伊犁地区公路边坡不同植物组合的水土保持效应研究
——以S242线巩留至尼勒克公路建设为例

2018-05-17 07:19:47李宏钧张晓峰
交通运输研究 2018年1期
关键词:抗蚀抗冲土壤侵蚀

李宏钧,刘 涛,张晓峰,李 伟

(交通运输部科学研究院,北京 100029)

0 引言

公路建设是一项与自然环境紧密相关的工程,不可避免地会破坏沿线生态环境,造成水土流失[1]。据统计,每新建1km的高速公路最高可占地5~7公顷,如不做好水土流失防护措施,仅路基主体每年即可新增水土流失2000~5000 t/km[2]。土壤侵蚀的持续发生不仅会使土壤质量下降[3],导致土地退化,还会造成生态系统服务功能下降、作物产量降低,危及饮用水安全,甚至扰动碳平衡等一系列生态环境问题[4]。

长期以来,诸多学者对公路建设中的水土流失防治做了大量研究。美国Forman等[5]分析了道路对水文及整个生态系统的影响,发现道路修建会加快土壤侵蚀过程;德国土壤学家沃伦[6]通过试验发现植被可以防止土壤侵蚀,揭开了利用植被治理水土流失的序幕;Hengchaovanich[7]通过试验发现,植物根系能明显增大土壤的抗剪强度,其中每一单位草本植物的抗剪强度增加值是树木根系的2~3倍;日本在建设公路时一直以工程兼顾绿化为主要思想,不断加强乔木、灌木与草本相结合的多层次绿化,形成了边坡生态防护体系[8]。目前我国公路边坡水土流失治理基本以草本为主[6]。高强等[9]认为植物防护措施的选种应强调生态适应性、功能综合性和抗逆性;穆立蔷等[10]通过室内试验和室外调查高等级公路边坡野生植物种类,筛选出了适宜黑龙江省公路边坡生态防护的植物种类;蒋德松等[11]通过实地调查生态防护植被,筛选出了适宜广西寨任路岩质边坡防护的草种;王大庆[12]在天山自然保护区开展试验,发现植被可有效减小径流速率与产沙量;朱兆华等[13]通过在深圳市横坪快速路进行实地试验,发现假俭草能快速固定裸露坡面的土壤基质,保持水土,生态防护效果良好。现有的研究发现,植被防护可显著减少土壤侵蚀[14],但关于伊犁地区相关方面的研究却鲜见报道[15]。由于伊犁地区独特的气候条件和区位环境,其他区域的研究成果难以直接应用,因此借鉴现有研究成果,建立契合伊犁地区环境特色的公路植物水土流失防治措施具有重要意义。

本文在对伊犁地区植物群落调查的基础上,筛选出7种生长迅速、抗逆性强的植物进行组合搭配,用于S242巩留—尼勒克公路建设中的边坡水土流失防治,从土壤性质变化的角度对比分析不同植物组合的水土保持效应,以期筛选出水土保持效果较好的植物组合,为伊犁地区环境类似区域的公路工程建设中的水土流失防治提供参考。

1 试验设计和数据采集

试验依托S242线巩留—尼勒克公路展开,地理坐标为82°15′25″~ 82°25′33″E,43°35′0.5″~ 43°49′47″N,属天山北麓阿布热勒山区,大陆性温带半干旱气候[16],土壤以灰钙土、潮土为主[17]。

通过调查伊犁地区乡土植物种及可成熟引用的植物种,结合其公路建设中的水土流失防治需要和植物景观融合需求,筛选出细茎冰草、高羊茅、披碱草、紫花苜蓿、红豆草、柠条、紫穗槐等7种植物,组合搭配后用于边坡试验。试验配置了4种植物组合,设置裸坡对照(CK),每个小区面积为5m×5m,坡度为1∶1,重复3次,共计15个试验小区,具体试验设计见表1。

表1 4种植物组合

试验小区布设完成后,定期观测各个小区的水土流失情况,统计侵蚀沟的数量,测量侵蚀沟的长度、宽度及深度,并采集小区坡面原状土样,密封封存后带回实验室进行分析,采用浸水试验和原状土水槽冲刷法分别测定土壤抗蚀性和抗冲性。本文所用数据为小区布设1年后观测所得。

2 不同植物组合对公路边坡土壤性质的影响

2.1 不同植物组合对土壤机械组成的影响

土壤机械组成是指土壤中矿物颗粒的大小及组成比例,直接关系到土壤的保肥保水和通透性等[18],间接影响着植物的生长。测定各植物组合下的土壤机械组成,分析其砂粒、粉粒和黏粒的含量,所得结果见表2。

表2 不同植物组合的土壤机械组成

根据表2的测定结果,对照国际制土壤质地分级标准,确定CK小区的土壤质地为壤土,经不同植物组合处理后,其土壤砂粒、粉粒和黏粒含量均产生了变化。

试验区域的土壤砂粒含量较CK小区均有所减小,从小到大依次为:丁<丙<乙<甲<CK。其中,丁植物组合的土壤砂粒含量降幅最大,相比CK小区降低了31.85%。土壤粉粒和黏粒含量较CK小区有所增加。其中,丁植物组合的土壤粉粒和黏粒含量增幅最大,土壤粉粒含量相比CK小区提高了25.23%,土壤黏粒含量相比CK小区提高了58.26%。对照国际制土壤质地分级标准,发现经植物处理后的土壤质地为粉砂质壤土,说明所配置的植物组合对该区域的土壤改良效果较为明显,其中添加了灌木的丁植物组合对土壤的改良效果相对更好。

2.2 不同植物组合对土壤容重和孔隙度的影响

土壤的容重和孔隙度是土壤的基本物理性质,直接影响着土壤的蓄水能力和透气性,间接影响土壤的肥力和植物的生长[19]。植物根系在土壤中生长,相互缠绕交叉,改变了土壤颗粒空间分布,使土壤变得疏松多孔,土壤的容重降低,孔隙度提高[20]。土壤容重和土壤孔隙度与植物相互影响,形成良性循环,使得植物可发挥较好的水土保持效力。检测各个试验小区的土壤容重和土壤孔隙度,所得结果见图1。

图1 不同植物组合下的土壤容重和土壤孔隙度

从图1可知,试验小区的土壤容重介于1.25~1.45g/cm3之间,从小到大依次为:丙<丁<乙<甲<CK。采取了植物布设措施的小区其土壤容重明显小于CK小区,其中丙植物组合土壤容重降幅最大,为10.56%。土壤孔隙度与土壤容重表现出相反的规律。土壤孔隙度介于40%~50%之间,从小到大依次为:CK<甲<乙<丁<丙。其中,丙植物组合下的土壤孔隙度增幅最大,为4.88%。

土壤非毛管孔隙的多少和联通性的好坏直接影响着土壤的通气性能[21]。非毛管孔隙是土壤快速储水的场所,非毛管孔隙度越大,表明土壤中可能吸持的无效水容量越小,有效水的储存容量越大[22]。由图1可知,丙植物组合的土壤非毛管孔隙度最大,甲、乙、丁植物组合的土壤非毛管孔隙度相差无几,略小于CK小区,这是由于CK小区砂砾含量大导致其非毛管孔隙度较大,说明丙植物组合下的土壤具有最好的储水能力,通气性好,易于植物生长发育。

2.3 不同植物组合对土壤抗蚀性的影响

土壤抗蚀性是土壤抵抗分散和悬浮的能力,是控制土壤承受降雨和径流分离等过程的综合效应[23],是评价土壤抵抗侵蚀应力破坏的能力和土壤质量的重要指标之一[24]。对不同植物组合下的土壤进行抗蚀性分析,其结果见图2。

图2 不同植物组合下土壤抗蚀指数随时间的变化

由图2可知,随着土壤浸水时间的延长,土壤的抗蚀性能呈先缓慢减弱,再加速减弱后趋于稳定的趋势:在5min时,抗蚀指数开始加速减弱,8min时减弱速度开始放缓,9min后抗蚀指数趋于稳定。整体来看,种植植物的土壤其抗蚀性能均高于CK小区。其中,丙、丁植物组合下的土壤抗蚀性能最好,不仅土壤抗蚀指数高,而且抗蚀性减弱速度慢,趋于稳定的土壤也具有较强的抗蚀性。

对不同植物组合下的土壤抗蚀指数S(%)与土壤浸水时间t(min)的关系进行拟合,结果见表3。

表3 抗蚀指数与浸水时间的拟合公式

由表3可以看出,各种组合的相关度R2都很高,表明其数据相关性较高,其关系通式可表示为:

式(1)中:a,b,c,d均为常数。

2.4 不同植物组合对土壤抗冲性的影响

土壤抗冲性是土壤抵抗径流对其的机械破坏和推动下移的性能[25],它的强弱主要取决于根系的缠绕和固结作用。这种作用可以提高土体的水稳性和抗冲蚀强度,从而使其不易被径流带走[26]。对不同植物组合下的土壤进行抗冲性能检测,所得结果见图3。

图3 不同植物组合下的土壤抗冲性能

由图3可知,植物组合的土壤抗冲性能明显强于CK小区,其土壤抗冲刷系数均在1.1L·min/g以上,其中点播灌木的丙、丁植物组合的土壤抗冲性要强于纯草本的甲、乙植物组合,丙植物组合下的土壤抗冲性最强,为CK小区的1.57倍,说明所选植物组合均可以提高土壤的抗冲性,增加灌木植物对提高土壤的抗冲性能效果相对更明显,其根系缠绕和固结作用强。

2.5 不同植物组合的水土流失情况

水土流失量是植物保持水土作用好坏的直观体现。观测发现,试验小区以浅沟侵蚀为主,侵蚀从近路肩的坡面上部产生,由路面汇水下挖冲刷路肩土壤,冲刷到一定深度和宽度后逐渐顺坡蔓延向下,坡面中间位置受冲刷较少,沟长多小于2m。分析各试验小区的水土流失数据,所得结果见图4。

图4 不同植物组合下土壤侵蚀情况

植物自然生长1年后,不同试验小区的土壤侵蚀情况有了较明显的差异。由图4可知,土壤侵蚀量从大到小依次为:CK>丁>乙>甲>丙;侵蚀沟数量从多到少依次为:CK>甲>丁>乙、丙;布设植物措施边坡的土壤侵蚀量和侵蚀沟数量均小于CK小区。其中,丙植物组合的土壤侵蚀量和侵蚀沟数量均为最少,土壤侵蚀量仅为CK小区的15.3%;甲小区侵蚀沟多,但其整体坡面较平整,土壤冲刷下挖浅,总的侵蚀量小;乙、丁试验小区随着侵蚀沟数量的增加土壤侵蚀量增加较明显,尤其是丁试验小区,侵蚀沟多,且土壤侵蚀量大,为CK小区的81.6%。

3 基于灰色关联度法的不同植物组合下水土保持效应评价

3.1 评价步骤

本文采用灰色关联度法[27]综合评价不同植物组合的水土保持效应,其评价过程如下。

(1)定义参考数列

式(2)中:X0为参考数列,其值选用每项测试指标的最大值;Xi为比较数列,被评价的对象数为:

(2)关联系数的计算

先计算比较数列Xi与参考数列X0各对应点的差值绝对值:

然后找出二级最大差和二级最小差,计算关联系数:

式(5)中:ξi(k)为第k点比较曲线Xi与参考曲线X0的相对值,即Xi对X0在k点的关联系数;Δ0,i(k)为X0数列与Xi数列在第k点的绝对值,1≤i≤m,m为正数;Δmin,Δmax分别为所有比较序列在各个点的绝对差值中的最小值和最大值;ρ为分辨系数,取值范围是[0,1],它由人为设定,属定性分析的人为系数,用来削弱Δmax数值过大而造成的失真影响,以增加关联系数之间的差异显著性,此次试验取ρ=0.5。

(3)灰色关联度计算

式(6)中:ri表示灰色关联度;ξi(k)意义同前。

为了更真实、客观地衡量各指标的重要性,本研究采用变异系数法来计算指标的权重Wi:

然后,结合关联度值求灰色综合评价值Gk:

3.2 水土保持效应评价结果与分析

按以上步骤对原数据进行处理,所得结果见表4。

表4 各评价指标的关联度和关联系数

综合评判值的大小直观反映了水土保持效应:综合评判值越大,表示其对应的水土保持效应越好。由表4可知,灰色综合评判值的大小依次是:丙(0.77)>丁(0.73)>甲(0.56)>乙(0.52)。土壤抗冲性指标与参考指标关联度最大,说明土壤抗冲性对该区域的水土保持效应影响最大。结果显示,丙植物组合的水土保持效应最好。

4 结语

本文依托伊犁地区S242线巩留—尼勒克公路边坡展开试验,检验了4种植物组合在公路边坡上的水土保持效应,发现试验采用的4种植物组合在1年后对边坡土壤均有一定程度的改良:丁植物组合下的土壤也具有较好的土壤结构,却产生了较高的土壤侵蚀量,需后续长期监测论证其组合搭配的合理性;纯草本植物的甲、乙植物组合在观测期内保护边坡效果较为明显,其效果的持续性还有待持续监测论证。

本试验植物组合中草本植物居多,旨在以草本植物为先导,改善边坡微环境,为灌木植物的生长和本土植物向边坡上蔓延创造条件,但实际观测中发现灌木生长缓慢,基本以草本植物护坡为主,季节更替中边坡裸露面积大,易产生水土流失,后续研究可结合各公路沿线的特色,适当增加伊犁特有的野果林植物种,丰富植被群落,实现季节更替中植物水土保持职责的交接,以求达到更好的护坡效果。

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