一种新型坡面穴植结构保水及抗旱试验研究

王 倜，陈 兵，王新军，李云鹏

（交通运输部科学研究院，北京 100029）

0 引言

公路建设、矿山开挖等工程建设往往不可避免地形成大量裸露边坡，这些坡面如果得不到及时有效的防护或恢复，可能存在水土流失、坡面滑塌等隐患，严重时甚至会影响生态系统稳定和司乘人员的生命安全[1-2]。目前，裸露边坡植被恢复技术措施主要有客土喷播技术、植被混凝土防护技术、三维植被网喷播技术、飘台法、植生袋法、厚层基材喷播技术、爆破燕窝生态重建技术、打孔绿化、藤本护坡等[3]。其中，喷播技术、三维植被网技术、藤本垂直护坡技术等常见边坡植被恢复技术因能配合工程防护实施，在兼顾安全、稳定性的同时使坡面得到一定程度的植被恢复，已在工程中得到了广泛应用。不过，部分工程建设形成的高陡边坡、岩质边坡等劣质坡面，因其特有的坡度和坡面结构等，导致天然土壤基质缺乏，人工基质也难以附着，使得坡面人工植被无法持续获取生长所需水分和养分，植被大多会在后期退化消失。对于这种情况，上述植被恢复技术应用均受到一定限制，绿化恢复问题尚未得到有效解决[4-5]，同时后期养护成本高更进一步增加了坡面植被恢复难度。为此，有必要研发一种节水抗旱、经济高效的劣质坡面植被恢复技术，以解决植被持续生长的问题，有效改善坡面植被恢复效果。

打穴（钻孔）植苗技术（以下简称“穴植技术”）是一种较为成熟的坡面植被恢复技术，主要通过在坡面开凿的穴孔内放置育苗营养钵的方式进行植被恢复。已有研究表明，穴植技术对于土质坡面有较好的植被恢复效果，在高陡和石质坡面的试验应用也取得了初步成果，因此该技术在改善部分劣质坡面植被恢复效果和解决坡面灌木持续生长问题方面具有一定作用[6-11]。穴植营养钵结构（以下简称“穴植结构”）为穴植技术最重要的组成部分，主要为植被生长提供长期稳定的土壤环境。长期以来，国内外对于穴植结构的研究较少，主要集中在结构外壳材料的改进上，例如采用可降解环保材料和生物材料取代传统的塑料外壳，试验观测对改良土壤和提高植被成活率有一定效果[12-13]；日本的山寺喜成研发了以硬质土块作为外壳材料的保育块技术，能促进植物主根生长，对提高移栽成活率有利[14-15]。截至目前，虽然现有成果对提高绿化植被成活率有一定作用，但在结构和基质组成、保水保墒功能等方面仍缺少深入探索，现有的穴植结构并不能有效解决坡面植被生长的水分制约这一关键问题[5]，穴植技术目前还无法成为解决干旱半干旱地区边坡、高陡和石质等劣质边坡植被恢复难题的较佳技术方案。

综上所述，穴植结构基础研究的缺失直接影响了穴植技术的改进升级，使其无法有效发挥技术优势，应用推广也受到明显的限制，因此暂时无法用于解决劣质坡面植被恢复难题。为解决坡面水分制约关键问题，显著提升坡面植被恢复效果，本文将通过模拟自然土层结构研发一种新型穴植结构模型，相较于传统穴植单层土壤结构，增加砂砾层、碎石层和外接储水罐结构。然后，针对该新型结构模型的透水性、保水性和植被极限存活时间等性能指标开展室内和室外对比试验研究，以验证结构模型设计的合理性及相较于传统单层穴植结构在保水抗旱功能方面是否具有明显的优势，以期为传统穴植技术的优化升级、新技术的推广应用提供理论和技术依据。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

试验地点位于陕西省咸阳市。咸阳市位于陕西省关中平原，西安市西北部，属于暖温带半湿润-半干旱季风气候，年平均降水量约为500mm[16]。试验时间为2018年6月至2019年6月，包括室内和室外两部分试验。其中，2018 年6 月夏季在实验室进行穴植复合结构的透水及保水试验；2019年6月夏季在试验场建立室外试验边坡，进行植物极限抗旱试验。

1.2 试验设计

1.2.1 设计思路

通常，边坡种植孔（穴）的开凿深度约为30cm、直径约为10cm。穴植绿化施工时，先往种植孔（穴）内填充种植土，然后放置带土营养钵苗。为提高结构的透水性、保水性和抗旱性，本研究主要对植孔（穴）内填充基质的结构和组分进行试验改进。试验通过模拟未经扰动的土壤剖面结构（表层、亚层、风化母层），设计了“土壤层+砂砾层+碎石层”的新型穴植结构模型，同时为实现长期供水，还在模型底部增加了顶部开孔的储水罐结构。整个结构模型一体化设计，可提前预制并实现坡面快速装填。

1.2.2 试验材料及规格

（1）模型尺寸及外壳设计

穴植结构模型均采用长20cm、内径10cm 的透明硬质塑料筒，筒上刻度达毫米级。透明塑料有利于观察和记录结构模型内部情况，刻度用于多种厚度组合基质的对比计量。塑料筒上部开口用以添加试验用基质材料和种植植物；底部封闭，其上均匀开9个小孔（孔径为5mm），并与储水罐连接且通过小孔互通。储水罐采用相同材质与内径尺寸的透明硬质塑料筒，高度为8cm 且带毫米级精度刻度，为半密闭罐体构造，透明塑料和刻度有利于准确观察和记录试验中储水罐水量变化情况。储水罐顶部同样均匀开9个透水小孔，可与上部试验结构模型连接，固定后透水小孔互通。

（2）内部填充基质设计

穴植结构模型组成从下到上分别为碎石层、砂砾层及土壤层。碎石层试验用石子的粒径范围为10～20mm，砂砾层试验用砂砾的粒径范围为3～5mm，土壤层组分为绿化种植土。根据试验设计，用不同厚度的基质材料装填。

（3）植物材料设计

本次试验用的紫穗槐（Amorpha Fruticosa）统一采用株高为40cm、冠幅为30cm 的幼苗，以尽量减小试验误差。

1.2.3 试验方法

（1）室内试验

在干旱和半干旱地区，由于水分是穴植（栽）结构内植物存活的关键因子，因此穴植结构模型在充分有效利用水分、减缓水分蒸发方面是否具有突出优势需要通过试验验证。为此，在2018 年6 月设计了穴植结构模型的透水性和保水性室内对比试验，包括3 种“土壤层+砂砾层+碎石层”不同基质厚度组合的结构模型，以及1 种单层土壤结构空白对照（Control Check,CK），每种结构模型进行3 次重复试验，共计12 个试验样本，试验情况如表1和图1所示。

图1 穴植结构模型示意图

表1 透水及保水试验穴植结构模型组成 单位：cm

透水性试验主要验证结构模型在有限的水分供应条件下，水分的渗透性和存储效率相比对照是否有明显提高，具体方法为：记录从结构模型表面持续缓慢灌水，水分渗透通过20 cm 厚度的结构层后，最终到达储水罐的整个过程所用时间。通常，所用时间越短，说明结构模型的透水性越好，能够在短时间内将水分最大化存储并供长期利用。

保水试验主要验证结构模型对于减缓储水罐中水分蒸发相比对照是否具有明显优势，具体方法为：从6 月8 日开始将结构模型放置在室内自然环境下，每间隔7d 观测记录1 次储水罐的水位，相同时间内储水罐水位降低越慢，说明结构模型的保水性越好。试验记录时间为6 月15 日至10月26日。

（2）室外试验

为验证穴植结构模型在实际坡面绿化工程中是否具有突出的抗旱性能，在2019 年6 月进行了室外植物极限抗旱对比试验，包括1 种室内试验筛选出的试验结构组成A 和1 种单层土壤结构组成的空白对照B（见表2 和图2）。将紫穗槐幼苗于两种试验模型结构中进行提前培育，待植株根系生长达到结构底部时，选择苗木规格（株高40cm，冠幅30cm），基本一致的结构模型作为试验样本，对每种结构模型进行9 次重复试验，共计18个试验样本。

表2 植物极限抗旱试验结构模型组成

图2 植物极限抗旱试验结构模型示意图

在试验场建立了规格为5m×5m、坡率为1:1的人工试验土质边坡，分别在坡顶、坡中和坡底均匀布设6 个孔径为12cm、深度为30cm 的种植孔，共计18 个种植孔，种植孔开孔方向与地面垂直。

试验开始后，将两种试验结构模型灌足水后分别填充于3 列种植孔内，在不浇水（遮雨）条件下记录试验结构模型内紫穗槐叶片在干旱胁迫下发生明显外部形态变化的平均时间节点并进行对比，以验证结构模型的保水抗旱性能。由于植物对水分最敏感的部分是叶片和茎[17]，干旱胁迫过程中生长严重受抑[18]，叶片会发生失绿、变软、枯黄、萎蔫、死亡、脱落等明显的形态变化[19-20]，因此叶片形态是鉴定植物抗旱性的指标之一[21]。

1.2.4 分析方法

采用SPSS 19 软件对透水性能试验的时间数据进行单因素方差分析，采用Excel 2016 对保水性能试验数据和植物极限抗旱试验数据进行统计分析。

2 试验结果与分析

2.1 结构模型透水试验

不同结构模型的透水时间试验结果如图3 所示。由该图可见，不同结构的透水时间存在显著差异（P＜0.05），按透水时间由短至长排序为：结构模型2、结构模型3、结构模型1、结构模型4（CK）。其中，结构模型2 的透水时间明显优于其他结构模型；结构模型3 和结构模型1 的透水时间无显著差异（P>0.05）；对照结构模型4（CK）透水时间最长；结构模型2 相较于CK 透水速率提高了约38%。结构中的碎石层，由于孔隙度大且不能持水，有利于水分快速向下通过，在整体结构长度一定（20cm）的试验条件下，其长度是影响整体结构透水时间长短的关键。另外，在试验现场观测发现，对照CK 的储水罐内有土壤进入，说明随着水分的渗透存在土壤流失，有造成透水孔堵塞或储水罐内淤积土壤的风险，而结构模型1、结构模型2、结构模型3 储水罐内未发现土壤进入，说明增加砂砾层和碎石层，对于缓解结构内上层土壤流失具有一定作用。

图3 不同结构模型的透水时间

2.2 结构模型防蒸发试验

不同结构模型储水罐水位随时间降低的变化趋势如图4所示。由该图可以看出，随时间变化，4 种结构模型的储水罐内水分因蒸发而减少的情况有较明显的差异。相同试验时间内（6月8日—10 月26 日），结构模型2 水分减少量最小，试验结束后水位只降低了约0.4cm，其次是结构模型3，两者降低高度差异不明显。试验期间水分减少最多的是对照组结构模型4，水位降低约1.3cm，与结构模型2、结构模型3均有较为显著的差异。现场还发现，对照处理土壤层的部分土壤会通过透水孔进入储水罐与水接触并向上出现虹吸反渗现象，后期随着水位的降低，土壤不再与水接触，但水位仍然持续较快降低，这可能与水分持续蒸发有关。试验结果表明，采用碎石层能够有效防止储水罐水分过快蒸发，对阻隔土壤毛细管虹吸也有一定作用，其中4cm 和6cm 厚度的碎石层结构防蒸发效果较好。

图4 不同穴植结构模型储水罐水位随时间降低高度

2.3 结构模型植物极限抗旱试验

基于结构模型的透水及保水试验结果，优选结构模型2 作为植物极限抗旱试验的结构模型。试验植物在持续干旱胁迫下，植被形态、储水罐水量及土壤发生改变的重要时间节点见图5。由该图可见，两组对比试验在前期表层和半层土壤干涸的时间节点上无明显差异，而随着下层土壤的逐渐干涸，时间节点的差异越来越显著。如在结构模型内土壤全部干涸的时间节点上，结构模型2 可长达91d，而对照CK 在第21 天其内土壤已全部干涸，两者在土壤干涸时间上差异巨大。这是由于结构模型2 安装了储水罐，其中的水耗尽后（71d），土壤才逐渐全部干涸（91d），而对照CK 因无储水罐而在第21 天左右土壤就已全部干涸。这说明植物能够从土壤和储水罐中吸收水分存活，而储水罐能持续为植物供水超过2 个月。土壤干涸后，植物受干旱胁迫影响加剧，植株表征的时间节点差异也同样明显且趋势相同。如结构模型2 紫穗槐从受干旱胁迫起至叶片萎焉的时间约为118d，至死亡的时间约为145d，而对照组分别仅约为41d 和66d，这表明结构模型2 紫穗槐的存活时间至少延长了2 倍。试验结果表明，结构模型2设计能明显延长植物在无养护状态下的存活时间，极限时间为3～4个月；3个月后植物也会受到干旱胁迫，可能会造成不可逆的伤害甚至死亡。

图5 植物极限抗旱试验时间节点

3 讨论

3.1 碎石层显著提高结构透水性

“土壤层+砂砾层+碎石层”的穴植结构模型模拟了自然土层剖面结构，对比单层土壤层结构，能明显提高结构的整体透水性和保水保墒效果。研究结果表明，碎石层由于具有较大的孔隙度且不具有持水性，在结构整体长度一定的条件下，随着碎石层组分长度的增加可显著提高结构模型水分的渗透性。已有研究证明，碎石有利于土壤水分的入渗和稳定渗透，且1～3cm 粒径的砾石水分入渗性能最好[22-23]，这为本次试验研究中碎石层结构设计提供了一定的科学依据，同时为进一步优化碎石层粒径组成提供了借鉴。

3.2 碎石层有效抑制水分过快蒸发

目前已有研究表明碎石覆盖可以较好地抑制土壤水分蒸发[24]。本文的试验结果同样证明了结构中的碎石层能够有效减缓储水罐中水分的蒸发速度，这是由于碎石遮挡了储水罐上的透水孔。此外，碎石减少了土壤结构中的毛细管含量，降低了根系利用土壤虹吸进行吸水的能力，因此降低了植物对水分的消耗速度。增加碎石层结构取代部分土壤层的做法虽然提高了结构的保水性，且本次试验中未观测到植物生长受到明显的抑制，但是否会对结构中植物的长期生长产生影响尚需进一步试验观测。

3.3 砂砾层保水保墒效果明显

土层中的砂砾层结构具有一定的保水保墒作用[25-27]，是穴植结构模型设计研究的重要基础参考。试验结果表明，砂砾层对防止结构中土壤随水分流失有一定的效果，这是因为砂砾层对上层土壤起到了一定的阻挡作用，对防止土壤不断随水分进入碎石层和储水罐有一定作用。这种设计提高了上层土壤的持水能力，对防止结构的保水性和储水功能降低具有一定效果。

3.4 储水罐保证植物长期存活

储水罐能够额外且持续为结构中植物生长提供必需的水分，其半密封设计保证了水分的长期储存，同时上面的透水孔也能满足植物根系吸水。根据试验数据，增加的储水罐结构可为植物持续供水超过2 个月，植株开始受干旱胁迫影响时间可推迟至第118d，而植物极限存活时间因此可长达145d。试验结果表明，增加储水罐的结构模型抗旱性能优越，理论上能实现坡面植物3 个月左右无需养护，可抵御试验地区历史记载的最长极端干旱无雨期62d[28]。研究同时认为，即使采用结构模型，坡面绿化植物也需在3 个月内进行养护浇水，为储水罐重新储水，保证植物个体生长不受干旱胁迫的影响。

3.5 模型结构可促进根系生长

室外试验中，结构模型采用整体穴植移栽到坡面的方式不损根系，因此可加速木本植物主根的生长，有利于坡面的安全稳固。由于模型结构的限制，植株根系侧向空间有限，但具有更多向下生长的空间。试验中观测发现紫穗槐主根生长发育相较于普通营养钵苗更长、更粗壮，强壮的主根能使木本植物在坡面生长更加稳固且更能适应恶劣的坡面立地条件，目前的保育块技术的核心也是通过类似方式来加强植物主根生长达到固坡的目的[29-30]。在此基础上，如果结构模型的外壳材料采用可降解材料，在主根强壮稳固后，随着外壳分解须根也会迅速横向生长，使整个植株在坡面纵向和横向形成根系网稳定坡面。根系固坡原理是在主根锚固边坡土壤平面，以须根为主的整个根系形成复杂网络，辅助加筋固牢土壤护坡[31-32]，使边坡安全系数随着植物生长而增大[33]，相关基础研究为结构模型的固坡效应提供了理论支撑。

4 结语

本文构建的“土壤层+砂砾层+碎石层”及外接储水罐的穴植结构模型，经试验验证结构合理，抗旱保水保墒性能较好，能极大地延长坡面穴植植物存活时间。该结构模型的土壤层、砂砾层和碎石层组合基于自然土层结构，同时参考了当前相关研究成果，经验证结构的透水和保水效果明显，能够达到迅速透水和储水并防止储水罐内水分过快蒸发和消耗的效果。利用穴植结构模型进行的植物极限抗旱试验发现，紫穗槐存活时间长达145d，能够有效降低坡面绿化养护的频率和成本。因此，本文研究设计的新型穴植结构模型对于突破当前穴植技术面临的环境水分限制、提高坡面穴植植物的存活率具有重要参考意义。如将研究结果进一步优化后进行产业化，将具有较好的应用推广前景，尤其在干旱半干旱地区，以及有低养护需求的劣质坡面绿化工程。

由于试验条件限制，研究中关于“土壤层+砂砾层+碎石层”不同组分长度的对比试验设计，试验样本量仍显不足，因此试验筛选出的优选结构模型还需进一步试验验证，研究结果可能并不适用于所有气候类型的地区，如对于水分条件充足的地区，该模型可能需要适当调整，为此建议通过试验因地制宜地调整组分。另外，研究尚未摸清结构模型中各组分比例长度在不同环境条件下的调整原则和机制，这也是下一步研究的重点内容。此外，对外壳材料及其对植物生长的影响规律研究、配套钻孔机械研发、规模化加工预制等，也将是后续关注的方向。