PAM對川渝地區(qū)邊坡植被水土保持性能的影響

潘聲旺，何茂萍，趙雪峰，王玲玲

(1.成都大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，四川 成都 610106； 2.成都大學(xué) 檔案館，四川 成都 610106)

PAM對川渝地區(qū)邊坡植被水土保持性能的影響

潘聲旺1，何茂萍1，趙雪峰2，王玲玲1

(1.成都大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，四川 成都 610106； 2.成都大學(xué) 檔案館，四川 成都 610106)

為了探討聚丙烯酰胺在促進(jìn)生態(tài)護(hù)坡、遏制水土流失過程中的作用，借助3個(gè)物種配置試驗(yàn)，于2012年3月構(gòu)建了以草本、灌木或喬木為主體的草本型、灌木型、喬木型及草灌喬混合型綠化配置試驗(yàn)區(qū)；以不施聚丙烯酰胺為對照，分別撒施0.5、1.0和1.5 g·m-2聚丙烯酰胺，自建植次年(2013年)起，對試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行持續(xù)4年的生態(tài)監(jiān)測.結(jié)果表明：邊坡植被的水土保持性能(徑流系數(shù)、侵蝕模數(shù))與鄉(xiāng)土植物的生活型構(gòu)成及建植年限有關(guān)；成坪初期(2013、2014年)，草本型配置所在邊坡的水土保持性能較強(qiáng)，自第3年(2015年)起, 草灌喬混合型配置所在邊坡表現(xiàn)出較強(qiáng)的水土保持性能；試驗(yàn)范圍(0～1.5 g·m-2)內(nèi)，聚丙烯酰胺可有效提高邊坡植被的水土保持性能，施用量為1.0 g·m-2時(shí)效果最佳；利用聚丙烯酰胺的改良作用強(qiáng)化草灌喬混合型配置的生態(tài)防護(hù)效應(yīng)，既可改善邊坡植被重建初期的水土保持性能，又能縮短其演化進(jìn)程.

邊坡；植被恢復(fù)；生活型；聚丙烯酰胺；水土保持性能

0 引 言

邊坡防護(hù)工程中，基于鄉(xiāng)土植物的生態(tài)優(yōu)勢，在裸露邊坡上重建邊坡植被的生態(tài)固坡技術(shù)在改善路域景觀、減少水土流失等方面的應(yīng)用日益普及[1-2].而重建后植被群落是否穩(wěn)定、能否實(shí)現(xiàn)自然演替，則是衡量植被恢復(fù)成功與否的重要標(biāo)志.研究表明，植被群落地上莖葉組織對雨滴的分層攔截、緩沖作用及地下根系結(jié)構(gòu)對土壤顆粒的加筋、錨固作用，有利于減小坡面水土流失并增強(qiáng)坡體穩(wěn)定性[3].一般而言，灌(喬)木生長緩慢、結(jié)構(gòu)稀疏，建坪初期難以實(shí)現(xiàn)控制水土流失的目的.草本類植物種子小、生長快、分布均勻，能有效防止早期的土壤侵蝕，維護(hù)坡體穩(wěn)定性，但其層次結(jié)構(gòu)單一，種間競爭激烈，群落穩(wěn)定性差，演化進(jìn)程緩慢，易導(dǎo)致早期恢復(fù)的邊坡植出現(xiàn)退化，甚至再次裸露.草灌喬混合型配置雖能有效縮短邊坡植被的演化進(jìn)程，增加邊坡植被的層次性，但成坪過程漫長，建坪初期的護(hù)坡性能較差，尚不能有效控制土壤侵蝕，減少水土流失[4-5].因此，如何結(jié)合工程措施，強(qiáng)化建坪初期的生態(tài)防護(hù)作用，減小坡面水土流失一直是工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn).

聚丙烯酰胺(polyacrylamide，PAM)是一種線型水溶性高分子聚合物，具有很強(qiáng)的絮凝作用與水合作用[6].研究發(fā)現(xiàn)，PAM的適量使用可促進(jìn)土壤團(tuán)聚體形成、防止土壤結(jié)皮、促進(jìn)水分入滲、減少水土流失及環(huán)境污染[7-11].因PAM能很好地改善土壤的理化性質(zhì)，如提高土壤大團(tuán)聚體含量和增加土壤表面糙度，提高土壤入滲率，增加土壤含水量等，而成為一種高效的土壤結(jié)構(gòu)改良劑，其改良作用與PAM施用方法、類型、用量、土壤質(zhì)地等密切相關(guān)[12].目前，有關(guān)PAM減少水土流失的研究多局限于室內(nèi)[7]，利用PAM的改良作用強(qiáng)化邊坡植被固土防護(hù)效應(yīng)的相關(guān)研究尚未見報(bào)道.據(jù)此，本研究擬以草本、灌木和小喬木為主體分別構(gòu)建草本型、灌木型、喬木型或草灌喬混合型配置的邊坡重建試驗(yàn)區(qū)[3-4]，監(jiān)測不同劑量的PAM對試驗(yàn)區(qū)內(nèi)地表徑流、土壤流失影響狀況，擬為PAM技術(shù)在邊坡防護(hù)中的推廣應(yīng)用提供依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究試驗(yàn)區(qū)域選定在川東、渝西接壤處的成渝高速(G85)永川段，路基邊坡位于K305+140～K305+920處.所在區(qū)域的氣候狀況、地形地貌、土壤屬性、植被類型及擬修復(fù)邊坡的坡體特征在文獻(xiàn)[3-4]中已做了詳細(xì)報(bào)道.

1.2 試驗(yàn)材料

在試驗(yàn)中，本研究以川渝地區(qū)3種代表性綠化配置[3-4]為基礎(chǔ)，分別與黑麥草、棉槐、刺槐等路域優(yōu)勢種隨機(jī)組合，建立3個(gè)物種的配置試驗(yàn),構(gòu)建以草、灌、喬為主體的草本型、灌木型、喬木型初始綠化配置試驗(yàn)區(qū)，以及由3種路域優(yōu)勢種構(gòu)建草灌喬混合型初始綠化配置試驗(yàn)區(qū)[4](見表1).

表1 不同配置模式中綠化植物的組成

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在試驗(yàn)設(shè)計(jì)上，參照文獻(xiàn)[3-4]方法，在擬修復(fù)的路基邊坡整理出132個(gè)規(guī)格為8 m×6 m的矩形小區(qū)，備用.

2012年3月，將10種待測配置隨機(jī)分配于試驗(yàn)區(qū)內(nèi)，3個(gè)重復(fù)[3-4]；另設(shè)1個(gè)對照區(qū)(CK)，用于觀測自然演替的裸露邊坡的產(chǎn)沙與產(chǎn)流特征，3個(gè)重復(fù).在此基礎(chǔ)上，于2013～2016年4月將PAM與適量干細(xì)土混合后，采用干撒法分別將不同劑量的PAM(0、0.5、1.0和1.5 g·m-2)均勻撒施在試驗(yàn)區(qū)的土壤表面.

1.4 測定項(xiàng)目

參照文獻(xiàn)[3-4]方法，分別測定2013～2016年汛期(5～9月)各個(gè)試驗(yàn)區(qū)內(nèi)的降雨量、徑流量和泥沙量，評價(jià)不同劑量的PAM對試驗(yàn)區(qū)內(nèi)邊坡植被水土保持性能(徑流系數(shù)、侵蝕模數(shù))的影響差異.

1.5 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)Microsoft Excel 2003處理后，借助SPSS 11.5軟件的LSD法分析不同處理間的差異顯著性.

2 結(jié)果與分析

2.1 裸露邊坡的產(chǎn)流、產(chǎn)沙特征

在2013～2016年汛期，研究區(qū)域內(nèi)自然降雨量及裸露邊坡的產(chǎn)流、產(chǎn)沙特征[3]如表2所示.

從表2可以看出，試驗(yàn)區(qū)內(nèi)，雨季集中，產(chǎn)流量大，水土流失嚴(yán)重，屬地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)區(qū).

2.2 綠化植物的生活型對水土保持性能的影響

徑流系數(shù)、侵蝕模數(shù)是衡量植被涵養(yǎng)水源、固土護(hù)坡的主要指標(biāo)，也是表征生態(tài)系統(tǒng)功能的重要尺度[3].2013～2016年間，不同綠化植物配置所在邊坡的產(chǎn)流、產(chǎn)沙特征如圖1所示.

表2 2013～2016年汛期的降雨量及裸露邊坡產(chǎn)流、產(chǎn)沙特征[3]

圖1 2013～2016年間不同綠化配置所在邊坡的產(chǎn)流、產(chǎn)沙特征

圖1顯示，綠化植物的生活型構(gòu)成不同，所在邊坡的水土保持性能也不一樣(n=12,P<0.05)，年際差異明顯.

成坪初期(2013、2014年)，草本型配置的邊坡植被表現(xiàn)出較強(qiáng)的水土保持性能，小區(qū)內(nèi)徑流系數(shù)(4.91%～7.78%)、侵蝕模數(shù)(76.96～111.43 t·km-2·a-1)明顯小于其他試驗(yàn)區(qū)(n=12,P<0.05)，草灌喬混合型配置次之；不同生活型間的水土保持性能呈現(xiàn)草本型>草灌喬混合型>灌木型>喬木型變化趨勢，且差異明顯(P<0.05)[3]；同類配置中，草本類取代種試驗(yàn)區(qū)的水土保持性能遠(yuǎn)小于灌、喬類取代種所在的試驗(yàn)區(qū)(P<0.05)[3].

自建坪后第3年(2015年)開始，草灌喬混合型配置所在邊坡表現(xiàn)出較好的水土保持性能，小區(qū)內(nèi)徑流系數(shù)(3.24%～4.25%)、侵蝕模數(shù)(45.24～52.65 t·km-2·a-1)明顯低于其他觀測區(qū)(n=12,P<0.05)，不同生活型配置間的水土保持性能呈現(xiàn)草灌喬混合型>草本型>灌木型>喬木型變化趨勢，且差異明顯(P<0.05)[3]；除草本型外，同類配置中，草本類取代種試驗(yàn)區(qū)內(nèi)的徑流系數(shù)、侵蝕模數(shù)均明顯小于灌木、喬木類取代種試驗(yàn)區(qū)(P<0.05)[3].

2.3 PAM對邊坡水土保持性能的影響

2.3.1 對邊坡產(chǎn)流特征的影響.

試驗(yàn)期間(2013～2016年)，PAM施撒區(qū)(PAM1～PAM3)內(nèi)的徑流系數(shù)均小于未施用PAM的對照區(qū)(PAM0)，結(jié)果見圖2.

圖2 PAM對試驗(yàn)區(qū)內(nèi)不同綠化配置模式所在邊坡的產(chǎn)流特征的影響

由圖2可知，試驗(yàn)期間，試驗(yàn)區(qū)內(nèi)徑流系數(shù)隨著PAM施撒量的增加而遞減；施撒量為PAM2(1.0 g·m-2)時(shí)，徑流系數(shù)的降幅最為顯著，且明顯小于對照區(qū)(P<0.05)，但施撒量增至PAM3(1.5 g·m-2)時(shí)，徑流系數(shù)的降低幅度并不明顯(P>0.05).

試驗(yàn)期間，PAM對不同初始綠化配置所在邊坡產(chǎn)流特征的影響效應(yīng)也不一樣.5種觀測類型中，1.0 g·m-2的施撒量對草灌喬混合型所在邊坡的徑流系數(shù)影響最大.成坪初期(2013、2014年)，其徑流系數(shù)與相同處理?xiàng)l件下草本型配置相近，且遠(yuǎn)小于灌木型、喬木型及對照區(qū).自第三年(2015年)開始，其徑流系數(shù)明顯小于其他觀測區(qū).試驗(yàn)結(jié)果表明，適量施撒PAM能有效的改善土壤的吸水性能，提高土壤入滲率，降低徑流系數(shù).

2.3.2 對土壤侵蝕模數(shù)的影響.

試驗(yàn)期間(2013～2016年)，PAM施撒區(qū)(PAM1～PAM3)內(nèi)的土壤侵蝕模數(shù)均小于未施用區(qū)(PAM0)，結(jié)果見圖3.

圖3 PAM對試驗(yàn)區(qū)內(nèi)不同綠化配置模式所在邊坡侵蝕模數(shù)的影響

從圖3可知，試驗(yàn)期間，觀察區(qū)內(nèi)土壤侵蝕模數(shù)隨著PAM施撒量的增加而遞減；施撒量為PAM2(1.0 g·m-2)時(shí)，侵蝕模數(shù)的降幅最為顯著，且明顯小于其對照區(qū)(P<0.05)，但施撒量增至PAM3(1.5 g·m-2)時(shí)，觀察區(qū)內(nèi)侵蝕模數(shù)與施撒量為PAM2時(shí)無明顯差異(P>0.05).

總體上，草灌喬混合型綠化配置所在邊坡的土壤侵蝕模數(shù)對施撒PAM的響應(yīng)最強(qiáng)烈.PAM2時(shí)，草灌喬混合型配置所在邊坡的土壤侵蝕模數(shù)在成坪初期與相同處理?xiàng)l件下草本型配置相近，且遠(yuǎn)小于灌木型、喬木型及對照區(qū)；自建坪第3年(2015年)起，其侵蝕模數(shù)則明顯小于其他觀測區(qū)(P<0.05).試驗(yàn)結(jié)果表明，適量施撒PAM可促進(jìn)土壤團(tuán)聚體形成，減少水土流失，進(jìn)而增加坡體穩(wěn)定性.

3 討 論

在植被恢復(fù)過程中，因資源利用、環(huán)境行為差異及綠化植物的種類不同，對各種環(huán)境資源的利用方式、利用強(qiáng)度及其根際沉積、根際效應(yīng)等生物學(xué)過程也不一樣[3].與草本植物相比，喬木、灌木類植物擁有更為豐富的層次結(jié)構(gòu)，空間異質(zhì)性較強(qiáng).建坪初期，草本類綠化植物的種子較小，植株密度大、分布均勻，其伴生植物也呈均勻分布，所在群落擁有較高的物種多樣性；喬木、灌木類綠化種的層次結(jié)構(gòu)較強(qiáng)，但資源分配遠(yuǎn)不及草本類群落均勻，其伴生植物呈斑塊狀分布，多樣性水平較低[3].隨著時(shí)間的推移，群落密度逐漸增加，空間結(jié)構(gòu)日趨飽和，資源利用性競爭成為群落動(dòng)態(tài)的決定性因素[4]，草灌喬混合型配置所在群落的生態(tài)位互補(bǔ)效應(yīng)日趨明顯，其多樣性水平逐漸超越其他配置，表現(xiàn)出較強(qiáng)的系統(tǒng)穩(wěn)定性[4].邊坡植被的空間層次結(jié)構(gòu)特征在保水固土、維持坡面穩(wěn)定過程中具有不可替代的作用.草本植物生長快、成坪時(shí)間短，在成坪初期就能呈現(xiàn)出較強(qiáng)的水土保持性能.喬木、灌木類綠化種生長慢，成坪時(shí)間長，在建坪初期的水土保持效益普遍較差；隨著時(shí)間推移，喬木、灌木類的群落優(yōu)勢逐漸增強(qiáng)，所在群落的層次結(jié)構(gòu)日趨分化，莖葉的分層攔截和緩沖作用、根系的加筋及錨固作用愈發(fā)突出，進(jìn)而呈現(xiàn)出較強(qiáng)的水土保持性能.試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)PAM撒施量為0.5～1.0 g·m-2時(shí)，不同處理的產(chǎn)流量、徑流系數(shù)隨著PAM撒施量的增加而減少；當(dāng)PAM撒施量較大(1.0～1.5 g·m-2)時(shí)，由于PAM分子鏈較長，在絮凝、吸附土壤顆粒時(shí)，其長鏈的尾部仍有許多存在于土壤溶液中，易堵塞土壤的傳導(dǎo)孔隙，促進(jìn)土壤結(jié)皮形成，減少土壤水力傳導(dǎo)度，阻礙降水入滲，增加地表徑流，不同處理的產(chǎn)流量、徑流系數(shù)并未隨PAM撒施量的增加而線性遞減.本研究與李晶晶等[10]的研究結(jié)果一致.

地表徑流是土壤侵蝕的原動(dòng)力.試驗(yàn)表明，當(dāng)PAM撒施量為0.5～1.0 g·m-2時(shí)，地表徑流隨著PAM撒施量的增加而減少，因而土壤侵蝕泥沙量也相應(yīng)減少;當(dāng)PAM撒施量為1.0～1.5 g·m-2時(shí)，地表徑流增幅放緩，土壤侵蝕量則趨于穩(wěn)定.可能的原因是：當(dāng)PAM撒施量超過一定值(1.0 g·m-2)時(shí)，土壤表層形成結(jié)皮，且撒施量越大結(jié)皮越緊密，土壤結(jié)皮使土壤表面擁有較細(xì)的土壤孔隙及較低的導(dǎo)水性，土壤顆粒不易松散及崩潰，降低了土壤侵蝕泥沙量、土壤侵蝕模數(shù)亦趨于穩(wěn)定[6].

4 結(jié) 論

1)生活型構(gòu)成與邊坡植被的水土保持性能密切相關(guān).成坪初期(2013、2014年)，草本型配置所在邊坡表現(xiàn)出較強(qiáng)水土保持性能(徑流系數(shù)、侵蝕模數(shù))，不同配置間呈現(xiàn)草本型>草灌喬混合型>灌木型>喬木型的變化；自建坪第三年(2015年)開始，草灌喬混合型配置所在邊坡表現(xiàn)出較強(qiáng)的水土保持性能，不同配置間呈現(xiàn)草灌喬混合型>草本型>灌木型>喬木型的波動(dòng).

2)試驗(yàn)范圍(0～1.5 g·m-2)內(nèi)，施撒PAM可有效的改善所在邊坡的水土保持性能.試驗(yàn)期間，以草灌喬混合型綠化配置所在邊坡對施撒PAM的環(huán)境響應(yīng)最為強(qiáng)烈，其中，PAM施撒量為1.0 g·m-2時(shí)，草灌喬混合型配置的水土保持性能成坪初期與相同處理?xiàng)l件下草本型相近，且遠(yuǎn)小于灌木型、喬木型及對照組；自建坪第三年(2015年)起，其侵蝕模數(shù)明顯小于其他觀測區(qū)(P<0.05)，為試驗(yàn)條件下的最佳施用量.

3)相似環(huán)境條件下，利用PAM(1.0 g·m-2)的改良作用來強(qiáng)化草灌喬混合型綠化配置邊坡植被的固土防護(hù)作用，既可減少建坪初期的水土流失，強(qiáng)化坡體的抗雨水沖蝕能力，又能快速營造結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的邊坡植被防護(hù)系統(tǒng)，縮短邊坡植被的演化進(jìn)程.該模式對川渝地區(qū)邊坡植被快速恢復(fù)具有極高參考價(jià)值.

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EffectsofPolyacrylamideonSoilandWaterConservationofSlopeVegetationinSichuan-ChongqingRegion

PANShengwang1，HEMaoping1，ZHAOXuefeng2,WANGLingling1

(1.School of Architecture and Civil Engineering，Chengdu University，Chengdu 610106, China；2.Archives,Chengdu University，Chengdu 610106, China)

In order to explore the role of polyacrylamide(PAM) in promoting ecological slope protection and controlling soil erosion,three species assembly experiments were carried out in March,2012,and four ecological models represented by tree-,shrub-,herb-dominated and herb-shrub-tree-dominated experimental areas were reconstructed.In comparison with the areas without PAM,PAM treatment amount in these areas with PAM was 0，0.5，1.0 and 1.5 g·m-2．Since 2013 which was the second year after the establishment of these experimental plots,ecological monitoring has been done in consecutive four years.The results showed that:1)Soil and water conservation properties of slope vegetation(i.e.runoff coefficient and erosion modulus) were closely related to life forms of the native plants and their years of planting.Of the four ecological models tested,the runoff coefficient and erosion in the period from 2013 to 2014 were the highest in herb-dominated areas whereas since 2015,the herb-shrub-tree-dominated areas had manifested a more prominent soil and water conservation compared with other ecological models.2)Within the experimental range(0～1.5 g·m-2),PAM could effectively improve the soil and water conservation performance of slope vegetation,and when the application amount of PAM was at 1.0 g·m-2,the effects were the best in tested side slopes.3)Using PAM to strengthen the ecological protection performance of herb-shrub-tree-dominated areas could not only improve the potential of their soil and water conservation in the early stage of slope revegetation,but also shorten the evolution process.These results could provide effective guidance for the application of PAM to improve soil and water conservation properties and their rapid restoration of the slope vegetation in Sichuan-Chongqing region.

side slopes;revegetation;life form;polyacrylamide;soil and water conservation

S157.2

A

1004-5422(2017)04-0438-05

2017-10-08.

四川省教育廳自然科學(xué)基金(17ZA0091)、 成都市科技惠民計(jì)劃(2015-HM01-00368-SF)資助項(xiàng)目.

潘聲旺(1973 — )，男，博士，副教授，從事環(huán)境生態(tài)與生態(tài)修復(fù)技術(shù)研究.