李宏鈞，孔亞平，張　巖,簡　麗，陳學(xué)平

(1.北京林業(yè)大學(xué)　水土保持學(xué)院，北京　100083；2.交通運輸部科學(xué)研究院，北京　100029)

植物纖維毯對道路邊坡微生境的影響

李宏鈞1，孔亞平2，張巖1,簡麗2，陳學(xué)平2

(1.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，北京100083；2.交通運輸部科學(xué)研究院，北京100029)

摘要：為更好地了解植物纖維毯的生態(tài)防護功能，全面認(rèn)識其護坡原理，深入分析植物纖維毯的生態(tài)護坡優(yōu)勢，依托石安(石家莊—安陽)高速公路展開實地邊坡試驗。以稻草毯、稻草椰絲混合毯和椰絲毯為試驗對象，以無紡布為對照組展開試驗，觀測地表徑流量、土壤流失量、表層土壤水分、土壤溫度以及土壤有機質(zhì)含量等指標(biāo)，分析不同植物纖維毯對邊坡微生境的影響。結(jié)果表明，3種植物纖維毯對邊坡的微生境均有一定的改良作用，覆蓋3種植物纖維毯均能有效減沙邊坡產(chǎn)沙量，且稻草毯和稻草椰絲混合毯可有效減少地表徑流量；3種植物纖維毯在高溫季節(jié)可降低表層土壤溫度，稻草毯的降溫效果最好；從表層土壤水分來看，稻草椰絲混合毯在降雨時更有利于雨水入滲，土壤水分高，雨停后表層土壤水分損失慢，保水效果好，更有利于植物生長；同時3種植物纖維毯自身降解，可增加土壤有機質(zhì)含量，增強土壤肥力，改良了土壤，其中稻草椰絲混合毯的改良效果最好；植物纖維毯對土壤微生境的影響是一種改良作用，可促進植物生長，尤其是促進植物根系的生長。

關(guān)鍵詞：環(huán)境工程；土壤改良；實地試驗；植物纖維毯；生態(tài)護坡；生物量；微生境

0引言

我國高速公路的飛速發(fā)展[1]，促進了經(jīng)濟和社會的發(fā)展，同時也給環(huán)境帶來了影響和破壞[2-3]，產(chǎn)生了嚴(yán)重的水土流失。為治理道路邊坡產(chǎn)生的水土流失，各種邊坡防護技術(shù)隨之產(chǎn)生，其中，植物纖維毯生態(tài)護坡技術(shù)是一種施工便捷、防護效果好的方法，具有施工速度快、效率高、見效快、低碳、環(huán)保、節(jié)能、生態(tài)降解無污染等優(yōu)點[4]，逐漸受到關(guān)注。

植物纖維毯最早在德國開始使用，用于控制侵蝕已經(jīng)超過50 a[5-6]，為全面了解植物纖維毯的防護功能，諸多學(xué)者進行了大量的研究分析。Bhattacharyya等[7]在室外開展試驗，研究發(fā)現(xiàn)植物纖維毯相比裸地可減少土壤侵蝕速率67%～99%，減少徑流量為26%～81%；Han luo等[8]在室內(nèi)進行模擬降雨試驗，研究發(fā)現(xiàn)無紡布、遮陽網(wǎng)、稻草纖維毯3種纖維毯相比裸地可減少徑流系數(shù)17.1%～67.8%，減少產(chǎn)沙量83.3%～95.3%，能明顯減小徑流和土壤侵蝕量； Smets等[9]通過室外試驗和室內(nèi)模擬試驗發(fā)現(xiàn)，纖維毯相比裸地可減少徑流深為46%，減少土壤流失率為79%；Mitchell等[10]研究發(fā)現(xiàn)植物纖維毯降解后，可改善土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤有機質(zhì)含量，增強微生物活動，促進成土過程，進而增加土壤肥力；Jankauskas等[11]研究發(fā)現(xiàn)覆蓋植物纖維毯的多年生草本具有更高的生產(chǎn)力，可顯著提高豆科植物的密度73.3%～91.3%，增加植物根系干重50.5%?；仡櫄v年來關(guān)于纖維毯功能的研究，可發(fā)現(xiàn)研究主要集中于植物纖維毯對徑流和侵蝕的控制作用，對其影響邊坡微生境，進而影響植被的生長方面的研究則略顯不足。

因此，本文通過高速公路邊坡實地試驗，以稻草毯、稻草椰絲混合毯和椰絲毯3種植物纖維毯為試驗對象，無紡布為參照，深入分析研究植物纖維毯對邊坡微生境的影響，力求為植物纖維毯在道路邊坡治理、水土流失防止和生態(tài)恢復(fù)等方面的應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1研究方法

1.1研究區(qū)概況

試驗地點位于河北省高邑縣西大營村西口的石安(石家莊—安陽)高速公路路基邊坡上，地理坐標(biāo)是E37°36′08.13″，N114°38′42.72″，年平均日照時數(shù)為2615.5 h，太陽輻射總量為1.54×106W/m2，年平均氣溫為12.7 ℃，最高溫度42 ℃，最低氣溫為-23.1 ℃，年平均降水量為513 mm，多集中在7、8月份，占全年降水量的57.9%，屬暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候。土壤類型為褐土，土壤重度約1.3 g/cm3。

1.2材料與方法

(1)試驗材料

試驗所采用的3種植物纖維毯的具體指標(biāo)如表1所示，由于其材質(zhì)的不同，3種植物纖維毯紡織孔隙度大小為：稻草毯>稻草椰絲混合毯>椰絲毯。

表1　植物纖維毯材質(zhì)指標(biāo)

(2)試驗方法

2013年7月底在石安(石家莊—安陽)高速公路高邑收費站附近設(shè)置試驗小區(qū)和徑流小區(qū)試驗點，邊坡坡度為1∶1.5，采用草灌組合，覆蓋稻草毯、稻草椰絲混合毯、椰絲毯和無紡布4種纖維毯(由于施工要求不允許存在裸露邊坡，故用無紡布覆蓋作為對照組)，采用先播種后覆蓋植物纖維毯的施工工藝，纖維毯覆蓋度為100%，試驗小區(qū)每塊樣地4.5×6 m2，每種纖維毯重復(fù)試驗3次，共計12個樣地；徑流小區(qū)每塊樣地2×5 m2，無重復(fù)組，共4個樣地。

草灌植物組合具體配置如下：扁穗冰草4 g/m2，披堿草4 g/m2，紫穗槐5 g/m2，荊條5 g/m2。

1.3數(shù)據(jù)采集與處理

(1)對徑流小區(qū)進行監(jiān)測，降雨后，測集流桶內(nèi)的水深，采集水樣，帶回室內(nèi)分析測量其泥沙含量，并根據(jù)集流桶桶徑和水深推算各個小區(qū)總的徑流量和總的產(chǎn)沙量；通過布設(shè)在徑流小區(qū)邊上的自動雨量計獲取降雨數(shù)據(jù)。

(2)2013年9月中旬，用TRIME-PICO便攜式土壤水分測量儀測量試驗小區(qū)樣地10 cm深的土壤溫度和水分，在每塊樣地離坡腳1～2 m的位置隨機測6個點取均值作為該樣地的平均土壤溫度和平均土壤水分，每3天測一次，為期一個月。

(3)2014年4月中旬，采集試驗小區(qū)不同植物纖維毯覆蓋下0～10 cm和10～20 cm的土壤樣品，帶回實驗室處理，測其土壤有機質(zhì)含量和堿解氮含量。

(4)每隔半年在試驗小區(qū)采集1×1 m2不同材質(zhì)的植物纖維毯樣品，帶回實驗室洗凈，80 ℃烘干至恒重，稱重，對比分析不同材質(zhì)的植物纖維毯的降解速率。

(5)2014年9月，觀測不同纖維毯覆蓋下植物的生長密度，采集離坡腳1～2 m處50 cm×50 cm樣方的植物生物量，用保鮮袋密封處理，然后用烘箱80 ℃ 烘干至恒重，稱重，對比分析不同材質(zhì)纖維毯下植物的生長情況。

2數(shù)據(jù)處理與分析

2.1植物纖維毯對地表徑流和產(chǎn)沙的影響

植物纖維毯邊坡防護技術(shù)的理想效果是前期植物纖維毯對邊坡進行防護，后期植被成型對邊坡進行保護，故設(shè)置徑流小區(qū)，監(jiān)測早期植物纖維毯對邊坡的保護作用。從自動雨量計所獲數(shù)據(jù)來看，2013年僅8—9月之間有降雨，小雨居多，產(chǎn)流降雨只有3場。9月17日、9月21日、9月23日3場降雨量大小分別為15.6,19.6,12.6 mm，監(jiān)測到的徑流小區(qū)產(chǎn)沙總量和產(chǎn)流總量結(jié)果如圖1和圖2所示。

圖1　徑流小區(qū)產(chǎn)沙總量Fig.1　Total amount of sediment in runoff plot

圖2　徑流小區(qū)產(chǎn)流總量Fig.2　Total runoff in runoff plot

無紡布的降解時長為1個月左右，9月17日時無紡布已完全降解，故可將無紡布小區(qū)作為裸地作對比參照。從圖1可以看出，9月17日無紡布樣地的產(chǎn)沙量明顯高于植物纖維毯樣地，其泥沙產(chǎn)量約為植物纖維毯樣地的20倍左右，這是由于覆蓋了植物纖維毯后，地表徑流多在植物纖維毯表層形成，徑流對土壤沖刷少，故產(chǎn)沙量小，無紡布樣地由于無覆蓋物遮擋，表層松軟的土壤受雨水直接擊濺，沖刷嚴(yán)重，產(chǎn)沙量較大；后續(xù)兩場降雨里只有無紡布樣地產(chǎn)生少許泥沙，這是由于無紡布樣地沒有覆蓋物遮擋，雨水擊濺侵蝕，產(chǎn)生少量泥沙，而植物纖維毯樣地表層松軟土壤已在首場產(chǎn)流降雨中沖走被，同時植物纖維毯減少了雨水對土壤的直接沖刷，侵蝕微弱可忽略，故植物纖維毯樣地?zé)o泥沙產(chǎn)生。

從圖2可以看出，3場產(chǎn)流降雨里稻草毯和稻草椰絲混合毯樣地的地表徑流量為0.008～0.013 m3，椰絲毯樣地的地表徑流量為0.022～0.045 m3，稻草毯和稻草椰絲混合毯的地表徑流量明顯少于椰絲毯的地表徑流量。這是由于覆蓋稻草毯和稻草椰絲混合毯后，地表粗糙度增大，凹凸不平的坡面可降低坡面徑流的沖刷速度，減少坡面的水流速度，導(dǎo)致徑流滯留在坡面上的時間明顯延長，增大雨水入滲，因此產(chǎn)流?。灰z毯紡織孔隙較小，同時吸水性好，吸水后透水性下降，雨水直接在椰絲毯表面形成徑流，導(dǎo)致地表徑流量較大。無紡布樣地由于無覆蓋物遮擋，坡面粗糙度相對較小，雨水在邊坡滯留時間短，入滲少，導(dǎo)致地表徑流相對較大，而前兩場降雨雨量較大，且為連續(xù)降雨，無紡布樣地土壤水分飽和，雨水到達地面后直接在地表形成徑流，故9月23日產(chǎn)流降雨時無紡布樣地地表徑流量明顯增加。

2.2植物纖維毯對表層土壤溫度和水分的影響

(1)植物纖維毯對表層土壤溫度的影響

對覆蓋3種植物纖維毯及無紡布樣地10 cm深的土壤溫度做單因素分析，4種纖維毯覆蓋下的土壤溫度顯著性水平均大于0.05，這說明不同材質(zhì)的纖維毯對10 cm深土壤溫度的影響差異并不顯著。

圖3　不同纖維毯覆蓋下表層土壤溫度Fig.3　Surface soil temperatures under different geotextiles

如圖3所示，表層10 cm土壤溫度高低依次為：無紡布樣地>椰絲毯樣地>稻草椰絲混合毯樣地>稻草毯樣地。無紡布樣地表層土壤溫度最高，這是因為無紡布樣地可直接接受太陽輻射，土壤受熱快，溫度高，植物纖維毯樣地土壤溫度低于無紡布樣地。這現(xiàn)象與Li Rong等[12]研究不同覆蓋材料在春玉米上的土壤溫度效應(yīng)發(fā)現(xiàn)的規(guī)律一致，覆蓋秸稈的溫度始終最低，并始終低于裸地對照組，認(rèn)為秸稈覆蓋使土壤表面較裸露的土壤具有更高的反照率和較低的導(dǎo)熱系數(shù)，而3種植物纖維毯樣地土壤溫度高低略有差異，這可能是因為3種植物纖維毯材質(zhì)的不同，其紡織孔隙各有差異，紡織孔隙越小，反照率越高，導(dǎo)熱率越小。

談情說愛撈蝦舞多是壯族的姑娘到小河邊去撈蝦，遇到壯族的小伙在河邊釣魚的場景，小伙兒向姑娘大打招呼對山歌，姑娘也是山歌會唱，之后再歌聲中起舞的場景。

(2)植物纖維毯對表層土壤水分的影響

對覆蓋3種植物纖維毯及無紡布樣地10 cm深的土壤水分做單因素分析，其整體顯著性水平均小于0.05，說明不同材質(zhì)的纖維毯對10 cm深土壤水分的影響差異是顯著的，其具體土壤水分規(guī)律見圖4。

圖4　不同植物組合表層土壤水分Fig.4　Surface soil moistures in different plant combinations

如圖4所示，9月17日產(chǎn)流降雨后，稻草毯和椰絲毯樣地土壤水分增加并不顯著，這是由于降雨多被稻草毯和椰絲毯自身吸收，雨水入滲少，導(dǎo)致土壤水分增加量少；9月21日產(chǎn)流降雨后，各樣地表層土壤水分有了大幅的提升，其中無紡布樣地土壤水分最高。結(jié)合圖2來看，在短期連續(xù)降雨里，無紡布樣地土壤完全暴露在降雨下，雨水直接入滲，其地表徑流量在9月23日有了明顯的增加，表明9月21日無紡布樣地土壤水分可能已飽和，故其土壤水分含量最高。在3場產(chǎn)流降雨里，稻草毯和椰絲毯樣地的地表徑流量一直呈現(xiàn)減少的趨勢，表明持續(xù)有雨水入滲，其土壤水分并未飽和，且椰絲毯紡織孔隙小，打濕后易在椰絲毯表面形成膜狀水，水分入滲少，故椰絲毯樣地土壤水分最低。稻草椰絲混合毯樣地地表徑流量在9月23日有少量增加，表明23日產(chǎn)流降雨時仍有大量雨水入滲。9月21日時其土壤水分并未飽和，同時稻草椰絲混合毯樣地植物生長情況優(yōu)于無紡布樣地，植物耗水量稍高，故其土壤水分在9月21日略低于無紡布樣地。

根據(jù)雨量計數(shù)據(jù)來看，9月24日至10月6日，試驗區(qū)域一直未降雨，土壤水分僅來源于降雨所殘留的水分。4種樣地中稻草毯樣地土壤水分下降最快，幾乎呈直線下降，這是由于稻草毯紡織孔隙大，利于灌木種子從孔隙處生長展開子葉，灌木生長情況好，蒸騰作用強，耗水量大，土壤水分下降快。稻草毯和稻草椰絲混合毯紡織孔隙略小，灌木生長受到一定影響[13]，且扁穗冰草和披肩草在高溫少水條件下萌發(fā)少，生長較差，蒸騰作用小，故土壤水分消耗少。10月6日稻草椰絲混合毯和椰絲毯樣地土壤水分大幅下降，這是由于連場降雨后，土壤水分較充足，同時溫度較適宜，蟄伏在土壤中的披堿草和扁穗冰草種子大量萌發(fā)，消耗了較多土壤水分。無紡布樣地植物生長差，土壤水分主要為自然蒸發(fā)消耗，下降相對緩慢。

2.3植物纖維毯對土壤養(yǎng)分的影響

處理采集的植物纖維毯樣品，可知稻草毯、稻草椰絲混合毯和椰絲毯半年的降解率依次為：64.2%，70.6%，30.2%；一年的降解率依次為：83.1%，86.6%，36.8%。由此可知稻草毯和稻草椰絲混合毯降解較快，椰絲毯降解較慢。2014年4月初采集不同纖維毯覆蓋下的土壤，測量土壤的有機質(zhì)含量和堿解氮含量，所得結(jié)果如表2所示。

表2　土壤養(yǎng)分含量

土壤中的堿解氮在一定程度上能夠反映土壤的肥力狀況，堿解氮的含量越高表明土壤越肥沃，因此可根據(jù)土壤中堿解氮的含量來反映植物纖維毯對土壤的改良作用，如表2所示。稻草毯、稻草椰絲混合毯、椰絲毯和無紡布樣地表層土壤平均堿解氮含量分別為20.13，56，19.25,54.58 g/kg，稻草椰絲混合毯表層土壤的堿解氮含量最高，土壤最肥沃，其中0～10 cm的土壤中堿解氮的含量為82.25 g/kg，有利于淺根系的植物生長，即適合草本植物生長。從有機質(zhì)含量來看，稻草毯、稻草椰絲混合毯、椰絲毯和無紡布樣地表層土壤的平均有機質(zhì)含量分別為42.25%，40.5%，37.5%和32%，可以看出植物纖維毯樣地的土壤有機質(zhì)含量均高于無紡布樣地，其中稻草毯和稻草椰絲混合毯樣地的土壤有機質(zhì)含量相對較高，這可能是對應(yīng)的植物纖維毯降解較多導(dǎo)致的。整體來看，稻草椰絲混合毯在改良土壤增強土壤肥力方面表現(xiàn)較好。

2.4植物纖維毯對植物生長的影響

植物纖維毯前期的護坡是為了保持坡面的完整性，為植物營造較好的生長環(huán)境，其對邊坡微生境的改良作用可直觀地反映到植物生長上，故在植物自然生長一年后，觀測植物的植株密度，采集植物生物量，對比分析不同材質(zhì)纖維毯下植物的生長情況。

如圖5所示，同樣的播種密度和同樣的自然環(huán)境下，經(jīng)過一年的自然生長，試驗小區(qū)植株密度大小依次為稻草毯樣地>稻草椰絲混合毯樣地>椰絲毯樣地>無紡布樣地，覆蓋植物纖維毯樣地的植株密度明顯高于無紡布樣地，這表明植物纖維毯對邊坡微生境的改良對植物的生長是有一定的促進作用的。

圖5　植物的生長密度Fig.5　Plant growth density

從植物生物量來看(圖6)，經(jīng)過一年的生長，覆蓋植物纖維毯樣地的植物生物量總量均高于無紡布樣地，其生物量總量大小與植株密度大小規(guī)律一致，稻草毯樣地生物量總量最高，其次為稻草椰絲混合毯樣地和椰絲毯樣地，無紡布樣地植物生物量總量最低。從植物的生物量分布來看，經(jīng)過一年的生長，植物根系發(fā)育較好，地下生物量均高于地上生物量。從纖維毯材質(zhì)來看，覆蓋植物纖維毯樣地的植物地下生物量均高出無紡布樣地0.4 kg/m2左右，表明植物纖維毯樣地的植物根系較無紡布樣地的植物根系更為發(fā)達。這與Jankauskas等研究發(fā)現(xiàn)植物纖維毯可增加植物根系干重50.5%[10]的結(jié)論基本一致，而灌木根系越發(fā)達，深根錨固作用越強，草本根系越發(fā)達，加筋效果越明顯，越有利于穩(wěn)定坡體，穩(wěn)定邊坡微生境。這說明植物纖維毯對微生境的改良可促進植物的生長，同時生長良好的植物可反過來穩(wěn)定邊坡微生境，形成良性循環(huán)，進而更好地護坡。

圖6　植物生物量Fig.6　Biomass of plant

3結(jié)論

(1)試驗采用的3種植物纖維毯稻草毯、稻草椰絲混合毯、椰絲毯相比無紡布均能有效地減少邊坡產(chǎn)沙量，其中稻草毯和稻草椰絲混合毯還能有效減少產(chǎn)流。

(2)從本試驗來看，試驗采用的3種植物纖維毯在高溫季節(jié)均可降低表層土壤溫度，其中稻草毯的降溫效果最好；稻草毯、稻草椰絲混合毯、椰絲毯均能影響表層土壤水分，其中稻草椰絲混合毯的表現(xiàn)相對較好，降雨時水分入滲多，表層土壤水分提升快，雨停后，表層土壤水分減少慢，有利于植物的生長。

(3)稻草毯、稻草椰絲混合毯護坡時間較短，椰絲毯護坡較為持久，3種植物纖維毯自身降解對邊坡土壤均有一定的改良，可增加土壤有機質(zhì)含量，增強土壤肥力，其中稻草椰絲混合毯改良土壤的效果最好。

(4)植物纖維毯對邊坡微生境的改良可促進植物的生長，尤其是促進植物的根系生長，其中稻草毯表現(xiàn)相對較好，植株密度最高。

4討論

植物纖維毯護坡技術(shù)理想的護坡效果是植物纖維毯和植物的防護作用在時間上恰好可以銜接上，即前期植物纖維毯護土固坡，同時自身發(fā)生降解改良土壤，改善邊坡微生境，促進植物生長，植物纖維毯自身降解完的時候，植被剛好成形，這時植物起主要的防護作用。從本試驗來看，植物纖維毯對邊坡微生境有一定改良，可促進植物生長，導(dǎo)致覆蓋植物纖維毯樣地的植物生物量均高于無紡布樣地，但不同材質(zhì)的植物纖維毯對不同植物組合的促進作用略有差異，直觀看來稻草毯適合灌木組合，椰絲毯適合草本組合，但均未達到理想的護坡效果，時間上未能與植物護坡很好地銜接起來，有待進一步深入研究。

從植物纖維毯來看，稻草椰絲混合毯是最好的選擇，稻草纖維價廉易得易降解，椰絲纖維成本高耐性好，二者混合所得的稻草椰絲混合毯價格適中，且在改良土壤上效果較好，在不同的植物組合里對植物生長的促進作用也較好，但本試驗中所采用的稻草椰絲混合毯僅僅只是質(zhì)量上1∶1的比例配置的，并未達到理想的護坡效果。后續(xù)研究可從二者的混合比上著手，根據(jù)實際情況優(yōu)化配置，以求達到更好的護坡效果。

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Effect of Geotextile on Road Slope Microhabitat

LI Hong-jun1，KONG Ya-ping2，ZHANG Yan1，JIAN Li2，CHEN Xue-ping2

(1.School of Soil and Water Conservation，Beijing Forestry University，Beijing 100083,China;2.China Academy of Transportation Sciences, Beijing 100029, China)

Abstract：In order to better understand the ecological protection function of geotextiles, comprehensively understand the principle of slope protection, and analyze in-depth the advantages of ecological slope protection of geotextiles, the field experiment is carried out on the slope of Shijiazhuang—Anyang expressway. Taking straw mats, coconut mats and straw coconut mats as the experimental object and the non-woven fabric as the control group, we observed the amount of surface runoff, soil erosion volume, surface soil moisture, soil temperature and soil organic matter content, etc. to analyse the influence of different geotextiles on slope microhabitat. The result shows that (1)3 kinds of geotextile on the microhabitat of the slope have certain improvement, the soil loss from plots covered with the 3 kinds of geotextile decreased obviously,and the amount of surface runoff decreased in straw mats and straw coconut mats; (2) the 3 kinds of geotextile can reduce the surface soil temperature in the high temperature season, and the cooling effect of straw mats is the best; (3) from the view of the surface soil moisture content, the straw coconut mat is more advantageous to the rain water infiltration, resulting in high soil moisture, and the surface soil moisture loss is slow after rain stopped, so that it is more advantageous to the plant growth; (4) the degradation of 3 kinds of geotextile can increase the soil organic matter content, enhance soil fertility, and improve the soil, the effect of the straw mats is the best; (5) the influence of geotextiles on the soil microhabitat is an improvement, it can promote plant growth, especially it can promote the growth of the roots of the plants.

Key words：environmental engineering；soil improvement；field experiment；geotextile；ecological slope protection；biomass；microhabitat

收稿日期：2014-05-04

基金項目：河北省交通運輸廳科技項目(Y-2012006)

作者簡介：李宏鈞(1989-)，男，湖北秭歸人，碩士研究生.(196962282@qq.com)

doi:10.3969/j.issn.1002-0268.2016.06.024

中圖分類號：X71

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1002-0268(2016)06-0146-06