高速公路路塹邊坡客土噴播的長期防護(hù)效果

汪益敏，陶玥琛，程致遠(yuǎn)，李博文

華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院，廣東 廣州 510640

公路建設(shè)不可避免會(huì)對(duì)路域生態(tài)環(huán)境造成干擾和破壞，隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，公路邊坡的生態(tài)恢復(fù)越來越受到重視。生態(tài)護(hù)坡技術(shù)是一種利用植物來改善坡面抗侵蝕性能同時(shí)兼顧恢復(fù)植被的措施（Liu et al.，2020）。路塹邊坡生態(tài)防護(hù)受邊坡坡度、巖性以及水分賦存條件等影響往往較路堤邊坡更為困難（Fu et al.，2018），同時(shí)，高路塹邊坡在降雨條件下更容易發(fā)生坡面沖刷。如何合理采用防護(hù)措施來保證路塹邊坡長期穩(wěn)定和恢復(fù)生態(tài)一直是公路建設(shè)中關(guān)注和研究的熱點(diǎn)。

客土噴播通過將回填土、腐殖質(zhì)、植物纖維、化學(xué)肥料和植物種子等材料混合，噴灑到坡面上以形成用于植被建立的土壤層，實(shí)現(xiàn)因開挖裸露的坡面植被快速恢復(fù)，具有良好的生態(tài)和環(huán)境效益（譚少華等，2004）?？屯羾姴サ脑O(shè)計(jì)和施工方法相對(duì)較為成熟（蔣鵬飛等，2011），防護(hù)效果的研究報(bào)道多集中于邊坡交工后1—4年的試驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果（Cao et al.，2018；張霄等，2017；喻永祥等，2021）。由于公路邊坡的生態(tài)恢復(fù)和植物演替是一個(gè)漫長的過程，目前很少見到關(guān)于客土噴播對(duì)高速公路路塹邊坡防護(hù)效果的長期跟蹤研究報(bào)道。本文以廣東省惠河高速公路客土噴播路塹邊坡為對(duì)象，調(diào)查研究邊坡建植后18年的坡面植被生長情況，并運(yùn)用水蝕預(yù)報(bào)模型定量分析坡面植被的水土保持效果，為高速公路路塹邊坡生態(tài)防護(hù)工程設(shè)計(jì)提供參考和借鑒。

1 工程概況

研究邊坡位于廣東省高速公路 S202惠州至河源段，沿線地區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫22.4 ℃，年平均降雨量1922 mm，4—9月的降雨量達(dá)到了將近全年降雨量的85%。邊坡地層巖性主要是風(fēng)化程度不等的砂頁巖或殘積碎石土，土壤類型為赤紅壤。1號(hào)坡為4級(jí)邊坡（圖1a），每級(jí)邊坡的高度為 10 m，其中第 1級(jí)邊坡采用漿砌片石防護(hù)，第2級(jí)邊坡的防護(hù)類型為混凝土框格梁加錨桿以及客土噴播，第3、4級(jí)坡則采用客土噴播進(jìn)行坡面防護(hù)，每級(jí)邊坡間設(shè)置2 m寬的平臺(tái)。2號(hào)坡的最大坡高約為38.5 m，設(shè)計(jì)為4級(jí)邊坡（圖1b），第 1—3級(jí)邊坡采用混凝土格梁客土噴播的方式進(jìn)行防護(hù)，每級(jí)邊坡高度10 m，第4級(jí)邊坡采用客土噴播防護(hù)，高度為8.5 m。

圖1 研究邊坡的設(shè)計(jì)斷面和施工完成現(xiàn)場(chǎng)圖Fig. 1 Sectional drawing and construction site of the study cutting slope

客土噴播所用的客土為經(jīng)多種微生物群落發(fā)酵而培育出的有機(jī)型天然土，通過添加速效化肥和緩效有機(jī)肥，以增加客土中植物生長所需的氮磷鉀和有機(jī)質(zhì)，同時(shí)混合了粘結(jié)劑和保水劑，使客土能黏附在邊坡表面，為植被發(fā)育提供養(yǎng)分和水。種子的選用主要考慮地區(qū)適應(yīng)性和水土保持性能，1號(hào)坡選用狗牙根（Cynodon dactylon）、糖蜜草（Melinis minutiflora）、百喜草（Paspalum notatum）和多花木藍(lán)（Indigofera amblyantha），施工時(shí)間為2003年4月15日，2號(hào)坡選用狗牙根、大翼豆（Macroptilium lathyroides）、山毛豆（Tephrosia candida）、柱花草（Stylosanthes guianensis）和糖蜜草，噴播時(shí)間為2003年9月3日。噴播施工前先整平坡面，并鋪設(shè)用螺紋鋼筋固定的鍍鋅鐵絲網(wǎng)，客土噴播厚度視坡面情況為 6—10 cm不等，完成噴播后即覆蓋無紡布進(jìn)行早期防護(hù)（譚少華，2005）。

2 研究方法

2.1 植被調(diào)查及統(tǒng)計(jì)方法

為了調(diào)查邊坡重建后的植被恢復(fù)和生長情況，分別于2003年的8—11月，2004年的1、4、7、10月，2005年的1、5、11月和2020年的11月，對(duì)研究邊坡進(jìn)行了12次跟蹤調(diào)查，時(shí)間跨度長達(dá)18年。使用正方形樣方法進(jìn)行調(diào)查對(duì)象的抽選，在每級(jí)邊坡的4個(gè)角和中部設(shè)置2 m×2 m大樣方調(diào)查灌木情況，由于坡面喬木發(fā)育階段較為初級(jí)，故而與灌木選用相同方法調(diào)查。在每個(gè)大樣方內(nèi)設(shè)置2個(gè)1 m×1 m小樣方調(diào)查草本情況。

本研究主要以蓋度和生物量指標(biāo)對(duì)植被生長情況進(jìn)行評(píng)價(jià)，并換算成相對(duì)蓋度來表示物種對(duì)群落的貢獻(xiàn)度，其計(jì)算方法如式（1）所示，并對(duì)不同坡、不同坡級(jí)之間的植被蓋度進(jìn)行單因素方差分析。使用數(shù)碼相機(jī)對(duì)每個(gè)樣方進(jìn)行垂直拍照，將照片導(dǎo)入ImageJ軟件中分析獲得植被蓋度。使用植物圖鑒和植物識(shí)別軟件來綜合識(shí)別和記錄植物種類。在調(diào)查地上生物量時(shí)則換用0.5 m×0.5 m的樣方框，使用鐮刀和園藝剪收割樣方中植物的地上部分，帶至實(shí)驗(yàn)室烘干得到地上生物量。

式中：

Rj表示物種相對(duì)蓋度；

Cj表示物種在樣方中的覆蓋度。

2.2 水蝕預(yù)報(bào)模型基本原理

水蝕預(yù)報(bào)模型（WEPP）是由美國農(nóng)業(yè)部于1985年開發(fā)，其坡面版研發(fā)較為成熟且應(yīng)用廣泛。坡面版WEPP模型基于物理過程，使用穩(wěn)態(tài)泥沙連續(xù)方程計(jì)算輸沙量（Nearing et al.，1989），計(jì)算方法如式（2）所示：

式中：

x為坡面上一點(diǎn)沿坡面到坡底的距離，m；

G 為輸沙量，kg·s?1·m?1；

Vr為細(xì)溝侵蝕速率，kg·s?1·m?2；

Vi為細(xì)溝間侵蝕速率，kg·s?1·m?2。

Vr的計(jì)算方法如式（3）所示：

式中：

Kr為細(xì)溝土壤可蝕性，s·m?1；

τf為水流剪切應(yīng)力，Pa；

τc為土壤臨界剪切應(yīng)力，Pa；

Tr為細(xì)溝輸沙速率，kg·s?1·m?1；

β為雨滴引起的湍流系數(shù)，降雨條件下設(shè)為0.5；

vr為細(xì)溝有效泥沙下沉速率，s?1·m；

q 為單位寬度的徑流量，s?1·m2。

Vi計(jì)算方法如（4）所示：

式中：

Ki為細(xì)溝間土壤可蝕性，kg·s·m?4；

IE為有效降雨強(qiáng)度，m·s?1；

F為植被覆蓋度，0—1；

HE為有效冠層高度，m；

gi為細(xì)溝間的殘留物覆蓋度，0—1；

S為細(xì)溝間距，m；

b為細(xì)溝寬度，m。

2.3 水蝕預(yù)報(bào)模型建立

運(yùn)行模型需要輸入地形、氣候、土壤和作物管理4個(gè)文件所建立的數(shù)據(jù)庫（Flanagan et al.，2012）。氣候文件建立是以標(biāo)準(zhǔn)的CLIGEN格式，輸入了當(dāng)?shù)氐臍夂驍?shù)據(jù)。本研究中模型所應(yīng)用的主要土壤參數(shù)如表1所示，依據(jù)美國制土壤粒徑分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)劃分砂粒、粉粒和黏粒，劃分粒徑分別為0.05—2 mm、0.002—0.05 mm和<0.002 mm。參照坡面土樣調(diào)查結(jié)果和中國土壤數(shù)據(jù)庫中的相關(guān)數(shù)據(jù)，設(shè)置砂粒含量、黏粒含量、有機(jī)質(zhì)含量、碎石含量及陽離子交換量參數(shù)，WEPP模型會(huì)據(jù)此計(jì)算出粉粒含量和細(xì)溝間土壤可蝕性Ki。初始飽和度使用推薦值70%。使用人工降雨裝置，在客土噴播3 d和30 d時(shí)對(duì)坡面進(jìn)行分組沖刷試驗(yàn)，收集并稱重得到不同雨強(qiáng)下的土壤侵蝕量，參照有關(guān)研究設(shè)置初值后（余長洪等，2013），利用第1組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，按照累計(jì)誤差法對(duì)敏感土壤參數(shù)進(jìn)行率定，最終有效水力傳導(dǎo)系數(shù)KE、土壤臨界剪切力 τc和細(xì)溝土壤可蝕性 Kr分別為 20.1 mm·h?1、3 Pa 和 0.003 s·m?1。利用第 2 組試驗(yàn)數(shù)據(jù)基于Nash-Sutcliffe有效性系數(shù)（Kumar et al.，2021）對(duì)模型有效性進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果顯示模型的該系數(shù)大于0.5，即參數(shù)設(shè)定具有合理性。地形文件根據(jù)邊坡施工設(shè)計(jì)文件獲取。作物管理文件的植被參數(shù)參照WEPP自帶數(shù)據(jù)庫和相關(guān)研究（Elliot et al.，1997），并根據(jù)實(shí)際觀測(cè)的植被生長情況進(jìn)行修正，以得出符合本項(xiàng)目特征的徑流和土壤流失預(yù)測(cè)，主要參數(shù)設(shè)置如表2所示，其中客土噴播第1年沒有經(jīng)歷完整的自然年，因而進(jìn)行單獨(dú)設(shè)置。

表1 WEPP所用的主要土壤參數(shù)Table 1 Major soil inputs for WEPP applications

表2 WEPP所用的主要作物管理參數(shù)Table 2 Major management inputs for WEPP applications

3 結(jié)果與分析

3.1 植被蓋度及生物量變化

對(duì)研究邊坡建植前3年和第18年的植被蓋度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。從圖2a可以看出，在客土噴播邊坡建植的第1年，便可實(shí)現(xiàn)較高的植被覆蓋度。1號(hào)邊坡在4月15日進(jìn)行客土噴播后植被蓋度迅速增加，4個(gè)月后蓋度達(dá)到73%，在10月達(dá)到峰值蓋度88%；2號(hào)邊坡在9月3日進(jìn)行了客土噴播后，在11月初達(dá)到了該年的峰值蓋度48%，隨后蓋度出現(xiàn)下降。1、2號(hào)邊坡在第2年的10月達(dá)到的峰值蓋度分別為 96%和 88%，較第 1年的峰值蓋度分別提高了8%和40%，基本實(shí)現(xiàn)植被對(duì)坡面的全覆蓋。第3年的11月，1、2號(hào)坡的植被蓋度較去年變化不大，分別為95%和88%，但全年植被蓋度的變化幅度為9%和16%，小于第2年24%和44%的變化幅度。第18年11月植被蓋度較第3年變化不大，客土噴播邊坡的植被生長情況顯示出良好的長期效果。圖3為不同坡級(jí)的植被蓋度對(duì)比，對(duì)不同坡、不同坡級(jí)之間的植被蓋度進(jìn)行單因素方差分析后可以得出，兩個(gè)邊坡的不同坡級(jí)之間的植被蓋度不存在顯著性差異（P>0.05），而1號(hào)坡和2號(hào)坡之間的植被蓋度則存在顯著的差異（P<0.01）。

圖2 植被蓋度和地上生物量變化Fig. 2 Variations in vegetation coverage and aboveground biomass

圖3 不同坡級(jí)的植被蓋度對(duì)比Fig. 3 Comparison of vegetation coverage between different slope grades

由圖 2b可知，地上生物量的年內(nèi)變化規(guī)律顯著，年際變化為逐年增加。在邊坡建植的第1年的10月左右，兩個(gè)邊坡分別達(dá)到了該年的峰值生物量0.33 kg·m?2和 0.27 kg·m?2。隨后植被進(jìn)入衰退期，到1月份分別減少了39.7%和15.9%的生物量，1號(hào)坡在經(jīng)歷第2個(gè)冬天時(shí)，減少了38.7%的生物量，與第1年相似，而2號(hào)坡則減少了34.9%的生物量，遠(yuǎn)高于第1年越冬時(shí)的生物量減少率。

3.2 群落物種組成變化

跟蹤調(diào)查期間，群落的物種組成發(fā)生了顯著變化（圖4）。建植第1年出現(xiàn)在樣方的物種數(shù)量有10種，其中非初始噴播的鄉(xiāng)土植物有3種，此時(shí)1號(hào)坡的主要優(yōu)勢(shì)種為狗牙根和百喜草，在8月時(shí)占據(jù)了90%以上的相對(duì)蓋度，到9月時(shí)，坡面開始出現(xiàn)了鄉(xiāng)土植物勝紅薊（Ageratum conyzoides）。2號(hào)坡的優(yōu)勢(shì)種為狗牙根和糖蜜草，在10、11月出現(xiàn)了極少量的鄉(xiāng)土植物勝紅薊、芒萁（Dicranopteris dichotoma）和蟋蟀草（Eleusine indica）。到第2年時(shí)鄉(xiāng)土植物的數(shù)量增長到了5種，1號(hào)坡在7、10月新生長出旗草（Brachiaria brizantha）和葫蘆茶（Tadehagi triquetrum），2號(hào)坡只發(fā)現(xiàn)勝紅薊一種鄉(xiāng)土植物。從第2年7月開始，初始噴播物種的相對(duì)蓋度開始逐漸降低，鄉(xiāng)土植被在群落中的相對(duì)蓋度則逐步上升。

圖4 相對(duì)物種蓋度變化Fig. 4 Variations in relative species coverage

在第 18年的坡面植被調(diào)查中，樣方范圍內(nèi)共發(fā)現(xiàn)20種植物，兩個(gè)邊坡均未發(fā)現(xiàn)初始噴播物種。將此次調(diào)查發(fā)現(xiàn)的相對(duì)物種蓋度繪制如圖5所示。由圖5可知，經(jīng)過長期植被恢復(fù)后，客土噴播邊坡的植被組成仍以草本植物為主，但灌木和喬木對(duì)整體蓋度貢獻(xiàn)也達(dá)到了31.5%和24.8%的較高水平。其中 1號(hào)坡的優(yōu)勢(shì)種為芒萁、芒（Miscanthus sinensis）等植物，其相對(duì)蓋度分別為29.7%和12.1%（圖5a），2號(hào)坡的優(yōu)勢(shì)種為芒萁、旗草、芒等植物，其相對(duì)蓋度分別為24.8%、15.8%和14.3%（圖5b）。在整體上，植被長勢(shì)良好，綠色鮮活植物比例較高（圖 6）。草本植物在數(shù)量上占據(jù)優(yōu)勢(shì)，生長比較充分，呈明顯分物種聚集特征，灌木植物數(shù)量則顯著低于草本植物，坡面未發(fā)現(xiàn)發(fā)育出粗壯主干的喬木。

圖5 第18年11月的相對(duì)物種蓋度Fig. 5 Relative species coverage in November of the 18th year

圖6 第18年11月的典型植物圖像和名稱Fig. 6 Images and names of the typical plants in November of the 18th year

3.3 基于水蝕預(yù)報(bào)模型的客土噴播護(hù)坡效益分析

為定量評(píng)估客土噴播邊坡的水土保持效益，使用WEPP模型計(jì)算了從客土噴播后的第1天開始，對(duì)應(yīng)第1周年、第2周年和第18年的徑流量和土壤流失量，并與裸露邊坡的模擬值進(jìn)行對(duì)比。如圖7所示，無論在客土噴播后的早期還是第18年，植被對(duì)土壤流失的減少均顯著有效。1號(hào)坡和2號(hào)坡在第 1周年的土壤流失減少率達(dá)到了 68.6%和91.4%，減流率則為31.2%和63.7%，2號(hào)坡在建坡第1周年便已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了較為理想的水土保持效益。到第2周年，研究邊坡均實(shí)現(xiàn)了90%以上的土壤流失減少率，分別為 97.1%和 96.9%，與潘聲旺等（2013）在成渝高速的試驗(yàn)結(jié)果相似。在第2周年的6月，2號(hào)坡遭遇了2天降水量接近500 mm大暴雨事件，但這兩天的土壤流失減少率仍有93.5%?；赪EPP模型模擬了2004—2020年期間的土壤流失情況，由圖8可知，坡面年土壤流失量隨降雨量的變化較明顯，在植被恢復(fù)期間，該地區(qū)的年降雨量在1186—2806 mm區(qū)間變化，而對(duì)應(yīng)的年平均土壤流失量分別在 0.31—8.16 kg·m?2和 0.19—7.07 kg·m?2。在調(diào)查末期，土壤流失量減少率維持在與第 2周年相近的水平，減少率分別為 96.7%和96.3%，說明客土噴播植被能夠?qū)崿F(xiàn)理想的長期減沙效果?？傮w而言，植被對(duì)土壤流失的控制相當(dāng)理想，但對(duì)于坡面徑流的控制比較有限，需輔助排水溝等工程措施（Xu et al.，2006）。

圖7 客土噴播坡面與裸坡的土壤流失和徑流對(duì)比Fig. 7 Comparison of soil loss and runoff on external-soil spray seeding slope and bare slope

圖8 坡面土壤流失量與降雨量的年際變化Fig. 8 Inter-monthly variations of soil loss on slope and rainfall

4 討論

對(duì)比兩個(gè)坡建植前3年和第18年的蓋度調(diào)查數(shù)據(jù)可以看出，客土噴播能為路塹邊坡恢復(fù)早期提供充足的種子支持，狗牙根等先鋒植物能夠快速生長綠化坡面，但是這些初始噴播物種在群落中的優(yōu)勢(shì)主要在前2年左右，往后鄉(xiāng)土植物便開始逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位，這與廢棄礦區(qū)進(jìn)行水力播種后的演替規(guī)律類似（Martínez-Ruiz et al.，2007）。盡管兩個(gè)邊坡的初始噴播物種存在較大差異，在第 18年的調(diào)查中，1、2號(hào)坡的群落基本演替成鄉(xiāng)土植物，且兩者的優(yōu)勢(shì)物種和群落組成相似性較高，說明初始噴播物種的選擇可能對(duì)群落的長期演替影響較小，以往研究也指出，植被的恢復(fù)演替主要受土壤質(zhì)地、土壤侵蝕和氣候條件驅(qū)動(dòng)（Vidal-Macua et al.，2020）。故而在客土噴播種子的選擇上，以往主要考慮早期快速恢復(fù)的做法是可行的，盡管這些物種存在時(shí)間可能較短，但在改善建植早期的坡面侵蝕上是有效的，這意味著邊坡建植早期更少的土壤侵蝕、更安全的邊坡以及更多的種子和養(yǎng)分得以保留，并且對(duì)土壤質(zhì)地的改善也為后續(xù)鄉(xiāng)土植物的定植提供更好的立地條件（Huang et al.，2017）。因?yàn)槁懵锻恋氐闹脖谎萏嬉?guī)律往往是不定向的（Munroe et al.，2013），在客土噴播路塹邊坡這種特殊生長環(huán)境下，提前引入本地物種加速坡面演替進(jìn)程的效果難以預(yù)見反而增加施工成本。

1號(hào)坡和2號(hào)坡在進(jìn)行客土噴播后，蓋度和生物量增長出現(xiàn)明顯差異。導(dǎo)致噴播第1年蓋度差異的一個(gè)主要原因是噴播月份的不同，1號(hào)坡植被在4月噴播后經(jīng)歷了6個(gè)月的植被生長期，而2號(hào)坡植被僅生長了2個(gè)月后便進(jìn)入冬季衰減期。覆土厚度會(huì)對(duì)公路邊坡植被恢復(fù)效果產(chǎn)生重要影響（劉濤等，2021），在建坡第2年時(shí)2號(hào)坡出現(xiàn)了一定裸露巖石，部分坡面區(qū)域風(fēng)化程度較低，更低的粗糙度使更多客土流失，巖石區(qū)域植被的缺失導(dǎo)致整體植被蓋度的下降。坡度是影響植被恢復(fù)的重要因素，當(dāng)坡度大于 50°時(shí)土壤水分會(huì)有明顯下降（王忠偉等，2018），但坡度為53°的2號(hào)坡的1、2級(jí)坡植被蓋度并未與其他坡級(jí)具有顯著差異，可能是該地區(qū)豐沛的降雨量能夠滿足植被生長需要。通常，植被蓋度在高于80%時(shí)便可實(shí)現(xiàn)較為理想的水土保持效果（Chen et al.，2019），盡管2號(hào)坡的植被蓋度在第二年后一定程度低于1號(hào)坡，但植被的土壤流失控制效果仍然是十分理想的。

5 結(jié)論

通過對(duì)高速公路路塹邊坡客土噴播防護(hù)長期效果的跟蹤調(diào)查，并利用WEPP模型分析預(yù)測(cè)邊坡坡面侵蝕變化，得出以下主要結(jié)論：

（1）在客土噴播初期，噴播物種中的狗牙根等先鋒植被，能夠在早期快速覆蓋坡面，3個(gè)月實(shí)現(xiàn)48%—61%的整體植被覆蓋率，建植初期的成坪速度受噴播季節(jié)和草種類型的影響。長期植被覆蓋率保持在84%—96%左右，高速公路路塹邊坡客土噴播的植被恢復(fù)速度和持續(xù)效果良好。

（2）坡面植物在經(jīng)過18年的演替后，群落的物種組成發(fā)生顯著變化，最初噴播植物已基本被其他鄉(xiāng)土植物物種替代，形成了以芒萁等草本植物為優(yōu)勢(shì)種的新群落，灌木植物和喬木植物蓋度提升，在群落中的相對(duì)蓋度到31.5%和24.8%的較高水平。

（3）客土噴播形成的邊坡植被對(duì)坡面土壤流失的控制效果顯著，第1周年就實(shí)現(xiàn)了68.6%和91.4%的土壤流失減少率，長期年土壤流失減少率高于96%。