陜南千枚巖地區(qū)護(hù)坡基材優(yōu)化及抗侵蝕性能

李衛(wèi)紅 周秀武 郭向兵 李海潮 劉洋 宋宗昌

摘要：為了進(jìn)一步探究適宜于陜南千枚巖地區(qū)的邊坡生態(tài)防護(hù)基材，以陜南當(dāng)?shù)貜U棄的千枚巖碎石為主要基材，添加秸稈、硅酸鹽水泥、有機(jī)肥、草炭土和保水劑，組成護(hù)坡基材。設(shè)計正交試驗，選取陜南地區(qū)的鄉(xiāng)土草本植物高羊茅作為試驗草種進(jìn)行盆栽種植。運用綜合評分法和極差分析法分析護(hù)坡基材的最佳配比和各因素對高羊茅生長影響的重要性程度，最后用室內(nèi)模擬降雨侵蝕試驗來驗證基材的強(qiáng)度。結(jié)果表明，在陜南地區(qū)，適合高羊茅生長的最優(yōu)基材配比為秸稈含量4%、水泥含量4%、有機(jī)肥含量5%、草炭土含量8%、保水劑含量0.25%。根據(jù)極差結(jié)果分析可知，各因素對高羊茅生長因素的影響從大到小依次為水泥、秸稈、草炭土、保水劑、有機(jī)肥。室內(nèi)模擬降雨侵蝕試驗表明，本研究的護(hù)坡基材具有較好的抗侵蝕能力，實用性較強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：千枚巖；護(hù)坡基材；正交試驗；抗侵蝕；性能；陜南

中圖分類號：U213.1? ???????文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：0439-8114（2024）05-0201-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2024.05.035??????????? 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Optimization of slope protection substrate and anti erosion performance in the phyllite area of Southern Shaanxi

LI Wei-hong1，ZHOU Xiu-wu2，GUO Xiang-bing1，LI Hai-chao1，LIU Yang2，SONG Zong-chang2

（1.Shanxi Lixi Expressway Co.， Ltd.，Lvliang? 033400， Shanxi，China； 2.Highway College， Changan University， Xian? 710064，China）

Abstract： In order to further explore the suitable slope ecological protection substrate for the Southern Shaanxi phyllite area， the abandoned phyllite gravel in Southern Shaanxi was used as the main substrate， and straw， cement， organic fertilizer， peat soil， and water retaining agent were added to form the slope protection substrate. An orthogonal experiment was designed and the local herbaceous plant tall fescue from Southern Shaanxi was selected as the experimental grass species for potted planting.Using comprehensive scoring method and range analysis method to analyze the optimal ratio of slope protection substrate and the importance of various factors on the growth of tall fescue， and finally indoor simulated rainfall erosion test was used to verify the strength of the substrate. The results showed that in the Southern Shaanxi region， the optimal substrate ratio suitable for the growth of tall fescue was 4% straw content， 4% cement content， 5% organic fertilizer content， 8% peat soil content， and 0.25% water retaining agent content. According to the analysis of range results， it could be concluded that the factors affecting the growth of tall fescue were cement， straw， peat soil， water retaining agent， and organic fertilizer in descending order. The indoor simulated rainfall erosion test showed that the slope protection substrate in this study had good erosion resistance and strong practicality.

Key words： phyllite； slope protection substrate； orthogonal experiment； anti erosion； performance； Southern Shaanxi

收稿日期：2022-07-14

作者簡介：李衛(wèi)紅（1979-），男，山西臨汾人，高級工程師，主要從事公路工程技術(shù)研究，（電話）18603573907（電子信箱）626138963@qq.com；

通信作者，周秀武（1994-），男，河南南陽人，在讀碩士研究生，研究方向為地質(zhì)災(zāi)害防治，（電話）17796849584（電子信箱）

1063235476@qq.com。

李衛(wèi)紅，周秀武，郭向兵，等. 陜南千枚巖地區(qū)護(hù)坡基材優(yōu)化及抗侵蝕性能［J］. 湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2024，63（5）：201-206．

近年來，陜南地區(qū)公路建設(shè)發(fā)展迅速，由此出現(xiàn)了大量石質(zhì)路塹邊坡。邊坡綠化對邊坡的穩(wěn)定和環(huán)境的協(xié)調(diào)至關(guān)重要，特別是在千枚巖等特殊巖石地區(qū)，尋求合理有效的護(hù)坡技術(shù)已成為該類地區(qū)公路建設(shè)的當(dāng)務(wù)之急。

地質(zhì)災(zāi)害防治部門對滑坡進(jìn)行防治時越來越重視與當(dāng)?shù)丨h(huán)境的協(xié)調(diào)，比較經(jīng)濟(jì)環(huán)保的護(hù)坡方式是生態(tài)護(hù)坡［1］。目前主要生態(tài)護(hù)坡手段有植生袋、綠化網(wǎng)、片石骨架植草、植生混凝土等技術(shù)。國內(nèi)外學(xué)者相繼對經(jīng)濟(jì)實用的護(hù)坡技術(shù)進(jìn)行了研究和探索，在云南地區(qū)，張富有等［2］用泥炭、水泥、土壤改良劑等組成護(hù)坡基材對狗牙根的生長特征進(jìn)行了研究，植被覆蓋率提高了20%。針對較陡的巖質(zhì)邊坡，Aocun等［3］提出了裝配式和現(xiàn)澆巖質(zhì)邊坡2種組合式生態(tài)護(hù)坡技術(shù)，這2種技術(shù)可以將邊坡與自然空氣隔離，避免降雨對邊坡的危害，該護(hù)坡技術(shù)還具有吸收道路噪聲和凈化空氣的作用。針對較松散的土壤類型，Lou等［4］利用納米蒙脫土改性粉煤灰生態(tài)材料，研發(fā)了更加密實且有利于植物生長的生態(tài)坡防護(hù)材料。在高寒地區(qū)，Ma等 ［5］提出一種可以導(dǎo)電和加熱的生態(tài)基材，發(fā)現(xiàn)合適的配合比可以實現(xiàn)基材保溫效果，保護(hù)寒區(qū)植物不受凍害。針對沙土地區(qū)，劉大翔等［6］以蘋果樹枝生物炭為對象，探究了植被混凝土中不同炭土質(zhì)量比對狗牙根生長的影響，并找出比較適合的生物炭含量。為進(jìn)一步提高沙土地區(qū)邊坡的穩(wěn)定性，利用垃圾焚燒的飛灰提高護(hù)坡基材的強(qiáng)度，萬娟等［7］將垃圾焚燒的飛灰摻入護(hù)坡基材中，這種措施不僅促進(jìn)了植物生長，還增強(qiáng)了邊坡的穩(wěn)定性。周翠英等［8］引入生態(tài)脂類材料納米水性黏合劑，通過測試與分析，得出該黏合劑有著較佳的固土作用，有助于邊坡的長效生態(tài)防護(hù)。在堤防工程中，黃哲等［9］提出了鏤空駝峰型生態(tài)護(hù)坡技術(shù)，研究證明鏤空駝峰穩(wěn)固邊坡具有較好的效果。王曉春等［10］對沙土岸坡的植被護(hù)坡問題進(jìn)行了分析，將土工織物與植草結(jié)合起來，形成加筋生態(tài)護(hù)坡，在增強(qiáng)護(hù)坡強(qiáng)度的同時，保障了工程的生態(tài)性。以上護(hù)坡技術(shù)針對不同地區(qū)和不同巖土類型提出了適合的護(hù)坡技術(shù)，可為本研究提供參考和借鑒，但是陜南地區(qū)護(hù)坡基材的研究還很少。

陜南地區(qū)分布了大量的千枚巖，千枚巖遇水易軟化，工程性質(zhì)差，但千枚巖蘊含豐富鉀元素，全鉀含量達(dá)23.7 g/kg，可滿足植物生長的基本要求。因此，本研究以廢棄的千枚巖為主要材料，通過試驗提出一種適合陜南千枚巖地區(qū)的護(hù)坡基材，在提高邊坡強(qiáng)度的同時利用好廢棄的千枚巖，達(dá)到經(jīng)濟(jì)、綠色、實用的效果，為陜南千枚巖地區(qū)的邊坡生態(tài)防護(hù)提供參考。

1 試驗設(shè)計

1.1 試驗?zāi)康?/p>

經(jīng)過實地考察和查閱文獻(xiàn)，選取對護(hù)坡基材影響比較大的5個因素來進(jìn)行基材配比研究，分析出各影響因素的強(qiáng)弱關(guān)系并確定一種適合陜南地區(qū)的生態(tài)護(hù)坡基材。

1.2 試驗材料

本著就地取材、經(jīng)濟(jì)的原則，該試驗選取廢棄的千枚巖碎石、水稻秸稈、42.5#普通硅酸鹽水泥、雞糞有機(jī)肥、酸性草炭土、100目高分子吸水性樹脂作為基材，選取鄉(xiāng)土植物高羊茅作為試驗草種進(jìn)行盆栽種植。材料的基本性質(zhì)如表1所示。

1.3 正交試驗設(shè)計

以秸稈、水泥、有機(jī)肥、草炭土、保水劑的含量為試驗因素，采用正交試驗法，其因素和水平如表2所示。利用SPSS軟件進(jìn)行正交試驗分組［11］，分為25組（表3），千枚巖碎石作為對照組，共26組。

1.4 盆栽試驗

根據(jù)表3的設(shè)計稱取相應(yīng)質(zhì)量的原材料于攪拌盆中，每次混合基材的總質(zhì)量為 5 kg。每個花盆底內(nèi)部放置1張濾紙，將攪拌好的混合基材倒入花盆中，高羊茅種子200粒均勻撒入盆中，并用基材覆蓋，厚度約2 cm，播種后定期澆水。為了能夠有效記錄高羊茅的生長情況，將花盆進(jìn)行編號，如圖1所示。種植初期，每天觀察高羊茅的出苗情況并進(jìn)行記錄，每2周對高羊茅株高進(jìn)行測量。

2 結(jié)果與分析

2.1 各因素對高羊茅種子出苗率的影響

將發(fā)芽開始的第1天作為起始日，直到發(fā)芽數(shù)穩(wěn)定，分析各因素與高羊茅出苗率的關(guān)系。在分析時，5個水平組取出苗率、株高、pH等指標(biāo)的平均值。

2.1.1 不同秸稈含量對高羊茅出苗率的影響 由圖2可知，不同秸稈含量處理的高羊茅出苗率均高于對照組（55.0%）。隨著秸稈含量的增加，高羊茅出苗率呈先增大后減小的趨勢。在秸稈含量為4%時，出苗率達(dá)到最大值，為79.2%。導(dǎo)致該現(xiàn)象的主要原因是隨著秸稈含量的增加，基材的孔隙度增大，加快了植物根系的呼吸，有助于防止壞根的產(chǎn)生。同時，秸稈可以釋放有機(jī)質(zhì)，為植物的生長提供必要的養(yǎng)分。此外，秸稈的添加還可以增加基材的毛管孔隙度，促進(jìn)水分的儲存，有利于植物根毛的生長。然而，當(dāng)秸稈含量過多時，基材會過于疏松，難以形成適合植物生長的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，這會導(dǎo)致高羊茅容易傾倒，并且使護(hù)坡基材中的水分和養(yǎng)分流失，對高羊茅的生長不利。

1～5分別為水平組1至水平組5，圖3至圖6同

2.1.2 不同水泥含量對高羊茅出苗率的影響 由圖3可知，隨著水泥含量的不斷增大，高羊茅的出苗率逐漸減小。水泥含量為4%時，出苗率為82.3%，而當(dāng)水泥含量為12%時，出苗率減少至54.5%，低于對照組。導(dǎo)致該現(xiàn)象的主要原因是水泥為堿性，當(dāng)水泥含量過高時，基材的堿性增大，植物的生長環(huán)境遭到破壞，植物生長受到抑制。同時由于水泥的加入，基材硬度增大，幼苗破土困難，導(dǎo)致出苗率較低。

2.1.3 不同草炭土、有機(jī)肥和保水劑含量對高羊茅出苗率的影響 由圖4可知，添加不同含量草炭土、有機(jī)肥和保水劑處理的出苗率均高于對照組。試驗中使用的草炭土為酸性草炭土，具有中和水泥堿性的作用，從而改善植物的生長環(huán)境，草炭土的疏松性可以增加基材的透氣性，而且草炭土含有豐富的有機(jī)質(zhì)，可為植物提供所需的營養(yǎng)物質(zhì)；保水劑具有吸收水分的能力，能夠在降雨或澆水較多時吸收水分，并在干旱時釋放水分，從而起到調(diào)節(jié)基材水分的作用。

2.2 各因素對高羊茅株高的影響

由圖5可知，草炭土含量與高羊茅的株高呈正相關(guān)關(guān)系。隨著草炭土含量的增加，高羊茅的株高也隨之增加，導(dǎo)致該現(xiàn)象的主要原因是草炭土具有酸性特性，能夠中和水泥中的堿性成分，改善植物的生長環(huán)境，草炭土還能為植物提供所需的有機(jī)質(zhì)。當(dāng)秸稈含量為1%時，株高最低，為224 mm，當(dāng)秸稈含量為4%時，株高最大，為323 mm，增加了44%；然而隨著秸稈含量繼續(xù)添加，基材難以形成植物生長所需的團(tuán)粒，株高降低至261 mm，因此應(yīng)控制秸稈的添加量。高羊茅的株高與水泥含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，隨著水泥含量的增加，植物的株高減小速率不斷增加。因此，在保證基材強(qiáng)度的前提下，應(yīng)盡量減少水泥的使用。

2.3 最優(yōu)護(hù)坡基材配比的篩選

在進(jìn)行護(hù)坡基材選取時，需要綜合考慮出苗率、株高和成本3個評價指標(biāo)。為了評估不同指標(biāo)的綜合表現(xiàn)，采用綜合評分法［12］進(jìn)行評分。其中，排隊評分法［13］可用于對指標(biāo)進(jìn)行評分，該方法將每項指標(biāo)的最優(yōu)值評為滿分（10.00分），最差值則評為最低分（1.00分）。其他值介于最差值和最優(yōu)值之間，通過插值的方式進(jìn)行評分。以出苗率為例，出苗率越高，說明護(hù)坡基材的質(zhì)量越好。處理16的出苗率達(dá)83.0%，可以將其視為最優(yōu)，賦值10.00分；而處理5的出苗率僅為42.5%，表現(xiàn)最差，因此賦值1.00分；處理25的出苗率為50.0%，通過插值法計算其分值為2.67分。綜合評分如表4所示。處理16的綜合評分最高，為25.70分，即生態(tài)護(hù)坡基材的最優(yōu)配比為秸稈含量4%、水泥含量4%、有機(jī)肥含量5%、草炭土含量8%、保水劑含量0.25%。

2.4 高羊茅生長影響因素重要性分析

對影響高羊茅生長因素的相關(guān)性［13］進(jìn)行分析時，只考慮出苗率和株高的影響，不考慮成本。由表5可知，各因素對高羊茅高羊茅生長因素的影響從大到小依次為水泥、秸稈、草炭土、保水劑、有機(jī)肥。

2.5 水泥、草炭土對基材pH的影響

由圖6可知，各試驗組護(hù)坡基材pH均高于對照組。隨著水泥含量增加，護(hù)坡基材pH明顯增加。這是因為水泥主要成分是硅酸三鈣，其水化產(chǎn)物呈堿性，釋放出氫氧根離子（OH-），從而導(dǎo)致基材的pH增大。護(hù)坡基材pH也受草炭土的影響，隨著草炭土含量增加，護(hù)坡基材pH呈下降趨勢。草炭土具有一定的酸性，能夠中和水泥中的氫氧根離子，從而降低護(hù)坡基材的堿性。保水劑、秸稈、有機(jī)肥表現(xiàn)為中性，對基材pH的影響較小。

2.6 室內(nèi)模擬降雨侵蝕

按照最優(yōu)基材配比（秸稈含量4%、水泥含量4%、有機(jī)肥含量5%、草炭土含量8%、保水劑含量0.25%）制成護(hù)坡基材，并摻入高羊茅種子，然后噴射在自制的邊坡上，噴射厚度為10 cm。如圖7、圖8所示。15 d后高羊茅基本完成出苗，45 d后高羊茅植被覆蓋率超過95%，采用不同的降雨強(qiáng)度進(jìn)行降雨侵蝕試驗，如圖9、圖10所示。侵蝕模量的計算公式如下。

Q=[mS×t]??????? ???? （1）

式中，Q為侵蝕模量，單位為g/（m2·h）；m為沖刷流失的護(hù)坡基材質(zhì)量，單位為g；S為坡面沖刷面積，單位為m2；t為沖刷時長，單位為h。

由圖11可知，隨著降雨強(qiáng)度的增加，侵蝕模量也不斷增加。隨著高羊茅覆蓋率和株高的增加，護(hù)坡基材的侵蝕模量不斷變小，主要原因是隨著株高的不斷增加，植物的莖葉阻擋了降雨，降低了降雨落下的速度，從而降低了雨滴落地的動能，減少雨水對基材的直接侵蝕。植物的根系也比較發(fā)達(dá)，起到加筋的作用。本研究的護(hù)坡基材具有良好的抗侵蝕能力，實用性較強(qiáng)。

3 小結(jié)

本研究以秸稈、水泥、有機(jī)肥、草炭土、保水劑的含量為試驗因素，采用正交試驗法，分析各因素對高羊茅生長指標(biāo)的影響并最終確定生態(tài)護(hù)坡基材的最優(yōu)配比。根據(jù)綜合評分結(jié)果，在陜南地區(qū)，適合高羊茅生長的最優(yōu)基材配比為秸稈含量4%、水泥含量4%、有機(jī)肥含量5%、草炭土含量8%、保水劑含量0.25%。根據(jù)極差分析，各因素對高羊茅生長的影響從大到小依次為水泥、秸稈、草炭土、保水劑、有機(jī)肥；草炭土含量與高羊茅的株高呈正相關(guān)關(guān)系，植物的株高與水泥含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。隨著水泥含量增加，護(hù)坡基材pH明顯增加，對植物生長帶來負(fù)面影響。草炭土具有酸性特性，可以中和基材的氫氧根離子，從而改善植物生長環(huán)境，并進(jìn)一步促進(jìn)植物生長；保水劑、秸稈、有機(jī)肥表現(xiàn)為中性，對基材pH的影響較小。室內(nèi)模擬降雨侵蝕試驗表明，本研究的護(hù)坡基材具有較好的抗侵蝕能力，因此具有良好的實用性。

本研究充分利用千枚巖富含鉀元素的特點，將廢棄的千枚巖重新利用起來，使其成為護(hù)坡植物生長中重要的基材組成部分，對于指導(dǎo)陜南地區(qū)護(hù)坡基材的配比具有一定的指導(dǎo)作用，可以有效減少廢棄物產(chǎn)生并實現(xiàn)資源的循環(huán)利用，同時為護(hù)坡工程提供了一種經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的解決方案。

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