一種新型坡面穴植結(jié)構(gòu)保水及抗旱試驗(yàn)研究

王 倜，陳 兵，王新軍，李云鵬

（交通運(yùn)輸部科學(xué)研究院，北京 100029）

0 引言

公路建設(shè)、礦山開挖等工程建設(shè)往往不可避免地形成大量裸露邊坡，這些坡面如果得不到及時(shí)有效的防護(hù)或恢復(fù)，可能存在水土流失、坡面滑塌等隱患，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)绊懮鷳B(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定和司乘人員的生命安全[1-2]。目前，裸露邊坡植被恢復(fù)技術(shù)措施主要有客土噴播技術(shù)、植被混凝土防護(hù)技術(shù)、三維植被網(wǎng)噴播技術(shù)、飄臺(tái)法、植生袋法、厚層基材噴播技術(shù)、爆破燕窩生態(tài)重建技術(shù)、打孔綠化、藤本護(hù)坡等[3]。其中，噴播技術(shù)、三維植被網(wǎng)技術(shù)、藤本垂直護(hù)坡技術(shù)等常見邊坡植被恢復(fù)技術(shù)因能配合工程防護(hù)實(shí)施，在兼顧安全、穩(wěn)定性的同時(shí)使坡面得到一定程度的植被恢復(fù)，已在工程中得到了廣泛應(yīng)用。不過，部分工程建設(shè)形成的高陡邊坡、巖質(zhì)邊坡等劣質(zhì)坡面，因其特有的坡度和坡面結(jié)構(gòu)等，導(dǎo)致天然土壤基質(zhì)缺乏，人工基質(zhì)也難以附著，使得坡面人工植被無法持續(xù)獲取生長所需水分和養(yǎng)分，植被大多會(huì)在后期退化消失。對于這種情況，上述植被恢復(fù)技術(shù)應(yīng)用均受到一定限制，綠化恢復(fù)問題尚未得到有效解決[4-5]，同時(shí)后期養(yǎng)護(hù)成本高更進(jìn)一步增加了坡面植被恢復(fù)難度。為此，有必要研發(fā)一種節(jié)水抗旱、經(jīng)濟(jì)高效的劣質(zhì)坡面植被恢復(fù)技術(shù)，以解決植被持續(xù)生長的問題，有效改善坡面植被恢復(fù)效果。

打穴（鉆孔）植苗技術(shù)（以下簡稱“穴植技術(shù)”）是一種較為成熟的坡面植被恢復(fù)技術(shù)，主要通過在坡面開鑿的穴孔內(nèi)放置育苗營養(yǎng)缽的方式進(jìn)行植被恢復(fù)。已有研究表明，穴植技術(shù)對于土質(zhì)坡面有較好的植被恢復(fù)效果，在高陡和石質(zhì)坡面的試驗(yàn)應(yīng)用也取得了初步成果，因此該技術(shù)在改善部分劣質(zhì)坡面植被恢復(fù)效果和解決坡面灌木持續(xù)生長問題方面具有一定作用[6-11]。穴植營養(yǎng)缽結(jié)構(gòu)（以下簡稱“穴植結(jié)構(gòu)”）為穴植技術(shù)最重要的組成部分，主要為植被生長提供長期穩(wěn)定的土壤環(huán)境。長期以來，國內(nèi)外對于穴植結(jié)構(gòu)的研究較少，主要集中在結(jié)構(gòu)外殼材料的改進(jìn)上，例如采用可降解環(huán)保材料和生物材料取代傳統(tǒng)的塑料外殼，試驗(yàn)觀測對改良土壤和提高植被成活率有一定效果[12-13]；日本的山寺喜成研發(fā)了以硬質(zhì)土塊作為外殼材料的保育塊技術(shù)，能促進(jìn)植物主根生長，對提高移栽成活率有利[14-15]。截至目前，雖然現(xiàn)有成果對提高綠化植被成活率有一定作用，但在結(jié)構(gòu)和基質(zhì)組成、保水保墑功能等方面仍缺少深入探索，現(xiàn)有的穴植結(jié)構(gòu)并不能有效解決坡面植被生長的水分制約這一關(guān)鍵問題[5]，穴植技術(shù)目前還無法成為解決干旱半干旱地區(qū)邊坡、高陡和石質(zhì)等劣質(zhì)邊坡植被恢復(fù)難題的較佳技術(shù)方案。

綜上所述，穴植結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)研究的缺失直接影響了穴植技術(shù)的改進(jìn)升級，使其無法有效發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢，應(yīng)用推廣也受到明顯的限制，因此暫時(shí)無法用于解決劣質(zhì)坡面植被恢復(fù)難題。為解決坡面水分制約關(guān)鍵問題，顯著提升坡面植被恢復(fù)效果，本文將通過模擬自然土層結(jié)構(gòu)研發(fā)一種新型穴植結(jié)構(gòu)模型，相較于傳統(tǒng)穴植單層土壤結(jié)構(gòu)，增加砂礫層、碎石層和外接儲(chǔ)水罐結(jié)構(gòu)。然后，針對該新型結(jié)構(gòu)模型的透水性、保水性和植被極限存活時(shí)間等性能指標(biāo)開展室內(nèi)和室外對比試驗(yàn)研究，以驗(yàn)證結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)的合理性及相較于傳統(tǒng)單層穴植結(jié)構(gòu)在保水抗旱功能方面是否具有明顯的優(yōu)勢，以期為傳統(tǒng)穴植技術(shù)的優(yōu)化升級、新技術(shù)的推廣應(yīng)用提供理論和技術(shù)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于陜西省咸陽市。咸陽市位于陜西省關(guān)中平原，西安市西北部，屬于暖溫帶半濕潤-半干旱季風(fēng)氣候，年平均降水量約為500mm[16]。試驗(yàn)時(shí)間為2018年6月至2019年6月，包括室內(nèi)和室外兩部分試驗(yàn)。其中，2018 年6 月夏季在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行穴植復(fù)合結(jié)構(gòu)的透水及保水試驗(yàn)；2019年6月夏季在試驗(yàn)場建立室外試驗(yàn)邊坡，進(jìn)行植物極限抗旱試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 設(shè)計(jì)思路

通常，邊坡種植孔（穴）的開鑿深度約為30cm、直徑約為10cm。穴植綠化施工時(shí)，先往種植孔（穴）內(nèi)填充種植土，然后放置帶土營養(yǎng)缽苗。為提高結(jié)構(gòu)的透水性、保水性和抗旱性，本研究主要對植孔（穴）內(nèi)填充基質(zhì)的結(jié)構(gòu)和組分進(jìn)行試驗(yàn)改進(jìn)。試驗(yàn)通過模擬未經(jīng)擾動(dòng)的土壤剖面結(jié)構(gòu)（表層、亞層、風(fēng)化母層），設(shè)計(jì)了“土壤層+砂礫層+碎石層”的新型穴植結(jié)構(gòu)模型，同時(shí)為實(shí)現(xiàn)長期供水，還在模型底部增加了頂部開孔的儲(chǔ)水罐結(jié)構(gòu)。整個(gè)結(jié)構(gòu)模型一體化設(shè)計(jì)，可提前預(yù)制并實(shí)現(xiàn)坡面快速裝填。

1.2.2 試驗(yàn)材料及規(guī)格

（1）模型尺寸及外殼設(shè)計(jì)

穴植結(jié)構(gòu)模型均采用長20cm、內(nèi)徑10cm 的透明硬質(zhì)塑料筒，筒上刻度達(dá)毫米級。透明塑料有利于觀察和記錄結(jié)構(gòu)模型內(nèi)部情況，刻度用于多種厚度組合基質(zhì)的對比計(jì)量。塑料筒上部開口用以添加試驗(yàn)用基質(zhì)材料和種植植物；底部封閉，其上均勻開9個(gè)小孔（孔徑為5mm），并與儲(chǔ)水罐連接且通過小孔互通。儲(chǔ)水罐采用相同材質(zhì)與內(nèi)徑尺寸的透明硬質(zhì)塑料筒，高度為8cm 且?guī)Ш撩准壘瓤潭龋瑸榘朊荛]罐體構(gòu)造，透明塑料和刻度有利于準(zhǔn)確觀察和記錄試驗(yàn)中儲(chǔ)水罐水量變化情況。儲(chǔ)水罐頂部同樣均勻開9個(gè)透水小孔，可與上部試驗(yàn)結(jié)構(gòu)模型連接，固定后透水小孔互通。

（2）內(nèi)部填充基質(zhì)設(shè)計(jì)

穴植結(jié)構(gòu)模型組成從下到上分別為碎石層、砂礫層及土壤層。碎石層試驗(yàn)用石子的粒徑范圍為10～20mm，砂礫層試驗(yàn)用砂礫的粒徑范圍為3～5mm，土壤層組分為綠化種植土。根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，用不同厚度的基質(zhì)材料裝填。

（3）植物材料設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)用的紫穗槐（Amorpha Fruticosa）統(tǒng)一采用株高為40cm、冠幅為30cm 的幼苗，以盡量減小試驗(yàn)誤差。

1.2.3 試驗(yàn)方法

（1）室內(nèi)試驗(yàn)

在干旱和半干旱地區(qū)，由于水分是穴植（栽）結(jié)構(gòu)內(nèi)植物存活的關(guān)鍵因子，因此穴植結(jié)構(gòu)模型在充分有效利用水分、減緩水分蒸發(fā)方面是否具有突出優(yōu)勢需要通過試驗(yàn)驗(yàn)證。為此，在2018 年6 月設(shè)計(jì)了穴植結(jié)構(gòu)模型的透水性和保水性室內(nèi)對比試驗(yàn)，包括3 種“土壤層+砂礫層+碎石層”不同基質(zhì)厚度組合的結(jié)構(gòu)模型，以及1 種單層土壤結(jié)構(gòu)空白對照（Control Check,CK），每種結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行3 次重復(fù)試驗(yàn)，共計(jì)12 個(gè)試驗(yàn)樣本，試驗(yàn)情況如表1和圖1所示。

圖1 穴植結(jié)構(gòu)模型示意圖

表1 透水及保水試驗(yàn)穴植結(jié)構(gòu)模型組成 單位：cm

透水性試驗(yàn)主要驗(yàn)證結(jié)構(gòu)模型在有限的水分供應(yīng)條件下，水分的滲透性和存儲(chǔ)效率相比對照是否有明顯提高，具體方法為：記錄從結(jié)構(gòu)模型表面持續(xù)緩慢灌水，水分滲透通過20 cm 厚度的結(jié)構(gòu)層后，最終到達(dá)儲(chǔ)水罐的整個(gè)過程所用時(shí)間。通常，所用時(shí)間越短，說明結(jié)構(gòu)模型的透水性越好，能夠在短時(shí)間內(nèi)將水分最大化存儲(chǔ)并供長期利用。

保水試驗(yàn)主要驗(yàn)證結(jié)構(gòu)模型對于減緩儲(chǔ)水罐中水分蒸發(fā)相比對照是否具有明顯優(yōu)勢，具體方法為：從6 月8 日開始將結(jié)構(gòu)模型放置在室內(nèi)自然環(huán)境下，每間隔7d 觀測記錄1 次儲(chǔ)水罐的水位，相同時(shí)間內(nèi)儲(chǔ)水罐水位降低越慢，說明結(jié)構(gòu)模型的保水性越好。試驗(yàn)記錄時(shí)間為6 月15 日至10月26日。

（2）室外試驗(yàn)

為驗(yàn)證穴植結(jié)構(gòu)模型在實(shí)際坡面綠化工程中是否具有突出的抗旱性能，在2019 年6 月進(jìn)行了室外植物極限抗旱對比試驗(yàn)，包括1 種室內(nèi)試驗(yàn)篩選出的試驗(yàn)結(jié)構(gòu)組成A 和1 種單層土壤結(jié)構(gòu)組成的空白對照B（見表2 和圖2）。將紫穗槐幼苗于兩種試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)中進(jìn)行提前培育，待植株根系生長達(dá)到結(jié)構(gòu)底部時(shí)，選擇苗木規(guī)格（株高40cm，冠幅30cm），基本一致的結(jié)構(gòu)模型作為試驗(yàn)樣本，對每種結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行9 次重復(fù)試驗(yàn)，共計(jì)18個(gè)試驗(yàn)樣本。

表2 植物極限抗旱試驗(yàn)結(jié)構(gòu)模型組成

圖2 植物極限抗旱試驗(yàn)結(jié)構(gòu)模型示意圖

在試驗(yàn)場建立了規(guī)格為5m×5m、坡率為1:1的人工試驗(yàn)土質(zhì)邊坡，分別在坡頂、坡中和坡底均勻布設(shè)6 個(gè)孔徑為12cm、深度為30cm 的種植孔，共計(jì)18 個(gè)種植孔，種植孔開孔方向與地面垂直。

試驗(yàn)開始后，將兩種試驗(yàn)結(jié)構(gòu)模型灌足水后分別填充于3 列種植孔內(nèi)，在不澆水（遮雨）條件下記錄試驗(yàn)結(jié)構(gòu)模型內(nèi)紫穗槐葉片在干旱脅迫下發(fā)生明顯外部形態(tài)變化的平均時(shí)間節(jié)點(diǎn)并進(jìn)行對比，以驗(yàn)證結(jié)構(gòu)模型的保水抗旱性能。由于植物對水分最敏感的部分是葉片和莖[17]，干旱脅迫過程中生長嚴(yán)重受抑[18]，葉片會(huì)發(fā)生失綠、變軟、枯黃、萎蔫、死亡、脫落等明顯的形態(tài)變化[19-20]，因此葉片形態(tài)是鑒定植物抗旱性的指標(biāo)之一[21]。

1.2.4 分析方法

采用SPSS 19 軟件對透水性能試驗(yàn)的時(shí)間數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析，采用Excel 2016 對保水性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)和植物極限抗旱試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 結(jié)構(gòu)模型透水試驗(yàn)

不同結(jié)構(gòu)模型的透水時(shí)間試驗(yàn)結(jié)果如圖3 所示。由該圖可見，不同結(jié)構(gòu)的透水時(shí)間存在顯著差異（P＜0.05），按透水時(shí)間由短至長排序?yàn)椋航Y(jié)構(gòu)模型2、結(jié)構(gòu)模型3、結(jié)構(gòu)模型1、結(jié)構(gòu)模型4（CK）。其中，結(jié)構(gòu)模型2 的透水時(shí)間明顯優(yōu)于其他結(jié)構(gòu)模型；結(jié)構(gòu)模型3 和結(jié)構(gòu)模型1 的透水時(shí)間無顯著差異（P>0.05）；對照結(jié)構(gòu)模型4（CK）透水時(shí)間最長；結(jié)構(gòu)模型2 相較于CK 透水速率提高了約38%。結(jié)構(gòu)中的碎石層，由于孔隙度大且不能持水，有利于水分快速向下通過，在整體結(jié)構(gòu)長度一定（20cm）的試驗(yàn)條件下，其長度是影響整體結(jié)構(gòu)透水時(shí)間長短的關(guān)鍵。另外，在試驗(yàn)現(xiàn)場觀測發(fā)現(xiàn)，對照CK 的儲(chǔ)水罐內(nèi)有土壤進(jìn)入，說明隨著水分的滲透存在土壤流失，有造成透水孔堵塞或儲(chǔ)水罐內(nèi)淤積土壤的風(fēng)險(xiǎn)，而結(jié)構(gòu)模型1、結(jié)構(gòu)模型2、結(jié)構(gòu)模型3 儲(chǔ)水罐內(nèi)未發(fā)現(xiàn)土壤進(jìn)入，說明增加砂礫層和碎石層，對于緩解結(jié)構(gòu)內(nèi)上層土壤流失具有一定作用。

圖3 不同結(jié)構(gòu)模型的透水時(shí)間

2.2 結(jié)構(gòu)模型防蒸發(fā)試驗(yàn)

不同結(jié)構(gòu)模型儲(chǔ)水罐水位隨時(shí)間降低的變化趨勢如圖4所示。由該圖可以看出，隨時(shí)間變化，4 種結(jié)構(gòu)模型的儲(chǔ)水罐內(nèi)水分因蒸發(fā)而減少的情況有較明顯的差異。相同試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)（6月8日—10 月26 日），結(jié)構(gòu)模型2 水分減少量最小，試驗(yàn)結(jié)束后水位只降低了約0.4cm，其次是結(jié)構(gòu)模型3，兩者降低高度差異不明顯。試驗(yàn)期間水分減少最多的是對照組結(jié)構(gòu)模型4，水位降低約1.3cm，與結(jié)構(gòu)模型2、結(jié)構(gòu)模型3均有較為顯著的差異?，F(xiàn)場還發(fā)現(xiàn)，對照處理土壤層的部分土壤會(huì)通過透水孔進(jìn)入儲(chǔ)水罐與水接觸并向上出現(xiàn)虹吸反滲現(xiàn)象，后期隨著水位的降低，土壤不再與水接觸，但水位仍然持續(xù)較快降低，這可能與水分持續(xù)蒸發(fā)有關(guān)。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用碎石層能夠有效防止儲(chǔ)水罐水分過快蒸發(fā)，對阻隔土壤毛細(xì)管虹吸也有一定作用，其中4cm 和6cm 厚度的碎石層結(jié)構(gòu)防蒸發(fā)效果較好。

圖4 不同穴植結(jié)構(gòu)模型儲(chǔ)水罐水位隨時(shí)間降低高度

2.3 結(jié)構(gòu)模型植物極限抗旱試驗(yàn)

基于結(jié)構(gòu)模型的透水及保水試驗(yàn)結(jié)果，優(yōu)選結(jié)構(gòu)模型2 作為植物極限抗旱試驗(yàn)的結(jié)構(gòu)模型。試驗(yàn)植物在持續(xù)干旱脅迫下，植被形態(tài)、儲(chǔ)水罐水量及土壤發(fā)生改變的重要時(shí)間節(jié)點(diǎn)見圖5。由該圖可見，兩組對比試驗(yàn)在前期表層和半層土壤干涸的時(shí)間節(jié)點(diǎn)上無明顯差異，而隨著下層土壤的逐漸干涸，時(shí)間節(jié)點(diǎn)的差異越來越顯著。如在結(jié)構(gòu)模型內(nèi)土壤全部干涸的時(shí)間節(jié)點(diǎn)上，結(jié)構(gòu)模型2 可長達(dá)91d，而對照CK 在第21 天其內(nèi)土壤已全部干涸，兩者在土壤干涸時(shí)間上差異巨大。這是由于結(jié)構(gòu)模型2 安裝了儲(chǔ)水罐，其中的水耗盡后（71d），土壤才逐漸全部干涸（91d），而對照CK 因無儲(chǔ)水罐而在第21 天左右土壤就已全部干涸。這說明植物能夠從土壤和儲(chǔ)水罐中吸收水分存活，而儲(chǔ)水罐能持續(xù)為植物供水超過2 個(gè)月。土壤干涸后，植物受干旱脅迫影響加劇，植株表征的時(shí)間節(jié)點(diǎn)差異也同樣明顯且趨勢相同。如結(jié)構(gòu)模型2 紫穗槐從受干旱脅迫起至葉片萎焉的時(shí)間約為118d，至死亡的時(shí)間約為145d，而對照組分別僅約為41d 和66d，這表明結(jié)構(gòu)模型2 紫穗槐的存活時(shí)間至少延長了2 倍。試驗(yàn)結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)模型2設(shè)計(jì)能明顯延長植物在無養(yǎng)護(hù)狀態(tài)下的存活時(shí)間，極限時(shí)間為3～4個(gè)月；3個(gè)月后植物也會(huì)受到干旱脅迫，可能會(huì)造成不可逆的傷害甚至死亡。

圖5 植物極限抗旱試驗(yàn)時(shí)間節(jié)點(diǎn)

3 討論

3.1 碎石層顯著提高結(jié)構(gòu)透水性

“土壤層+砂礫層+碎石層”的穴植結(jié)構(gòu)模型模擬了自然土層剖面結(jié)構(gòu)，對比單層土壤層結(jié)構(gòu)，能明顯提高結(jié)構(gòu)的整體透水性和保水保墑效果。研究結(jié)果表明，碎石層由于具有較大的孔隙度且不具有持水性，在結(jié)構(gòu)整體長度一定的條件下，隨著碎石層組分長度的增加可顯著提高結(jié)構(gòu)模型水分的滲透性。已有研究證明，碎石有利于土壤水分的入滲和穩(wěn)定滲透，且1～3cm 粒徑的礫石水分入滲性能最好[22-23]，這為本次試驗(yàn)研究中碎石層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了一定的科學(xué)依據(jù)，同時(shí)為進(jìn)一步優(yōu)化碎石層粒徑組成提供了借鑒。

3.2 碎石層有效抑制水分過快蒸發(fā)

目前已有研究表明碎石覆蓋可以較好地抑制土壤水分蒸發(fā)[24]。本文的試驗(yàn)結(jié)果同樣證明了結(jié)構(gòu)中的碎石層能夠有效減緩儲(chǔ)水罐中水分的蒸發(fā)速度，這是由于碎石遮擋了儲(chǔ)水罐上的透水孔。此外，碎石減少了土壤結(jié)構(gòu)中的毛細(xì)管含量，降低了根系利用土壤虹吸進(jìn)行吸水的能力，因此降低了植物對水分的消耗速度。增加碎石層結(jié)構(gòu)取代部分土壤層的做法雖然提高了結(jié)構(gòu)的保水性，且本次試驗(yàn)中未觀測到植物生長受到明顯的抑制，但是否會(huì)對結(jié)構(gòu)中植物的長期生長產(chǎn)生影響尚需進(jìn)一步試驗(yàn)觀測。

3.3 砂礫層保水保墑效果明顯

土層中的砂礫層結(jié)構(gòu)具有一定的保水保墑作用[25-27]，是穴植結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)研究的重要基礎(chǔ)參考。試驗(yàn)結(jié)果表明，砂礫層對防止結(jié)構(gòu)中土壤隨水分流失有一定的效果，這是因?yàn)樯暗[層對上層土壤起到了一定的阻擋作用，對防止土壤不斷隨水分進(jìn)入碎石層和儲(chǔ)水罐有一定作用。這種設(shè)計(jì)提高了上層土壤的持水能力，對防止結(jié)構(gòu)的保水性和儲(chǔ)水功能降低具有一定效果。

3.4 儲(chǔ)水罐保證植物長期存活

儲(chǔ)水罐能夠額外且持續(xù)為結(jié)構(gòu)中植物生長提供必需的水分，其半密封設(shè)計(jì)保證了水分的長期儲(chǔ)存，同時(shí)上面的透水孔也能滿足植物根系吸水。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，增加的儲(chǔ)水罐結(jié)構(gòu)可為植物持續(xù)供水超過2 個(gè)月，植株開始受干旱脅迫影響時(shí)間可推遲至第118d，而植物極限存活時(shí)間因此可長達(dá)145d。試驗(yàn)結(jié)果表明，增加儲(chǔ)水罐的結(jié)構(gòu)模型抗旱性能優(yōu)越，理論上能實(shí)現(xiàn)坡面植物3 個(gè)月左右無需養(yǎng)護(hù)，可抵御試驗(yàn)地區(qū)歷史記載的最長極端干旱無雨期62d[28]。研究同時(shí)認(rèn)為，即使采用結(jié)構(gòu)模型，坡面綠化植物也需在3 個(gè)月內(nèi)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)澆水，為儲(chǔ)水罐重新儲(chǔ)水，保證植物個(gè)體生長不受干旱脅迫的影響。

3.5 模型結(jié)構(gòu)可促進(jìn)根系生長

室外試驗(yàn)中，結(jié)構(gòu)模型采用整體穴植移栽到坡面的方式不損根系，因此可加速木本植物主根的生長，有利于坡面的安全穩(wěn)固。由于模型結(jié)構(gòu)的限制，植株根系側(cè)向空間有限，但具有更多向下生長的空間。試驗(yàn)中觀測發(fā)現(xiàn)紫穗槐主根生長發(fā)育相較于普通營養(yǎng)缽苗更長、更粗壯，強(qiáng)壯的主根能使木本植物在坡面生長更加穩(wěn)固且更能適應(yīng)惡劣的坡面立地條件，目前的保育塊技術(shù)的核心也是通過類似方式來加強(qiáng)植物主根生長達(dá)到固坡的目的[29-30]。在此基礎(chǔ)上，如果結(jié)構(gòu)模型的外殼材料采用可降解材料，在主根強(qiáng)壯穩(wěn)固后，隨著外殼分解須根也會(huì)迅速橫向生長，使整個(gè)植株在坡面縱向和橫向形成根系網(wǎng)穩(wěn)定坡面。根系固坡原理是在主根錨固邊坡土壤平面，以須根為主的整個(gè)根系形成復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，輔助加筋固牢土壤護(hù)坡[31-32]，使邊坡安全系數(shù)隨著植物生長而增大[33]，相關(guān)基礎(chǔ)研究為結(jié)構(gòu)模型的固坡效應(yīng)提供了理論支撐。

4 結(jié)語

本文構(gòu)建的“土壤層+砂礫層+碎石層”及外接儲(chǔ)水罐的穴植結(jié)構(gòu)模型，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)構(gòu)合理，抗旱保水保墑性能較好，能極大地延長坡面穴植植物存活時(shí)間。該結(jié)構(gòu)模型的土壤層、砂礫層和碎石層組合基于自然土層結(jié)構(gòu)，同時(shí)參考了當(dāng)前相關(guān)研究成果，經(jīng)驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的透水和保水效果明顯，能夠達(dá)到迅速透水和儲(chǔ)水并防止儲(chǔ)水罐內(nèi)水分過快蒸發(fā)和消耗的效果。利用穴植結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行的植物極限抗旱試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，紫穗槐存活時(shí)間長達(dá)145d，能夠有效降低坡面綠化養(yǎng)護(hù)的頻率和成本。因此，本文研究設(shè)計(jì)的新型穴植結(jié)構(gòu)模型對于突破當(dāng)前穴植技術(shù)面臨的環(huán)境水分限制、提高坡面穴植植物的存活率具有重要參考意義。如將研究結(jié)果進(jìn)一步優(yōu)化后進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化，將具有較好的應(yīng)用推廣前景，尤其在干旱半干旱地區(qū)，以及有低養(yǎng)護(hù)需求的劣質(zhì)坡面綠化工程。

由于試驗(yàn)條件限制，研究中關(guān)于“土壤層+砂礫層+碎石層”不同組分長度的對比試驗(yàn)設(shè)計(jì)，試驗(yàn)樣本量仍顯不足，因此試驗(yàn)篩選出的優(yōu)選結(jié)構(gòu)模型還需進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證，研究結(jié)果可能并不適用于所有氣候類型的地區(qū)，如對于水分條件充足的地區(qū)，該模型可能需要適當(dāng)調(diào)整，為此建議通過試驗(yàn)因地制宜地調(diào)整組分。另外，研究尚未摸清結(jié)構(gòu)模型中各組分比例長度在不同環(huán)境條件下的調(diào)整原則和機(jī)制，這也是下一步研究的重點(diǎn)內(nèi)容。此外，對外殼材料及其對植物生長的影響規(guī)律研究、配套鉆孔機(jī)械研發(fā)、規(guī)模化加工預(yù)制等，也將是后續(xù)關(guān)注的方向。