護坡植物的選擇及對護坡土體穩(wěn)定性的影響研究進展

王金惠,楊知建

(湖南農業(yè)大學農學院,長沙 410128)

交通運輸部印發(fā)的《資源節(jié)約型環(huán)境友好型公路水路交通發(fā)展政策》透露,截止 2008年底,全國公路總里程達 199.5萬公里 (不含村道),高速公路達 6.03萬公里。根據(jù)規(guī)劃,到 2020年,全國公路總里程將達到300萬公里以上(不含村道),其中高速公路 10萬公里左右,比 2008年底增加 50%以上。公路的大量興建開挖了大量新的邊坡,為邊坡水土流失和滑坡提供了自然條件,而山多地少的地貌結構本就使我國成為了世界上滑坡和泥石流較多的國家之一,同時也是世界上水土流失最為嚴重的國家之一。邊坡的災害防治一直是工程建設者十分關注但又未完全解決好的問題。隨著人類環(huán)保意識的不斷增強和對環(huán)境條件的要求不斷提高,植被護坡成為很多邊坡災害防治和水土流失控制的首選方案。

邊坡防護技術的最低層次是保持水土、淺層防護,高一層次是滿足生態(tài)功能需要,營造感觀怡人的景觀效果。當前應用于邊坡生態(tài)修復與重建的技術很多,但沒有任何一種技術是普遍適用的,必須根據(jù)邊坡坡度、坡體基底形態(tài)、坡體性質的不同,以及當?shù)刈匀画h(huán)境特點和對景觀的基本需求,有針對性地選擇合適的技術[1]。

近年來,生態(tài)護坡技術的應用實踐及護坡機理的研究在國內外也都取得了豐碩的成果。本文總結了植被護坡在國內外的應用以及植被對邊坡穩(wěn)定性的影響,對植被的護坡機理進行概述,以期對植被護坡的進一步發(fā)展提供借鑒。

1 植被護坡的由來及發(fā)展

植被護坡的實踐歷史可以追溯到遙遠的人類古代文明。我國早在明代就通過栽植柳樹來加固河岸,17世紀采用植被護坡來保護黃河河岸[2]。但是直到恢復生態(tài)學建立了完整的理論體系之后,植被固坡才作為一種工程技術方法被系統(tǒng)研究。國際上直到1994年才在英國牛津召開了第一次專門以植物固坡為主題的國際學術會議。但植被護坡在國內一直是重工程而輕科學研究,直到近幾年才逐漸受到重視。20世紀50年代,植被護坡開始應用于水土保持和防風固沙;80年代在華南地區(qū)進行液壓噴播試驗取得成功,隨后被推廣應用;從 70年代開始,景觀改善取代單純的固持水土逐漸成為植物護坡的主要目的,雖有進一步發(fā)展,但一般也僅是撒草種、穴播或溝播、鋪草皮、片石骨架植草等護坡方法;1993年中國引進土工材料植草護坡技術;進入 21世紀,植被護坡得到了快速發(fā)展,已有許多成熟技術應用于工程護坡。目前邊坡防護的方法主要有三種,即工程護坡、植被護坡和工程與植被相結合的護坡。國內已研制出植生型生態(tài)混凝土,并將此技術應用到護坡中[3]。此外還有三維網(wǎng)植草護坡、液壓噴播植草護坡、土工格植草護坡方法等。目前工程與植被相結合的護坡方法已廣泛應用于邊坡防護,但一般土質邊坡仍多采用植被護坡。

2 生態(tài)護坡植被的選擇

植被護坡一般多應用于土質邊坡,其坡面的破壞主要是坡面水流的沖蝕,除此之外,在一定條件下,降水的入滲使土壤水分達到飽和狀態(tài),抗剪強度下降,也可能發(fā)生邊坡土體的失穩(wěn)變形導致淺層坍塌的出現(xiàn)。

在植被固坡工程的實施中,固坡植物的選擇是一個關鍵環(huán)節(jié)。首先要從植物的生長規(guī)律、邊坡的穩(wěn)定性、氣候條件等多方面來綜合分析。理論上來講,護坡植物要求適應性好,一般不能出現(xiàn)夭折或者早衰,可以達到較好的效果,不需補種或者重播,能節(jié)約資金,降低成本。選擇植物時,除考慮根深、堅固和涵養(yǎng)水能力強外,還應具有一定的美感。一般來說,應根據(jù)當?shù)貧夂驐l件,選擇比較低矮、枝葉團結較緊湊的、根系發(fā)達的植物。適宜在我國生長的比較常見的固坡植物有香根草、新銀合歡、馬桑、黃荊、黑荊、百喜草等[4]。其次邊坡綠化工程應著眼于景觀協(xié)調性和生態(tài)保護的功能,在護坡規(guī)劃中要尤其重視不同植物配置的模式。邊坡的功能性和穩(wěn)定性的恢復是一個長期的過程,但總體來說,混合配置模式總體上優(yōu)于單一模式,灌草結合還是一個發(fā)展趨勢。

國內外很多學者通過研究把牧草種植與固土護坡結合起來,既增加了坡地的植被覆蓋率,減少了地表徑流,降低了土壤侵蝕,同時也取得了良好的經(jīng)濟效益。王憑青等[5]在狼尾草水土保持的研究中指出,坡地栽植狼尾草后,年徑流量和土壤侵蝕模數(shù)分別是裸地的18.15%和2.61%。朱顯謨[6]指出,在西北干旱地區(qū),草灌類植被在生態(tài)恢復與建設中占有十分重要的地位,研究證實,草本及灌木植被的繁生,可以加強土壤抗沖蝕性,增加土壤通透性和蓄水容量,增加入滲,消減超滲徑流,防止沖刷,尤為重要的是灌草植被可以分散或減少上方襲來的徑流,增加坡面徑流運動阻力,削弱徑流侵蝕能力,進而減少當?shù)氐乃亮魇?。熊艷平[7]等通過百喜草林下栽培模式的研究發(fā)現(xiàn),百喜草在保持水土、改善林地小氣候、改良土壤等方面具有顯著作用,同時百喜草作為一種優(yōu)良的牧草,具有一定的經(jīng)濟價值。有相關研究證明,百喜草具有一定的適應性和抗逆性,在受淹水脅迫10～ 15 d后其成活率仍有85%以上,是一種不錯的護坡植物。王曉蓓[8]通過研究發(fā)現(xiàn),在人工栽培狀態(tài)下,荊條的生長受降雨量變化影響小,抗旱能力強,對干旱和水淹也具有良好的適應能力,并具有較長的綠色景觀期。荊條的有效根密度大于對比植物胡枝子,在改善土壤結構穩(wěn)定性、提高土壤入滲及增強土壤抗沖蝕性方面具有良好效果。夏錦慧等[9]研究了施肥對香根草籬長勢及護坡保水效果的影響得出,施肥能加速香根草的生長,促進濃密的香根草籬的形成,對分蘗的影響達到了極顯著水平,更快、更好地起到了水土保持的效果。

一般來說,依靠植物根系作用的邊坡的抗崩塌力相對較小,因此簡單的植被護坡雖然可以滿足綠化以及景觀要求,是水土保持措施之一,但是其應用于邊坡治理的范圍有限。而很多開挖后形成的邊坡由于地質特性、卸載影響等原因,需要采用工程技術進行坡體的穩(wěn)定性加固。但是對于坡長太短或者太小的邊坡,運用工程技術造價太高,而由于邊坡面積小,采用草、灌、木結合的自然條件不夠,同時考慮綠化目的或者生態(tài)需要,可采用草本植物護坡。草本植物生長快,可以作為邊坡防護植被建植中的先鋒植物,在邊坡治理中發(fā)揮重要作用。

3 植被護坡對土質邊坡穩(wěn)定性的影響

降雨是邊坡沖刷的最主要能量來源,土質邊坡在雨季容易產生滑坡這是一個普遍現(xiàn)象。正常情況下這些邊坡是穩(wěn)定的,但時間的推移和雨水的作用使這些邊坡土體發(fā)生變化,一些設計上看來十分可靠的邊坡可能在雨季發(fā)生滑坡。在我國大部分地區(qū),表層和淺層的不穩(wěn)定過程是斜坡最常見的兩類侵蝕類型。表層不穩(wěn)定表現(xiàn)為坡體表面的土壤侵蝕及其導致的水土流失,淺層不穩(wěn)定和深層不穩(wěn)定表現(xiàn)為淺層和深層坡體滑移。植物對邊坡穩(wěn)定的作用主要集中于表層和淺層。

3.1 降雨對邊坡穩(wěn)定的影響

何永金[10]認為暴雨是土質邊坡滑坡的主要誘因。錢紀蕓等[11]的研究表明,降雨對邊坡穩(wěn)定性產生很大影響,降雨引起均質土坡發(fā)生淺層土體滑移破壞雨水入滲至土坡較深的位置,降雨引起土坡位移逐漸增大,最終形成明顯的位移集中區(qū)域。嚴繼華[12]研究了華南紅土不同含水率條件下的力學特性,結果顯示含水率對土體性質有顯著影響。

趙鴻雁等人利用主成分分析方法對人工油松林地影響水土流失的主要因子進行了分析,結果表明,徑流勢能、根量、郁閉度對水土流失起決定作用,尤其是徑流勢能最為突出。所以在護坡的過程中,降低徑流的勢能最為關鍵,因此植被的覆蓋度要盡量的大。

不同降雨強度、不同降雨持續(xù)時間條件下邊坡滲流對其穩(wěn)定性的影響是非常大的,邊坡土的含水率的變化顯著影響邊坡穩(wěn)定。邊坡穩(wěn)定性系數(shù)隨邊坡土體含水率增大而變化,總體趨勢是先減小,后增大,增大到峰值后又急劇衰減。相同含水率時,土體初始重度越大的邊坡,其邊坡穩(wěn)定性系數(shù)越小[13]。

3.2 植物的水文效應

植被通過調節(jié)近地面氣候、地表和地下水文狀況,使植被生長地區(qū)的水循環(huán)途徑發(fā)生變化,因而影響了侵蝕過程,減少水土流失[14]。植物對邊坡防止水土流失的作用主要是通過地上部分枝葉對降雨及徑流的削弱濺蝕、截留等作用以及根系對邊坡土壤的淺層加筋作用,理論上稱之為植物的水文效應。

3.2.1 植被的莖葉截留作用

一部分降雨在達到坡面之前就被植被莖葉截留并暫時儲存在其中,以后再重新蒸發(fā)到大氣中或落回坡面。植被通過莖葉截留作用,減少了到達坡面的有效雨量,從而減弱雨水對坡面土體的侵蝕。地上部分不僅具有減少地上徑流量的作用,而且能夠改變雨譜分布和雨滴動能,削弱雨水對坡面的侵蝕。同時,地表枯落物尤其是草本植物具有很強的吸水性,可有效地截留降雨,其最大截持量是自身重量的 1.7～ 3.5倍。卓麗等[15,16]對結縷草枯草層的降雨截留特性進行了研究,結果顯示枯草層因緊密而結實可吸附大量的塵土,截留水分能力很強,截留的水量相當于 5 mm的降雨量。同時研究發(fā)現(xiàn),草坪枯草層截留量隨降水的變化可分為3個階段,分別為快增期(當降雨量小于 2 mm時,枯草層可吸收全部降雨而使截留量隨降雨的增加而迅速增加)、漸增期(降雨量增加到一定程度,一般為6 mm,截留量隨降雨量增大的趨勢減緩)、穩(wěn)定期(隨著降雨量的增大,枯草層吸水飽和,而使截留量隨降雨量的增大變化不大,基本穩(wěn)定在4.8 mm左右)。

3.2.2 植被的削弱濺蝕作用

雨滴打擊地面發(fā)生濺蝕的過程可分為兩個階段:地面發(fā)生漫流之前和漫流發(fā)生之后。在發(fā)生漫流之前,濺蝕作用過程主要是雨滴與土粒間的動量交換;在發(fā)生漫流之后,地面漫流流態(tài)則對濺蝕作用過程有重要作用,濺蝕作用過程則是雨滴、土粒及薄層水流間的能量交換過程。由于不同階段中能量傳遞及交換的方式不同,即使在降雨量相同的情況下,濺蝕強度也會隨降雨時間的持續(xù)有不同的變化規(guī)律。降雨的濺蝕面積大,凡是裸露的地面都可以發(fā)生,濺蝕不僅破壞表層土壤結構,而且為徑流挾帶土粒創(chuàng)造了條件,加劇了水土流失,影響了土地生產力。

雨滴的濺蝕是雨滴對地面的濺蝕作用造成的,它是水蝕的一種重要形式。降雨時雨滴從高空落下,因雨滴具有一定的動能,裸露的表土在這種力量的打擊之下,土壤結構即遭到破壞,發(fā)生分離、破裂、位移并濺起,造成水土流失[17]。它在地表徑流發(fā)生前便使土壤細粒產生位移。土壤的濺蝕量,取決于雨滴的打擊力、地面覆蓋物、風力、降雨特征、土壤抗蝕能力和地表水層厚度等。在坡地上,土粒向下坡的濺移量,要大于向上坡的濺移量。總的土壤濺蝕量,隨著坡度的增加而增多。濺蝕破壞土壤結構,堵塞土壤孔隙,削弱土壤滲透能力,從而增加地表徑流量和徑流的沖刷搬運能力。伍德拉夫(CM Woodruff)試驗證明,在緩坡情況下,90%的土壤侵蝕量由濺蝕作用造成,9°以上的坡地,徑流沖刷則起著重要作用。采用“覆蓋耕作法”和“免耕法”可以減少坡耕地的濺蝕作用。埃利森推導出土壤擊濺侵蝕量的經(jīng)驗公式為 W= kV4.33D1.017I0.65,指出雨滴擊濺產生的土壤侵蝕量與雨滴速度(V)、雨滴直徑(D)、降雨強度(I)成正比。植被能夠攔截高速落下的雨滴,通過地上莖葉的緩沖作用,消耗掉雨滴大量的動能,并且能使大雨滴分散為小雨滴,從而把雨滴的動能大大降低。當植被相當旺盛時,可以明顯削弱甚至消除雨滴的濺蝕。

草本植物的地上部分減少了坡面沖蝕,延長了地表徑流,增加了雨水的入滲。徑流減小,流速減緩,沖刷能量降低,從而使土體沖蝕減弱。當植草的覆蓋度超過一定臨界值時,沖蝕強度趨近于零,可使坡面得到對沖蝕的有效保護。

地面覆蓋能有效地減少土壤侵蝕,所以除了植物本身外,半分解和未分解的枯落物能夠增大地表的粗糙程度,由此降低地表徑流流速,同時還能阻截徑流,改變徑流形態(tài),增大流程,從而減弱徑流對地表土壤的沖刷能力。

植被在提高邊坡的入滲率和減少土壤流失中具有相互促進的作用,其最終結果是保持水土,增加地下水補給。由于草本植物的根系大部分分布在淺層,根際區(qū)土壤儲水能力強,植被對根際區(qū)下層土壤的滲透性影響不大,因此對深層土的穩(wěn)定性影響不大。

樊萍等在降雨對黃河源區(qū)土壤濺蝕的研究中發(fā)現(xiàn),降雨強度是影響濺蝕量的顯著因子,濺蝕量與坡度和雨強成正相關關系。雨強越大,雨滴動能愈大,對土壤的沖擊、剝落、濺起的能力就越強,因此,在降雨量相同的條件下,強度大的短陣性暴雨比強度小的“毛毛雨”更易產生濺蝕。土壤濺蝕量是下坡位大于上坡位,陡坡大于緩坡。

3.2.3 植被護坡的淺層加筋作用

根系系統(tǒng)是一個復雜的動態(tài)系統(tǒng),具有擴張、抗壓和抗曲折性能,起堅固和支持作用,前人對此作了大量的理論和試驗研究。植物根系對邊坡發(fā)生作用的力主要包括植株重量產生的重力分攤在各根系上形成的對土壤的推擠力;根表面上水的吸附力;根-土壤之間的黏結力、膠結力;根系網(wǎng)絡之間相互牽拉的張力和拉力;根系-土壤接觸面的摩擦力以及來自于土壤的反作用力;上下土壤之間滑動產生的對根表面的剪拉力。植物就是通過作用于邊坡,影響其穩(wěn)定性的[18]。

植物根系可以看成是天然的加筋材料,根土復合體可以看作是加筋土,只是根系的分布要比工程中的加筋材料分布復雜的多。根系可以分為垂直根和側根,垂直根主要起錨固作用,而側根主要起加筋作用[19]。地下根系深入土層盤根錯節(jié)提高了淺層土的抗剪強度,具有淺層加筋作用,尤其自坡面以下 20 cm范圍內加筋作用顯著。有試驗表明可使側向應力減小相當于無草土粘聚力的約 40%～ 90%[20]。

周群華、封金財[21,22]分析了根系數(shù)量與邊坡穩(wěn)定的關系,指出隨著根系數(shù)量的增加,邊坡穩(wěn)定系數(shù)提高。根系對邊坡的加固穩(wěn)定作用主要是垂直根的錨固作用和側根的加筋作用,其根本機理是改變了土壤的黏結力和內摩擦角,使土壤的抗剪強度提高,滑移破壞面轉移。隨著土體中根含量的增加,邊坡的安全系數(shù)也隨之提高,兩者正相關。含根量為某一最佳值時,根系對于邊坡穩(wěn)定性提高明顯,但含根量增加到了一定程度,植被對邊坡穩(wěn)定性的影響不會再增加。

對于表層不穩(wěn)定的邊坡,傳統(tǒng)常用的土木工程措施包括漿砌片石護坡、干砌片石護坡、噴射混凝土、灰漿抹面、錨噴護面等。但隨著生態(tài)保護意識的加強和植被護坡技術的發(fā)展,植被護坡實質是提高土體的黏聚強度,增大了根系與土體之間的摩擦。

4 研究展望

植物護坡在增加邊坡穩(wěn)定性、減少水土流失以及改善生態(tài)環(huán)境方面有著很大的積極作用,但是在一定的環(huán)境和條件下,植物固坡也有負面作用。例如:植物根系在扎進土壤,對邊坡起支撐和錨固作用的同時,也會增加土層的滲透性,導致土層滲透能力的增加。植物還容易受到外力(風等)作用,并將其荷載傳遞給邊坡。這些都對邊坡的穩(wěn)定性產生了不利影響。在實際工程應用中,應該綜合考慮植物與邊坡土體之間的作用力與反作用力。在進行植物邊坡防護設計和養(yǎng)護時應充分了解有關植物護坡的機理和植物營養(yǎng)方面的知識,這樣才能很好的發(fā)揮防護效果。在植物生長初期防護作用較弱,此時若受到較大干擾就會降低成活率,植被根系的延伸也會使土體產生裂隙,增加了土體的滲透力;若植物根系所延伸的范圍內沒有穩(wěn)定的巖土層,防護效果就不明顯。目前的工程中只注意邊坡內的生態(tài)恢復,強調短期效果而忽視長期效果,過分強調美觀、觀賞和綠化效果,忽視了植物生態(tài)保護功能和邊坡環(huán)境的特殊性。

總之,植被護坡理論遠遠落后于防護技術應用的發(fā)展,制約了生態(tài)防護技術在邊坡工程中的應用與推廣。希望選用的護坡技術既能徹底的治理滑坡、泥石流,又能達到生態(tài)恢復的目的。這種想法過于理想化。

關于植被護坡理論,以下幾個方面有待于進一步的研究:

(1)探討生態(tài)系統(tǒng)對邊坡穩(wěn)定的作用?？偨Y木本、草本植物的固坡作用,探討微生物、有機物和各種動物對邊坡穩(wěn)定的影響。

(2)將農學、林學和生態(tài)學知識運用到邊坡防護中去。植被護坡應結合不同的生態(tài)規(guī)劃,篩選出適合不同生態(tài)區(qū)的邊坡優(yōu)勢植物品種,開展馴化、商品化育種及坡面植被建植調控技術手段研究,并以生態(tài)學基本原理為指導,開展組合應用研究,使護坡植被群落具有穩(wěn)定性和自我適應性。吸收現(xiàn)代恢復生態(tài)學、植物群落學理論的精華和國外先進的綠化理念,充分尊重植物群落演替的自然規(guī)律和植物自身的恢復機能,在不影響自然規(guī)律的前提下,人工促進植物群落形成,通過研究周圍自然植物群落的組成、結構、功能,結合綠化現(xiàn)場立地條件,來確定綠化目標群落,逐漸恢復與自然植物群落在結構、功能上更加相似的人工植物群落。

(3)加強對植被作用下邊坡穩(wěn)定性分析。深入研究根—土相互作用機理、不同形態(tài)根系與土壤相互作用力學模型、不同根系材料對復合體強度的影響以及邊坡穩(wěn)定性等理論,加強對根系地下空間生長特性的研究,并對地下根系形態(tài)的觀察方法加以創(chuàng)新。

(4)目前對于邊坡防護的理論研究中,多采用室內人工模擬降雨沖刷試驗,對于自然降雨條件下的研究較少。而且人工降雨條件下,存在試驗期短護坡植物根系生長不良,人工降雨量難以控制等缺點。

隨著人類環(huán)保意識和對生態(tài)環(huán)境要求的增加,植被護坡工程技術的應用將會越來越廣,其方法也會更多、更完善。相應的護坡植物的種類也會更多,組配也會更合理。

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