王廣鋒

(1.中鐵一局集團第五工程有限公司， 陜西 寶雞 721000； 2.中鐵一局集團有限公司， 陜西 西安 710000)

隨著國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展以及西部大開發(fā)的逐步推進，越來越多的工程項目在西北半干旱黃土地區(qū)進行。而工程建設(shè)不可避免對當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)系統(tǒng)進行擾動和破壞，使工程范圍內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞，生態(tài)環(huán)境惡化，植被退化。

由于西北黃土地區(qū)脆弱的生態(tài)環(huán)境條件，土壤貧瘠、質(zhì)地疏松、干旱缺水、土壤抗蝕性差等成為限制該區(qū)生態(tài)修復(fù)的成功的重要因素，尤其是在高陡的裸露邊坡區(qū)域更為嚴(yán)重。因此，如何提高植被建植穩(wěn)定性、減少土壤侵蝕和養(yǎng)分流失成為解決該區(qū)生態(tài)修復(fù)的重要問題。目前針對裸露邊坡的生態(tài)修復(fù)技術(shù)研究開展了大量的工作，如傳統(tǒng)的旱梯田坡面建植技術(shù)[1]和沙柳枝圍護建植技術(shù)和高新建植技術(shù)如三維網(wǎng)客土噴播技術(shù)[2-3]、液壓噴播技術(shù)[4]、噴混植生技術(shù)[5]等。這些技術(shù)在土質(zhì)良好和坡度較緩的環(huán)境下應(yīng)用時，植被恢復(fù)效果良好，但在干旱缺水、土質(zhì)疏松、坡度較陡的裸露邊坡應(yīng)用時，植被恢復(fù)效果較差。傳統(tǒng)的建植技術(shù)存在保墑保肥性能差，植被生長不良等問題，而高新建植技術(shù)存在基質(zhì)易剝落、植被易退化、養(yǎng)護費用高等缺點。因此，針對此情況，本文提出了3種建植技術(shù)：錨索框架植生袋平鋪法建植技術(shù)、錨索框架植生袋梯田法和錨索框架梯田法建植技術(shù)，并對其生態(tài)修復(fù)效果進行了應(yīng)用研究，以解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的建植困難，植被易退化，水土流失嚴(yán)重等問題。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)選在甘肅省蘭州市西北民族大學(xué)附近的南山裸露邊坡，屬于黃土邊坡，土質(zhì)疏松，且坡度較陡，約為55°。該區(qū)屬于中溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，年均降水量300 mm，年均氣溫為9.5 ℃，降水少，溫差較大，無霜期120 d以上。

1.2 建植技術(shù)

由于本研究區(qū)土質(zhì)疏松，坡度較陡，一般的建植技術(shù)在該區(qū)域進行修復(fù)時，效果較差，無法滿足植被的生長需求和植被穩(wěn)定性。因此針對此情況，結(jié)合工程防護措施，提出了錨索框架植生袋平鋪法(簡稱平鋪袋法)、錨索框架植生袋梯田法(簡稱梯田袋法)和錨索框架梯田法(簡稱梯田法)建植技術(shù)，并對3種建植技術(shù)的修復(fù)效果進行對比研究。

3種建植技術(shù)的主要原理是利用錨索框架對邊坡進行加固，起到穩(wěn)定邊坡的作用，防止產(chǎn)生滑坡、垮塌的危險。平鋪袋法和梯田袋法結(jié)合植生袋法對邊坡進行生態(tài)修復(fù)，此方法主要是在植生袋中加入邊坡表層的熟土和適量的營養(yǎng)物質(zhì)進行改良，作為植物生長的基質(zhì)。植生袋的作用主要是減少植生基質(zhì)的流失，為植被生長提供一個穩(wěn)定的條件。梯田法主要是利用修筑的臺階，為植被提供生長條件，并起到保水保墑的作用。

(1) 錨索框架植生袋平鋪法。清理和平整錨索框架內(nèi)的邊坡表面，將裝有植生基質(zhì)和種子的植生袋平鋪于錨索框架內(nèi)，并進行錯位碼放，提高植生袋的穩(wěn)定性，具體如圖1和圖2所示。利用該方法建植的小區(qū)標(biāo)記為A區(qū)。

圖1 錨索框架植生袋平鋪法側(cè)視示意圖

圖2 錨索框架植生袋平鋪法建植區(qū)正視示意圖

(2) 錨索框架植生袋梯田法。在錨索框架內(nèi)修筑臺階，然后將植生袋平鋪于臺階上，形成一個個平面，類似于梯田建植技術(shù)，具體如圖2和圖3所示。利用該方法建植的小區(qū)標(biāo)記為B區(qū)。

圖3 錨索框架植生袋梯田法建植區(qū)正視示意圖

(3) 錨索框架內(nèi)梯田法。在錨索框架內(nèi)修復(fù)臺階，然后將植生基質(zhì)平鋪與臺階上，進行夯土密實，然后進行種子撒播，最后在表層覆蓋1～2 cm厚的植生基質(zhì)，并進行拍實處理，能夠解決客土在坡度較陡的情況下，植生基質(zhì)無法賦存于邊坡的情況，具體如圖4所示。利用該方法建植的小區(qū)標(biāo)記為C區(qū)。

圖4 錨索框架內(nèi)梯田法建植區(qū)示意圖

1.3 采樣點布置

為避免坡上和坡下位置受人為因素的干擾，取樣點和監(jiān)測點區(qū)域均選在邊坡中部位置。由于灌木植株較小，因此在每種建植區(qū)域的坡中位置均勻布置5個1 m×1 m的小樣方進行植被調(diào)查和土壤理化性狀的取樣。

1.4 測定時間

在建植第3 a后，對各建植區(qū)的生態(tài)修復(fù)效果進行監(jiān)測，以排除初期人為養(yǎng)護條件的干擾，后期不進行人為灌溉和養(yǎng)護。該區(qū)降雨量和植物生長季主要集中7—9月份，因此在2019年7—9月份中每月的上旬、中旬和下旬各選擇連續(xù)的2 d進行監(jiān)測。

1.5 測定方法

(1) 植被蓋度。由于灌木生長年限較短，植株較矮，因此采用針刺法進行植被蓋度的調(diào)查。

(2) 土壤含水量。在每個小樣方內(nèi)利用鋁盒進行分層取樣，取樣深度分別為0—2,2—10,10—20 cm，采用烘干法進行含水量的測定，每層取樣3組。

(3) 土壤容重。利用環(huán)刀法測定土壤容重，在小樣方內(nèi)進行分層取樣，取樣深度分別為0—10 cm和10—20 cm處，每層取樣3組。

(4) 土壤侵蝕模數(shù)。由于現(xiàn)場受錨索框架結(jié)構(gòu)和地形條件的限制，不宜建立徑流場，因此選用釘樁法進行土壤侵蝕模數(shù)的測定，具體布設(shè)方法詳見孔令偉等[1]研究。根據(jù)文獻中的方法增加了釘樁的布設(shè)密度，盡可能的反映出真實的土壤侵蝕狀況。在每種建植區(qū)的坡中位置分別布設(shè)2組徑流場，布設(shè)面積為3 m×3 m，釘樁之間的間距為0.5 m。

1.6 建植植被

根據(jù)黃土邊坡的土壤特性和氣候特征，選擇紫花苜蓿、芨芨草和檸條作為建植植被。

2 結(jié)果與分析

2.1 植被生長狀況

表1為修復(fù)3 a后的植被生長狀況統(tǒng)計結(jié)果，從植被種類來看，建植A區(qū)中植被種類最多為5種，其中3種為人工植被，2種為野生植被，比建植初期的建植物種有所增加，物種多樣性更加豐富，植物群落更趨于穩(wěn)定。其次是B區(qū)為4種植被，其中3種為人工植被，1種為野生植被。C區(qū)植被種類最少僅為2種，1種人工植被，1種野生植被。從植被蓋度來看，A區(qū)植被最高為85%，其次B區(qū)為60%，C區(qū)蓋度最小僅為12%。從結(jié)皮情況來看，A區(qū)地表有生物結(jié)皮現(xiàn)象，并與植被形成良好的互利共生現(xiàn)象，C區(qū)地表有物理結(jié)皮，且結(jié)皮較厚約1 cm，而B區(qū)斜面處分布有少量物理結(jié)皮現(xiàn)象。

表1 黃土區(qū)邊坡陡坡段修復(fù)3 a后植被生長狀況統(tǒng)計

從整體來看，A區(qū)植被生長狀況、物種多樣性和植被蓋度方面均比B區(qū)和C區(qū)的好。分析其原因，可能是由于在植被生長初期，植生袋具有一定的包裹性，且植生袋表面分布有較多的細紋，能在一定程度抵御外界不良因素對植生生長的影響，防止植生基質(zhì)的流失，為植被生長營造一個良好的生存環(huán)境。當(dāng)植被生長到一定程度后改變了區(qū)域小環(huán)境，使得生物結(jié)皮能夠發(fā)育，形成一種互利共生現(xiàn)象[6]。而B區(qū)采用的是梯田袋法，在初期植被生長狀況良好，但由于植生袋側(cè)面無植被防護，導(dǎo)致植生袋側(cè)面風(fēng)化嚴(yán)重，造成部分植生基質(zhì)流失，逐步形成一個斜面，導(dǎo)致B區(qū)植物群落分布不均勻，在臺階直角處植被分布較高，其余地方植被分布較少。直角處植被蓋度較高，不利于生物結(jié)皮的存在，因此直角處地表基本無結(jié)皮現(xiàn)象，而其余地方蓋度較小，有少量物理結(jié)皮現(xiàn)象。C區(qū)植物種類、植被蓋度等均比較低，主要是由于植生基質(zhì)流失嚴(yán)重，不利于植被生長，而物理結(jié)皮現(xiàn)象的發(fā)生，與自身土質(zhì)條件有關(guān)外，還與降雨強度等外部因素有關(guān)[7]。

2.2 土壤含水量變化狀況

從圖5中可知，同一土層下，不同建植區(qū)內(nèi)的土壤含水量呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律；隨著土層深度的增加，不同建植方式下的土壤含水量同樣表現(xiàn)出不同變化規(guī)律。

注：A區(qū)為錨索框架植生袋平鋪法； B區(qū)為錨索框架植生袋梯田法； C區(qū)為錨索框架梯田法。下同。

在土壤表層0—2 cm間，其含水量變化為A區(qū)>B區(qū)>C區(qū)，各區(qū)之間含水量差異性顯著，其中A區(qū)含水量分別為B區(qū)和C區(qū)的1.47倍和2.02倍；在土層2—10 cm處和10—20 cm間的含水量均表現(xiàn)為B區(qū)>A區(qū)>C區(qū)，在2—10 cm處B區(qū)含水量為6.85%，分別比A區(qū)和C區(qū)含水量高2.32%和4.21%，且各區(qū)之間差異性顯著；10—20 cm處，B區(qū)與A區(qū)和C區(qū)之間的含水量差值分別為1.11%和5.8%，且差異性均顯著。從整體來看，0—20 cm土層內(nèi)，B區(qū)土壤含水量最高，其次是A區(qū)，C區(qū)土壤含水量最小。

A區(qū)與C區(qū)土壤含水量隨土壤深度的增加呈現(xiàn)出先下降后升高的變化趨勢，并在10—20 cm處達到最高值，2—10 cm處的含水量最低。其中A區(qū)10—20 cm處的土壤含水量分別為2—10 cm處和0—2 cm處的含水量的2.48倍和1.93倍；B區(qū)土壤含水量隨土壤深度的增加逐漸升高，10—20 cm處含水量分別為0—2,2—10 cm處的3.13倍和1.8倍。

造成土壤含水量不同的變化規(guī)律可能與土壤結(jié)皮、植被蓋度、植被分布以及地表枯落物等有關(guān)。從表1中可知，A區(qū)植被種類較多，蓋度較高，且土壤表層有較多的生物結(jié)皮。而生物結(jié)皮和地表枯落物具有涵養(yǎng)水源和保持水土的功能，植被蓋度高，可有效減緩雨水對坡面的濺蝕和沖刷作用，增加水分滯留時間，從而提高表層土壤含水量。但生物結(jié)皮在提高表層土壤水源涵養(yǎng)功能的同時，也抑制了水分下滲的速率和下滲量[8-9]，導(dǎo)致結(jié)皮下層區(qū)域內(nèi)的土壤含水量降低。較深層的土壤含水量受地下水等環(huán)境的影響[10]，且植被、枯落物和生物結(jié)皮的覆蓋等影響減少了土壤水分的蒸發(fā)，因此，深層次的土壤含水量增高。C區(qū)中物理結(jié)皮同樣對水分的入滲具有較強的阻礙作用，減少土壤水分蒸發(fā)作用，因此C區(qū)土壤含水量呈先下降后上升的變化趨勢。而B區(qū)中結(jié)皮蓋度較小，對水分下滲的抑制作用較小，且植物微環(huán)境和B區(qū)臺階處理可增強水分的下滲速率和涵養(yǎng)功能，因此，B區(qū)土壤含水量呈逐漸升高的變化趨勢。

2.3 土壤容重變化狀況

土壤容重的可直接影響土壤的通氣性和透水性，也能客觀反映出土壤結(jié)構(gòu)狀態(tài)，是土壤水源涵養(yǎng)功能的重要指標(biāo)[1,11]。土壤容重分級標(biāo)準(zhǔn)如表2所示[12]。

表2 土壤容重分級標(biāo)準(zhǔn)

由表2和圖6可知，不同土層下的土壤容重變化規(guī)律不同。0—10 cm土層內(nèi)土壤容重均處于適宜狀態(tài)，A區(qū)土壤容重最小為1.15 g/cm3，B區(qū)容重最大為1.23 g/cm3，二者之間的差值為0.08 g/cm3，且各區(qū)之間差異性顯著。10—20 cm土層內(nèi)土壤容重表現(xiàn)為：A區(qū)

圖6 不同建植區(qū)土壤容重變化特征

土壤容重大小與土壤密度、土壤孔隙度以及養(yǎng)分狀況等有關(guān)。A區(qū)植物種類、植被蓋度較高，植物根系可改善土壤孔隙狀態(tài)，且豆科類植物根系有根瘤菌，提升固氮水平[13]，同時枯落物分解也可提高土壤的有機質(zhì)和養(yǎng)分含量，改善微生物生存環(huán)境，從而改善土壤質(zhì)地結(jié)構(gòu)，且A區(qū)土壤表層分布有生物結(jié)皮，而生物結(jié)皮在發(fā)育過程中可顯著提升土壤孔隙度，并降低結(jié)皮下層的土壤容重[14]，多種因素導(dǎo)致A區(qū)0—10 cm土壤容重降低；而10—20 cm土層處生物結(jié)皮等對其影響程度降低，導(dǎo)致土壤容重有所提升。C區(qū)0—10 cm處土壤容重相對較低，主要是由于表層物理結(jié)皮導(dǎo)致，物理結(jié)皮層土壤粗顆粒減少，細顆粒增多[15]，且結(jié)皮層與土壤之間有一定的空隙，從而導(dǎo)致該層土壤容重較低。B區(qū)從植被種類、蓋度、數(shù)量等方面均比A區(qū)的低，且土壤表層分布少量的物理結(jié)皮，因此B區(qū)在0—10 cm處，土壤容重相對較高。

2.4 土壤侵蝕模數(shù)變化狀況

由圖7可知，不同建植區(qū)下土壤侵蝕模數(shù)排序為：A區(qū)

圖7 不同建植區(qū)土壤侵蝕模數(shù)變化特征

有研究表明，土壤侵蝕模數(shù)的大小與植被蓋度、物種多樣性、土壤含水量、土壤養(yǎng)分含量、土壤容重等有關(guān)[16-20]。隨著植被蓋度的增加，減少了降雨對表層土壤的濺蝕和面蝕作用，從而降低了表層土壤的侵蝕；在一定范圍內(nèi)土壤表層含水量高有利于土體穩(wěn)定[21]，可有效降低水力侵蝕和風(fēng)力侵蝕的作用；隨著土壤容重的增加，土壤的團粒結(jié)構(gòu)減少，土壤變得緊實，水分入滲能力降低[21]，導(dǎo)致徑流量增大，使土壤侵蝕加劇[22]。

除此之外，土壤侵蝕模數(shù)還與土壤結(jié)皮狀態(tài)、植物根系、枯落物分布等有關(guān)。物理結(jié)皮降低了水分入滲，同時增加了坡面徑流量，增強了徑流的輸沙能力和剪應(yīng)力，導(dǎo)致土壤侵蝕的加劇。而生物結(jié)皮能降低降雨對土壤的濺蝕、面蝕以及沖刷作用，同時具有涵養(yǎng)水源的功能，能吸收和保持一部分水分，其分泌物也能提高土壤團聚體的穩(wěn)定性，增強土壤的抗剪切應(yīng)力，從而降低土壤侵蝕量。植物根系對土壤具有加筋和錨固作用，可以提高土壤的抗剪切應(yīng)力。土壤表層枯落物可以降低降雨的濺蝕、面蝕作用，還可以吸持一部分水分和分散徑流作用，降低土壤侵蝕。土壤侵蝕模數(shù)的變化是多因子綜合作用的結(jié)果，因此呈現(xiàn)出A區(qū)土壤侵蝕模數(shù)最小，C區(qū)土壤侵蝕模數(shù)最大。

3 結(jié) 論

(1) 錨索框架植生袋平鋪法建植技術(shù)下植被生長狀況最好，植被覆蓋度最高，且植物種類和植物株數(shù)最多，水土保持能力也較強。其次是錨索框架植生袋梯田法建植技術(shù)，錨索框架梯田法建植技術(shù)下的植被生長狀況最差，土壤侵蝕模數(shù)最大。

(2) 錨索框架植生袋梯田法建植技術(shù)修復(fù)效果較差的原因之一是植生袋側(cè)面風(fēng)化導(dǎo)致的基質(zhì)和水分的流失，因此在下一步的研究中會對植生袋或建植技術(shù)進行改良，以提高其穩(wěn)定性和耐久性。

(3) 在免養(yǎng)護情況下，利用錨索框架植生袋法建植技術(shù)在高陡的黃土邊坡進行生態(tài)修復(fù)，可有效改善植被生長狀況和質(zhì)地結(jié)構(gòu)，減少水土流失，可為類似地區(qū)的生態(tài)修復(fù)工程提供借鑒和參考。