公路建设诱发水土流失的机理及其综合防控策略研究

引言

交通基础设施建设是推动区域经济一体化的关键引擎，截至 2019年，我国公路总里程已达 14.3 万公里，形成了全球规模最大的公路网络。然而，公路施工中的开挖、填筑、弃渣等行为，以及运营阶段的交通排放，会对沿线生态系统产生深远扰动：边坡裸露导致土壤侵蚀加剧，极端条件下引发滑坡、泥石流等灾害；地表植被破坏造成生境破碎化，干扰动植物迁徙与微生物循环；交通排放的颗粒物与重金属通过大气沉降、地表径流进入土壤与水体，形成复合型污染。

现有研究已证实，植被覆盖度对水土保持效益的贡献率达37.6% ，但传统 " 挡 - 排 - 蓄" 工程措施存在生态功能缺失、景观协调性差等局限。相比之下，生态防护技术通过 " 支撑结构 + 植被恢复 "的协同模式，兼顾防护功能与生态效益，成为破解公路建设与生态保护矛盾的核心路径。本文聚焦三大科学问题：公路扰动下水土流失的多系统响应机制；生态防护技术的多维作用原理；技术集成与动态管理的优化路径，旨在为公路交通工程的生态化建设与管理提供理论支持。

1 公路建设对生态系统的扰动机制

1.1 植被胁迫效应的多级传导

公路施工对植被的损伤呈现 " 直接机械破坏 - 次生环境胁迫 " 的链式响应。 30t 级压路机作业半径 50m 内，乔木倒伏率达 63.2% ，灌木存活率降至 28% ，草本生物量仅为基准值的 17.4% ，且损伤强度与机械吨位呈极显著正相关（ r=0.783 ， P<0.01 ）。爆破冲击波（强度 > 140 dB）可使 100m 内植物气孔导度降低 56% ，光合速率从 （m² ²·s） 降至 4.2μmol/（m²⋅s） ，直接抑制植物生理功能。

次生胁迫中，施工扬尘导致总悬浮颗粒物（TSP）浓度超 800μg/ m³ 时，叶片气孔堵塞使蒸腾效率降低 39% ；路基周边土壤铅、镉富集系数分别达 2.31 和 3.07，导致叶绿素 a/b 值从 1.87 降至 1.23，Rubisco 酶活性降至对照组的 54% （ P<0.05 ）。此外，沥青路面使局地温度升高 3.2-5.6‰ ，植物水分利用效率（WUE）降低 28% ，形成区域性微气候胁迫。

1.2 水土流失加剧的多过程耦合

公路建设通过水文循环破坏、地形重塑与土壤退化三重路径加剧水土流失，形成级联效应。填方与削坡改变径流路径，南方丘陵区路基填筑使径流集中系数提升 2.3 倍，峰值流量增加 57% ，下游农田淹没频率上升；不透水路面覆盖率 >60% 时，地下水补给量减少 28% -35% 。黄土高原陡坡（坡度 >35^∘ ）区域，地表径流速度达 2.8m/s ，沟蚀深度年均增加 1.2-1.8m ，贵港至岑溪高速公路下游河道泥沙含量峰值达 3.2kg/m³ ³，超生态阈值 2.4 倍。

地形破碎化指数（TFI）随施工显著上升，无人机航测显示建设后平均坡度由 18.6° 增至 27.3^∘ °，地表粗糙度指数提升 41% ，诱发重力侵蚀（坡度 >25^∘ 区域滑坡概率 0.35 次 /km·年）与水力侵蚀（50mm/h 降雨下侵蚀模数达 12，500t/km² ·a，为自然林地的 8.2 倍）。

土壤理化性质退化进一步放大侵蚀风险：重型机械碾压使土壤容重增至 1.65-1.82g/cm³ ，孔隙度降至 28%-35% ，渗透系数降至 2.1×10 ⁻⁵cm/s； >0.25mm 水稳性团聚体含量从 45% 降至 12% ，有机质含量从 3.2% 降至 1.5% ，全氮年流失量达 45kg/ha ，显著削弱土壤抗蚀性。

2 公路建设水土流失诱发与加剧机理

2.1 自然驱动力在扰动背景下的放大效应

公路建设通过改变地表覆被和地形格局，显著放大了自然降雨的侵蚀潜力。基于修正通用土壤流失方程 （RUSLE） 的实测表明，在 25以上陡坡路段，降雨侵蚀力因子 （R 值 ） 提高幅度达 。以西南山区为例，原生植被清除后， 30mm/h 暴雨条件下的雨滴击溅动能提升2.8倍，直接剥离表土深度达 0.6-1.2cm 。更严重的是，开挖形成的裸露坡面使太阳辐射吸收率增加 27% ，加速土壤干裂，形成易蚀性碎屑物质550% 粒径 <0.25mm^⋅ ，为水力侵蚀提供充足物源。

2.2 关键人为驱动因子

2.2.1 几何扰动胁迫：

填挖方工程改变原生坡面形态，形成高陡边坡（ >45^∘ ）和松散堆积体（容重 1.42-1.68g/cm³ ）。激光扫描显示，填方区坡长缩短至原生地形的 28% ，径流汇集时间减少 67% ，导致水力侵蚀模数达 9，200 Δ_t/Δ km² ·a（为扰动前 6.3 倍）；削坡行为则诱发卸荷裂隙，使岩体抗剪强度降低 19-34% ，重力侵蚀风险等级提升至Ⅳ级（高危）。

2.2.2 机械物理胁迫：

重型设备碾压（接地压力 >120kPa ）破坏土壤结构，使 >2mm 团聚体崩解率达 83% 。压实区土壤饱和导水率降至 1.7×10^-6m/s （原生土壤的1/15），地表径流系数从0.28 激增至 0.75 。同时，振动荷载（频率 8-15Hz ）导致坡体微裂隙发育，渗透力作用下细颗粒流失量占侵蚀总量的 41%₉ 。

2.2.3 水文阻断胁迫：

路基压实层与沥青路面形成“双阻水层”，雨水下渗率降低至 1.3mm/h（低于暴雨强度 30mm/h ）。地下水位监测表明，道路下游 200m 范围内潜水位下降 1.2--2.8m ，土壤含水量持续低于萎蔫点（ 12.3% vs.需水阈值 25% ），加剧植被退化与表土脆裂。

2.3 水力侵蚀、重力侵蚀、复合侵蚀的发生过程与耦合机制

水力侵蚀主导阶段（雨季初期）：降雨通过两种路径触发侵蚀：雨滴击溅→表土结皮→入渗↓径流↑→片蚀→细沟侵蚀；径流冲刷 $$ 沟头下切→沟壁坍塌→重力侵蚀。贵州晴隆高速观测显示， 12mm 降雨即可使新开挖边坡产沙量达38.7 g/m²∘ 。

重力侵蚀活跃阶段（持续强降雨）： 土壤饱和（含水率 >32% ）导致抗剪强度衰减（内聚力 c 值下降 58% ），诱发坡体失稳。以云南元磨高速为例，土体位移监测显示：滑动面发育深度 =0.35× 坡高 + 1.8log（ 降雨历时 ） （ R²=0.912 ）。滑坡体滑移过程携带大量碎屑物质，形成高浓度泥流（含沙量 >600kg/m³ ），一次重力侵蚀事件贡献全年泥沙输移量的 40-65% 。

复合侵蚀临界点（极端天气）：当 50mm/h 暴雨叠加持续3日降雨（累积量 >150mm ）时，水力 - 重力侵蚀进入正反馈循环。汶川震区公路在2013 年暴雨中发生链式灾害：坡面冲刷（水力） $$ 浅层滑坡（重力）→ 泥石流（复合），侵蚀模数飙升至 21，800t/km²⋅a （为单过程侵蚀的3.7倍）。

3 生态防护技术体系构建

3.1 技术分类与核心原理

生态防护技术基于 " 支撑结构 - 植被协同 " 理念，按初步支护方式分为物理、生物与化学防护三大类。

物理防护：通过土工材料实现边坡初步稳定，包括生态混凝土、土工布、生态袋等技术。生态混凝土需控制适宜配比（混凝土含量 8% 最利于种子萌发），其多孔结构为动植物提供栖息地，同时提升边坡抗蚀性；土工布可有效减少坡面侵蚀，但可能阻碍植物 - 土壤接触，秸秆垫相比遮阳网、无纺布能使径流系数降至 10.9% ，产沙量低至 8.5g/m ⁻ ²，防护效果最优；生态袋堆叠形成柔性结构，其透水性保障土壤 - 大气水热交换，加速生态恢复。

· 生物防护：利用微生物、生物酶与生物炭改良土壤，促进植被生长。微生物诱导通过脲酶分解尿素生成碳酸钙沉淀，填充土壤孔隙使强度提升、渗透性降低；生物酶（如黄原胶、瓜尔胶）通过与土壤颗粒形成聚合体，改善表层土壤结构；生物炭添加 2 年后可提升土壤碳氮含量，富集有益菌群并抑制病原菌，显著增强土壤肥力与生物活性。

· 化学防护：通过聚合物、木质素等材料强化土壤力学性能。高性能柔性生长介质（HP-FGM）由热加工木纤维与生物聚合物组成，与生物土壤介质（BSM）配合可实现高效植被恢复；木质素添加量达12% 时，可显著提升粉质土强度与耐久性，且生物相容性优异。

3.2 植被恢复的关键技术路径

植被恢复作为生态防护的核心，需遵循 " 本土优先、乔灌草结合" 原则，通过三维配置实现多功能协同。深根乔木（如马尾松）锚固深层土壤，匍匐草本（如狗牙根）抑制雨滴溅蚀，固氮灌木（如紫穗槐）改良土壤肥力，形成立体防护体系。

技术实施包括五步流程： ① 坡面处理：平整开挖面并构建排水系统，高边坡需分阶处理； ② 初步支护：根据边坡特性选择生态袋、混凝土框架等结构； ③ 物种筛选：优先选择适应性强、根系发达、易繁殖的本土物种； ④ 种植施工：采用喷播技术实现高效覆盖； ⑤ 后期养护：精准灌溉、修剪与病虫害防治，保障植被建植。

4 生态防护的综合效益与协同机制

4.1 工程安全与生态功能提升

生态防护通过 " 结构支撑 - 根系锚固 " 协同提升边坡稳定性。混凝土框架与植被组合可降低滑坡风险，湖南益阳至娄底高速公路应用该技术后，边坡坍塌率下降 60% 以上；植被根系的加筋效应使土体抗剪强度提升 30%-50% ，冠层与枯落物可截留 30%-60% 的降雨，减少地表径流与溅蚀。

同时，植被恢复推动生态系统功能修复：通过吸收汽车尾气中的CO2 、 NO× ，释放 0 ₂并吸附颗粒物，使公路沿线 PM2.5 浓度降低15%-25% ；蒸腾作用调节局部水循环，形成 " 截留 - 入渗 - 蒸腾 " 的动态平衡，减少地下水富营养化风险。

4.2 景观与社会价值协同

植被恢复可显著提升公路沿线景观质量与生态服务价值。多元植物配置形成季相变化，缓解驾驶员视觉疲劳，降低交通事故率；边坡植被覆盖使地表温度降低 2-3% ，改善周边人居环境。此外，植被恢复为微生物与动植物提供栖息地，使区域生物多样性指数提升 20% -40% ，促进生态系统完整性修复。

5 结论

公路建设引发的水土流失是生态扰动的重要表现形式 / 核心后果之一，生态防护技术通过物理 - 生物 - 化学措施的协同，可实现边坡稳定与生态修复的双重目标。当前技术已在水土保持、空气净化、景观优化等方面展现显著效益，但仍存在三方面局限：功能型物种筛选的精准度不足、多技术集成的协同性待提升、长期动态监测体系不完善。

未来研究应聚焦： ① 量化根 - 土互作的力学效应，建立植被 - 土壤耦合模型； ② 开发 " 工程措施 - 生物修复 " 一体化技术，缩短生态见效周期； ③ 构建基于物联网与 AI 的智能监测系统，实现动态适应性管理。通过技术创新推动公路建设与生态保护的深度协同，为交通基础设施可持续发展提供支撑。

参考文献

Qin X， Ni A， Yang D， et al. Exploring Applicability of Different Ecological Protection Measures for Soil and Water Loss Control of Highway Slope in the Permafrost Area： A Case Study of Qinghai-Tibet Highway in China [J]. International Journal of Environmental Research and Public Health， 2023， 20（6）： 4907.

Sanchez I I， Fultz L M， Lofton J， et al. Soil Biological Response to Integration of Cover Crops and Nitrogen Rates in a Conservation Tillage Corn Production System [J]. Soil Science Society of America Journal， 2019， 83（5）： 1356–1367.

作者简介：马 霖（1987-），男，高级工程师。