边坡生态工程技术现状综述及展望

李晓飞

(中国东方电气集团中央研究院系统集成研究所 成都 611731)

范贵隆

(武警水电第二总队八支队 厦门 361009)

1 引言

边坡生态工程(Slope Eco-Engineering，简称 SEE)或边坡生物工程(Slope Bio-Engineer)是指利用植被的特性进行边坡防护和控制土壤侵蚀的路径和方法［1］。从20世纪三四十年代开始，德国、法国等西欧国家逐步开展了边坡生态工程技术的研究工作，到20世纪60年代的中后期，铺草皮、喷播、植物网格等边坡生态工程技术开始大规模应用，在稳定边坡、防止坡面水土流失的同时，还起到恢复植被，改善生态环境的作用。

随着人们对于植被与侵蚀之间相关性研究的深入以及不同类型植被对边坡防护作用理论研究的增强，边坡生态工程越发凸显防治水土流失和稳定边坡的优越性，渐渐成为边坡治理的一个重要手段。本文从基本原理和边坡结构形式的角度，分析了几种广泛使用的生态工程技术，探讨了其间存在的主要差异，并提出了进一步研究发展的方向。

2 边坡生态防护的原理

2.1 降雨截留

降雨截留是利用植冠所特有的拦截降水和贮存雨水的功能，通过植物叶面的附着力和表面张力截留水分，当水滴的重力超过叶面与水的附着力，便穿过枝叶间隙和枝干落至地面。截留伴随着降雨整个过程。降雨停止时，植冠储存的水分，大部分重新蒸发到大气中，减少坡面有效降雨量。因此，降雨截留是水文循环过程的重要环节。此外，地面枯枝落叶层的强吸水性，也为减少坡面径流的形成、缓解坡面不稳定发挥重要的作用。

2.2 削弱雨滴溅蚀

雨滴溅蚀是降落雨滴打击土面所造成的分散土粒击溅跃移的方式［2］。它是土壤侵蚀的主要过程之一，是降雨侵蚀性和土壤可蚀性相互作用的结果。降雨雨滴打击地面，引起土粒分离，溅起并沿坡面向下迁徙，形成松散沉积物，加速地表径流的形成和流动，导致地表径流紊动强度增强，挟带含沙量增加，增大了边坡的失稳概率。

植被的植冠和地面的枯枝落叶层在防治雨滴溅蚀的过程中具有非常重要的作用。高遮蔽度的植冠能够大范围地截留高速下落的雨滴，减少雨滴滴落地面的数量、速度与能量，防止雨滴滴溅土粒，控制土壤的可侵蚀强度。枯枝落叶层达到一定厚度时，可以有效地降低雨滴降落地面时的冲击力，从根本上消除雨滴溅蚀作用。

土壤的可侵蚀性指根据土壤的黏性、有机质含量以及其他胶结物质所组成的土壤结构的稳定性评价。研究发现由黏土组成的土壤团粒具有良好的抗冲击强度，具有分散雨滴溅蚀能量的作用。因此，富含黏粒的土壤一般易于胶结，形成高强度大体积的团粒。边坡植被的根系不但能够增加地表水的渗透能力，而且根系分泌的胶黏物质和腐殖质具有改善土壤结构，增加土壤粘黏度，提高土壤的抗侵蚀能力的作用。

2.3 土壤湿度调节

土壤湿度即土壤含水量，是表示一定深度土层的土壤干湿程度的物理量。根据Coulomb公式对物质强度的论证，坡面土壤的水压力与边坡的稳定性成正相关性。土壤水分通过植被的吸收和蒸腾作用，降低土壤的孔隙水压(未饱和状态)，减少坡面土体的自重，提高土体的抗剪强度，改善坡体应力状态，为边坡的稳定创造条件。此外，低含水率的土壤，提高了降雨的入渗率，使土壤水分在分布过程中湿润锋面与坡面垂直，减弱土壤水分沿坡面向下移动的趋向。

2.4 根系的力学效应

植被的根系具有提高土壤承受风力、水力、重力、冻融等外营力破坏的抗侵蚀能力。包括深根的锚固和浅根的加筋两个方面。

垂直分布的植物根系，穿过坡面土壤表层，锚固到深处的稳定层，与岩体相互作用，形成三维锚杆作用。同时，通过植物的根系拱顶和斜向支撑作用，来稳定上坡一侧的土壤。

植物根系(直径不大于1mm)在土壤中成网状分布，产生根网效应，形成三维加筋材料，从而提高土体抵抗外营力侵蚀的能力。蒋定生［3，4］等在野外调查的基础上，对根径小于1mm的根系在土体中的分布密度与土壤的抗冲性的关系进行了统计分析，结果表明，土壤的抗冲性与根系的分布密度呈指数关系。其表达式为:

式中 S0为土壤抗冲性;x为小于1mm的根系分布密度;r=0.791。

3 边坡生态工程技术的应用类型

3.1 铺草皮技术

铺草皮技术是一种比较传统的边坡防护措施，是将甲地生长的优良健康的草坪按照一定的规格大小铲起，运至平整后的边坡，坡度一般为0.2% ～0.5%，按照一定的大小规格，逐块铺满整个栽植地，使之迅速形成新草坪。这种方法具有成坪块，铺植简便，施工期短，见效快等优点。但其缺点是:ⓐ成本比较高，工程量较大;ⓑ新割的草皮卷根系损伤较大，将经历一段萎蔫期，此期间需要大量的灌溉用水，否则由于土壤根系水分的缺失，植被会很快枯萎;ⓒ由于组成草皮的草种多为外源性草种，根系极短，根须很细，因此，在边坡土壤密度较大的情况下，很难扎根并形成自带泥土的假象存活;ⓓ由于边坡的结构影响，后期的浇灌、人工修剪、病虫害防治养护费用很高，管理难度大。

3.2 液压喷播技术

液压喷播技术也称液力喷播，是一种将植物种子或植物体的一部分经过科学催芽后，混入水中，并配以一定比例的专用配料(包括:黏着剂、保水剂、纤维覆盖物、肥料等)，通过喷播设备的搅拌，利用高压泵体的作用，喷播到坡面，从而形成均匀的基质营养植生层，使多余的水分渗入土体［5］。喷播的植物纤维和黏合剂形成高强度的半渗透保湿层，能有效地减少水分蒸发，为植物种子发芽提供必要的湿度、保温和养分条件。同时，纤维胶体和土体黏合，能降低土壤侵蚀，防止植生层流失，具有良好的固土保苗作用。

在植物筛选上，要遵循适地适树的原则。尽量选用根系发达、扩张性强、耐贫瘠、抗旱的植被。同时，采用深根与浅根性、豆科与其他科、发芽早与晚的植被以及乔灌花草相结合的方法配置植物。这样，不仅丰富了群落的生物多样性，还增强了抵御外界环境变化的能力［6］。

液压喷播技术是一种人工模拟自然演替过程的绿化手段，具有以下特点:ⓐ适应性广，不受地带和地域性限制;ⓑ机械化程度高，可大面积快速喷植，一台液压喷播机可日喷草8000～10000m2;ⓒ绿化效果好。由于喷播所形成的覆盖层，配有一定比例和数量的黏合剂、保水剂、营养物等配料，能有效防止雨水冲刷，避免种子流失，为植被的生长提供了稳定的人工环境;ⓓ缩短了建植养护时间和成本。喷播后采用粗放的管理养护方法，节约了大量的人力物力。但由于该技术对坡面土体的深度和坡度有一定的要求，制约了该工艺在边坡类型中的应用。

3.3 三维网植草技术

三维植被网多以聚乙烯、聚丙烯原料为主，采用科学配方，经规律的刺孔、加热、拉伸等工序制成高聚合物薄模。它的底层高模量基础层(双向拉伸平面网)，其强度较高，表层为多层塑料的凹凸网包结构，表层与底层在接点处相互熔合形成稳定的立体网状结构［7］。三维植被网蓬松的网包留有90%的空间用于填充土壤，种植的草籽帮助固土，在植被未形成前能有效防止水土流失，提高植被根系抵抗外界气候条件的能力。同时，还能促进植物在坡面整齐、均匀的生长。植被一旦恢复后，植被的根系与三维网形成立体的嵌锁结构，与边坡土壤更好地结合，从而达到理想的植被防护效果，有效地稳定边坡。三维网植草技术适用于土质边坡且坡度需大于1∶1。

三维网植草技术具有以下主要特点:ⓐ由于网包的作用，能降低雨滴的冲击能量。植被网表面凹凸不平，起到缓冲消能作用，降低水流和风速，从而有效地抵御风雨侵蚀;ⓑ固土作用十分明显。网包中的填充物(土壤颗粒、肥料及植物种子等)能被很好地固定、减少雨水冲刷带来的流失;ⓒ工程造价大幅度降低，造价仅为混凝土护坡和干砌石护坡的1/7，浆砌块石护坡的1/8，而且见效快。既美化了景观，又降低了养护费;ⓓ三维网采用高分子材料及UV抗紫外线稳定剂，其化学性质稳定，对环境无二次污染。

3.4 客土喷播技术

客土喷播技术是以团粒剂使植物种子、水、泥炭土、土壤稳定剂、纤维覆盖物及肥料等按比例均匀混合形成客土团粒结构，利用客土喷射系统，将其喷播于待播坡面，形成一定厚度的多孔稳定土壤层，该结构具有抵御雨水和风的侵蚀、牢固透气、模拟自然浅层土环境等特点，有利于植被的生长，可改善边坡生态环境，从而达到稳定边坡的目的。该技术应用于裸露的岩质坡面和坡度大于1∶0.75的坡面。

该技术具有以下特点:ⓐ植物选择的多样性，根据当地气候和岩质边坡的条件，选择合适的乡土植物，从而形成良性的生态植被系统，乔、灌、藤、花、草的有机结合，使边坡植被系统不易退化，有利于生态系统的重建。将边坡环境迅速恢复成自然状态，可大大减轻后期养护费用;ⓑ相对于喷锚护坡及砌片石护坡，造价低，施工容易、简便，生态环保，施工时不产生建筑垃圾和施工噪声，可减少对于生态环境的破坏;ⓒ喷播作业时，能针对土壤中缺乏的元素成分和养料精确补充，更有利于植被的生长;ⓓ在石质边坡的生态修复中，可以为植被生长提供足够厚度的土壤环境。该技术最大的局限性在于处理未风化的岩质边坡时，客土层与岩石分离的问题，容易形成“两张皮”，引起客土层的脱落，影响坡面生态恢复效果。

4 结论及展望

边坡生态工程技术不同于传统的圬工结构，是利用生态学的基本理论，将植被及其对坡面稳定性的影响及土壤侵蚀过程结合起来，通过坡面植被的恢复，在坡面构建一个自然演替的立体植被群落，借助系统自身的属性和性能来实现边坡抗侵蚀、抗滑动和生态恢复，达到稳定边坡、蓄养水源、净化空气、减少生态灾害的作用。该技术具有良好的经济效益、社会效益和生态效益，在中国越来越重视环境保护和可持续发展的今天，边坡生态工程技术已经成为边坡防护工程领域的必然趋势。

我国的边坡生态防护工程技术开始于20世纪90年代初期，还缺乏系统的理论研究，基本上处于技术引进消化的阶段。为了推进我国边坡生态工程技术的发展，需要在以下几个方面进行深入研究:

a.加强乡土护坡植物的选种和配比基础研究。目前，边坡防护多采用国外草种，对于乡土植物的选择和培育不够，出现植被适应力差、生长缓慢等现象，还可能会引发次生生态问题。所以，应该进一步研发新型的植物品种，以适应不同区域地质和气候条件。此外，对于各类草籽在单位面积撒播量的配比问题，也有待进一步的研究。由于在植被恢复的初期，草本植物对边坡的适应性往往优于灌木，因此采用单一或混合草种的情况多于采用草灌结合的情况，其结果往往是前期效果不错，但植被系统相当脆弱，容易遭到破坏［8］。所以，在强调植被护坡的生态效益和景观功能的同时，要综合考虑藤、草、灌、乔、花等多种植物，形成既有护坡功能，又能形成自我调节的植被生态群落。

b.致力于生态材料的研发。目前，国内大部分的边坡生态工程都是直接引进国外的生态材料。这样做带来两个方面的不利因素:ⓐ护坡成本过高，生态工程技术广泛推广受到限制;ⓑ受地形、气候、施工等条件的影响，护坡效果不佳。因此，我们需要加强在生态材料配比、孔隙结构、透气性、黏结性、保水性等方面的研究，使之更好地适应国内的工程建设和生态环境。

c.加强边坡生态工程技术的基础理论研究。尽管越来越多的人开始关注边坡生态工程这一技术，其方法和原理也在世界范围内得到迅速发展和应用，但是到目前为止，它还基本上处在定性的和经验的发展阶段，对它的理论认识还落后于它的工程概念的实践［9，10］。因此，我国需要进一步加强边坡生态工程的基础理论研究，为今后的工程建设作指导。

1 Coppin N.J.＆Richards I.G.Use of Vegetation in Civil Engineering［M］.London:CIRIA，1990:292.

2 Gray D.H.Influence of Vegetation on the Stability of Slopes.Vegetation and Slopes:Stabilization，Protection and Ecology［M］.London:Thomas Telford，1995:2-25.

3 蒋定生.论晋陕蒙接壤地区土壤的抗冲性与水土保持措施体系的配置［J］.水土保持学报，1995，9(1):1-7.

4 蒋定生，范兴科.黄土高原水土流失严重区土壤抗冲性的水平和垂直变化规律研究［J］.水土保持学报，1995，9(2):1-8.

5 Geotechnical Engineering Office(GEO).Geotechnical Manual for Slopes［S］.Second Edition.Hong Kong:Geotechnical Engineering Office，1998:301.

6 Gray D.H.Role of Woody Vegetation in Reinforcing Soils and Stabilizing Slopes［A］.Sydney，1978.253-306.

7 吴彦.植物根系提高土壤水稳性团粒含量的研究［J］.土壤侵蚀与水土保持学报，1997，3(1):45-49.

8 黄小军，陈兵.高速公路生态恢复若干问题探讨［J］.公路环境保护，2003，(专刊):47-48.

9 Coppin N.J.＆Richard I.G.Use of Vegetation in Civil Engineering［M］.London:CIRIA，Butterworths，1990:292.

10 宋林旭，汪婷，周明涛，许文年.灌木在边坡防护中的作用［J］. 中国水土保持，2005，7:34-35.