松花江干流治理工程生态护坡覆土改良研究

王笑峰 郭显锋 蔡体久 王洪君 琚存勇

0 引言

生态护坡是基于现代水利工程学、环境科学、工程力学、生物科学和生态学等学科的基本原理，利用坡面活性植被植物体及其根系结合其他工程材料并相互作用，在河道边坡上构建的具有生态功能的护坡[1-2]。生态护坡不仅具备传统护坡防洪排涝、稳固边坡和防止水土流失的基本功能[3]，还能够有效降低传统硬质护坡所造成的河流与河岸之间的生态隔离，提高和维持边坡生物多样性，进而促进河流生态系统的健康发展[4-5]。

松花江是黑龙江最大的支流，地处我国东北地区的北部，流域总面积56.12万km2。松花江干流横跨松嫩平原和三江平原，是我国重要的工业基地和粮食生产基地，是水旱灾害频繁发生的地区。为改善松花江干流堤防工程标准较低，传统硬质护岸生态功能低下的现状，2017年开展“松花江干流治理工程”建设，治理工程93.2%的迎水坡坡面采用了雷诺护垫生态护坡型式进行建设。雷诺护垫生态护坡是以独立铅丝笼在坡面进行铺装，然后连接成整体，内装石块并封装盖网后在其上覆土种植护坡植物的一种生态护坡类型[6-7]。在工程建设过程中发现存在以下问题：①此次工程建设以对原堤防的加高培厚为主，施工过程能够剥离的表层腐殖土土量较少，无法满足设计对护坡覆土量的需求;②工程沿线位于黑龙江省水稻主要种植区，剥离出的少量表层腐殖土主要为在黏土母质上发育形成的适宜水稻生长的稻田土，经过长期水田耕作，土质结构不良，湿时粘韧，干时坚硬，渗透性极差，植物根系不易下扎[8-12]，且直接用于覆土后无法有效填充雷诺护垫内部石块间的空隙，对陆生护坡植物的正常生长造成严重影响;③如外购腐殖土用于坡面覆土，则存在土源缺乏、价格高、运距大和成本过高的问题;④堤防沿线地貌单元以堆积漫滩为主，底层土壤主要为黏土和砂土，工程现场存有大量工程基础开挖废棄的黏土和砂土。

本研究选取工程现场的稻田土、砂土和黏土3种土壤，依据其理化特性，设计9种不同配比改良土壤进行覆土改良试验研究，通过对改良土壤的质地、水分特征、养分状况以及盆栽试验植物生长状况的测定、调查和分析，优选出适宜的改良配比，以解决工程现场腐殖土不足以及土质较差的问题，达到改善覆土效果、促进植物生长、有效利用现场废弃土降低工程成本的目的[13-16]。

1 研究区及工程概况

研究区位于黑龙江省中部，小兴安岭南麓，松花江中游干流堤防通河段（45°52′30″～46°37′30″ N，128°7′30″～129°24′30″ E），堤防全长131.497 km，设计防洪等级2级，江道水面宽1.5～2.0 km，坡降0.006%～0.015%，平均年径流量达7.62×108 m3，非汛期平均水深约1 m，枯水期水深不足1 m，流速小于1 m/s。研究区地处大陆性季风气候，冬季严寒漫长，春季干燥多风，夏秋炎热多雨，秋季降温急剧，常有冻害发生，多年平均气温变化为-3～5 ℃。降水的年际变化较大，降雨多集中在夏季，年内分配不均，多年平均年降水量为553 mm，汛期6—9月份降雨量占年降水量的70%～80%。工程建设概况见表1。

2 研究方法

2.1 土壤处理

实验用稻田土、砂土与黏土均取自松花江干流堤防通河段工程现场，稻田土取自堤防沿线占用稻田的表层剥离土，质地为黏壤土，养分状况较均衡，持水性高，透水性差;沙土与黏土取自现场工程建筑物基础开挖的废弃土，养分状况均较差，砂土保水、保肥能力低下，黏土透水通气性能差。2017年4月取土，运回实验室后，分别通风阴干后碾碎。

2.2 配比设计

将稻田土、砂土和黏土按不同配比设计9种改良土壤（见表2）。

2.3 盆栽试验

将处理后土壤按设计配比分别装盆。盆高20 cm，直径25 cm，每个处理设置3个重复。选取草木犀种子于2017年5月进行盆栽试验，每盆播种40粒，发芽两周后，调查保苗率，然后进行间苗，每盆保留10株草木犀，以保证后期生长数据的一致性。播种后根据天气情况统一进行浇水。2017年9月进行生长数据采集。

2.4 持水、保水性试验

（1）持水性能测试方法

将各处理土样，分别称取180.00 g置于底部，均匀分布有小孔的硬质塑料杯中，杯中底部事先铺一层滤纸，防止土壤流失，在土样上平铺一层纱网，纱网上面再平铺一层滤纸，用滴管向滤纸上均匀滴水来模拟降雨，滤纸可保证滴下的水均匀下渗，更接近自然降雨，塑料纱网可以防止土样粘附在滤纸上。当杯中改良土壤吸水达到饱和状态且水从杯底小孔中渗出时，立即停止滴水，待底部小孔渗水停止后进行称重，计算不同处理的饱和含水量。依上述方法重复3次。

（2）保水性能测试方法

将持水性能测试试验中已达饱和状态的试验样置于自然条件下蒸发，每隔24 h测量试验样的质量，待测试样质量保持不变为止，统计试样保水时间。

2.5 理化性质测定方法

颗粒组成：激光粒度仪测定;pH：电位法;有机质：容量分析法;全磷：高氯酸-硫酸酸溶-钼锑钪比色法;速效磷：碳酸氢钠法;速效氮：扩散吸收法;速效钾：乙酸铵-火焰光度计法。

2.6 数据处理

数据处理、图表制作：SPSS 25.0。

3 结果与分析

3.1 改良土壤的质地状况

土壤颗粒组成见表3，根据国际制土壤质地分类标准，试验用稻田土属黏壤土，黏粒含量较高，土质细密、保水保肥力强，但排水不佳、干燥后易板结，播种后保苗困难[17-19]。试验用砂土砂粒含量达到95.5%，黏粒及粉粒含量极低;试验用黏土为粉砂质黏土，相对黏粒含量较少，粉粒和砂粒含量较高。

试验数据表明，稻田土、黏土和砂土按设计配比混合后形成的改良土壤质地均为壤土类，随着配比的变化，不同处理质地类型略有差异，但总体上偏向砂质化，有利于降低坡面覆土的黏性，提高疏松度，易于填充格宾石笼的空隙，增加通水透气性，促进植物生长。其中，处理G、H、J、K、N质地为砂质壤土，M为砂质黏壤土，I、L、O为黏壤土。

3.2 改良土壤的酸碱性

由表4数据表明，稻田土、砂土和黏土的pH分别为5.88、6.37、5.53，呈弱酸性，其余不同处理的改良土壤各处理pH为5.78～6.25，平均为6.07，仍呈弱酸性，对护坡植物的生长无不利影响。

3.3 改良土壤的养分特征

土壤养分指标测定数据显示（表4），用于改良试验的3种土壤营养状况由大到小排序为：稻田土、黏土、砂土。砂土和黏土的养分指标除速效钾外其余均比较接近，整体营养状况较差;稻田土营养状况好，各项养分指标均显著高于砂土和黏土。稻田土有机质含量为3.646%，达到土壤养分二级标准，是砂土与黏土有机质含量的2.49倍和2.32倍;全磷含量为362.667 mg/kg，是砂土和黏土平均值的2.42倍;速效磷含量达到二级标准，速效钾含量达到一级标准，速效氮含量为四级标准，分别为砂土和黏土平均值的4.27、1.88、3.22倍，三者混合后，能够保持改良土壤的营养水平。

改良土壤营养状况随配比的不同存在一定差异，但总体上均高于砂土和黏土。有机质含量整体处于中等水平，其中处理M达到土壤养分三级标准，其余处理均为四级标准;速效磷含量为22.933～29.236 mg/kg，全部达到二级标准;速效钾含量较丰富，处理N达到一级标准，处理I、J、M、O达到二级标准，其余为三级;速效氮含量整体处于缺乏状态。根据不同处理，各项养分指标含量等级高低，改良土壤的营养状况排序为：N>M>I、O、J>G、H、K、L。

3.4 改良土壤的持水、保水能力

各处理土壤饱和含水量如图1所示，稻田土饱和含水量最高，为52.54%;砂土饱和含水量最低，为17.45%;黏土饱和含水量为38.77%。土壤饱和含水量代表土壤最大容水能力，一般与土壤中黏粒、粉粒以及腐殖质含量呈正相关关系，通常对于同一质地的土壤，其饱和含水量越高，代表其对植物的水分供给能力也越高。改良土壤的饱和含水量为26.25%～38.31%，其中，处理HL>I>M>J>K>30%。

图2为保水能力试验结果，其数据显示，稻田土保水能力最强，水分蒸发速度慢且蒸发速率较稳定，试验第30 d时，水分蒸发率仅为85.17%;砂土水分蒸发最快，在试验第13 d水分蒸发就达到了95.29%，在实验第19 d水分蒸发达到了100%;黏土的保水能力介于二者之间。

不同处理的改良土壤水分蒸发过程表现出比较一致的蒸发特征，即随着试验时间的延续，蒸发速率由快变慢。以实验结束时蒸发率数据统计，各处理保水能力高低排序为：O>L>I>M>J>G>K>N>H。

3.5 改良土壤对植物生长的影响

在光照、环境温度、播种质量和灌溉浇水量等条件一致的情况下，影响植物生长状况的主要因素为土壤质地、土壤水分以及土壤养分的综合作用。盆栽试验草木犀成苗率、株高和平均盖度等生长指标调查数据见表5。

表5数据表明，稻田土、砂土和黏土的成苗率为48.75%～65.00%，平均为56.32%，成苗率较低。稻田土自身养分状况较好，成苗率低主要是受土壤质地和水分状况的综合影响;养分状况差可能是造成砂土和黏土成苗率低的主要原因。

不同处理的改良土壤种植的草木犀成苗率差异较大，H、I、J、K、L成苗率较低，平均仅为42.25%，其余4个处理的成苗率大于80%，由高到低排序为：M>O>N>G，其中M、O成苗率达到100%和97.5%，成苗率是稻田土的1.81倍和1.77倍。草木犀的高生长，除黏土较低外，其余处理之间无显著差异。盖度较高的3个处理分别为O>N>M，平均盖度为46.33%;其余各处理盖度接近，平均为25.67%。

4 结论与建议

4.1 结论

土壤是重要的自然资源，在维持陆地生物群落稳定、实现生物圈物质循环等过程中发挥着不可或缺的重要作用，土壤也是陆生动、植物及微生物生活的基底，土壤的理化性质对植物的生长有着强烈的影响，土壤的形成需要漫长的过程，且易受污染和破坏，科学开发、利用和保护土壤资源，具有重要的意义。

（1）稻田土、黏土和砂土按設计配比混合后形成的改良土壤质地均为壤土类，处理G、H、J、K、N质地为砂质壤土，M为砂质黏壤土，I、L、O为黏壤土，质地整体上偏向砂质化，具有降低坡面覆土黏性、提高疏松度、增加通水透气性、易于填充空隙和促进护坡植物生长的作用。

（2）改良土壤的饱和含水量为26.25%～38.31%，其中，O>L>I>M>J>K>30%;改良土壤的有机质含量整体处于中等水平，速效磷含量全部达到二级标准;速效钾含量较丰富，全部达到三级以上;速效氮含量整体处于缺乏状态。改良土壤的营养状况排序为：N>M>I、O、J>G、H、K、L。

（3）不同处理的改良土壤种植的草木犀成苗率差异较大，H、I、J、K、L成苗率较低，M、O、N、G的成苗率高于80%，其中M、O成苗率分别达到100%和97.5%，成苗率是稻田土的1.81倍和1.77倍。草木犀的株高，除黏土较低外，其余处理之间无显著差异。盖度较高的3个处理分别为O>N>M，平均盖度为46.33%。

（4）通过对9个处理改良土壤的质地、养分、水分状况及盆栽试验植物生长状况的综合对比、分析，处理M（50%稻田土+25%砂土+25%黏土）和处理O（50%稻田土+10%砂土+40%黏土）均可作为覆土改良优选配比，在保证护坡植被正常生长的前提下，能够减少50%腐殖土用量，合理利用现场废弃土，有效降低工程成本。

4.2 建议

在改良土壤混合时，可适当加入当地水稻生产过程废弃的稻壳或粉碎的水稻秸秆，既能够增加改良土壤的有机质含量，还可以进一步改善土壤的物理结构，同时还有效利用了秸秆等废弃物;改良土壤中速效氮缺乏，建议选择紫花苜蓿、草木犀和野大豆等豆科植物作为护坡植被，通过其固氮功能加以补充和改善。

【参 考 文 献】

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