生產建設項目土質高陡坡面護坡技術研究

林桂芳,曲富榮,劉宏斌,劉文峰

(定西市水土保持科學研究所,甘肅 定西 743000)

定西市位于甘肅省中部,地處黃土高原、甘南高原、隴南山地交會地帶,屬黃土高原丘陵溝壑區,水資源量較少、水土流失嚴重。隨著經濟社會的發展,定西市生產建設項目數量逐年增加,人為擾動地表活動加劇,近年監測數據顯示,生產建設項目開挖或填筑形成的土質高陡坡面引起的水土流失量呈遞增趨勢。本研究以定西市生產建設項目為對象,于2016—2019年開展了分類型、分規模的調查,以全面掌握現狀生產建設項目土質高陡(坡度45°～80°)坡面水土流失的特點、區域分布規律及現狀治理情況等,研究適合該區域長效科學的水土流失防治措施。基于此,2020—2022年選擇渭源縣北寨磚瓦廠土料場土質高陡坡面為試驗對象,開展微型孔植生護坡技術試驗,以期為半干旱區生產建設項目土質高陡坡面提供科學、合理、可操作、可持續的水土流失治理措施。

1 定西市生產建設項目土質高陡坡面水土流失概況

2016—2019年,以系統抽樣的方法,共調查了全市涉及土質高陡坡面水土流失的生產建設項目327項,其中:城鎮建設類項目81項,占總數的24.77%;農林開發類項目66項,占20.18%;公路建設類項目58項,占17.74%;冶金化工類項目57項,占17.43%;其他行業項目數量所占比例均小于10%。327項生產建設項目總占地面積22 740.19 hm2,開挖(填筑)形成的土質高陡坡面面積5 230.24 hm2,高陡坡面治理面積3 397.85 hm2,動用土石方總量93 321.65 m3,開挖土石方總量51 427.83萬m3,棄土石渣總量12 863.15萬m3,水土流失總量227萬t,其中土質高陡坡面水土流失量78萬t。

在全面調查的基礎上選取典型項目,提取影響土質高陡坡面水土流失的主要技術指標,分析其水土流失情況,見表1。由表1可知,水電建設類項目棄土棄渣場區、露天采礦類項目開采區、公路建設類項目路基工程區或填筑區、城鎮建設類項目開挖或填筑擾動區的土質高陡坡面,為土壤侵蝕模數大、侵蝕強度極強烈區域,其侵蝕模數12 000～17 500 t/(km2·a),是人為水土流失綜合防治的“難題”“頑癥”“死角”。經綜合分析,發現生產建設項目土質高陡邊坡引起的水土流失呈遞增趨勢,破壞范圍廣、危害大,且其造成的危害具有漸進性、突發性和災難性,其成因、侵蝕方式、侵蝕規律等較為復雜,治理難度較大。

表1 生產建設項目典型土質高陡坡面狀況及水土流失情況

2 土質高陡坡面護坡技術

2020年,圍繞定西市土質高陡坡面防護存在的難點,選擇渭源縣北寨磚瓦廠土料場土質高陡坡面為試驗對象,采用微型孔植生護坡技術,在土質高陡坡面栽植適生植物,監測其存活、生長情況及土壤水分、產流情況,以期為定西市生產建設項目土質高陡坡面植物護坡提供科學依據。

2.1 試驗區概況

渭源縣北寨磚瓦廠土料場地處渭河發源地,北部為黃土梁峁溝壑干旱區,中部為淺山河谷地帶。屬中溫帶大陸性季風氣候區,年均氣溫8.4 ℃,無霜期135 d;年均降水量525.7 mm,雨季多集中在7—9月;最大凍土深91 cm;風向多為東南風,平均風速2.37 m/s。土料場內無地下水源,以大氣降水為主;場內土壤主要有黑土、黑麻土;植被主要有白樺、山楊、云杉、華山柏、油松、沙棘、枸杞等喬灌木樹種,寬葉薹草、細葉薹草、紫花針茅、鐵桿蒿等草本植物。土料場土質高陡坡面面積約3 000 m2,取土開挖形成的不規則坡面已進行了削坡處理,達到穩定坡比,其中對局部高度大于8 m的坡面進行了削坡開級,并撒播草籽進行了綠化。

2.2 微型孔植生護坡試驗

微型孔植生護坡占地面積小,施工工藝簡單,造價低,可在不規則的高陡坡面施工,建成不同形狀的綠化坡面,增添坡面的綠化層次感,同時可固土保水,防止坡面發生凍融、滑塌等災害。

2.2.1 樣地設置

采用固定樣地,即在坡面上選取3 m×3 m的4塊樣地,標號分別為1#、2#、3#、4#,利用鉆機向下與坡面呈60°夾角鉆微型孔,有利于降水進入孔內[1］。微型孔在坡面的布置形狀一般采取“品”字形或正方形(見圖1)。此次試驗中各布設2塊樣地,“品”字形微型孔行列間距1 m×1 m、孔徑5～12 cm、孔深50～80 cm,布設在1#、3#樣地;正方形微型孔行列間距1.5 m×1.5 m、孔徑10～15 cm、孔深60～90 cm,布設在2#、4#樣地。

圖1 微型孔布置示意

2.2.2 適生樹種選取及種植

定西市生產建設活動形成的土質高陡邊坡是水土流失和地質災害的易發區,需采取恢復植被措施,但其干表土層限制了植被自然恢復。研究表明[2］,在西北黃土區垂直坡面流水型布設深度約40 cm、直徑約12 cm、行列間距50 cm×50 cm種植孔位種植檸條、檉柳效果較好,但從植物的觀賞性,對氣候和土壤環境的適應性和病蟲害防治等方面綜合分析,檉柳更優于檸條[3-5］。根據上述研究成果,土料場氣象、水文及土壤特性,依據“適地適樹、對位配置”的原則,結合現有自然及人工植被的生長情況,兼顧護坡的美觀效應,確定備選的主要樹種為檉柳和檸條。其中檉柳種植在1#、2#樣地,檸條種植在3#、4#樣地。在進行孔內栽植的前一兩天,給孔內灌水1次,以改善孔內水分條件,再將育好的壯苗與育苗袋一起放入孔內,育苗袋的上沿距孔口2～5 cm,育苗袋與鉆孔如有空隙,用土壤填充。栽植完后,立即對坡面澆水,讓育苗袋與鉆孔密實結合,以利于苗木生長。完工后1個月,視天氣及植物生長情況對坡面適當澆水,以便保苗,待定苗后基本無需其他管護。

2.2.3 監測時間

種植后的第1年監測頻率為每月1次,第2年至第3年監測頻率為每年1～2次(夏、秋季)。為便于縱向比較,每次采樣均安排在連續出現晴天之后。

2.3 試驗成效

2.3.1 植物的生長特征

監測并記錄4個樣地植物第1年、第2年的成活率、郁閉度及生長高度等指標,結果見表2。由表2可知,“品”字形微型孔種植檉柳、檸條的成活率、郁閉度、生長高度均高于正方形微型孔種植的檉柳、檸條,其中1#樣地“品”字形微型孔種植的檉柳成活率最高,郁閉度最大,苗木的長勢也最好,說明1#樣地的種植方式更有利于檉柳根系的下扎和生長,檉柳的各項生長指標均優于正方形微型孔種植的檉柳及兩種種植方式下的檸條,因此向下60°角“品”字形微型孔種植的檉柳在黃土區土質高陡坡面適應性更強。

表2 樣地護坡植被生長特征(平均值)

2.3.2 土壤含水率

2020—2022年每年秋季,對4個樣地取表層土至30 cm,測試坡面表層土壤含水率,結果見表3。由表3可知,“品”字形微型孔植檉柳、檸條的坡面土壤含水量均高于正方形微型孔植檉柳、檸條的,其中1#樣地向下60°角“品”字形微型孔植檉柳的坡面土壤含水量最高,說明向下60°角“品”字形微型孔植檉柳能有效地截留雨水,蓄水效果更好。

表3 樣地坡面土壤含水率(平均值)

2.3.3 水土保持能力測定

產流系數、土壤侵蝕模數是衡量植被保持水土、涵養水分等護坡性能的重要生態指標。2020—2022年每年汛期(7—9月)監測并記錄了4塊樣地的產流特征(平均值),見表4。由表4可知,向下60°角微型孔植檉柳的1#、2#樣地土壤侵蝕模數均低于相同年份向下60°角微型孔植檸條的3#、4#樣地,3 a最大土壤侵蝕模數為4 543.00 t/(km2·a),表明土料場汛期產流量高,區域水土流失嚴重,向下60°角微型孔植檉柳護坡表現出更強的保水、保土性能。

表4 2020—2022年每年汛期樣地產流特征(平均值)

3 結論

1)定西市生產建設項目土質高陡坡面引起的水土流失呈遞增趨勢,破壞范圍廣、危害大,且其造成的危害具有漸進性、突發性和災難性的特點,其成因、侵蝕方式、侵蝕規律等較為復雜,治理難度較大,嚴重影響了自然生態環境結構的平衡、區域小氣候的良性發展,制約著區域鄉村振興和當地經濟社會可持續發展。

2)試驗所選取的檉柳樹種具有耐旱耐寒、萌芽力強、生長快、主側根極發達等特性,向下60°角“品”字形微型孔栽植檉柳時,其苗木的成活率最高、生長最快、郁閉度最大,長期固坡攔蓄效果好,既能防止土質高陡坡面水土流失,又能美化坡面,可在西北黃土區推廣應用。