago sativa）、沙打旺（Astragalus laxmannii）、高羊茅（Festuca elata）、黑麥草（Lolium perenne）等14種植物。2019年首次測量時格子梁區和無格子梁區未出現差別，植被覆蓋度均超過90%，2020—2022年的3次測量發現各個測點的年際變化不明顯，說明植被恢復較為穩定。但是2020—2022年格子梁區單元格內高位測點植被覆蓋度不足50%，遠低于單元格內其他位置植被覆蓋度，而格子梁區單元格內低位測點的植被覆蓋度比無格子梁區偏高，見圖6。

4討論

4.1土壤含水量與硬度在巖石邊坡實施完成格子梁工程后，梁體會形成對坡面水氣環境的分割，每個格子梁單元格都是一個相對獨立的生境。從土壤含水量分布圖中可以看出，格子梁對土壤含水量的影響是比較明顯的。這是因為格子梁區梁體硬化面積與土壤面積比值達到1∶6.8，且試驗坡面為正陽坡，格子梁梁體為硬化結構，在相同太陽輻射強度條件下，格子梁梁體周圍的土壤溫度比無格子梁區的土壤溫度高，從而加速了水分蒸發，甚至會造成土壤狀態改變，如板結、干脫、硬化等。尤其是格子梁區高位測點，其土壤含水量遠低于格子梁中、低位測點和無格子梁區所有測點，土壤硬度也增大明顯。但是，格子梁區低位測點的土壤含水量與土壤硬度變化并不顯著，說明格子梁單元格內不同位置的生境會產生一定差異，工程中應適當減少梁體外露，降低格子梁對土壤水分和硬度的影響。

4.2土壤遷移與滯留本次研究土壤厚度原值為10 cm，后面歷次測得的土壤厚度均低于10 cm，這可能是客土噴播施工完成后會發生一定的沉降所致。2019—2022年，整個研究區的格子梁區和無格子梁區都沒有出現明顯的水土流失情況，就單個格子梁單元格而言，高位測點的土壤遷移至低位測點，未出現明顯外溢，因此可以理解為格子梁單元格內土壤發生遷移，但并沒有發生明顯的流失。以無格子梁區土壤厚度為參照，歷次測得的土壤遷移率分別為3.58%、7.83%、9.65%、10.34%，而同時期格子梁區高位測點對應的土壤遷移率分別為37.80%、66.45%、68.48%、69.75%，證明格子梁區土壤遷移程度非常劇烈。值得注意的是，同時期測得的格子梁區低位測點土壤厚度分別達到13.8、17.7、17.8、17.8 cm，遠高于原值10 cm，增加的土壤來源就是高位、中位測點遷移過來的土壤，這與工程實踐中格子梁工程呈現出上薄下厚的現象相吻合。為增加格子梁內土壤穩定性，降低土壤遷移率，通常會在格子梁工程中增加客土噴播前掛網、加糙等輔助措施，也可考慮與疊鋪生態袋、敷設土工格柵、碼砌六棱磚等其他方法組合使用。

4.3植被動態恢復情況根據2019年8月（完工后第2個月）樣方調查結果，格子梁區植被覆蓋度觀測值均高于無格子梁區，這應當與格子梁硬化結構存在一定積熱效應有關，其初期有利于種子發芽和植被快速覆蓋坡面，但持續積熱會在一定程度上加劇水分散失，改變植物生長的水土微環境。2020—2022年格子梁區高位測點的植被覆蓋度迅速降低至50%以下，還出現了局部裸露情況，而同時期無格子梁區測點的植被覆蓋度仍能保持在90%以上。由此看出，格子梁會導致單元格內部的土壤含水量、土壤硬度、土壤厚度等特征發生變化，最終會造成植被生長不均一的狀況。

5結論本研究以巖石邊坡格子梁客土噴播工程區為研究區，持續4 a對格子梁區和無格子梁區的土壤含水量、土壤硬度、土壤厚度和植被恢復情況進行觀測，結果發現在巖石邊坡格子梁區的每個單元格都形成了獨立生境，與無格子梁坡面的水土環境和植被情況存在一定差異。1）格子梁區單元格內高位測點的土壤含水量遠低于中、低位測點和無格子梁區所有測點，土壤硬度也偏大。格子梁區單元格內土壤遷移劇烈，低位測點增厚的土壤源自同一單元格的高、中位區域，這與工程中容易出現土壤上薄下厚的現象相吻合。2）格子梁外露梁體為硬化結構，存在一定的積熱效應，初期有利于種子發芽和植被快速覆蓋坡面，但持續積熱會加劇周圍的土壤水分散失，導致土壤厚度、硬度等特征發生變化，最終會造成植被生長不均一的狀況。3）相較于其他區域而言，格子梁單元格內高位區域的生境條件更加不利于植被恢復，工程中應適當減少梁體外露，增加單元格與周邊環境的水、氣連通，必要時還應采取掛網、加糙等輔助措施，以增加土壤穩定性，降低土壤遷移對坡面生境產生的不利影響。

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