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本文作者：錢斌天、高甲榮、王越、顧嵐、王穎、郭維 單位：北京林業大學水土保持和荒漠化防治教育部重點實驗室

近年來，由于各國經濟的高速發展，各種環境問題層出不窮，當面對各種復雜的修復環境和高昂的治理費用時，各種省工、省時又省錢的生態護坡技術越來越受到各國的青睞。目前，風靡歐美各國的一種生態修復技術是土壤生物工程，這種技術是采用存活植物及其它輔助材料來構筑各類邊坡（山地斜坡、江河湖庫堤岸和海岸坡岸等）結構，實現穩定邊坡，減少水土流失和改善棲息地生境等［1－2］。雖然，近30a來歐美國家這項工程技術的發展有了很大的進步，但其在我國卻還處于探索階段［3－5］。因此，新型生態護坡技術的實驗研究對我國今后在這方面的發展具有極其重要的意義。

2006年，國內學者李小平等［6］對上海市浦東新區機場已實施的約4km河道的土壤生物工程坡岸示范工程進行了調查研究，論述了土壤生物工程在我國的發展潛力。高甲榮等［7－10］在北京地區對該項措施的植物材料選擇，適宜應用的范圍以及實施效果做了大量的研究，探討了該技術在北京地區推廣的必要性和可行性。本文對植物混凝土格柵技術實施以來旱柳的成活率、覆蓋度、生長情況、土壤養分及生物多樣性進行了調查與分析，以期進一步完善植物混凝土格柵技術的施工和后期管理方法，為其在北京地區生態護坡中的推廣應用提供一定的理論技術指導依據。

1實驗原理

植物混凝土格柵技術是以土壤生物工程原理為指導，以混凝土格柵理論為基礎研發出來的新型護坡技術。土壤生物工程原理是指選取處于休眠期的植物枝條，將其植于不穩定的侵蝕邊坡之上。當割條生根成長時，就會在地表產生濃密的植被，保護邊坡，避免侵蝕，與此同時植物的地下部分也產生了大量根系，這樣就加強了該項工程措施的固土護坡效果［11］。

混凝土格柵理論主要是利用混凝土來澆筑格柵，制造出具有強度大，耐久性好，易養護的混凝土格柵。實際上就是將工程、生物和生態結合在一起，構造出一種有生命的工程結構，以此達到控制土壤侵蝕，穩定邊坡以及美化環境的目的。根據本實驗的布設需要，在施工過程中主要采用了土壤生物工程中的扦插措施。扦插主要是利用可以生根的活枝單體，直接扦插或按壓進入坡岸土壤，活枝生根以后與岸坡土壤顆粒相互作用，同時還可以吸收一部分多余的水分。該措施主要的特點是施工方便，工作量小且成本低廉，同時還可以與其他措施聯合使用［12］。具體設計效果見圖1。

2實驗材料及方法

2．1研究區概況

北京市延慶縣水土保持科技示范園位于北京市延慶縣大榆樹鎮上辛莊村，屬永定河水系中官廳水庫上游一級支流媯水河流域。示范園以玉皇山向南延伸的分水嶺分界，南北長約1．72km，東西寬約1．56km，面積為158．54hm2。園區總體東高西低，地形起伏較大，溝壑縱橫，溝壑密度達2．05km／km2。示范區所在流域的年平均氣溫為8．5℃，無霜期在150～160d左右。降雨是引起該區水土流失的主要因素，全流域多年平均降雨量為474．51mm，降雨量在年際分布上極為不均，最大及最小降雨量相差很大。該區域面積不大，相對高程范圍為527．9～722．8m，地形復雜，但土壤分布有其一定的規律［13］。示范園具有黃土區和土石山區兩種地貌類型特點，因干旱缺水，區域內植被稀疏，其土層深厚，沖溝發育，切割破碎，水土流失嚴重。本研究中的陡坡為黃土坡體，坡度80°，坡向西偏南25°，長度25m，護坡總面積150m2，坡面原有植被主要有早熟禾（PoaannuaL．）、賴草（Leymussecalinus（Georgi）Tzvel．）、狗尾草（Setariaviridis（L．）Beauv）和茵陳蒿（Artemisacapillaries）4種。

2．2施工方法

2．2．1施工材料的選擇

（1）工程材料的選擇。工程材料前期需要準備的主要有混凝土構件、土工格柵、土工布和碎石。①混凝土構件。混凝土構件要根據所防護的坡面特點進行制作，制作前應該注意根據構件尺寸和部位，合理選擇水泥、砂、石等原材料的品種、標號和用量，避免因品質差異導致工程質量差異和顏色變化。其次，混凝土攪拌過程中要注意控制好攪拌時間，以免出現攪拌不均的現象。最后，混凝土構件澆筑過程中應確保模板要有足夠的強度和剛度，能夠承受混凝土產生的側向壓力和各種施工荷載而不變形。這樣制作出來的混凝土構件成品就會減少麻面、蜂窩、露筋和跑模等缺陷的發生。②土工格柵。格柵是用聚丙烯、聚氯乙烯等高分子聚合物經熱塑或模壓而成的二維網格狀或具有一定高度的三維立體網格屏柵，當作為土木工程使用時稱為土工格柵。選擇使用土工格柵的主要目的是為了增強填充土與混凝土框架的結合強度。根據需要，本研究選用了由高密度聚乙烯制作而成的塑料土工格柵，強度為40RE。③土工布。又稱土工織物，它是由合成纖維通過針刺或編織而成的透水性土工合成材料，分為有紡土工布和無紡土工布。本研究根據需要選擇使用了具有過濾、排水、隔離、加筋、防護以及封閉作用的無紡土工布。④碎石。碎石主要選擇兩種規格，一種是混凝土中使用的，粒徑大概為5～25mm，另一種則是碎石濾層中使用的，粒徑大概為2～5cm。碎石濾層的作用主要是為了防止植物扦插初期雨水對各層填充土的沖淘。

（2）植物材料的選擇。土壤生物工程所選用的植物材料要求其能在短期內迅速生根并能大量繁殖，在河道邊坡治理中還要求其能有良好的耐水性能［14］。國內學者在北京地區的植物材料篩選中得出了金絲柳（Salixalbavar．tristis）、旱柳（Salixmet－sudana）、加拿大楊（PopuluscanadensisMoench）以及紫穗槐（AmorphafruticosaL．）等多種植物適用于土壤生物工程。在本研究中，由于研究區冬季寒冷，土壤貧瘠，干旱少雨且最大最小降雨量相差很大，所以經過多種植物對比發現，旱柳具有喜光，耐寒性強，喜水濕，亦耐干旱，且對土壤要求不高，生長快，萌發力強，根系發達，扦插極易成活等優點。此外旱柳樹形優美，分布廣泛，扦插枝條容易獲得，故本研究選取旱柳作為扦插用的植物材料。根據施工需求，選取的插條基徑為2～5cm，長度為150cm。扦插時，插條與水平面成15°角斜插入土壤120cm左右，枝條間距為50cm，需要注意的是插條出土的一端必須剪切整齊，不能出現劈裂，否則會增大蒸發量，降低成活率。

2．2．2施工過程

（1）提前預制混凝土構件。本研究中，根據坡體的具體情況，固腳用的混凝土構件長145cm，寬25cm，厚10cm。上下兩層混凝土格柵之間的兩端各縱向安裝1個混凝土格柵，以此來支撐整個結構，并保持穩定性。具體混凝土格柵設計及上下層的構件安裝效果見圖2。

（2）陡坡處理。將不平整的坡面整體沿坡向開挖30cm，平整好坡面后，將多余的挖方堆在附近留作回填土用。

（3）夯實基礎。在坡腳處向下開挖約寬100cm，深50cm的基槽，夯實后填充碎石做鋪墊層。

（4）施工。基礎處理完成后，具體的施工工序見圖3。施工采用土工格柵，增強填充土與混凝土框架結合強度。土工格柵放置時，受力方向指向坡外。每一層柳條栽植后在根部適當澆水；對于截干的柳條頂端以油漆封口，減少水分蒸發。

2．2．3后期養護管理

（1）澆水。施工完成后1個月內，對柳條插穗下部補充水分，以保證生根成活。之后3個月內適當澆水以保證植物枝條、根系的迅速生長。在第2a里，如遇到極其干旱時期，應適當澆水（澆水量視干旱程度而定），避免幼苗大量死亡。

（2）補苗。第2a的4月初，根據柳條成活情況進行補苗作業。補苗后，管護措施如同第1a，要定期澆水，以確保后補枝條的成活。

2．2．4實驗監測與調查

本研究采取隨機取樣和現場測量的方法，對延慶縣水土保持科技示范園內經過植物混凝土格柵技術修復后的岸坡上旱柳的生長特性進行了一系列的觀測。分別在2007年10月、2008年10月和2011年6月，即完工后3個月、15個月和47個月對旱柳的成活率和覆蓋度做了調查。其中2011年6月的調查中還對旱柳的生長情況包括新生枝條的基徑和株高、土壤養分以及周邊環境和生物的多樣性做了調查。通過調查總結了該措施的生態防護效果、適用范圍以及存在的一些問題，并對存在的問題提出了一些可行的建議與意見。

3結果與分析

3．1植物生長狀況

植物生長的好壞以及對環境的適應性是檢驗植物混凝土格柵技術成功與否的重要條件。觀測表明，完工3個月后旱柳的成活率為80％，覆蓋度為35％。由于部分死亡，在第2a的4月份進行了人工補植，距最初完工15個月后，再次觀測得出旱柳的成活率達到了90％，覆蓋度也達到了85％。在2011年6月份的調查中發現，此時旱柳的存活率僅為35％，覆蓋度為50％（表1）。綜合各方面的因素分析，出現此種現象的原因如下：

（1）該技術施工完成2a后開始實行減少人為干預、植被自然恢復的管理措施，目的是檢驗旱柳對該環境的適應性，以及該技術對周邊環境的影響。在開始放任管理的第1a（即2009年）該地區普遍干旱，據統計，截止8月底累計降水量為326mm，比2008年同期的438mm減少112mm，比多年平均同期的418mm減少了92mm，而這段時間又停止了人工澆水，這就導致建群初期占主導地位的旱柳大部分死亡。

（2）扦插枝條的土層太薄。在設計初期，混凝土格柵需要回填種植土，由于相鄰格柵之間間距太小，二者之間所能存放的種植土也就越少。當植被長到一定階段，根系就會向下生長直至觸及混凝土格柵，此時格柵就會影響根系繼續向下生長，由此會導致部分扦插柳條的死亡。

（3）水分分布不均。由于降水不多，使得下滲深度不夠，位于混凝土格柵中部的植株就不能很好地吸收水分，由此導致了格柵中部的植株大部分死亡。基于上述原因，該技術今后在用于干旱地區邊坡修復時需要投入一定的人工管理，干旱時期要適時適量澆水；而當用于河岸邊坡固定時，由于水分比較充足，可適當減少人為管理，這樣才能保證插條的成活成長，才能發揮其最大的生態效益。在該技術措施完工47個月后，筆者還調查研究了旱柳的生長狀況。觀察發現，經過47個月的生長，扦插旱柳新生枝條的最大基徑為3．38cm，最小基徑為1．14cm，平均基徑為2．02cm；新生枝條的最大株高為420．6cm，最小株高為241．2cm，平均株高為317．2cm（表2）。通過對旱柳扦插直徑，47個月后新生枝條的基徑和株高三者的數據分析發現，在一定范圍內扦插直徑越大，將來新生枝條的基徑也會越大，且株高也越高。由于本研究所采用的扦插直徑大致分布在1．5cm到5cm之間，所以由此可得知在此分布范圍內扦插直徑越大，將來新生枝條的基徑也就越大，相應的植株的株高就越高。通過對旱柳的生長狀況分析表明，在今后植物混凝土格柵護坡措施的施工中要選取的扦插枝條直徑盡量在1．5cm到5cm之間，而且如果條件允許的話在此區間內枝條直徑越大越好。此外，旱柳在北方地區有一定水分的情況下，能夠在短時間內迅速生長達到一定的景觀效果，所以是北京地區生態護坡的一種優良材料。

3．2對土壤的改良作用

土壤有機質是土壤中來源于動植物體的所有有機物質，其含量的多少是土壤肥力高低的重要指標［15］。在本措施完工47個月后，取旱柳根部附近的土壤以及周邊裸地的土樣各100g進行理化性質分析，具體分析結果見表3。由表3可以看出，完工47個月以后，旱柳根部附近土壤與原始邊坡土樣相比，有機質含量增加了4．32g／kg，速效磷和速效鉀分別增加了4．27mg／kg和12．14mg／kg，同時pH值下降了0．25；與周邊裸露邊坡土樣相比，有機質含量提高3．43g／kg，速效磷和速效鉀分別提高3．21mg／kg和8．81mg／kg，同時pH值低0．16，說明植物混凝土格柵護坡措施能夠有效改良土壤，通過一定時間的修復，能使得原來貧瘠的土壤得到一定的改良。

3．3對周邊環境的改善作用

3．3．1生物多樣性的增加

植物多樣性的變化是衡量植物混凝土格柵技術修復邊坡效果好壞的重要指標。自該措施完工47個月以來，周邊植物的種類有了明顯的增加。施工初期，周圍只有早熟禾、賴草、狗尾草和茵陳蒿4種植物，現在周邊植物有早熟禾、賴草、蒲公英（Taraxacum）、紫花地丁（ViolaphilippicaCar）、黃花蒿（ArtemisaannuaL．）、茵陳蒿、青蒿（Artemisaapiacea）、胡枝子（LespedezabicolorTurcz）、田旋花（ConvolvulusarvensisL．）、狗尾草等，達到18種之多，而且這些植物的總覆蓋度也達到了95％以上。通過現場挖根測定，完工47個月后單株旱柳的根系生物量比完工1a后平均增長了63％，單位面積50cm深土壤中根系生物量較完工1a后增長了72％，大大增強了岸坡抗侵蝕的能力。不僅如此，這些植被的生長還為一些小型的昆蟲和爬行動物提供了一個良好的棲息環境。

3．3．2美化周邊環境的效果

自該技術實施以來，周邊的環境發生了明顯的變化。隨著旱柳的不斷生長，周邊的生態系統也開始逐漸完善。形成了上層喬木，中層小灌木，下層草本的立體結構。整個坡面植被高低錯落有致，帶給人一種綠意盎然，充滿生機的感覺，創造了極佳的美學效果。除此之外，通過對該措施周邊環境的溫度和濕度監測發現，由于植物的蒸騰作用帶走了大量熱量，使得周邊環境溫度低于外景平均溫度2．8℃，濕度高于外界平均濕度12％。旱柳和周邊的伴生植被還能在一定程度上凈化空氣，吸附塵埃和消除噪音等［16］。總之，通過植物措施可以改善邊坡小氣候，營建一個干凈、清爽且富有生機的坡面環境。

4結論

通過對延慶縣水土保持科技示范園內一處陡峭裸露邊坡進行植物混凝土格柵技術近自然修復，得出如下幾條結論。

（1）在施工完成后的前2a里，旱柳能達到90％的存活率和85％的覆蓋度，對岸坡起到了一定的防護作用，并且形成了較好的景觀效果。因此，旱柳是一種適合于北京地區生態護坡的優良植物材料。

（2）旱柳枝條的扦插直徑在2～5cm內，扦插直徑越大，將來新生枝條的基徑也越大，并且相應枝條的株高也越高。因此，今后在選取扦插枝條直徑時，盡量選取在2cm到5cm之間。而且如果條件允許的話，在此區間內，扦插直徑越大越好。

（3）植物混凝土格柵技術在實施47個月后，能夠明顯改良土壤，增加物種多樣性，穩定邊坡和美化環境。此技術適用于河道護岸，水庫塌岸治理等坡比介于1∶0．5～1∶0．2的高陡土質邊坡，是一種在北京地區值得推廣的生態護坡技術。

在本研究的后期監測管護過程中發現，水分是影響該技術的一個主要因素。當該技術應用于河道護岸時，由于河道邊水分充足，該技術能很好地發揮應有的生態效益，但是當應用于干旱地區的邊坡治理時，就需要投入一定的人力來進行后期管護，尤其是定期澆水，否則效果不佳。今后，護坡技術與灌溉技術相互結合使用是生態護坡技術需要研究的一個方向，對于生態護坡的發展具有十分重要的意義。