青藏鐵路多年凍土區(qū)路基草皮護坡試驗研究

肖述文

青藏鐵路是我國十五建設(shè)規(guī)劃的重點工程,同時也是我國鐵路建設(shè)史上的一個重要的里程碑。青藏鐵路建設(shè)的成敗在于凍土和環(huán)境保護兩個方面。凍土的處理在于工程措施的選擇上,而環(huán)境保護的一個重要方面就是生態(tài)環(huán)境。由于青藏高原生態(tài)環(huán)境條件十分惡劣,生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)循環(huán)和能量轉(zhuǎn)換過程緩慢,而且長期低溫、生長季節(jié)較短,若植被一旦被破壞,其恢復(fù)周期十分漫長。隨著暖季土層融層深度增加,在風(fēng)的吹蝕下,極易發(fā)生風(fēng)蝕,加速土壤沙化和水土流失。若植物在路堤邊坡上生長成活,形成植被草皮,將是一種永久防護措施,對于路堤能夠起到防止風(fēng)蝕和水蝕的作用,具有效果好、有利環(huán)保的特點。本試驗工程采用移植的鄉(xiāng)土植物鋪設(shè)路堤邊坡,依靠其龐大的根系和覆蓋度,能夠在寒季對路堤有效地起到保溫,在暖季對路堤有效地起到阻止熱量的流入,防止路基坡面風(fēng)蝕、水蝕的作用。

1 試驗工程概況

本試驗工程起訖里程為 DK1229+400～DK1229+452,位于青藏鐵路沱沱河試驗段。試驗段地處高原亞寒帶半干旱氣候區(qū),屬高寒草原生態(tài)系統(tǒng),每年9月～次年4月為凍結(jié)期,年平均地溫-0.5℃～0.0℃,屬高溫極不穩(wěn)定區(qū)。凍土的天然上限為2.65 m。融區(qū)內(nèi)最大凍結(jié)深度5.0 m。附近草地中有地表水形成的河流融區(qū)和太陽輻射形成的滲透～輻射融區(qū),多年凍土類型為島狀多年凍土。本試驗工程選取的移植鄉(xiāng)土植物為紫花針茅,它是沱沱河地段天然生長的主要建群種,屬禾本科,對比植物為矮火絨草與青藏苔草。

移植鄉(xiāng)土草皮試驗工點路基的陽面坡長7.2 m～8.0 m,陰面坡長6.0 m～6.5 m,路堤高約5 m,坡率1∶1.5。試驗鋪砌移植草皮722 m2(陽坡為327 m2,陰坡為 395 m2),其中,紫花針茅采用人工鋪砌移植方法,矮火絨草與青藏苔草采用人工栽植,同時分別鋪10 cm,15 cm和20 cm厚熟土(即紫花針茅植物生長層表層土壤厚度),然后配加保水劑等材料,具體分布見表1。

表1 移植草皮護坡試驗工程各種草類布置表

2 現(xiàn)場試驗

在邊坡中部垂直于坡面布置了3個觀測斷面(DK1229+409,DK1229+426,DK1229+443),深度分別為 10 cm,20 cm,40 cm,用于路堤邊坡表層土體的溫度觀測。每個斷面設(shè)2個測試孔(陰、陽坡面各1個,均設(shè)在邊坡中部位置)。

2.1 現(xiàn)場土壤含水率試驗

對移植植被路堤邊坡的不同地塊以及未移植植被的路堤進行取樣,送試驗室做土壤含水率的試驗,取土深度為20 cm,即達植物根系生長的有效生長層。

陰坡和陽坡路基土壤含水率均明顯高于普通路基,這說明植被起到了涵養(yǎng)水源、減少蒸發(fā)的作用,有效的減少了水分的流失。2005年移植草皮地塊的平均土壤含水率為11.66%,2006年為13.14%,遠遠超過植物的生理需求指標(biāo)(砂壤土的凋萎系數(shù)為6.6%),說明移植的植物具有很好的涵養(yǎng)水源的作用。

其土壤含水率有時比未加保水劑的地塊低,這說明采用的保水劑不適用于青藏高原。

2.2 植被成活率統(tǒng)計

截止到2007年9月中旬的統(tǒng)計中發(fā)現(xiàn):青藏苔草的平均成活率達16%;矮火絨草達99.2%;紫花針茅達100%。青藏苔草的大部分根系腐爛,植株已經(jīng)死亡;多數(shù)矮火絨草和紫花針茅已經(jīng)開花、抽穗,其長勢不錯,生長強度較強;同一種植物陰坡比陽坡長的茂盛,矮火絨草陰坡比陽坡的團簇狀多、密集,紫花針茅陰坡比陽坡長的稠密、植株高,這主要是因為陰坡的植物太陽輻射較陽坡的弱、蒸發(fā)量較陽坡的小、含水率較陽坡的大,對植物細胞原生質(zhì)破壞少,植物體內(nèi)的葉綠素損失少,再加上較充足的水分條件,因而陰坡植物茂盛。

采用現(xiàn)場作對比調(diào)查的方法進行植被成活率的統(tǒng)計,統(tǒng)計結(jié)果如下:1)青藏苔草的成活率逐年降低,到2007年青藏苔草的平均成活率僅為16%;而矮火絨草和紫花針茅的成活率卻很高,到2007年矮火絨草平均成活率達99.2%,紫花針茅平均成活率達100%。2)同一種草在采取相同的技術(shù)措施下,總體上陽坡植物的成活率高于陰坡,這是因為在陽坡植物進行的光合作用多,加速了植物體內(nèi)的新陳代謝,有利于礦物元素和水分的運輸和吸收,加快了植物對不良環(huán)境的適應(yīng)能力,促進了植物的成活。從現(xiàn)場調(diào)查中發(fā)現(xiàn)成活的植株中,陽坡植物沒陰坡植物長的茂盛,這是由于植物接收太陽輻射中的紫外線陰坡比陽坡少,對植物細胞原生質(zhì)破壞少,植物體內(nèi)的葉綠素損失的少,再加上較充足的水分條件,故而比陽坡植物茂盛。3)不同草種在相同的技術(shù)條件下,草種成活率是紫花針茅＞矮火絨草＞青藏苔草。4)紫花針茅、矮火絨草2006年、2007年的植物成活率比2005年的高,這主要是由于2005年植物剛移植到坡面,草地植物進入根部的有機物質(zhì)被暫時中斷,由于它沒有進行光合作用的能力,草地植物的生長主要依靠其地下器官貯藏的營養(yǎng)物質(zhì)動態(tài)維持其再生,為了減少蒸騰所引起植物體內(nèi)水分過多的散失,植物主動采取停止地上部分生長的半休眠狀態(tài),逐步調(diào)節(jié)自身生理器官對新環(huán)境的適應(yīng)。到2006年、2007年植物性能已經(jīng)逐漸調(diào)整和恢復(fù),開始進行地上部分的生長,出現(xiàn)“死而復(fù)活”的現(xiàn)象;而移植的青藏苔草2006年、2007年的植物成活率比2005年的要低,這主要是因為:青藏苔草屬直根系植物,直根發(fā)達,而須根卻很短(僅2 cm～3 cm)。在試驗段路堤坡面上土壤以粗礫石為主,細砂土很少,青藏苔草的根系扎不進,吸收不了足夠的水分和養(yǎng)分來維持植物的正常生長;另一方面可能是挖移時傷了青藏苔草的根系,影響其成活。

2.3 積溫分析

為了說明移植鄉(xiāng)土草坡面經(jīng)過兩個凍融循環(huán),其下坡面表層的溫度變化情況,在這里引入了系數(shù) n(路堤表面的積溫與空氣積溫之比),即n=Is/Ia,其中,Is為路堤表面的積溫;Ia為空氣的積溫。通過計算融化期的nt和凍結(jié)期的nf,掌握移植鄉(xiāng)土草坡面表層的熱量變化。

從圖1中發(fā)現(xiàn)2005年～2007年空氣正積溫逐漸減少,負積溫逐漸增加。

不管是陽坡還是陰坡其融化期的nt隨著時間的變化呈減小趨勢;凍結(jié)期的nf隨著時間的變化,基本上不變化。這說明進入移植鄉(xiāng)土草坡面土壤中的熱量減少了,但進入土壤的冷量保持不變。移植鄉(xiāng)土草很好的起到了阻止熱量流入土壤的作用,保證了路基下凍土不退化,從而保證了凍土上限不下降,有利于路基的穩(wěn)定性。

3 結(jié)論及建議

1)在沱沱河地區(qū)路基邊坡上采取移植鄉(xiāng)土草皮進行護坡是可行的?？衫萌　壨翀龅葟U棄草皮中的紫花針茅、矮火絨草、青藏苔草為主的草皮進行路基坡面防護。紫花針茅和矮火絨草須根發(fā)達,能起到固持土體、增加土體抗蝕性、防風(fēng)蝕性等作用,而且對惡劣環(huán)境適應(yīng)性強,長勢較好,成活率高。它們是高寒草原地段推廣移植鄉(xiāng)土草的首選植物。2)在進行植被營造時,應(yīng)首先充分利用取、棄土場鐵路路基原表面等廢棄草皮,由于青藏高原生態(tài)的脆弱性,千萬不能破壞天然植被挖取草皮;在沒有草皮來源時,可以采用人工植草進行護坡。3)應(yīng)嘗試進行移植、種植草皮混合的試驗,這樣可以發(fā)揮植物不同種之間的優(yōu)勢,利于植物的生長。在移植植物的塊與塊之間的空隙處用拌有植物種子的細顆粒土填實,這樣有利于植物連成一個整體,防止移植的植物塊體向下滑移。有利于保持坡面的穩(wěn)定性,也有利于在草皮護坡時草皮與坡面很快結(jié)合生根,成為一體。經(jīng)過一段時期后,就能形成一個長期穩(wěn)定的植物群落。

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