黃土區邊坡陡坡段植被建植技術及應用效果

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)

隨著國民經濟的飛速發展以及西部大開發的逐步推進，越來越多的工程項目在西北半干旱黃土地區進行。而工程建設不可避免對當地的生態系統進行擾動和破壞，使工程范圍內生態系統遭到破壞，生態環境惡化，植被退化。

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

1 研究方法

1.1 研究區概況

研究區選在甘肅省蘭州市西北民族大學附近的南山裸露邊坡，屬于黃土邊坡，土質疏松，且坡度較陡，約為55°。該區屬于中溫帶半干旱大陸性季風氣候，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

由于本研究區土質疏松，坡度較陡，一般的建植技術在該區域進行修復時，效果較差，無法滿足植被的生長需求和植被穩定性。因此針對此情況，結合工程防護措施，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，并對3種建植技術的修復效果進行對比研究。

3種建植技術的主要原理是利用錨索框架對邊坡進行加固，起到穩定邊坡的作用，防止產生滑坡、垮塌的危險。平鋪袋法和梯田袋法結合植生袋法對邊坡進行生態修復，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物質進行改良，作為植物生長的基質。植生袋的作用主要是減少植生基質的流失，為植被生長提供一個穩定的條件。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的邊坡表面，將裝有植生基質和種子的植生袋平鋪于錨索框架內，并進行錯位碼放，提高植生袋的穩定性，具體如圖1和圖2所示。利用該方法建植的小區標記為A區。

圖1 錨索框架植生袋平鋪法側視示意圖

圖2 錨索框架植生袋平鋪法建植區正視示意圖

(2) 錨索框架植生袋梯田法。在錨索框架內修筑臺階，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，具體如圖2和圖3所示。利用該方法建植的小區標記為B區。

圖3 錨索框架植生袋梯田法建植區正視示意圖

(3) 錨索框架內梯田法。在錨索框架內修復臺階，然后將植生基質平鋪與臺階上，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，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標記為C區。

圖4 錨索框架內梯田法建植區示意圖

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，取樣點和監測點區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，對各建植區的生態修復效果進行監測，以排除初期人為養護條件的干擾，后期不進行人為灌溉和養護。該區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的2 d進行監測。

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查。

(2) 土壤含水量。在每個小樣方內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。利用環刀法測定土壤容重，在小樣方內進行分層取樣，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。由于現場受錨索框架結構和地形條件的限制，不宜建立徑流場，因此選用釘樁法進行土壤侵蝕模數的測定，具體布設方法詳見孔令偉等[1]研究。根據文獻中的方法增加了釘樁的布設密度，盡可能的反映出真實的土壤侵蝕狀況。在每種建植區的坡中位置分別布設2組徑流場，布設面積為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 結果與分析

2.1 植被生長狀況

表1為修復3 a后的植被生長狀況統計結果，從植被種類來看，建植A區中植被種類最多為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，植物群落更趨于穩定。其次是B區為4種植被，其中3種為人工植被，1種為野生植被。C區植被種類最少僅為2種，1種人工植被，1種野生植被。從植被蓋度來看，A區植被最高為85%，其次B區為60%，C區蓋度最小僅為12%。從結皮情況來看，A區地表有生物結皮現象，并與植被形成良好的互利共生現象，C區地表有物理結皮，且結皮較厚約1 cm，而B區斜面處分布有少量物理結皮現象。

表1 黃土區邊坡陡坡段修復3 a后植被生長狀況統計

從整體來看，A區植被生長狀況、物種多樣性和植被蓋度方面均比B區和C區的好。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，防止植生基質的流失，為植被生長營造一個良好的生存環境。當植被生長到一定程度后改變了區域小環境，使得生物結皮能夠發育，形成一種互利共生現象[6]。而B區采用的是梯田袋法，在初期植被生長狀況良好，但由于植生袋側面無植被防護，導致植生袋側面風化嚴重，造成部分植生基質流失，逐步形成一個斜面，導致B區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，不利于生物結皮的存在，因此直角處地表基本無結皮現象，而其余地方蓋度較小，有少量物理結皮現象。C區植物種類、植被蓋度等均比較低，主要是由于植生基質流失嚴重，不利于植被生長，而物理結皮現象的發生，與自身土質條件有關外，還與降雨強度等外部因素有關[7]。

2.2 土壤含水量變化狀況

從圖5中可知，同一土層下，不同建植區內的土壤含水量呈現不同的變化規律；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出不同變化規律。

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

在土壤表層0—2 cm間，其含水量變化為A區>B區>C區，各區之間含水量差異性顯著，其中A區含水量分別為B區和C區的1.47倍和2.02倍；在土層2—10 cm處和10—20 cm間的含水量均表現為B區>A區>C區，在2—10 cm處B區含水量為6.85%，分別比A區和C區含水量高2.32%和4.21%，且各區之間差異性顯著；10—20 cm處，B區與A區和C區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，B區土壤含水量最高，其次是A區，C區土壤含水量最小。

A區與C區土壤含水量隨土壤深度的增加呈現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律可能與土壤結皮、植被蓋度、植被分布以及地表枯落物等有關。從表1中可知，A區植被種類較多，蓋度較高，且土壤表層有較多的生物結皮。而生物結皮和地表枯落物具有涵養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。但生物結皮在提高表層土壤水源涵養功能的同時，也抑制了水分下滲的速率和下滲量[8-9]，導致結皮下層區域內的土壤含水量降低。較深層的土壤含水量受地下水等環境的影響[10]，且植被、枯落物和生物結皮的覆蓋等影響減少了土壤水分的蒸發，因此，深層次的土壤含水量增高。C區中物理結皮同樣對水分的入滲具有較強的阻礙作用，減少土壤水分蒸發作用，因此C區土壤含水量呈先下降后上升的變化趨勢。而B區中結皮蓋度較小，對水分下滲的抑制作用較小，且植物微環境和B區臺階處理可增強水分的下滲速率和涵養功能，因此，B區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構狀態，是土壤水源涵養功能的重要指標[1,11]。土壤容重分級標準如表2所示[12]。

表2 土壤容重分級標準

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

圖6 不同建植區土壤容重變化特征

土壤容重大小與土壤密度、土壤孔隙度以及養分狀況等有關。A區植物種類、植被蓋度較高，植物根系可改善土壤孔隙狀態，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和養分含量，改善微生物生存環境，從而改善土壤質地結構，且A區土壤表層分布有生物結皮，而生物結皮在發育過程中可顯著提升土壤孔隙度，并降低結皮下層的土壤容重[14]，多種因素導致A區0—10 cm土壤容重降低；而10—20 cm土層處生物結皮等對其影響程度降低，導致土壤容重有所提升。C區0—10 cm處土壤容重相對較低，主要是由于表層物理結皮導致，物理結皮層土壤粗顆粒減少，細顆粒增多[15]，且結皮層與土壤之間有一定的空隙，從而導致該層土壤容重較低。B區從植被種類、蓋度、數量等方面均比A區的低，且土壤表層分布少量的物理結皮，因此B區在0—10 cm處，土壤容重相對較高。

2.4 土壤侵蝕模數變化狀況

由圖7可知，不同建植區下土壤侵蝕模數排序為：A區

圖7 不同建植區土壤侵蝕模數變化特征

有研究表明，土壤侵蝕模數的大小與植被蓋度、物種多樣性、土壤含水量、土壤養分含量、土壤容重等有關[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；在一定范圍內土壤表層含水量高有利于土體穩定[21]，可有效降低水力侵蝕和風力侵蝕的作用；隨著土壤容重的增加，土壤的團粒結構減少，土壤變得緊實，水分入滲能力降低[21]，導致徑流量增大，使土壤侵蝕加劇[22]。

除此之外，土壤侵蝕模數還與土壤結皮狀態、植物根系、枯落物分布等有關。物理結皮降低了水分入滲，同時增加了坡面徑流量，增強了徑流的輸沙能力和剪應力，導致土壤侵蝕的加劇。而生物結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定性，增強土壤的抗剪切應力，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。土壤侵蝕模數的變化是多因子綜合作用的結果，因此呈現出A區土壤侵蝕模數最小，C區土壤侵蝕模數最大。

3 結 論

(1) 錨索框架植生袋平鋪法建植技術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，錨索框架梯田法建植技術下的植被生長狀況最差，土壤侵蝕模數最大。

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

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