交通工程中有機(jī)物用量對植被護(hù)坡基材性能的影響研究

侯鐵軍　錢覺時　虞衛(wèi)國

摘要 [目的] 研究交通工程中有機(jī)物用量對植被護(hù)坡基材性能的影響以及有機(jī)物的合理用量。

[方法] 根據(jù)有機(jī)物用量對植被護(hù)坡基材抗侵蝕性、基材結(jié)構(gòu)、pH的影響進(jìn)行試驗(yàn)，分析相應(yīng)的影響規(guī)律。[結(jié)果] 隨有機(jī)物用量增加植被護(hù)坡基材堿性降低；有機(jī)物用量增加會使植被材料抗侵蝕能力下降；有機(jī)物的用量選擇范圍是0.01%～0.1%，三相的比例滿足植被的生長需求。

[結(jié)論] 影響植被護(hù)坡基材抗侵蝕能力的主要因素一是粘結(jié)劑的用量，二是有機(jī)物用量。

關(guān)鍵詞 植被護(hù)坡；有機(jī)物；基材結(jié)構(gòu)；抗侵蝕性

中圖分類號 S181.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 0517-6611（2014）05-01464-03

Abstract [Objective] The research aimed to study the effects of organic materials content on the properties of vegetation in slope of base materials during the process of traffic engineering. [Method] Experiments on the effects of organic substrate amount on vegetation slope erosion resistance， substrate structure， pH were conducted， and the rules of impacts were investigated at the same time. [Result] The results showed that， with the increase of organic matter amount， the alkalinity of vegetation slope protection substrate decreased. When increased continuously， the ability of antierosion would reduce. The optimum amount of organic materials was 0.01%-0.1%. And under this situation， the ratio of triphase could meet the demands of plant growth. [Conclusion] The main factors which influenced the antierosion ability of vegetation slope protection substrate were the amount of binding agent and amount of organic materials.

Key words Slope vegetation； Organic materials； Base material structure； Antierosion resistance

青海地處祖國西部有世界屋脊之稱的青藏高原，經(jīng)濟(jì)相對落后。自20世紀(jì)90年代末，中央政府實(shí)施西部大開發(fā)戰(zhàn)略，把公共財政的投資重點(diǎn)投向交通基礎(chǔ)設(shè)施，青海省經(jīng)過兩個五年計劃的建設(shè)，相繼建成了一批重點(diǎn)工程，至2007年上半年，全省公路通車總里程達(dá)到47 726 km。路網(wǎng)初步形成，公路等級提高，使制約青海國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的瓶頸在一定程度上得以緩解。然而，在大規(guī)模建設(shè)中也產(chǎn)生了不容忽視的生態(tài)環(huán)境問題。公路工程所造成的環(huán)境問題，單靠自然界自身的力量恢復(fù)生態(tài)平衡需要較長時間，對地處特殊環(huán)境的青藏高原則更為漫長。

目前青海公路工程防護(hù)主要以工程防護(hù)為主，其短期效果很好，但從其長期演變趨勢看，由于過分追求強(qiáng)度功效，往往破壞了生物多樣性。防護(hù)工程隨時間的推移混凝土面、漿砌片石都會風(fēng)化、老化以至破壞，后期整治難度很大。由于這些公路工程防護(hù)措施破壞了原有物種的生長環(huán)境，被破壞的植物再難以恢復(fù)[1-2]。

青海由于特殊的自然環(huán)境，現(xiàn)有的植被護(hù)坡技術(shù)及研究都處于滯后的狀態(tài)，國內(nèi)的研究都是在自然環(huán)境相對比較好的地方開展，目前還沒有人在青藏高原研究厚層基材護(hù)坡的植被恢復(fù)技術(shù)[3]。因此，一種全新的以植被基材為核心的適合于青藏高原植被恢復(fù)技術(shù)的研究是非常重要的。該研究即通過有機(jī)物用量對植被護(hù)坡基材抗侵蝕性、基材結(jié)構(gòu)、pH的影響研究，提出有機(jī)物的合理用量。

1 研究區(qū)概況

青海全省總體屬高寒荒漠干旱區(qū)氣候，基本特點(diǎn)是高寒缺氧（海拔平均3 000 m以上；年均氣溫-5.60～-8.60℃；空氣稀薄、含氧量少，平均比海平面少20%～40%；冷季長、暖季短、四季不明顯、無霜期短；氣溫日差較大，年差較小，區(qū)域性氣溫差異大，垂直分帶性明顯；雨熱同季、干旱少雨，總體上蒸發(fā)量大于降水量，全年平均降水量17.6～764.4 mm，大部分地區(qū)降水量不足100 mm。青海省各氣候區(qū)域的氣候環(huán)境差距較大。該研究的依托工程丹（東）拉（薩）國道主干線西寧過境公路西段處于河湟區(qū)，該區(qū)域的氣候相對于青海其他區(qū)域較好，故研究區(qū)域定在河湟區(qū)。課題實(shí)施地點(diǎn)在西寧，西寧平均海拔2 295 m，屬大陸高原半干旱氣候，年平均降水量380 mm，蒸發(fā)量1 363.6 mm，年平均日照為1 939.7 h，年平均氣溫7.6 ℃，最高氣溫34.6 ℃，最低氣溫零下18.9 ℃。

2 材料與方法

2.1 材料

2.1.1 粘結(jié)劑。使用的粘結(jié)劑是粉煤灰及改性料。粉煤灰是青海省西寧橋頭火電廠生產(chǎn)的Ⅱ級粉煤灰，細(xì)度（45 μm方孔篩篩余）≤20%，需水量比小于105%。

2.1.2 有機(jī)質(zhì)。有機(jī)質(zhì)的主要作用是改善植被護(hù)坡基材的結(jié)構(gòu)，提供植被生長所需的一部分養(yǎng)分，并能蓄水保水，防止板結(jié)。常用的有機(jī)質(zhì)有鋸末、泥炭、糠殼、酒糟、醋糟等，該研究使用的有機(jī)質(zhì)是鋸末。

2.1.3 土壤。土壤是植被護(hù)坡基材的主要材料，也是植被生長的基礎(chǔ)。為了使試驗(yàn)更有針對性，選取工程沿線具有代表性的土壤。土壤的理化及水理性質(zhì)詳見表1。

2.1.4 保水劑。試驗(yàn)采用的保水劑為聚丙烯酸脂-聚丙烯酰胺共聚體，主要成分為聚丙烯酰胺，外觀白色，其性能詳見表2。

2.2 試驗(yàn)設(shè)計

植被護(hù)坡基材配合比根據(jù)有機(jī)物用量不同共設(shè)計17組對比試驗(yàn)S1～S17，其中S1～S16有機(jī)物用量（質(zhì)量百分比）從0.15%按0.01%遞減至0；S17為原土，其他材料用量比例為粘結(jié)劑10（g/m2）、土壤70（L/m2）、保水劑10（g/m2）。

2.3 測定指標(biāo)與方法

2.3.1 抗侵蝕性。根據(jù)土壤學(xué)關(guān)于土壤抗侵蝕能力的評價指標(biāo)，及該研究的情況以植被護(hù)坡基材流失量、植被護(hù)坡基材質(zhì)量流失百分率兩個指標(biāo)為衡量標(biāo)準(zhǔn)。

由于國家標(biāo)準(zhǔn)中未對覆蓋材料的抗沖刷性做出相應(yīng)的要求，故現(xiàn)在并沒有用一種能比較好表現(xiàn)材料抗雨水沖刷的試驗(yàn)設(shè)備，在該研究中所采用的測試抗沖刷性的設(shè)備為特別制作的一個簡易裝置。設(shè)備主要由一套固定在平臺立柱上的可升降的噴淋裝置和一個降雨實(shí)驗(yàn)槽組成。噴淋裝置包括一根水管、一塊水壓表和一個噴淋頭[4]?？骨治g能力性試驗(yàn)用15 cm×15 cm×3 cm的模具成型，取齡期1 d的試件進(jìn)行抗侵蝕能力性試驗(yàn)。

2.3.2 孔隙率。植被護(hù)坡基材孔隙度借鑒土壤學(xué)中對孔隙度的定義，指單位容積植被護(hù)坡基材中孔隙容積占整個材料容積的百分?jǐn)?shù)。它表示植被護(hù)坡基材中各種大小孔隙度的總和。一般是通過植被護(hù)坡基材容重和密度來計算[5]。試驗(yàn)中用7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm的砂漿試模成型試件。

2.3.3 pH。研究采用取出固液萃取法（exsitu leaching）測定pH，具體步驟如下：將選擇的試樣破碎，充分研磨，過篩（用0.08 mm方孔篩），稱取10 g準(zhǔn)備好的粉體試樣，加入10倍重量的蒸餾水中，用橡皮塞塞緊以防碳化，每隔約5 min震動均勻一次，2 h后用濾紙過濾，使用pHS3C型酸度計測定濾液的pH[6]。

3 結(jié)果與分析

3.1 有機(jī)物用量對植被護(hù)坡基材抗侵蝕能力的影響

影響植被護(hù)坡基材的抗侵蝕能力的主要因素有兩個，一個是粘結(jié)劑的用量，另外一個就是有機(jī)物的用量[7]?？骨治g能力是植被護(hù)坡基材能否良好應(yīng)用的關(guān)鍵，因此就需要研究有機(jī)物用量對植被護(hù)坡基材抗侵蝕能力的影響。

根據(jù)降雨量為150 mm、時間是1 h的植被護(hù)坡基材質(zhì)量損失率的數(shù)據(jù)繪制關(guān)系圖（圖1），可以看出：有機(jī)物用量鋸末在0.1%～0.01%之間時，質(zhì)量損失率都小于5%；有機(jī)物用量在0.11%～0.15%時，質(zhì)量損失率為7.69%增加到23.07%，鋸末用量雖然只增加了0.05%，但基材的質(zhì)量損失率卻增長了15.38%。由此可見，有機(jī)物用量增加會使植被護(hù)坡基材抗侵蝕能力下降，因此，有機(jī)物用量應(yīng)嚴(yán)格控制在0.1%以下。

3.2 有機(jī)物用量對植被護(hù)坡基材結(jié)構(gòu)的影響

植被護(hù)坡基材混合物是由氣、液、固三項(xiàng)組成的多孔復(fù)合材料。三相的比例直接影響植被護(hù)坡基材的肥力狀況和植被生長的狀況，因此需要確立植被護(hù)坡基材合理的三相分布[8]。植被護(hù)坡基材所有的組成材料當(dāng)中對三相組成影響最大的是有機(jī)物，因此必須要研究有機(jī)物對植被護(hù)坡基材三相比例的影響及合理的用量[9]。

處于最適宜植物生長的典型壤質(zhì)土壤的體積組成大致為，土壤孔隙50%內(nèi)含水分和空氣，且水分與空氣比例大約各占50%；土壤固體占50%，其中礦物質(zhì)占固相總量95%，有機(jī)質(zhì)占5%，土壤生物體均生活在土壤孔隙中。據(jù)張俊云等對植被護(hù)坡基材的研究，認(rèn)為大部分植被護(hù)坡材料的三相分布并不滿足以上條件，但是植物生長仍良好[10]。通過密度、容重、含水量的測定，可計算出各配比植被護(hù)坡基材的三相組成，結(jié)果如圖2所示。

圖2的縱坐標(biāo)是三相所占的比例，橫坐標(biāo)是有機(jī)物用量。由圖2可見，液相的變換范圍是44.4%～35.3%，氣相的變化范圍是27.1%～11.0%，三相的比例滿足植被的生長。從以上結(jié)果可以確定有機(jī)物的用量選擇范圍在0.01%～0.1%是合理的。

3.3 有機(jī)物用量對植被護(hù)坡基材pH的影響

植被護(hù)坡基材的酸堿性是其重要的化學(xué)性質(zhì)，植被護(hù)坡基材的酸堿性直接影響微生物的活動、有機(jī)質(zhì)的合成與分解、氮、磷等營養(yǎng)元素的轉(zhuǎn)化與釋放、微量元素的有效性、保持養(yǎng)分的能力等[10]。據(jù)研究，土壤pH在6.5～7.5的條件下，養(yǎng)分有效性最高，最適宜植物生長[11]。

試驗(yàn)采用的土是鹽堿土，pH為8.12，有機(jī)物能調(diào)節(jié)植被護(hù)坡基材的pH，故對養(yǎng)護(hù)7 d后的不同配比植被護(hù)坡基材的pH進(jìn)行測定。

根據(jù)有機(jī)物用量不同對植被護(hù)坡基材pH的影響數(shù)據(jù)繪制了圖3。由圖3可見，總體趨勢是pH隨著有機(jī)物用量的增加而降低，當(dāng)有機(jī)物用量為0.01基材的pH是7.93，當(dāng)有機(jī)物用量為0.15基材的pH是7.61。有機(jī)物的用量提高了15倍，植被護(hù)坡基材的pH降低了4%。通過以上分析可以看到，有機(jī)質(zhì)能影響植被護(hù)坡基材的pH變化，原因是有機(jī)質(zhì)中含有大量的腐殖質(zhì)，腐殖質(zhì)本身具有降低堿性能力，從而提高植被護(hù)坡基材抵抗pH變化的能力。

4 結(jié)論與討論

影響植被護(hù)坡基材的抗侵蝕能力的主要因素有兩個，一是粘結(jié)劑的用量，二是有機(jī)物的用量。試驗(yàn)結(jié)果表明，有機(jī)

物用量從0.1%～0.01%時，質(zhì)量損失率都小于5%；有機(jī)物用量是0.11%～0.15%時，質(zhì)量損失率為7.69%～23.07%，有機(jī)物用量雖然增長了5%，而質(zhì)量損失率增長了15.38%。這說明有機(jī)物用量增加會使植被護(hù)坡基材抗侵蝕能力下降，因此要嚴(yán)格控制有機(jī)物的用量，有機(jī)物用量應(yīng)該≤0.1%。

植被護(hù)坡基材所有組成材料中對三相組成影響最大的是有機(jī)物，有機(jī)物的用量的選擇范圍是0.01%～0.1%，液相的變換范圍是44.4%～35.3%，氣相的變化范圍是27.1%～11.0%，三相的比例滿足植被的生長。從以上結(jié)果可以確定有機(jī)物的用量的選擇范圍0.01%～0.1%是合理的。

有機(jī)質(zhì)能影響植被護(hù)坡基材的pH變化，有機(jī)質(zhì)中含有大量的腐殖質(zhì)，腐殖質(zhì)本身具有降低堿性的能力，從而可以提高植被護(hù)坡基材抵抗pH變化的能力。不同配比的有機(jī)質(zhì)降低了植被護(hù)坡基材的堿性，使原土的pH從8.03降到7.61～7.93，降低后的pH完全適合所選草種的生長。

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