坡耕地六角形砖生态景观梯田设计与效果分析

高 瑜，董学德，高悦萌，陈赫男，，苗晓靖

(1. 澳大利亚昆士兰大学，布里斯班 4072；2.山东农业大学林学院， 山东 泰安 271018；3.泰安市水土保持生态环境监测站，山东 泰安 271018)

在注重人与自然和谐相处的今天，水土流失与水土保持问题倍受关注。水土保持是生态文明建设的重要基础，随着人民生活水平的提高，水土保持工程集生态效应、景观效应、经济效应和安全效应于一体已是必然趋势[1- 3]。梯田是山区丘陵区治理坡耕地水土流失、建设基本农田的有效措施。目前，根据建筑田埂材料不同，分为土坎梯田、石坎梯田和植物田埂梯田，尤其是以土坎或石坎梯田较多，这种梯田的田埂存在着如下突出问题：一是土坎和石坎梯田不仅是在修筑过程中容易产生水土流失，而且在暴雨条件下，土坎梯田田埂容易发生冲蚀、出现缺口、穿洞等损坏现象；石坎梯田易发生坍塌、产生次生灾害，影响坡下居民生产生活安全。二是土坎和石坎耐久性和稳定性相对较低，二者需要日后的维护费用较高，导致梯田修筑运行的总体费用增加，部分梯田在运行中因维修不及时而出现新的水土流失，水土保持作用大大降低。三是土坎和石坎梯田缺乏生态景观效果，尤其是石坎梯田，不仅维护困难，而且容易造成石漠化，与原地貌不相适应[4- 6]。因此，研究探讨新的梯田修筑和建设技术与方法，是亟待解决的问题。六角形砖是由混凝土浇筑而成的一种空心砌筑材料，具有抗冲蚀且中间空心处可植草的特点，广泛地运用于交通、水利、市政、园林等工程中，如公路边人行道铺设、高速路坡面护坡等，但是在坡耕地治理梯田建设中尚未得到充分应用[7- 9]。本文选择山东省泰安新泰市龙廷镇豹峪小流域坡耕地为研究对象，以水土保持学和景观生态学为基础，坚持人与自然和谐发展的生态梯田设计理念[10- 13]，将六角形砖与植草(或栽植灌木)技术进行耦合应用于坡耕地梯田建设中，建成植草(或栽植灌木)六角形砖生态景观梯田，以期为加速山地丘陵区坡耕地水土流失治理，提高其生态、景观和经济等综合效益提供技术支撑和实践指导。

1 设计流域环境现状与设计理念

1.1 流域环境现状分析

设计流域位于泰沂山区(泰山沂蒙山区)典型区域的山东省泰安新泰市龙廷镇豹峪小流域境内，属于国家水土保持重点治理区。气候类型为暖温带半湿润大陆性季风气候，年均辐射总量0.141(kW·h)/cm2，年平均气温13.1℃，年平均降水量646.8mm。植被主要为人工林植被，山顶以黑松和刺槐为主；沟河两岸及道路两旁以柳树为主；山腰主要为核桃、板栗等经济林。土壤以棕壤为主，粗沙砾含量较高，其颗粒粗细不均匀，结构松散，抵御冲蚀能力差，极易遭受暴雨破坏。小流域总面积11.18km2，其中，坡耕地面积6.88km2，占流域总面积的61.5%，坡耕地的水土流失较为严重，实施梯田工程建设，加速坡耕地水土流失治理，提高其综合生产潜力势在必行。

1.2 设计理念与思路

坚持人与自然和谐发展的设计理念，以水土保持学和景观生态学理论为基础，遵循水土保持与生态景观工程相融合的原则[14- 15]，运用六角形砖无缝隙拼接的几何构造，将基底支撑板和压顶盖板与六角形砖铺砌相结合，应用六角形砖与植草(或栽植灌木)耦合技术于坡耕地梯田建设中，形成一种坡耕地六角形砖与植物相结合的网络镶嵌结构生态景观梯田，达到梯田建设集生态、景观、经济安全等综合效益于一体的总体目标，如图1所示。

依据GB/T16453.1—2008《水土保持综合治理技术规范坡耕地治理技术》中水平梯田断面尺寸参考数值，结合六角形砖结构特点，利用LINGO软件进行运算，得出能保证梯田稳固最大的田坎参数，确保梯田埂坎的安全稳定[10]，经计算，确定六角形砖生态景观梯田埂坎坡度控制在60°～80°，田坎高度控制在1.5～4.7m。将六角形砖与混凝土浇筑的基底支撑板和压顶盖板相结合，沿着梯田埂坡铺砌，六角形砖空心处应填入含沙量少、颗粒细腻、渗水速度慢、保水性能好的黏质土或壤土，并植入所选植物(乡土类植物为主)，使之在工程后较短时间内融入当地自然环境，提高梯田景观生态效益。

图1 坡耕地六角形砖生态景观梯田设计思路

2 设计规格与结构组成

坡耕地六角形砖生态景观梯田，由六角形砖、基底支撑板、压顶盖板、土料和草本植物组成，在土坎梯田的埂坡上，通过清基、铺设基底支撑板、砌筑空心六角形砖、铺设压顶盖板、覆土、植草等步骤，形成一种六角形砖与植物网络镶嵌结构的生态景观梯田，如图2所示。

图2 六角形砖生态景观梯田构造图

2.1 六角形砖

选择质地坚硬、新鲜、完整的六角形砖，六角形砖型220mm×170mm×80mm，密度达到3.0kg/m3以上，饱和极限抗压强度30MPa以上即可，选取时应尽可能减少使用有破损或薄边的砖，如图3所示。

2.2 基底支撑板和压顶盖板

采用混凝土浇筑的基底支撑板和压顶盖板，如图3所示，二者的尺寸规格均为长度1.5m、宽度0.1m、厚度0.02m；且基底支撑板上表面和压顶盖板下表面上设置有与六角形砖形状对应的沟槽，且沟槽为倾斜设置，倾斜角度为60°～80°。

2.3 土料

土壤应选择含沙量少、颗粒细腻、渗水速度慢、保水性能好的黏质土或壤土。

2.4 植物

植物的选取最好是乡土类植物或与当地植被环境及已有植物种类一致，使之在工程后较短时间内融入当地自然环境；适应当地的气候、土壤条件(水分、pH值等)；根系相对发达，生长迅速，抗逆性强(抗旱、抗寒、抗病虫害、耐贫瘠)；种子易得，栽培管理简单，成本低。推荐植物有五叶地锦、常春藤、三叶草等。

图3 六角形砖、基底支撑板构造和压顶盖板构造图

表1 六角形砖生态景观梯田与现有常规梯田的效果比较

3 施工步骤

3.1 清基

将梯田埂基处的虚土、草皮、树根以及含腐殖质较多的土壤清除，使坚实土层露出，以便使得基础与基底支撑板的紧密结合。清基宽度根据基底支撑板的宽度而定，一般为0.1～0.15m，清基深度根据地表虚土和杂物情况而定。

3.2 铺设基底支撑板

选择上述规格的混凝土浇筑的基底支撑板，将其铺设在梯田埂坡下方的清基处，为了使基底支撑板与六角形砖更好的结合，在基底支撑板的倾斜沟槽处铺设混凝土砂浆，然后即可在基底支撑板上砌筑六角形砖，混凝土砂浆用量以能固定最底层六角形砖为准；基底支撑板具有防止砌筑的六角形砖下沉滑塌，稳定梯田埂坎底部，便于六角形砖铺设的作用。

3.3 定位与砌筑六角形砖

六角形砖铺设前，应修整梯田埂坡、埂坎，不应有明显的隆起和凹陷。在铺设的基底支撑板上面，沿着梯田埂坡顺着向上铺设砌筑成片六角形砖，六角形砖相互交错、紧密排列，六角形砖之间的缝隙用混凝土砂浆填充。

3.4 铺设压顶盖板

在完成六角形砖砌筑后，在最顶层六角形砖上表面铺设混凝土砂浆，然后将压顶盖板平铺放在砌筑六角形砖的梯田埂上方，混凝土砂浆用量以能固定最顶层六角形砖和压顶盖板为准；压顶盖板具有防止降雨雨滴击溅和梯田水平面的降雨径流冲蚀梯田埂的作用。

3.5 覆土

在砌筑好的六角形砖梯田埂的六角形砖中间空心处覆土，覆土厚度1～2cm以不超过空心六角形砖的厚度为标准。

3.6 植草(或栽植灌木)

在六角形砖中间空心处覆土后种植适宜的乡土类草本植物或栽植灌木，并进行定期管护，并令其向梯田埂外侧下垂。

4 效果分析

与现有梯田修建技术相比，坡耕地植草六角形砖生态梯田通过改变田埂护坡方法实现了梯田功能性的优化，见表1，其特点如下：

(1)施工较为简便，六角形砖只需紧密铺设即可，不需大量水泥砂浆砌筑技术。

(2)总体修建和维护费用低廉，容易被人们所接受。

(3)生态防护和生态景观效果好，采用的六角形砖工程措施和植物措施相结合的方式，能有效防止水土流失，景观见效快，景观效果更自然、更丰富。

(4)工程安全稳定强、使用寿命长，该生态梯田保存使用年限可达13～15a，且一般不用维修。

5 结语

我国坡耕地水土流失治理实施的土坎和石坎梯田较多，土坎梯田在暴雨条件下容易发生冲蚀、出现缺口、穿洞等损坏现象；石坎梯田易发生坍塌、产生次生灾害，这两种梯田修筑和维护的总体费用较高，且缺乏生态景观效果。六角形砖生态景观梯田工程，将六角形砖与植草或栽植灌木技术进行耦合应用于坡耕地梯田建设中，建成一种坡耕地六角形砖与植物相结合的网络镶嵌结构生态景观梯田，该梯田对于加速坡耕地水土流失治理，提高其生态、景观、经济和安全等综合效益具有重要实践意义。