碼石扦插聯(lián)合生態(tài)護(hù)坡技術(shù)研究及其應(yīng)用

顧 嵐，高甲榮，王 穎，錢斌天，王 越，郭 維

（北京林業(yè)大學(xué) 水土保持和荒漠化防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083）

鐵路、公路、堤壩等工程建設(shè)對(duì)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展有著非常重要的作用，但同時(shí)又帶來了嚴(yán)重的環(huán)境問題。各類邊坡的環(huán)境條件普遍較差，特別是開鑿山體與填埋溝谷形成的邊坡大多呈現(xiàn)出土石裸露、侵蝕和滑坡相當(dāng)嚴(yán)重的景象[1－2]。隨著我國(guó)邊坡防護(hù)的迅速發(fā)展，人們對(duì)其建設(shè)的質(zhì)量提出了更高的要求，不僅要求能夠有效地防止坡面水土流失、鞏固路基、路墊，還要能美化和改善環(huán)境。

以前通常采用的鋼筋混凝土和封閉防護(hù)措施雖能在一定程度和時(shí)間內(nèi)解決侵蝕與滑坡的問題，但在人們對(duì)綠色生態(tài)環(huán)境的要求日益高漲的今天，施工復(fù)雜、造價(jià)昂貴且缺少生態(tài)效益的混凝土或砌石擋墻越來越得不到人們的青睞。相反，價(jià)格低廉的生態(tài)植被護(hù)坡工程正日趨受到重視，表現(xiàn)出更佳的護(hù)坡效果與生態(tài)效益，成為穩(wěn)定邊坡、侵蝕控制和生態(tài)修復(fù)的重要工程手段。

土壤生物工程就是一種邊坡生物防護(hù)工程技術(shù)，采用有生命力的植物根、莖（桿）或完整的植物體作為結(jié)構(gòu)的主要元素，按一定的方式、方向和序列將它們扦插、種植或掩埋在邊坡的不同位置，在植物生長(zhǎng)過程中實(shí)現(xiàn)加固和穩(wěn)定邊坡，控制水土流失和生態(tài)修復(fù)的集成工程技術(shù)[3－5]。本文詳細(xì)闡述土壤技術(shù)工程技術(shù)中的一種——碼石扦插聯(lián)合技術(shù)[6]，以實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的推廣應(yīng)用。碼石扦插聯(lián)合技術(shù)在充分利用植物自身特點(diǎn)的同時(shí)又結(jié)合了必要的工程防護(hù)，起到工程建設(shè)與環(huán)境保護(hù)兼顧的目的。該技術(shù)簡(jiǎn)單易行，柳條來源豐富、易獲得、易成活、復(fù)綠快，對(duì)邊坡可以起到保持水土、減輕徑流和雨滴侵蝕的作用，有利于邊坡保持穩(wěn)定，保土效果明顯。

1 碼石扦插聯(lián)合技術(shù)護(hù)坡技術(shù)的構(gòu)建

1.1 護(hù)坡原理

目前，我國(guó)關(guān)于土壤生物工程的研究主要是針對(duì)各種工程（公路、鐵路、工業(yè)民用建筑、礦山、水利水電工程等）及農(nóng)業(yè)活動(dòng)所形成的具有一定坡度的斜坡、堤壩、坡岸、坡地和自然力量（如侵蝕、滑坡、泥石流等）形成的山坡、岸坡、斜坡進(jìn)行治理和生態(tài)修復(fù)，其主要任務(wù)是既能夠穩(wěn)定邊坡和控制水土流失，還能確保邊坡植被水平、垂直結(jié)構(gòu)合理，使得生態(tài)系統(tǒng)演替有序，景觀優(yōu)美。

碼石扦插聯(lián)合技術(shù)是在土質(zhì)邊坡上順坡碼放塊石或卵石，在石塊縫隙扦插柳條進(jìn)行植被恢復(fù)。一般邊坡所遭受的土壤侵蝕為水蝕，即在水力作用下，邊坡土壤表層及其母質(zhì)被剝蝕、搬運(yùn)和沉淀的過程。碼石扦插聯(lián)合技術(shù)中碼放的塊石可以很好地固定表土，同時(shí)對(duì)易侵蝕的下層土壤起到保護(hù)作用。降雨時(shí)，可防止土壤不直接遭受降雨的襲擊，使得降水自然下滲，減小形成坡面徑流的可能性。此外，由于塊石自身的重力和它們之間的相互作用，增加了坡面的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。在塊石縫隙中扦插的柳枝生根后可以將岸坡的土壤顆粒固定在一起，吸收多余的土壤水分，通過根系錨固土壤的作用穩(wěn)固坡面土壤，減少淺坡下滑。植物的枝葉還可攔截降雨防止坡面濺蝕[7－9]。

碼石扦插聯(lián)合護(hù)坡技術(shù)可同時(shí)滿足岸坡穩(wěn)定和植物生長(zhǎng)對(duì)土的不同需求，既利用植物防護(hù)土坡，形成生物生長(zhǎng)的近自然狀態(tài)，同時(shí)塊石又可加固淺層土和一定埋深土以提高其強(qiáng)度和耐久性，實(shí)現(xiàn)護(hù)坡工程的安全性、生物性和景觀性。

1.2 護(hù)坡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工要點(diǎn)

扦插是利用植物的再生作用，人為增加植物個(gè)體的一種方法，其實(shí)質(zhì)是枝條在坡面作為“點(diǎn)“的布設(shè)。選取柳干直徑為2～3cm，長(zhǎng)度為60～90cm的可生根植物枝條，塊石規(guī)格為20～40cm。施工前首先要將試驗(yàn)小區(qū)的坡面進(jìn)行平整，在坡面上用白石灰標(biāo)記扦插柳干的位置，株行距為0.5m×0.5m。然后將塊石自下而上順序碼放，碼放時(shí)塊石立置，遇白灰標(biāo)記處用直徑3cm的鋼釬打孔，并與坡面大致垂直插入合適的柳干，枝條上部用修剪剪刀在靠近坡面土壤處修平。柳干的埋深要大于0.5m，露出地面部分高30cm，然后繼續(xù)碼石，塊石碼放及柳條（干）扦插完成后，用摻有經(jīng)過催芽處理后植物種子的土壤填充塊石間隙，每1m3土壤摻干種子250～400g，將柳干與插孔的孔隙填土使之密實(shí)，柳干露出石塊高度應(yīng)小于30cm（圖1）。施工完成后及時(shí)將柳干頂端以油漆封口，減少水分蒸發(fā)。澆透水，確保插孔內(nèi)有充足的水分供柳干生根發(fā)芽。

圖1 碼石扦插聯(lián)合技術(shù)護(hù)坡技術(shù)施工圖

應(yīng)用碼石扦插聯(lián)合技術(shù)護(hù)坡時(shí)應(yīng)注意在坡腳設(shè)透水擋墻，坡頂設(shè)排水溝。用于河道護(hù)坡時(shí)，應(yīng)設(shè)反濾層。扦插應(yīng)選在春季柳條發(fā)芽前進(jìn)行，若在生長(zhǎng)期進(jìn)行扦插，則因地上部分發(fā)芽后抽條過快，消耗根系生長(zhǎng)的養(yǎng)分，影響成活率。扦插植物材料不宜從外地進(jìn)苗，以確保出苗后適應(yīng)當(dāng)?shù)厣L(zhǎng)環(huán)境。草種也要選擇當(dāng)?shù)剡m生的鄉(xiāng)土植物種。此外，為草類生長(zhǎng)而在碼石表面進(jìn)行的覆土應(yīng)使之完全進(jìn)入碼石間的縫隙，碼石表面無浮土存在，以減少因澆水、降雨而可能產(chǎn)生的土壤流失。施工結(jié)束后要及時(shí)澆水，以利于扦插枝條、草種順利發(fā)芽。由于柳枝生命力旺盛，施工后無需特別養(yǎng)護(hù)，可在完工后1個(gè)月內(nèi)將未發(fā)芽的柳干進(jìn)行更換，及時(shí)補(bǔ)換新柳干。對(duì)于護(hù)坡塊石間隙的野草，采取保留措施以加快和增強(qiáng)坡面綠化效果。

2 護(hù)坡研究

2.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)小區(qū)位于北京市延慶縣上辛莊水土保持試驗(yàn)示范基地，延慶縣地處東經(jīng)115°44′—116°34′，北緯40°16′—40°47′，屬大陸性季風(fēng)氣候，冬冷夏涼，年平均氣溫8℃，是著名的避暑勝地，有首都北京的“夏都”之稱。全境平均海拔500m左右，屬于官?gòu)d水庫(kù)上游一級(jí)支流媯水河流域。年均降水量為470mm，接近于半干旱地區(qū)年平均降水量。護(hù)坡工程應(yīng)采用近自然生態(tài)方式進(jìn)行，提高雨水利用效率，以保障坡面植被成活率。示范基地小區(qū)規(guī)格為5m×10m，坡比1∶1，石質(zhì)邊坡，面積50m2，扦插植物材料選取當(dāng)?shù)氐谋就翗浞N旱柳（Salix matsudana）。工程于2007年6月下旬施工，7月中旬完工。

2.2 監(jiān)測(cè)方案

植物的生長(zhǎng)特性和適宜性是土壤生物工程各種措施成功與否的重要條件，是護(hù)坡效果的重要指標(biāo)。采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量和隨機(jī)挖掘的方法，對(duì)塊石護(hù)坡中扦插旱柳的生長(zhǎng)特性進(jìn)行全面觀察，并對(duì)該坡面完工1～2個(gè)月后扦插枝條的萌芽率、成活率和生物量進(jìn)行調(diào)查，對(duì)完工1a以及4a后扦插枝條的成活率、生長(zhǎng)高度、枝條基徑和蓋度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。并且對(duì)原始坡面和完工四年后的坡面土壤進(jìn)行取樣分析，從而探討碼石扦插旱柳作為土壤生物工程措施的一種在北京地區(qū)的適宜性以及邊坡防護(hù)的效果。

2.3 植物生長(zhǎng)情況分析

植物的生長(zhǎng)情況會(huì)影響后期護(hù)坡的效果和控制水土流失的能力[10]，是碼石扦插聯(lián)合技術(shù)成敗與否的關(guān)鍵。在2007年8月，即完工1個(gè)月后實(shí)地調(diào)查監(jiān)測(cè)顯示，旱柳的萌芽率和成活率都在90%以上，表明旱柳在試驗(yàn)區(qū)具有良好的適應(yīng)性。2007年9月，測(cè)得每株扦插新生枝條平均生物量為13.78g。9月下旬時(shí)，對(duì)部分未發(fā)芽的柳干進(jìn)行更換，更換6%。2008年春季時(shí)對(duì)枯死柳干及時(shí)補(bǔ)換新柳干，更換7%。2007年7月施工1a后的調(diào)查結(jié)果顯示，試驗(yàn)小區(qū)旱柳成活率達(dá)到95%，植被覆蓋率超過70%，邊坡防護(hù)效果相當(dāng)顯著。2011年6月15日，完工4a年后的調(diào)查結(jié)果顯示，試驗(yàn)小區(qū)的旱柳成活率可以達(dá)到94.19%，旱柳新生枝葉繁茂，每株扦插枝條平均生物量可達(dá)到237.15g，平均基徑1.12cm，平均株高為133.64cm。從生長(zhǎng)情況來看，旱柳在北方地區(qū)水分條件良好的情況下，短期內(nèi)就能達(dá)到一定的景觀效果和改善棲息環(huán)境的效果，是一種適宜生態(tài)護(hù)坡構(gòu)建的植物材料。工程完工1a后及4a后對(duì)比圖見圖2。

圖2 北京市開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土保持試驗(yàn)示范基地碼石扦插柳干護(hù)坡

2.4 護(hù)坡效應(yīng)

植物根系對(duì)邊坡穩(wěn)定性至關(guān)重要，土壤剪切力或黏結(jié)力與土壤根系的生物量成正比[11]。應(yīng)用碼石扦插聯(lián)合技術(shù)對(duì)邊坡進(jìn)行綠化后，邊坡植物的存在為生物提供了生存和繁殖的環(huán)境，增加了生物多樣性，新增植物有狗尾草（Setaria viridis）、灰綠藜（Chenopodium glaucum L.）、節(jié)節(jié)草（Commelina diffusa）、委陵菜（Potentilla aiscolor Bunge）等多種草本植物，這些植物的枝葉和根系增加了岸坡的抗侵蝕能力。通過現(xiàn)場(chǎng)挖根測(cè)定，完工4a后單株旱柳的根系生物量比完工1a后平均增長(zhǎng)了56%，單位面積60cm深土壤中根系生物量較完工1a后增長(zhǎng)了62%，大大提高了土壤抗侵蝕、抗沖刷強(qiáng)度。

通過在原始邊坡及完工4a后的小區(qū)內(nèi)表層各取土樣50g，測(cè)定土壤中有機(jī)質(zhì)、全氮、速效磷、速效鉀、pH值等理化指標(biāo)的變化。數(shù)據(jù)顯示，土壤中速磷、速鉀含量都有所增長(zhǎng)，土壤pH值降低了0.06，全氮含量變化不大，說明坡面種植的植物對(duì)土壤鉀、磷等營(yíng)養(yǎng)元素的轉(zhuǎn)化和有效性具有明顯影響，促進(jìn)了土壤有機(jī)質(zhì)的礦化作用，此外，碼石扦插生態(tài)植被護(hù)坡促進(jìn)了坡面土壤腐殖質(zhì)的合成，增加了土壤有機(jī)質(zhì)的含量，提高土壤的保水保肥性能，土壤理化分析結(jié)果見表1。此外，植物可通過蒸騰作用帶走大量熱量，提高空氣濕度，產(chǎn)生明顯的降溫效果。植物在夏季吸收日光能可達(dá)25 449.979J，使環(huán)境溫度下降3.8℃，使每晝高溫持續(xù)時(shí)間縮短3h。植物還可吸收空氣中的有毒物質(zhì)，削減噪音[12]?？傊?，通過植物措施可以改善邊坡小氣候，營(yíng)建健康、清潔的坡面環(huán)境。

表1 工程實(shí)施4 a后土壤理化性質(zhì)變化情況

2.5 工程示范案例

2005年3月，在位于北京市官?gòu)d水庫(kù)的黑土洼庫(kù)岸采用了碼石扦插護(hù)坡技術(shù)進(jìn)行塌岸治理。所防護(hù)塌岸高6m，塌岸腳下為寬10m的庫(kù)濱帶，坡比為1∶4，黃土坡體，工程實(shí)踐長(zhǎng)度100m，護(hù)坡總面積600m2，所用柳干直徑3～5cm，埋深1m，露出地面部分高30cm。工程工期2個(gè)月，5月30日完工。2006年4月的調(diào)查結(jié)果顯示，項(xiàng)目區(qū)柳干成活率達(dá)到93%，2007年夏季調(diào)查植物長(zhǎng)勢(shì)良好，成活植被覆蓋率超過90%，邊坡防護(hù)效果相當(dāng)顯著。

3 結(jié)語

建設(shè)生態(tài)護(hù)坡對(duì)維護(hù)坡岸生態(tài)系統(tǒng)的完整性與正常功能具有非常重要的意義，我們?cè)谶M(jìn)行坡面治理時(shí)，應(yīng)該在確保護(hù)坡穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上堅(jiān)持生態(tài)優(yōu)先的原則，盡量建設(shè)與周圍環(huán)境相協(xié)調(diào)的邊坡景觀。植物對(duì)邊坡的穩(wěn)定性至關(guān)重要，植物覆蓋可阻止地表侵蝕，根系可穩(wěn)固邊坡土壤，提高土壤剪切力。運(yùn)用碼石扦插技術(shù)進(jìn)行生物護(hù)坡建設(shè)，具有生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和美學(xué)優(yōu)勢(shì)。通過采用該技術(shù)，邊坡的物種數(shù)量明顯增加，為其他物種（包括動(dòng)物和植物）的生長(zhǎng)創(chuàng)造了良好生境。隨著植物群落的長(zhǎng)成和成熟，植物根系的生長(zhǎng)和擴(kuò)張，邊坡生態(tài)系統(tǒng)更加完善和穩(wěn)定，對(duì)控制水土流失和土壤侵蝕，對(duì)整個(gè)坡面生態(tài)系統(tǒng)和坡面土壤的改善作用越來越明顯和突出。

針對(duì)不同的坡岸情況，譬如坡面的地質(zhì)、地形、氣候、水文條件等自然因素，應(yīng)因地制宜地選擇坡面加固技術(shù)至關(guān)重要。碼石扦插柳干技術(shù)適用于坡比緩于1∶1.5，土層厚度大于30cm的土質(zhì)邊坡。工程完工后，澆水不宜過勤，否則會(huì)沖刷柳條新發(fā)根系，致使根系過淺不利于后期生長(zhǎng)。

碼石扦插聯(lián)合技術(shù)護(hù)坡技術(shù)作為土壤生物工程的一種，雖然擁有眾多優(yōu)點(diǎn)，但如果不嚴(yán)格遵守施工原則，單純?yōu)榱诉_(dá)到治理的目的而不考慮環(huán)境的適應(yīng)性，土壤生物工程的意義也就無從談起。今后的研究方向可放在不同地區(qū)和地點(diǎn)，邊坡喬灌草種的最佳組合、限制或促進(jìn)物種存活的生物和物理因素上，以建立穩(wěn)定的坡面植物群落，實(shí)現(xiàn)更好的穩(wěn)固邊坡效果。

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