李宏鈞,劉 濤,張曉峰,李 偉
(交通運(yùn)輸部科學(xué)研究院,北京 100029)
公路建設(shè)是一項(xiàng)與自然環(huán)境緊密相關(guān)的工程,不可避免地會(huì)破壞沿線生態(tài)環(huán)境,造成水土流失[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì),每新建1km的高速公路最高可占地5~7公頃,如不做好水土流失防護(hù)措施,僅路基主體每年即可新增水土流失2000~5000 t/km[2]。土壤侵蝕的持續(xù)發(fā)生不僅會(huì)使土壤質(zhì)量下降[3],導(dǎo)致土地退化,還會(huì)造成生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能下降、作物產(chǎn)量降低,危及飲用水安全,甚至擾動(dòng)碳平衡等一系列生態(tài)環(huán)境問(wèn)題[4]。
長(zhǎng)期以來(lái),諸多學(xué)者對(duì)公路建設(shè)中的水土流失防治做了大量研究。美國(guó)Forman等[5]分析了道路對(duì)水文及整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的影響,發(fā)現(xiàn)道路修建會(huì)加快土壤侵蝕過(guò)程;德國(guó)土壤學(xué)家沃倫[6]通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)植被可以防止土壤侵蝕,揭開了利用植被治理水土流失的序幕;Hengchaovanich[7]通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),植物根系能明顯增大土壤的抗剪強(qiáng)度,其中每一單位草本植物的抗剪強(qiáng)度增加值是樹木根系的2~3倍;日本在建設(shè)公路時(shí)一直以工程兼顧綠化為主要思想,不斷加強(qiáng)喬木、灌木與草本相結(jié)合的多層次綠化,形成了邊坡生態(tài)防護(hù)體系[8]。目前我國(guó)公路邊坡水土流失治理基本以草本為主[6]。高強(qiáng)等[9]認(rèn)為植物防護(hù)措施的選種應(yīng)強(qiáng)調(diào)生態(tài)適應(yīng)性、功能綜合性和抗逆性;穆立薔等[10]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)和室外調(diào)查高等級(jí)公路邊坡野生植物種類,篩選出了適宜黑龍江省公路邊坡生態(tài)防護(hù)的植物種類;蔣德松等[11]通過(guò)實(shí)地調(diào)查生態(tài)防護(hù)植被,篩選出了適宜廣西寨任路巖質(zhì)邊坡防護(hù)的草種;王大慶[12]在天山自然保護(hù)區(qū)開展試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)植被可有效減小徑流速率與產(chǎn)沙量;朱兆華等[13]通過(guò)在深圳市橫坪快速路進(jìn)行實(shí)地試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)假儉草能快速固定裸露坡面的土壤基質(zhì),保持水土,生態(tài)防護(hù)效果良好?,F(xiàn)有的研究發(fā)現(xiàn),植被防護(hù)可顯著減少土壤侵蝕[14],但關(guān)于伊犁地區(qū)相關(guān)方面的研究卻鮮見報(bào)道[15]。由于伊犁地區(qū)獨(dú)特的氣候條件和區(qū)位環(huán)境,其他區(qū)域的研究成果難以直接應(yīng)用,因此借鑒現(xiàn)有研究成果,建立契合伊犁地區(qū)環(huán)境特色的公路植物水土流失防治措施具有重要意義。
本文在對(duì)伊犁地區(qū)植物群落調(diào)查的基礎(chǔ)上,篩選出7種生長(zhǎng)迅速、抗逆性強(qiáng)的植物進(jìn)行組合搭配,用于S242鞏留—尼勒克公路建設(shè)中的邊坡水土流失防治,從土壤性質(zhì)變化的角度對(duì)比分析不同植物組合的水土保持效應(yīng),以期篩選出水土保持效果較好的植物組合,為伊犁地區(qū)環(huán)境類似區(qū)域的公路工程建設(shè)中的水土流失防治提供參考。
試驗(yàn)依托S242線鞏留—尼勒克公路展開,地理坐標(biāo)為82°15′25″~ 82°25′33″E,43°35′0.5″~ 43°49′47″N,屬天山北麓阿布熱勒山區(qū),大陸性溫帶半干旱氣候[16],土壤以灰鈣土、潮土為主[17]。
通過(guò)調(diào)查伊犁地區(qū)鄉(xiāng)土植物種及可成熟引用的植物種,結(jié)合其公路建設(shè)中的水土流失防治需要和植物景觀融合需求,篩選出細(xì)莖冰草、高羊茅、披堿草、紫花苜蓿、紅豆草、檸條、紫穗槐等7種植物,組合搭配后用于邊坡試驗(yàn)。試驗(yàn)配置了4種植物組合,設(shè)置裸坡對(duì)照(CK),每個(gè)小區(qū)面積為5m×5m,坡度為1∶1,重復(fù)3次,共計(jì)15個(gè)試驗(yàn)小區(qū),具體試驗(yàn)設(shè)計(jì)見表1。
表1 4種植物組合
試驗(yàn)小區(qū)布設(shè)完成后,定期觀測(cè)各個(gè)小區(qū)的水土流失情況,統(tǒng)計(jì)侵蝕溝的數(shù)量,測(cè)量侵蝕溝的長(zhǎng)度、寬度及深度,并采集小區(qū)坡面原狀土樣,密封封存后帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析,采用浸水試驗(yàn)和原狀土水槽沖刷法分別測(cè)定土壤抗蝕性和抗沖性。本文所用數(shù)據(jù)為小區(qū)布設(shè)1年后觀測(cè)所得。
土壤機(jī)械組成是指土壤中礦物顆粒的大小及組成比例,直接關(guān)系到土壤的保肥保水和通透性等[18],間接影響著植物的生長(zhǎng)。測(cè)定各植物組合下的土壤機(jī)械組成,分析其砂粒、粉粒和黏粒的含量,所得結(jié)果見表2。
表2 不同植物組合的土壤機(jī)械組成
根據(jù)表2的測(cè)定結(jié)果,對(duì)照國(guó)際制土壤質(zhì)地分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),確定CK小區(qū)的土壤質(zhì)地為壤土,經(jīng)不同植物組合處理后,其土壤砂粒、粉粒和黏粒含量均產(chǎn)生了變化。
試驗(yàn)區(qū)域的土壤砂粒含量較CK小區(qū)均有所減小,從小到大依次為:?。急家遥技祝糃K。其中,丁植物組合的土壤砂粒含量降幅最大,相比CK小區(qū)降低了31.85%。土壤粉粒和黏粒含量較CK小區(qū)有所增加。其中,丁植物組合的土壤粉粒和黏粒含量增幅最大,土壤粉粒含量相比CK小區(qū)提高了25.23%,土壤黏粒含量相比CK小區(qū)提高了58.26%。對(duì)照國(guó)際制土壤質(zhì)地分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),發(fā)現(xiàn)經(jīng)植物處理后的土壤質(zhì)地為粉砂質(zhì)壤土,說(shuō)明所配置的植物組合對(duì)該區(qū)域的土壤改良效果較為明顯,其中添加了灌木的丁植物組合對(duì)土壤的改良效果相對(duì)更好。
土壤的容重和孔隙度是土壤的基本物理性質(zhì),直接影響著土壤的蓄水能力和透氣性,間接影響土壤的肥力和植物的生長(zhǎng)[19]。植物根系在土壤中生長(zhǎng),相互纏繞交叉,改變了土壤顆??臻g分布,使土壤變得疏松多孔,土壤的容重降低,孔隙度提高[20]。土壤容重和土壤孔隙度與植物相互影響,形成良性循環(huán),使得植物可發(fā)揮較好的水土保持效力。檢測(cè)各個(gè)試驗(yàn)小區(qū)的土壤容重和土壤孔隙度,所得結(jié)果見圖1。
圖1 不同植物組合下的土壤容重和土壤孔隙度
從圖1可知,試驗(yàn)小區(qū)的土壤容重介于1.25~1.45g/cm3之間,從小到大依次為:丙<丁<乙<甲<CK。采取了植物布設(shè)措施的小區(qū)其土壤容重明顯小于CK小區(qū),其中丙植物組合土壤容重降幅最大,為10.56%。土壤孔隙度與土壤容重表現(xiàn)出相反的規(guī)律。土壤孔隙度介于40%~50%之間,從小到大依次為:CK<甲<乙<?。急?。其中,丙植物組合下的土壤孔隙度增幅最大,為4.88%。
土壤非毛管孔隙的多少和聯(lián)通性的好壞直接影響著土壤的通氣性能[21]。非毛管孔隙是土壤快速儲(chǔ)水的場(chǎng)所,非毛管孔隙度越大,表明土壤中可能吸持的無(wú)效水容量越小,有效水的儲(chǔ)存容量越大[22]。由圖1可知,丙植物組合的土壤非毛管孔隙度最大,甲、乙、丁植物組合的土壤非毛管孔隙度相差無(wú)幾,略小于CK小區(qū),這是由于CK小區(qū)砂礫含量大導(dǎo)致其非毛管孔隙度較大,說(shuō)明丙植物組合下的土壤具有最好的儲(chǔ)水能力,通氣性好,易于植物生長(zhǎng)發(fā)育。
土壤抗蝕性是土壤抵抗分散和懸浮的能力,是控制土壤承受降雨和徑流分離等過(guò)程的綜合效應(yīng)[23],是評(píng)價(jià)土壤抵抗侵蝕應(yīng)力破壞的能力和土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)之一[24]。對(duì)不同植物組合下的土壤進(jìn)行抗蝕性分析,其結(jié)果見圖2。
圖2 不同植物組合下土壤抗蝕指數(shù)隨時(shí)間的變化
由圖2可知,隨著土壤浸水時(shí)間的延長(zhǎng),土壤的抗蝕性能呈先緩慢減弱,再加速減弱后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì):在5min時(shí),抗蝕指數(shù)開始加速減弱,8min時(shí)減弱速度開始放緩,9min后抗蝕指數(shù)趨于穩(wěn)定。整體來(lái)看,種植植物的土壤其抗蝕性能均高于CK小區(qū)。其中,丙、丁植物組合下的土壤抗蝕性能最好,不僅土壤抗蝕指數(shù)高,而且抗蝕性減弱速度慢,趨于穩(wěn)定的土壤也具有較強(qiáng)的抗蝕性。
對(duì)不同植物組合下的土壤抗蝕指數(shù)S(%)與土壤浸水時(shí)間t(min)的關(guān)系進(jìn)行擬合,結(jié)果見表3。
表3 抗蝕指數(shù)與浸水時(shí)間的擬合公式
由表3可以看出,各種組合的相關(guān)度R2都很高,表明其數(shù)據(jù)相關(guān)性較高,其關(guān)系通式可表示為:
式(1)中:a,b,c,d均為常數(shù)。
土壤抗沖性是土壤抵抗徑流對(duì)其的機(jī)械破壞和推動(dòng)下移的性能[25],它的強(qiáng)弱主要取決于根系的纏繞和固結(jié)作用。這種作用可以提高土體的水穩(wěn)性和抗沖蝕強(qiáng)度,從而使其不易被徑流帶走[26]。對(duì)不同植物組合下的土壤進(jìn)行抗沖性能檢測(cè),所得結(jié)果見圖3。
圖3 不同植物組合下的土壤抗沖性能
由圖3可知,植物組合的土壤抗沖性能明顯強(qiáng)于CK小區(qū),其土壤抗沖刷系數(shù)均在1.1L·min/g以上,其中點(diǎn)播灌木的丙、丁植物組合的土壤抗沖性要強(qiáng)于純草本的甲、乙植物組合,丙植物組合下的土壤抗沖性最強(qiáng),為CK小區(qū)的1.57倍,說(shuō)明所選植物組合均可以提高土壤的抗沖性,增加灌木植物對(duì)提高土壤的抗沖性能效果相對(duì)更明顯,其根系纏繞和固結(jié)作用強(qiáng)。
水土流失量是植物保持水土作用好壞的直觀體現(xiàn)。觀測(cè)發(fā)現(xiàn),試驗(yàn)小區(qū)以淺溝侵蝕為主,侵蝕從近路肩的坡面上部產(chǎn)生,由路面匯水下挖沖刷路肩土壤,沖刷到一定深度和寬度后逐漸順坡蔓延向下,坡面中間位置受沖刷較少,溝長(zhǎng)多小于2m。分析各試驗(yàn)小區(qū)的水土流失數(shù)據(jù),所得結(jié)果見圖4。
圖4 不同植物組合下土壤侵蝕情況
植物自然生長(zhǎng)1年后,不同試驗(yàn)小區(qū)的土壤侵蝕情況有了較明顯的差異。由圖4可知,土壤侵蝕量從大到小依次為:CK>?。疽遥炯祝颈?;侵蝕溝數(shù)量從多到少依次為:CK>甲>?。疽摇⒈?;布設(shè)植物措施邊坡的土壤侵蝕量和侵蝕溝數(shù)量均小于CK小區(qū)。其中,丙植物組合的土壤侵蝕量和侵蝕溝數(shù)量均為最少,土壤侵蝕量?jī)H為CK小區(qū)的15.3%;甲小區(qū)侵蝕溝多,但其整體坡面較平整,土壤沖刷下挖淺,總的侵蝕量?。灰?、丁試驗(yàn)小區(qū)隨著侵蝕溝數(shù)量的增加土壤侵蝕量增加較明顯,尤其是丁試驗(yàn)小區(qū),侵蝕溝多,且土壤侵蝕量大,為CK小區(qū)的81.6%。
本文采用灰色關(guān)聯(lián)度法[27]綜合評(píng)價(jià)不同植物組合的水土保持效應(yīng),其評(píng)價(jià)過(guò)程如下。
(1)定義參考數(shù)列
式(2)中:X0為參考數(shù)列,其值選用每項(xiàng)測(cè)試指標(biāo)的最大值;Xi為比較數(shù)列,被評(píng)價(jià)的對(duì)象數(shù)為:
(2)關(guān)聯(lián)系數(shù)的計(jì)算
先計(jì)算比較數(shù)列Xi與參考數(shù)列X0各對(duì)應(yīng)點(diǎn)的差值絕對(duì)值:
然后找出二級(jí)最大差和二級(jí)最小差,計(jì)算關(guān)聯(lián)系數(shù):
式(5)中:ξi(k)為第k點(diǎn)比較曲線Xi與參考曲線X0的相對(duì)值,即Xi對(duì)X0在k點(diǎn)的關(guān)聯(lián)系數(shù);Δ0,i(k)為X0數(shù)列與Xi數(shù)列在第k點(diǎn)的絕對(duì)值,1≤i≤m,m為正數(shù);Δmin,Δmax分別為所有比較序列在各個(gè)點(diǎn)的絕對(duì)差值中的最小值和最大值;ρ為分辨系數(shù),取值范圍是[0,1],它由人為設(shè)定,屬定性分析的人為系數(shù),用來(lái)削弱Δmax數(shù)值過(guò)大而造成的失真影響,以增加關(guān)聯(lián)系數(shù)之間的差異顯著性,此次試驗(yàn)取ρ=0.5。
(3)灰色關(guān)聯(lián)度計(jì)算
式(6)中:ri表示灰色關(guān)聯(lián)度;ξi(k)意義同前。
為了更真實(shí)、客觀地衡量各指標(biāo)的重要性,本研究采用變異系數(shù)法來(lái)計(jì)算指標(biāo)的權(quán)重Wi:
然后,結(jié)合關(guān)聯(lián)度值求灰色綜合評(píng)價(jià)值Gk:
按以上步驟對(duì)原數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,所得結(jié)果見表4。
表4 各評(píng)價(jià)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度和關(guān)聯(lián)系數(shù)
綜合評(píng)判值的大小直觀反映了水土保持效應(yīng):綜合評(píng)判值越大,表示其對(duì)應(yīng)的水土保持效應(yīng)越好。由表4可知,灰色綜合評(píng)判值的大小依次是:丙(0.77)>?。?.73)>甲(0.56)>乙(0.52)。土壤抗沖性指標(biāo)與參考指標(biāo)關(guān)聯(lián)度最大,說(shuō)明土壤抗沖性對(duì)該區(qū)域的水土保持效應(yīng)影響最大。結(jié)果顯示,丙植物組合的水土保持效應(yīng)最好。
本文依托伊犁地區(qū)S242線鞏留—尼勒克公路邊坡展開試驗(yàn),檢驗(yàn)了4種植物組合在公路邊坡上的水土保持效應(yīng),發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)采用的4種植物組合在1年后對(duì)邊坡土壤均有一定程度的改良:丁植物組合下的土壤也具有較好的土壤結(jié)構(gòu),卻產(chǎn)生了較高的土壤侵蝕量,需后續(xù)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)論證其組合搭配的合理性;純草本植物的甲、乙植物組合在觀測(cè)期內(nèi)保護(hù)邊坡效果較為明顯,其效果的持續(xù)性還有待持續(xù)監(jiān)測(cè)論證。
本試驗(yàn)植物組合中草本植物居多,旨在以草本植物為先導(dǎo),改善邊坡微環(huán)境,為灌木植物的生長(zhǎng)和本土植物向邊坡上蔓延創(chuàng)造條件,但實(shí)際觀測(cè)中發(fā)現(xiàn)灌木生長(zhǎng)緩慢,基本以草本植物護(hù)坡為主,季節(jié)更替中邊坡裸露面積大,易產(chǎn)生水土流失,后續(xù)研究可結(jié)合各公路沿線的特色,適當(dāng)增加伊犁特有的野果林植物種,豐富植被群落,實(shí)現(xiàn)季節(jié)更替中植物水土保持職責(zé)的交接,以求達(dá)到更好的護(hù)坡效果。
參考文獻(xiàn)
[1]楊燕,王奎.高速公路邊坡生態(tài)防護(hù)系統(tǒng)探討[J].工業(yè)安全與環(huán)保,2006,32(1):47-49.
[2]明道貴.高速公路建設(shè)水土流失與水土保持研究[D].天津:河北工業(yè)大學(xué),2006.
[3]徐文遠(yuǎn),劉玉花,王曉春,等.G111公路訥嫩段9種護(hù)坡灌木根系增強(qiáng)土壤抗蝕性比較[J].水土保持學(xué)報(bào),2011,25(2):72-77.
[4]PANAGOS P,BORRELLI P,POESEN J,et al.The New As?sessment of Soil Loss by Water Erosion in Europe[J].Envi?ronmental Science&Policy,2015,54:438-447.
[5]FORMAN R T T,SPERLING D,BISSONETTE J A.Road Ecology[M].Washington D.C.:Island Press,2003.
[6]文婷.宜賓至畢節(jié)高速公路水土流失預(yù)測(cè)及水土保持措施設(shè)計(jì)[D].楊凌:西北農(nóng)林科技大學(xué),2014.
[7]HENGCHAOVANICHD.VGT:ABioengineeringandPhyto-Remediation Option for the New Millennium[C]//Proceed?ings of the Second International Conference on Vetiver.Bangkok:Office of the Royal Development Projects Board,2000.
[8]FERNANDES J P.Landscape Ecology and Conservation Management-Evaluation Alternatives in a Highway EIA Process[J].EnvironmentalImpactAssessmentReview,2000,20(6):665-680.
[9]高強(qiáng),趙健,鄒翔.開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土保持植物措施設(shè)計(jì)的問(wèn)題與建議[J].中國(guó)水土保持科學(xué),2008,6(1):117-121.
[10]穆立薔,韓麗君,孫龍,等.黑龍江省高等級(jí)公路野生護(hù)坡草本植物的篩選[J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2008,36(3):24-27.
[11]蔣德松,陳昌富,趙明華,等.巖質(zhì)邊坡植被抗沖刷現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究[J].中南公路工程,2004,29(1):55-58.
[12]王大慶.新疆天池自然保護(hù)區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙試驗(yàn)研究[D].石河子:石河子大學(xué),2009.
[13]朱兆華,官昭瑛,徐國(guó)鋼,等.假儉草作為先鋒植物在道路邊坡生態(tài)修復(fù)上的應(yīng)用[J].西北林學(xué)院學(xué)報(bào),2017,32(5):263-268.
[14]羅偉祥,白立強(qiáng),宋西德,等.不同覆蓋度林地和草地的徑流量與沖刷量[J].水土保持學(xué)報(bào),1990,4(1):30-35.
[15]鄭貴元,張文太,李建貴,等.伊犁河谷不同植被類型的水土保持效果[J].安徽農(nóng)業(yè)科技,2017,45(1):64-66,78.
[16]李偉,李宏鈞,劉濤,等.水土保持功能型植物保水保土效應(yīng)分析與評(píng)價(jià)——以伊犁地區(qū)公路建設(shè)為例[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2017,45(29):61-64,165.
[17]崔綱,劉濤.新疆高速公路建設(shè)項(xiàng)目水土保持措施研究[J].交通運(yùn)輸研究,2016,2(2):34-38.
[18]馬增旺,范少輝,官鳳英,等.冀西北零星沙地人工林的土壤特征[C]//第三屆中國(guó)林業(yè)學(xué)術(shù)大會(huì)論文集.福州:中國(guó)林業(yè)學(xué)術(shù)大會(huì),2013,18-23.
[19]熊皓波.杉木人工復(fù)層林土壤理化性質(zhì)變化的初步研究[J].亞熱帶農(nóng)業(yè)研究,2008,4(4):283-286.
[20]劉恩斌.種植紫花苜蓿提高黃土坡地土壤肥力試驗(yàn)研究[J].陜西農(nóng)業(yè)科學(xué),2007(4):60-62.
[21]韓桂鷗,李霞,劉洪慶,等.林下養(yǎng)殖蚯蚓對(duì)鹽堿地土壤和苗木生長(zhǎng)的影響[J].天津農(nóng)業(yè)科學(xué),2016,22(4):79-82.
[22]杜洋文,鄧先珍,李雙龍.桐藥間作對(duì)林地土壤物理性質(zhì)影響研究[J].湖北林業(yè)科技,2017,46(2):5-9.
[23]劉斌濤,陶和平,史展,等.青藏高原土壤可蝕性K值的空間分布特征[J].水土保持通報(bào),2014,4(4):11-16.
[24]陳建威,張展羽,楊潔,等.不同生物治理模式下紅壤抗蝕性變化特征及其影響因素[J].中國(guó)農(nóng)村水利水電,2017(5):129-132.
[25]張思毅,梁志權(quán),謝真越,等.植被調(diào)控紅壤坡面土壤侵蝕機(jī)理[J].水土保持學(xué)報(bào),2016,30(3):1-5.
[26]舒喬生,謝立亞.沙棘林退化對(duì)林木根系和土壤抗沖性的影響[J].浙江農(nóng)林大學(xué)學(xué)報(bào),2014,31(3):380-385.
[27]王曉亞,文儉平,蔣飛躍,等.應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)度法評(píng)價(jià)北京潮河護(hù)坡植被質(zhì)量[J].草地學(xué)報(bào),2009,17(5):675-679.