植生孔地境再造技術在皖北和沿江高陡巖質邊坡復綠中的對比研究

趙國紅，寧立波，宋陽

（1.安徽省公益性地質調查管理中心，安徽合肥 230092；2.中國地質大學（武漢），湖北武漢 430074）

0 引言

安徽省是礦業(yè)大省，礦產資源豐富，礦業(yè)發(fā)展歷史悠久，大規(guī)模的礦山開采為社會經濟發(fā)展做出了重要貢獻，但同時也嚴重破壞了礦山生態(tài)環(huán)境，產生了許多生態(tài)環(huán)境問題，特別是露天開采，造成了地形地貌景觀破壞、礦山地質災害、水土環(huán)境污染、水土流失、植被破壞和生態(tài)系統(tǒng)破壞。近年來，我省開展了一系列礦山生態(tài)修復工作，截至2021 年底，全省已累計完成2 721 個廢棄礦山生態(tài)修復項目，完成修復面積約1.77 萬公頃。但是，部分礦山生態(tài)修復成效不明顯，尤其是高陡巖質邊坡復綠效果差。高陡巖質邊坡常用的復綠技術有魚鱗穴法[1]、植生槽法[2]、生態(tài)袋法[3～4]、爆破燕窩復綠法[5]、掛網噴播法[6]等。但是以上各復綠技術在實際應用中大多存在成本高、難度大、后期管護困難的問題，在自然條件下難以達到持久綠化的效果[7]。

對于高陡巖質邊坡復綠，應充分調查生境條件，選擇合適的植物種類，建立一個植被恢復后自維持生態(tài)系統(tǒng)，是植被恢復的關鍵。本文以生態(tài)地質學和系統(tǒng)理論為基礎，在沿江和皖北地區(qū)建立了試驗場，通過分析研究區(qū)水文、氣象、地質、構造、植被等影響因素，對比分析不同生境條件下植被生長情況，探索適宜于高陡巖質邊坡復綠的植物地境再造技術，為以后開展高陡巖質邊坡復綠提供依據。

1 植物地境再造技術

植物地境再造技術是以生態(tài)地質學、系統(tǒng)科學理論為基礎，以人工方式在高陡巖質邊坡上開掘植物種植孔，根據所選擇種植植物的地境要求，在孔內人工構建能夠滿足植物生長需求的地境條件，然后進行植物種植，達到植物與巖體有機結合，實現植物自主生長、邊坡復綠的方法[8]。巖質邊坡適合選擇植生孔地境再造技術進行復綠。

1.1 植生孔地境再造技術

植生孔地境再造技術主要適用于坡面平直，凹凸起伏較小的巖壁。所謂植生孔地境再造法就是在基本參數滿足的高陡巖質邊坡的平直壁面，按照一定的角度、口徑、深度開鑿孔穴，在打好的孔穴中種植植物（圖1）。

圖1 植生孔地境再造法Figure 1. Plant habitat reconstruction in the form of plant-growing hole

1.2 試驗場選擇及種植情況

（1）試驗場選擇。本次試驗采用選擇植生孔地境再造技術，選擇適宜研究場應滿足以下條件：巖質邊坡坡度在60°以上，具有一定高度，一般在30 m 以上；巖質邊坡的裂隙較發(fā)育；石灰?guī)r采石場，礦山已經關閉，邊坡裸露。根據前期調查情況，經過綜合分析選取沿江安慶集賢關與皖北宿州蕭縣已經關閉的石灰?guī)r采石場中的高陡邊坡為研究對象。

（2）種植情況。選擇坡度和裂隙發(fā)育條件較好、適合植被生長需求的坡面，布設種植孔位，共373 個。種植孔孔深為50 cm、孔徑為20 cm，孔口與水平線呈15°～45°角朝上；種植所用的培養(yǎng)土，其配制比例為腐熟有機肥1/5，耕作層熟土3/5，爐渣1/5，并用800 倍的殺菌劑進行土壤處理；植物選擇耐寒、耐旱的優(yōu)勢物種或鄉(xiāng)土植物，植物幼苗選用基徑為0.7～1.2 cm，高度為60～80 cm，做截桿處理，將上端枝葉以及多余的側根去掉，保留主根部分。

2 研究區(qū)生態(tài)條件分析

2.1 氣象水文

蕭縣試驗場地處安徽省北部，屬北溫帶半濕潤季風氣候，是南北冷暖空氣交匯的過渡地帶，兼有北方和南方的氣候特點，季風氣候明顯。年均溫度為15.7 ℃，太陽輻射年總量為1.69 W/m2，年平均降雨量為784 mm 左右[9]，見圖2。蕭縣位于淮河流域中游，二、三級支流范圍內，隸屬于華北平原南部的淮北平原中部。蕭縣水資源包括地表水和地下水兩部分，全縣多年平均地下水資源總量為2.6×108m3/a，地表水和地下水資源的豐枯基本依靠降水補給。

圖2 蕭縣年平均降水量和平均溫度情況圖Figure 2. Annual average precipitation and average temperature in Xiao County

安慶試驗場地處沿江地區(qū)，屬亞熱帶濕潤季風氣候區(qū)，季風明顯，四季分明，氣候濕和，雨量適中，光照充足，無霜期長，嚴寒期短。年平均氣溫為17.5 ℃，太陽輻射總量為1.54 W/m2，年均降雨量為1 350 mm[10]，見圖3。研究區(qū)屬于長江流域的石塘湖水系，石塘湖流域面積約為11 km2，最高水位為12.08 m，最低水位為8.13 m。研究區(qū)內部地表水系不發(fā)育，大氣降水主要以面流方式沿地形自然排泄，地表水自然排泄通暢。大氣降水除小部分向河流排泄和在河谷低洼處季節(jié)性排泄外，大部分匯入區(qū)域徑流。

圖3 安慶市年平均降水量和平均溫度情況圖Figure 3. Annual average precipitation and average temperature in Anqing City

2.2 地質條件

皖北試驗場選擇的蕭縣鳳山采石場，屬于皖北東南低山殘丘，主要出露三疊系、二疊系、石炭系灰?guī)r，因采石場開采活動影響而形成人工邊坡，人工邊坡坡度為80°～90°，近似垂直，裂隙發(fā)育，巖體破碎，表面裸露。巖體一般發(fā)育有3 組裂隙，每組裂隙3～7條不等，巖體體裂隙率多數在2%～3%之間。體裂隙的變化體現出裂隙發(fā)育的不均勻性，整體差異性較小，個別測量點差異較大，這是由裂隙發(fā)育整體的規(guī)律性和裂隙在巖體中發(fā)育的非均一性決定的[11]。

沿江試驗場選擇安慶市集賢關，位于安慶市區(qū)北部，屬江北低山丘陵區(qū)，地層屬于揚子地層區(qū)下?lián)P子地層分區(qū)安慶地層小區(qū)，出露的地層主要為三疊系南陵湖組（T1n），巖性下部為灰色中厚層微晶灰?guī)r，夾灰、灰黑色粉砂質黏土頁巖，具縫合線構造及重結晶現象；上部為灰白色中厚層微晶灰?guī)r，含黃色薄層泥質條帶。巖體較為破碎，表面裸露，坡度≥70°，相對高度約為80 m。研究區(qū)巖體發(fā)育有3～4 組裂隙，每組裂隙2～14 條不等，巖體體裂隙率多數在2%～5%之間，均值為2.67%。

2.3 本土植物

皖北蕭縣石灰?guī)r山地土層較薄，土壤呈中性到微堿性，立地條件較差，以喬木、灌木為主，品種較為單一，喬木優(yōu)勢種為構樹、臭椿；灌木優(yōu)勢種為黃荊、胡枝子；草本優(yōu)勢種為高羊茅、牛筋草。

沿江安慶地區(qū)土壤較為貧瘠，立地條件復雜，植物資源眾多，有60 多科500 余種植物，其中喬木以水杉、鵝掌楸、杜仲、櫸樹、樟樹、楓楊、刺槐等為主，灌木以黃荊、胡枝子等為主，草本眾多。

2.4 種植土肥分與物種選擇

蕭縣鳳山種植實驗場邊坡坡度為85°，巖層產狀為176°∠19°，邊坡發(fā)育有4組節(jié)理，結合體裂隙率發(fā)育情況，以60～100 cm間距布設種植孔，共186個。種植孔土壤有機質平均含量為2.6%，為中上等肥分；全鹽量為0.1%，為非鹽澤土；水解性氮多高于100 mg/kg，較為豐富；有效磷在3.8 mg/kg 左右，含量較低；速效鉀在97 mg/kg 左右。蕭縣鳳山試驗場覆綠物種包括：喬木類有黃櫨、火炬樹、黑松、山杏；藤灌木類有迎春、連翹、爬山虎、扶芳藤；本地種有黃荊、構樹。

安慶集賢關采石場邊坡坡度為78°，巖層產狀為20°∠58°，結合巖體體裂隙率發(fā)育情況，以60～100 cm間距布設187 個種植孔。種植孔中土壤肥分條件較好，有機質含量在1.3%左右，為中等肥分；全鹽量在0.1%左右，為非鹽澤土；水解性氮在60 mg/kg左右，屬良好；有效磷在6 mg/kg 左右；速效鉀在60 mg/kg 左右。安慶集賢關試驗場覆綠物種包括：喬木類有黃櫨、刺槐、黑松、火炬樹、構樹、臭椿；藤灌木類有連翹、金銀花、爬山虎；本地種有構樹、臭椿。

3 結果分析

3.1 植物成活率

蕭縣鳳山采石場實驗區(qū)于2017 年11 月完成植被種植工作，共栽種植被169 株。在2018 年夏季6 月、2019 年春季4 月對蕭縣鳳山實驗場植物生長情況進行了現場調查，統(tǒng)計植物的成活情況，成活調查結果統(tǒng)計整理如表1所示。野外調查成活率統(tǒng)計結果表明：

表1 蕭縣鳳山實驗場植物成活情況統(tǒng)計Table 1. Statistics of plant survival in the Fengshan test ground in Xiao County

（1）植物總體成活率隨時間而有所變化。成活率由高到低依次為藤本、灌木、喬木。外來種喬木整體的成活率多在60%左右，其中黑松的成活率最高達80%，山杏的成活率較低僅有14%；灌木的成活率多在80%。

（2）選擇的本地種整體成活率要比外來種高，說明其更適應本地的環(huán)境。喬木類本地種表現出更強的適應能力，構樹成活率達71%，而外來喬木山杏的成活率僅有14%左右，表明山杏不適合本次覆綠植物的要求。

安慶集賢關實驗場于2016 年12 月完成植被種植工作，共栽種植被174株。先后在2017年7月、2018年6月對安慶集賢關實驗場進行了植物成活率調查。將兩次植物成活調查結果統(tǒng)計整理如表2所示。野外成活率統(tǒng)計結果表明：

表2 安慶集賢關實驗場植物成活情況統(tǒng)計Table 2. Statistics of plant survival in the Jixianguan test ground in Anqing

（1）復綠植物總體生長良好，不同時期調查植物平均成活率分別為：78%、64%。但不同類型植物成活情況有所差異，成活率由高到低依次為藤本、灌木、喬木。其中灌木成活率在80%以上，喬木的成活率整體不高，為45%左右，火炬樹、黑松的成活率最高，黃櫨、刺槐的成活率相對較低。

（2）前期調查存活時的植物部分在后期調查時后發(fā)現死亡現象，以喬木干枯死亡率最高，而灌木、草本基本存活。分析其原因：一是喬木要比灌木、草本植物生長需要消耗更多的水分和養(yǎng)分，而高陡巖質邊坡部分種植孔內所賦存的養(yǎng)分、水分有限；二是局部裂隙不發(fā)育，在雨季會導致種植孔內長期積水，導致植物根系腐爛死亡。

3.2 植物長勢調查

（1）蕭縣鳳山試驗區(qū)。植物自栽種之后未進行養(yǎng)護工作，在夏季調查時，植被已自然生長了僅半年，成活植被長勢良好。但由于生態(tài)恢復年限較短，整體對巖壁的覆蓋程度并不是特別高。

（2）安慶集賢關試驗區(qū)。進行植物樣地調查，調查覆綠植物覆蓋程度、植株高度及基徑等生長指標，綜合反映植物生長狀況，通過調查適宜種植區(qū)內喬灌木優(yōu)勢物種，可以為選擇適宜高陡巖質邊坡上生長的植物提供依據，并驗證地境再造技術的可行性。

由于巖質邊坡上水分、養(yǎng)分所限，加之前期植物生長年限較短與人為調查因素，植物長勢調查具有較大的不確定性。因此在種植兩年半后，2019 年4 月對安慶種植區(qū)進行植物長勢調查，運用樣方法在種植區(qū)巖壁左側選取調查面積為4 m×2 m 的樣方1，在中側下層巖壁選取調查面積為4 m×2.5 m 的樣方2，測量統(tǒng)計樣方內植物基徑、冠幅、高度等基本信息，描述其生長狀況。植物長勢統(tǒng)計情況如表3所示。

表3 安慶集賢關實驗場植物樣方調查情況統(tǒng)計Table 3. Statistics of plant quadrat conditions in the Jixianguan test ground, Anqing

經野外實地調查，實驗場種植區(qū)存活植物整體長勢良好。經統(tǒng)計整理植物長勢情況可知，連翹、迎春、金銀花等灌木植物生長有一定規(guī)模，平均高度為68.3 cm；火炬樹、刺槐、黑松等喬木平均高度為63 cm，較灌木植株相對矮小。結合成活率變化情況，分析這是由于喬木要比灌木、草本植物發(fā)芽生長需要消耗更多的水分和養(yǎng)分，植物受到脅迫導致生長速率減慢，植株個體矮小生長緩慢。

3.3 生境條件對比研究

通過分析皖北、沿江氣象水文、邊坡坡度、地層巖性、裂隙發(fā)育、植物種類及種植情況之間關系，分析生境條件及植物成活率和植物長勢關系，統(tǒng)計整理結果如表4所示。

表4 植物生境條件對比Table 4. Comparison of plant habitat conditions

通過對比研究分析，沿江地區(qū)與皖北地區(qū)相比，降水量大、平均氣溫高、裂隙較發(fā)育、太陽輻射少、立地條件復雜；兩個地區(qū)藤本植物成活率均在90%以上，沿江地區(qū)灌木成活率較皖北地區(qū)高，達到80%以上，而喬木成活率均較差，在45%左右。由此可以看出，植被成活率與巖體的裂隙率、大氣降水、溫度和植物種類、養(yǎng)分等有關。因此，考慮到復綠的永久性和季節(jié)性，應多考慮常綠且復綠效果好的藤本和灌木植物，適當栽植本地喬木類物種。

4 結論

影響礦山高陡巖質邊坡復綠條件的因素眾多，溫度、降水量、巖體裂隙和植物種類等都會對植物復綠效果產生影響，經過對比研究得出以下結論：

（1）降水量大、溫度高、裂隙較發(fā)育地區(qū)生境條件較好，適合植物生長，復綠效果較好。

（2）沿江降雨量與溫度等生境條件更利于植物生長，其共同點是復綠植物中灌木、藤蔓和草本優(yōu)于喬木，在高陡巖質邊坡優(yōu)先選擇藤本和灌木進行復綠，可適當選擇本地喬木。

（3）高陡巖質邊坡植物地境再造技術適合我省灰?guī)r裂隙發(fā)育地區(qū)進行復綠，可在環(huán)境相近地區(qū)采用該項技術。