干旱半干旱區(qū)公路水土保持措施對土壤物理性質(zhì)的影響

蔡萬鵬 李宏鈞 劉濤

摘要 為了更好地開展干旱半干旱區(qū)的公路水土保持工作，保護干旱半干旱區(qū)公路沿線的生態(tài)環(huán)境，以國道045主干線賽里木湖至果子溝口段高速公路為例，分析研究了水土保持措施布設(shè)6年后的土壤物理性質(zhì)變化。結(jié)果表明，該區(qū)域挖方邊坡適宜采用無防護措施，任其自然恢復，其土壤的抗沖抗蝕性更好；填方邊坡適宜采用工程措施+本土適生植物相結(jié)合的措施進行防護，在不影響邊坡穩(wěn)定性的前提下，長邊坡下部可適當采用無防護措施，土壤抗沖抗蝕性相對更好，工程措施傾向拱形骨架措施。

關(guān)鍵詞 干旱半干旱區(qū)；水土保持措施；賽果公路；土壤物理性質(zhì)

中圖分類號 S157 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2017）29-0037-04

Effect of Soil and Water Highway Conservation Measures on Soil Physical Properties in Arid and Semiarid Areas

CAI Wanpeng，LI Hongjun，LIU Tao

（China Academy of Transportation Sciences， Beijing 100029）

Abstract In order to better carry out in arid and semiarid area of highway soil conservation， protection of ecological environment in arid and semiarid areas along the highway， with 045 national highway trunk line Sailimu to Guozigoukou expressway as an example， the changes of soil physical properties were analyzed and studied after applying soil and water conservation measures for 6 years. The results showed that the region was suitable to natural recovery without excavation slope protection measures， anti erosion of soil was better. Fill slope was suitable to be protected by planting local plants and adopting engineering measures. The lower part of the slope protection measures can no longer use without affecting the slope stability， the anti erodibility was relatively better， soil engineering measures inclined arch skeleton measures.

Key words Arid and semiarid area；Soil and water conservation measures；Saiguo highway；Soil physical properties

基金項目 中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務費項目（20150603）。

作者簡介 蔡萬鵬（1986—），男，新疆伊犁人，助理工程師，從事交通水土保持研究。

收稿日期 2017-08-21

隨著我國“一帶一路”重大戰(zhàn)略的實施，西部公路建設(shè)進入了高速發(fā)展時期。公路建設(shè)極大地促進了經(jīng)濟和社會發(fā)展，但公路建設(shè)是一種大規(guī)模、高強度的人類活動[1]，加上干旱半干旱區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，公路建設(shè)過程中大量的土石方移動，加大了水土流失，對沿線的生態(tài)環(huán)境造成巨大影響[2]。同時，西北公路建設(shè)一般跨越多種地貌單元和生態(tài)環(huán)境區(qū)[3]，侵蝕類型多樣，因此水土保持措施應針對不同區(qū)域、不同侵蝕類型而采取相宜的措施[4-6]，確保其生態(tài)環(huán)保效果。

筆者以國道045主干線賽里木湖至果子溝口段高速公路為例，分析水土保持措施對土壤物理性質(zhì)的影響，旨在為當?shù)厮帘３种卫硖峁┛茖W依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

國道G045主干線賽里木湖至果子溝口段高速公路工程（以下簡稱“賽果公路”）位于北天山的西段，屬科古琴山脈中、高山區(qū)，西南緣為伊犁盆地邊緣地帶，東北隅為賽里木湖灃地，山脈與山間谷地相見排列。四季分明，春夏季多雨濕潤，冬秋季少雨，日照充足，冬季漫長，日溫差較大。年平均降水量為140～450 mm，雨量由南向北隨緯度的增加而增大。夏季降水量占總降水量的50%以上，降水量年際變化大。

1.2 研究方法

搜集賽果公路水土保持咨詢工作的相關(guān)資料，梳理項目采取的水土保持措施，進行實地調(diào)研。確定在81°04′59″ E，44°26′52″ N選擇較具代表性的水土保持措施，于2015年10月進行現(xiàn)場調(diào)研，采集土樣，通過土壤容重、土壤孔隙度、土壤抗沖性等指標分析水土保持措施防護效果的差異性。公路建設(shè)實施的水土保持措施類型見表1。

1.3 土樣采集

為了研究評價干旱半干旱區(qū)高速公路水土保持措施的恢復效果，對該區(qū)域高速公路邊坡實施不同水土保持措施的恢復情況進行觀測。同時，按照各指標測量要求在依托工程的邊坡上采集土樣，采樣邊坡情況見表2。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水土保持措施對邊坡土壤容重和孔隙度的影響

2.1.1 挖方邊坡。

土壤容重、孔隙度是衡量土壤結(jié)構(gòu)優(yōu)劣的重要指標，是土壤的基本物理性質(zhì)。從圖1可以看出，區(qū)域內(nèi)的土壤容重在1.25～1.56 g/cm3，僅方格網(wǎng)撒播草籽區(qū)邊坡下部土壤容重明顯較低，僅0.98 g/cm3；土壤總的孔隙度變化不大，為0.41～0.49。這是由于挖方取走表層浮土后，余留的土壤較為緊實，整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，且土壤肥力欠缺，植物長勢差，故土壤容重、孔隙度差異不大。

邊坡上部和邊坡下部各處理土壤水分含量從大到小依次為方格網(wǎng)自然恢復區(qū)、無防護區(qū)、方格網(wǎng)撒播草籽區(qū)，差異較為明顯（圖1）。這是由于

撒播草籽的生長消耗了較多水

分，導致方格網(wǎng)撒播草籽區(qū)的土壤水分含量最低；實施方格

網(wǎng)防護水土保持措施，產(chǎn)生2次擾動，改變了土壤地表粗糙度，延長地表徑流滯留時間，增加入滲，故方格網(wǎng)自然恢復區(qū)的土壤水分含量較高。

2.1.2 填方邊坡。

從圖2可以看出，填方邊坡的土壤容重在1.29～1.67 g/cm3，邊坡上部各處理的土壤容重從大到小依次為方格網(wǎng)措施、拱形骨架措施、無防護措施，邊坡下部各處理的土壤容重從大到小依次為方格網(wǎng)措施、無防護、拱形骨架措施，這可能是由表層土壤隨地表徑流遷移所致。土壤總孔隙度在0.28～0.46，同坡位實施水保措施的土壤孔隙度稍高于無措施的土壤。

各處理的土壤水分含量差異較明顯，從大到小依次為拱

形骨架措施、方格網(wǎng)措施、無防護，拱形骨架防護措施和方格

網(wǎng)措施的土壤水分含量分別為無防護的300%、160%左右。這是由于實施水土保持措施后，改變了地表形態(tài)，攔蓄雨水，延長了徑流在地表滯留的時間，增加入滲，故其土壤水分含量明顯高于無防護措施區(qū)域的土壤。

2.2 不同水土保持措施對邊坡土壤抗沖和抗蝕性能的影響

2.2.1 挖方邊坡。

在挖方邊坡上（圖3），無防護邊坡表現(xiàn)出較好的抗沖抗蝕效果，其土壤抗蝕系數(shù)和抗沖系數(shù)在整個邊坡上均為最大。這是由于挖方殘留下來的土壤屬于較深層土壤，自身較緊實，抗沖刷能力強，實施工程水土保持措施，會產(chǎn)生2次擾動，破壞其原狀土，故方格網(wǎng)措施中的土壤抗沖抗蝕性明顯低于無防護區(qū)土壤。方格網(wǎng)撒播草籽區(qū)土壤

異所致。

2.2.2 填方邊坡。

在填方邊坡上（圖4），采用水土保持措施對土壤的抗沖抗蝕性均造成一定的影響，差異起伏較大。在邊坡上部，土壤抗沖抗蝕性規(guī)律并不明顯，僅拱形骨架撒播草籽區(qū)的土壤表現(xiàn)出較好的抗沖抗蝕性，其他幾種措施的土壤抗蝕性不甚理想；無防護區(qū)的土壤由于表層浮土被沖刷，余留土壤較為緊實，故土壤抗蝕性較好。撒播草籽措施的土壤抗沖性較強，這是由于植物的生長，根系將土壤固牢，阻礙了徑流對土壤的沖刷破壞。

在邊坡下部，拱形骨架撒播草籽措施的土壤抗沖抗蝕性較好，抗蝕性顯著高于其他措施的土壤；撒播草籽區(qū)域的土壤也具有較強的抗沖刷能力；無防護區(qū)域土壤抗沖抗蝕能力強或許是由于徑流將土壤懸浮分散成細小顆粒，沖刷到邊坡下部積壓所致。

2.3 不同水土保持措施對邊坡土壤抗剪切性能的影響

土壤抗剪強度是反映土壤在受到外力作用時，抗拒發(fā)生剪切破壞而脫離母土體的一種強度性能。土壤抗剪強度是土壤抗性的量度指標，其值越大，土壤邊坡抵抗徑流的剪切破壞能力也就越強。對土樣進行剪切試驗，用50、100、200、300 kpa的垂直壓力檢測不同水土保持措施下土壤的抗剪強度，其結(jié)果見表3。由表3可知，在挖方邊坡上，同一垂直壓力下的土壤抗剪強度從大到小依次為無防護區(qū)、方格網(wǎng)撒播草籽區(qū)、方格網(wǎng)自然恢復區(qū)，無防護區(qū)的土壤抗剪強度明顯較大，說明該措施下土壤抵抗徑流的剪切推移能力更強。

在填方邊坡上，無防護區(qū)的土壤抗剪強度在邊坡上部和下部表現(xiàn)出明顯差異，邊坡下部的土壤抗剪強度為最高，為工程防護措施的119%～248%，邊坡上部的土壤抗剪強度最小，僅為工程措施的10.8%～86.4%。工程措施中，拱形骨架自然恢復區(qū)的土壤抗剪強度偏低，其他幾種措施的土壤抗剪強度相差無幾。

3 討論

水土保持措施又叫土壤保持措施，是水土保持學研究的核心內(nèi)容，故該研究通過土壤物理性質(zhì)相關(guān)的指標來分析水土保持措施的防治效果。調(diào)查中搜集了國道045主干線果子溝口至霍爾果斯口岸高速公路、國道218線清水河至伊寧段高速公路改建工程、國道045主干線賽里木湖至果子溝段高速公路改建工程、G30烏蘇至賽里木湖高速公路等公路工程項目的相關(guān)資料，并進行實地調(diào)研，因賽果公路水土保持措施類型多，恢復年限短，故最終主要以賽果公路為例展開分析。綜合來看，該區(qū)域挖方邊坡適宜采用無防護措施，任其自然恢復，其土壤的抗沖抗蝕性更好；填方邊坡適宜采用工程措施+本土適生植物相結(jié)合的措施進行防護，在不影響邊坡穩(wěn)定性的前提下，邊坡下部可適當采用無防護措施，土壤抗沖抗蝕性相對更好，工程措施傾向拱形骨架措施。

該研究主要通過土壤孔隙度、土壤容重、土壤水分等相關(guān)指標進行分析，但從后續(xù)分析來看，忽略了植物的水土保持效果，故在研究中并未能詳盡分析各種現(xiàn)象的基理，后續(xù)研究中應補充相關(guān)觀測分析；同時未能在措施布設(shè)前采集土壤獲取相關(guān)指標的基底值，只能通過橫向?qū)Ρ确治霾煌胧┲g的差異，缺乏縱向?qū)Ρ却胧嵤┣昂笸寥赖淖兓?，這點可通過延長觀測年限，定期取土分析來完善。

后續(xù)研究中，可適當擴大調(diào)查范圍，拓展水土保持措施年限，綜合考慮不同地貌環(huán)境、不同施工年限的水土保持措施，成系統(tǒng)、體系地觀測分析西北干旱半干旱區(qū)目前水土保持措施的現(xiàn)狀，對比各措施的優(yōu)劣，為后續(xù)公路建設(shè)水土保持工作的開展提供參考。

4 結(jié)論

該研究以國道045主干線賽里木湖至果子溝口段高速公路為例，通過土壤物理性質(zhì)方面的試驗研究，分析了干旱半干旱地區(qū)幾種典型水土保持措施實施6年后的土壤物理性質(zhì)情況，為今后研究干旱半干旱地區(qū)公路邊坡水土保持特點和為當?shù)厮帘３种卫碇泻Y選適宜的水土保持措施提供了參考。研究結(jié)果如下：

（1）實施水土保持措施可直觀地影響土壤容重和土壤孔隙度，從而影響其土壤水分。實施水土保持措施6年后，對挖方邊坡的土壤容重和土壤孔隙度并無太大影響，但方格網(wǎng)自然恢復措施下的土壤含水量相對更高，可達14%。填方邊坡土壤容重在不同措施下產(chǎn)生了一定起伏，但均屬于正常波動范圍內(nèi)；采用水土保持措施的土壤孔隙度稍高于無防護的土壤；各處理土壤水分含量從大到小依次為拱形骨架措施、方格網(wǎng)措施、無防護。

（2）通過分析土壤的抗沖抗蝕性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)挖方邊坡采用自然恢復措施的土壤抗沖抗蝕效果相對更好；填方邊坡采用拱形骨架撒播草籽的措施土壤具有較好的水土保持效果，但邊坡下部采用無防護措施的土壤抗沖抗蝕性表現(xiàn)更好。

（3）在同一垂直壓力條件下，挖方邊坡整個坡面和填方邊坡下部無防護措施下的土壤具有最大的土壤抗剪強度，填方邊坡上部實施水土保持措施的土壤抗剪強度表現(xiàn)相對更好，說明其土壤抵抗徑流的剪切推移能力更強。

參考文獻

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