王笑峰 郭顯鋒 蔡體久 王洪君 琚存勇

0 引言

生態(tài)護坡是基于現(xiàn)代水利工程學、環(huán)境科學、工程力學、生物科學和生態(tài)學等學科的基本原理，利用坡面活性植被植物體及其根系結(jié)合其他工程材料并相互作用，在河道邊坡上構建的具有生態(tài)功能的護坡[1-2]。生態(tài)護坡不僅具備傳統(tǒng)護坡防洪排澇、穩(wěn)固邊坡和防止水土流失的基本功能[3]，還能夠有效降低傳統(tǒng)硬質(zhì)護坡所造成的河流與河岸之間的生態(tài)隔離，提高和維持邊坡生物多樣性，進而促進河流生態(tài)系統(tǒng)的健康發(fā)展[4-5]。

松花江是黑龍江最大的支流，地處我國東北地區(qū)的北部，流域總面積56.12萬km2。松花江干流橫跨松嫩平原和三江平原，是我國重要的工業(yè)基地和糧食生產(chǎn)基地，是水旱災害頻繁發(fā)生的地區(qū)。為改善松花江干流堤防工程標準較低，傳統(tǒng)硬質(zhì)護岸生態(tài)功能低下的現(xiàn)狀，2017年開展“松花江干流治理工程”建設，治理工程93.2%的迎水坡坡面采用了雷諾護墊生態(tài)護坡型式進行建設。雷諾護墊生態(tài)護坡是以獨立鉛絲籠在坡面進行鋪裝，然后連接成整體，內(nèi)裝石塊并封裝蓋網(wǎng)后在其上覆土種植護坡植物的一種生態(tài)護坡類型[6-7]。在工程建設過程中發(fā)現(xiàn)存在以下問題：①此次工程建設以對原堤防的加高培厚為主，施工過程能夠剝離的表層腐殖土土量較少，無法滿足設計對護坡覆土量的需求;②工程沿線位于黑龍江省水稻主要種植區(qū)，剝離出的少量表層腐殖土主要為在黏土母質(zhì)上發(fā)育形成的適宜水稻生長的稻田土，經(jīng)過長期水田耕作，土質(zhì)結(jié)構不良，濕時粘韌，干時堅硬，滲透性極差，植物根系不易下扎[8-12]，且直接用于覆土后無法有效填充雷諾護墊內(nèi)部石塊間的空隙，對陸生護坡植物的正常生長造成嚴重影響;③如外購腐殖土用于坡面覆土，則存在土源缺乏、價格高、運距大和成本過高的問題;④堤防沿線地貌單元以堆積漫灘為主，底層土壤主要為黏土和砂土，工程現(xiàn)場存有大量工程基礎開挖廢棄的黏土和砂土。

本研究選取工程現(xiàn)場的稻田土、砂土和黏土3種土壤，依據(jù)其理化特性，設計9種不同配比改良土壤進行覆土改良試驗研究，通過對改良土壤的質(zhì)地、水分特征、養(yǎng)分狀況以及盆栽試驗植物生長狀況的測定、調(diào)查和分析，優(yōu)選出適宜的改良配比，以解決工程現(xiàn)場腐殖土不足以及土質(zhì)較差的問題，達到改善覆土效果、促進植物生長、有效利用現(xiàn)場廢棄土降低工程成本的目的[13-16]。

1 研究區(qū)及工程概況

研究區(qū)位于黑龍江省中部，小興安嶺南麓，松花江中游干流堤防通河段（45°52′30″～46°37′30″ N，128°7′30″～129°24′30″ E），堤防全長131.497 km，設計防洪等級2級，江道水面寬1.5～2.0 km，坡降0.006%～0.015%，平均年徑流量達7.62×108 m3，非汛期平均水深約1 m，枯水期水深不足1 m，流速小于1 m/s。研究區(qū)地處大陸性季風氣候，冬季嚴寒漫長，春季干燥多風，夏秋炎熱多雨，秋季降溫急劇，常有凍害發(fā)生，多年平均氣溫變化為-3～5 ℃。降水的年際變化較大，降雨多集中在夏季，年內(nèi)分配不均，多年平均年降水量為553 mm，汛期6—9月份降雨量占年降水量的70%～80%。工程建設概況見表1。

2 研究方法

2.1 土壤處理

實驗用稻田土、砂土與黏土均取自松花江干流堤防通河段工程現(xiàn)場，稻田土取自堤防沿線占用稻田的表層剝離土，質(zhì)地為黏壤土，養(yǎng)分狀況較均衡，持水性高，透水性差;沙土與黏土取自現(xiàn)場工程建筑物基礎開挖的廢棄土，養(yǎng)分狀況均較差，砂土保水、保肥能力低下，黏土透水通氣性能差。2017年4月取土，運回實驗室后，分別通風陰干后碾碎。

2.2 配比設計

將稻田土、砂土和黏土按不同配比設計9種改良土壤（見表2）。

2.3 盆栽試驗

將處理后土壤按設計配比分別裝盆。盆高20 cm，直徑25 cm，每個處理設置3個重復。選取草木犀種子于2017年5月進行盆栽試驗，每盆播種40粒，發(fā)芽兩周后，調(diào)查保苗率，然后進行間苗，每盆保留10株草木犀，以保證后期生長數(shù)據(jù)的一致性。播種后根據(jù)天氣情況統(tǒng)一進行澆水。2017年9月進行生長數(shù)據(jù)采集。

2.4 持水、保水性試驗

（1）持水性能測試方法

將各處理土樣，分別稱取180.00 g置于底部，均勻分布有小孔的硬質(zhì)塑料杯中，杯中底部事先鋪一層濾紙，防止土壤流失，在土樣上平鋪一層紗網(wǎng)，紗網(wǎng)上面再平鋪一層濾紙，用滴管向濾紙上均勻滴水來模擬降雨，濾紙可保證滴下的水均勻下滲，更接近自然降雨，塑料紗網(wǎng)可以防止土樣粘附在濾紙上。當杯中改良土壤吸水達到飽和狀態(tài)且水從杯底小孔中滲出時，立即停止滴水，待底部小孔滲水停止后進行稱重，計算不同處理的飽和含水量。依上述方法重復3次。

（2）保水性能測試方法

將持水性能測試試驗中已達飽和狀態(tài)的試驗樣置于自然條件下蒸發(fā)，每隔24 h測量試驗樣的質(zhì)量，待測試樣質(zhì)量保持不變?yōu)橹梗y(tǒng)計試樣保水時間。

2.5 理化性質(zhì)測定方法

顆粒組成：激光粒度儀測定;pH：電位法;有機質(zhì)：容量分析法;全磷：高氯酸-硫酸酸溶-鉬銻鈧比色法;速效磷：碳酸氫鈉法;速效氮：擴散吸收法;速效鉀：乙酸銨-火焰光度計法。

2.6 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理、圖表制作：SPSS 25.0。

3 結(jié)果與分析

3.1 改良土壤的質(zhì)地狀況

土壤顆粒組成見表3，根據(jù)國際制土壤質(zhì)地分類標準，試驗用稻田土屬黏壤土，黏粒含量較高，土質(zhì)細密、保水保肥力強，但排水不佳、干燥后易板結(jié)，播種后保苗困難[17-19]。試驗用砂土砂粒含量達到95.5%，黏粒及粉粒含量極低;試驗用黏土為粉砂質(zhì)黏土，相對黏粒含量較少，粉粒和砂粒含量較高。

試驗數(shù)據(jù)表明，稻田土、黏土和砂土按設計配比混合后形成的改良土壤質(zhì)地均為壤土類，隨著配比的變化，不同處理質(zhì)地類型略有差異，但總體上偏向砂質(zhì)化，有利于降低坡面覆土的黏性，提高疏松度，易于填充格賓石籠的空隙，增加通水透氣性，促進植物生長。其中，處理G、H、J、K、N質(zhì)地為砂質(zhì)壤土，M為砂質(zhì)黏壤土，I、L、O為黏壤土。

3.2 改良土壤的酸堿性

由表4數(shù)據(jù)表明，稻田土、砂土和黏土的pH分別為5.88、6.37、5.53，呈弱酸性，其余不同處理的改良土壤各處理pH為5.78～6.25，平均為6.07，仍呈弱酸性，對護坡植物的生長無不利影響。

3.3 改良土壤的養(yǎng)分特征

土壤養(yǎng)分指標測定數(shù)據(jù)顯示（表4），用于改良試驗的3種土壤營養(yǎng)狀況由大到小排序為：稻田土、黏土、砂土。砂土和黏土的養(yǎng)分指標除速效鉀外其余均比較接近，整體營養(yǎng)狀況較差;稻田土營養(yǎng)狀況好，各項養(yǎng)分指標均顯著高于砂土和黏土。稻田土有機質(zhì)含量為3.646%，達到土壤養(yǎng)分二級標準，是砂土與黏土有機質(zhì)含量的2.49倍和2.32倍;全磷含量為362.667 mg/kg，是砂土和黏土平均值的2.42倍;速效磷含量達到二級標準，速效鉀含量達到一級標準，速效氮含量為四級標準，分別為砂土和黏土平均值的4.27、1.88、3.22倍，三者混合后，能夠保持改良土壤的營養(yǎng)水平。

改良土壤營養(yǎng)狀況隨配比的不同存在一定差異，但總體上均高于砂土和黏土。有機質(zhì)含量整體處于中等水平，其中處理M達到土壤養(yǎng)分三級標準，其余處理均為四級標準;速效磷含量為22.933～29.236 mg/kg，全部達到二級標準;速效鉀含量較豐富，處理N達到一級標準，處理I、J、M、O達到二級標準，其余為三級;速效氮含量整體處于缺乏狀態(tài)。根據(jù)不同處理，各項養(yǎng)分指標含量等級高低，改良土壤的營養(yǎng)狀況排序為：N>M>I、O、J>G、H、K、L。

3.4 改良土壤的持水、保水能力

各處理土壤飽和含水量如圖1所示，稻田土飽和含水量最高，為52.54%;砂土飽和含水量最低，為17.45%;黏土飽和含水量為38.77%。土壤飽和含水量代表土壤最大容水能力，一般與土壤中黏粒、粉粒以及腐殖質(zhì)含量呈正相關關系，通常對于同一質(zhì)地的土壤，其飽和含水量越高，代表其對植物的水分供給能力也越高。改良土壤的飽和含水量為26.25%～38.31%，其中，處理HL>I>M>J>K>30%。

圖2為保水能力試驗結(jié)果，其數(shù)據(jù)顯示，稻田土保水能力最強，水分蒸發(fā)速度慢且蒸發(fā)速率較穩(wěn)定，試驗第30 d時，水分蒸發(fā)率僅為85.17%;砂土水分蒸發(fā)最快，在試驗第13 d水分蒸發(fā)就達到了95.29%，在實驗第19 d水分蒸發(fā)達到了100%;黏土的保水能力介于二者之間。

不同處理的改良土壤水分蒸發(fā)過程表現(xiàn)出比較一致的蒸發(fā)特征，即隨著試驗時間的延續(xù)，蒸發(fā)速率由快變慢。以實驗結(jié)束時蒸發(fā)率數(shù)據(jù)統(tǒng)計，各處理保水能力高低排序為：O>L>I>M>J>G>K>N>H。

3.5 改良土壤對植物生長的影響

在光照、環(huán)境溫度、播種質(zhì)量和灌溉澆水量等條件一致的情況下，影響植物生長狀況的主要因素為土壤質(zhì)地、土壤水分以及土壤養(yǎng)分的綜合作用。盆栽試驗草木犀成苗率、株高和平均蓋度等生長指標調(diào)查數(shù)據(jù)見表5。

表5數(shù)據(jù)表明，稻田土、砂土和黏土的成苗率為48.75%～65.00%，平均為56.32%，成苗率較低。稻田土自身養(yǎng)分狀況較好，成苗率低主要是受土壤質(zhì)地和水分狀況的綜合影響;養(yǎng)分狀況差可能是造成砂土和黏土成苗率低的主要原因。

不同處理的改良土壤種植的草木犀成苗率差異較大，H、I、J、K、L成苗率較低，平均僅為42.25%，其余4個處理的成苗率大于80%，由高到低排序為：M>O>N>G，其中M、O成苗率達到100%和97.5%，成苗率是稻田土的1.81倍和1.77倍。草木犀的高生長，除黏土較低外，其余處理之間無顯著差異。蓋度較高的3個處理分別為O>N>M，平均蓋度為46.33%;其余各處理蓋度接近，平均為25.67%。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

土壤是重要的自然資源，在維持陸地生物群落穩(wěn)定、實現(xiàn)生物圈物質(zhì)循環(huán)等過程中發(fā)揮著不可或缺的重要作用，土壤也是陸生動、植物及微生物生活的基底，土壤的理化性質(zhì)對植物的生長有著強烈的影響，土壤的形成需要漫長的過程，且易受污染和破壞，科學開發(fā)、利用和保護土壤資源，具有重要的意義。

（1）稻田土、黏土和砂土按設計配比混合后形成的改良土壤質(zhì)地均為壤土類，處理G、H、J、K、N質(zhì)地為砂質(zhì)壤土，M為砂質(zhì)黏壤土，I、L、O為黏壤土，質(zhì)地整體上偏向砂質(zhì)化，具有降低坡面覆土黏性、提高疏松度、增加通水透氣性、易于填充空隙和促進護坡植物生長的作用。

（2）改良土壤的飽和含水量為26.25%～38.31%，其中，O>L>I>M>J>K>30%;改良土壤的有機質(zhì)含量整體處于中等水平，速效磷含量全部達到二級標準;速效鉀含量較豐富，全部達到三級以上;速效氮含量整體處于缺乏狀態(tài)。改良土壤的營養(yǎng)狀況排序為：N>M>I、O、J>G、H、K、L。

（3）不同處理的改良土壤種植的草木犀成苗率差異較大，H、I、J、K、L成苗率較低，M、O、N、G的成苗率高于80%，其中M、O成苗率分別達到100%和97.5%，成苗率是稻田土的1.81倍和1.77倍。草木犀的株高，除黏土較低外，其余處理之間無顯著差異。蓋度較高的3個處理分別為O>N>M，平均蓋度為46.33%。

（4）通過對9個處理改良土壤的質(zhì)地、養(yǎng)分、水分狀況及盆栽試驗植物生長狀況的綜合對比、分析，處理M（50%稻田土+25%砂土+25%黏土）和處理O（50%稻田土+10%砂土+40%黏土）均可作為覆土改良優(yōu)選配比，在保證護坡植被正常生長的前提下，能夠減少50%腐殖土用量，合理利用現(xiàn)場廢棄土，有效降低工程成本。

4.2 建議

在改良土壤混合時，可適當加入當?shù)厮旧a(chǎn)過程廢棄的稻殼或粉碎的水稻秸稈，既能夠增加改良土壤的有機質(zhì)含量，還可以進一步改善土壤的物理結(jié)構，同時還有效利用了秸稈等廢棄物;改良土壤中速效氮缺乏，建議選擇紫花苜蓿、草木犀和野大豆等豆科植物作為護坡植被，通過其固氮功能加以補充和改善。

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