高性能植被保護墊對膨脹土邊坡植被恢復影響實驗研究

□ 許英姿 黃 效 許松宜

1 引言

隨著廣西區內重大工程的推進，工程建設中涉及特殊土的工程問題日漸增多。廣西是我國膨脹土的主要分布地區之一[1]，膨脹土因礦物成分而具有脹縮性，主要包括蒙脫石、伊利石和高嶺土。這3種礦物都具有吸水膨脹、失水收縮的特性，其中又以蒙脫石最為顯著。廣西降雨量豐富，由于膨脹土脹縮的特性，夏季溫度高的氣候特點使膨脹土脹縮反復，土體結構在干濕循環的作用下逐漸破碎強度降低，坡面裂隙發育對膨脹土邊坡穩定性降低[2、3]。

近年來，隨著“生態優先、綠色發展”理念的推動，植被恢復是廣西公路建設中有效的邊坡防護方法。植被護坡一方面能有效攔截雨水，減少雨水對坡面的侵蝕，減少自然條件下表層巖土的風化[4]，植被的莖葉使土體晝夜溫差減小，使土坡表層的含水量趨于穩定[5]，減少因不同坡面深度下水分不均勻蒸發而導致裂隙的可能。植物的根系在邊坡上還能起到加筋固土的作用，約束土體裂隙的開展，確保坡面穩定。

針對膨脹土邊坡失穩問題，結合國家生態友好發展戰略，植草加固是工程中常用的方法，將草根作為加筋材料加固膨脹土。目前，已有的膨脹土植草加固邊坡機理研究成果主要集中在含根膨脹土強度提高方面，但膨脹土邊坡防護工程實踐中發現植草在一段時間后坡面仍然會開裂，自身的生態防護效應不足以維持膨脹土邊坡的穩定，且開挖邊坡后進行種植到植被生長發育完全存在一段真空期，容易發生順著裂隙面的淺層破壞。采用植被與高性能植被保護墊（High Performance Turf Reinforcement Mats，HPTRM）相結合的柔性護坡系統可以解決這一問題[6]。HPTRM網是高性能土工材料，具有較高的抗拉強度，約束因膨脹引起裂隙的產生，并且兼具一定的韌性，允許膨脹土產生一定的膨脹變形，減少因膨脹產生的膨脹力對護坡系統的破壞。HPTRM網與植被相結合，植物發揮自身固坡效益的同時兼顧綠色美觀，HPTRM網的存在彌補了植被在防護膨脹土邊坡存在的缺陷[7]，彌補開挖邊坡后植被種植生長的這段真空期。采用以植被為主體的柔性護坡體系防護膨脹土邊坡，是膨脹土邊坡防護的新趨勢[8]，目前對HPTRM網的研究主要是物理力學性質的研究，但針對覆蓋HPTRM網后對植被的生長的影響還較少，對HPTRM植被恢復機理還鮮有研究。

本文研究高性能植被保護墊HPTRM對黑麥草生長發育的影響，分析植被的形態學指標，為在膨脹土邊坡上進行植被恢復提供有益參考。

表1 土樣基本物理力學性質

2 試驗方案

2.1 試驗土樣

試驗的土樣取自于廣西南寧市四十九中膨脹土。根據《土工試驗方法標準》（GB/T 50123—1999），對土樣進行室內基本物理力學試驗的結果如表1所示。

2.2 植被選擇

廣西膨脹土養分試驗結果與土壤養分分級標準表進行比較[9]，其耕植性能遠低于一般根植土，養分貧瘠、土壤結構性差、PH值呈中性或弱堿性。本文選用適合廣西本土生長環境，具有一定抗逆性的禾本科黑麥草進行試驗。

2.3 高性能植被保護墊（HPTRM）影響試驗

研究HPTRM對黑麥草植株生長的影響，設置3組對比試驗，試驗坡度均為15°，試驗條件相同。第1組是純耕植土，第2組為膨脹土上覆蓋薄層耕植土，第3組在第2組相同條件下，膨脹土與覆土之間鋪設HPTRM，待出芽后統計各組的種子發芽率。試驗完成后，各組隨機齊地面割斷30株黑麥草，測量黑麥草植株高度，取其平均值進行比較，并測量各組樣品鮮重，計算黑麥草的含水量，觀察余下黑麥草的生長情況。

3 試驗結果與分析

（1）發芽率影響。經處理，發芽率見表2。

表2 發芽率計算表

結合表2可知：雖然3類試樣的條件不同，但在膨脹土上覆蓋耕植土與純耕植土條件下的發芽率基本一致，在84%～86%。第3種試樣得出覆蓋HPTRM網時發芽率為73%，較無網條件下減少近12%，表明在鋪設HPTRM網時，黑麥草種子因為埋藏較深，呼吸減弱，發芽率將會有所降低。

（2）植株生長影響。觀察各試樣出芽后12天內黑麥草的生長情況，每隔3天齊地測量出芽后的黑麥草長度，試驗結果如圖1（a）所示。

試驗于出芽后第66天結束，隨機抽取30株黑麥草并且齊地割斷后進行測量，統計3類試樣中黑麥草的長度處于不同長度范圍的占比，如圖1（b）所示。

圖1 黑麥草的生長

從圖1（a）得出，在相同的生長條件下，觀察純耕植土試樣黑麥草植株的生長高度，長勢最好，在出芽后第12天超過含有膨脹土試樣4cm～6cm，結果表明膨脹土的養分貧瘠，不適宜大多植被生長，這與廣西膨脹土養分實驗結果的結論一致。最初發芽的前3天，由于膨脹土無網試樣的種子埋藏較淺，種子與空氣有良好的接觸，無網試樣出芽較快。但是于出芽的第3至4天后，含有HPTRM網試樣的黑麥草平均長度逐漸超過無網試樣，在出芽后第12天黑麥草的平均長度超無網試樣2cm。這表明HPTRM網改善土壤的通氣性，對微生物和農作物生長有一定幫助，能夠促進黑麥草初期的生長。

由圖1（b）可知，純耕植土的黑麥草平均生長高度最高，其中最高的植株高度可達40cm以上，膨脹土覆耕植土試樣長度范圍主要集中在30cm～35cm，占比44%；20cm～25cm次之，占比37%，最高植株可達35cm～40cm。膨脹土上覆耕植土并鋪網的黑麥草生長更為均勻，長度大致相等，均在25cm～35cm范圍內，占比72%。且最高植株達35cm～40cm范圍的株數較無網試樣多，說明HPTRM能夠有效地給試樣進行水的重分布，使黑麥草生長得更為均勻。

（3）含水率影響。經烘干處理，3種不同條件下生長的黑麥草的植株干重（DW）和平均含水率如圖2（a）和圖2（b）所示。

從圖2（a）發現，純耕植土條件下的黑麥草的干重較其他兩種試樣要高0.05g左右，膨脹土經覆土后有無HPTRM網對黑麥草的平均干重影響較弱，HPTRM網的覆蓋對植物生長進行的光合作用沒有明顯的阻礙，生產的無機物產量基本不變，黑麥草正常生長。

圖2 黑麥草的單株干重和平均含水率

由圖2（b）可知，3種不同條件下黑麥草的平均含水量基本相同，黑麥草的平均含水量均在88%～90%。結果表明在膨脹土上覆土與純耕植土條件下，黑麥草持水能力相差無幾。在此基礎上鋪設HPTRM使土壤具有更好的持水能力，比無網試樣多1%的自由含水量，生長狀況良好。

試驗結束后停止澆水，3天后觀察純耕植土和無網條件的試樣均出現不同程度的枯萎，但覆有HPTRM網的黑麥草仍正常生長，沒有明顯的衰敗跡象，表明HPTRM對黑麥草的耐旱能力有顯著提升。

4 結論

經覆土改造后膨脹土鋪設HPTRM的黑麥草出芽后植被的生長速度較無網快。在供水條件不足下，鋪設HPTRM使土壤具有較好的持水能力，植被的單株含水量和干重較無網條件高。鋪設HPTRM網后黑麥草生長較為均衡，植株高度大致相同。HPTRM能夠進行水的重分布，在邊坡表面覆蓋HPTRM使得植被的耐旱能力較無網時得到了提升。