青藏鐵路多年凍土區(qū)路基草皮護(hù)坡試驗(yàn)研究

肖述文

青藏鐵路是我國(guó)十五建設(shè)規(guī)劃的重點(diǎn)工程,同時(shí)也是我國(guó)鐵路建設(shè)史上的一個(gè)重要的里程碑。青藏鐵路建設(shè)的成敗在于凍土和環(huán)境保護(hù)兩個(gè)方面。凍土的處理在于工程措施的選擇上,而環(huán)境保護(hù)的一個(gè)重要方面就是生態(tài)環(huán)境。由于青藏高原生態(tài)環(huán)境條件十分惡劣,生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)循環(huán)和能量轉(zhuǎn)換過(guò)程緩慢,而且長(zhǎng)期低溫、生長(zhǎng)季節(jié)較短,若植被一旦被破壞,其恢復(fù)周期十分漫長(zhǎng)。隨著暖季土層融層深度增加,在風(fēng)的吹蝕下,極易發(fā)生風(fēng)蝕,加速土壤沙化和水土流失。若植物在路堤邊坡上生長(zhǎng)成活,形成植被草皮,將是一種永久防護(hù)措施,對(duì)于路堤能夠起到防止風(fēng)蝕和水蝕的作用,具有效果好、有利環(huán)保的特點(diǎn)。本試驗(yàn)工程采用移植的鄉(xiāng)土植物鋪設(shè)路堤邊坡,依靠其龐大的根系和覆蓋度,能夠在寒季對(duì)路堤有效地起到保溫,在暖季對(duì)路堤有效地起到阻止熱量的流入,防止路基坡面風(fēng)蝕、水蝕的作用。

1 試驗(yàn)工程概況

本試驗(yàn)工程起訖里程為 DK1229+400～DK1229+452,位于青藏鐵路沱沱河試驗(yàn)段。試驗(yàn)段地處高原亞寒帶半干旱氣候區(qū),屬高寒草原生態(tài)系統(tǒng),每年9月～次年4月為凍結(jié)期,年平均地溫-0.5℃～0.0℃,屬高溫極不穩(wěn)定區(qū)。凍土的天然上限為2.65 m。融區(qū)內(nèi)最大凍結(jié)深度5.0 m。附近草地中有地表水形成的河流融區(qū)和太陽(yáng)輻射形成的滲透～輻射融區(qū),多年凍土類型為島狀多年凍土。本試驗(yàn)工程選取的移植鄉(xiāng)土植物為紫花針茅,它是沱沱河地段天然生長(zhǎng)的主要建群種,屬禾本科,對(duì)比植物為矮火絨草與青藏苔草。

移植鄉(xiāng)土草皮試驗(yàn)工點(diǎn)路基的陽(yáng)面坡長(zhǎng)7.2 m～8.0 m,陰面坡長(zhǎng)6.0 m～6.5 m,路堤高約5 m,坡率1∶1.5。試驗(yàn)鋪砌移植草皮722 m2(陽(yáng)坡為327 m2,陰坡為 395 m2),其中,紫花針茅采用人工鋪砌移植方法,矮火絨草與青藏苔草采用人工栽植,同時(shí)分別鋪10 cm,15 cm和20 cm厚熟土(即紫花針茅植物生長(zhǎng)層表層土壤厚度),然后配加保水劑等材料,具體分布見表1。

表1 移植草皮護(hù)坡試驗(yàn)工程各種草類布置表

2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

在邊坡中部垂直于坡面布置了3個(gè)觀測(cè)斷面(DK1229+409,DK1229+426,DK1229+443),深度分別為 10 cm,20 cm,40 cm,用于路堤邊坡表層土體的溫度觀測(cè)。每個(gè)斷面設(shè)2個(gè)測(cè)試孔(陰、陽(yáng)坡面各1個(gè),均設(shè)在邊坡中部位置)。

2.1 現(xiàn)場(chǎng)土壤含水率試驗(yàn)

對(duì)移植植被路堤邊坡的不同地塊以及未移植植被的路堤進(jìn)行取樣,送試驗(yàn)室做土壤含水率的試驗(yàn),取土深度為20 cm,即達(dá)植物根系生長(zhǎng)的有效生長(zhǎng)層。

陰坡和陽(yáng)坡路基土壤含水率均明顯高于普通路基,這說(shuō)明植被起到了涵養(yǎng)水源、減少蒸發(fā)的作用,有效的減少了水分的流失。2005年移植草皮地塊的平均土壤含水率為11.66%,2006年為13.14%,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)植物的生理需求指標(biāo)(砂壤土的凋萎系數(shù)為6.6%),說(shuō)明移植的植物具有很好的涵養(yǎng)水源的作用。

其土壤含水率有時(shí)比未加保水劑的地塊低,這說(shuō)明采用的保水劑不適用于青藏高原。

2.2 植被成活率統(tǒng)計(jì)

截止到2007年9月中旬的統(tǒng)計(jì)中發(fā)現(xiàn):青藏苔草的平均成活率達(dá)16%;矮火絨草達(dá)99.2%;紫花針茅達(dá)100%。青藏苔草的大部分根系腐爛,植株已經(jīng)死亡;多數(shù)矮火絨草和紫花針茅已經(jīng)開花、抽穗,其長(zhǎng)勢(shì)不錯(cuò),生長(zhǎng)強(qiáng)度較強(qiáng);同一種植物陰坡比陽(yáng)坡長(zhǎng)的茂盛,矮火絨草陰坡比陽(yáng)坡的團(tuán)簇狀多、密集,紫花針茅陰坡比陽(yáng)坡長(zhǎng)的稠密、植株高,這主要是因?yàn)殛幤碌闹参锾?yáng)輻射較陽(yáng)坡的弱、蒸發(fā)量較陽(yáng)坡的小、含水率較陽(yáng)坡的大,對(duì)植物細(xì)胞原生質(zhì)破壞少,植物體內(nèi)的葉綠素?fù)p失少,再加上較充足的水分條件,因而陰坡植物茂盛。

采用現(xiàn)場(chǎng)作對(duì)比調(diào)查的方法進(jìn)行植被成活率的統(tǒng)計(jì),統(tǒng)計(jì)結(jié)果如下:1)青藏苔草的成活率逐年降低,到2007年青藏苔草的平均成活率僅為16%;而矮火絨草和紫花針茅的成活率卻很高,到2007年矮火絨草平均成活率達(dá)99.2%,紫花針茅平均成活率達(dá)100%。2)同一種草在采取相同的技術(shù)措施下,總體上陽(yáng)坡植物的成活率高于陰坡,這是因?yàn)樵陉?yáng)坡植物進(jìn)行的光合作用多,加速了植物體內(nèi)的新陳代謝,有利于礦物元素和水分的運(yùn)輸和吸收,加快了植物對(duì)不良環(huán)境的適應(yīng)能力,促進(jìn)了植物的成活。從現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查中發(fā)現(xiàn)成活的植株中,陽(yáng)坡植物沒陰坡植物長(zhǎng)的茂盛,這是由于植物接收太陽(yáng)輻射中的紫外線陰坡比陽(yáng)坡少,對(duì)植物細(xì)胞原生質(zhì)破壞少,植物體內(nèi)的葉綠素?fù)p失的少,再加上較充足的水分條件,故而比陽(yáng)坡植物茂盛。3)不同草種在相同的技術(shù)條件下,草種成活率是紫花針茅＞矮火絨草＞青藏苔草。4)紫花針茅、矮火絨草2006年、2007年的植物成活率比2005年的高,這主要是由于2005年植物剛移植到坡面,草地植物進(jìn)入根部的有機(jī)物質(zhì)被暫時(shí)中斷,由于它沒有進(jìn)行光合作用的能力,草地植物的生長(zhǎng)主要依靠其地下器官貯藏的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)動(dòng)態(tài)維持其再生,為了減少蒸騰所引起植物體內(nèi)水分過(guò)多的散失,植物主動(dòng)采取停止地上部分生長(zhǎng)的半休眠狀態(tài),逐步調(diào)節(jié)自身生理器官對(duì)新環(huán)境的適應(yīng)。到2006年、2007年植物性能已經(jīng)逐漸調(diào)整和恢復(fù),開始進(jìn)行地上部分的生長(zhǎng),出現(xiàn)“死而復(fù)活”的現(xiàn)象;而移植的青藏苔草2006年、2007年的植物成活率比2005年的要低,這主要是因?yàn)?青藏苔草屬直根系植物,直根發(fā)達(dá),而須根卻很短(僅2 cm～3 cm)。在試驗(yàn)段路堤坡面上土壤以粗礫石為主,細(xì)砂土很少,青藏苔草的根系扎不進(jìn),吸收不了足夠的水分和養(yǎng)分來(lái)維持植物的正常生長(zhǎng);另一方面可能是挖移時(shí)傷了青藏苔草的根系,影響其成活。

2.3 積溫分析

為了說(shuō)明移植鄉(xiāng)土草坡面經(jīng)過(guò)兩個(gè)凍融循環(huán),其下坡面表層的溫度變化情況,在這里引入了系數(shù) n(路堤表面的積溫與空氣積溫之比),即n=Is/Ia,其中,Is為路堤表面的積溫;Ia為空氣的積溫。通過(guò)計(jì)算融化期的nt和凍結(jié)期的nf,掌握移植鄉(xiāng)土草坡面表層的熱量變化。

從圖1中發(fā)現(xiàn)2005年～2007年空氣正積溫逐漸減少,負(fù)積溫逐漸增加。

不管是陽(yáng)坡還是陰坡其融化期的nt隨著時(shí)間的變化呈減小趨勢(shì);凍結(jié)期的nf隨著時(shí)間的變化,基本上不變化。這說(shuō)明進(jìn)入移植鄉(xiāng)土草坡面土壤中的熱量減少了,但進(jìn)入土壤的冷量保持不變。移植鄉(xiāng)土草很好的起到了阻止熱量流入土壤的作用,保證了路基下凍土不退化,從而保證了凍土上限不下降,有利于路基的穩(wěn)定性。

3 結(jié)論及建議

1)在沱沱河地區(qū)路基邊坡上采取移植鄉(xiāng)土草皮進(jìn)行護(hù)坡是可行的。可利用取、棄土場(chǎng)等廢棄草皮中的紫花針茅、矮火絨草、青藏苔草為主的草皮進(jìn)行路基坡面防護(hù)。紫花針茅和矮火絨草須根發(fā)達(dá),能起到固持土體、增加土體抗蝕性、防風(fēng)蝕性等作用,而且對(duì)惡劣環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng),長(zhǎng)勢(shì)較好,成活率高。它們是高寒草原地段推廣移植鄉(xiāng)土草的首選植物。2)在進(jìn)行植被營(yíng)造時(shí),應(yīng)首先充分利用取、棄土場(chǎng)鐵路路基原表面等廢棄草皮,由于青藏高原生態(tài)的脆弱性,千萬(wàn)不能破壞天然植被挖取草皮;在沒有草皮來(lái)源時(shí),可以采用人工植草進(jìn)行護(hù)坡。3)應(yīng)嘗試進(jìn)行移植、種植草皮混合的試驗(yàn),這樣可以發(fā)揮植物不同種之間的優(yōu)勢(shì),利于植物的生長(zhǎng)。在移植植物的塊與塊之間的空隙處用拌有植物種子的細(xì)顆粒土填實(shí),這樣有利于植物連成一個(gè)整體,防止移植的植物塊體向下滑移。有利于保持坡面的穩(wěn)定性,也有利于在草皮護(hù)坡時(shí)草皮與坡面很快結(jié)合生根,成為一體。經(jīng)過(guò)一段時(shí)期后,就能形成一個(gè)長(zhǎng)期穩(wěn)定的植物群落。

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