PAM对川渝地区边坡植被水土保持性能的影响

潘声旺，何茂萍，赵雪峰，王玲玲

(1.成都大学 建筑与土木工程学院，四川 成都 610106； 2.成都大学 档案馆，四川 成都 610106)

PAM对川渝地区边坡植被水土保持性能的影响

潘声旺1，何茂萍1，赵雪峰2，王玲玲1

(1.成都大学 建筑与土木工程学院，四川 成都 610106； 2.成都大学 档案馆，四川 成都 610106)

为了探讨聚丙烯酰胺在促进生态护坡、遏制水土流失过程中的作用，借助3个物种配置试验，于2012年3月构建了以草本、灌木或乔木为主体的草本型、灌木型、乔木型及草灌乔混合型绿化配置试验区；以不施聚丙烯酰胺为对照，分别撒施0.5、1.0和1.5 g·m-2聚丙烯酰胺，自建植次年(2013年)起，对试验区进行持续4年的生态监测.结果表明：边坡植被的水土保持性能(径流系数、侵蚀模数)与乡土植物的生活型构成及建植年限有关；成坪初期(2013、2014年)，草本型配置所在边坡的水土保持性能较强，自第3年(2015年)起, 草灌乔混合型配置所在边坡表现出较强的水土保持性能；试验范围(0～1.5 g·m-2)内，聚丙烯酰胺可有效提高边坡植被的水土保持性能，施用量为1.0 g·m-2时效果最佳；利用聚丙烯酰胺的改良作用强化草灌乔混合型配置的生态防护效应，既可改善边坡植被重建初期的水土保持性能，又能缩短其演化进程.

边坡；植被恢复；生活型；聚丙烯酰胺；水土保持性能

0 引 言

边坡防护工程中，基于乡土植物的生态优势，在裸露边坡上重建边坡植被的生态固坡技术在改善路域景观、减少水土流失等方面的应用日益普及[1-2].而重建后植被群落是否稳定、能否实现自然演替，则是衡量植被恢复成功与否的重要标志.研究表明，植被群落地上茎叶组织对雨滴的分层拦截、缓冲作用及地下根系结构对土壤颗粒的加筋、锚固作用，有利于减小坡面水土流失并增强坡体稳定性[3].一般而言，灌(乔)木生长缓慢、结构稀疏，建坪初期难以实现控制水土流失的目的.草本类植物种子小、生长快、分布均匀，能有效防止早期的土壤侵蚀，维护坡体稳定性，但其层次结构单一，种间竞争激烈，群落稳定性差，演化进程缓慢，易导致早期恢复的边坡植出现退化，甚至再次裸露.草灌乔混合型配置虽能有效缩短边坡植被的演化进程，增加边坡植被的层次性，但成坪过程漫长，建坪初期的护坡性能较差，尚不能有效控制土壤侵蚀，减少水土流失[4-5].因此，如何结合工程措施，强化建坪初期的生态防护作用，减小坡面水土流失一直是工程领域的研究热点.

聚丙烯酰胺(polyacrylamide，PAM)是一种线型水溶性高分子聚合物，具有很强的絮凝作用与水合作用[6].研究发现，PAM的适量使用可促进土壤团聚体形成、防止土壤结皮、促进水分入渗、减少水土流失及环境污染[7-11].因PAM能很好地改善土壤的理化性质，如提高土壤大团聚体含量和增加土壤表面糙度，提高土壤入渗率，增加土壤含水量等，而成为一种高效的土壤结构改良剂，其改良作用与PAM施用方法、类型、用量、土壤质地等密切相关[12].目前，有关PAM减少水土流失的研究多局限于室内[7]，利用PAM的改良作用强化边坡植被固土防护效应的相关研究尚未见报道.据此，本研究拟以草本、灌木和小乔木为主体分别构建草本型、灌木型、乔木型或草灌乔混合型配置的边坡重建试验区[3-4]，监测不同剂量的PAM对试验区内地表径流、土壤流失影响状况，拟为PAM技术在边坡防护中的推广应用提供依据.

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本研究试验区域选定在川东、渝西接壤处的成渝高速(G85)永川段，路基边坡位于K305+140～K305+920处.所在区域的气候状况、地形地貌、土壤属性、植被类型及拟修复边坡的坡体特征在文献[3-4]中已做了详细报道.

1.2 试验材料

在试验中，本研究以川渝地区3种代表性绿化配置[3-4]为基础，分别与黑麦草、棉槐、刺槐等路域优势种随机组合，建立3个物种的配置试验,构建以草、灌、乔为主体的草本型、灌木型、乔木型初始绿化配置试验区，以及由3种路域优势种构建草灌乔混合型初始绿化配置试验区[4](见表1).

表1 不同配置模式中绿化植物的组成

1.3 试验设计

在试验设计上，参照文献[3-4]方法，在拟修复的路基边坡整理出132个规格为8 m×6 m的矩形小区，备用.

2012年3月，将10种待测配置随机分配于试验区内，3个重复[3-4]；另设1个对照区(CK)，用于观测自然演替的裸露边坡的产沙与产流特征，3个重复.在此基础上，于2013～2016年4月将PAM与适量干细土混合后，采用干撒法分别将不同剂量的PAM(0、0.5、1.0和1.5 g·m-2)均匀撒施在试验区的土壤表面.

1.4 测定项目

参照文献[3-4]方法，分别测定2013～2016年汛期(5～9月)各个试验区内的降雨量、径流量和泥沙量，评价不同剂量的PAM对试验区内边坡植被水土保持性能(径流系数、侵蚀模数)的影响差异.

1.5 数据处理

试验数据经Microsoft Excel 2003处理后，借助SPSS 11.5软件的LSD法分析不同处理间的差异显著性.

2 结果与分析

2.1 裸露边坡的产流、产沙特征

在2013～2016年汛期，研究区域内自然降雨量及裸露边坡的产流、产沙特征[3]如表2所示.

从表2可以看出，试验区内，雨季集中，产流量大，水土流失严重，属地质灾害多发区.

2.2 绿化植物的生活型对水土保持性能的影响

径流系数、侵蚀模数是衡量植被涵养水源、固土护坡的主要指标，也是表征生态系统功能的重要尺度[3].2013～2016年间，不同绿化植物配置所在边坡的产流、产沙特征如图1所示.

表2 2013～2016年汛期的降雨量及裸露边坡产流、产沙特征[3]

图1 2013～2016年间不同绿化配置所在边坡的产流、产沙特征

图1显示，绿化植物的生活型构成不同，所在边坡的水土保持性能也不一样(n=12,P<0.05)，年际差异明显.

成坪初期(2013、2014年)，草本型配置的边坡植被表现出较强的水土保持性能，小区内径流系数(4.91%～7.78%)、侵蚀模数(76.96～111.43 t·km-2·a-1)明显小于其他试验区(n=12,P<0.05)，草灌乔混合型配置次之；不同生活型间的水土保持性能呈现草本型>草灌乔混合型>灌木型>乔木型变化趋势，且差异明显(P<0.05)[3]；同类配置中，草本类取代种试验区的水土保持性能远小于灌、乔类取代种所在的试验区(P<0.05)[3].

自建坪后第3年(2015年)开始，草灌乔混合型配置所在边坡表现出较好的水土保持性能，小区内径流系数(3.24%～4.25%)、侵蚀模数(45.24～52.65 t·km-2·a-1)明显低于其他观测区(n=12,P<0.05)，不同生活型配置间的水土保持性能呈现草灌乔混合型>草本型>灌木型>乔木型变化趋势，且差异明显(P<0.05)[3]；除草本型外，同类配置中，草本类取代种试验区内的径流系数、侵蚀模数均明显小于灌木、乔木类取代种试验区(P<0.05)[3].

2.3 PAM对边坡水土保持性能的影响

2.3.1 对边坡产流特征的影响.

试验期间(2013～2016年)，PAM施撒区(PAM1～PAM3)内的径流系数均小于未施用PAM的对照区(PAM0)，结果见图2.

图2 PAM对试验区内不同绿化配置模式所在边坡的产流特征的影响

由图2可知，试验期间，试验区内径流系数随着PAM施撒量的增加而递减；施撒量为PAM2(1.0 g·m-2)时，径流系数的降幅最为显著，且明显小于对照区(P<0.05)，但施撒量增至PAM3(1.5 g·m-2)时，径流系数的降低幅度并不明显(P>0.05).

试验期间，PAM对不同初始绿化配置所在边坡产流特征的影响效应也不一样.5种观测类型中，1.0 g·m-2的施撒量对草灌乔混合型所在边坡的径流系数影响最大.成坪初期(2013、2014年)，其径流系数与相同处理条件下草本型配置相近，且远小于灌木型、乔木型及对照区.自第三年(2015年)开始，其径流系数明显小于其他观测区.试验结果表明，适量施撒PAM能有效的改善土壤的吸水性能，提高土壤入渗率，降低径流系数.

2.3.2 对土壤侵蚀模数的影响.

试验期间(2013～2016年)，PAM施撒区(PAM1～PAM3)内的土壤侵蚀模数均小于未施用区(PAM0)，结果见图3.

图3 PAM对试验区内不同绿化配置模式所在边坡侵蚀模数的影响

从图3可知，试验期间，观察区内土壤侵蚀模数随着PAM施撒量的增加而递减；施撒量为PAM2(1.0 g·m-2)时，侵蚀模数的降幅最为显著，且明显小于其对照区(P<0.05)，但施撒量增至PAM3(1.5 g·m-2)时，观察区内侵蚀模数与施撒量为PAM2时无明显差异(P>0.05).

总体上，草灌乔混合型绿化配置所在边坡的土壤侵蚀模数对施撒PAM的响应最强烈.PAM2时，草灌乔混合型配置所在边坡的土壤侵蚀模数在成坪初期与相同处理条件下草本型配置相近，且远小于灌木型、乔木型及对照区；自建坪第3年(2015年)起，其侵蚀模数则明显小于其他观测区(P<0.05).试验结果表明，适量施撒PAM可促进土壤团聚体形成，减少水土流失，进而增加坡体稳定性.

3 讨 论

在植被恢复过程中，因资源利用、环境行为差异及绿化植物的种类不同，对各种环境资源的利用方式、利用强度及其根际沉积、根际效应等生物学过程也不一样[3].与草本植物相比，乔木、灌木类植物拥有更为丰富的层次结构，空间异质性较强.建坪初期，草本类绿化植物的种子较小，植株密度大、分布均匀，其伴生植物也呈均匀分布，所在群落拥有较高的物种多样性；乔木、灌木类绿化种的层次结构较强，但资源分配远不及草本类群落均匀，其伴生植物呈斑块状分布，多样性水平较低[3].随着时间的推移，群落密度逐渐增加，空间结构日趋饱和，资源利用性竞争成为群落动态的决定性因素[4]，草灌乔混合型配置所在群落的生态位互补效应日趋明显，其多样性水平逐渐超越其他配置，表现出较强的系统稳定性[4].边坡植被的空间层次结构特征在保水固土、维持坡面稳定过程中具有不可替代的作用.草本植物生长快、成坪时间短，在成坪初期就能呈现出较强的水土保持性能.乔木、灌木类绿化种生长慢，成坪时间长，在建坪初期的水土保持效益普遍较差；随着时间推移，乔木、灌木类的群落优势逐渐增强，所在群落的层次结构日趋分化，茎叶的分层拦截和缓冲作用、根系的加筋及锚固作用愈发突出，进而呈现出较强的水土保持性能.试验发现，当PAM撒施量为0.5～1.0 g·m-2时，不同处理的产流量、径流系数随着PAM撒施量的增加而减少；当PAM撒施量较大(1.0～1.5 g·m-2)时，由于PAM分子链较长，在絮凝、吸附土壤颗粒时，其长链的尾部仍有许多存在于土壤溶液中，易堵塞土壤的传导孔隙，促进土壤结皮形成，减少土壤水力传导度，阻碍降水入渗，增加地表径流，不同处理的产流量、径流系数并未随PAM撒施量的增加而线性递减.本研究与李晶晶等[10]的研究结果一致.

地表径流是土壤侵蚀的原动力.试验表明，当PAM撒施量为0.5～1.0 g·m-2时，地表径流随着PAM撒施量的增加而减少，因而土壤侵蚀泥沙量也相应减少;当PAM撒施量为1.0～1.5 g·m-2时，地表径流增幅放缓，土壤侵蚀量则趋于稳定.可能的原因是：当PAM撒施量超过一定值(1.0 g·m-2)时，土壤表层形成结皮，且撒施量越大结皮越紧密，土壤结皮使土壤表面拥有较细的土壤孔隙及较低的导水性，土壤颗粒不易松散及崩溃，降低了土壤侵蚀泥沙量、土壤侵蚀模数亦趋于稳定[6].

4 结 论

1)生活型构成与边坡植被的水土保持性能密切相关.成坪初期(2013、2014年)，草本型配置所在边坡表现出较强水土保持性能(径流系数、侵蚀模数)，不同配置间呈现草本型>草灌乔混合型>灌木型>乔木型的变化；自建坪第三年(2015年)开始，草灌乔混合型配置所在边坡表现出较强的水土保持性能，不同配置间呈现草灌乔混合型>草本型>灌木型>乔木型的波动.

2)试验范围(0～1.5 g·m-2)内，施撒PAM可有效的改善所在边坡的水土保持性能.试验期间，以草灌乔混合型绿化配置所在边坡对施撒PAM的环境响应最为强烈，其中，PAM施撒量为1.0 g·m-2时，草灌乔混合型配置的水土保持性能成坪初期与相同处理条件下草本型相近，且远小于灌木型、乔木型及对照组；自建坪第三年(2015年)起，其侵蚀模数明显小于其他观测区(P<0.05)，为试验条件下的最佳施用量.

3)相似环境条件下，利用PAM(1.0 g·m-2)的改良作用来强化草灌乔混合型绿化配置边坡植被的固土防护作用，既可减少建坪初期的水土流失，强化坡体的抗雨水冲蚀能力，又能快速营造结构稳定的边坡植被防护系统，缩短边坡植被的演化进程.该模式对川渝地区边坡植被快速恢复具有极高参考价值.

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EffectsofPolyacrylamideonSoilandWaterConservationofSlopeVegetationinSichuan-ChongqingRegion

PANShengwang1，HEMaoping1，ZHAOXuefeng2,WANGLingling1

(1.School of Architecture and Civil Engineering，Chengdu University，Chengdu 610106, China；2.Archives,Chengdu University，Chengdu 610106, China)

In order to explore the role of polyacrylamide(PAM) in promoting ecological slope protection and controlling soil erosion,three species assembly experiments were carried out in March,2012,and four ecological models represented by tree-,shrub-,herb-dominated and herb-shrub-tree-dominated experimental areas were reconstructed.In comparison with the areas without PAM,PAM treatment amount in these areas with PAM was 0，0.5，1.0 and 1.5 g·m-2．Since 2013 which was the second year after the establishment of these experimental plots,ecological monitoring has been done in consecutive four years.The results showed that:1)Soil and water conservation properties of slope vegetation(i.e.runoff coefficient and erosion modulus) were closely related to life forms of the native plants and their years of planting.Of the four ecological models tested,the runoff coefficient and erosion in the period from 2013 to 2014 were the highest in herb-dominated areas whereas since 2015,the herb-shrub-tree-dominated areas had manifested a more prominent soil and water conservation compared with other ecological models.2)Within the experimental range(0～1.5 g·m-2),PAM could effectively improve the soil and water conservation performance of slope vegetation,and when the application amount of PAM was at 1.0 g·m-2,the effects were the best in tested side slopes.3)Using PAM to strengthen the ecological protection performance of herb-shrub-tree-dominated areas could not only improve the potential of their soil and water conservation in the early stage of slope revegetation,but also shorten the evolution process.These results could provide effective guidance for the application of PAM to improve soil and water conservation properties and their rapid restoration of the slope vegetation in Sichuan-Chongqing region.

side slopes;revegetation;life form;polyacrylamide;soil and water conservation

S157.2

A

1004-5422(2017)04-0438-05

2017-10-08.

四川省教育厅自然科学基金(17ZA0091)、 成都市科技惠民计划(2015-HM01-00368-SF)资助项目.

潘声旺(1973 — )，男，博士，副教授，从事环境生态与生态修复技术研究.