周千里, 楊建英,2, 梁淑娟, 張成梁

(1.北京林業(yè)大學(xué) 水土保持學(xué)院， 北京 100083;2.水土保持與荒漠化防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100083; 3.輕工業(yè)環(huán)境保護(hù)研究所, 北京 100089)

河岸生態(tài)護(hù)坡措施水土保持效益的模擬試驗(yàn)研究

周千里1, 楊建英1,2, 梁淑娟1, 張成梁3

(1.北京林業(yè)大學(xué) 水土保持學(xué)院， 北京 100083;2.水土保持與荒漠化防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100083; 3.輕工業(yè)環(huán)境保護(hù)研究所, 北京 100089)

[目的] 研究不同河岸生態(tài)護(hù)坡措施的減流、減沙和抑制養(yǎng)分流失的效果，并篩選出較優(yōu)配置的河流生態(tài)護(hù)坡模式，為華北地區(qū)生態(tài)治河實(shí)踐提供參考。 [方法] 采用人工降雨試驗(yàn)，測定模擬河流岸坡不同植被護(hù)坡措施的徑流量、產(chǎn)沙量、養(yǎng)分流失量，分析不同雨強(qiáng)、不同坡度、不同植被措施條件下的減流、減沙和減少養(yǎng)分流失效果；通過主成分分析對9個(gè)不同措施試驗(yàn)槽的減流、減沙和減少養(yǎng)分流失效果進(jìn)行評價(jià)。 [結(jié)果] 高羊茅減流減沙效果最優(yōu)，小冠花減少養(yǎng)分流失效果最優(yōu)。河岸坡30o、堤頂坡度小于0o的岸坡宜采用高羊茅進(jìn)行防護(hù)；河岸坡45o、堤頂坡度18o的岸坡宜采用小冠花進(jìn)行防護(hù)；河岸坡45o、堤頂坡度0o的岸坡宜采用高羊茅進(jìn)行防護(hù)。 [結(jié)論] 綜合來看高羊茅減流減沙效果最好，小冠花次之；小冠花減少養(yǎng)分流失效果最好，紫穗槐次之。

人工模擬降雨; 河流岸坡; 生態(tài)護(hù)坡; 試驗(yàn)研究

生態(tài)護(hù)坡是為防止土壤侵蝕和穩(wěn)固保護(hù)坡面采用活植物、活植物與土木工程措施或非生命材料結(jié)合的一種新型護(hù)坡模式[1]。其目的是為了重建受破壞的河岸生態(tài)系統(tǒng),恢復(fù)固坡、截污等生態(tài)功能。河岸生態(tài)護(hù)坡采取植物為主、工程為輔的形式相對于傳統(tǒng)護(hù)坡具有保護(hù)生物多樣性、改善棲息地、凈化污水等優(yōu)勢[2]。河流岸坡作為河流生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，適宜的岸坡防護(hù)措施，有利于固持土體，阻截泥沙，防止污染物成分進(jìn)入水體，對于減輕河道淤積、減輕河流污染和水體富營養(yǎng)化具有重要作用[3]。

在我國，關(guān)于生態(tài)護(hù)坡技術(shù)的應(yīng)用較早，但相關(guān)研究跟進(jìn)較晚[4]，目前所開展的研究多局限于生態(tài)護(hù)坡的定義、機(jī)理、功能的定性描述，對于不同生態(tài)護(hù)坡措施生態(tài)效果的定量研究則較少[5]。

本研究在考慮植物品種、河岸坡度、堤頂坡度3大因素對于生態(tài)護(hù)坡效果的影響的基礎(chǔ)上，采用人工模擬降雨試驗(yàn)對模擬河流岸坡不同生態(tài)護(hù)坡措施的減流、減沙和抑制養(yǎng)分流失的效果進(jìn)行研究，其中堤頂坡度因素的引入目前還尚不多見，進(jìn)而采用主成分分析，篩選出較優(yōu)配置的河流生態(tài)護(hù)坡模式，以期為華北地區(qū)生態(tài)治河實(shí)踐提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

北京市位于華北平原西北端，屬于典型暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，夏季炎熱多雨。年平均日照時(shí)數(shù)2 624 h，平均氣溫10～12 ℃，平均降水量600～700 mm，降水季節(jié)分布不均勻，75%集中在夏季。北京市主要河流有永定河、潮白河、京杭運(yùn)河、拒馬河等。因?yàn)閷?shí)際河岸不具備試驗(yàn)條件，故采用模擬河流岸坡進(jìn)行人工模擬降雨侵蝕試驗(yàn)。試驗(yàn)地位于北京市昌平區(qū)的輕工業(yè)環(huán)境保護(hù)研究所生態(tài)修復(fù)試驗(yàn)基地，年平均氣溫10.6 ℃，平均降水量653 mm，土壤質(zhì)地為沙質(zhì)壤土。

1.2 岸坡、堤頂?shù)哪M及布設(shè)

用于模擬河坡的長方體鐵皮侵蝕槽規(guī)格為1.5 m(長)×0.8 m(寬)×0.35 m(深)；模擬堤頂?shù)拈L方體過水槽，規(guī)格0.3 m(長)×0.8 m(寬)×0.35 m(深)；用于匯集徑流的V形集流槽規(guī)格0.2 m×0.8 m×0.35 m。模擬河坡的侵蝕槽和模擬堤頂?shù)倪^水槽均進(jìn)行填土處理。填充土取自北京市昌平區(qū)輕工業(yè)環(huán)境保護(hù)研究所生態(tài)修復(fù)試驗(yàn)基地，土壤質(zhì)地為沙質(zhì)壤土，經(jīng)測定pH值為7.64，有機(jī)質(zhì)含量4.723 g/kg，全氮含量為2.473 g/kg，堿解氮含量為19.057 mg/kg。將原狀土與含氮、磷、鉀、有機(jī)質(zhì)分別為12%，5%，8%，25%的有機(jī)無機(jī)復(fù)合肥以質(zhì)量比500∶1均勻混合，填土深度0.3 m，然后用木板輕微擊實(shí)，擊實(shí)后測得地表密實(shí)度為65%，壤中25 cm處密實(shí)度為75%。

1.3 試驗(yàn)布設(shè)

植物品種選擇北京地區(qū)常用河岸護(hù)坡植物小冠花、高羊茅和紫穗槐；河岸坡度和堤頂坡度的參數(shù)均按照北京地區(qū)常見河岸坡度和堤頂坡度設(shè)置詳見(表1)。

試驗(yàn)用植物的栽種是在模擬河坡侵蝕槽中栽種護(hù)坡植被，種子浸泡24 h后，小冠花20 g/m2，高羊茅50 g/m2均勻撒播。紫穗槐容器苗5列5行每試驗(yàn)區(qū)均勻栽種25棵。從植物栽種到降雨試驗(yàn)開始，植物生長周期約為80 d。植物生長狀況良好，坡面分布均勻。采用上部搭設(shè)遮雨棚的方式阻擋天然降雨，采用人工灑水壺均勻噴灑澆灌植物，以防止降水對坡面沖刷和產(chǎn)生徑流使?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)流失。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.4 人工模擬降雨

人工模擬降雨發(fā)生裝置為針頭式，降雨高度可在4～6 m范圍調(diào)整，本試驗(yàn)采用4 m降雨高度，有效降雨面積1.80 m×1.80 m。人工模擬降雨特性主要包括降雨強(qiáng)度和降雨均勻度[6]，開展試驗(yàn)前首先對降雨器的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。

1.4.1 降雨強(qiáng)度 通過流量計(jì)和控制試驗(yàn)水壓來標(biāo)定降雨強(qiáng)度[7]，即在一定時(shí)間內(nèi)流量計(jì)記錄數(shù)據(jù)，通過降雨強(qiáng)度換算公式獲得不同壓力下的降雨強(qiáng)度。經(jīng)試驗(yàn)標(biāo)定當(dāng)雨強(qiáng)為74.25～522.2 mm/h時(shí)，對雨強(qiáng)和壓力進(jìn)行回歸分析結(jié)果顯示雨強(qiáng)和壓力具有較好的線性相關(guān)性(R2=0.942 9)。

1.4.2 降雨均勻度率定 用8個(gè)相同規(guī)格(500 ml)的燒杯按照323，44，332這3種不同擺設(shè)方式放置在降雨區(qū)同一水平面上，秒表計(jì)時(shí)2 min，根據(jù)接取的雨量結(jié)合均勻度公式計(jì)算均勻度。一般認(rèn)為均勻度K≥80%表示均勻性好[8]，可以滿足試驗(yàn)要求。當(dāng)供水壓力在0.04～0.2 MPa即降雨強(qiáng)度為74.2～522.2 mm/h時(shí)，均勻度均在80%以上。降雨強(qiáng)度和均勻度均隨供水壓力的增大呈現(xiàn)增加的趨勢，說明降雨器運(yùn)行過程中性能穩(wěn)定[9]。

1.5 試驗(yàn)方法

9個(gè)試驗(yàn)區(qū)拆除上部遮雨棚后進(jìn)行降雨強(qiáng)度為90 mm/h的人工降雨，人工降雨器周圍設(shè)置遮風(fēng)圍擋，防止風(fēng)對試驗(yàn)的影響。持續(xù)時(shí)間均為1 h，降雨前10 min不進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。10 min后用采集盒每5 min采集1次地表徑流和壤中流。取樣后稱重，取上層清液用于水樣測定。剩余泥水風(fēng)干后稱量泥沙重量。各試驗(yàn)區(qū)休養(yǎng)放置7 d后，再次采用同樣的方法對9個(gè)試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行降雨強(qiáng)度為200 mm/h的人工降雨試驗(yàn)。泥沙、水樣的養(yǎng)分委托北京市環(huán)境科學(xué)研究院測定，泥沙全氮和堿解氮分別采用堿烙—鉬銻抗比色法和堿解—擴(kuò)散法測定，徑流氮素和溶解性總氮分別采用TOC測定儀和堿性過硫酸鉀氧化—紫外分光光度計(jì)法測定。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同植物防護(hù)岸坡徑流量

不同植被防護(hù)岸坡地表流和壤中流試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。降雨通過入滲進(jìn)入土層，當(dāng)降雨量大于降雨入滲速率時(shí)會(huì)產(chǎn)生地表徑流。由圖1試驗(yàn)結(jié)果可知，15°～45°河坡坡度，90 mm/h 降雨條件下，3種植物措施的地表徑流量集中在5～10 L，壤中流量集中在1～2.5 L。紫穗槐地表流量大于高羊茅和小冠花，約高出1.7～5 L；小冠花地表流量又大于高羊茅。紫穗槐壤中流量最少，高羊茅和小冠花壤中流量差異不大，小冠花略低。表明90 mm/h 降雨條件下，高羊茅對地表徑流具有較好的減流效果，小冠花次之。15°～45°河坡坡度、200 mm/h降雨條件下，3種植物的地表徑流量集中在42～75 L，壤中流量集中在9～26 L。

地表流隨岸坡坡度的增大呈較為顯著的增大趨勢，紫穗槐的地表流量高出高羊茅和小冠花8～21 L，小冠花地表流量大于高羊茅，高羊茅壤中流量略高于其他兩種植物，紫穗槐壤中流量最少。200 mm/h降雨條件下，同樣為高羊茅和小冠花對地表徑流有較好的減流作用。綜合2種雨強(qiáng)的徑流量結(jié)果，高羊茅對地表徑流有比較好的減流作用，小冠花次之，紫穗槐最差；與地表流相反，地表流減流效果越好，其壤中流流量越大。

圖1 不同植被防護(hù)岸坡的徑流量

2.2 不同植被防護(hù)岸坡產(chǎn)沙量

不同植被防護(hù)岸坡產(chǎn)沙量如圖2所示。伴隨地表徑流，岸坡表面土粒被剝蝕和運(yùn)移，進(jìn)而產(chǎn)生徑流泥沙。由圖2可知，15°～45°河坡坡度，90 mm/h降雨條件下，泥沙量集中在0.05～0.25 kg。紫穗槐泥沙量大于小冠花和高羊茅，高出0.05～0.2 kg；小冠花泥沙量又大于高羊茅。15°～45°河坡坡度、200 mm/h降雨條件下，泥沙量集中在0.3～3.3 kg。紫穗槐泥沙量高出其他2種植物1.1～3 kg，小冠花泥沙量又大于高羊茅。綜合2種雨強(qiáng)泥沙量結(jié)果，高羊茅對地表徑流泥沙的攔截作用最優(yōu)，小冠花次之，紫穗槐較差。

圖2 不同植被防護(hù)岸坡的泥沙量

2.3 不同植被防護(hù)岸坡養(yǎng)分流失量

地表積累的污染物(含氮營養(yǎng)物、有機(jī)物、泥沙等)隨著雨水的沖刷，以泥水的形式流入河流造成水體污染。本研究選取徑流泥沙中的堿解氮、全氮和徑流中的氮素、溶解性總氮4項(xiàng)指標(biāo)反映養(yǎng)分流失情況。

2.3.1 不同植被防護(hù)岸坡泥沙中堿解氮和全氮含量 由圖3可知，15°～45°河坡坡度,90 mm/h 降雨條件下，地表徑流泥沙的堿解氮濃度集中在20～47 mg/kg。高羊茅地表徑流泥沙的堿解氮濃度高出紫穗槐2～20 mg/kg，高出小冠花6～27 mg/kg。200 mm/h雨強(qiáng)下地表徑流泥沙的堿解氮濃度集中在32～59 mg/kg。高羊茅地表徑流泥沙的堿解氮濃度略高于其他2種植物，其中小冠花徑流泥沙的堿解氮含量最低。故兩種降雨強(qiáng)度下小冠花減少徑流泥沙中堿解氮氮流失效果最優(yōu)，紫穗槐次之。由圖4可知，90 mm/h雨強(qiáng)下地表徑流泥沙全氮含量集中在20～47 mg/kg。高羊茅地表徑流泥沙的全氮含量高出紫穗槐2～20 mg/kg，高出小冠花6～27 mg/kg。200 mm/h雨強(qiáng)下地表徑流泥沙全氮含量集中在1.6～3.2 g/kg。高羊茅地表徑流泥沙的全氮含量高于其他2種植物，小冠花徑流泥沙的全氮含量略低于紫穗槐。故2種降雨強(qiáng)度下小冠花減少徑流泥沙中全氮流失效果最優(yōu)，紫穗槐次之。綜合圖4—5所示結(jié)果，小冠花和紫穗槐抑制徑流泥沙中堿解氮、全氮流失的效果明顯，其中小冠花最優(yōu)，紫穗槐次之。

圖3 不同植防護(hù)被岸坡泥沙中堿解氮含量

2.3.2 不同植被防護(hù)岸坡徑流中溶解性總氮和氮素含量 由圖5可知，90 mm/h雨強(qiáng)下地表徑流的溶解性總氮含量集中在5.3～8 g/ml，壤中流的溶解性總氮含量集中在3.9～7.8 g/ml。高羊茅地表徑流和壤中流的溶解性總氮含量高于其他兩種植物，小冠花地表徑流的溶解性總氮含量略低于紫穗槐，兩者之間壤中流的溶解性總氮含量差別不明顯。

200 mm/h雨強(qiáng)下地表徑流溶解性總氮含量集中在4.9～10 g/ml，壤中流溶解性總氮含量集中在7.8～9.5 g/ml。小冠花和紫穗槐地表徑流溶解性總氮含量均略低于高羊茅。壤中流的溶解性總氮含量小冠花最低，其他2種植物壤中流的溶解性總氮含量差別不大。綜合兩種降雨強(qiáng)度的徑流的溶解性總氮含量結(jié)果，小冠花減少徑流的溶解性總氮含量效果最好，紫穗槐次之。由圖6可知，90 mm/h雨強(qiáng)下地表徑流的氮素含量集中在10.2～15.8 g/ml，壤中流的溶解性總氮含量集中在10.9～15.5 g/ml。高羊茅地表徑流和壤中流的氮素含量高于其他2種植物，小冠花地表徑流和壤中流的氮素含量略低于紫穗槐。200 mm/h雨強(qiáng)下地表徑流氮素含量集中在15.1～18.1 g/ml，壤中流氮素含量集中在14.2～19 g/ml。小冠花和紫穗槐地表徑流溶氮素含量均低于高羊茅。高羊茅壤中流的氮素含量最高，小冠花壤中流的氮素含量最低。綜合兩種降雨強(qiáng)度的徑流的氮素含量結(jié)果，小冠花減少徑流的氮素含量效果最好，紫穗槐次之。

圖5 不同植被防護(hù)岸坡地表徑流、壤中流溶解性總氮含量

圖6 不同植被防護(hù)岸坡地表徑流、壤中流中氮素含量

2.4 減流減沙和抑制養(yǎng)分流失綜合評價(jià)

用主成分分析法對1—9號(hào)試驗(yàn)槽徑流量、泥沙量、流失泥沙中的堿解氮、全氮、地表徑流和壤中流的氮素、溶解性總氮數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。經(jīng)KMO檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量取值0.580，宜作因子分析；經(jīng)Bartlett球形檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量sig<0.01，小于顯著性水平0.05，因此可以做主成分分析[10]，結(jié)果如表2—3所示。由表3可得，提取出了3個(gè)公因子，累積貢獻(xiàn)率分別是38.614%，63.247%和81.479%，各成分特征值大于1。

由表4可得，第1主成分因子變量對徑流氮素和溶解性總氮有較高的正載荷，第2主成分因子變量對泥沙量和徑流量有較高的正載荷，第3主成分對全氮有較高的正載荷[11-15]。由此可見，3種主成分分別綜合反映了不同植被防護(hù)岸坡抑制徑流氮素流失、減流減沙、抑制泥沙全氮流失的作用。

表2 主成分分析解釋的總方差結(jié)果

表3 成分得分系數(shù)矩陣

注：采用Kaiser標(biāo)準(zhǔn)化的正交旋轉(zhuǎn)法，旋轉(zhuǎn)在5次迭代后收斂。

將方差貢獻(xiàn)率作為權(quán)重，求主成分綜合指數(shù)y表達(dá)式為：

y=0.386 1y1+0.246 3y2+0.182 3y3

(1)

根據(jù)式(1)求得各試驗(yàn)槽地表和壤中試驗(yàn)參數(shù)的綜合分值，對各試驗(yàn)槽護(hù)坡措施的綜合評價(jià)結(jié)果詳見表4。根據(jù)綜合排名，效果較好的為6,7,9號(hào)試驗(yàn)槽，較差的為4,2,5號(hào)試驗(yàn)槽。綜合效果排序?yàn)?,7,9,3,1,8,4,2,5號(hào)。6和9號(hào)為高羊茅護(hù)坡效果較好，4和7號(hào)為小冠花護(hù)坡效果優(yōu)劣不一，2和5號(hào)為紫穗槐護(hù)坡效果較差。

表4 試驗(yàn)區(qū)各類護(hù)坡生態(tài)效益效果的主成分分析綜合指數(shù)

3 結(jié) 論

(1) 地表徑流減流效果越好，其壤中流流量越大。高羊茅對地表徑流泥沙的攔截作用最優(yōu)，小冠花次之，紫穗槐較差。高羊茅和小冠花的地表徑流量較紫穗槐徑流量低20%，泥沙量低50%以上。即草本植物高羊茅、小冠花減流減沙效果優(yōu)于灌木紫穗槐。小冠花抑制泥沙中的堿解氮、全氮和徑流中的氮素、溶解性總氮流失的效果最好，紫穗槐次之。即固氮植物小冠花和紫穗槐對于抑制養(yǎng)分流失效果優(yōu)于非固氮植物高羊茅。綜合來看高羊茅減流減沙效果最好，小冠花次之；小冠花減少養(yǎng)分流失效果最好，紫穗槐次之。

(2) 通過主成分分析法對1—9號(hào)試驗(yàn)槽徑流量、泥沙量、流失泥沙中的堿解氮、全氮、地表徑流和壤中流的氮素、溶解性總氮數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可知河岸坡30o、堤頂坡度小于0o的岸坡宜采用高羊茅進(jìn)行防護(hù)；河岸坡45o、堤頂坡度18o的岸坡宜采用小冠花進(jìn)行防護(hù)；河岸坡45o、堤頂坡度0o的岸坡宜采用高羊茅進(jìn)行防護(hù)。由于河岸坡度越高地表徑流量和泥沙量越大，所以9個(gè)模擬岸坡試驗(yàn)槽中岸坡30o和45o的試驗(yàn)槽采用減流減沙效果較好的高羊茅進(jìn)行防護(hù)效果比較好。小冠花雖然減流減沙效果次于高羊茅，但其減少養(yǎng)分流失效果最優(yōu)，所以綜合效果較好。

(3)本研究條件有限只設(shè)置了9個(gè)模擬試驗(yàn)槽，若能設(shè)置更多不同配置的試驗(yàn)槽，或直接在實(shí)際的河岸坡上布設(shè)試驗(yàn)，可得到更多有價(jià)值的結(jié)果。

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Simulated Research on Soil and Water Conservation Benefits of Riparian Ecological Slope Protection Measures

ZHOU Qianli1, YANG Jianying1,2, LIANG Shujuan1, ZHANG Chengliang3

(1.CollegeofSoilandWaterConservation,BeijingForestryUniversty,Beijing100083,China; 2.KeyLab.ofSoilandWaterConservationandDesertificationCombating,MinistryofEducation,Beijing100083,China； 3.EnvironmentalProtectionResearchInstituteofLightIndustry,Beiijng100089,China)

[Objective] Appropriate measures on riverbank slope were significant for soil and water conservation, water purification, and the health of riparian ecosystem. Artificial rainfall experiment was used to study the dynamics of runoff, sediment yield and nutrient loss. [Methods] The effects of rainfall intensity, slope gradient and protective measures were analyzed. Altogether, nine experimental plots were set and principal component analysis method was used to find the slope protection design which produced the best protective effect. [Results] Tall fescue was most effective on runoff and sediment reduction, while crown vetch had the largest effect in reducing nutrient loss. On slopes with riparian gradient of 30° or 45°, and with 0° or less crest, tall fescue should be used for slope protection. On slope with gradient of 45°and crest of 18°, Crown varia was appropriate for slope protection. [Conclusion] Tall fescue was most effective on runoff and sediment reduction, followed by crown vetch. Crown vetch was the most effective on reducing nutrient loss.

artificial rainfall; river bank; ecological slope protection; experimental investigation

2016-03-20

2016-07-24

企事業(yè)單位(北京首發(fā)天人生態(tài)景觀有限公司)委托科技項(xiàng)目“華北地區(qū)邊坡綠化綜合技術(shù)研究”(2014HXFWSBXY050)

周千里(1990—)男(漢族),山東省臨沂市人,碩士研究生,主要研究方向?yàn)樗帘３峙c建筑環(huán)境。E-mail:czarnino@163.com。

楊建英(1965—)女(漢族),北京市人,博士,副教授,主要從事水土保持與土壤侵蝕方面的研究。E-mail:jyyang@bjfu.edu.cn。

10.13961/j.cnki.stbctb.2016.06.003

A

1000-288X(2016)06-0015-06

S157.2

文獻(xiàn)參數(shù)： 周千里, 楊建英, 梁淑娟, 等.河岸生態(tài)護(hù)坡措施水土保持效益的模擬試驗(yàn)研究[J].水土保持通報(bào)，2016,36(6)：015-020.