河岸生態(tài)護坡措施水土保持效益的模擬試驗研究

周千里, 楊建英,2, 梁淑娟, 張成梁

(1.北京林業(yè)大學 水土保持學院， 北京 100083;2.水土保持與荒漠化防治教育部重點實驗室， 北京 100083; 3.輕工業(yè)環(huán)境保護研究所, 北京 100089)

河岸生態(tài)護坡措施水土保持效益的模擬試驗研究

周千里1, 楊建英1,2, 梁淑娟1, 張成梁3

(1.北京林業(yè)大學 水土保持學院， 北京 100083;2.水土保持與荒漠化防治教育部重點實驗室， 北京 100083; 3.輕工業(yè)環(huán)境保護研究所, 北京 100089)

[目的] 研究不同河岸生態(tài)護坡措施的減流、減沙和抑制養(yǎng)分流失的效果，并篩選出較優(yōu)配置的河流生態(tài)護坡模式，為華北地區(qū)生態(tài)治河實踐提供參考。 [方法] 采用人工降雨試驗，測定模擬河流岸坡不同植被護坡措施的徑流量、產(chǎn)沙量、養(yǎng)分流失量，分析不同雨強、不同坡度、不同植被措施條件下的減流、減沙和減少養(yǎng)分流失效果；通過主成分分析對9個不同措施試驗槽的減流、減沙和減少養(yǎng)分流失效果進行評價。 [結果] 高羊茅減流減沙效果最優(yōu)，小冠花減少養(yǎng)分流失效果最優(yōu)。河岸坡30o、堤頂坡度小于0o的岸坡宜采用高羊茅進行防護；河岸坡45o、堤頂坡度18o的岸坡宜采用小冠花進行防護；河岸坡45o、堤頂坡度0o的岸坡宜采用高羊茅進行防護。 [結論] 綜合來看高羊茅減流減沙效果最好，小冠花次之；小冠花減少養(yǎng)分流失效果最好，紫穗槐次之。

人工模擬降雨; 河流岸坡; 生態(tài)護坡; 試驗研究

生態(tài)護坡是為防止土壤侵蝕和穩(wěn)固保護坡面采用活植物、活植物與土木工程措施或非生命材料結合的一種新型護坡模式[1]。其目的是為了重建受破壞的河岸生態(tài)系統(tǒng),恢復固坡、截污等生態(tài)功能。河岸生態(tài)護坡采取植物為主、工程為輔的形式相對于傳統(tǒng)護坡具有保護生物多樣性、改善棲息地、凈化污水等優(yōu)勢[2]。河流岸坡作為河流生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，適宜的岸坡防護措施，有利于固持土體，阻截泥沙，防止污染物成分進入水體，對于減輕河道淤積、減輕河流污染和水體富營養(yǎng)化具有重要作用[3]。

在我國，關于生態(tài)護坡技術的應用較早，但相關研究跟進較晚[4]，目前所開展的研究多局限于生態(tài)護坡的定義、機理、功能的定性描述，對于不同生態(tài)護坡措施生態(tài)效果的定量研究則較少[5]。

本研究在考慮植物品種、河岸坡度、堤頂坡度3大因素對于生態(tài)護坡效果的影響的基礎上，采用人工模擬降雨試驗對模擬河流岸坡不同生態(tài)護坡措施的減流、減沙和抑制養(yǎng)分流失的效果進行研究，其中堤頂坡度因素的引入目前還尚不多見，進而采用主成分分析，篩選出較優(yōu)配置的河流生態(tài)護坡模式，以期為華北地區(qū)生態(tài)治河實踐提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

北京市位于華北平原西北端，屬于典型暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，夏季炎熱多雨。年平均日照時數(shù)2 624 h，平均氣溫10～12 ℃，平均降水量600～700 mm，降水季節(jié)分布不均勻，75%集中在夏季。北京市主要河流有永定河、潮白河、京杭運河、拒馬河等。因為實際河岸不具備試驗條件，故采用模擬河流岸坡進行人工模擬降雨侵蝕試驗。試驗地位于北京市昌平區(qū)的輕工業(yè)環(huán)境保護研究所生態(tài)修復試驗基地，年平均氣溫10.6 ℃，平均降水量653 mm，土壤質地為沙質壤土。

1.2 岸坡、堤頂?shù)哪M及布設

用于模擬河坡的長方體鐵皮侵蝕槽規(guī)格為1.5 m(長)×0.8 m(寬)×0.35 m(深)；模擬堤頂?shù)拈L方體過水槽，規(guī)格0.3 m(長)×0.8 m(寬)×0.35 m(深)；用于匯集徑流的V形集流槽規(guī)格0.2 m×0.8 m×0.35 m。模擬河坡的侵蝕槽和模擬堤頂?shù)倪^水槽均進行填土處理。填充土取自北京市昌平區(qū)輕工業(yè)環(huán)境保護研究所生態(tài)修復試驗基地，土壤質地為沙質壤土，經(jīng)測定pH值為7.64，有機質含量4.723 g/kg，全氮含量為2.473 g/kg，堿解氮含量為19.057 mg/kg。將原狀土與含氮、磷、鉀、有機質分別為12%，5%，8%，25%的有機無機復合肥以質量比500∶1均勻混合，填土深度0.3 m，然后用木板輕微擊實，擊實后測得地表密實度為65%，壤中25 cm處密實度為75%。

1.3 試驗布設

植物品種選擇北京地區(qū)常用河岸護坡植物小冠花、高羊茅和紫穗槐；河岸坡度和堤頂坡度的參數(shù)均按照北京地區(qū)常見河岸坡度和堤頂坡度設置詳見(表1)。

試驗用植物的栽種是在模擬河坡侵蝕槽中栽種護坡植被，種子浸泡24 h后，小冠花20 g/m2，高羊茅50 g/m2均勻撒播。紫穗槐容器苗5列5行每試驗區(qū)均勻栽種25棵。從植物栽種到降雨試驗開始，植物生長周期約為80 d。植物生長狀況良好，坡面分布均勻。采用上部搭設遮雨棚的方式阻擋天然降雨，采用人工灑水壺均勻噴灑澆灌植物，以防止降水對坡面沖刷和產(chǎn)生徑流使營養(yǎng)物質流失。

表1 試驗設計

1.4 人工模擬降雨

人工模擬降雨發(fā)生裝置為針頭式，降雨高度可在4～6 m范圍調整，本試驗采用4 m降雨高度，有效降雨面積1.80 m×1.80 m。人工模擬降雨特性主要包括降雨強度和降雨均勻度[6]，開展試驗前首先對降雨器的相關參數(shù)進行標定。

1.4.1 降雨強度 通過流量計和控制試驗水壓來標定降雨強度[7]，即在一定時間內流量計記錄數(shù)據(jù)，通過降雨強度換算公式獲得不同壓力下的降雨強度。經(jīng)試驗標定當雨強為74.25～522.2 mm/h時，對雨強和壓力進行回歸分析結果顯示雨強和壓力具有較好的線性相關性(R2=0.942 9)。

1.4.2 降雨均勻度率定 用8個相同規(guī)格(500 ml)的燒杯按照323，44，332這3種不同擺設方式放置在降雨區(qū)同一水平面上，秒表計時2 min，根據(jù)接取的雨量結合均勻度公式計算均勻度。一般認為均勻度K≥80%表示均勻性好[8]，可以滿足試驗要求。當供水壓力在0.04～0.2 MPa即降雨強度為74.2～522.2 mm/h時，均勻度均在80%以上。降雨強度和均勻度均隨供水壓力的增大呈現(xiàn)增加的趨勢，說明降雨器運行過程中性能穩(wěn)定[9]。

1.5 試驗方法

9個試驗區(qū)拆除上部遮雨棚后進行降雨強度為90 mm/h的人工降雨，人工降雨器周圍設置遮風圍擋，防止風對試驗的影響。持續(xù)時間均為1 h，降雨前10 min不進行數(shù)據(jù)采集。10 min后用采集盒每5 min采集1次地表徑流和壤中流。取樣后稱重，取上層清液用于水樣測定。剩余泥水風干后稱量泥沙重量。各試驗區(qū)休養(yǎng)放置7 d后，再次采用同樣的方法對9個試驗區(qū)進行降雨強度為200 mm/h的人工降雨試驗。泥沙、水樣的養(yǎng)分委托北京市環(huán)境科學研究院測定，泥沙全氮和堿解氮分別采用堿烙—鉬銻抗比色法和堿解—擴散法測定，徑流氮素和溶解性總氮分別采用TOC測定儀和堿性過硫酸鉀氧化—紫外分光光度計法測定。

2 結果與分析

2.1 不同植物防護岸坡徑流量

不同植被防護岸坡地表流和壤中流試驗結果如圖1所示。降雨通過入滲進入土層，當降雨量大于降雨入滲速率時會產(chǎn)生地表徑流。由圖1試驗結果可知，15°～45°河坡坡度，90 mm/h 降雨條件下，3種植物措施的地表徑流量集中在5～10 L，壤中流量集中在1～2.5 L。紫穗槐地表流量大于高羊茅和小冠花，約高出1.7～5 L；小冠花地表流量又大于高羊茅。紫穗槐壤中流量最少，高羊茅和小冠花壤中流量差異不大，小冠花略低。表明90 mm/h 降雨條件下，高羊茅對地表徑流具有較好的減流效果，小冠花次之。15°～45°河坡坡度、200 mm/h降雨條件下，3種植物的地表徑流量集中在42～75 L，壤中流量集中在9～26 L。

地表流隨岸坡坡度的增大呈較為顯著的增大趨勢，紫穗槐的地表流量高出高羊茅和小冠花8～21 L，小冠花地表流量大于高羊茅，高羊茅壤中流量略高于其他兩種植物，紫穗槐壤中流量最少。200 mm/h降雨條件下，同樣為高羊茅和小冠花對地表徑流有較好的減流作用。綜合2種雨強的徑流量結果，高羊茅對地表徑流有比較好的減流作用，小冠花次之，紫穗槐最差；與地表流相反，地表流減流效果越好，其壤中流流量越大。

圖1 不同植被防護岸坡的徑流量

2.2 不同植被防護岸坡產(chǎn)沙量

不同植被防護岸坡產(chǎn)沙量如圖2所示。伴隨地表徑流，岸坡表面土粒被剝蝕和運移，進而產(chǎn)生徑流泥沙。由圖2可知，15°～45°河坡坡度，90 mm/h降雨條件下，泥沙量集中在0.05～0.25 kg。紫穗槐泥沙量大于小冠花和高羊茅，高出0.05～0.2 kg；小冠花泥沙量又大于高羊茅。15°～45°河坡坡度、200 mm/h降雨條件下，泥沙量集中在0.3～3.3 kg。紫穗槐泥沙量高出其他2種植物1.1～3 kg，小冠花泥沙量又大于高羊茅。綜合2種雨強泥沙量結果，高羊茅對地表徑流泥沙的攔截作用最優(yōu)，小冠花次之，紫穗槐較差。

圖2 不同植被防護岸坡的泥沙量

2.3 不同植被防護岸坡養(yǎng)分流失量

地表積累的污染物(含氮營養(yǎng)物、有機物、泥沙等)隨著雨水的沖刷，以泥水的形式流入河流造成水體污染。本研究選取徑流泥沙中的堿解氮、全氮和徑流中的氮素、溶解性總氮4項指標反映養(yǎng)分流失情況。

2.3.1 不同植被防護岸坡泥沙中堿解氮和全氮含量 由圖3可知，15°～45°河坡坡度,90 mm/h 降雨條件下，地表徑流泥沙的堿解氮濃度集中在20～47 mg/kg。高羊茅地表徑流泥沙的堿解氮濃度高出紫穗槐2～20 mg/kg，高出小冠花6～27 mg/kg。200 mm/h雨強下地表徑流泥沙的堿解氮濃度集中在32～59 mg/kg。高羊茅地表徑流泥沙的堿解氮濃度略高于其他2種植物，其中小冠花徑流泥沙的堿解氮含量最低。故兩種降雨強度下小冠花減少徑流泥沙中堿解氮氮流失效果最優(yōu)，紫穗槐次之。由圖4可知，90 mm/h雨強下地表徑流泥沙全氮含量集中在20～47 mg/kg。高羊茅地表徑流泥沙的全氮含量高出紫穗槐2～20 mg/kg，高出小冠花6～27 mg/kg。200 mm/h雨強下地表徑流泥沙全氮含量集中在1.6～3.2 g/kg。高羊茅地表徑流泥沙的全氮含量高于其他2種植物，小冠花徑流泥沙的全氮含量略低于紫穗槐。故2種降雨強度下小冠花減少徑流泥沙中全氮流失效果最優(yōu)，紫穗槐次之。綜合圖4—5所示結果，小冠花和紫穗槐抑制徑流泥沙中堿解氮、全氮流失的效果明顯，其中小冠花最優(yōu)，紫穗槐次之。

圖3 不同植防護被岸坡泥沙中堿解氮含量

2.3.2 不同植被防護岸坡徑流中溶解性總氮和氮素含量 由圖5可知，90 mm/h雨強下地表徑流的溶解性總氮含量集中在5.3～8 g/ml，壤中流的溶解性總氮含量集中在3.9～7.8 g/ml。高羊茅地表徑流和壤中流的溶解性總氮含量高于其他兩種植物，小冠花地表徑流的溶解性總氮含量略低于紫穗槐，兩者之間壤中流的溶解性總氮含量差別不明顯。

200 mm/h雨強下地表徑流溶解性總氮含量集中在4.9～10 g/ml，壤中流溶解性總氮含量集中在7.8～9.5 g/ml。小冠花和紫穗槐地表徑流溶解性總氮含量均略低于高羊茅。壤中流的溶解性總氮含量小冠花最低，其他2種植物壤中流的溶解性總氮含量差別不大。綜合兩種降雨強度的徑流的溶解性總氮含量結果，小冠花減少徑流的溶解性總氮含量效果最好，紫穗槐次之。由圖6可知，90 mm/h雨強下地表徑流的氮素含量集中在10.2～15.8 g/ml，壤中流的溶解性總氮含量集中在10.9～15.5 g/ml。高羊茅地表徑流和壤中流的氮素含量高于其他2種植物，小冠花地表徑流和壤中流的氮素含量略低于紫穗槐。200 mm/h雨強下地表徑流氮素含量集中在15.1～18.1 g/ml，壤中流氮素含量集中在14.2～19 g/ml。小冠花和紫穗槐地表徑流溶氮素含量均低于高羊茅。高羊茅壤中流的氮素含量最高，小冠花壤中流的氮素含量最低。綜合兩種降雨強度的徑流的氮素含量結果，小冠花減少徑流的氮素含量效果最好，紫穗槐次之。

圖5 不同植被防護岸坡地表徑流、壤中流溶解性總氮含量

圖6 不同植被防護岸坡地表徑流、壤中流中氮素含量

2.4 減流減沙和抑制養(yǎng)分流失綜合評價

用主成分分析法對1—9號試驗槽徑流量、泥沙量、流失泥沙中的堿解氮、全氮、地表徑流和壤中流的氮素、溶解性總氮數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。經(jīng)KMO檢驗統(tǒng)計量取值0.580，宜作因子分析；經(jīng)Bartlett球形檢驗統(tǒng)計量sig<0.01，小于顯著性水平0.05，因此可以做主成分分析[10]，結果如表2—3所示。由表3可得，提取出了3個公因子，累積貢獻率分別是38.614%，63.247%和81.479%，各成分特征值大于1。

由表4可得，第1主成分因子變量對徑流氮素和溶解性總氮有較高的正載荷，第2主成分因子變量對泥沙量和徑流量有較高的正載荷，第3主成分對全氮有較高的正載荷[11-15]。由此可見，3種主成分分別綜合反映了不同植被防護岸坡抑制徑流氮素流失、減流減沙、抑制泥沙全氮流失的作用。

表2 主成分分析解釋的總方差結果

表3 成分得分系數(shù)矩陣

注：采用Kaiser標準化的正交旋轉法，旋轉在5次迭代后收斂。

將方差貢獻率作為權重，求主成分綜合指數(shù)y表達式為：

y=0.386 1y1+0.246 3y2+0.182 3y3

(1)

根據(jù)式(1)求得各試驗槽地表和壤中試驗參數(shù)的綜合分值，對各試驗槽護坡措施的綜合評價結果詳見表4。根據(jù)綜合排名，效果較好的為6,7,9號試驗槽，較差的為4,2,5號試驗槽。綜合效果排序為6,7,9,3,1,8,4,2,5號。6和9號為高羊茅護坡效果較好，4和7號為小冠花護坡效果優(yōu)劣不一，2和5號為紫穗槐護坡效果較差。

表4 試驗區(qū)各類護坡生態(tài)效益效果的主成分分析綜合指數(shù)

3 結 論

(1) 地表徑流減流效果越好，其壤中流流量越大。高羊茅對地表徑流泥沙的攔截作用最優(yōu)，小冠花次之，紫穗槐較差。高羊茅和小冠花的地表徑流量較紫穗槐徑流量低20%，泥沙量低50%以上。即草本植物高羊茅、小冠花減流減沙效果優(yōu)于灌木紫穗槐。小冠花抑制泥沙中的堿解氮、全氮和徑流中的氮素、溶解性總氮流失的效果最好，紫穗槐次之。即固氮植物小冠花和紫穗槐對于抑制養(yǎng)分流失效果優(yōu)于非固氮植物高羊茅。綜合來看高羊茅減流減沙效果最好，小冠花次之；小冠花減少養(yǎng)分流失效果最好，紫穗槐次之。

(2) 通過主成分分析法對1—9號試驗槽徑流量、泥沙量、流失泥沙中的堿解氮、全氮、地表徑流和壤中流的氮素、溶解性總氮數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，可知河岸坡30o、堤頂坡度小于0o的岸坡宜采用高羊茅進行防護；河岸坡45o、堤頂坡度18o的岸坡宜采用小冠花進行防護；河岸坡45o、堤頂坡度0o的岸坡宜采用高羊茅進行防護。由于河岸坡度越高地表徑流量和泥沙量越大，所以9個模擬岸坡試驗槽中岸坡30o和45o的試驗槽采用減流減沙效果較好的高羊茅進行防護效果比較好。小冠花雖然減流減沙效果次于高羊茅，但其減少養(yǎng)分流失效果最優(yōu)，所以綜合效果較好。

(3)本研究條件有限只設置了9個模擬試驗槽，若能設置更多不同配置的試驗槽，或直接在實際的河岸坡上布設試驗，可得到更多有價值的結果。

[1] Coppin N J, Richarids I G. Use of Vegetation in Civil Engineering[M]. CIR IA: Butterworths, 1990.

[2] 呂晶.京郊河流生態(tài)護岸水土保持效應及其健康評價[D].北京:北京林業(yè)大學,2010:2-5.

[3] 唐國滔,姚煥玫,胡湛波.生態(tài)護岸技術的研究及其發(fā)展趨勢[J].水產(chǎn)科技情報,2010，37(4):198-199.

[4] 張文虎,魏束強.生態(tài)護坡的發(fā)展及其應用要點[J].河北農(nóng)業(yè)科學,2009,13(6):76-77.

[5] 夏繼紅,嚴忠民,蔣傳豐,等.河岸帶生態(tài)系統(tǒng)綜合評價指標體系研究[J].水科學進展,2005,16(3):345-346.

[6] 吳光艷,祝振華,成婧,等.人工模擬降雨特性對坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙量的影響研究[J].節(jié)水灌溉,2011(6):44-46.

[7] 駱漢,趙廷寧,彭賢鋒,等.公路邊坡綠化覆蓋物水土保持效果試驗研究[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2013,29(5):63-70

[8] 徐向舟,張紅武,董占地,等.SX2002管網(wǎng)式降雨模擬裝置的試驗研究[J].中國水土保持,2006,26(4):8-10.

[9] 王輝,王全九,邵明安.人工降雨條件下黃土坡面養(yǎng)分隨徑流遷移試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2006,22(6):39-43.

[10] 傅德印.主成分分析中的統(tǒng)計檢驗問題[J].統(tǒng)計教育,2007(9):4-7.

[11] 侯培強,任玉芬,王效科,等,北京市城市降雨徑流水質評價研究[J].環(huán)境科學,2012,33(1):72-74.

[13] 徐向舟,劉大慶,張紅武,等.室內人工模擬降雨試驗研究[J].北京林業(yè)大學學報,2006,28(5):53-54.

[12] 高淑琴,李京善.人工模擬降雨裝置性能試驗[J].河北水利科技,1996,17(1):32-33.

[14] 周林飛,郝利朋,孫中華.遼寧渾河流域不同土地類型地表徑流和壤中流氮、磷流失特征[J].生態(tài)環(huán)境學報,2011,20(4):737-742.

[15] 余海龍,顧衛(wèi).高速公路邊坡生態(tài)護坡效果定量評價研究[J].水土保持通報,2011,31(1):203-204.

Simulated Research on Soil and Water Conservation Benefits of Riparian Ecological Slope Protection Measures

ZHOU Qianli1, YANG Jianying1,2, LIANG Shujuan1, ZHANG Chengliang3

(1.CollegeofSoilandWaterConservation,BeijingForestryUniversty,Beijing100083,China; 2.KeyLab.ofSoilandWaterConservationandDesertificationCombating,MinistryofEducation,Beijing100083,China； 3.EnvironmentalProtectionResearchInstituteofLightIndustry,Beiijng100089,China)

[Objective] Appropriate measures on riverbank slope were significant for soil and water conservation, water purification, and the health of riparian ecosystem. Artificial rainfall experiment was used to study the dynamics of runoff, sediment yield and nutrient loss. [Methods] The effects of rainfall intensity, slope gradient and protective measures were analyzed. Altogether, nine experimental plots were set and principal component analysis method was used to find the slope protection design which produced the best protective effect. [Results] Tall fescue was most effective on runoff and sediment reduction, while crown vetch had the largest effect in reducing nutrient loss. On slopes with riparian gradient of 30° or 45°, and with 0° or less crest, tall fescue should be used for slope protection. On slope with gradient of 45°and crest of 18°, Crown varia was appropriate for slope protection. [Conclusion] Tall fescue was most effective on runoff and sediment reduction, followed by crown vetch. Crown vetch was the most effective on reducing nutrient loss.

artificial rainfall; river bank; ecological slope protection; experimental investigation

2016-03-20

2016-07-24

企事業(yè)單位(北京首發(fā)天人生態(tài)景觀有限公司)委托科技項目“華北地區(qū)邊坡綠化綜合技術研究”(2014HXFWSBXY050)

周千里(1990—)男(漢族),山東省臨沂市人,碩士研究生,主要研究方向為水土保持與建筑環(huán)境。E-mail:czarnino@163.com。

楊建英(1965—)女(漢族),北京市人,博士,副教授,主要從事水土保持與土壤侵蝕方面的研究。E-mail:jyyang@bjfu.edu.cn。

10.13961/j.cnki.stbctb.2016.06.003

A

1000-288X(2016)06-0015-06

S157.2

文獻參數(shù)： 周千里, 楊建英, 梁淑娟, 等.河岸生態(tài)護坡措施水土保持效益的模擬試驗研究[J].水土保持通報，2016,36(6)：015-020.