坡岸植物配置形式對水土流失防治的影響

坡岸植物配置形式對水土流失防治的影響

植物措施用于河流管理，保持岸壁土壤的積極作用，在環(huán)境保護方面具有傳統(tǒng)技術(shù)措施的不可替代優(yōu)勢。生態(tài)護岸作為河流生態(tài)恢復(fù)的一個重要的組成方面,怎樣進行生態(tài)整治越來越受到人們的重視。傳統(tǒng)護岸工程措施使河岸過度硬化,隔斷了水域與陸地之間的物流、能量流和水流通道,減少生物多樣性,降低生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性和服務(wù)功能。隨著經(jīng)濟的發(fā)展和人們的思想意識提高,人們迫切要求采用生態(tài)治理及恢復(fù)措施恢復(fù)河岸近自然狀態(tài)。但是,不同的生態(tài)護坡措施對河岸及整個河流有什么影響,影響程度如何,哪一種配置形式效果更好?這些問題仍有待決。本文選取北京懷柔區(qū)懷九河,雁棲河4種生態(tài)護岸類型坡岸植物配置形式及裸岸岸坡作為研究對象。從保水保土的角度,對4種生態(tài)護岸植物不同配置形式對防治河岸岸坡水土流失的效果進行比較,評價不同植物護坡形式的優(yōu)劣,豐富河流護岸設(shè)計內(nèi)容,為今后河流生態(tài)護岸設(shè)計提供參考。1試驗河流及生物量懷柔位于東經(jīng)116°17′～116°53′北緯40°14′～40°04′之間,屬北京郊區(qū)。地處雁山南麓,北京市東北部,屬暖溫帶大陸性季風(fēng)型半濕潤氣候,四季分明,雨熱同期,夏季暖熱潮濕,冬季寒冷少雪。懷九河,為懷柔區(qū)潮白河支流,全長68.9km,河道縱坡2.1‰～2.5‰,屬常年河。選取懷九河一渡河段左岸天然草本植物護坡和右岸人工喬木護坡作為試驗河段。雁棲河,也為懷柔區(qū)潮白河的支流,全長42.1km。選取雁棲河長元河段兩種生態(tài)配置形式作為試驗河岸:人工草皮護坡和六棱花磚護坡。同時在長園河段選取裸露岸坡作為對比試驗點,4種生態(tài)護岸類型坡岸及裸露岸坡的基本情況見表1。2生態(tài)護岸型自然河岸多為斜坡式,人工河岸形式多樣,但植物護坡僅適用于斜坡式河岸,即本文所稱的坡岸。由于每種護坡形式的坡長不同,為了說明不同類型生態(tài)護坡對徑流和產(chǎn)沙量的影響,每種生態(tài)護坡形式選取3個坡度、坡形近似的1m×1m坡岸,在每一樣地兩側(cè)設(shè)置擋板,防止地表徑流從旁邊流失。在每一樣地下端設(shè)置1m×0.5m的集沙袋,收集泥沙。采用野外人工模擬降雨裝置模擬降雨,其均勻度約為60%,降雨強度1.67cm/min,降雨歷時30min。實驗開始后,記錄每次降雨樣地的起流時間,徑流形成后,每隔3min用集水瓶收集地表徑流并測量。反復(fù)進行3～4次,直至流失量接近定值。同時選取裸地坡岸樣地作為對比。收集到的泥沙帶回實驗室,采用烘干法,測定含水量并稱重。調(diào)查每個類型生態(tài)護岸的配置形式,坡岸的土壤類型、植物組成、坡長、坡度。同時調(diào)查生態(tài)護岸所處研究區(qū)的地形,氣候,地理位置等內(nèi)容。采用目估法確定植物覆蓋度。3結(jié)果與分析3.1不同護坡形式對徑流生長及變化的影響如表2所示,在相同降雨強度,坡度近似的條件下,人工喬木護坡的岸坡的起流時間滯后于裸岸的起流時間為5s,說明其坡岸的植物配置對延長起流時間影響不大,天然草本植物護坡坡岸的起流時間滯后于裸岸的起流時間為117s,六棱花磚護坡坡岸的起流時間滯后于裸岸的起流時間為35s,而人工草皮護坡的坡岸起流時間滯后于裸岸的起流時間為180s。產(chǎn)流時間滯后的主要原因是由于岸坡植物的覆蓋度的差異,覆蓋度越大,植物對水分的吸收以及降雨的阻擋作用越強,地表糙率隨覆蓋度越大而增加,延長了水土相互作用的時間而增加雨水的入滲所致。坡岸植物能夠減少地表徑流量,人工喬木護坡減少地表徑流為14.86%,該種植物護坡削減徑流的作用不是很大,天然草本植物護坡和六棱花磚護坡減少地表徑流量為49.05%,52.30%(表3)。經(jīng)調(diào)查,天然草本植物護坡岸坡以天然草本植物為主,雖然人和牲畜的踐踏造成一定程度的破壞,但是現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)草本植物的根系增加了地表糙率,使坡面徑流多重受阻,削減了徑流動能。六棱花磚護坡形式由于坡岸鋪設(shè)混凝土六菱形,在降雨過程中,除了植物本身的高持水能力,混凝土六菱形的邊框?qū)邓幸欢ǖ臄r截作用,延長了徑流在地表的滯留時間,進而增加了滲透時間。人工草皮護坡削減地表徑流量最大,現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn),由于有草皮的保護,提高了土壤水分入滲能力,大量的地表徑流變成地下徑流。徑流量隨時間變化的曲線可以清晰展示徑流歷時過程及形成特征,將不同植物護坡方式的徑流曲線進行對比,能更直觀地理解不同植物護岸方式對徑流形成過程的影響。降雨強度為1.67cm/min,坡度條件相似的條件下,裸岸岸坡的徑流變化程度比有植物護岸的徑流變化程度都要劇烈。這是由于裸露地表受到雨滴的打擊,表層土壤形成結(jié)皮,降低了土壤入滲。結(jié)皮是一層厚2～3mm的簿層,它比下部土壤具有更大的密度、更高的抗剪切力。更細的孔隙及更低的導(dǎo)水性。濺散的土粒堵塞了土壤孔隙,降低雨水的入滲,增加了徑流量。由圖1可以看出,裸岸岸坡開始產(chǎn)流時的徑流量較高,然后徑流不斷增大,人工喬木護坡坡面徑流變化趨勢大致相同,說明此植物岸坡配置形式對減少徑流作用不明顯。天然草本植物護坡岸坡以天然草本植物為主,開始產(chǎn)流時的徑流量明顯低于裸岸岸坡和人工喬木護坡形式,然后逐漸增加,從開始產(chǎn)流到第15min前徑流量接近人工草皮護坡的徑流狀況,15min后急劇增加,20min后,徑流增加量趨于穩(wěn)定,說明此坡岸植物配置形式在降雨初期能很大程度上削減徑流,但是隨著降雨時間的延續(xù),坡岸土壤下滲作用減弱,所以徑流量增加。雖然其地表植物覆蓋度很大,但是現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn),由于牲畜啃食,植物破壞嚴重,且生長不良,進而它們自身的持水容量低于其正常生長的植物的持水容量,因而其削減徑流的作用不如六棱花磚護岸。六棱花磚護岸初始產(chǎn)流量低于上述三種岸坡的產(chǎn)流量,徑流量變化趨勢較平緩,削減的徑流量也比較大;人工草皮護坡形式是四種植物護坡形式中最理想的護岸形式,初始產(chǎn)流量很小,徑流變化趨勢平穩(wěn),削減徑流的作用最顯著。這主要是由于草本植物的存在使得坡面徑流多重受阻,小股徑流也多次改變方向而蜿蜒前進,降低了水流動能,增大了水和土壤的接觸面,延長了其接觸和入滲時間,從而增加了滲透量,進而徑流量減小。3.2不同護岸方式對土壤沙蝕的控制作用坡岸植物可以增強土壤的抗沖,抗蝕性,可以明顯增加地表糙率,延緩產(chǎn)流時間,分散徑流,減少徑流量,增加入滲,不斷消耗徑流沖刷力,從而使其對剝蝕土壤,搬運泥沙的能力產(chǎn)生重大影響。產(chǎn)沙量可以衡量土壤侵蝕的強弱。由圖2可以看出,人工喬木護坡坡岸的產(chǎn)沙量為610g,與裸岸652g相比僅減少42g,說明此種植物護坡方式控制土壤侵蝕的作用不太明顯。六棱花磚護坡形式產(chǎn)沙量為110g,減少泥沙量為83.13%,天然草本植物護坡的產(chǎn)沙量為62g,減少泥沙量為90.49%,人工草皮護岸方式在實驗過程中產(chǎn)沙量為零。主要由于這三種護岸形式的植物保護坡岸,雨滴先打擊到植物,然后作用到地表,消減了雨滴動能,使雨滴打擊到地表的能量減少,引起的土壤濺蝕量減少,減少了土壤侵蝕。隨著此三種護岸形式植物的覆蓋度增加,地表糙率增加,地表徑流量減少,徑流沖刷力減小,降低了其剝蝕搬運泥沙的能力。草本的存在對土壤抗沖刷能力有極大的增強效應(yīng),當(dāng)植物覆蓋率為40%以上時,控制坡岸土壤侵蝕的作用明顯。研究表明,土壤流失是侵蝕力和土壤抗侵蝕力相互作用的結(jié)果,坡岸植物通過機械效用減弱侵蝕力或增強抗侵蝕力而保持土壤。植物的機械效應(yīng)主要是通過淺根的加筋作用和深根的錨固作用增加土壤的抗侵蝕能力,主要表現(xiàn)為根系與土壤的固結(jié)作用。植物的生長增加土壤負荷,根系能加強土壤的聚合力,在土壤本身強度不變的情況下,通過根系的機械束縛增強根際土壤的總體強度,使其固結(jié)為一整體。植物體的機械作用還表現(xiàn)在對坡上物質(zhì)起到阻擋和支持的作用,減少了河岸土石體運動的可能。4不同坡面的人工喬木護坡防治土壤侵蝕的作用四種生態(tài)護岸設(shè)計中,不同類型的植物護坡形式,即坡岸植物配置形式,其對坡面地表徑流影響也是截然不同。人工喬木護坡形式不能很好地起到削減徑流作用。草皮護坡在延緩徑流形成,削減徑流作用最理想,六棱花磚護坡,天然草本植物護坡的植物配置形式作用次之,人工喬木護坡形式削減徑流的作用不明顯,近似裸岸岸坡的坡面地表徑流變化過程。總的來看,坡岸植草對削減徑流作用強于坡面栽植喬木。在相同降雨強度,坡岸坡度近似的條件下,人工喬木護坡形式的土壤侵蝕量多于天然草本植物護坡坡面的土壤侵蝕量的548g。人工喬木護坡形式的土壤侵蝕量與裸露岸坡的土壤侵蝕量相