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    道路边坡的植被防护能力模拟试验


      近年来在经济发展的带动下,我国的公路建设也在不断地发展,但是在其建设过程中因挖土填土形成的坡面由于缺少后期的保护工作引起一系列环境问题的发生,破坏了原地貌土壤植被系统的生态平衡,导致地表裸露,土壤抗侵蚀能力下降,水土流失加剧,生态破坏严重[1-3]。因此,为保持生态环境的相对平衡,确保道路的安全与稳定,研究公路的边坡综合防护技术具有重要的应用价值。近年来公路边坡防护措施也逐步从单纯的工程防护向兼顾工程防护及环境保护要求的植物防护转变[4]。 
      抵抗雨水的冲刷效果以及植物的水土保持能力是影响公路边坡植物防护成功与否的关键因素。许多专家学者在进行了大量的植物涵水固土能力试验的基础上得出了相应的理论。吴钦孝等[5]通过研究指出植物根系对坡面的产沙、产流时间产生作用,进而影响到土壤的抗冲刷能力。侯喜禄等[6]认为地被植物有助于林地土壤抵抗高强度暴雨的侵蚀。向师庆等[7]、李勇等[8]认为植物毛根的密度影响土壤的抗冲刷性;刘元保等[9]的研究表明,有植被覆盖坡面的产沙产流量比裸露坡面少的多。降雨冲刷对道路边坡防护影响的研究成果较少,不论是采用现场模拟还是实验室模拟,至今还没有非常成熟的方法[10-11]。 
      本研究采用人工模拟降雨对道路边坡进行冲刷测试,对比分析不同植被配置模式在不同边坡坡度下的坡面径流量、径流泥沙含量以及坡面冲刷情况,探讨植被配置与坡度的最佳组合,进而为道路边坡综合防护技术提供理论依据。 
      1 材料与方法 
      1.1 材料 
      选择以下3种植物作为试验材料:狗牙根(Cynodon dactylon)、高羊茅(Festuca arundinacea)以及黑麦草(Lolium perenne)。以上3种草种都是良好的固土护坡植物,耐旱、抗冲刷能力较强,并且本身也是肥料作物,有利于增加土壤肥力,提高土壤的抗侵蚀能力,进而保护边坡的稳定性。 
      1.2 方法 
      试验装置由4个长30 cm、宽30 cm、深15 cm的PVC板组成,底部有分布均匀的圆形孔隙,便于人工模拟降雨时多余的水分从小孔渗出。另外做3个30°、45°和60°支撑架,以此模拟30°、45°及60°的道路边坡。装置的一个边缘设计了锯齿状溢流堰,溢流堰下方设径流收集槽。在模型槽底部先后铺上石子与泥土(泥土从郊外的田地中取得,具备植物生长所需的养分与肥力),保持厚度在10 cm左右。将草种按照狗牙根+高羊茅、高羊茅+黑麦草、黑麦草+狗牙根3种植被配置模式在每一个模型槽里以1∶1的比例种植。此后,保持土壤一定的湿度并按时施肥,定期观察草种的生长情况。 
      在槽中的草种生长基本稳定的前提下,进行室内模拟冲刷试验。每进行一次试验后必须有一定的时间间隔,保证模型槽中的各种草有缓冲的时间且生长状况较好。 
      依据以上步骤进行室内模拟冲刷试验,观察1.5 mm/min雨量下不同配置模式不同坡度的坡面产流产沙量以及无植被覆盖坡面的产流产沙量。 
      2 结果与分析 
      2.1 30°边坡3种植被配置模式的产流产沙特征 
      在1。5 mm/min降雨强度下,有植被生长的30°坡面各阶段的产流量均小于对照裸地(图1)。高羊茅+黑麦草、黑麦草+狗牙根、狗牙根+高羊茅的径流总量分别是650、594 和674 mL,远远小于对照裸地的865 mL。3种植被配置相比较而言,黑麦草+狗牙根的产流量最小。 
      与对照裸地相比,1。5 mm/min降雨强度下有植被生长的坡面其各阶段产沙量均值仅为对照裸地的1/3(图2)。高羊茅+黑麦草、黑麦草+狗牙根、狗牙根+高羊茅的总产沙量分别是0。060、0。044和0。063 g/mL,高羊茅+黑麦草、狗牙根+高羊茅两种植被配置模式各阶段产沙量接近,均比黑麦草+狗牙根高。因此,综合3种植被配置模式各阶段的产流特征和产沙特征,30°坡面的植被配置模式应优先选择黑麦草+狗牙根。 
      2.2 45°边坡三种植被配置模式的产流产沙特征 
      在1.5 mm/min降雨强度下,有植被生长的45°坡面各阶段的产流量均小于对照裸地(图3)。高羊茅+黑麦草、黑麦草+狗牙根、狗牙根+高羊茅的径流总量分别是766、688和765 mL,远远小于对照裸地的1 011 mL,3种植被配置相比较而言,黑麦草+狗牙根的产流量最小。 
      由图4可知,高羊茅+黑麦草、黑麦草+狗牙根、狗牙根+高羊茅的总产沙量分别是0.062、0.062和0.071 g/mL,高羊茅+黑麦草、黑麦草+狗牙根两种植被配置模式各阶段产沙量接近。因此综合3种植被配置模式各阶段的产流特征和产沙特征,45°坡面的植被配置模式应优先选择黑麦草+狗牙根模式。   2.3 60°边坡3种植被配置模式的产流产沙特征 
      在1.5 mm/min降雨强度下,有植被生长的60°坡面各阶段的产流量均小于对照裸地(图5)。高羊茅+黑麦草、黑麦草+狗牙根、狗牙根+高羊茅的径流总量分别是960、998和775 mL,远远小于对照裸地的1 070 mL,3种植被配置相比较而言,狗牙根+高羊茅的产流量最小。 
      高羊茅+黑麦草、黑麦草+狗牙根、狗牙根+高羊茅的总产沙量分别是0.137、0.160和0.117 g/mL(图6)。因此,综合3种植被配置模式各阶段的产流特征和产沙特征,60°坡面的植被配置模式应优先选择狗牙根+高羊茅。 
      2.4 植被配置模式对产流时间的影响 
      由表1可以看出,在30°坡面上,高羊茅+黑麦草配置模式最先产流(183 s),而狗牙根+高羊茅配置模式产流最迟(209 s);在45°坡面上,黑麦草+狗牙根配置模式最先产流(121 s);在60°坡面上,狗牙根+高羊茅配置模式产流最迟(78 s)。与有植被覆盖的坡面相比,30°、45°和60°裸地坡面的产流时间分别为131、56和47 s,明显早于有植被覆盖的坡面。 
      3 结论 
      研究结果表明,在1.5 mm/min降雨强度下,当边坡为30°时,建议采用黑麦草+狗牙根配置模式,其在试验过程中的径流量最小,为594 mL;总含沙量最小,为0.044 g/mL;其产流时间为197 s,介于高羊茅+黑麦草和狗牙根+高羊茅之间。当边坡为45°时,建议采用黑麦草+狗牙根配置模式,其在试验过程中的径流量最小,为688 mL,总含沙量为0.062 g/mL;在3种植物配置模式中最先产流。当边坡为60°时,建议采用狗牙根+高羊茅配置模式,其在试验过程中的径流量最小,为775 mL;总含沙量最小,为0.117 g/mL;3种植物配置模式中产流最迟。 
      参考文献: 
      [1] 王白荪,彭少麟.植被生态学[M].北京:中国环境科学出版社,2007.286-287. 
      [2] 卓慕宁,李定强,贺新良,等.论高速公路建设中的水土保持生态恢复[J].水土保持研究,2003,10(4):209-211. 
      [3] 孙 青,卓慕宁,李利安,等.论高速公路建设中的生态破坏及其恢复[J].土壤与环境,2002,11(2):210-212. 
      [4] 程日盛。边坡生态防护室内冲刷试验研究[J]。中外公路,2007, 27(5):34-36。 
      [5] 吴钦孝,赵鸿雁,刘向东,等。森林枯枝落叶层涵养水源保持水土的作用评价[J]。土壤侵蚀与水土保持学报,1998,4(2):23-28。 
      [6] 侯喜禄,梁一民,曹清玉. 黄土丘陵沟壑区主要水保林类型及草地水保效益的研究[J].中国科学院西北水土保持研究所集刊,1991(14):96-103. 
      [7] 向师庆,吕 井。 灌草丛根系在保护土壤资源上的研究[J]。 北京林业大学学报,2008,10(4):24-30。 
      [8] 李 勇,吴钦孝,朱显谟,等.黄土高原植物根系提高土壤抗冲性能的研究[J].水土保持学报,1990,4(1):1-5,10. 
      [9] 刘元保,唐克丽,查 轩,等。坡耕地不同地面覆盖的水土流失试验研究[J]。 水土保持学报,1990,4(1):25-29。 
      [10] 郑粉莉.坡面降雨侵蚀和径流侵蚀研究[J].水土保持通报,1998,18(6):17-21. 
      [11] 吴淑安,蔡强国.土壤表土中植物根系影响其抗蚀性的模拟降雨试验研究——以张家口试验区为例[J].干旱区资源与环境,1999,13(3):35-43.

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