不同土壤生物工程植物發(fā)展特征動(dòng)態(tài)研究

陳鵬 李澤實(shí) 王可健

摘要[目的]研究不同土壤生物工程措施植物隨時(shí)間推移的發(fā)展特征及差異性。[方法]以旱柳活枝條為研究對(duì)象，在40 m的人工邊坡上設(shè)置扦插、灌叢墊、層栽與梢捆4種土壤生物工程措施，對(duì)其完工后4、8、12個(gè)月的植物生長(zhǎng)特征進(jìn)行調(diào)查。[結(jié)果]4～12個(gè)月梢捆措施覆蓋度從35%減少至20%，其他3種措施從40%增加到82.2%；扦插措施生長(zhǎng)狀況和其他措施存在顯著差異，其生長(zhǎng)狀況由好到差依次為扦插、灌叢墊、層栽、梢捆；4種措施新生植株4～8個(gè)月的平均株高增長(zhǎng)率在54.7%～82.3%，平均基徑增長(zhǎng)率在34.4%～75.0%；8～12個(gè)月平均株高增長(zhǎng)率在28.9%～62.4%，平均基徑增長(zhǎng)率在29.1%～65.9%。4～8個(gè)月植物的生長(zhǎng)速度高于8～12個(gè)月。[結(jié)論]扦插與層栽措施可快速且有效地穩(wěn)固深層土壤，灌叢墊與梢捆措施在施工初期就可以很好地起到保護(hù)邊坡不受水流沖刷的作用，防止表土侵蝕。

關(guān)鍵詞 農(nóng)田水利工程；土壤生物工程；河流生態(tài)修復(fù)；岸坡穩(wěn)固

中圖分類號(hào) S278 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2018）22-0165-04

Abstract[Objective]In order to study the development characteristics and difference of plants treated by different soil bioengineering measures over time.[Method]With live plants branch as the research object， in 40 m set on artificial slope cutting， scrub pads， planted with tip bundle of four kinds of soil biological engineering measures，the growth characters of plants after 4，8，12 months were studied.[Result]The coverage of the trusses of 4-12 months was reduced from 35% to 20%， and the other three measures increased from 40% to 82.2%.The growth status of cuttage measures and other measures were significantly different， and the growth condition was from good to poor， which was to root > layer of > layer of BBB.The average plant growth rate of 4-8 months was between 54.7% and 82.3%， and the average basal diameter growth rate was 34.4%-75.0%. The average growth rate of the average plant in August and December was 28.9% to 62.4%， and the average growth rate was 29.1% to 65.9%. The growth rate of plants in April and August was higher than that in August and December.[Conclusion]Cutting layer and plant measures can be rapid and effective solid deep soil， scrub pads and tip bundle of measures at the beginning of the construction can be very good to protect slope from water flushing action， prevent the erosion of topsoil.

Key words Farmland irrigation works；Soil bioengineering；River ecological restoration；Bank stabilization

20世紀(jì) 70 年代后，土壤生物工程技術(shù)得到了廣泛的發(fā)展，而且形成了完整的理論與技術(shù)體系[1]。過(guò)去，我國(guó)的河流治理工程主要采用漿砌石與鋼筋混凝土護(hù)岸，但這種護(hù)岸方法會(huì)阻擋陸地生態(tài)系統(tǒng)與水生態(tài)系統(tǒng)的有機(jī)聯(lián)系，降低了生境多樣性，破壞了河流的各種生態(tài)過(guò)程，從而導(dǎo)致水體的自我凈化及水生態(tài)系統(tǒng)自我恢復(fù)能力降低[2] 。我國(guó)也發(fā)展了許多生態(tài)工程措施，如人工種草護(hù)坡、生態(tài)袋護(hù)坡、網(wǎng)格生態(tài)護(hù)坡等，但是這些護(hù)坡措施安全性較低，不能滿足流速較高河流的治理要求。而土壤生物工程則是使用新鮮的植物枝條作為主體輔助使用靈活的工程技術(shù)手段來(lái)構(gòu)筑各類邊坡以防止坡面受到侵蝕并改善棲息地生境的一種集成工程技術(shù)，它能夠非常有效地改善整個(gè)土質(zhì)岸坡的穩(wěn)定程度，增強(qiáng)水生態(tài)系統(tǒng)自我恢復(fù)能力而且相對(duì)于“硬”結(jié)構(gòu)更加經(jīng)濟(jì)，相對(duì)于其他生態(tài)工程措施也具有更高的安全性[3-13]。筆者采用4種土壤生物工程措施進(jìn)行邊坡防護(hù)施工，對(duì)完工4、8、12個(gè)月后各種措施植物的生長(zhǎng)特征進(jìn)行了研究，以期為土壤生物工程在農(nóng)田水利領(lǐng)域的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 植物材料

試驗(yàn)對(duì)象為本地截取的旱柳（Salix matsudana Koidz），旱柳的根系非常發(fā)達(dá)而且生長(zhǎng)速度很快，容易繁殖，喜光且耐寒，在濕地、旱地中都可生長(zhǎng)，但在濕潤(rùn)且排水良好的土壤上生長(zhǎng)最佳，而且它對(duì)蟲害與大氣污染的抵抗性也很強(qiáng)。

1.2 工程措施

試驗(yàn)點(diǎn)位于湖北省武漢市湖北工業(yè)大學(xué)南區(qū)實(shí)驗(yàn)基地（114°18′4.75″E，30°28′32.05″N），屬于亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候區(qū)，雨量十分充沛且日照充足，具有夏高溫、冬季稍涼濕潤(rùn)等特點(diǎn)。在實(shí)驗(yàn)基地設(shè)置1處長(zhǎng)40 m、寬2 m、高1 m、坡度約45°的人工邊坡，在坡面設(shè)置扦插、灌叢墊、層栽、梢捆4種土壤生物工程措施各6 m長(zhǎng)。

1.3 研究方法

1.3.1 施工措施。

1.3.1.1 扦插。

扦插措施是使用容易成活的柳樹活枝條，經(jīng)過(guò)修整處理后按照一定的角度直接插入土壤中的一種工程措施，插入土壤的枝條生根以后可以把岸坡的土壤顆粒黏結(jié)在一起，并且可以吸收土壤中的水分[14]。該試驗(yàn)截取新鮮的柳枝條至40 cm長(zhǎng)，在坡面扦插4排柳枝，每根柳枝縱向間距、橫向間距都為40 cm，且每排柳枝交錯(cuò)扦插，枝條插入岸坡土壤中30 cm左右，扦插枝條上部用枝剪在靠近坡面土壤處修平，枝條最多只能露出地面5 cm（圖1）。

1.3.1.2 灌叢墊。

選取有較高發(fā)芽能力且分叉的柳樹枝條（一般不應(yīng)小于 1.5 m），在坡底開挖1條長(zhǎng)6 m的溝槽，將活的枝條按交叉或重疊的方式沿水平方向平鋪到坡面上，并且枝條的頂部向外，根部垂直埋入坡腳開挖好的溝槽，然后在其上部覆土，以防在枝條生長(zhǎng)初期垮塌、淋蝕和沖蝕（圖2）。為了使灌叢墊結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，在四角打入木樁，用長(zhǎng)鐵絲把小的分支緊貼地面壓緊，然后用當(dāng)?shù)赝寥垒p覆蓋在灌叢墊上，以使植物枝條生根發(fā)芽。灌叢墊措施在完工初期階段就可保護(hù)岸坡不受流水的沖刷，雖然完工后期會(huì)有部分枝條腐爛，但是新生的根系也能夠起到穩(wěn)固坡面的作用[14]。

1.3.1.3 層栽。層栽措施是首先在坡面開挖出1條寬度為50 cm并向內(nèi)側(cè)傾斜的平階，然后將植物活枝條交錯(cuò)鋪置于平階上，枝條根部向里，頂部向外，最后用開挖平階所出的土料進(jìn)行覆蓋。這種措施能夠迅速且有效的穩(wěn)固深層土壤，并防止表土被流水侵蝕[14]。該試驗(yàn)首先開挖2條平行的向坡內(nèi)側(cè)傾斜的平階，長(zhǎng)度為5 m，寬度為 50 cm，然后把截取好的柳樹枝交錯(cuò)鋪置于平階上，枝條頂部向外，根部向里，為了加固平階外側(cè)，樹枝必須傾斜向內(nèi)放置再填土，共鋪設(shè)2層，樹枝至少要覆蓋平階 50%的區(qū)域，最后再用本地開挖平階所得的土料進(jìn)行覆蓋（圖3）。新生的植物枝條可降低徑流速度并過(guò)濾泥沙，以防止泥沙流出邊坡， 延伸進(jìn)入邊坡的植物枝條可像傳統(tǒng)的工程起到加筋的作用，而且后期生長(zhǎng)的根系有利于坡面的排水。

1.3.1.4 梢捆。

梢捆措施是把柳樹活枝條首先用鐵絲捆在一起，形成1捆圓柱狀的活枝捆扎束，然后再沿著水平方向淺埋入邊坡的一種工程措施[14]。該試驗(yàn)首先在邊坡上開挖2條平行的長(zhǎng)6 m的溝槽，再把植物活枝成鱗狀鋪設(shè)，然后每隔1 m用鐵絲捆緊，形成圓柱狀的活枝捆扎束，其間扦插枝條并且鐵絲用枝條扭緊以固定梢捆，再沿著水平方向淺埋入邊坡（圖4）。這種措施可以有效地保護(hù)水位線附近的岸坡，并且它的結(jié)構(gòu)可以截留土壤顆粒和穩(wěn)固岸坡表面，形成有利于植物生長(zhǎng)的小生境。

1.3.2 植物生長(zhǎng)情況調(diào)查。

分別在完工4、8和12個(gè)月后對(duì)4種措施的所有植株進(jìn)行調(diào)查，記錄各種措施植物的萌芽率、成活率、覆蓋度、基徑和株高。每種措施選取10～20株植物的莖與葉子稱量各部分濕重，再放入75 ℃烘箱12 h后稱量其干重。

2 結(jié)果與分析

2.1 植被成活率和覆蓋度

新生植物的莖和葉子覆蓋于裸露的土壤表面，可以攔截一部分降雨，從而有效減少土壤侵蝕與地表徑流的發(fā)生。因此，坡上植物的生長(zhǎng)特性是衡量土壤生物工程生態(tài)護(hù)岸防治坡面侵蝕效果的一項(xiàng)重要指標(biāo)[15]。由于灌叢墊和梢捆措施特殊的施工方式，只調(diào)查覆蓋度，完工4個(gè)月后調(diào)查扦插措施共45株植物，其中發(fā)芽43株，新生枝條成活率為95.5%，灌叢墊措施共208根柳枝，萌芽97株，層栽措施共93根柳枝，萌芽82株，成活率為88.2%，梢捆措施調(diào)查共308株，其中萌芽63株。由表1可知，完工4個(gè)月時(shí)各種措施的覆蓋度差別不大，8個(gè)月時(shí)梢捆措施覆蓋度減少，其他3種措施均有增加，12個(gè)月后扦插措施覆蓋度達(dá)80%，相比其他3種措施比例最高，灌叢墊與層栽措施隨著植物的生長(zhǎng)也逐漸形成了密集的灌叢，而梢捆措施覆蓋度減少為20%。

2.2 不同措施植物生長(zhǎng)特性

2.2.1 扦插措施植物生長(zhǎng)特性。

扦插措施施工后進(jìn)行定期澆水、養(yǎng)護(hù)。分別于4、8、12個(gè)月進(jìn)行1次調(diào)查。完工4個(gè)月后調(diào)查共45根柳枝，萌芽43株，萌芽率為95.6%，平均基徑為0.31 cm，平均株高為28.38 cm，完工8個(gè)月后調(diào)查扦插措施平均基徑為1.24 cm，平均株高為160.0 cm；完工12個(gè)月后調(diào)查平均基徑為1.75 cm，平均株高為225.0 cm，成活40株。新生植株4～8個(gè)月的平均株高增長(zhǎng)率為82.3%，8～12個(gè)月的平均株高增長(zhǎng)率為28.9%，4～8個(gè)月的平均基徑增長(zhǎng)率為75.0%，8～12個(gè)月的平均基徑增長(zhǎng)率為29.1%（圖5、6）。

2.2.2 灌叢墊措施植物生長(zhǎng)特性。

完工4個(gè)月后調(diào)查共208根柳枝，萌芽97株，萌芽率為46.6%；完工8個(gè)月后調(diào)查成活42株，覆蓋率達(dá)40%，平均株高為91.0 cm，平均基徑為0.60 cm。完工12個(gè)月后調(diào)查平均株高為185.0 cm，平均基徑為1.27 cm。新生植株4～8個(gè)月的平均株高增長(zhǎng)率為89.1%，8～12 個(gè)月平均株高增長(zhǎng)率為50.8%，4～8個(gè)月的平均基徑增長(zhǎng)率為55%，8～12個(gè)月的平均基徑增長(zhǎng)率為52.8%（圖7、8）。

2.2.3 層栽措施植物生長(zhǎng)特性。

完工4個(gè)月后調(diào)查共75根柳枝，萌芽71株，萌芽率為94.7%。完工8個(gè)月后調(diào)查成活71株，平均株高為81.5 cm，平均基徑為0.63 cm。完工12個(gè)月后調(diào)查平均株高為155.0 cm，平均基徑為1.05 cm。新生植株4～8個(gè)月的平均株高增長(zhǎng)率為70.9%，8～12個(gè)月的平均株高增長(zhǎng)率為47.4%，4～8個(gè)月的平均基徑增長(zhǎng)率為55.6%，8～12個(gè)月的平均基徑增長(zhǎng)率為40.0%（圖9、10）。

2.2.4 梢捆措施植物生長(zhǎng)特性。

完成4個(gè)月后調(diào)查共308株，其中萌芽63株，完工8個(gè)月后調(diào)查平均株高為41.0 cm，平均基徑為0.32 cm。完工12個(gè)月后調(diào)查平均株高為109.0 cm，平均基徑為0.94 cm。新生植株4～8個(gè)月的平均株高增長(zhǎng)率為54.7%；8～12個(gè)月的平均株高增長(zhǎng)率為62.4%；4～8個(gè)月的平均基徑增長(zhǎng)率為34.4%；8～12個(gè)月的平均基徑增長(zhǎng)率為65.9%（圖11、12）。

2.3 不同措施差異性分析

旱柳施工12個(gè)月后植物的生長(zhǎng)情況，最大株高為324.0 cm（扦插），最小為70.0 cm（梢捆），并且絕大多數(shù)散點(diǎn)分布于中位線附近，扦插的基徑和株高的均值較大，分別為1.75、225.0 cm（表2），方差分析表明，扦插措施基徑和株高與其他措施存在顯著差異，其生長(zhǎng)的狀況由好到差依次為扦插、灌叢墊、層栽、梢捆。

3 結(jié)論與討論

完工4個(gè)月時(shí)，各種措施的覆蓋度差別不大，8個(gè)月時(shí)梢捆措施覆蓋度減少，其他3種措施均有增加，12個(gè)月后扦插措施覆蓋度達(dá)80%，相比其他3種措施比例最高，灌叢墊與層栽措施隨著植物的生長(zhǎng)也逐漸形成了密集的灌叢，而梢捆措施覆蓋度減少至20%，可能由于覆土過(guò)厚，水量補(bǔ)給不足造成梢捆措施生長(zhǎng)情況與其他3種措施有明顯差別。

完工12個(gè)月時(shí)，4種措施的基徑和株高分別為：扦插1.75、225.0 cm；灌叢墊1.27、185.0 cm；層栽1.05、155.0 cm；梢捆0.94、109.0 cm。扦插措施基徑和株高與其他措施有顯著性差異，其生長(zhǎng)的狀況由好到差依次為扦插、灌叢墊、層栽、梢捆。

4種措施新生植株4～8個(gè)月的平均株高增長(zhǎng)率在54.7%～82.3%，平均基徑增長(zhǎng)率在34.4%～75.0%；8～12個(gè)月平均株高增長(zhǎng)率在28.9%～62.4%，平均基徑增長(zhǎng)率在29.1%～65.9%。4～8個(gè)月植物的生長(zhǎng)速度高于8～12個(gè)月，在植物生長(zhǎng)初期發(fā)展較快。扦插與層栽可以迅速且有效地穩(wěn)定深層邊坡，灌叢墊和梢捆措施在施工初期就能很好地起到保護(hù)邊坡不受水流沖刷的作用，防止表土侵蝕。

旱柳是一種優(yōu)良的固土護(hù)坡植物，適合用于岸坡植被生態(tài)恢復(fù)與防止土壤侵蝕、水土流失，可代替部分工程措施，實(shí)際工程中可以考慮多種土壤生物工程措施聯(lián)合使用或與傳統(tǒng)的護(hù)岸措施相結(jié)合，隨著植物的生長(zhǎng)可以逐漸形成密集的灌叢，從而達(dá)到穩(wěn)固岸坡、抵抗坡面侵蝕的作用效果。

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