不同土壤生物工程植物发展特征动态研究

陈鹏 李泽实 王可健

摘要[目的]研究不同土壤生物工程措施植物随时间推移的发展特征及差异性。[方法]以旱柳活枝条为研究对象，在40 m的人工边坡上设置扦插、灌丛垫、层栽与梢捆4种土壤生物工程措施，对其完工后4、8、12个月的植物生长特征进行调查。[结果]4～12个月梢捆措施覆盖度从35%减少至20%，其他3种措施从40%增加到82.2%；扦插措施生长状况和其他措施存在显著差异，其生长状况由好到差依次为扦插、灌丛垫、层栽、梢捆；4种措施新生植株4～8个月的平均株高增长率在54.7%～82.3%，平均基径增长率在34.4%～75.0%；8～12个月平均株高增长率在28.9%～62.4%，平均基径增长率在29.1%～65.9%。4～8个月植物的生长速度高于8～12个月。[结论]扦插与层栽措施可快速且有效地稳固深层土壤，灌丛垫与梢捆措施在施工初期就可以很好地起到保护边坡不受水流冲刷的作用，防止表土侵蚀。

关键词 农田水利工程；土壤生物工程；河流生态修复；岸坡稳固

中图分类号 S278 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2018）22-0165-04

Abstract[Objective]In order to study the development characteristics and difference of plants treated by different soil bioengineering measures over time.[Method]With live plants branch as the research object， in 40 m set on artificial slope cutting， scrub pads， planted with tip bundle of four kinds of soil biological engineering measures，the growth characters of plants after 4，8，12 months were studied.[Result]The coverage of the trusses of 4-12 months was reduced from 35% to 20%， and the other three measures increased from 40% to 82.2%.The growth status of cuttage measures and other measures were significantly different， and the growth condition was from good to poor， which was to root > layer of > layer of BBB.The average plant growth rate of 4-8 months was between 54.7% and 82.3%， and the average basal diameter growth rate was 34.4%-75.0%. The average growth rate of the average plant in August and December was 28.9% to 62.4%， and the average growth rate was 29.1% to 65.9%. The growth rate of plants in April and August was higher than that in August and December.[Conclusion]Cutting layer and plant measures can be rapid and effective solid deep soil， scrub pads and tip bundle of measures at the beginning of the construction can be very good to protect slope from water flushing action， prevent the erosion of topsoil.

Key words Farmland irrigation works；Soil bioengineering；River ecological restoration；Bank stabilization

20世紀 70 年代后，土壤生物工程技术得到了广泛的发展，而且形成了完整的理论与技术体系[1]。过去，我国的河流治理工程主要采用浆砌石与钢筋混凝土护岸，但这种护岸方法会阻挡陆地生态系统与水生态系统的有机联系，降低了生境多样性，破坏了河流的各种生态过程，从而导致水体的自我净化及水生态系统自我恢复能力降低[2] 。我国也发展了许多生态工程措施，如人工种草护坡、生态袋护坡、网格生态护坡等，但是这些护坡措施安全性较低，不能满足流速较高河流的治理要求。而土壤生物工程则是使用新鲜的植物枝条作为主体辅助使用灵活的工程技术手段来构筑各类边坡以防止坡面受到侵蚀并改善栖息地生境的一种集成工程技术，它能够非常有效地改善整个土质岸坡的稳定程度，增强水生态系统自我恢复能力而且相对于“硬”结构更加经济，相对于其他生态工程措施也具有更高的安全性[3-13]。笔者采用4种土壤生物工程措施进行边坡防护施工，对完工4、8、12个月后各种措施植物的生长特征进行了研究，以期为土壤生物工程在农田水利领域的应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 植物材料

试验对象为本地截取的旱柳（Salix matsudana Koidz），旱柳的根系非常发达而且生长速度很快，容易繁殖，喜光且耐寒，在湿地、旱地中都可生长，但在湿润且排水良好的土壤上生长最佳，而且它对虫害与大气污染的抵抗性也很强。

1.2 工程措施

试验点位于湖北省武汉市湖北工业大学南区实验基地（114°18′4.75″E，30°28′32.05″N），属于亚热带季风性湿润气候区，雨量十分充沛且日照充足，具有夏高温、冬季稍凉湿润等特点。在实验基地设置1处长40 m、宽2 m、高1 m、坡度约45°的人工边坡，在坡面设置扦插、灌丛垫、层栽、梢捆4种土壤生物工程措施各6 m长。

1.3 研究方法

1.3.1 施工措施。

1.3.1.1 扦插。

扦插措施是使用容易成活的柳树活枝条，经过修整处理后按照一定的角度直接插入土壤中的一种工程措施，插入土壤的枝条生根以后可以把岸坡的土壤颗粒黏结在一起，并且可以吸收土壤中的水分[14]。该试验截取新鲜的柳枝条至40 cm长，在坡面扦插4排柳枝，每根柳枝纵向间距、横向间距都为40 cm，且每排柳枝交错扦插，枝条插入岸坡土壤中30 cm左右，扦插枝条上部用枝剪在靠近坡面土壤处修平，枝条最多只能露出地面5 cm（图1）。

1.3.1.2 灌叢垫。

选取有较高发芽能力且分叉的柳树枝条（一般不应小于 1.5 m），在坡底开挖1条长6 m的沟槽，将活的枝条按交叉或重叠的方式沿水平方向平铺到坡面上，并且枝条的顶部向外，根部垂直埋入坡脚开挖好的沟槽，然后在其上部覆土，以防在枝条生长初期垮塌、淋蚀和冲蚀（图2）。为了使灌丛垫结构稳定，在四角打入木桩，用长铁丝把小的分支紧贴地面压紧，然后用当地土壤轻覆盖在灌丛垫上，以使植物枝条生根发芽。灌丛垫措施在完工初期阶段就可保护岸坡不受流水的冲刷，虽然完工后期会有部分枝条腐烂，但是新生的根系也能够起到稳固坡面的作用[14]。

1.3.1.3 层栽。层栽措施是首先在坡面开挖出1条宽度为50 cm并向内侧倾斜的平阶，然后将植物活枝条交错铺置于平阶上，枝条根部向里，顶部向外，最后用开挖平阶所出的土料进行覆盖。这种措施能够迅速且有效的稳固深层土壤，并防止表土被流水侵蚀[14]。该试验首先开挖2条平行的向坡内侧倾斜的平阶，长度为5 m，宽度为 50 cm，然后把截取好的柳树枝交错铺置于平阶上，枝条顶部向外，根部向里，为了加固平阶外侧，树枝必须倾斜向内放置再填土，共铺设2层，树枝至少要覆盖平阶 50%的区域，最后再用本地开挖平阶所得的土料进行覆盖（图3）。新生的植物枝条可降低径流速度并过滤泥沙，以防止泥沙流出边坡， 延伸进入边坡的植物枝条可像传统的工程起到加筋的作用，而且后期生长的根系有利于坡面的排水。

1.3.1.4 梢捆。

梢捆措施是把柳树活枝条首先用铁丝捆在一起，形成1捆圆柱状的活枝捆扎束，然后再沿着水平方向浅埋入边坡的一种工程措施[14]。该试验首先在边坡上开挖2条平行的长6 m的沟槽，再把植物活枝成鳞状铺设，然后每隔1 m用铁丝捆紧，形成圆柱状的活枝捆扎束，其间扦插枝条并且铁丝用枝条扭紧以固定梢捆，再沿着水平方向浅埋入边坡（图4）。这种措施可以有效地保护水位线附近的岸坡，并且它的结构可以截留土壤颗粒和稳固岸坡表面，形成有利于植物生长的小生境。

1.3.2 植物生长情况调查。

分别在完工4、8和12个月后对4种措施的所有植株进行调查，记录各种措施植物的萌芽率、成活率、覆盖度、基径和株高。每种措施选取10～20株植物的茎与叶子称量各部分湿重，再放入75 ℃烘箱12 h后称量其干重。

2 结果与分析

2.1 植被成活率和覆盖度

新生植物的茎和叶子覆盖于裸露的土壤表面，可以拦截一部分降雨，从而有效减少土壤侵蚀与地表径流的发生。因此，坡上植物的生长特性是衡量土壤生物工程生态护岸防治坡面侵蚀效果的一项重要指标[15]。由于灌丛垫和梢捆措施特殊的施工方式，只调查覆盖度，完工4个月后调查扦插措施共45株植物，其中发芽43株，新生枝条成活率为95.5%，灌丛垫措施共208根柳枝，萌芽97株，层栽措施共93根柳枝，萌芽82株，成活率为88.2%，梢捆措施调查共308株，其中萌芽63株。由表1可知，完工4个月时各种措施的覆盖度差别不大，8个月时梢捆措施覆盖度减少，其他3种措施均有增加，12个月后扦插措施覆盖度达80%，相比其他3种措施比例最高，灌丛垫与层栽措施随着植物的生长也逐渐形成了密集的灌丛，而梢捆措施覆盖度减少为20%。

2.2 不同措施植物生长特性

2.2.1 扦插措施植物生长特性。

扦插措施施工后进行定期浇水、养护。分别于4、8、12个月进行1次调查。完工4个月后调查共45根柳枝，萌芽43株，萌芽率为95.6%，平均基径为0.31 cm，平均株高为28.38 cm，完工8个月后调查扦插措施平均基径为1.24 cm，平均株高为160.0 cm；完工12个月后调查平均基径为1.75 cm，平均株高为225.0 cm，成活40株。新生植株4～8个月的平均株高增长率为82.3%，8～12个月的平均株高增长率为28.9%，4～8个月的平均基径增长率为75.0%，8～12个月的平均基径增长率为29.1%（图5、6）。

2.2.2 灌丛垫措施植物生长特性。

完工4个月后调查共208根柳枝，萌芽97株，萌芽率为46.6%；完工8个月后调查成活42株，覆盖率达40%，平均株高为91.0 cm，平均基径为0.60 cm。完工12个月后调查平均株高为185.0 cm，平均基径为1.27 cm。新生植株4～8个月的平均株高增长率为89.1%，8～12 个月平均株高增长率为50.8%，4～8个月的平均基径增长率为55%，8～12个月的平均基径增长率为52.8%（图7、8）。

2.2.3 层栽措施植物生长特性。

完工4个月后调查共75根柳枝，萌芽71株，萌芽率为94.7%。完工8个月后调查成活71株，平均株高为81.5 cm，平均基径为0.63 cm。完工12个月后调查平均株高为155.0 cm，平均基径为1.05 cm。新生植株4～8个月的平均株高增长率为70.9%，8～12个月的平均株高增长率为47.4%，4～8个月的平均基径增长率为55.6%，8～12个月的平均基径增长率为40.0%（图9、10）。

2.2.4 梢捆措施植物生长特性。

完成4个月后调查共308株，其中萌芽63株，完工8个月后调查平均株高为41.0 cm，平均基径为0.32 cm。完工12个月后调查平均株高为109.0 cm，平均基径为0.94 cm。新生植株4～8个月的平均株高增长率为54.7%；8～12个月的平均株高增长率为62.4%；4～8个月的平均基径增长率为34.4%；8～12个月的平均基径增长率为65.9%（图11、12）。

2.3 不同措施差异性分析

旱柳施工12个月后植物的生长情况，最大株高为324.0 cm（扦插），最小为70.0 cm（梢捆），并且绝大多数散点分布于中位线附近，扦插的基径和株高的均值较大，分别为1.75、225.0 cm（表2），方差分析表明，扦插措施基径和株高与其他措施存在显著差异，其生长的状况由好到差依次为扦插、灌丛垫、层栽、梢捆。

3 结论与讨论

完工4个月时，各种措施的覆盖度差别不大，8个月时梢捆措施覆盖度减少，其他3种措施均有增加，12个月后扦插措施覆盖度达80%，相比其他3种措施比例最高，灌丛垫与层栽措施随着植物的生长也逐渐形成了密集的灌丛，而梢捆措施覆盖度减少至20%，可能由于覆土过厚，水量补给不足造成梢捆措施生长情况与其他3种措施有明显差别。

完工12个月时，4种措施的基径和株高分别为：扦插1.75、225.0 cm；灌丛垫1.27、185.0 cm；层栽1.05、155.0 cm；梢捆0.94、109.0 cm。扦插措施基径和株高与其他措施有显著性差异，其生长的状况由好到差依次为扦插、灌丛垫、层栽、梢捆。

4种措施新生植株4～8个月的平均株高增长率在54.7%～82.3%，平均基径增长率在34.4%～75.0%；8～12个月平均株高增长率在28.9%～62.4%，平均基径增长率在29.1%～65.9%。4～8个月植物的生长速度高于8～12个月，在植物生长初期发展较快。扦插与层栽可以迅速且有效地穩定深层边坡，灌丛垫和梢捆措施在施工初期就能很好地起到保护边坡不受水流冲刷的作用，防止表土侵蚀。

旱柳是一种优良的固土护坡植物，适合用于岸坡植被生态恢复与防止土壤侵蚀、水土流失，可代替部分工程措施，实际工程中可以考虑多种土壤生物工程措施联合使用或与传统的护岸措施相结合，随着植物的生长可以逐渐形成密集的灌丛，从而达到稳固岸坡、抵抗坡面侵蚀的作用效果。

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