交通工程中有机物用量对植被护坡基材性能的影响研究

侯铁军　钱觉时　虞卫国

摘要 [目的] 研究交通工程中有机物用量对植被护坡基材性能的影响以及有机物的合理用量。

[方法] 根据有机物用量对植被护坡基材抗侵蚀性、基材结构、pH的影响进行试验，分析相应的影响规律。[结果] 随有机物用量增加植被护坡基材碱性降低；有机物用量增加会使植被材料抗侵蚀能力下降；有机物的用量选择范围是0.01%～0.1%，三相的比例满足植被的生长需求。

[结论] 影响植被护坡基材抗侵蚀能力的主要因素一是粘结剂的用量，二是有机物用量。

关键词 植被护坡；有机物；基材结构；抗侵蚀性

中图分类号 S181.3 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2014）05-01464-03

Abstract [Objective] The research aimed to study the effects of organic materials content on the properties of vegetation in slope of base materials during the process of traffic engineering. [Method] Experiments on the effects of organic substrate amount on vegetation slope erosion resistance， substrate structure， pH were conducted， and the rules of impacts were investigated at the same time. [Result] The results showed that， with the increase of organic matter amount， the alkalinity of vegetation slope protection substrate decreased. When increased continuously， the ability of antierosion would reduce. The optimum amount of organic materials was 0.01%-0.1%. And under this situation， the ratio of triphase could meet the demands of plant growth. [Conclusion] The main factors which influenced the antierosion ability of vegetation slope protection substrate were the amount of binding agent and amount of organic materials.

Key words Slope vegetation； Organic materials； Base material structure； Antierosion resistance

青海地处祖国西部有世界屋脊之称的青藏高原，经济相对落后。自20世纪90年代末，中央政府实施西部大开发战略，把公共财政的投资重点投向交通基础设施，青海省经过两个五年计划的建设，相继建成了一批重点工程，至2007年上半年，全省公路通车总里程达到47 726 km。路网初步形成，公路等级提高，使制约青海国民经济和社会发展的瓶颈在一定程度上得以缓解。然而，在大规模建设中也产生了不容忽视的生态环境问题。公路工程所造成的环境问题，单靠自然界自身的力量恢复生态平衡需要较长时间，对地处特殊环境的青藏高原则更为漫长。

目前青海公路工程防护主要以工程防护为主，其短期效果很好，但从其长期演变趋势看，由于過分追求强度功效，往往破坏了生物多样性。防护工程随时间的推移混凝土面、浆砌片石都会风化、老化以至破坏，后期整治难度很大。由于这些公路工程防护措施破坏了原有物种的生长环境，被破坏的植物再难以恢复[1-2]。

青海由于特殊的自然环境，现有的植被护坡技术及研究都处于滞后的状态，国内的研究都是在自然环境相对比较好的地方开展，目前还没有人在青藏高原研究厚层基材护坡的植被恢复技术[3]。因此，一种全新的以植被基材为核心的适合于青藏高原植被恢复技术的研究是非常重要的。该研究即通过有机物用量对植被护坡基材抗侵蚀性、基材结构、pH的影响研究，提出有机物的合理用量。

1 研究区概况

青海全省总体属高寒荒漠干旱区气候，基本特点是高寒缺氧（海拔平均3 000 m以上；年均气温-5.60～-8.60℃；空气稀薄、含氧量少，平均比海平面少20%～40%；冷季长、暖季短、四季不明显、无霜期短；气温日差较大，年差较小，区域性气温差异大，垂直分带性明显；雨热同季、干旱少雨，总体上蒸发量大于降水量，全年平均降水量17.6～764.4 mm，大部分地区降水量不足100 mm。青海省各气候区域的气候环境差距较大。该研究的依托工程丹（东）拉（萨）国道主干线西宁过境公路西段处于河湟区，该区域的气候相对于青海其他区域较好，故研究区域定在河湟区。课题实施地点在西宁，西宁平均海拔2 295 m，属大陆高原半干旱气候，年平均降水量380 mm，蒸发量1 363.6 mm，年平均日照为1 939.7 h，年平均气温7.6 ℃，最高气温34.6 ℃，最低气温零下18.9 ℃。

2 材料与方法

2.1 材料

2.1.1 粘结剂。使用的粘结剂是粉煤灰及改性料。粉煤灰是青海省西宁桥头火电厂生产的Ⅱ级粉煤灰，细度（45 μm方孔筛筛余）≤20%，需水量比小于105%。

2.1.2 有机质。有机质的主要作用是改善植被护坡基材的结构，提供植被生长所需的一部分养分，并能蓄水保水，防止板结。常用的有机质有锯末、泥炭、糠壳、酒糟、醋糟等，该研究使用的有机质是锯末。

2.1.3 土壤。土壤是植被护坡基材的主要材料，也是植被生长的基础。为了使试验更有针对性，选取工程沿线具有代表性的土壤。土壤的理化及水理性质详见表1。

2.1.4 保水剂。试验采用的保水剂为聚丙烯酸脂-聚丙烯酰胺共聚体，主要成分为聚丙烯酰胺，外观白色，其性能详见表2。

2.2 试验设计

植被护坡基材配合比根据有机物用量不同共设计17组对比试验S1～S17，其中S1～S16有机物用量（质量百分比）从0.15%按0.01%递减至0；S17为原土，其他材料用量比例为粘结剂10（g/m2）、土壤70（L/m2）、保水剂10（g/m2）。

2.3 测定指标与方法

2.3.1 抗侵蚀性。根据土壤学关于土壤抗侵蚀能力的评价指标，及该研究的情况以植被护坡基材流失量、植被护坡基材质量流失百分率两个指标为衡量标准。

由于国家标准中未对覆盖材料的抗冲刷性做出相应的要求，故现在并没有用一种能比较好表现材料抗雨水冲刷的试验设备，在该研究中所采用的测试抗冲刷性的设备为特别制作的一个简易装置。设备主要由一套固定在平台立柱上的可升降的喷淋装置和一个降雨实验槽组成。喷淋装置包括一根水管、一块水压表和一个喷淋头[4]。抗侵蚀能力性试验用15 cm×15 cm×3 cm的模具成型，取龄期1 d的试件进行抗侵蚀能力性试验。

2.3.2 孔隙率。植被护坡基材孔隙度借鉴土壤学中对孔隙度的定义，指单位容积植被护坡基材中孔隙容积占整个材料容积的百分数。它表示植被护坡基材中各种大小孔隙度的总和。一般是通过植被护坡基材容重和密度来计算[5]。试验中用7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm的砂浆试模成型试件。

2.3.3 pH。研究采用取出固液萃取法（exsitu leaching）测定pH，具体步骤如下：将选择的试样破碎，充分研磨，过筛（用0.08 mm方孔筛），称取10 g准备好的粉体试样，加入10倍重量的蒸馏水中，用橡皮塞塞紧以防碳化，每隔约5 min震动均匀一次，2 h后用滤纸过滤，使用pHS3C型酸度计测定滤液的pH[6]。

3 结果与分析

3.1 有机物用量对植被护坡基材抗侵蚀能力的影响

影响植被护坡基材的抗侵蚀能力的主要因素有两个，一个是粘结剂的用量，另外一个就是有机物的用量[7]。抗侵蚀能力是植被护坡基材能否良好应用的关键，因此就需要研究有机物用量对植被护坡基材抗侵蚀能力的影响。

根据降雨量为150 mm、时间是1 h的植被护坡基材质量损失率的数据绘制关系图（图1），可以看出：有机物用量锯末在0.1%～0.01%之间时，质量损失率都小于5%；有机物用量在0.11%～0.15%时，质量损失率为7.69%增加到23.07%，锯末用量虽然只增加了0.05%，但基材的质量损失率却增长了15.38%。由此可见，有机物用量增加会使植被护坡基材抗侵蚀能力下降，因此，有机物用量应严格控制在0.1%以下。

3.2 有机物用量对植被护坡基材结构的影响

植被护坡基材混合物是由气、液、固三项组成的多孔复合材料。三相的比例直接影响植被护坡基材的肥力状况和植被生长的状况，因此需要确立植被护坡基材合理的三相分布[8]。植被护坡基材所有的组成材料当中对三相组成影响最大的是有机物，因此必须要研究有机物对植被护坡基材三相比例的影响及合理的用量[9]。

处于最适宜植物生长的典型壤质土壤的体积组成大致为，土壤孔隙50%内含水分和空气，且水分与空气比例大约各占50%；土壤固体占50%，其中矿物质占固相总量95%，有机质占5%，土壤生物体均生活在土壤孔隙中。据张俊云等对植被护坡基材的研究，认为大部分植被护坡材料的三相分布并不满足以上条件，但是植物生长仍良好[10]。通过密度、容重、含水量的测定，可计算出各配比植被护坡基材的三相组成，结果如图2所示。

图2的纵坐标是三相所占的比例，横坐标是有机物用量。由图2可见，液相的变换范围是44.4%～35.3%，气相的变化范围是27.1%～11.0%，三相的比例满足植被的生长。从以上结果可以确定有机物的用量选择范围在0.01%～0.1%是合理的。

3.3 有机物用量对植被护坡基材pH的影响

植被护坡基材的酸碱性是其重要的化学性质，植被护坡基材的酸碱性直接影响微生物的活动、有机质的合成与分解、氮、磷等营养元素的转化与释放、微量元素的有效性、保持养分的能力等[10]。据研究，土壤pH在6.5～7.5的条件下，养分有效性最高，最适宜植物生长[11]。

试验采用的土是盐碱土，pH为8.12，有机物能调节植被护坡基材的pH，故对养护7 d后的不同配比植被护坡基材的pH进行测定。

根据有机物用量不同对植被护坡基材pH的影响数据绘制了图3。由图3可见，总体趋势是pH随着有机物用量的增加而降低，当有机物用量为0.01基材的pH是7.93，当有机物用量为0.15基材的pH是7.61。有机物的用量提高了15倍，植被护坡基材的pH降低了4%。通过以上分析可以看到，有机质能影响植被护坡基材的pH变化，原因是有机质中含有大量的腐殖质，腐殖质本身具有降低碱性能力，从而提高植被护坡基材抵抗pH变化的能力。

4 结论与讨论

影响植被护坡基材的抗侵蚀能力的主要因素有兩个，一是粘结剂的用量，二是有机物的用量。试验结果表明，有机

物用量从0.1%～0.01%时，质量损失率都小于5%；有机物用量是0.11%～0.15%时，质量损失率为7.69%～23.07%，有机物用量虽然增长了5%，而质量损失率增长了15.38%。这说明有机物用量增加会使植被护坡基材抗侵蚀能力下降，因此要严格控制有机物的用量，有机物用量应该≤0.1%。

植被护坡基材所有组成材料中对三相组成影响最大的是有机物，有机物的用量的选择范围是0.01%～0.1%，液相的变换范围是44.4%～35.3%，气相的变化范围是27.1%～11.0%，三相的比例满足植被的生长。从以上结果可以确定有机物的用量的选择范围0.01%～0.1%是合理的。

有机质能影响植被护坡基材的pH变化，有机质中含有大量的腐殖质，腐殖质本身具有降低碱性的能力，从而可以提高植被护坡基材抵抗pH变化的能力。不同配比的有机质降低了植被护坡基材的碱性，使原土的pH从8.03降到7.61～7.93，降低后的pH完全适合所选草种的生长。

参考文献

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