碼石扦插聯合生態護坡技術研究及其應用

顧 嵐，高甲榮，王 穎，錢斌天，王 越，郭 維

（北京林業大學 水土保持和荒漠化防治教育部重點實驗室，北京100083）

鐵路、公路、堤壩等工程建設對社會和經濟的發展有著非常重要的作用，但同時又帶來了嚴重的環境問題。各類邊坡的環境條件普遍較差，特別是開鑿山體與填埋溝谷形成的邊坡大多呈現出土石裸露、侵蝕和滑坡相當嚴重的景象[1－2]。隨著我國邊坡防護的迅速發展，人們對其建設的質量提出了更高的要求，不僅要求能夠有效地防止坡面水土流失、鞏固路基、路墊，還要能美化和改善環境。

以前通常采用的鋼筋混凝土和封閉防護措施雖能在一定程度和時間內解決侵蝕與滑坡的問題，但在人們對綠色生態環境的要求日益高漲的今天，施工復雜、造價昂貴且缺少生態效益的混凝土或砌石擋墻越來越得不到人們的青睞。相反，價格低廉的生態植被護坡工程正日趨受到重視，表現出更佳的護坡效果與生態效益，成為穩定邊坡、侵蝕控制和生態修復的重要工程手段。

土壤生物工程就是一種邊坡生物防護工程技術，采用有生命力的植物根、莖（桿）或完整的植物體作為結構的主要元素，按一定的方式、方向和序列將它們扦插、種植或掩埋在邊坡的不同位置，在植物生長過程中實現加固和穩定邊坡，控制水土流失和生態修復的集成工程技術[3－5]。本文詳細闡述土壤技術工程技術中的一種——碼石扦插聯合技術[6]，以實現該技術的推廣應用。碼石扦插聯合技術在充分利用植物自身特點的同時又結合了必要的工程防護，起到工程建設與環境保護兼顧的目的。該技術簡單易行，柳條來源豐富、易獲得、易成活、復綠快，對邊坡可以起到保持水土、減輕徑流和雨滴侵蝕的作用，有利于邊坡保持穩定，保土效果明顯。

1 碼石扦插聯合技術護坡技術的構建

1.1 護坡原理

目前，我國關于土壤生物工程的研究主要是針對各種工程（公路、鐵路、工業民用建筑、礦山、水利水電工程等）及農業活動所形成的具有一定坡度的斜坡、堤壩、坡岸、坡地和自然力量（如侵蝕、滑坡、泥石流等）形成的山坡、岸坡、斜坡進行治理和生態修復，其主要任務是既能夠穩定邊坡和控制水土流失，還能確保邊坡植被水平、垂直結構合理，使得生態系統演替有序，景觀優美。

碼石扦插聯合技術是在土質邊坡上順坡碼放塊石或卵石，在石塊縫隙扦插柳條進行植被恢復。一般邊坡所遭受的土壤侵蝕為水蝕，即在水力作用下，邊坡土壤表層及其母質被剝蝕、搬運和沉淀的過程。碼石扦插聯合技術中碼放的塊石可以很好地固定表土，同時對易侵蝕的下層土壤起到保護作用。降雨時，可防止土壤不直接遭受降雨的襲擊，使得降水自然下滲，減小形成坡面徑流的可能性。此外，由于塊石自身的重力和它們之間的相互作用，增加了坡面的強度和穩定性。在塊石縫隙中扦插的柳枝生根后可以將岸坡的土壤顆粒固定在一起，吸收多余的土壤水分，通過根系錨固土壤的作用穩固坡面土壤，減少淺坡下滑。植物的枝葉還可攔截降雨防止坡面濺蝕[7－9]。

碼石扦插聯合護坡技術可同時滿足岸坡穩定和植物生長對土的不同需求，既利用植物防護土坡，形成生物生長的近自然狀態，同時塊石又可加固淺層土和一定埋深土以提高其強度和耐久性，實現護坡工程的安全性、生物性和景觀性。

1.2 護坡結構設計及施工要點

扦插是利用植物的再生作用，人為增加植物個體的一種方法，其實質是枝條在坡面作為“點“的布設。選取柳干直徑為2～3cm，長度為60～90cm的可生根植物枝條，塊石規格為20～40cm。施工前首先要將試驗小區的坡面進行平整，在坡面上用白石灰標記扦插柳干的位置，株行距為0.5m×0.5m。然后將塊石自下而上順序碼放，碼放時塊石立置，遇白灰標記處用直徑3cm的鋼釬打孔，并與坡面大致垂直插入合適的柳干，枝條上部用修剪剪刀在靠近坡面土壤處修平。柳干的埋深要大于0.5m，露出地面部分高30cm，然后繼續碼石，塊石碼放及柳條（干）扦插完成后，用摻有經過催芽處理后植物種子的土壤填充塊石間隙，每1m3土壤摻干種子250～400g，將柳干與插孔的孔隙填土使之密實，柳干露出石塊高度應小于30cm（圖1）。施工完成后及時將柳干頂端以油漆封口，減少水分蒸發。澆透水，確保插孔內有充足的水分供柳干生根發芽。

圖1 碼石扦插聯合技術護坡技術施工圖

應用碼石扦插聯合技術護坡時應注意在坡腳設透水擋墻，坡頂設排水溝。用于河道護坡時，應設反濾層。扦插應選在春季柳條發芽前進行，若在生長期進行扦插，則因地上部分發芽后抽條過快，消耗根系生長的養分，影響成活率。扦插植物材料不宜從外地進苗，以確保出苗后適應當地生長環境。草種也要選擇當地適生的鄉土植物種。此外，為草類生長而在碼石表面進行的覆土應使之完全進入碼石間的縫隙，碼石表面無浮土存在，以減少因澆水、降雨而可能產生的土壤流失。施工結束后要及時澆水，以利于扦插枝條、草種順利發芽。由于柳枝生命力旺盛，施工后無需特別養護，可在完工后1個月內將未發芽的柳干進行更換，及時補換新柳干。對于護坡塊石間隙的野草，采取保留措施以加快和增強坡面綠化效果。

2 護坡研究

2.1 研究區概況

試驗小區位于北京市延慶縣上辛莊水土保持試驗示范基地，延慶縣地處東經115°44′—116°34′，北緯40°16′—40°47′，屬大陸性季風氣候，冬冷夏涼，年平均氣溫8℃，是著名的避暑勝地，有首都北京的“夏都”之稱。全境平均海拔500m左右，屬于官廳水庫上游一級支流媯水河流域。年均降水量為470mm，接近于半干旱地區年平均降水量。護坡工程應采用近自然生態方式進行，提高雨水利用效率，以保障坡面植被成活率。示范基地小區規格為5m×10m，坡比1∶1，石質邊坡，面積50m2，扦插植物材料選取當地的本土樹種旱柳（Salix matsudana）。工程于2007年6月下旬施工，7月中旬完工。

2.2 監測方案

植物的生長特性和適宜性是土壤生物工程各種措施成功與否的重要條件，是護坡效果的重要指標。采用現場測量和隨機挖掘的方法，對塊石護坡中扦插旱柳的生長特性進行全面觀察，并對該坡面完工1～2個月后扦插枝條的萌芽率、成活率和生物量進行調查，對完工1a以及4a后扦插枝條的成活率、生長高度、枝條基徑和蓋度進行監測。并且對原始坡面和完工四年后的坡面土壤進行取樣分析，從而探討碼石扦插旱柳作為土壤生物工程措施的一種在北京地區的適宜性以及邊坡防護的效果。

2.3 植物生長情況分析

植物的生長情況會影響后期護坡的效果和控制水土流失的能力[10]，是碼石扦插聯合技術成敗與否的關鍵。在2007年8月，即完工1個月后實地調查監測顯示，旱柳的萌芽率和成活率都在90%以上，表明旱柳在試驗區具有良好的適應性。2007年9月，測得每株扦插新生枝條平均生物量為13.78g。9月下旬時，對部分未發芽的柳干進行更換，更換6%。2008年春季時對枯死柳干及時補換新柳干，更換7%。2007年7月施工1a后的調查結果顯示，試驗小區旱柳成活率達到95%，植被覆蓋率超過70%，邊坡防護效果相當顯著。2011年6月15日，完工4a年后的調查結果顯示，試驗小區的旱柳成活率可以達到94.19%，旱柳新生枝葉繁茂，每株扦插枝條平均生物量可達到237.15g，平均基徑1.12cm，平均株高為133.64cm。從生長情況來看，旱柳在北方地區水分條件良好的情況下，短期內就能達到一定的景觀效果和改善棲息環境的效果，是一種適宜生態護坡構建的植物材料。工程完工1a后及4a后對比圖見圖2。

圖2 北京市開發建設項目水土保持試驗示范基地碼石扦插柳干護坡

2.4 護坡效應

植物根系對邊坡穩定性至關重要，土壤剪切力或黏結力與土壤根系的生物量成正比[11]。應用碼石扦插聯合技術對邊坡進行綠化后，邊坡植物的存在為生物提供了生存和繁殖的環境，增加了生物多樣性，新增植物有狗尾草（Setaria viridis）、灰綠藜（Chenopodium glaucum L.）、節節草（Commelina diffusa）、委陵菜（Potentilla aiscolor Bunge）等多種草本植物，這些植物的枝葉和根系增加了岸坡的抗侵蝕能力。通過現場挖根測定，完工4a后單株旱柳的根系生物量比完工1a后平均增長了56%，單位面積60cm深土壤中根系生物量較完工1a后增長了62%，大大提高了土壤抗侵蝕、抗沖刷強度。

通過在原始邊坡及完工4a后的小區內表層各取土樣50g，測定土壤中有機質、全氮、速效磷、速效鉀、pH值等理化指標的變化。數據顯示，土壤中速磷、速鉀含量都有所增長，土壤pH值降低了0.06，全氮含量變化不大，說明坡面種植的植物對土壤鉀、磷等營養元素的轉化和有效性具有明顯影響，促進了土壤有機質的礦化作用，此外，碼石扦插生態植被護坡促進了坡面土壤腐殖質的合成，增加了土壤有機質的含量，提高土壤的保水保肥性能，土壤理化分析結果見表1。此外，植物可通過蒸騰作用帶走大量熱量，提高空氣濕度，產生明顯的降溫效果。植物在夏季吸收日光能可達25 449.979J，使環境溫度下降3.8℃，使每晝高溫持續時間縮短3h。植物還可吸收空氣中的有毒物質，削減噪音[12]。總之，通過植物措施可以改善邊坡小氣候，營建健康、清潔的坡面環境。

表1 工程實施4 a后土壤理化性質變化情況

2.5 工程示范案例

2005年3月，在位于北京市官廳水庫的黑土洼庫岸采用了碼石扦插護坡技術進行塌岸治理。所防護塌岸高6m，塌岸腳下為寬10m的庫濱帶，坡比為1∶4，黃土坡體，工程實踐長度100m，護坡總面積600m2，所用柳干直徑3～5cm，埋深1m，露出地面部分高30cm。工程工期2個月，5月30日完工。2006年4月的調查結果顯示，項目區柳干成活率達到93%，2007年夏季調查植物長勢良好，成活植被覆蓋率超過90%，邊坡防護效果相當顯著。

3 結語

建設生態護坡對維護坡岸生態系統的完整性與正常功能具有非常重要的意義，我們在進行坡面治理時，應該在確保護坡穩定性的基礎上堅持生態優先的原則，盡量建設與周圍環境相協調的邊坡景觀。植物對邊坡的穩定性至關重要，植物覆蓋可阻止地表侵蝕，根系可穩固邊坡土壤，提高土壤剪切力。運用碼石扦插技術進行生物護坡建設，具有生態、經濟和美學優勢。通過采用該技術，邊坡的物種數量明顯增加，為其他物種（包括動物和植物）的生長創造了良好生境。隨著植物群落的長成和成熟，植物根系的生長和擴張，邊坡生態系統更加完善和穩定，對控制水土流失和土壤侵蝕，對整個坡面生態系統和坡面土壤的改善作用越來越明顯和突出。

針對不同的坡岸情況，譬如坡面的地質、地形、氣候、水文條件等自然因素，應因地制宜地選擇坡面加固技術至關重要。碼石扦插柳干技術適用于坡比緩于1∶1.5，土層厚度大于30cm的土質邊坡。工程完工后，澆水不宜過勤，否則會沖刷柳條新發根系，致使根系過淺不利于后期生長。

碼石扦插聯合技術護坡技術作為土壤生物工程的一種，雖然擁有眾多優點，但如果不嚴格遵守施工原則，單純為了達到治理的目的而不考慮環境的適應性，土壤生物工程的意義也就無從談起。今后的研究方向可放在不同地區和地點，邊坡喬灌草種的最佳組合、限制或促進物種存活的生物和物理因素上，以建立穩定的坡面植物群落，實現更好的穩固邊坡效果。

[1]周成.植被防護土坡的計算方法[M].北京：中國水利水電出版社，2008.

[2]張劍飛.中國公路發展與展望[J].交通運輸系統工程與信息，2006，6（1）：9－11.

[3]United Stated Department of Agriculture.Soil Bioengineering for Upland Slope Protection and Erosion Reduction[M].Natural Resources Conservation Service，1992.

[4]Li M H，Eddleman K E.Biotechnical engineering as an alternative to traditional engineering methods：A biotechnical stream bank stabilization design approach[J].Landscape Urban Planning，2002，60：225－242.

[5]李小平，張利權.土壤生物工程在河道坡岸生態修復中應用與效果[J].應用生態學報，2006，17（9）：1705－1710.

[6]北京市水務局.建設項目水土保持邊坡防護常用技術與實踐[M].北京：中國水利水電出版社，2009：40－45.

[7]Daily G C.Natures Services：Societal Dependence on Natural Ecosystems[M].Washington DC：Island Press，1997：38－42.

[8]高甲榮，劉瑛，Hanspeter Rauch.土壤生物工程在北京河流生態恢復中的應用研究[J].水土保持學報，2008，22（3）：152－157.

[9]徐錫榮，唐洪武，宗競，等.長江南京河段護岸新技術探討[J].水利水電科技進展，2004，24（4）：26－39.

[10]婁會品.土壤生物工程在北京山區公路綠化中的應用[J].中國水土保持，2010（3）：15－18.

[11]陳小華，李小平，張利權.河道生態護坡技術的水土保持效益研究[J].水土保持學報，2007，21（2）：32－35.

[12]劉瑛，高甲榮，張金瑞，等.扦插—拋石聯合技術的構建與應用[J].水利水電科技進展，2009（8）：47－50.