高速公路路堑边坡客土喷播的长期防护效果

汪益敏，陶玥琛，程致远，李博文

华南理工大学土木与交通学院，广东 广州 510640

公路建设不可避免会对路域生态环境造成干扰和破坏，随着人们环保意识的增强，公路边坡的生态恢复越来越受到重视。生态护坡技术是一种利用植物来改善坡面抗侵蚀性能同时兼顾恢复植被的措施（Liu et al.，2020）。路堑边坡生态防护受边坡坡度、岩性以及水分赋存条件等影响往往较路堤边坡更为困难（Fu et al.，2018），同时，高路堑边坡在降雨条件下更容易发生坡面冲刷。如何合理采用防护措施来保证路堑边坡长期稳定和恢复生态一直是公路建设中关注和研究的热点。

客土喷播通过将回填土、腐殖质、植物纤维、化学肥料和植物种子等材料混合，喷洒到坡面上以形成用于植被建立的土壤层，实现因开挖裸露的坡面植被快速恢复，具有良好的生态和环境效益（谭少华等，2004）。客土喷播的设计和施工方法相对较为成熟（蒋鹏飞等，2011），防护效果的研究报道多集中于边坡交工后1—4年的试验观测结果（Cao et al.，2018；张霄等，2017；喻永祥等，2021）。由于公路边坡的生态恢复和植物演替是一个漫长的过程，目前很少见到关于客土喷播对高速公路路堑边坡防护效果的长期跟踪研究报道。本文以广东省惠河高速公路客土喷播路堑边坡为对象，调查研究边坡建植后18年的坡面植被生长情况，并运用水蚀预报模型定量分析坡面植被的水土保持效果，为高速公路路堑边坡生态防护工程设计提供参考和借鉴。

1 工程概况

研究边坡位于广东省高速公路 S202惠州至河源段，沿线地区属亚热带季风气候，年平均气温22.4 ℃，年平均降雨量1922 mm，4—9月的降雨量达到了将近全年降雨量的85%。边坡地层岩性主要是风化程度不等的砂页岩或残积碎石土，土壤类型为赤红壤。1号坡为4级边坡（图1a），每级边坡的高度为 10 m，其中第 1级边坡采用浆砌片石防护，第2级边坡的防护类型为混凝土框格梁加锚杆以及客土喷播，第3、4级坡则采用客土喷播进行坡面防护，每级边坡间设置2 m宽的平台。2号坡的最大坡高约为38.5 m，设计为4级边坡（图1b），第 1—3级边坡采用混凝土格梁客土喷播的方式进行防护，每级边坡高度10 m，第4级边坡采用客土喷播防护，高度为8.5 m。

图1 研究边坡的设计断面和施工完成现场图Fig. 1 Sectional drawing and construction site of the study cutting slope

客土喷播所用的客土为经多种微生物群落发酵而培育出的有机型天然土，通过添加速效化肥和缓效有机肥，以增加客土中植物生长所需的氮磷钾和有机质，同时混合了粘结剂和保水剂，使客土能黏附在边坡表面，为植被发育提供养分和水。种子的选用主要考虑地区适应性和水土保持性能，1号坡选用狗牙根（Cynodon dactylon）、糖蜜草（Melinis minutiflora）、百喜草（Paspalum notatum）和多花木蓝（Indigofera amblyantha），施工时间为2003年4月15日，2号坡选用狗牙根、大翼豆（Macroptilium lathyroides）、山毛豆（Tephrosia candida）、柱花草（Stylosanthes guianensis）和糖蜜草，喷播时间为2003年9月3日。喷播施工前先整平坡面，并铺设用螺纹钢筋固定的镀锌铁丝网，客土喷播厚度视坡面情况为 6—10 cm不等，完成喷播后即覆盖无纺布进行早期防护（谭少华，2005）。

2 研究方法

2.1 植被调查及统计方法

为了调查边坡重建后的植被恢复和生长情况，分别于2003年的8—11月，2004年的1、4、7、10月，2005年的1、5、11月和2020年的11月，对研究边坡进行了12次跟踪调查，时间跨度长达18年。使用正方形样方法进行调查对象的抽选，在每级边坡的4个角和中部设置2 m×2 m大样方调查灌木情况，由于坡面乔木发育阶段较为初级，故而与灌木选用相同方法调查。在每个大样方内设置2个1 m×1 m小样方调查草本情况。

本研究主要以盖度和生物量指标对植被生长情况进行评价，并换算成相对盖度来表示物种对群落的贡献度，其计算方法如式（1）所示，并对不同坡、不同坡级之间的植被盖度进行单因素方差分析。使用数码相机对每个样方进行垂直拍照，将照片导入ImageJ软件中分析获得植被盖度。使用植物图鉴和植物识别软件来综合识别和记录植物种类。在调查地上生物量时则换用0.5 m×0.5 m的样方框，使用镰刀和园艺剪收割样方中植物的地上部分，带至实验室烘干得到地上生物量。

式中：

Rj表示物种相对盖度；

Cj表示物种在样方中的覆盖度。

2.2 水蚀预报模型基本原理

水蚀预报模型（WEPP）是由美国农业部于1985年开发，其坡面版研发较为成熟且应用广泛。坡面版WEPP模型基于物理过程，使用稳态泥沙连续方程计算输沙量（Nearing et al.，1989），计算方法如式（2）所示：

式中：

x为坡面上一点沿坡面到坡底的距离，m；

G 为输沙量，kg·s−1·m−1；

Vr为细沟侵蚀速率，kg·s−1·m−2；

Vi为细沟间侵蚀速率，kg·s−1·m−2。

Vr的计算方法如式（3）所示：

式中：

Kr为细沟土壤可蚀性，s·m−1；

τf为水流剪切应力，Pa；

τc为土壤临界剪切应力，Pa；

Tr为细沟输沙速率，kg·s−1·m−1；

β为雨滴引起的湍流系数，降雨条件下设为0.5；

vr为细沟有效泥沙下沉速率，s−1·m；

q 为单位宽度的径流量，s−1·m2。

Vi计算方法如（4）所示：

式中：

Ki为细沟间土壤可蚀性，kg·s·m−4；

IE为有效降雨强度，m·s−1；

F为植被覆盖度，0—1；

HE为有效冠层高度，m；

gi为细沟间的残留物覆盖度，0—1；

S为细沟间距，m；

b为细沟宽度，m。

2.3 水蚀预报模型建立

运行模型需要输入地形、气候、土壤和作物管理4个文件所建立的数据库（Flanagan et al.，2012）。气候文件建立是以标准的CLIGEN格式，输入了当地的气候数据。本研究中模型所应用的主要土壤参数如表1所示，依据美国制土壤粒径分级标准划分砂粒、粉粒和黏粒，划分粒径分别为0.05—2 mm、0.002—0.05 mm和<0.002 mm。参照坡面土样调查结果和中国土壤数据库中的相关数据，设置砂粒含量、黏粒含量、有机质含量、碎石含量及阳离子交换量参数，WEPP模型会据此计算出粉粒含量和细沟间土壤可蚀性Ki。初始饱和度使用推荐值70%。使用人工降雨装置，在客土喷播3 d和30 d时对坡面进行分组冲刷试验，收集并称重得到不同雨强下的土壤侵蚀量，参照有关研究设置初值后（余长洪等，2013），利用第1组试验数据，按照累计误差法对敏感土壤参数进行率定，最终有效水力传导系数KE、土壤临界剪切力 τc和细沟土壤可蚀性 Kr分别为 20.1 mm·h−1、3 Pa 和 0.003 s·m−1。利用第 2 组试验数据基于Nash-Sutcliffe有效性系数（Kumar et al.，2021）对模型有效性进行验证，结果显示模型的该系数大于0.5，即参数设定具有合理性。地形文件根据边坡施工设计文件获取。作物管理文件的植被参数参照WEPP自带数据库和相关研究（Elliot et al.，1997），并根据实际观测的植被生长情况进行修正，以得出符合本项目特征的径流和土壤流失预测，主要参数设置如表2所示，其中客土喷播第1年没有经历完整的自然年，因而进行单独设置。

表1 WEPP所用的主要土壤参数Table 1 Major soil inputs for WEPP applications

表2 WEPP所用的主要作物管理参数Table 2 Major management inputs for WEPP applications

3 结果与分析

3.1 植被盖度及生物量变化

对研究边坡建植前3年和第18年的植被盖度进行了统计。从图2a可以看出，在客土喷播边坡建植的第1年，便可实现较高的植被覆盖度。1号边坡在4月15日进行客土喷播后植被盖度迅速增加，4个月后盖度达到73%，在10月达到峰值盖度88%；2号边坡在9月3日进行了客土喷播后，在11月初达到了该年的峰值盖度48%，随后盖度出现下降。1、2号边坡在第2年的10月达到的峰值盖度分别为 96%和 88%，较第 1年的峰值盖度分别提高了8%和40%，基本实现植被对坡面的全覆盖。第3年的11月，1、2号坡的植被盖度较去年变化不大，分别为95%和88%，但全年植被盖度的变化幅度为9%和16%，小于第2年24%和44%的变化幅度。第18年11月植被盖度较第3年变化不大，客土喷播边坡的植被生长情况显示出良好的长期效果。图3为不同坡级的植被盖度对比，对不同坡、不同坡级之间的植被盖度进行单因素方差分析后可以得出，两个边坡的不同坡级之间的植被盖度不存在显著性差异（P>0.05），而1号坡和2号坡之间的植被盖度则存在显著的差异（P<0.01）。

图2 植被盖度和地上生物量变化Fig. 2 Variations in vegetation coverage and aboveground biomass

图3 不同坡级的植被盖度对比Fig. 3 Comparison of vegetation coverage between different slope grades

由图 2b可知，地上生物量的年内变化规律显著，年际变化为逐年增加。在边坡建植的第1年的10月左右，两个边坡分别达到了该年的峰值生物量0.33 kg·m−2和 0.27 kg·m−2。随后植被进入衰退期，到1月份分别减少了39.7%和15.9%的生物量，1号坡在经历第2个冬天时，减少了38.7%的生物量，与第1年相似，而2号坡则减少了34.9%的生物量，远高于第1年越冬时的生物量减少率。

3.2 群落物种组成变化

跟踪调查期间，群落的物种组成发生了显著变化（图4）。建植第1年出现在样方的物种数量有10种，其中非初始喷播的乡土植物有3种，此时1号坡的主要优势种为狗牙根和百喜草，在8月时占据了90%以上的相对盖度，到9月时，坡面开始出现了乡土植物胜红蓟（Ageratum conyzoides）。2号坡的优势种为狗牙根和糖蜜草，在10、11月出现了极少量的乡土植物胜红蓟、芒萁（Dicranopteris dichotoma）和蟋蟀草（Eleusine indica）。到第2年时乡土植物的数量增长到了5种，1号坡在7、10月新生长出旗草（Brachiaria brizantha）和葫芦茶（Tadehagi triquetrum），2号坡只发现胜红蓟一种乡土植物。从第2年7月开始，初始喷播物种的相对盖度开始逐渐降低，乡土植被在群落中的相对盖度则逐步上升。

图4 相对物种盖度变化Fig. 4 Variations in relative species coverage

在第 18年的坡面植被调查中，样方范围内共发现20种植物，两个边坡均未发现初始喷播物种。将此次调查发现的相对物种盖度绘制如图5所示。由图5可知，经过长期植被恢复后，客土喷播边坡的植被组成仍以草本植物为主，但灌木和乔木对整体盖度贡献也达到了31.5%和24.8%的较高水平。其中 1号坡的优势种为芒萁、芒（Miscanthus sinensis）等植物，其相对盖度分别为29.7%和12.1%（图5a），2号坡的优势种为芒萁、旗草、芒等植物，其相对盖度分别为24.8%、15.8%和14.3%（图5b）。在整体上，植被长势良好，绿色鲜活植物比例较高（图 6）。草本植物在数量上占据优势，生长比较充分，呈明显分物种聚集特征，灌木植物数量则显著低于草本植物，坡面未发现发育出粗壮主干的乔木。

图5 第18年11月的相对物种盖度Fig. 5 Relative species coverage in November of the 18th year

图6 第18年11月的典型植物图像和名称Fig. 6 Images and names of the typical plants in November of the 18th year

3.3 基于水蚀预报模型的客土喷播护坡效益分析

为定量评估客土喷播边坡的水土保持效益，使用WEPP模型计算了从客土喷播后的第1天开始，对应第1周年、第2周年和第18年的径流量和土壤流失量，并与裸露边坡的模拟值进行对比。如图7所示，无论在客土喷播后的早期还是第18年，植被对土壤流失的减少均显著有效。1号坡和2号坡在第 1周年的土壤流失减少率达到了 68.6%和91.4%，减流率则为31.2%和63.7%，2号坡在建坡第1周年便已经实现了较为理想的水土保持效益。到第2周年，研究边坡均实现了90%以上的土壤流失减少率，分别为 97.1%和 96.9%，与潘声旺等（2013）在成渝高速的试验结果相似。在第2周年的6月，2号坡遭遇了2天降水量接近500 mm大暴雨事件，但这两天的土壤流失减少率仍有93.5%。基于WEPP模型模拟了2004—2020年期间的土壤流失情况，由图8可知，坡面年土壤流失量随降雨量的变化较明显，在植被恢复期间，该地区的年降雨量在1186—2806 mm区间变化，而对应的年平均土壤流失量分别在 0.31—8.16 kg·m−2和 0.19—7.07 kg·m−2。在调查末期，土壤流失量减少率维持在与第 2周年相近的水平，减少率分别为 96.7%和96.3%，说明客土喷播植被能够实现理想的长期减沙效果。总体而言，植被对土壤流失的控制相当理想，但对于坡面径流的控制比较有限，需辅助排水沟等工程措施（Xu et al.，2006）。

图7 客土喷播坡面与裸坡的土壤流失和径流对比Fig. 7 Comparison of soil loss and runoff on external-soil spray seeding slope and bare slope

图8 坡面土壤流失量与降雨量的年际变化Fig. 8 Inter-monthly variations of soil loss on slope and rainfall

4 讨论

对比两个坡建植前3年和第18年的盖度调查数据可以看出，客土喷播能为路堑边坡恢复早期提供充足的种子支持，狗牙根等先锋植物能够快速生长绿化坡面，但是这些初始喷播物种在群落中的优势主要在前2年左右，往后乡土植物便开始逐渐占据主导地位，这与废弃矿区进行水力播种后的演替规律类似（Martínez-Ruiz et al.，2007）。尽管两个边坡的初始喷播物种存在较大差异，在第 18年的调查中，1、2号坡的群落基本演替成乡土植物，且两者的优势物种和群落组成相似性较高，说明初始喷播物种的选择可能对群落的长期演替影响较小，以往研究也指出，植被的恢复演替主要受土壤质地、土壤侵蚀和气候条件驱动（Vidal-Macua et al.，2020）。故而在客土喷播种子的选择上，以往主要考虑早期快速恢复的做法是可行的，尽管这些物种存在时间可能较短，但在改善建植早期的坡面侵蚀上是有效的，这意味着边坡建植早期更少的土壤侵蚀、更安全的边坡以及更多的种子和养分得以保留，并且对土壤质地的改善也为后续乡土植物的定植提供更好的立地条件（Huang et al.，2017）。因为裸露土地的植被演替规律往往是不定向的（Munroe et al.，2013），在客土喷播路堑边坡这种特殊生长环境下，提前引入本地物种加速坡面演替进程的效果难以预见反而增加施工成本。

1号坡和2号坡在进行客土喷播后，盖度和生物量增长出现明显差异。导致喷播第1年盖度差异的一个主要原因是喷播月份的不同，1号坡植被在4月喷播后经历了6个月的植被生长期，而2号坡植被仅生长了2个月后便进入冬季衰减期。覆土厚度会对公路边坡植被恢复效果产生重要影响（刘涛等，2021），在建坡第2年时2号坡出现了一定裸露岩石，部分坡面区域风化程度较低，更低的粗糙度使更多客土流失，岩石区域植被的缺失导致整体植被盖度的下降。坡度是影响植被恢复的重要因素，当坡度大于 50°时土壤水分会有明显下降（王忠伟等，2018），但坡度为53°的2号坡的1、2级坡植被盖度并未与其他坡级具有显著差异，可能是该地区丰沛的降雨量能够满足植被生长需要。通常，植被盖度在高于80%时便可实现较为理想的水土保持效果（Chen et al.，2019），尽管2号坡的植被盖度在第二年后一定程度低于1号坡，但植被的土壤流失控制效果仍然是十分理想的。

5 结论

通过对高速公路路堑边坡客土喷播防护长期效果的跟踪调查，并利用WEPP模型分析预测边坡坡面侵蚀变化，得出以下主要结论：

（1）在客土喷播初期，喷播物种中的狗牙根等先锋植被，能够在早期快速覆盖坡面，3个月实现48%—61%的整体植被覆盖率，建植初期的成坪速度受喷播季节和草种类型的影响。长期植被覆盖率保持在84%—96%左右，高速公路路堑边坡客土喷播的植被恢复速度和持续效果良好。

（2）坡面植物在经过18年的演替后，群落的物种组成发生显著变化，最初喷播植物已基本被其他乡土植物物种替代，形成了以芒萁等草本植物为优势种的新群落，灌木植物和乔木植物盖度提升，在群落中的相对盖度到31.5%和24.8%的较高水平。

（3）客土喷播形成的边坡植被对坡面土壤流失的控制效果显著，第1周年就实现了68.6%和91.4%的土壤流失减少率，长期年土壤流失减少率高于96%。