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植物纤维毯生态防护效益研究述评

2016-07-19李宏钧孔亚平张岩北京林业大学水土保持与荒漠化防治教育部重点实验室00083北京交通运输部科学研究院道路路域生态学与生态修复实验室00029北京

中国水土保持科学 2016年3期
关键词:生态护坡植被恢复水土保持

李宏钧,孔亚平,张岩(.北京林业大学 水土保持与荒漠化防治教育部重点实验室,00083,北京; 2.交通运输部科学研究院 道路路域生态学与生态修复实验室,00029,北京)



植物纤维毯生态防护效益研究述评

李宏钧1,孔亚平2†,张岩1
(1.北京林业大学 水土保持与荒漠化防治教育部重点实验室,100083,北京; 2.交通运输部科学研究院 道路路域生态学与生态修复实验室,100029,北京)

摘要:随着我国工程建设项目的飞速发展,边坡的土壤流失现象越来越严重,这促进各种护土固坡技术的产生。植物纤维毯防护技术是一种新型的生态防护技术,具有施工快、保水固土、生态降解无污染等特点,可以在植被成型前起到良好的护坡作用;因此,逐渐受到人们的关注。本文介绍近年来国内外在植物纤维毯控制侵蚀方面的研究进展,比较不同类型植物纤维毯在生态护坡方面的特点以及在水土保持、土壤改良和促进植物生长等方面的功能,分析目前研究存在的不足和未来发展的前景。研究发现:植物纤维毯可以有效控制水土流失,相比裸地减少产沙量56% ~98.9%,减少径流26% ~81%。植物纤维毯对产流的影响与径流大小及植物纤维毯本身性质等有关;植物纤维毯的改土功能主要为:增加地表粗糙度,延长径流滞留时间,增加径流入渗,同时避免阳光直射土壤,缓和地表温度波动幅度,保持土壤水分;且植物纤维毯可自身降解以改善土壤理化性质,增加土壤肥力;植物纤维毯促进植被恢复的功能主要表现为增加植物成活率,同时促进植被生长,增加植株密度和植物生物量。从实际应用角度来看,植物纤维毯在生态护坡方面具有多重优势,在工程建设中作为生态防护的重要技术,应用前景非常广阔。从科学研究角度来看,开展野外试验,深入研究生态防护效益,仍是近期研究的主要趋势;根据不同应用环境和条件,开发不同材质纤维毯,挖掘其在改良土壤、隔水、隔热等方面应用也将会成为新的研究热点。

关键词:植物纤维毯;水土保持;生态护坡;植被恢复

项目名称:河北省交通厅科技项目“植物纤维毯植被恢复技术在路域生态工程中的开发应用研究”(Y2d006)

生态防护植物纤维毯又名土工织物[1 2]、人工防蚀生草膜[3]、生态垫[4]等,其定义为“用于土壤、地基、岩石、土地或者任何岩土工程相关的有渗透性的纺织品”[5],由自然材料(黄麻纤维、椰壳纤维、剑麻纤维、谷类秸秆、棉纤维和棕榈树树叶等)或人工合成材料(尼伦、聚丙烯、聚酯和聚乙烯等)制成[6]。

植物纤维毯最早在德国开始使用,用于控制侵蚀已经超过50年[7 8],在欧美等国得到广泛应用,具有施工快、绿化快、保水固土、防尘、生态可降解等特点。国内植物纤维毯研究与应用起步于20世纪80年代末,应用于河堤的防护,随着研究的深入,逐步推广到道路、河道边坡的防护等土木工程项目中。关于植物纤维毯功能的研究,主要集中于植物纤维毯对土壤侵蚀的防护作用,对其有效控制击溅侵蚀和改良土壤方面的研究则相对有限[9]。

笔者回顾了这些年来植物纤维毯在边坡防护中的研究现状,总结植物纤维毯控制侵蚀的效果以及在边坡防护中的应用优势,分析植物纤维毯在国内广泛的应用前景,力求为植物纤维毯在道路边坡治理、水土流失防治和生态恢复等方面的应用提供参考。

1 植物纤维毯的生态防护效益

1.1植物纤维毯的水土保持效益

植物对控制土壤侵蚀非常有效[6,10 13];但是,在地表挖掘裸露、植物播种之后至植被恢复之前这段时间内,土壤容易发生剧烈侵蚀,植物纤维毯则能够在这个植被防护的真空期控制地表侵蚀,保持坡面水土、促进植被恢复。

如表1所示,相关研究多集中于土壤流失和入渗率方面,且大多为模拟实验[14 16],许多研究表明植物纤维毯可以有效控制水土流失[17],能够显著减少产沙量[8,18 20];而由于环境、植物纤维毯材质、纤维毯纺织密度等因素的不同,相对裸地其减少土壤侵蚀量略有差异为56% ~98.9%[8,21]。不同条件下纤维毯对径流量的影响差异很大,研究[19]表明植物纤维毯能够有效减少产流,相比裸地可减少26% ~81%;也有研究[6]表明植物纤维毯并不能够明显减少产流,尤其是初期黄麻纤维毯覆盖的样地产流为裸地的 247%[8];而其他研究[20]发现植物纤维毯对产流的影响与径流大小、植物纤维毯本身性质等有关,认为在小径流事件中由于降雨会直接在植物纤维毯表面形成径流,使得径流量增大,而在其他径流事件中可以显著减少径流量。与其他材质的植物纤维毯相比,稻草纤维毯的径流系数最小[15]。以往研究大多为模拟实验,植物纤维毯作为一种护坡产品,应注重实地应用研究,故在今后研究其水土保持效益时应增加野外实地实验。

表1 纤维毯水土保持效益研究现状Tab.1 Research status about the geotextiles of soil and water conservation

表1(续)Continued from Tab.1

表1(续)Continued from Tab.1

1.2纤维毯改良土壤功能

覆盖植物纤维毯后,可以缩短沙土裸露时间[28],有效地避免阳光对土壤的直射,减少太阳辐射,缓和地表极端温度的波动幅度[29];覆盖植物纤维毯明显改变土壤蒸发过程,延长土壤蒸发时水蒸气从土壤到大气的运动路径,减缓土壤含水量的下降速度[30];同时增加地表粗糙度,减少径流,为植物的生长创造良好的生长环境[31 34]。研究发现:在铺设植物纤维毯后,5~10 cm土层的温度日变化比较平缓,日均温可降低4.5°;且0~15、15~30、30~ 45 cm 3个土层含水量相对裸地分别提高了167.33%、53.1%和52.56%。可见浅层土壤含水量提高更加明显[29]。沙漠地区覆盖植物纤维毯后,0~20 cm土层的日平均地温为31.46℃,相比裸地的45.73℃降低 45%;且覆盖植物纤维毯后增加0~60 cm土层的含水量,其中0~20 cm土层的含水量相比裸地提高14%,20~40 cm土层含水量提高56%,40~60 cm土层含水量提高58%。这表明植物纤维毯对于提高干旱区造林成活率和促进苗木生长有很大的作用[35]。

纤维毯的降解可改善土壤结构,提高土壤有机质质量分数[36],增强土壤微生物活动,促进成土过程,进而增加土壤肥力。这既促进植物生长,又可实现道路早期绿化,从而达到保水保土的目的。有研究发现,覆盖植物纤维毯后,土壤的理化性质也向有利于成土作用的方向发展:土壤孔隙度明显增大,饱和渗透率显著提高[3]。

综合以往的研究结果,植物纤维毯的改土功能主要为:增加地表粗糙度[31],延长径流在地表滞留时间,增加入渗;避免阳光直射土壤,缓和土壤表层温度波动幅度,保持土壤水分,相比裸地,不同种类的纤维毯可提高表层土壤水分 14.00%~167.33%[29,35];同时植物纤维通过自身降解可改善土壤理化性质,增加土壤肥力,增强微生物活动。植物纤维毯的种类是多样的,改土功能各有差异;因此,在实际应用中应根据具体气候环境和植被,选择最适的植物纤维毯,以达到更好的护坡效果。

1.3植物纤维毯促进植被恢复功能

植物纤维毯能够促进植被恢复:植物纤维毯可通过接触保护表土稳定性,阻挡雨滴,减缓径流,避免种子受到雨滴打击和径流冲刷而被带走,保证植被顺利恢复。研究[37]发现,铺设植物纤维毯的样地植被覆盖率比液体喷播的样地高2%,同时覆盖纤维毯样地上的植株平均高度明显高于裸地坡面;也有研究[25]发现,植物纤维毯覆盖的多年生草本具有更高的生产力,可显著提高豆科植物的密度73.3%~91.3%,增加植物根系干重50.5%。

植物纤维毯能够平稳表土温度变化并保持水分,为种子萌发和植被生长创造适宜的微生态环境;其分解后可提供营养物质,从而促进植被恢复。研究发现林地铺设可降解纤维毯可有效抑制杂草生长[4],提高困难立地条件下植物的成活率[38],提高林木保存率和林木生长量[39]。

就目前研究看来,植物纤维毯促进植被恢复主要表现为增加植物的成活率[38],同时促进植被生长[37],增加植株密度和植物生物量,且相比裸地,覆盖植物纤维毯样地的植物具有更高的生产力[25]。纤维毯对植被恢复的促进作用还取决于植被类型,今后的研究可侧重于植物纤维毯对不同植被类型恢复的影响。

2 植物纤维毯在生态护坡方面的优势

植物纤维毯由于其取材特征,在控制侵蚀和植被恢复方面更高效[14],因此工程应用前景广泛,优势众多。

1)植物纤维毯可变废为宝。我国是农业大国,每年产生大量的秸秆等农业废弃物,为耕作方便,这些材料通常以焚烧的方式处理[15],污染环境。植物纤维毯以稻草、秸秆、椰丝等天然材料为原料,能够大量吸收富余的秸秆等农业废弃物,通过加工制成植物纤维毯用于水土防护等工程,在一定程度上又可为农民增加收入,一举多得。

2)使用植物纤维毯防护能够明显缩短工期。植物纤维毯防护技术单位面积施工时间与其他工程相比明显缩短,因为在平整坡面(刷坡)结束后,只需将制成的纤维毯沿坡面铺设,在坡顶和坡底开20 cm深锚固沟将纤维毯上下两端掩埋入土并压实,用U型钉加固即可;同时,植物纤维毯防护技术可以在几乎不增加大型机械和额外投入的情况下实现全线同时施工,从而大幅缩短工期时间,这是其他任何防护技术无法比拟的。

3)植物纤维毯造价成本低。由于原料来源广泛,生产制造工序简单,成本低,2001年英国什罗普郡实验采用的椰丝毯造价折合人民币5.6~13.6 元/m2,稻草纤维毯3.4~6.8元/m2[24],人工合成材料纤维毯造价是天然材料的 10倍以上[14]。在国内,2006年门头沟附近的108国道边坡采用的植被毯造价为15元/m2[31],2014年郑民高速公路边坡采用的植物纤维毯为28元/m2[40],而 2002年在台山市新台高速公路上采用传统方法浆砌片石护面墙进行工程防护造价为62元/m2,三维植被网防护为21 元/m2[41],2006年北京新开渠采用的液体喷播 18 元/m2[37]。

4)植物纤维毯技术能够节约水资源且后期维护简单。铺设植物纤维毯后,能够蓄水保墒,减少蒸发,减少灌溉频率和灌溉量,只需在天气干旱的情况下进行适量浇灌,保证初期顺利发芽即可。

3 问题与展望

植物纤维毯的生态防护功能在国外的发展应用较多,技术相对比较成熟,特别是日本、德国等国家已形成自己的技术体系。国内相关技术产业发展较晚,就目前看来仅对植物纤维毯的生产、加工技术进行了简单的引入,虽做了一定的研究工作,但是在以下方面缺乏较为系统全面的研究。

目前国内对植物纤维毯减少侵蚀,保沙固土方面做了大量的研究,对植物纤维毯改良土壤和促进植物生长方面的研究相对缺乏,并且在这2方面的研究大多只是停留在定性层面,缺乏定量的数据支持,理论支撑不够。

植物纤维毯由于制作材质的不同具有的功效也不尽相同,对于不同材质的植物纤维毯以及其所适用的条件缺乏一个指导说明,如高密度的椰丝毯在一定程度上可以作为阻水材料或隔热材料,稻草纤维毯可作为土壤改良剂等,这方面已有工程开始应用,但相关研究则较为匮乏。

因此,今后可从以下3方面进一步开展研究。

1)目前研究的土壤条件多为砂壤土,而由于植物纤维毯的诸多优势,市场前景很大,可根据市场需求,调查农田、草原、荒漠、山地等不同生态系统边坡绿化模式,根据实地需求制作合适的植物纤维毯、选择合适的施工工艺和合适的植物种子配比进行防护,切实为植物纤维毯的推广应用提供理论支持。

2)目前植物纤维毯的植物组合大多根据植物自身的生长习性进行配比,往往忽视本土植物的选择,可能会导致一定程度浪费或影响本地生态系统。可在项目动工前,对高速公路及河道边坡所处的区域的生态环境、植物习性作详尽的调查研究,选择合适的施工工艺,尽量采用以本土植物为主的植物纤维毯护坡技术。

3)结合各地不同的降雨条件,加强野外试验,对比设计室内模拟人工降雨实验和实地自然降雨实验结果,评估不同材质的植物纤维毯在不同降雨强度下的护坡效益,选出对应不同雨强的最适植物纤维毯护坡技术。

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A review of geotextiles ecological protection technology

Li Hongjun1,Kong Yaping2,Zhang Yan1
(1.Key Lab.of Soil and Water Conservation&Desertification,Ministry of Education,Beijing Forestry University,100083,Beijing,China;2.Lab.of Road Ecology and Ecological Restoration,China Academy of Transportation Sciences,100029,Beijing,China)

Abstract:[Background]With the rapid development of construction projects,soil and water loss from artificial slopes becomes more and more serious,which leads to the birth of various soil protection methods.The newly-invented geotextiles ecological protection technology has the characteristics of rapid construction,soil and water conservation,and degradable biomaterial.Geotextiles are a possible temporary alternative before vegetation establishes itself,and offer immediate soil protection on slopes.Hence,more and more attention has been paid to the research of this technology.[Methods]This paper reviews the progress of geotextiles research in recent years.The characteristics of different types of geotextiles are compared in terms of ecological slope protection and their functions in soil and water conservation,soil improvement,and plant growth.[Results]Studies have shown that the geotextiles can significantly reduce the sediment yield by 56% -98.9%and reduce runoff by 26% -81%,compared tobare land.However,the effect of geotextiles on soil and water conservation varies greatly owing to the material and density of geotextiles,the rainfall intensity and field conditions.Geotextiles made of borassus fibre reduce soil erosion most effectively because of their high anti-scouribility,while geotextiles made of wheat straw reduce runoff most effectively due to their high water contention capacity.Geotextiles ameliorate soil quality through increasing the surface roughness and prolonging the residence time in the surface to increase the infiltration.The geotextiles can also avoid direct sunlight,moderate soil surface temperature fluctuations,and maintain soil moisture,while degradation themselves improves the physical and chemical properties of soil,increases soil fertility,and enhances microbial activity.The geotextiles increase the survival rate of plants,increase plant density and plant biomass and accelerate the growth of vegetation.The plants covered by geotextiles have higher productivity than the bare plots.From the practical application point of view,the geotextiles have multiple advantages in the aspect of ecological slope protection,and has a prospect of wide application in engineering construction as an important technology of ecological protection.First,the technology can utilize surplus agricultural waste such as straw and borassus fiber,which not only reduces the environmental pollution caused by burning,but also generates income for the farmers.Second,the technology of geotextiles can significantly shorten the construction period of soil and water conservation projects.Third,the materials of geotextiles are easy to get and process so as to save the project investment.Last but not least,the geotextiles can reduce evaporation and decrease irrigation frequency,thus saving the water resource.[Conclusions]And from the angle of scientific research,in-depth study of the ecological benefits of geotextiles in field experiments is still the main trend in recent studies.Development of different geotextiles adapting for application in different conditions of climate,soil,vegetation and for different purposes such as water insulation and heat insulation will become a new research hotspot.

Keywords:geotextiles;soil and water conservation;ecological slope protection;revegetation

中图分类号:U41

文献标志码:A

文章编号:1672-3007(2016)03-0146-09

DOI:10.16843/j.sswc.2016.03.019

收稿日期:20141114修回日期:20150908

第一作者简介:李宏钧(1989—),男,硕士研究生。主要研究方向:自然资源监测与管理。E-mail:196962282@qq.com†通信 孔亚平,(1976—),女,研究员。主要研究方向:交通环保。E-mail:kongyaping@motcats.com.cn

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