一種線性工程邊坡植物防護措施的新思路

［關鍵詞］秸稈摻混；植物措施；邊坡防護；線性工程

［摘要］線性工程施工結束后，土體結構不穩定的邊坡是土壤侵蝕的主要源地。植物措施是減少水土流失、保持邊坡穩定性的重要措施，但在布設初期，植物的減蝕效應難以達到預期目的。總結了前人關于坡面土壤侵蝕防治的相關成果，基于秸稈和植物措施的強大減蝕作用，初步提出了一種線性工程邊坡秸稈摻混與植物措施相結合的防護措施布設新思路，以彌補植物生長初期減蝕效應不足的缺陷，同時指出目前在摻混減蝕效應臨界平衡點和施用標準方面尚需進一步研究。

［中圖分類號］S157[文獻標識碼]ADOI：10.3969/j.issn.1000-0941.2024.07.010

［引用格式］王賀，陳二霞.一種線性工程邊坡植物防護措施的新思路[J].中國水土保持，2024（7）：31-34.

線性工程是一種呈線性分布且具有較大布局跨度的生產建設項目，主要包括輸油（氣）管道、輸變電線路、公路、鐵路等[1]，其施工過程會對沿線自然環境造成破壞，尤其是在基礎開挖過程中會擾動原狀土壤結構，造成土體結構松散，在降雨和徑流的作用下會產生嚴重的水土流失，導致人為侵蝕[2]。據統計，我國每年因開發建設等人為活動導致的水土流失面積達到1萬km2，年侵蝕量達8億多t[1]，其中線性工程造成的水土流失占比較大。線性工程產生的水土流失一方面來源于施工過程，如基礎開挖會對工程兩側的土體和邊坡造成嚴重破壞，進而產生水土流失；另一方面，施工結束后，需要進行整理和綠化的工程邊坡或棄土場邊坡土體松散，極易產生嚴重的土壤侵蝕，從而影響工程土體邊坡的穩定性[3]。據統計，線性工程中僅高速公路項目的建設，每年就會形成邊坡2億～3億m2[4]，嚴重加重了我國水土流失的防治任務。大量研究證明了植物措施能夠有效減輕邊坡土壤侵蝕[5]，增加其結構的穩定性[6]。在我國的邊坡綠化中，常用喬、灌、草相結合的方式對邊坡進行防護，以增強邊坡的穩定性，使植被的減蝕效應得到有效發揮。但受土壤和水分條件的制約，以草本植物為主的邊坡防護措施最為常見。目前在道路邊坡防護中，常用的草本植物種有披堿草、苜蓿、狗牙根、黑麥草、白三葉等，均可起到很好的水土保持作用[1，7]。但是，邊坡綠化多以播撒草籽的方式進行，在生長初期，植被對土壤侵蝕的削減效應難以達到預期目標[8]，此時容易產生較大的水土流失風險，影響主體工程質量。因此，植物措施布設初期的邊坡防護措施也成為當前的研究要點。本研究在綜合以往坡面土壤侵蝕防治措施的基礎上，提出了一種適用于線性工程邊坡植物防護措施的新思路。

1植物措施的減蝕效應

植物對土壤侵蝕防治的顯著效果已被大量學者所證實[9]。研究表明，植物措施可使坡面產沙量顯著降低98.0%～99.9%[10]。基于植物措施較強的減蝕效應，研究者們對其機理進行了探究[11-12]，發現植物不同部位的減蝕機理存在較大的差異。植物地上部分主要通過減弱雨滴動能和影響坡面水流阻力的方式調控土壤侵蝕[13]，若去除植株地上部分，則坡面產沙量會大幅度增加［5］。但是植物地上部分對土壤侵蝕的調控效應遠小于地下根系[5]。根系主要通過物理纏繞和化學黏結作用固結土壤，增加土體結構的穩定性，進而強化土壤的抗蝕性能，實現對土壤侵蝕的調控[14]。徐宗恒等[15]研究表明，當土壤中根系含量為1.4mg/cm3時，其在300kPa正壓力下的土壤抗剪強度約為素土的1.13倍。抗剪強度的增加強化了土壤的抗沖性能，含根土體的抗沖能力較農地顯著增加0.71～9.82倍[16]。

植物的減蝕效應與所選植物種類、栽植密度和生長年限密切相關。多數研究表明，具有須根系的草本植物對土壤侵蝕的削減效應強于直根系的草本[17]，如在常恩浩[9]的研究中，須根系的白羊草樣地的平均剝蝕率較直根系的鐵桿蒿樣地降低了約80.90%。占海歌[18]則指出，當香根草播撒密度在10～20g/m2之間時，才達到侵蝕防治的最佳栽植密度；當栽植密度超過20g/m2時，其對土壤可蝕性及產沙量削減的強化效應并不明顯。栽植年限會影響土壤中植物根系含量和土壤性質，進而影響其減蝕效應。YAOetal.[8]對農地的試驗研究發現，隨著谷子和玉米生長時間的增加，土體中的根系密度及土壤黏結力均會得到有效提升。LIUetal.［19］發現了相似的現象，即當黑麥草的生長期限由28d增至112d時，土體中的根系密度顯著增加。根系增加和土壤性質改善會使侵蝕阻力增加，從而使土壤分離能力及土壤流失量減小。如在郭明明等[16]的研究中，當植物恢復年限小于3a時，土壤抗沖性較農地增加不顯著；而當恢復年限超過3a時，土壤抗沖性顯著好于農地。這進一步說明植物對邊坡土壤侵蝕的防護存在時間效應，尤其當植物生長時間較短時，難以實現其預期的減蝕效果。

綜上可以推斷，線性工程邊坡防護過程中可以優先選擇須根系草本植物作為主要綠化植被，10～20g/m2的栽植密度可以作為參照標準，當然該密度應隨著項目區自然條件和項目需求的不同而變化。但在邊坡綠化過程中，仍需要解決植物措施布設初期防治土壤侵蝕效果較弱的問題。

2秸稈摻混的減蝕效應

作物秸稈是一種獲取較為容易且廉價的材料，當其覆蓋在土壤表面時，能夠有效地減弱雨滴擊濺和徑流沖刷過程中的侵蝕動能，進而實現減輕土壤侵蝕的目的[20]。因此，秸稈覆蓋也成為一種有效的坡耕地保護性耕作措施[17]。當前研究中，多以秸稈的表面覆蓋為主，通過將秸稈均勻地撒至農田土壤表面來實現調控土壤侵蝕的目標。如徐錫蒙等[21-22]研究表明，秸稈覆蓋會使水流的阻力系數增加22.4%～43.3%，產沙量平均降低31.6%。但是不同于秸稈表面覆蓋，秸稈摻混是將秸稈添加至土壤中，通過增加土壤侵蝕阻力的方式實現泥沙削減目的的一種秸稈施用方式[17]；并且相對于秸稈表面覆蓋，秸稈摻混對坡面產沙的阻控效應更強[23]。也有研究者對秸稈摻混至公路邊坡土體后坡面的力學性能及產沙量進行了初步探究，如盧浩等[24]發現，當麥秸稈摻混至土體后，坡面的產沙量較素土最大可降低41.9%。

秸稈的減蝕效益與秸稈種類、秸稈量、秸稈長度等秸稈因子及秸稈摻入土壤的時間和厚度密切相關。多數研究表明，坡面產沙量隨著秸稈施用量的增加而減小，但會隨著秸稈長度的增加而增大[17，23]，并且存在對坡面產沙量具有最大削減效應的秸稈因子組合。如MAetal.[17]研究發現，當坡面摻混的小麥秸稈量為3.5t/hm2、秸稈長度為8～10cm時，坡面的產沙量最低；若秸稈施用量或施用長度低于或超過這一臨界條件，則會導致秸稈對坡面產沙量削減效應的減弱。胡海波等[25]指出，當秸稈摻混土層的厚度達到5cm時，即可達到對坡面較好的防護效果，此時的土壤流失量較低。此外，秸稈具有較強的韌性，是一種較好的加筋材料，將其摻混至土壤中后，土壤的抗剪性能會顯著增加。如盧浩等[24]研究發現，當土壤中添加秸稈材料后，土壤黏聚力最大可增加311.6%，內摩擦角最大增加52.7%，有效提升了土體結構的穩定性和抗蝕性能。因此，在施用初期，秸稈可以起到較好的減蝕減沙效應。然而，秸稈作為一種天然有機材料，在微生物的作用下會逐漸分解[26]，導致秸稈對土體的加筋效應逐漸減弱，進而影響土體的力學性能和抗蝕性。但同時，秸稈的分解也會增加土壤有機質含量、團聚體水穩性等[27]，增強土壤抗蝕性。因此，秸稈摻混對坡面產沙的削減效應可能會存在臨界時間節點，在此節點由秸稈分解導致的加筋作用的弱化，會與因秸稈分解而增加的土壤抗蝕性達到平衡狀態。但是，秸稈摻入土壤后多久會失去其減蝕效應還未有明確研究結論。

綜上，當秸稈摻混量為3.5t/hm2、秸稈長度為8～10cm、秸稈摻混土層厚度達到5cm時，秸稈摻混可能達到最佳的減蝕減沙效應。

但是這一結果也會隨著秸稈的種類、土壤性質、地形等條件發生變化。

3基于秸稈摻混與植物措施相結合的邊坡防護新思路

為解決邊坡草籽播撒階段及植物生長初期，植物措施難以達到其預期減蝕效應的問題，綜合植物措施布設和秸稈摻混對坡面產沙影響的時效性分析，本研究初步提出：可在播撒草籽之前對0～5cm的表土混入長度為8～10cm的小麥秸稈（混入量3.5t/hm2）；然后在其表面播撒以披堿草、狗牙根、黑麥草、白三葉為代表的須根系草本植物草籽，播撒密度設為10～20g/m2；最后在草籽表面覆蓋一層薄薄的表土，以防止草籽難以混入土壤而影響發育。秸稈在施用初期具有較強的減蝕效應，可有效彌補植物措施布設初期根系含量較少和改良土壤效果較弱而導致的坡面侵蝕防護效果較差的問題，而且土體中分布的秸稈可為根系的生長提供支撐點，細小的毛根纏繞秸稈生長，可形成加筋土條件下的根土復合結構，具有較強的結構穩定性；隨著秸稈施用時間的延長，秸稈的分解也會為植物的生長提供一定的營養成分，解決因工程邊坡土壤性質較差而難以滿足植物生長需求的問題；當秸稈完全分解后，植物的生長也到了穩定階段，植物的防護功能開始凸顯，秸稈加筋效應可被植物根系有效替代，使得土體依舊具有較強的抗蝕性能[24]，工程邊坡始終保持較為穩定的狀態，從而實現較好的水土保持效益。然而，以上提出的秸稈施用標準以及草籽的播撒標準還需要結合項目區的自然條件，通過大量的試驗進行科學論證。

此外，李麗華等[28]雖然初步介紹了通過秸稈加筋和土木格柵相結合的方式進行邊坡綠化的方法，但并未對秸稈的施用標準及植物措施的布設標準等諸多問題進行有效的量化。因此，對于秸稈加筋土條件下最佳草種及其布設標準的探究，以及秸稈摻混和植物措施復合條件對土壤理化、力學、水文性質的影響機制、規律，對土壤可蝕性及產沙的機理解析等一系列問題還有待深入研究。但是通過施加秸稈的方式增加土體的抗蝕性，從而彌補植物生長初期減蝕效應不足的思路是可行的，因為已有研究表明，將秸稈粉碎成秸稈泥噴灑至工程坡面，可有效提升線性工程坡面草本植物的生長效果[29]。

4結束語

本研究在綜合坡面植被和作物秸稈對坡面減蝕減沙效應的基礎上，提出了一種線性工程邊坡防護的新思路，即：在播撒草籽之前對0～5cm的表土按照3.5t/hm2的用量標準混入長度為8～10cm的小麥秸稈，然后在其表面播撒須根系草本植物草籽，播撒密度為10～20g/m2，最后在草籽表面覆蓋一層薄表土。這一思路可有效解決邊坡植物措施布設初期難以達到預期的土壤侵蝕防控效果問題。但是此方法在具體實施過程中的秸稈摻混標準以及植物草籽的施用標準還需要基于大量的試驗進行論斷，從而優選出不同自然及工程條件下的措施布設體系，為線性工程的邊坡綠化防護提供切實可行的技術支撐。

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收稿日期：2023-08-16

第一作者：王賀（1989—），男，河北肅寧人，工程師，碩士，主要從事生產建設項目水土保持監督管理、水土流失綜合治理工程建設管理等工作。

E-mail：937595270@qq.com

（責任編輯徐素霞）