伊犁地區公路邊坡不同植物組合的水土保持效應研究
——以S242線鞏留至尼勒克公路建設為例

李宏鈞，劉 濤，張曉峰，李 偉

（交通運輸部科學研究院，北京 100029）

0 引言

公路建設是一項與自然環境緊密相關的工程，不可避免地會破壞沿線生態環境，造成水土流失[1]。據統計，每新建1km的高速公路最高可占地5～7公頃，如不做好水土流失防護措施，僅路基主體每年即可新增水土流失2000～5000 t/km[2]。土壤侵蝕的持續發生不僅會使土壤質量下降[3]，導致土地退化，還會造成生態系統服務功能下降、作物產量降低，危及飲用水安全，甚至擾動碳平衡等一系列生態環境問題[4]。

長期以來，諸多學者對公路建設中的水土流失防治做了大量研究。美國Forman等[5]分析了道路對水文及整個生態系統的影響，發現道路修建會加快土壤侵蝕過程；德國土壤學家沃倫[6]通過試驗發現植被可以防止土壤侵蝕，揭開了利用植被治理水土流失的序幕；Hengchaovanich[7]通過試驗發現，植物根系能明顯增大土壤的抗剪強度，其中每一單位草本植物的抗剪強度增加值是樹木根系的2～3倍；日本在建設公路時一直以工程兼顧綠化為主要思想，不斷加強喬木、灌木與草本相結合的多層次綠化，形成了邊坡生態防護體系[8]。目前我國公路邊坡水土流失治理基本以草本為主[6]。高強等[9]認為植物防護措施的選種應強調生態適應性、功能綜合性和抗逆性；穆立薔等[10]通過室內試驗和室外調查高等級公路邊坡野生植物種類，篩選出了適宜黑龍江省公路邊坡生態防護的植物種類；蔣德松等[11]通過實地調查生態防護植被，篩選出了適宜廣西寨任路巖質邊坡防護的草種；王大慶[12]在天山自然保護區開展試驗，發現植被可有效減小徑流速率與產沙量；朱兆華等[13]通過在深圳市橫坪快速路進行實地試驗，發現假儉草能快速固定裸露坡面的土壤基質，保持水土，生態防護效果良好。現有的研究發現，植被防護可顯著減少土壤侵蝕[14]，但關于伊犁地區相關方面的研究卻鮮見報道[15]。由于伊犁地區獨特的氣候條件和區位環境，其他區域的研究成果難以直接應用，因此借鑒現有研究成果，建立契合伊犁地區環境特色的公路植物水土流失防治措施具有重要意義。

本文在對伊犁地區植物群落調查的基礎上，篩選出7種生長迅速、抗逆性強的植物進行組合搭配，用于S242鞏留—尼勒克公路建設中的邊坡水土流失防治，從土壤性質變化的角度對比分析不同植物組合的水土保持效應，以期篩選出水土保持效果較好的植物組合，為伊犁地區環境類似區域的公路工程建設中的水土流失防治提供參考。

1 試驗設計和數據采集

試驗依托S242線鞏留—尼勒克公路展開，地理坐標為82°15′25″～ 82°25′33″E，43°35′0.5″～ 43°49′47″N，屬天山北麓阿布熱勒山區，大陸性溫帶半干旱氣候[16]，土壤以灰鈣土、潮土為主[17]。

通過調查伊犁地區鄉土植物種及可成熟引用的植物種，結合其公路建設中的水土流失防治需要和植物景觀融合需求，篩選出細莖冰草、高羊茅、披堿草、紫花苜蓿、紅豆草、檸條、紫穗槐等7種植物，組合搭配后用于邊坡試驗。試驗配置了4種植物組合，設置裸坡對照（CK），每個小區面積為5m×5m，坡度為1∶1，重復3次，共計15個試驗小區，具體試驗設計見表1。

表1 4種植物組合

試驗小區布設完成后，定期觀測各個小區的水土流失情況，統計侵蝕溝的數量，測量侵蝕溝的長度、寬度及深度，并采集小區坡面原狀土樣，密封封存后帶回實驗室進行分析，采用浸水試驗和原狀土水槽沖刷法分別測定土壤抗蝕性和抗沖性。本文所用數據為小區布設1年后觀測所得。

2 不同植物組合對公路邊坡土壤性質的影響

2.1 不同植物組合對土壤機械組成的影響

土壤機械組成是指土壤中礦物顆粒的大小及組成比例，直接關系到土壤的保肥保水和通透性等[18]，間接影響著植物的生長。測定各植物組合下的土壤機械組成，分析其砂粒、粉粒和黏粒的含量，所得結果見表2。

表2 不同植物組合的土壤機械組成

根據表2的測定結果，對照國際制土壤質地分級標準，確定CK小區的土壤質地為壤土，經不同植物組合處理后，其土壤砂粒、粉粒和黏粒含量均產生了變化。

試驗區域的土壤砂粒含量較CK小區均有所減小，從小到大依次為：丁＜丙＜乙＜甲＜CK。其中，丁植物組合的土壤砂粒含量降幅最大，相比CK小區降低了31.85%。土壤粉粒和黏粒含量較CK小區有所增加。其中，丁植物組合的土壤粉粒和黏粒含量增幅最大，土壤粉粒含量相比CK小區提高了25.23%，土壤黏粒含量相比CK小區提高了58.26%。對照國際制土壤質地分級標準，發現經植物處理后的土壤質地為粉砂質壤土，說明所配置的植物組合對該區域的土壤改良效果較為明顯，其中添加了灌木的丁植物組合對土壤的改良效果相對更好。

2.2 不同植物組合對土壤容重和孔隙度的影響

土壤的容重和孔隙度是土壤的基本物理性質，直接影響著土壤的蓄水能力和透氣性，間接影響土壤的肥力和植物的生長[19]。植物根系在土壤中生長，相互纏繞交叉，改變了土壤顆粒空間分布，使土壤變得疏松多孔，土壤的容重降低，孔隙度提高[20]。土壤容重和土壤孔隙度與植物相互影響，形成良性循環，使得植物可發揮較好的水土保持效力。檢測各個試驗小區的土壤容重和土壤孔隙度，所得結果見圖1。

圖1 不同植物組合下的土壤容重和土壤孔隙度

從圖1可知，試驗小區的土壤容重介于1.25～1.45g/cm3之間，從小到大依次為：丙＜丁＜乙＜甲＜CK。采取了植物布設措施的小區其土壤容重明顯小于CK小區，其中丙植物組合土壤容重降幅最大，為10.56%。土壤孔隙度與土壤容重表現出相反的規律。土壤孔隙度介于40%～50%之間，從小到大依次為：CK＜甲＜乙＜丁＜丙。其中，丙植物組合下的土壤孔隙度增幅最大，為4.88%。

土壤非毛管孔隙的多少和聯通性的好壞直接影響著土壤的通氣性能[21]。非毛管孔隙是土壤快速儲水的場所，非毛管孔隙度越大，表明土壤中可能吸持的無效水容量越小，有效水的儲存容量越大[22]。由圖1可知，丙植物組合的土壤非毛管孔隙度最大，甲、乙、丁植物組合的土壤非毛管孔隙度相差無幾，略小于CK小區，這是由于CK小區砂礫含量大導致其非毛管孔隙度較大，說明丙植物組合下的土壤具有最好的儲水能力，通氣性好，易于植物生長發育。

2.3 不同植物組合對土壤抗蝕性的影響

土壤抗蝕性是土壤抵抗分散和懸浮的能力，是控制土壤承受降雨和徑流分離等過程的綜合效應[23]，是評價土壤抵抗侵蝕應力破壞的能力和土壤質量的重要指標之一[24]。對不同植物組合下的土壤進行抗蝕性分析，其結果見圖2。

圖2 不同植物組合下土壤抗蝕指數隨時間的變化

由圖2可知，隨著土壤浸水時間的延長，土壤的抗蝕性能呈先緩慢減弱，再加速減弱后趨于穩定的趨勢：在5min時，抗蝕指數開始加速減弱，8min時減弱速度開始放緩，9min后抗蝕指數趨于穩定。整體來看，種植植物的土壤其抗蝕性能均高于CK小區。其中，丙、丁植物組合下的土壤抗蝕性能最好，不僅土壤抗蝕指數高，而且抗蝕性減弱速度慢，趨于穩定的土壤也具有較強的抗蝕性。

對不同植物組合下的土壤抗蝕指數S（%）與土壤浸水時間t（min）的關系進行擬合，結果見表3。

表3 抗蝕指數與浸水時間的擬合公式

由表3可以看出，各種組合的相關度R2都很高，表明其數據相關性較高，其關系通式可表示為：

式（1）中：a,b,c,d均為常數。

2.4 不同植物組合對土壤抗沖性的影響

土壤抗沖性是土壤抵抗徑流對其的機械破壞和推動下移的性能[25]，它的強弱主要取決于根系的纏繞和固結作用。這種作用可以提高土體的水穩性和抗沖蝕強度，從而使其不易被徑流帶走[26]。對不同植物組合下的土壤進行抗沖性能檢測，所得結果見圖3。

圖3 不同植物組合下的土壤抗沖性能

由圖3可知，植物組合的土壤抗沖性能明顯強于CK小區，其土壤抗沖刷系數均在1.1L·min/g以上，其中點播灌木的丙、丁植物組合的土壤抗沖性要強于純草本的甲、乙植物組合，丙植物組合下的土壤抗沖性最強，為CK小區的1.57倍，說明所選植物組合均可以提高土壤的抗沖性，增加灌木植物對提高土壤的抗沖性能效果相對更明顯，其根系纏繞和固結作用強。

2.5 不同植物組合的水土流失情況

水土流失量是植物保持水土作用好壞的直觀體現。觀測發現，試驗小區以淺溝侵蝕為主，侵蝕從近路肩的坡面上部產生，由路面匯水下挖沖刷路肩土壤，沖刷到一定深度和寬度后逐漸順坡蔓延向下，坡面中間位置受沖刷較少，溝長多小于2m。分析各試驗小區的水土流失數據，所得結果見圖4。

圖4 不同植物組合下土壤侵蝕情況

植物自然生長1年后，不同試驗小區的土壤侵蝕情況有了較明顯的差異。由圖4可知，土壤侵蝕量從大到小依次為：CK＞丁＞乙＞甲＞丙；侵蝕溝數量從多到少依次為：CK＞甲＞丁＞乙、丙；布設植物措施邊坡的土壤侵蝕量和侵蝕溝數量均小于CK小區。其中，丙植物組合的土壤侵蝕量和侵蝕溝數量均為最少，土壤侵蝕量僅為CK小區的15.3%；甲小區侵蝕溝多，但其整體坡面較平整，土壤沖刷下挖淺，總的侵蝕量小；乙、丁試驗小區隨著侵蝕溝數量的增加土壤侵蝕量增加較明顯，尤其是丁試驗小區，侵蝕溝多，且土壤侵蝕量大，為CK小區的81.6%。

3 基于灰色關聯度法的不同植物組合下水土保持效應評價

3.1 評價步驟

本文采用灰色關聯度法[27]綜合評價不同植物組合的水土保持效應，其評價過程如下。

（1）定義參考數列

式（2）中：X0為參考數列，其值選用每項測試指標的最大值；Xi為比較數列，被評價的對象數為：

（2）關聯系數的計算

先計算比較數列Xi與參考數列X0各對應點的差值絕對值：

然后找出二級最大差和二級最小差，計算關聯系數：

式（5）中：ξi(k)為第k點比較曲線Xi與參考曲線X0的相對值，即Xi對X0在k點的關聯系數；Δ0,i(k)為X0數列與Xi數列在第k點的絕對值，1≤i≤m,m為正數；Δmin,Δmax分別為所有比較序列在各個點的絕對差值中的最小值和最大值；ρ為分辨系數，取值范圍是[0,1]，它由人為設定，屬定性分析的人為系數，用來削弱Δmax數值過大而造成的失真影響，以增加關聯系數之間的差異顯著性，此次試驗取ρ=0.5。

（3）灰色關聯度計算

式（6）中：ri表示灰色關聯度；ξi(k)意義同前。

為了更真實、客觀地衡量各指標的重要性，本研究采用變異系數法來計算指標的權重Wi：

然后，結合關聯度值求灰色綜合評價值Gk：

3.2 水土保持效應評價結果與分析

按以上步驟對原數據進行處理，所得結果見表4。

表4 各評價指標的關聯度和關聯系數

綜合評判值的大小直觀反映了水土保持效應：綜合評判值越大，表示其對應的水土保持效應越好。由表4可知，灰色綜合評判值的大小依次是：丙（0.77）＞丁（0.73）＞甲（0.56）＞乙（0.52）。土壤抗沖性指標與參考指標關聯度最大，說明土壤抗沖性對該區域的水土保持效應影響最大。結果顯示，丙植物組合的水土保持效應最好。

4 結語

本文依托伊犁地區S242線鞏留—尼勒克公路邊坡展開試驗，檢驗了4種植物組合在公路邊坡上的水土保持效應，發現試驗采用的4種植物組合在1年后對邊坡土壤均有一定程度的改良：丁植物組合下的土壤也具有較好的土壤結構，卻產生了較高的土壤侵蝕量，需后續長期監測論證其組合搭配的合理性；純草本植物的甲、乙植物組合在觀測期內保護邊坡效果較為明顯，其效果的持續性還有待持續監測論證。

本試驗植物組合中草本植物居多，旨在以草本植物為先導，改善邊坡微環境，為灌木植物的生長和本土植物向邊坡上蔓延創造條件，但實際觀測中發現灌木生長緩慢，基本以草本植物護坡為主，季節更替中邊坡裸露面積大，易產生水土流失，后續研究可結合各公路沿線的特色，適當增加伊犁特有的野果林植物種，豐富植被群落，實現季節更替中植物水土保持職責的交接，以求達到更好的護坡效果。

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