任 改1,白 芝 兵2,趙 迪1,任 婷 艷1
(1. 環(huán)境保護(hù)部 華南環(huán)境科學(xué)研究所，廣東 廣州 510655； 2.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán) 廣東省電力設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州 510663)
摘要：為研究不同生態(tài)護(hù)坡措施實(shí)施后其護(hù)坡效果隨時(shí)間的變化情況，選取北京市昌平區(qū)朱辛莊水土保持示范基地內(nèi)的4組不同護(hù)坡類型徑流小區(qū)為研究對(duì)象，通過(guò)連續(xù)5 a的植被調(diào)查和人工模擬降雨實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)各個(gè)護(hù)坡徑流小區(qū)的植被狀況以及產(chǎn)流和產(chǎn)沙數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。結(jié)果顯示：4種生態(tài)護(hù)坡實(shí)施后，隨著時(shí)間推移，護(hù)坡植物種類會(huì)朝著當(dāng)?shù)赝辽参锓N類發(fā)生演替，從而導(dǎo)致護(hù)坡的水土保持效果發(fā)生變化，每種生態(tài)護(hù)坡的效果各不相同；單一植物護(hù)坡容易受到植物演替規(guī)律的影響，而采用工程與植物措施相結(jié)合的護(hù)坡形式，水土保持效果則更為持久有效。研究成果可為今后生態(tài)護(hù)坡技術(shù)的推廣應(yīng)用提供借鑒。
關(guān) 鍵 詞：生態(tài)護(hù)坡； 植物演替； 產(chǎn)流產(chǎn)沙； 水土保持效果
近年來(lái)，隨著人們生態(tài)環(huán)保意識(shí)的提高，采用生態(tài)方法進(jìn)行邊坡防護(hù)已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)學(xué)者研究的熱點(diǎn)[1]，實(shí)際工作中也有大量的工程采用生態(tài)護(hù)坡工程的方式來(lái)防治邊坡水土流失，維持邊坡穩(wěn)定。生態(tài)護(hù)坡是指綜合工程力學(xué)、土壤學(xué)、生態(tài)學(xué)和植物學(xué)等學(xué)科的基本知識(shí)對(duì)斜坡或邊坡進(jìn)行支護(hù)，形成由植物或工程和植物組成的綜合護(hù)坡系統(tǒng)的護(hù)坡技術(shù)[2]。生態(tài)護(hù)坡工程水土保持效果的實(shí)現(xiàn)，離不開生態(tài)護(hù)坡植物的固土功能，生態(tài)護(hù)坡工程的護(hù)坡效果也與護(hù)坡植物種類的選擇有很大的關(guān)系。然而，自然界的植物存在演替現(xiàn)象[3]，實(shí)踐證明，大量的生態(tài)護(hù)坡工程在施工完成多年后的主要植物種類和水土保持效果發(fā)生很大變化。
為此，本文選取北京市昌平區(qū)水土保持示范基地內(nèi)4種不同生態(tài)護(hù)坡方式為對(duì)象，研究4種不同生態(tài)護(hù)坡類植物演替現(xiàn)象，并在模擬人工降雨的條件下，對(duì)比同種護(hù)坡類型和降雨強(qiáng)度下2012～2016年的產(chǎn)流產(chǎn)沙量。通過(guò)研究，旨在了解北京地區(qū)不同生態(tài)護(hù)坡植物的演替方向，及對(duì)其水土保持效果的影響，以期為今后生態(tài)護(hù)坡技術(shù)的使用和發(fā)展提供借鑒。
北京市昌平區(qū)水土保持示范基地位于昌平區(qū)朱辛莊村，昌平區(qū)屬暖溫帶、半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候。春季干旱多風(fēng)，夏季炎熱多雨，秋季涼爽，冬季寒冷干燥，四季分明。多年平均年日照時(shí)數(shù)2 684 h，多年平均年氣溫11.8℃，多年平均年降水量550.3 mm。
本文選取的生態(tài)護(hù)坡工程布設(shè)在朱辛莊邊坡防護(hù)徑流小區(qū)內(nèi)。徑流小區(qū)建于2010年9月，研究對(duì)象生態(tài)護(hù)坡工程建成于2012年，徑流小區(qū)設(shè)計(jì)見表1，坡向向北，陰坡，小區(qū)采用不同工程植物措施的綜合配置，具體見圖1。
表1 徑流小區(qū)布設(shè)
小區(qū)編號(hào)護(hù)坡類型坡度/(°)坡向坡比小區(qū)面積/m2設(shè)計(jì)植物種施工情況K1直播高羊茅護(hù)坡26．5北1∶25．0×10高羊茅采用噴灑草籽直播的方式K2三維金屬網(wǎng)+植被袋護(hù)坡26．5北1∶25．0×10早熟禾采用植生袋堆砌邊坡之后用三維金屬網(wǎng)覆蓋，再種植早熟禾K3六棱花飾磚護(hù)坡26．5北1∶25．0×10無(wú)芒雀麥、紫花苜蓿沿邊坡鋪設(shè)六棱花飾磚后播撒草籽K4松木樁+生態(tài)植被毯護(hù)坡26．5北1∶25．0×10荊條、胡枝子沿邊坡鋪設(shè)植被毯后，每隔1．5m橫向架設(shè)松木樁，松木樁高度50cm，后栽植植被
2.1 研究?jī)?nèi)容
主要研究4種生態(tài)護(hù)坡5 a間的水土保持效果動(dòng)態(tài)變化，主要從產(chǎn)流和產(chǎn)沙2個(gè)方面進(jìn)行；同時(shí)研究5a內(nèi)不同生態(tài)護(hù)坡的植被種類、數(shù)量變化，以及坡面裸露情況。
圖1 4種生態(tài)護(hù)坡現(xiàn)場(chǎng)圖
2.2 研究方法
(1) 水土保持效果研究。2012～2016年間，每年8月份對(duì)4種不同生態(tài)護(hù)坡類型進(jìn)行人工模擬降雨實(shí)驗(yàn)[4-6]，且在模擬降雨實(shí)驗(yàn)前5 d內(nèi)未發(fā)生降水條件下進(jìn)行，通過(guò)徑流小區(qū)的收集系統(tǒng)對(duì)4種護(hù)坡類型的產(chǎn)流產(chǎn)沙量進(jìn)行測(cè)定。模擬降雨的技術(shù)指標(biāo)為降雨高度2 m，雨滴大小調(diào)控范圍1.7～2.8 mm，降雨時(shí)長(zhǎng)為30 min，均勻度大于86%，雨強(qiáng)連續(xù)變化范圍為20～150 mm/h。
(2) 植物演替。2016年9月份調(diào)查4種護(hù)坡類型徑流小區(qū)內(nèi)的植物種類，并每年9月份調(diào)查研究區(qū)4種生態(tài)護(hù)坡類型下的植被蓋度[7]。
3.1 植物演替與植被蓋度
將4組徑流小區(qū)的生態(tài)護(hù)坡植被種類及不同護(hù)坡類型植被蓋度年際變化進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，詳見表2與圖2。
表2 4種生態(tài)護(hù)坡植物種類統(tǒng)計(jì)
編號(hào)生態(tài)護(hù)坡植物種類2012年2016年k1高羊茅高羊茅、狗尾草、小薊、艾草、小苦荬、薺菜、龍葵等k2早熟禾早熟禾、高羊茅、狗尾草、小薊、艾草、小苦荬、薺菜、龍葵等k3無(wú)芒雀麥、紫花苜蓿無(wú)芒雀麥、紫花苜蓿、狗尾草、小薊、艾草、高羊茅等k4荊條、胡枝子荊條、胡枝子、高羊茅、狗尾草、小薊、艾草、小苦荬、薺菜等
根據(jù)表2和圖2可以看出：生態(tài)護(hù)坡建成后，隨著時(shí)間的推移，坡面植物種類朝著當(dāng)?shù)赝辽参锓N類發(fā)生演替；與此同時(shí)，由于植物演替的過(guò)程伴隨著競(jìng)爭(zhēng)，使得研究區(qū)植被蓋度發(fā)生變化，其中植被蓋度變化較大的是K3和K4，原因在于K3和K4都是植物與工程措施結(jié)合的護(hù)坡方式，建成初期植物覆蓋度較低，隨著時(shí)間的推移，覆蓋度逐漸增加；K1和K2植被覆蓋度有緩慢下降的趨勢(shì)，這是因?yàn)榻ǔ沙跗趽嵊胧┹^好，且播種量較大，使得初期覆蓋度較高，但隨著植物演替的發(fā)生，優(yōu)勢(shì)物種逐漸被土生物種代替，使得覆蓋度緩慢下降。
圖2 不同護(hù)坡類型植被蓋度年際變化統(tǒng)計(jì)
3.2 產(chǎn)流量分析
將4組徑流小區(qū)的月產(chǎn)流量數(shù)據(jù)進(jìn)行了整理，詳見圖3。
圖3 不同護(hù)坡類型人工模擬逐年降雨產(chǎn)流量
通過(guò)圖3可以看出，K1直播高羊茅護(hù)坡組徑流小區(qū)產(chǎn)流量建成初期產(chǎn)流量較少，之后呈逐年上升的趨勢(shì)，說(shuō)明直播高羊茅護(hù)坡在措施實(shí)施后的保水效果逐年下降，分析原因認(rèn)為，此種護(hù)坡建成初期植被覆蓋度較大[8]，有效減緩了地表徑流的發(fā)生，但隨著后期植物演替，其他植物種類出現(xiàn)，對(duì)坡面的保水效果產(chǎn)生不利影響；K2三維金屬網(wǎng)+植被袋護(hù)坡建成初期產(chǎn)流量最小，但隨著時(shí)間的推移，產(chǎn)流量呈上升的趨勢(shì)，且2014出現(xiàn)的波動(dòng)幅度較大，分析原因認(rèn)為是植被的演替變化造成了產(chǎn)流量的顯著變化；K3六棱花飾磚護(hù)坡建成初期產(chǎn)流量最大，但隨著時(shí)間的推移，產(chǎn)流量呈逐年下降的趨勢(shì)，分析原因認(rèn)為六棱磚能夠有效阻斷和防止地表徑流的產(chǎn)生，但建成初期植被覆蓋度較差，后期隨著時(shí)間的推移，植被覆蓋增加，保水能力逐年提高；K4松木樁+生態(tài)植被毯護(hù)坡產(chǎn)流量變化不大，保水效果較為穩(wěn)定，分析原因認(rèn)為松木樁護(hù)坡能夠阻斷地表徑流，減少坡面產(chǎn)流量。
3.3 產(chǎn)沙量
將4組徑流小區(qū)的產(chǎn)沙量數(shù)據(jù)進(jìn)行了整理，詳見圖4。
圖4 不同護(hù)坡類型逐年人工模擬降雨產(chǎn)沙量
通過(guò)圖4可以看出，建成初期4種生態(tài)護(hù)坡產(chǎn)沙量最小的是K2，最大的是K3，分析原因認(rèn)為建成初期K2的植被覆蓋度較大有利于減少土壤流失，而K3地表裸露較多，容易造成土壤流失；K1和K2的產(chǎn)沙量呈逐年上升的趨勢(shì)，結(jié)合植被蓋度和產(chǎn)流量變化，認(rèn)為主要是植物演替的發(fā)生，導(dǎo)致保土效果發(fā)生變化；K3和K4的產(chǎn)沙量呈逐年下降的趨勢(shì)，分析原因認(rèn)為K3和K4是植物措施與工程措施相結(jié)合的方式，建成初期植被覆蓋度較低，隨著植被覆蓋度的增加，保土能力進(jìn)一步增強(qiáng)。
4.1 結(jié) 論
(1) 生態(tài)護(hù)坡實(shí)施后，隨著時(shí)間的推移，護(hù)坡植物種類會(huì)向當(dāng)?shù)赝辽参锓N類發(fā)生演替，改變了坡面的植被蓋度，從而使生態(tài)護(hù)坡的水土保持效果發(fā)生變化。
(2) 綜合產(chǎn)流和產(chǎn)沙兩方面的數(shù)據(jù)，4種生態(tài)護(hù)坡實(shí)施5 a后，水土保持效果最好的是松木樁+生態(tài)植被毯護(hù)坡，其次是六棱花飾磚護(hù)坡和三維金屬網(wǎng)+植被袋護(hù)坡，水土保持效果最差的是直播高羊茅護(hù)坡。
(3) 從研究結(jié)果來(lái)看，單純地依靠植物護(hù)坡容易受到植物演替規(guī)律的影響，而采用工程措施與植物措施相結(jié)合的護(hù)坡形式，水土保持效果則更為持久有效。
4.2 討 論
從研究結(jié)果來(lái)看，護(hù)坡工程實(shí)施多年后，工程措施與生態(tài)措施相結(jié)合的護(hù)坡方式護(hù)坡效果要優(yōu)于單純的生態(tài)護(hù)坡措施，但工程措施與生態(tài)措施結(jié)合的護(hù)坡方式，其施工費(fèi)用又明顯高于生態(tài)護(hù)坡措施。研究認(rèn)為，生態(tài)護(hù)坡措施護(hù)坡效果變差的原因主要在于，受植物演替的影響，且栽植護(hù)坡物種被當(dāng)?shù)匚锓N取代的過(guò)程中造成邊坡裸露?；诖?，筆者認(rèn)為在下一步的研究中，應(yīng)著重考慮選取護(hù)坡效果好的土著物種或者不易被取代的植物種進(jìn)行生態(tài)護(hù)坡試驗(yàn)研究，這樣既可以減少經(jīng)濟(jì)投入，又可以保證長(zhǎng)期的護(hù)坡效果。
參考文獻(xiàn)：
[1] 段曉明,苗增健,劉連新,等.生態(tài)護(hù)坡應(yīng)用及護(hù)坡植物群落的選擇[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2009,37(31):15327-15329.
[2] 趙廣琦,崔心紅,奉樹成,等.植物護(hù)坡及其生態(tài)效應(yīng)研究[J].水土保持學(xué)報(bào),2007,21(6):60-64.
[3] 黨承林,王崇云,王寶榮,等.植物群落的演替與穩(wěn)定性[J].生態(tài)學(xué)雜志,2002,21(2):30-35.
[4] 汪邦穩(wěn),肖勝生,張光輝，等.南方紅壤區(qū)不同利用土地產(chǎn)流產(chǎn)沙特征試驗(yàn)研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012(2):28-29.
[5] 張寬地,王光謙,呂宏興，等.模擬降雨條件下坡面流水動(dòng)力學(xué)特性研究[J].水科學(xué)進(jìn)展，2012(2)：69-71.
[6] 和繼軍,蔡強(qiáng)國(guó),劉松波.次降雨條件下坡度對(duì)坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2012(5):17-21.
[7] 蔡體久,琚存勇.毛烏素沙地植被蓋度估測(cè)方法研究[J].北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2008(s1):292-295.
[8] 張光輝,梁一民.植被蓋度對(duì)水土保持功效影響的研究綜述[J].水土保持研究,1996(2):104-110.
(編輯：朱曉紅)
REN Gai1,BAI Zhibin2,ZHAO Di1,REN Tingyan1
(1.South China Institute of Environmental Sciences. MEP, Guangzhou 510655,China; 2.Guangdong Electric power Design Institute, China Energy Engineering Cooperation Limited,Guangzhou 510663,China)
Abstract: To study the slope protection effect variation after different ecological slope protection measures adopted as time goes by, four groups of runoff plots were selected from the soil and water conservation demonstration base as study subjects in Zhuxin Village, Changping District, Beijing. With vegetation investigation for 5 consecutive years and artificial rainfall simulation studies, the vegetation status, runoff and sediment yielding data were analyzed for every runoff plots. The results show that after the slopes were protected ecologically, the species of slope plants would be in succession to the local plant species as time passes by, which could lead to change in the soil and water conservation effects. The effectiveness of various slope conservation method is different, especially the slope protection of single-specie vegetation tends to be affected more by the plant succession, and the comprehensive slope conservation with engineering and vegetation measures is proved more durable and effective.
Key words: ecological slope protection; plant succession; runoff and sediment yield; soil and water conservation effect
中圖法分類號(hào)： S157
文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A
DOI:10.16232/j.cnki.1001-4179.2017.17.006
