木奇在水土保持植物措施设计中的应用研究

解翼阳,张 帆,王佳欣

[1.黄河勘测规划设计研究院有限公司,河南 郑州 450003;2.水利部黄河流域水治理与水安全重点实验室(筹),河南 郑州 450003]

水土保持植物措施广泛应用于水土流失治理,是以控制土壤侵蚀、保护和合理利用水土资源、改善生态环境、增加经济与社会效益为目的而实施的造林种草等措施,以乔灌草结合进行配置设计。植被种植后需要一定的生长期,在发芽前及北方寒冷的冬季,土壤裸露,易加剧水力侵蚀、风力侵蚀及冻融侵蚀,难以有效预防和治理水土流失。木奇作为一种新型有机覆盖物在国外已被广泛应用于绿化建设中,但其在国内绿化及水土保持中的应用仍处于初级阶段。本研究利用模糊综合评价法分析木奇在水土保持植物措施设计中的应用,以探究水土保持植物措施设计中低碳绿色的新方法和新途径。

1 木奇概述

在城市园林绿化中应用的覆盖物主要为有机覆盖物、无机覆盖物及植生覆盖物三类。木奇(由mulch音译而来)自20世纪90年代兴起于美国,是一种新型有机覆盖物,以树枝、树皮、松针、草屑、木片、果壳等园林粉碎物、废弃物为主要原料,通过粉碎、发酵、染色、加工、添加微量元素等分级处理,可直接覆盖于园林植物或者林木周边裸露土壤,起到保持水土、提高土壤肥力、抑制杂草、减少扬尘、实现园林绿化废弃物循环利用等作用,是一种绿色环保有机覆盖物。

1.1 木奇的特点及作用

木奇具有较好的抗风性,并具备抑尘、节水等优点。其表面形态粗糙,在铺设后,含有的木纤维会出现轻微膨胀,形成网状交叉,一段时间后覆盖物底层会产生降解粘连,并与土壤形成一体。跟裸地相比,铺设木奇可以减轻降雨、冲刷等对地表土壤的侵蚀作用,并提高土壤含水量,显著降低种植苗木的浇水频率。因此,木奇对抑制扬尘、保持水土有良好作用,将木奇覆盖至裸露地表,可有效降低地表风速、吸滞污染物、减少尘源,进而降低都市中PM2.5指数,是名副其实的“土地面膜”。

木奇具有可分解性和可供养性,随着时间流逝,木奇会慢慢腐朽,并释放出养分,为土壤提供肥力,而且在其发酵过程中可将病原菌及虫卵杀死,产生丰富的有益微生物,有益于植物的生长。

木奇具有很好的抗燃性,因为其多采用天然实木制作而成,实木本身着火点较高,且铺在地面上具有很好的保水作用,因此不易起火。

木奇有调节土壤温度的功能,在酷热的夏季,木奇能够遮挡烈日,降低太阳辐射,避免土壤温度过高;严寒的冬季,木奇可作为土壤的保温层,隔绝冷空气,保持土壤温度,减少极端低温对植物根系的影响。

木奇具有色彩多样、保色持久的特点。部分木奇是利用植物提取物作为染料进行染色的,保色期可达2 a以上,在紫外线作用下原有颜色会变淡,但不会全部失色,因此可用于装扮环境,增添景观色彩的多样性(见图1)。

图1 木奇应用实例(图片来源于网络)

木奇还具有抑制杂草生长的作用,新铺设的木奇会导致土壤表层的氮元素暂时性缺乏,同时铺在地表会阻挡阳光,从而抑制杂草种子的萌发和生长。

1.2 木奇对土壤侵蚀的影响研究

目前对于木奇的研究集中在其对土壤水分、土壤温度、土壤pH值、土壤营养状况及土壤侵蚀的影响等方面。在美国,有机覆盖物作为减少水土流失的手段被广泛应用,林荫大道的斜坡上或树下常铺设一层有机覆盖物,以防止水土流失。近数十年来,欧美国家通过大量的试验验证,得出引起土壤水蚀的最重要因素是雨滴所携带的动能的结论[1]。有机覆盖物能阻挡雨滴对土壤的直接冲击,从而有效避免土壤溅蚀;能降低地表径流流速,从而减轻径流冲刷造成的侵蚀;同时还能显著降低地表风速,减少风蚀。

2 木奇在水土保持植物措施设计中的应用评价

2.1 评价目的

传统的水土保持植物措施主要以乔灌草结合进行配置设计,依赖自然降雨或人工浇水等养护方式。部分生产建设项目位于高山丘陵等海拔较高处,土壤立地条件差,冬季少雨干旱,对植物存活有较大影响,若项目区人烟稀少,在没有人工维护的环境下,植物则会逐渐衰退甚至死亡,难以有效预防和治理水土流失。木奇的铺设方法简单易行,维护与管理方便,使用过程中更加安全环保,且使用周期可达到5 a以上,无须经常更换,有效降低了绿化养护与管理成本。水土保持植物措施设计中引入木奇,可以在较少人工维护的环境下,不受季节限制,短时间内覆盖土壤表面,保护土壤免受侵蚀,从根本上减少水土流失的发生。

2.2 利用模糊综合评价法评价木奇在水土保持植物措施中的应用价值

模糊综合评价法是在模糊条件下,充分考虑多种因素影响,出于某种目的对某一事物进行全面评判的综合决策分析方法。模糊综合评价法具有结论简洁清晰、系统性强的特点,能较好地解决模糊的、难以量化的问题,适合各种非确定性问题的解决。

利用模糊综合评价法可从多个方面对木奇在水土保持植物措施中的应用价值进行综合评价。以建立因素集、评价集为基础,结合控制实验法、样地实验法,咨询相关领域内专家的意见,并对专家意见进行汇总、统计和定量分析,通过熵权法计算出各因素集的权重值,再利用综合评分法将各指标的得分值加权计算后得出总得分值,即可得出木奇在水土保持植物措施中的应用价值的综合评价结果。

2.2.1 分析步骤

2.2.1.1 建立综合评价的因素集

因素集是以影响评价对象的各种因素为元素所组成的一个普通集合,通常用U表示,U={u1,u2,…,ui,…,un},其中元素ui代表影响评价对象的第i个因素,i=1,2,…,n[2]。这些因素,通常都具有不同程度的模糊性。

木奇在水土保持植物措施中的应用价值评价,需要从多个方面进行全面考虑,如木奇对土壤温度调节的影响(u1)、对土壤保水能力的影响(u2)、对土壤渗透能力的影响(u3),以及节能降耗效益(u4)、技术推广前景(u5)和技术方法成熟性(u6)等。上述因素组成一个评价指标体系集合,即因素集,记为U={u1,u2,u3,u4,u5,u6}。

2.2.1.2 建立综合评价的评价集

评价集是由评价者对评价对象可能做出的各种评价结果所组成的集合,通常用V表示,V={v1,v2,…,vj,…,vm},其中元素vj代表第j种评价结果(j=1,2,…,m),可以根据实际情况的需要,用不同的等级、评语或数字来表示[2]。

对木奇在水土保持植物措施中的应用价值进行综合评价,有很好(v1)、较好(v2)、一般(v3)、差(v4),各种不同评价构成的集合即评语集,记为V={v1,v2,v3,v4}。

2.2.1.3 进行单因素模糊评价,获得评价矩阵

若因素集U中第i个元素对评价集V中第1个元素的隶属度为ri1,则对第i个元素单因素评价的结果用模糊集合表示为Ri={ri1,ri2,…,rij,…,rim},其中0≤rij≤1;以m个单因素评价集R1,R2,…,Rn为行组成矩阵Rn×m,即模糊综合评价矩阵[2]。

结合控制实验法、样地实验法及专家问卷调查结果,利用模糊统计法,借助已有的客观尺度对各因素集进行评价打分,打分情况(即选择比例情况)见表1。

表1 木奇在水土保持植物措施中的应用价值评价数据

由表1可得评价矩阵为

2.2.1.4 确定各因素的权重

熵权法是一种广泛应用于各个领域的客观赋权方法,指根据已知评价对象指标的数值来确定每个指标所占的权重,对于普通问卷数据或面板数据都可计算。在具体使用过程中,可根据各指标数据的分散程度,利用信息熵计算出各指标的熵权,再根据各指标对熵权进行一定的修正,进而获得较为客观的指标权重[3]。熵权法赋权客观,有理论依据,能深刻反映指标的区分能力,较好地确定权重。

对木奇在水土保持植物措施中的应用价值进行评价时,由于各评价指标的重要程度有所不同,因此采用熵权法确定指标权重。熵权法计算结果见表2。

表2 熵权法计算结果

熵权法的权重计算结果显示,木奇对土壤温度调节的影响权重为0.126 19、对土壤保水能力的影响权重为0.132 46、对土壤渗透能力的影响权重为0.105 19、节能降耗效益的权重为0.172 88、技术推广前景的权重为0.132 46、技术方法成熟性的权重为0.330 83。对各指标权重取3位小数,得到因素权向量A=[0.126,0.132,0.105,0.173,0.132,0.331],其中指标权重最大值为技术方法成熟性,最小值为对土壤渗透能力的影响。

2.2.1.5 建立综合评价模型

确定单因素评判矩阵R和因素权向量A之后,通过模糊变化将U上的模糊向量A变为V上的模糊向量B,即B=A1×n×Rn×m=[b1,b2,…,bm],代入数值,进行矩阵合成运算:

B=A×R=

[0.126,0.132,0.105,0.173,0.132,0.331]×

此步骤中,选择使用加权平均型M(·,+)模糊算子进行研究,综合利用指标权重和输入数据信息,计算结果见表3。

表3 隶属度矩阵计算结果

由表3可知,4个评语的权重值分别为0.503、0.277、0.160、0.060,其中“很好”的权重值最高,结合最大隶属度原则可知,最终综合评价结果为“很好”。

注：隶属度是在0～1之间的一个数,用来表示评价对象对评语集的归属程度;隶属度归一化就是将隶属度进行归一化后的结果,与隶属度不同的是,隶属度归一化全部评语相加总和为1。

2.2.1.6 确定系统综合得分

表4为模糊综合评价的综合得分,可用于对总体评价情况进行评估。针对4个评语很好、较好、一般、差,分别赋分为100、80、60、40,计算得出综合得分值是84.471分,综合得分介于“很好”和“较好”之间。

表4 综合得分结果

2.2.2 评价结果

由模糊综合评价法的评价结果可以看出,从对土壤温度调节的影响、对土壤保水能力的影响、对土壤渗透能力的影响,以及节能降耗效益、技术推广前景和技术方法成熟性6个方面对木奇的综合评判结果为“很好”,因此木奇在水土保持植物措施设计中具有一定的推广和应用价值。

3 结论

本研究以项目区水土保持植物措施设计为研究对象,以达到良好的保土保水效果为目的,以减少水土流失量为目标,以科学合理布设植物措施为路径,客观分析了目前水土保持植物措施设计中植草措施的缺点和可替代性,研究了木奇在水土保持植物措施中的应用可能和潜力,提出了生态、经济、社会效益相统一的水土保持植物措施配置新模式。

1)针对目前水土保持植物措施配置采用乔灌草的传统模式,首次引入木奇替代植草措施,提出生态、经济、社会效益相统一的水土保持植物措施配置新模式,解决了冬季绿化区域土壤裸露问题,可有效避免风蚀、水蚀及冻融侵蚀,做到水土保持植物措施全年覆盖,最大程度减少项目区水土流失。该方法有助于项目区域生态环境治理,具有一定的创新性和实用性。

2)木奇对比传统水土保持植物措施中的地被植物优势明显,以往水土保持植物措施只考虑单一的植生覆盖物配置,本方法首次引入有机覆盖物与植生覆盖物相结合,为植物提供良好的土壤和生长环境,为水土保持提供更可靠全面的技术支撑,有着重要的现实意义和理论意义。

3)通过模糊综合评价法评价木奇对土壤温度调节的影响、对土壤保水能力的影响、对土壤渗透能力的影响,以及节能降耗效益、技术推广前景和技术方法成熟性等,得出综合评判结果为“很好”,因此木奇有一定的推广价值。

4)随着城市化的逐渐推进,园林废弃物通过传统的焚烧和填埋处理不仅浪费资源,还造成极大的环境污染。木奇在水土保持植物措施设计中的应用能有效利用园林废弃物,变废为宝,充分将循环经济发展理念融入水土保持植物措施设计配置中。