木奇在水土保持植物措施設計中的應用研究

解翼陽,張 帆,王佳欣

[1.黃河勘測規劃設計研究院有限公司,河南 鄭州 450003;2.水利部黃河流域水治理與水安全重點實驗室(籌),河南 鄭州 450003]

水土保持植物措施廣泛應用于水土流失治理,是以控制土壤侵蝕、保護和合理利用水土資源、改善生態環境、增加經濟與社會效益為目的而實施的造林種草等措施,以喬灌草結合進行配置設計。植被種植后需要一定的生長期,在發芽前及北方寒冷的冬季,土壤裸露,易加劇水力侵蝕、風力侵蝕及凍融侵蝕,難以有效預防和治理水土流失。木奇作為一種新型有機覆蓋物在國外已被廣泛應用于綠化建設中,但其在國內綠化及水土保持中的應用仍處于初級階段。本研究利用模糊綜合評價法分析木奇在水土保持植物措施設計中的應用,以探究水土保持植物措施設計中低碳綠色的新方法和新途徑。

1 木奇概述

在城市園林綠化中應用的覆蓋物主要為有機覆蓋物、無機覆蓋物及植生覆蓋物三類。木奇(由mulch音譯而來)自20世紀90年代興起于美國,是一種新型有機覆蓋物,以樹枝、樹皮、松針、草屑、木片、果殼等園林粉碎物、廢棄物為主要原料,通過粉碎、發酵、染色、加工、添加微量元素等分級處理,可直接覆蓋于園林植物或者林木周邊裸露土壤,起到保持水土、提高土壤肥力、抑制雜草、減少揚塵、實現園林綠化廢棄物循環利用等作用,是一種綠色環保有機覆蓋物。

1.1 木奇的特點及作用

木奇具有較好的抗風性,并具備抑塵、節水等優點。其表面形態粗糙,在鋪設后,含有的木纖維會出現輕微膨脹,形成網狀交叉,一段時間后覆蓋物底層會產生降解粘連,并與土壤形成一體。跟裸地相比,鋪設木奇可以減輕降雨、沖刷等對地表土壤的侵蝕作用,并提高土壤含水量,顯著降低種植苗木的澆水頻率。因此,木奇對抑制揚塵、保持水土有良好作用,將木奇覆蓋至裸露地表,可有效降低地表風速、吸滯污染物、減少塵源,進而降低都市中PM2.5指數,是名副其實的“土地面膜”。

木奇具有可分解性和可供養性,隨著時間流逝,木奇會慢慢腐朽,并釋放出養分,為土壤提供肥力,而且在其發酵過程中可將病原菌及蟲卵殺死,產生豐富的有益微生物,有益于植物的生長。

木奇具有很好的抗燃性,因為其多采用天然實木制作而成,實木本身著火點較高,且鋪在地面上具有很好的保水作用,因此不易起火。

木奇有調節土壤溫度的功能,在酷熱的夏季,木奇能夠遮擋烈日,降低太陽輻射,避免土壤溫度過高;嚴寒的冬季,木奇可作為土壤的保溫層,隔絕冷空氣,保持土壤溫度,減少極端低溫對植物根系的影響。

木奇具有色彩多樣、保色持久的特點。部分木奇是利用植物提取物作為染料進行染色的,保色期可達2 a以上,在紫外線作用下原有顏色會變淡,但不會全部失色,因此可用于裝扮環境,增添景觀色彩的多樣性(見圖1)。

圖1 木奇應用實例(圖片來源于網絡)

木奇還具有抑制雜草生長的作用,新鋪設的木奇會導致土壤表層的氮元素暫時性缺乏,同時鋪在地表會阻擋陽光,從而抑制雜草種子的萌發和生長。

1.2 木奇對土壤侵蝕的影響研究

目前對于木奇的研究集中在其對土壤水分、土壤溫度、土壤pH值、土壤營養狀況及土壤侵蝕的影響等方面。在美國,有機覆蓋物作為減少水土流失的手段被廣泛應用,林蔭大道的斜坡上或樹下常鋪設一層有機覆蓋物,以防止水土流失。近數十年來,歐美國家通過大量的試驗驗證,得出引起土壤水蝕的最重要因素是雨滴所攜帶的動能的結論[1]。有機覆蓋物能阻擋雨滴對土壤的直接沖擊,從而有效避免土壤濺蝕;能降低地表徑流流速,從而減輕徑流沖刷造成的侵蝕;同時還能顯著降低地表風速,減少風蝕。

2 木奇在水土保持植物措施設計中的應用評價

2.1 評價目的

傳統的水土保持植物措施主要以喬灌草結合進行配置設計,依賴自然降雨或人工澆水等養護方式。部分生產建設項目位于高山丘陵等海拔較高處,土壤立地條件差,冬季少雨干旱,對植物存活有較大影響,若項目區人煙稀少,在沒有人工維護的環境下,植物則會逐漸衰退甚至死亡,難以有效預防和治理水土流失。木奇的鋪設方法簡單易行,維護與管理方便,使用過程中更加安全環保,且使用周期可達到5 a以上,無須經常更換,有效降低了綠化養護與管理成本。水土保持植物措施設計中引入木奇,可以在較少人工維護的環境下,不受季節限制,短時間內覆蓋土壤表面,保護土壤免受侵蝕,從根本上減少水土流失的發生。

2.2 利用模糊綜合評價法評價木奇在水土保持植物措施中的應用價值

模糊綜合評價法是在模糊條件下,充分考慮多種因素影響,出于某種目的對某一事物進行全面評判的綜合決策分析方法。模糊綜合評價法具有結論簡潔清晰、系統性強的特點,能較好地解決模糊的、難以量化的問題,適合各種非確定性問題的解決。

利用模糊綜合評價法可從多個方面對木奇在水土保持植物措施中的應用價值進行綜合評價。以建立因素集、評價集為基礎,結合控制實驗法、樣地實驗法,咨詢相關領域內專家的意見,并對專家意見進行匯總、統計和定量分析,通過熵權法計算出各因素集的權重值,再利用綜合評分法將各指標的得分值加權計算后得出總得分值,即可得出木奇在水土保持植物措施中的應用價值的綜合評價結果。

2.2.1 分析步驟

2.2.1.1 建立綜合評價的因素集

因素集是以影響評價對象的各種因素為元素所組成的一個普通集合,通常用U表示,U={u1,u2,…,ui,…,un},其中元素ui代表影響評價對象的第i個因素,i=1,2,…,n[2]。這些因素,通常都具有不同程度的模糊性。

木奇在水土保持植物措施中的應用價值評價,需要從多個方面進行全面考慮,如木奇對土壤溫度調節的影響(u1)、對土壤保水能力的影響(u2)、對土壤滲透能力的影響(u3),以及節能降耗效益(u4)、技術推廣前景(u5)和技術方法成熟性(u6)等。上述因素組成一個評價指標體系集合,即因素集,記為U={u1,u2,u3,u4,u5,u6}。

2.2.1.2 建立綜合評價的評價集

評價集是由評價者對評價對象可能做出的各種評價結果所組成的集合,通常用V表示,V={v1,v2,…,vj,…,vm},其中元素vj代表第j種評價結果(j=1,2,…,m),可以根據實際情況的需要,用不同的等級、評語或數字來表示[2]。

對木奇在水土保持植物措施中的應用價值進行綜合評價,有很好(v1)、較好(v2)、一般(v3)、差(v4),各種不同評價構成的集合即評語集,記為V={v1,v2,v3,v4}。

2.2.1.3 進行單因素模糊評價,獲得評價矩陣

若因素集U中第i個元素對評價集V中第1個元素的隸屬度為ri1,則對第i個元素單因素評價的結果用模糊集合表示為Ri={ri1,ri2,…,rij,…,rim},其中0≤rij≤1;以m個單因素評價集R1,R2,…,Rn為行組成矩陣Rn×m,即模糊綜合評價矩陣[2]。

結合控制實驗法、樣地實驗法及專家問卷調查結果,利用模糊統計法,借助已有的客觀尺度對各因素集進行評價打分,打分情況(即選擇比例情況)見表1。

表1 木奇在水土保持植物措施中的應用價值評價數據

由表1可得評價矩陣為

2.2.1.4 確定各因素的權重

熵權法是一種廣泛應用于各個領域的客觀賦權方法,指根據已知評價對象指標的數值來確定每個指標所占的權重,對于普通問卷數據或面板數據都可計算。在具體使用過程中,可根據各指標數據的分散程度,利用信息熵計算出各指標的熵權,再根據各指標對熵權進行一定的修正,進而獲得較為客觀的指標權重[3]。熵權法賦權客觀,有理論依據,能深刻反映指標的區分能力,較好地確定權重。

對木奇在水土保持植物措施中的應用價值進行評價時,由于各評價指標的重要程度有所不同,因此采用熵權法確定指標權重。熵權法計算結果見表2。

表2 熵權法計算結果

熵權法的權重計算結果顯示,木奇對土壤溫度調節的影響權重為0.126 19、對土壤保水能力的影響權重為0.132 46、對土壤滲透能力的影響權重為0.105 19、節能降耗效益的權重為0.172 88、技術推廣前景的權重為0.132 46、技術方法成熟性的權重為0.330 83。對各指標權重取3位小數,得到因素權向量A=[0.126,0.132,0.105,0.173,0.132,0.331],其中指標權重最大值為技術方法成熟性,最小值為對土壤滲透能力的影響。

2.2.1.5 建立綜合評價模型

確定單因素評判矩陣R和因素權向量A之后,通過模糊變化將U上的模糊向量A變為V上的模糊向量B,即B=A1×n×Rn×m=[b1,b2,…,bm],代入數值,進行矩陣合成運算:

B=A×R=

[0.126,0.132,0.105,0.173,0.132,0.331]×

此步驟中,選擇使用加權平均型M(·,+)模糊算子進行研究,綜合利用指標權重和輸入數據信息,計算結果見表3。

表3 隸屬度矩陣計算結果

由表3可知,4個評語的權重值分別為0.503、0.277、0.160、0.060,其中“很好”的權重值最高,結合最大隸屬度原則可知,最終綜合評價結果為“很好”。

注：隸屬度是在0～1之間的一個數,用來表示評價對象對評語集的歸屬程度;隸屬度歸一化就是將隸屬度進行歸一化后的結果,與隸屬度不同的是,隸屬度歸一化全部評語相加總和為1。

2.2.1.6 確定系統綜合得分

表4為模糊綜合評價的綜合得分,可用于對總體評價情況進行評估。針對4個評語很好、較好、一般、差,分別賦分為100、80、60、40,計算得出綜合得分值是84.471分,綜合得分介于“很好”和“較好”之間。

表4 綜合得分結果

2.2.2 評價結果

由模糊綜合評價法的評價結果可以看出,從對土壤溫度調節的影響、對土壤保水能力的影響、對土壤滲透能力的影響,以及節能降耗效益、技術推廣前景和技術方法成熟性6個方面對木奇的綜合評判結果為“很好”,因此木奇在水土保持植物措施設計中具有一定的推廣和應用價值。

3 結論

本研究以項目區水土保持植物措施設計為研究對象,以達到良好的保土保水效果為目的,以減少水土流失量為目標,以科學合理布設植物措施為路徑,客觀分析了目前水土保持植物措施設計中植草措施的缺點和可替代性,研究了木奇在水土保持植物措施中的應用可能和潛力,提出了生態、經濟、社會效益相統一的水土保持植物措施配置新模式。

1)針對目前水土保持植物措施配置采用喬灌草的傳統模式,首次引入木奇替代植草措施,提出生態、經濟、社會效益相統一的水土保持植物措施配置新模式,解決了冬季綠化區域土壤裸露問題,可有效避免風蝕、水蝕及凍融侵蝕,做到水土保持植物措施全年覆蓋,最大程度減少項目區水土流失。該方法有助于項目區域生態環境治理,具有一定的創新性和實用性。

2)木奇對比傳統水土保持植物措施中的地被植物優勢明顯,以往水土保持植物措施只考慮單一的植生覆蓋物配置,本方法首次引入有機覆蓋物與植生覆蓋物相結合,為植物提供良好的土壤和生長環境,為水土保持提供更可靠全面的技術支撐,有著重要的現實意義和理論意義。

3)通過模糊綜合評價法評價木奇對土壤溫度調節的影響、對土壤保水能力的影響、對土壤滲透能力的影響,以及節能降耗效益、技術推廣前景和技術方法成熟性等,得出綜合評判結果為“很好”,因此木奇有一定的推廣價值。

4)隨著城市化的逐漸推進,園林廢棄物通過傳統的焚燒和填埋處理不僅浪費資源,還造成極大的環境污染。木奇在水土保持植物措施設計中的應用能有效利用園林廢棄物,變廢為寶,充分將循環經濟發展理念融入水土保持植物措施設計配置中。