植被毯邊坡防護(hù)特點(diǎn)及其研究應(yīng)用

馬文寶，姬慧娟，宿以明，劉興良，何建社，張 利

(1．四川省林業(yè)科學(xué)研究院，四川成都610081;2．阿壩州科學(xué)技術(shù)研究院，四川汶川623000)

近年來隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平的快速發(fā)展，鐵路、公路、水利水電等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)突飛猛進(jìn)，建設(shè)中對(duì)邊坡的開挖破壞了原有的植被覆蓋層，造成大量的次生裸地及嚴(yán)重的水土流失;再加上自然災(zāi)害頻發(fā)，地震、泥石流發(fā)生之后也形成很多裸露的土石坡面。傳統(tǒng)的邊坡治理形式主要采用漿砌石、混凝土等工程措施護(hù)坡，造價(jià)較高，而且形成剛性裸露硬面層，對(duì)環(huán)境保護(hù)不利［1］。隨著環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，人們認(rèn)識(shí)到在對(duì)坡面進(jìn)行保護(hù)的同時(shí)，還要進(jìn)行綠化美化，因此邊坡生態(tài)防護(hù)就應(yīng)運(yùn)而生。邊坡生態(tài)防護(hù)又叫“植物固坡”［2］、“坡面生態(tài)工程”，國(guó)外定義為“用活的植物，單獨(dú)用植物或者植物與土木工程和非生命的植物材料相結(jié)合，以減輕坡面的不穩(wěn)定性和侵蝕”［3］，其途徑與手段是通過種植植物，利用植物與巖土體的相互作用(根系錨固作用)對(duì)邊坡表層進(jìn)行防護(hù)和加固［4］。

與傳統(tǒng)的護(hù)坡形式相比，邊坡生態(tài)防護(hù)不僅能穩(wěn)定邊坡，保持水土，而且節(jié)約成本［5］。在常用的邊坡生態(tài)防護(hù)形式中，植被毯邊坡防護(hù)技術(shù)以其良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益越來越受到人們的關(guān)注［6］，其實(shí)施和研究在我國(guó)尚處于初級(jí)階段，具有十分廣闊的發(fā)展前景。

1 植被毯及其應(yīng)用

在歐美，應(yīng)用于邊坡防護(hù)的成卷水土保持產(chǎn)品統(tǒng)稱為植被毯，根據(jù)制作尺寸大小分為生態(tài)毯、生態(tài)墊和植物培育墊。植被毯護(hù)坡是國(guó)外近十多年新開發(fā)的一項(xiàng)集坡面加固和植物防護(hù)于一體的復(fù)合型邊坡植物防護(hù)措施，是通過特殊工藝將植物纖維層和草種、保水劑、營(yíng)養(yǎng)土混合物及木漿紙層聚合形成三維復(fù)合草毯結(jié)構(gòu)［7］，提供土壤防侵蝕控制保護(hù)層和植物生長(zhǎng)基質(zhì)、養(yǎng)料及水分的邊坡綠化防治新技術(shù)。主要應(yīng)用于巖石、劣質(zhì)土坡、陡坡，在劣性土質(zhì)和巖質(zhì)邊坡使用效果顯著。其施工成本低，工藝簡(jiǎn)單，施工后養(yǎng)護(hù)管理成本較低［6］，是國(guó)際上常用的最簡(jiǎn)捷有效的水土保持植被恢復(fù)措施［8］，在國(guó)外廣泛應(yīng)用于園林園藝、公路、鐵路、河道等邊坡防護(hù)以及沙漠治理領(lǐng)域［9］，而在國(guó)內(nèi)的研究與應(yīng)用始于2002—2004年中德農(nóng)業(yè)科技合作項(xiàng)目“可降解材料在困難立地造林中的應(yīng)用”［10－11］和北京市林業(yè)局中馬合作項(xiàng)目“生態(tài)墊在京津風(fēng)沙源治理中的研究”［12－14］等課題。

2 植被毯邊坡防護(hù)原理

植被毯是由植物纖維層和草種、保水劑、營(yíng)養(yǎng)土混合物復(fù)合形成的三維復(fù)合草毯結(jié)構(gòu)。植被毯的植物纖維層可以把植物種子和肥料、保水劑鎖住，為植物的生長(zhǎng)提供一個(gè)穩(wěn)定的平臺(tái)，從而使植被根系與泥土形成一個(gè)牢固的柔性保護(hù)層，具有很高的抗拉、抗剪能力。植物纖維層由木質(zhì)纖維、自然黏合劑和有機(jī)礦物催化劑組成，生物降解后增加土壤肥料、為植物提供豐富的生長(zhǎng)基質(zhì)，形成一個(gè)良性循環(huán)［15］。將植被毯結(jié)合錨桿固定在坡面上，既可以保護(hù)土壤表面免遭風(fēng)雨的侵蝕［15］，還可以在播種初期穩(wěn)固植物種子，保護(hù)植物在萌發(fā)和生長(zhǎng)早期免遭雨水沖刷［16－18］。植被長(zhǎng)成后，其發(fā)達(dá)的根系與植被毯及邊坡土層形成一個(gè)牢固的復(fù)合體，可有效地防止土壤侵蝕［19］。

3 植被毯邊坡防護(hù)技術(shù)特點(diǎn)

植被毯邊坡防護(hù)技術(shù)充分考慮了立地條件和后期養(yǎng)護(hù)允許條件。該技術(shù)手段的特點(diǎn)是:種子能夠在坡面駐留，不會(huì)被雨水和澆灌用水沖跑;能夠混合肥料，在貧瘠的立地條件下為植物的生長(zhǎng)提供養(yǎng)分，保證植物生長(zhǎng)所需養(yǎng)料的持續(xù)供給;采用保水劑，能夠保證種子發(fā)芽成活;在邊坡表層中起到加筋加固作用，從而有效防止表層土體的滑移;草毯可進(jìn)行異地移植，能快速防護(hù)，施工工藝簡(jiǎn)捷，施工成本低廉，施工后養(yǎng)護(hù)管理成本較低［20］;能夠100%生物降解，貼地性好［21］。

4 植被毯的種類

南亞和東南亞國(guó)家研究了采用椰子殼纖維做成織造或非織造的土工織物，即采用純天然材料椰子纖維通過沖壓針刺加工制成供植物生長(zhǎng)的基帶，呈長(zhǎng)方體網(wǎng)孔狀結(jié)構(gòu)，再根據(jù)工程需要加入肥料、保水劑、各類植物種等［22］。椰纖維植被毯可以保持水分，為種子發(fā)芽、幼苗生長(zhǎng)提供優(yōu)良的條件。椰纖維降解以后，取而代之的是發(fā)達(dá)的植物根系［23］。馬來西亞利用棕櫚樹外殼纖維經(jīng)過特殊處理，通過有機(jī)的方式制作成一種新型環(huán)保覆蓋材料，質(zhì)地較堅(jiān)硬，絲網(wǎng)狀，對(duì)生態(tài)環(huán)境無污染，易降解，能防風(fēng)固沙［24］。

瑞士開發(fā)的苧麻纖維培育墊，采用編鏈襯緯組織，將苧麻和丙綸(其中丙綸纖維經(jīng)過特殊處理，即加入了降解組分，并可根據(jù)需要，控制添加劑的用量來調(diào)節(jié)降解時(shí)間)兩種紗線編織成方形小網(wǎng)格，縱向組織丙綸，橫向的襯緯是苧麻。采用這種結(jié)構(gòu)的培育墊，有規(guī)律地加入植物種子，將墊子置于土壤中，種子逐漸發(fā)芽生長(zhǎng)，而培育墊中的苧麻纖維開始分解，縱向的丙綸仍保護(hù)幼苗生長(zhǎng)，直至植物長(zhǎng)大到一定程度，丙綸才逐漸分解，這時(shí)植物的根取代了培育墊。這種墊子既可保持水土，防止滑移，又可綠化環(huán)境，保持生態(tài)平衡［24］。

德國(guó)薩克森研究所研制的一種用來增強(qiáng)斜坡防護(hù)、保持土壤、幫助草種發(fā)芽的土工布，原料為亞麻纖維，采用Maliwatt 縫編工藝編織成亞麻纖維網(wǎng)，同時(shí)用一種特殊的計(jì)量器將草種均勻地置入網(wǎng)中，用縫合線連接而成。這種墊子具有多孔結(jié)構(gòu)，草根極易穿過植物伸入土壤，吸取所需養(yǎng)料和水分。草種生根發(fā)芽后，亞麻便逐漸分解到土壤中，對(duì)環(huán)境無污染［24］。

德國(guó)電氣自動(dòng)化設(shè)計(jì)有限公司研制了一種新型的防止土壤侵蝕與改良土壤結(jié)構(gòu)的材料，是利用稻草、麥秸等為原料生產(chǎn)出來的，在載體層添加草種、保水劑、營(yíng)養(yǎng)土等材料。該植被毯的結(jié)構(gòu)分為上網(wǎng)、植物纖維層、種子層、木漿紙層和下網(wǎng)五層［10，25］。

湖南天泉科技開發(fā)有限公司研發(fā)了“天泉7 號(hào)”強(qiáng)力護(hù)坡無土基質(zhì)草毯，適用于護(hù)坡工程，其生產(chǎn)原料是無土基質(zhì)、無紡布、強(qiáng)力筋、塑料薄膜、進(jìn)口草種和生物藥肥。該草毯能改良土壤、耐貧瘠、運(yùn)輸方便，因?yàn)椴捎脽o土營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)做載體，不破壞土壤耕作層［26］。

李素英以廢棉纖維、聚丙烯(PP)纖維和麻纖維為原料，采用非織造技術(shù)加工成了不同結(jié)構(gòu)性能的針刺非織造材料，用作公路護(hù)坡生態(tài)毯［27］。

5 植被毯邊坡防護(hù)在國(guó)內(nèi)外的研究應(yīng)用

Krenitsky 等通過在斜坡上做模擬降雨試驗(yàn)，指出以稻草和黃麻為材料的植被毯可以有效地減少?gòu)搅骱湍嗌沉魇В?8］。Jankauskas 等將棕櫚墊應(yīng)用于路邊陡坡，棕櫚墊的保水功能有利于多年生草本根系的生長(zhǎng)，草本的干物質(zhì)量增加了18.2%，土壤中蚯蚓的數(shù)量和質(zhì)量也增加了，鋪設(shè)棕櫚墊一年半以后土壤流失率降低了94.89%，表明在易受侵蝕的邊坡上應(yīng)用棕櫚墊具有明顯的水土保持效益［29］。2007—2008年Bhattacharyya 等對(duì)應(yīng)用棕櫚墊保護(hù)沙質(zhì)土壤進(jìn)行了研究，通過在一個(gè)15°的斜坡上進(jìn)行試驗(yàn)，得出棕櫚墊可以有效地防止土壤侵蝕［30］。2007—2009年Bhattacharyya等又研究了棕櫚墊對(duì)土壤性質(zhì)的影響，分析表層土壤(0—5 cm)后發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過兩年的流水侵蝕，棕櫚墊有效地保存了土壤中的有機(jī)質(zhì)、全碳和全氮［31］。

楊曉暉等將椰纖維生態(tài)墊用于京北石質(zhì)山區(qū)盤山公路邊坡綠化工程，通過對(duì)鋪設(shè)生態(tài)墊和未鋪設(shè)生態(tài)墊造林坡面的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)生態(tài)墊可以減少土壤侵蝕和肥力流失，促進(jìn)植被恢復(fù)［32］。彭雪梅等在渝湛高速公路(廣東段)邊坡早期樹林綠化時(shí)，采用鋪二維網(wǎng)、三維網(wǎng)、椰絲毯以及客土噴播、灌草混播等進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明鋪椰絲毯能夠使公路邊坡達(dá)到早期樹林化［33］。陳瑞生等將加筋椰絲毯應(yīng)用在惠河高速公路的排水系統(tǒng)中(即生態(tài)水溝)，取代傳統(tǒng)的漿砌石材料，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其具有施工方便、進(jìn)度快、造價(jià)低廉、綠化效果好和環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)［34］。肖興福等利用棕櫚纖維墊保持土壤、涵養(yǎng)水分的功能，在洋河水庫岸邊裸露的沙礫、巖石基底上，鋪蓋棕櫚纖維墊，覆蓋約5 cm 厚的土壤，扦插柳枝、蘆葦并種植各種生活習(xí)性的植物，成功地恢復(fù)了庫邊植物［35］。趙方瑩等以采石形成的坡面的植被恢復(fù)為例，因地制宜地采用了生態(tài)植被毯鋪設(shè)、客土大苗造林和生態(tài)灌漿等技術(shù)組合模式，取得了較好的生態(tài)修復(fù)效果，為其他類似坡面的植被恢復(fù)提供了借鑒［25］。潞安集團(tuán)王莊煤礦在礦山生態(tài)治理理念的指導(dǎo)下，結(jié)合煤矸石山現(xiàn)狀及邊坡治理的特殊要求，先采取工程措施，然后采用鋪設(shè)生態(tài)植被毯的方法恢復(fù)邊坡植被，選擇適宜樹種進(jìn)行合理配置，使矸石山邊坡的治理初見成效［36］。苗紅昌認(rèn)為，在棄土邊坡植樹的同時(shí)鋪設(shè)生態(tài)植被毯，一是可以縮短沙土裸露時(shí)間，二是可以形成高、中、低立體防沙植物體系，既能有效攔擋沙粒移動(dòng)，又能收到更好的防風(fēng)固沙效果［37］。趙方瑩等為了使河道坡面穩(wěn)定以達(dá)到生態(tài)治理的目的，通過建立邊坡綠化試驗(yàn)小區(qū)，選擇液力噴播、鋪設(shè)生態(tài)植被毯、三維植被網(wǎng)等生態(tài)護(hù)坡技術(shù)，對(duì)各自的經(jīng)濟(jì)、生態(tài)效果進(jìn)行分析，并對(duì)各類生態(tài)護(hù)坡技術(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果表明，鋪設(shè)生態(tài)植被毯是一項(xiàng)經(jīng)濟(jì)可行、防護(hù)效果理想的技術(shù)措施［38］。逄紅等對(duì)北京市人民渠開展邊坡綠化研究時(shí)，選擇液力噴播、鋪設(shè)生態(tài)植被毯等不同的邊坡防護(hù)措施，結(jié)果發(fā)現(xiàn)鋪設(shè)生態(tài)植被毯的坡面沒有發(fā)生明顯的土壤流失［39］。曹波等在對(duì)北京市廢棄礦山進(jìn)行綠化時(shí)，也采用了生態(tài)植被毯鋪植技術(shù)［40］。護(hù)坡草毯(天泉7 號(hào))在常張高速公路巖石坡面生態(tài)防護(hù)工程上應(yīng)用后長(zhǎng)勢(shì)良好，經(jīng)受住了夏季高溫干旱和冬季嚴(yán)寒的考驗(yàn)，草坪草成活率高，產(chǎn)生了很好的邊坡景觀效果和良好的生態(tài)效益［26］。

6 討 論

分析國(guó)內(nèi)外研究和應(yīng)用結(jié)果可知，植被毯邊坡防護(hù)是一種新型的邊坡防護(hù)技術(shù)，該技術(shù)與傳統(tǒng)的邊坡防護(hù)技術(shù)及其他生物防護(hù)技術(shù)相比較，具有一定的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)優(yōu)勢(shì)，有良好的生態(tài)效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。目前，各國(guó)都非常重視環(huán)境問題，植被毯作為一種環(huán)保材料，在邊坡生態(tài)防護(hù)中將呈現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。

縱觀以往的研究和應(yīng)用結(jié)果，植被毯主要應(yīng)用于造林地、公路邊坡和河渠水道等，并取得了不錯(cuò)的治理效果，但目前尚未見植被毯應(yīng)用于地震區(qū)、泥石流滑坡帶的報(bào)道。我國(guó)是一個(gè)自然災(zāi)害多發(fā)的國(guó)家，特別是“5·12”汶川地震后，區(qū)域生態(tài)環(huán)境遭受了巨大破壞，建議將植被毯應(yīng)用到地震造成的山體崩塌、滑坡和泥石流地區(qū)，這對(duì)改善震區(qū)脆弱的生態(tài)環(huán)境具有重要的意義。

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