水土流失是全球生态系统面临的重要问题之一,威胁生物多样性和生态稳定性,制约社会经济可持续发展｡我国提出“双碳”目标,强调经济发展和环境保护的统一性[1]｡水土流失防治是山区土地资源利用与生态环境保护平衡的关键,福建省山地丘陵面积占全省土地总面积的90%,自然灾害频发,建设工程面临诸多挑战,其中长汀县作为典型的红壤丘陵土壤侵蚀区[2],一直面临经济建设开发和水土流失防治的双重压力｡

长汀县自2000年起开展综合治理[3],2010年实施《长汀县“汀江源”水土保持生态建设规划》｡2012年根据上级“进则全胜,不进则退”的重要批示,持续拓展“长汀经验”,推动水土保持工作[4],2021年入选全国水土保持高质量发展先行区建设试点,其治理经验被联合国推为生态修复典型案例[5]｡20世纪90年代以来长汀县植被覆盖度持续上升,2011到2022年的十年间,长汀县水土保持率由89.74%提高至93.43%[6]｡

尽管长汀县在水土流失治理方面取得了显著成效,但区域内仍面临诸多挑战:水土流失区块分散､林分结构单一､土壤质量较低以及乡村经济发展滞后等问题,使得初步治理区域的生态系统演替缓慢且脆弱,潜在的灾害风险尚未根本消除｡在此背景下,如何在这一重视生态保护､但生态环境依然脆弱的区域进行工程开发,成为一个重要课题｡

本文以长汀县某挖方高边坡工程为案例,探讨在山地环境开发中,如何结合水土保持理论与技术,实施科学的边坡支护与生态修复措施｡通过具体的设计和施工实践,总结相关经验,不仅为保障人工边坡的稳定性和生态环境的健康提供了有效路径,也为其他类似地区的工程建设提供了有价值的参考,助力工程可持续发展｡

1、长汀水土区域概况

区域水土概况包括地形､地质､气候和植被等自然因素,这些因素不仅影响水土流失,也是水土流失敏感性评价体系的关键指标[7],水土流失敏感性通常分为五个等级:不敏感､轻度敏感､中度敏感､高度敏感和极敏感｡

长汀县地处武夷山脉南麓,北纬25°18′40″~26°02′05″,东经116°00′45″~116°39′20″之间,亚热带海洋性季风气候,气温7.8~27.2℃,平均气温18.3℃,年降水量1171~2128mm,无霜期年均260天｡季节特征明显,干湿两季分明｡地貌类型可分为阶地､盆地､中山､低山､丘陵,其中后两者共占全县总面积71.11%,区域广泛分布酸性火成岩､砂和泥质岩等,在长期暖湿气候作用下,发育了深厚的红色风化层,形成了红壤土和砂壤土为主的土壤类型,质地疏松,结持力差,抗蚀能力低[8]｡地带性植被为亚热带常绿阔叶林,原生植被存留较少,多数为人工林和次生林｡

拟建项目所在的长汀县大同镇是长汀县的城乡发展地,近年来社会经济快速发展､建设用地大面积增加､人口压力增加,何泽雁[9]等学者研究发现,大同镇2005~2020年期间的土地利用及生态系统服务价值在各乡镇中减少的最多｡根据学者吴林英[10]､赖日文[11]等的研究,大同镇为水土流失敏感区,且水土流失敏感性有向高等级转化的趋势｡

2、工程场地水土现状调查

拟建项目由四条道路､8座建筑(3-7F)以及其它配套设施组成｡该工程规划用地面积约114373m2,总建筑面积约79140m2,道路总长度为2811m｡项目场地原状为山体和耕地,植被较为发育,覆盖率较高,场地原状卫星图见图1｡

图1场地位置卫星图

边坡主要为土岩组合边坡,总面积约1.3万m2,分多个区域,其中:

AB段边坡:坡脚边坡长度约400m,设计坡高10~30m,坡度40°~60°,面积约12000m2;

CD段边坡:坡脚边坡长度约220m,设计坡高1~30m,坡度50°~70°,面积约6600m2;

EF段边坡:边坡长度约45m,设计坡高1~18m,坡度50°~60°,面积约810m2｡

边坡主要岩土层特性如下:

第四系坡积成因的粉质粘土:土层含碎石,厚度1~2m,松散且抗冲刷性弱｡

侏罗系漳平组的风化砂岩:

全风化岩层:裂隙发育,矿物成分以石英､长石为主;

强风化岩层:裂隙闭合度较好,具有中等透水性;

中风化岩层:致密度高,抗剪强度较好,承载力显著｡

由于工程扰动,原有植被覆盖区域出现了较为明显的生态破坏现象(图2),区域水土流失现象严重,降雨引发的地表径流使坡面裸露的土层直接暴露于外界侵蚀因素之下,形成地表侵蚀､局部滑坡､沟蚀以及崩塌等现象(图3)｡水土流失的年平均强度约为2500~3000t/km2,其中坡度超过45°的区域尤为严重｡建设区域整体生态环境较脆弱,为降低水土流失风险,应考虑边坡支护措施和坡面防护措施,同时建设截排水沟等排水设施,以有效控制地表径流对坡面的侵蚀｡此外,应加大植被恢复力度,提高区域的植被覆盖率,增强生态系统的稳定性｡

图2场地边坡坡面现状

图3场地边坡水土流失现状

3、边坡综合治理设计与施工

边坡综合治理通常利用极限平衡､数值模拟等定量方法对边坡支护结构的承载力进行计算分析,支护结构施工完成后进行坡面的生态修复｡

3.1边坡支护设计

场地边坡岩土层自上而下主要有素(杂)填土､(含碎石)粉质粘土､砂土状强风化砂岩､碎块状强风化砂岩､中等风化砂岩｡边坡工程安全等级为一级,主要采用混凝土框架梁+预应力锚索的支护方案,边坡10m一级,每一级设置2m宽平台,平台设排水沟,格构梁间距3m×3m,边坡设计坡率1∶0.3,坡顶设截洪沟,坡体设仰斜式排水孔,支护典型方案见图4｡图5为正在施工中的锚索格构梁｡

图4边坡支护设计图(锚索)

图5锚索格构梁施工中

3.2坡面植物选配的因素分析

植被覆盖度是构建水土流失敏感性评价最重要的因素之一[10]｡植被生物作用可稳固土壤､改善土壤结构､附着污染物､拦截粉尘､抑制细菌生长和清洁空气｡植被水文作用则降低地表径流量,减少土壤侵蚀,研究显示土壤侵蚀量与植被覆盖度呈反比,植被覆盖度平均每降低1%,土壤侵蚀量增加7.49万吨[5]｡植物的根系通过直根锚固作用和须根加筋作用提高边坡表层土的抗剪强度,防止坡面浅层滑动｡此外,通过植物种类的构建搭配,可以创造出层次分明､色彩丰富的视觉景观｡因此,植被的重建与恢复是一种高效的维护边坡水土资源和提升生态环境质量的生物手段｡

植物生长所依赖的土壤环境(如温度､导热性､水分含量､饱和导水率､孔隙度及入渗特性等)受土壤结构的直接影响,而土壤颗粒组成又显著决定了其结构特性｡在南方红壤侵蚀区,土壤中夹杂的砾石会改变土壤水分的动态特性,从而对其抗蚀性产生影响[12-13]｡

现场对边坡岩土体采样并在实验室内进行颗粒筛分实验,成果见表1｡通过绘制分析粒径级配曲线图(图4)可见,三种土样的极细砂含量占比均超过了50%,边坡出露的岩土层砂砾含量高粘粒少,在降雨冲刷下,表土细小颗粒被冲刷流失殆尽,留下大量粗晶砂砾遗留地表,土壤极易砂砾化｡王玉珍等[14]､郑惠欣等[15]通过模拟不同砂砾化程度的土壤对红壤侵蚀区植被恢复先锋草种子的萌发及幼苗生长试验表明土壤组成物质以及砂砾含量影响植物种子萌发及生长,随着砂砾比例的增加,种子发芽率､发芽势､发芽指数､活力指数均降低｡面对边坡坡度较大､土壤含砂量高的特殊环境条件,传统的植物种子喷射技术可能无法保证植物的高存活率,需要采取其他措施来帮助植物生长｡

表1颗粒分析成果统计表

图6边坡岩土体粒径级配曲线图

3.3坡面植物的生存构建

传统的植物种子喷射技术是通过机械喷射的方式,将植物种子与肥料､水､保水剂和粘合剂等材料混合后均匀喷洒在边坡表面｡这种方法操作便捷､成本较低,广泛应用于边坡绿化｡然而,在砂砾化程度较高的土壤条件下,传统喷播技术存在一定局限性:①坡面较陡时,喷射材料容易随雨水径流被冲刷流失,导致植物种子分布不均,存活率低;②材料与坡面接触不紧密,无法为植物种子的萌发提供稳定的微环境;③由于缺乏针对性改良,种子的根系难以深入砂砾化土壤,限制了植物的长期固土能力｡

针对这些问题,项目在长汀县挖方高边坡恢复中创新性地采用了生态棒结合间隙喷播植草的技术｡生态棒与传统喷播技术相比具有以下优势:

结构优化:生态棒由可降解生物材料制成,内部填充植物种子､肥料､有机质等,形成稳定的微生态环境,固定于坡面上后减少了种子和养分的流失｡

适应性强:生态棒与坡面通过短钉固定,在坡度较大时仍能保持稳定性,同时彼此之间的间距通过间隙喷播植草弥补,实现均匀的植被覆盖｡

植被效果显著:生态棒为植物种子的萌发提供了更好的湿润和营养条件,加快了植被覆盖速度｡实验结果显示,结合喷播后,植被覆盖率较传统喷播技术提高了约25%,并显著提升了根系对砂砾化土壤的固结能力｡

此外,项目依据草灌结合及多样性的原则,筛选了一批耐贫瘠､根系发达的植物,包括狗尾草(Setariaviridis)､猪屎豆(Archidendronclypearia)､银合欢(Leucaenaleucocephala)､波斯菊(Cosmosbipinnatus)､多花木兰(Magnoliamultiflora)､宽叶草(Paspalumnotatum)以及木豆(Ormosiahosiei)等植物(图7),经过现场配比试验确定了草灌配合比,其中一年生植物生长快速,可以形成坡面的快速覆绿,而多年生小乔木灌木则可以有效帮助坡面生态可持续发展｡同时,这些植物适应性强,能够耐受贫瘠和干旱环境,在砂砾化土壤中,也可覆盖地表;根系发达,有助于增强土壤的固结能力,改善土壤结构｡

喷播方案初始设计时采用挂网喷播(图8a),聚丙烯材料制成的网垫与高陡坡面贴合较差,暴雨后,喷播的草种混合物被冲刷至格构梁格间下方,生态棒被网垫和饱水的基材拉拽,也遭受破坏,最终植被无法完整覆盖坡面,坡体部分裸露(图8c),后改用镀锌网(图8b),镀锌网贴合坡面且网孔较大,喷播基材与坡面贴合较好,同时不影响生态棒结构,施工后,效果良好,坡面植被覆盖率较高(图8d)｡

图7项目绿化所用植物种子

图8生态棒+挂网喷播

4、边坡综合治理效果评价

本项目针对长汀县边坡稳定性与生态环境的特点,设计了一套结合生态棒技术和间隙喷播植草的边坡绿化方法,针对红壤土质边坡特性进行了创新性优化｡

生态棒作为基底固定与养分输送的核心措施,为植被的成活和快速覆盖提供了稳定的支撑｡同时,间隙喷播植草技术在确保植被均匀性的同时,降低了种子浪费,提高了种子与土壤的接触效率｡绿化后的边坡植被覆盖度在短时间内达到80%以上(图8),根系对边坡土壤的加固作用显著增强,进一步提升了边坡的抗侵蚀能力｡此外,结合工程监测数据分析,雨季土壤流失率降低,充分体现了生态修复与水土保持的协同效益｡

在经济效益方面,该方案较传统边坡绿化技术工期缩短15%,总成本降低约12%,节约了人力与材料费用,特别适合施工条件复杂的山区工程｡

生态效益方面,该技术显著改善了边坡的微环境,恢复了区域内部分生态功能｡这些成果为类似山区边坡治理提供了一种可复制的技术路径｡

图9边坡修复前后对比

5、结论与展望

本研究以长汀县的挖方高边坡工程为例,在长汀水土流失保护的政策背景下,深入探讨了挖方高边坡的支护与生态修复技术,特别是结合生态棒技术和间隙喷播植草的边坡绿化方法,这一方法在降低成本､简化施工流程以及提升环境友好度方面有显著优势｡对未来如何通过结合传统工程技术与现代生态修复理念来优化环境管理和保护措施提供了有益的思路和实践经验｡但建筑高边坡的治理与生态恢复工作之间的平衡仍面临一定的挑战｡土壤砂砾化问题严重,未来需要进一步的土壤改良和综合管理策略来适应复杂的环境条件｡此外,边坡生态系统的稳定性和生物多样性的提升,也需要持续的关注和创新策略｡为了提高监测的实时性和效率,遥感和GIS等现代技术在边坡绿化监测和管理中的应用尚待加强｡建筑边坡生态修复综合评价体系标准化的构建方兴未艾｡未来的研究还应探索更多创新的生态修复材料和技术,以适应不同地质和气候条件,从而为类似区域的水土保持和生态修复提供更为全面和深入的科学指导和实践案例｡

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基金资助:福建省住房和城乡建设厅科技研究开发计划项目“考虑水土保持的挖方高边坡支护新技术研究(2022-K-325)”;

文章来源:俞永泰.考虑水土保持的长汀某挖方红壤土高边坡综合治理技术研究[J].福建建设科技,2025,(02):36-39.