干旱半干旱区公路水土保持措施对土壤物理性质的影响

蔡万鹏 李宏钧 刘涛

摘要 为了更好地开展干旱半干旱区的公路水土保持工作，保护干旱半干旱区公路沿线的生态环境，以国道045主干线赛里木湖至果子沟口段高速公路为例，分析研究了水土保持措施布设6年后的土壤物理性质变化。结果表明，该区域挖方边坡适宜采用无防护措施，任其自然恢复，其土壤的抗冲抗蚀性更好；填方边坡适宜采用工程措施+本土适生植物相结合的措施进行防护，在不影响边坡稳定性的前提下，长边坡下部可适当采用无防护措施，土壤抗冲抗蝕性相对更好，工程措施倾向拱形骨架措施。

关键词 干旱半干旱区；水土保持措施；赛果公路；土壤物理性质

中图分类号 S157 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2017）29-0037-04

Effect of Soil and Water Highway Conservation Measures on Soil Physical Properties in Arid and Semiarid Areas

CAI Wanpeng，LI Hongjun，LIU Tao

（China Academy of Transportation Sciences， Beijing 100029）

Abstract In order to better carry out in arid and semiarid area of highway soil conservation， protection of ecological environment in arid and semiarid areas along the highway， with 045 national highway trunk line Sailimu to Guozigoukou expressway as an example， the changes of soil physical properties were analyzed and studied after applying soil and water conservation measures for 6 years. The results showed that the region was suitable to natural recovery without excavation slope protection measures， anti erosion of soil was better. Fill slope was suitable to be protected by planting local plants and adopting engineering measures. The lower part of the slope protection measures can no longer use without affecting the slope stability， the anti erodibility was relatively better， soil engineering measures inclined arch skeleton measures.

Key words Arid and semiarid area；Soil and water conservation measures；Saiguo highway；Soil physical properties

基金項目 中央级公益性科研院所基本科研业务费项目（20150603）。

作者简介 蔡万鹏（1986—），男，新疆伊犁人，助理工程师，从事交通水土保持研究。

收稿日期 2017-08-21

随着我国“一带一路”重大战略的实施，西部公路建设进入了高速发展时期。公路建设极大地促进了经济和社会发展，但公路建设是一种大规模、高强度的人类活动[1]，加上干旱半干旱区生态环境脆弱，公路建设过程中大量的土石方移动，加大了水土流失，对沿线的生态环境造成巨大影响[2]。同时，西北公路建设一般跨越多种地貌单元和生态环境区[3]，侵蚀类型多样，因此水土保持措施应针对不同区域、不同侵蚀类型而采取相宜的措施[4-6]，确保其生态环保效果。

笔者以国道045主干线赛里木湖至果子沟口段高速公路为例，分析水土保持措施对土壤物理性质的影响，旨在为当地水土保持治理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

国道G045主干线赛里木湖至果子沟口段高速公路工程（以下简称“赛果公路”）位于北天山的西段，属科古琴山脉中、高山区，西南缘为伊犁盆地边缘地带，东北隅为赛里木湖沣地，山脉与山间谷地相见排列。四季分明，春夏季多雨湿润，冬秋季少雨，日照充足，冬季漫长，日温差较大。年平均降水量为140～450 mm，雨量由南向北随纬度的增加而增大。夏季降水量占总降水量的50%以上，降水量年际变化大。

1.2 研究方法

搜集赛果公路水土保持咨询工作的相关资料，梳理项目采取的水土保持措施，进行实地调研。确定在81°04′59″ E，44°26′52″ N选择较具代表性的水土保持措施，于2015年10月进行现场调研，采集土样，通过土壤容重、土壤孔隙度、土壤抗冲性等指标分析水土保持措施防护效果的差异性。公路建设实施的水土保持措施类型见表1。

1.3 土样采集

为了研究评价干旱半干旱区高速公路水土保持措施的恢复效果，对该区域高速公路边坡实施不同水土保持措施的恢复情况进行观测。同时，按照各指标测量要求在依托工程的边坡上采集土样，采样边坡情况见表2。

2 结果与分析

2.1 不同水土保持措施对边坡土壤容重和孔隙度的影响

2.1.1 挖方边坡。

土壤容重、孔隙度是衡量土壤结构优劣的重要指标，是土壤的基本物理性质。从图1可以看出，区域内的土壤容重在1.25～1.56 g/cm3，仅方格网撒播草籽区边坡下部土壤容重明显较低，仅0.98 g/cm3；土壤总的孔隙度变化不大，为0.41～0.49。这是由于挖方取走表层浮土后，余留的土壤较为紧实，整体结构稳定性好，且土壤肥力欠缺，植物长势差，故土壤容重、孔隙度差异不大。

边坡上部和边坡下部各处理土壤水分含量从大到小依次为方格网自然恢复区、无防护区、方格网撒播草籽区，差异较为明显（图1）。这是由于

撒播草籽的生长消耗了较多水

分，导致方格网撒播草籽区的土壤水分含量最低；实施方格

网防护水土保持措施，产生2次扰动，改变了土壤地表粗糙度，延长地表径流滞留时间，增加入渗，故方格网自然恢复区的土壤水分含量较高。

2.1.2 填方边坡。

从图2可以看出，填方边坡的土壤容重在1.29～1.67 g/cm3，边坡上部各处理的土壤容重从大到小依次为方格网措施、拱形骨架措施、无防护措施，边坡下部各处理的土壤容重从大到小依次为方格网措施、无防护、拱形骨架措施，这可能是由表层土壤随地表径流迁移所致。土壤总孔隙度在0.28～0.46，同坡位实施水保措施的土壤孔隙度稍高于无措施的土壤。

各处理的土壤水分含量差异较明显，从大到小依次为拱

形骨架措施、方格网措施、无防护，拱形骨架防护措施和方格

网措施的土壤水分含量分别为无防护的300%、160%左右。这是由于实施水土保持措施后，改变了地表形态，拦蓄雨水，延长了径流在地表滞留的时间，增加入渗，故其土壤水分含量明显高于无防护措施区域的土壤。

2.2 不同水土保持措施对边坡土壤抗冲和抗蚀性能的影响

2.2.1 挖方边坡。

在挖方边坡上（图3），无防护边坡表现出较好的抗冲抗蚀效果，其土壤抗蚀系数和抗冲系数在整个边坡上均为最大。这是由于挖方残留下来的土壤属于较深层土壤，自身较紧实，抗冲刷能力强，实施工程水土保持措施，会产生2次扰动，破坏其原状土，故方格网措施中的土壤抗冲抗蚀性明显低于无防护区土壤。方格网撒播草籽区土壤

异所致。

2.2.2 填方边坡。

在填方边坡上（图4），采用水土保持措施对土壤的抗冲抗蚀性均造成一定的影响，差异起伏较大。在边坡上部，土壤抗冲抗蚀性规律并不明显，仅拱形骨架撒播草籽区的土壤表现出较好的抗冲抗蚀性，其他几种措施的土壤抗蚀性不甚理想；无防护区的土壤由于表层浮土被冲刷，余留土壤较为紧实，故土壤抗蚀性较好。撒播草籽措施的土壤抗冲性较强，这是由于植物的生长，根系将土壤固牢，阻碍了径流对土壤的冲刷破坏。

在边坡下部，拱形骨架撒播草籽措施的土壤抗冲抗蚀性较好，抗蚀性显著高于其他措施的土壤；撒播草籽区域的土壤也具有较强的抗冲刷能力；无防护区域土壤抗冲抗蚀能力强或许是由于径流将土壤悬浮分散成细小颗粒，冲刷到边坡下部积压所致。

2.3 不同水土保持措施对边坡土壤抗剪切性能的影响

土壤抗剪强度是反映土壤在受到外力作用时，抗拒发生剪切破坏而脱离母土体的一种强度性能。土壤抗剪强度是土壤抗性的量度指标，其值越大，土壤边坡抵抗径流的剪切破坏能力也就越强。对土样进行剪切试验，用50、100、200、300 kpa的垂直压力检测不同水土保持措施下土壤的抗剪强度，其结果见表3。由表3可知，在挖方邊坡上，同一垂直压力下的土壤抗剪强度从大到小依次为无防护区、方格网撒播草籽区、方格网自然恢复区，无防护区的土壤抗剪强度明显较大，说明该措施下土壤抵抗径流的剪切推移能力更强。

在填方边坡上，无防护区的土壤抗剪强度在边坡上部和下部表现出明显差异，边坡下部的土壤抗剪强度为最高，为工程防护措施的119%～248%，边坡上部的土壤抗剪强度最小，仅为工程措施的10.8%～86.4%。工程措施中，拱形骨架自然恢复区的土壤抗剪强度偏低，其他几种措施的土壤抗剪强度相差无几。

3 讨论

水土保持措施又叫土壤保持措施，是水土保持学研究的核心内容，故该研究通过土壤物理性质相关的指标来分析水土保持措施的防治效果。调查中搜集了国道045主干线果子沟口至霍尔果斯口岸高速公路、国道218线清水河至伊宁段高速公路改建工程、国道045主干线赛里木湖至果子沟段高速公路改建工程、G30乌苏至赛里木湖高速公路等公路工程项目的相关资料，并进行实地调研，因赛果公路水土保持措施类型多，恢复年限短，故最终主要以赛果公路为例展开分析。综合来看，该区域挖方边坡适宜采用无防护措施，任其自然恢复，其土壤的抗冲抗蚀性更好；填方边坡适宜采用工程措施+本土适生植物相结合的措施进行防护，在不影响边坡稳定性的前提下，边坡下部可适当采用无防护措施，土壤抗冲抗蚀性相对更好，工程措施倾向拱形骨架措施。

该研究主要通过土壤孔隙度、土壤容重、土壤水分等相关指标进行分析，但从后续分析来看，忽略了植物的水土保持效果，故在研究中并未能详尽分析各种现象的基理，后续研究中应补充相关观测分析；同时未能在措施布设前采集土壤获取相关指标的基底值，只能通过横向对比分析不同措施之间的差异，缺乏纵向对比措施实施前后土壤的变化，这点可通过延长观测年限，定期取土分析来完善。

后续研究中，可适当扩大调查范围，拓展水土保持措施年限，综合考虑不同地貌环境、不同施工年限的水土保持措施，成系统、体系地观测分析西北干旱半干旱区目前水土保持措施的现状，对比各措施的优劣，为后续公路建设水土保持工作的开展提供参考。

4 结论

该研究以国道045主干线赛里木湖至果子沟口段高速公路为例，通过土壤物理性质方面的试验研究，分析了干旱半干旱地区几种典型水土保持措施实施6年后的土壤物理性质情况，为今后研究干旱半干旱地区公路边坡水土保持特点和为当地水土保持治理中筛选适宜的水土保持措施提供了参考。研究结果如下：

（1）实施水土保持措施可直观地影响土壤容重和土壤孔隙度，从而影响其土壤水分。实施水土保持措施6年后，对挖方边坡的土壤容重和土壤孔隙度并无太大影响，但方格网自然恢复措施下的土壤含水量相对更高，可达14%。填方边坡土壤容重在不同措施下产生了一定起伏，但均属于正常波动范围内；采用水土保持措施的土壤孔隙度稍高于无防护的土壤；各处理土壤水分含量从大到小依次为拱形骨架措施、方格网措施、无防护。

（2）通过分析土壤的抗冲抗蚀性质，发现挖方边坡采用自然恢复措施的土壤抗冲抗蚀效果相对更好；填方边坡采用拱形骨架撒播草籽的措施土壤具有较好的水土保持效果，但边坡下部采用无防护措施的土壤抗冲抗蚀性表现更好。

（3）在同一垂直压力条件下，挖方边坡整个坡面和填方边坡下部无防护措施下的土壤具有最大的土壤抗剪强度，填方边坡上部实施水土保持措施的土壤抗剪强度表现相对更好，说明其土壤抵抗径流的剪切推移能力更强。

参考文献

[1] 钱亦兵，周华荣，杨青，等.和田河中下游生态环境特征及公路工程保护[J].干旱区研究，2004，21（3）：204-209.

[2] 张刚.干旱区公路建设项目水土保持措施初步分析：以S238线下涝坝-红山口公路工程为例[J].水利科技与经济，2012，18（8）：57-58.

[3] 钱亦兵，徐新文，雷加强，等.新疆两大沙漠线形工程区生物防护体系建设的环境对比[J].干旱区资源与环境，2004，18（3）：33-36.

[4] 李一為，沈毅，晏晓林，等.荒漠区公路建设生态环境保护措施探讨[J].中国水土保持，2009（11）：10-11.

[5] 曹拥军.关于新疆荒漠区公路建设环保研究措施[J].中国房地产业（理论版），2017（7）：326.

[6] 李一为，沈毅，晏晓林，等.荒漠区公路建设生态环境保护措施探讨：以国道315线叶城至墨玉段公路工程为例[J].交通建设与管理，2011（9）：104-105.