河岸生态护坡措施水土保持效益的模拟试验研究

周千里, 杨建英,2, 梁淑娟, 张成梁

(1.北京林业大学 水土保持学院， 北京 100083;2.水土保持与荒漠化防治教育部重点实验室， 北京 100083; 3.轻工业环境保护研究所, 北京 100089)

河岸生态护坡措施水土保持效益的模拟试验研究

周千里1, 杨建英1,2, 梁淑娟1, 张成梁3

(1.北京林业大学 水土保持学院， 北京 100083;2.水土保持与荒漠化防治教育部重点实验室， 北京 100083; 3.轻工业环境保护研究所, 北京 100089)

[目的] 研究不同河岸生态护坡措施的减流、减沙和抑制养分流失的效果，并筛选出较优配置的河流生态护坡模式，为华北地区生态治河实践提供参考。 [方法] 采用人工降雨试验，测定模拟河流岸坡不同植被护坡措施的径流量、产沙量、养分流失量，分析不同雨强、不同坡度、不同植被措施条件下的减流、减沙和减少养分流失效果；通过主成分分析对9个不同措施试验槽的减流、减沙和减少养分流失效果进行评价。 [结果] 高羊茅减流减沙效果最优，小冠花减少养分流失效果最优。河岸坡30o、堤顶坡度小于0o的岸坡宜采用高羊茅进行防护；河岸坡45o、堤顶坡度18o的岸坡宜采用小冠花进行防护；河岸坡45o、堤顶坡度0o的岸坡宜采用高羊茅进行防护。 [结论] 综合来看高羊茅减流减沙效果最好，小冠花次之；小冠花减少养分流失效果最好，紫穗槐次之。

人工模拟降雨; 河流岸坡; 生态护坡; 试验研究

生态护坡是为防止土壤侵蚀和稳固保护坡面采用活植物、活植物与土木工程措施或非生命材料结合的一种新型护坡模式[1]。其目的是为了重建受破坏的河岸生态系统,恢复固坡、截污等生态功能。河岸生态护坡采取植物为主、工程为辅的形式相对于传统护坡具有保护生物多样性、改善栖息地、净化污水等优势[2]。河流岸坡作为河流生态系统的重要组成部分，适宜的岸坡防护措施，有利于固持土体，阻截泥沙，防止污染物成分进入水体，对于减轻河道淤积、减轻河流污染和水体富营养化具有重要作用[3]。

在我国，关于生态护坡技术的应用较早，但相关研究跟进较晚[4]，目前所开展的研究多局限于生态护坡的定义、机理、功能的定性描述，对于不同生态护坡措施生态效果的定量研究则较少[5]。

本研究在考虑植物品种、河岸坡度、堤顶坡度3大因素对于生态护坡效果的影响的基础上，采用人工模拟降雨试验对模拟河流岸坡不同生态护坡措施的减流、减沙和抑制养分流失的效果进行研究，其中堤顶坡度因素的引入目前还尚不多见，进而采用主成分分析，筛选出较优配置的河流生态护坡模式，以期为华北地区生态治河实践提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

北京市位于华北平原西北端，属于典型暖温带半湿润大陆性季风气候，夏季炎热多雨。年平均日照时数2 624 h，平均气温10～12 ℃，平均降水量600～700 mm，降水季节分布不均匀，75%集中在夏季。北京市主要河流有永定河、潮白河、京杭运河、拒马河等。因为实际河岸不具备试验条件，故采用模拟河流岸坡进行人工模拟降雨侵蚀试验。试验地位于北京市昌平区的轻工业环境保护研究所生态修复试验基地，年平均气温10.6 ℃，平均降水量653 mm，土壤质地为沙质壤土。

1.2 岸坡、堤顶的模拟及布设

用于模拟河坡的长方体铁皮侵蚀槽规格为1.5 m(长)×0.8 m(宽)×0.35 m(深)；模拟堤顶的长方体过水槽，规格0.3 m(长)×0.8 m(宽)×0.35 m(深)；用于汇集径流的V形集流槽规格0.2 m×0.8 m×0.35 m。模拟河坡的侵蚀槽和模拟堤顶的过水槽均进行填土处理。填充土取自北京市昌平区轻工业环境保护研究所生态修复试验基地，土壤质地为沙质壤土，经测定pH值为7.64，有机质含量4.723 g/kg，全氮含量为2.473 g/kg，碱解氮含量为19.057 mg/kg。将原状土与含氮、磷、钾、有机质分别为12%，5%，8%，25%的有机无机复合肥以质量比500∶1均匀混合，填土深度0.3 m，然后用木板轻微击实，击实后测得地表密实度为65%，壤中25 cm处密实度为75%。

1.3 试验布设

植物品种选择北京地区常用河岸护坡植物小冠花、高羊茅和紫穗槐；河岸坡度和堤顶坡度的参数均按照北京地区常见河岸坡度和堤顶坡度设置详见(表1)。

试验用植物的栽种是在模拟河坡侵蚀槽中栽种护坡植被，种子浸泡24 h后，小冠花20 g/m2，高羊茅50 g/m2均匀撒播。紫穗槐容器苗5列5行每试验区均匀栽种25棵。从植物栽种到降雨试验开始，植物生长周期约为80 d。植物生长状况良好，坡面分布均匀。采用上部搭设遮雨棚的方式阻挡天然降雨，采用人工洒水壶均匀喷洒浇灌植物，以防止降水对坡面冲刷和产生径流使营养物质流失。

表1 试验设计

1.4 人工模拟降雨

人工模拟降雨发生装置为针头式，降雨高度可在4～6 m范围调整，本试验采用4 m降雨高度，有效降雨面积1.80 m×1.80 m。人工模拟降雨特性主要包括降雨强度和降雨均匀度[6]，开展试验前首先对降雨器的相关参数进行标定。

1.4.1 降雨强度 通过流量计和控制试验水压来标定降雨强度[7]，即在一定时间内流量计记录数据，通过降雨强度换算公式获得不同压力下的降雨强度。经试验标定当雨强为74.25～522.2 mm/h时，对雨强和压力进行回归分析结果显示雨强和压力具有较好的线性相关性(R2=0.942 9)。

1.4.2 降雨均匀度率定 用8个相同规格(500 ml)的烧杯按照323，44，332这3种不同摆设方式放置在降雨区同一水平面上，秒表计时2 min，根据接取的雨量结合均匀度公式计算均匀度。一般认为均匀度K≥80%表示均匀性好[8]，可以满足试验要求。当供水压力在0.04～0.2 MPa即降雨强度为74.2～522.2 mm/h时，均匀度均在80%以上。降雨强度和均匀度均随供水压力的增大呈现增加的趋势，说明降雨器运行过程中性能稳定[9]。

1.5 试验方法

9个试验区拆除上部遮雨棚后进行降雨强度为90 mm/h的人工降雨，人工降雨器周围设置遮风围挡，防止风对试验的影响。持续时间均为1 h，降雨前10 min不进行数据采集。10 min后用采集盒每5 min采集1次地表径流和壤中流。取样后称重，取上层清液用于水样测定。剩余泥水风干后称量泥沙重量。各试验区休养放置7 d后，再次采用同样的方法对9个试验区进行降雨强度为200 mm/h的人工降雨试验。泥沙、水样的养分委托北京市环境科学研究院测定，泥沙全氮和碱解氮分别采用碱烙—钼锑抗比色法和碱解—扩散法测定，径流氮素和溶解性总氮分别采用TOC测定仪和碱性过硫酸钾氧化—紫外分光光度计法测定。

2 结果与分析

2.1 不同植物防护岸坡径流量

不同植被防护岸坡地表流和壤中流试验结果如图1所示。降雨通过入渗进入土层，当降雨量大于降雨入渗速率时会产生地表径流。由图1试验结果可知，15°～45°河坡坡度，90 mm/h 降雨条件下，3种植物措施的地表径流量集中在5～10 L，壤中流量集中在1～2.5 L。紫穗槐地表流量大于高羊茅和小冠花，约高出1.7～5 L；小冠花地表流量又大于高羊茅。紫穗槐壤中流量最少，高羊茅和小冠花壤中流量差异不大，小冠花略低。表明90 mm/h 降雨条件下，高羊茅对地表径流具有较好的减流效果，小冠花次之。15°～45°河坡坡度、200 mm/h降雨条件下，3种植物的地表径流量集中在42～75 L，壤中流量集中在9～26 L。

地表流随岸坡坡度的增大呈较为显著的增大趋势，紫穗槐的地表流量高出高羊茅和小冠花8～21 L，小冠花地表流量大于高羊茅，高羊茅壤中流量略高于其他两种植物，紫穗槐壤中流量最少。200 mm/h降雨条件下，同样为高羊茅和小冠花对地表径流有较好的减流作用。综合2种雨强的径流量结果，高羊茅对地表径流有比较好的减流作用，小冠花次之，紫穗槐最差；与地表流相反，地表流减流效果越好，其壤中流流量越大。

图1 不同植被防护岸坡的径流量

2.2 不同植被防护岸坡产沙量

不同植被防护岸坡产沙量如图2所示。伴随地表径流，岸坡表面土粒被剥蚀和运移，进而产生径流泥沙。由图2可知，15°～45°河坡坡度，90 mm/h降雨条件下，泥沙量集中在0.05～0.25 kg。紫穗槐泥沙量大于小冠花和高羊茅，高出0.05～0.2 kg；小冠花泥沙量又大于高羊茅。15°～45°河坡坡度、200 mm/h降雨条件下，泥沙量集中在0.3～3.3 kg。紫穗槐泥沙量高出其他2种植物1.1～3 kg，小冠花泥沙量又大于高羊茅。综合2种雨强泥沙量结果，高羊茅对地表径流泥沙的拦截作用最优，小冠花次之，紫穗槐较差。

图2 不同植被防护岸坡的泥沙量

2.3 不同植被防护岸坡养分流失量

地表积累的污染物(含氮营养物、有机物、泥沙等)随着雨水的冲刷，以泥水的形式流入河流造成水体污染。本研究选取径流泥沙中的碱解氮、全氮和径流中的氮素、溶解性总氮4项指标反映养分流失情况。

2.3.1 不同植被防护岸坡泥沙中碱解氮和全氮含量 由图3可知，15°～45°河坡坡度,90 mm/h 降雨条件下，地表径流泥沙的碱解氮浓度集中在20～47 mg/kg。高羊茅地表径流泥沙的碱解氮浓度高出紫穗槐2～20 mg/kg，高出小冠花6～27 mg/kg。200 mm/h雨强下地表径流泥沙的碱解氮浓度集中在32～59 mg/kg。高羊茅地表径流泥沙的碱解氮浓度略高于其他2种植物，其中小冠花径流泥沙的碱解氮含量最低。故两种降雨强度下小冠花减少径流泥沙中碱解氮氮流失效果最优，紫穗槐次之。由图4可知，90 mm/h雨强下地表径流泥沙全氮含量集中在20～47 mg/kg。高羊茅地表径流泥沙的全氮含量高出紫穗槐2～20 mg/kg，高出小冠花6～27 mg/kg。200 mm/h雨强下地表径流泥沙全氮含量集中在1.6～3.2 g/kg。高羊茅地表径流泥沙的全氮含量高于其他2种植物，小冠花径流泥沙的全氮含量略低于紫穗槐。故2种降雨强度下小冠花减少径流泥沙中全氮流失效果最优，紫穗槐次之。综合图4—5所示结果，小冠花和紫穗槐抑制径流泥沙中碱解氮、全氮流失的效果明显，其中小冠花最优，紫穗槐次之。

图3 不同植防护被岸坡泥沙中碱解氮含量

2.3.2 不同植被防护岸坡径流中溶解性总氮和氮素含量 由图5可知，90 mm/h雨强下地表径流的溶解性总氮含量集中在5.3～8 g/ml，壤中流的溶解性总氮含量集中在3.9～7.8 g/ml。高羊茅地表径流和壤中流的溶解性总氮含量高于其他两种植物，小冠花地表径流的溶解性总氮含量略低于紫穗槐，两者之间壤中流的溶解性总氮含量差别不明显。

200 mm/h雨强下地表径流溶解性总氮含量集中在4.9～10 g/ml，壤中流溶解性总氮含量集中在7.8～9.5 g/ml。小冠花和紫穗槐地表径流溶解性总氮含量均略低于高羊茅。壤中流的溶解性总氮含量小冠花最低，其他2种植物壤中流的溶解性总氮含量差别不大。综合两种降雨强度的径流的溶解性总氮含量结果，小冠花减少径流的溶解性总氮含量效果最好，紫穗槐次之。由图6可知，90 mm/h雨强下地表径流的氮素含量集中在10.2～15.8 g/ml，壤中流的溶解性总氮含量集中在10.9～15.5 g/ml。高羊茅地表径流和壤中流的氮素含量高于其他2种植物，小冠花地表径流和壤中流的氮素含量略低于紫穗槐。200 mm/h雨强下地表径流氮素含量集中在15.1～18.1 g/ml，壤中流氮素含量集中在14.2～19 g/ml。小冠花和紫穗槐地表径流溶氮素含量均低于高羊茅。高羊茅壤中流的氮素含量最高，小冠花壤中流的氮素含量最低。综合两种降雨强度的径流的氮素含量结果，小冠花减少径流的氮素含量效果最好，紫穗槐次之。

图5 不同植被防护岸坡地表径流、壤中流溶解性总氮含量

图6 不同植被防护岸坡地表径流、壤中流中氮素含量

2.4 减流减沙和抑制养分流失综合评价

用主成分分析法对1—9号试验槽径流量、泥沙量、流失泥沙中的碱解氮、全氮、地表径流和壤中流的氮素、溶解性总氮数据进行统计分析。经KMO检验统计量取值0.580，宜作因子分析；经Bartlett球形检验统计量sig<0.01，小于显著性水平0.05，因此可以做主成分分析[10]，结果如表2—3所示。由表3可得，提取出了3个公因子，累积贡献率分别是38.614%，63.247%和81.479%，各成分特征值大于1。

由表4可得，第1主成分因子变量对径流氮素和溶解性总氮有较高的正载荷，第2主成分因子变量对泥沙量和径流量有较高的正载荷，第3主成分对全氮有较高的正载荷[11-15]。由此可见，3种主成分分别综合反映了不同植被防护岸坡抑制径流氮素流失、减流减沙、抑制泥沙全氮流失的作用。

表2 主成分分析解释的总方差结果

表3 成分得分系数矩阵

注：采用Kaiser标准化的正交旋转法，旋转在5次迭代后收敛。

将方差贡献率作为权重，求主成分综合指数y表达式为：

y=0.386 1y1+0.246 3y2+0.182 3y3

(1)

根据式(1)求得各试验槽地表和壤中试验参数的综合分值，对各试验槽护坡措施的综合评价结果详见表4。根据综合排名，效果较好的为6,7,9号试验槽，较差的为4,2,5号试验槽。综合效果排序为6,7,9,3,1,8,4,2,5号。6和9号为高羊茅护坡效果较好，4和7号为小冠花护坡效果优劣不一，2和5号为紫穗槐护坡效果较差。

表4 试验区各类护坡生态效益效果的主成分分析综合指数

3 结 论

(1) 地表径流减流效果越好，其壤中流流量越大。高羊茅对地表径流泥沙的拦截作用最优，小冠花次之，紫穗槐较差。高羊茅和小冠花的地表径流量较紫穗槐径流量低20%，泥沙量低50%以上。即草本植物高羊茅、小冠花减流减沙效果优于灌木紫穗槐。小冠花抑制泥沙中的碱解氮、全氮和径流中的氮素、溶解性总氮流失的效果最好，紫穗槐次之。即固氮植物小冠花和紫穗槐对于抑制养分流失效果优于非固氮植物高羊茅。综合来看高羊茅减流减沙效果最好，小冠花次之；小冠花减少养分流失效果最好，紫穗槐次之。

(2) 通过主成分分析法对1—9号试验槽径流量、泥沙量、流失泥沙中的碱解氮、全氮、地表径流和壤中流的氮素、溶解性总氮数据进行统计分析，可知河岸坡30o、堤顶坡度小于0o的岸坡宜采用高羊茅进行防护；河岸坡45o、堤顶坡度18o的岸坡宜采用小冠花进行防护；河岸坡45o、堤顶坡度0o的岸坡宜采用高羊茅进行防护。由于河岸坡度越高地表径流量和泥沙量越大，所以9个模拟岸坡试验槽中岸坡30o和45o的试验槽采用减流减沙效果较好的高羊茅进行防护效果比较好。小冠花虽然减流减沙效果次于高羊茅，但其减少养分流失效果最优，所以综合效果较好。

(3)本研究条件有限只设置了9个模拟试验槽，若能设置更多不同配置的试验槽，或直接在实际的河岸坡上布设试验，可得到更多有价值的结果。

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Simulated Research on Soil and Water Conservation Benefits of Riparian Ecological Slope Protection Measures

ZHOU Qianli1, YANG Jianying1,2, LIANG Shujuan1, ZHANG Chengliang3

(1.CollegeofSoilandWaterConservation,BeijingForestryUniversty,Beijing100083,China; 2.KeyLab.ofSoilandWaterConservationandDesertificationCombating,MinistryofEducation,Beijing100083,China； 3.EnvironmentalProtectionResearchInstituteofLightIndustry,Beiijng100089,China)

[Objective] Appropriate measures on riverbank slope were significant for soil and water conservation, water purification, and the health of riparian ecosystem. Artificial rainfall experiment was used to study the dynamics of runoff, sediment yield and nutrient loss. [Methods] The effects of rainfall intensity, slope gradient and protective measures were analyzed. Altogether, nine experimental plots were set and principal component analysis method was used to find the slope protection design which produced the best protective effect. [Results] Tall fescue was most effective on runoff and sediment reduction, while crown vetch had the largest effect in reducing nutrient loss. On slopes with riparian gradient of 30° or 45°, and with 0° or less crest, tall fescue should be used for slope protection. On slope with gradient of 45°and crest of 18°, Crown varia was appropriate for slope protection. [Conclusion] Tall fescue was most effective on runoff and sediment reduction, followed by crown vetch. Crown vetch was the most effective on reducing nutrient loss.

artificial rainfall; river bank; ecological slope protection; experimental investigation

2016-03-20

2016-07-24

企事业单位(北京首发天人生态景观有限公司)委托科技项目“华北地区边坡绿化综合技术研究”(2014HXFWSBXY050)

周千里(1990—)男(汉族),山东省临沂市人,硕士研究生,主要研究方向为水土保持与建筑环境。E-mail:czarnino@163.com。

杨建英(1965—)女(汉族),北京市人,博士,副教授,主要从事水土保持与土壤侵蚀方面的研究。E-mail:jyyang@bjfu.edu.cn。

10.13961/j.cnki.stbctb.2016.06.003

A

1000-288X(2016)06-0015-06

S157.2

文献参数： 周千里, 杨建英, 梁淑娟, 等.河岸生态护坡措施水土保持效益的模拟试验研究[J].水土保持通报，2016,36(6)：015-020.