高陡巖質(zhì)邊坡覆綠植物成活的生態(tài)因子分析
——以安慶市大龍山集賢關為例

白冰珂，趙國紅，尹 峰，寧立波，張 楊，周華健，余啟明

(1.中國地質(zhì)大學(武漢)環(huán)境學院，湖北 武漢430074；2.安徽省國土廳公益性地質(zhì)調(diào)查管理中心，安徽 合肥 230092)

大量石料的開采，使得采石場的生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞，系統(tǒng)的自組織功能基本喪失，自然的生產(chǎn)功能及自我調(diào)節(jié)的能力嚴重退化[1-2]。在采石場關閉后，遺留下來的裸露巖質(zhì)邊坡因缺乏土壤、水分等適宜植物生長的立地條件，使得邊坡在無人工干預的條件下自然修復極其困難，且大面積裸露的巖質(zhì)邊坡與其周圍的生態(tài)環(huán)境格格不入，嚴重影響了當?shù)氐牡孛簿坝^，并進一步造成生態(tài)系統(tǒng)的持續(xù)惡化[2-3]，隨著“生態(tài)文明建設”思想的提出，人們對環(huán)境問題的關注度不斷提高，針對一些廢棄石料采石場的高陡巖質(zhì)邊坡覆綠工作也逐漸開展起來。

目前針對巖質(zhì)邊坡的覆綠方法很多[3-8]，常見的有格構(gòu)法、魚鱗坑法、噴播法和生態(tài)袋法。其中，格構(gòu)法常用于公路及鐵路邊坡防護工程中；魚鱗坑法只適用于小坡度邊坡覆綠[8]；而采用噴播法修復的邊坡在形成穩(wěn)定植被前，巖壁受雨水沖刷易導致基質(zhì)脫落，致使覆綠效果不佳[9]；生態(tài)袋法在邊坡覆綠工程中常因出現(xiàn)再造坡體結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定而使綠化效果不佳[10]，且僅適用于坡度≤63°的邊坡[11]。上述巖質(zhì)邊坡覆綠方法均是將植物與巖體割裂開來，側(cè)重于對邊坡的人工改造而忽視了對巖體本身這個儲能場所的應用，從而影響了覆綠效果。這主要是因為沒有從生態(tài)學的角度對高陡巖質(zhì)邊坡覆綠工程中影響植物成活的生態(tài)因子進行分析，進而重新構(gòu)建植物與巖體這個生態(tài)系統(tǒng)。一般來說，在土體中影響植物成活的生態(tài)因子有光照、溫度、水分等[12]，但高陡巖質(zhì)邊坡覆綠工程中影響植物成活的生態(tài)因子有哪些?通過查閱文獻得知這方面的研究尚屬新的課題。為此，本文以安慶市大龍山集賢關高陡巖質(zhì)邊坡覆綠工程為例，通過對高陡巖質(zhì)邊坡的特點進行分析，得出影響高陡巖質(zhì)邊坡覆綠植物成活的生態(tài)因子，并通過野外試驗對覆綠邊坡巖體內(nèi)水分、溫度狀況進行監(jiān)測，同時對覆綠邊坡巖體裂隙發(fā)育情況進行調(diào)查，最后對所獲數(shù)據(jù)進行整理與分析，得到影響研究區(qū)內(nèi)高陡巖質(zhì)邊坡覆綠植物成活的生態(tài)因子的閾值范圍，以為高陡巖質(zhì)邊坡覆綠工程提供理論支撐。

1 研究區(qū)及覆綠工程概況

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)集賢關位于安徽省安慶市區(qū)北部，經(jīng)多年的露天開采,山體土壤被剝蝕，形成了許多高陡的裸露巖質(zhì)邊坡，坡度≥60°，相對坡腳高度約80 m。該地區(qū)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下統(tǒng)南陵湖組(T1n)，巖性可分為兩部分，下部為灰色中厚層微晶灰?guī)r，夾灰、灰黑色粉砂質(zhì)黏土頁巖，具縫合線構(gòu)造及重結(jié)晶現(xiàn)象；上部為灰白色中厚層微晶灰?guī)r，含黃色薄層泥質(zhì)條帶。研究區(qū)屬季風性濕潤氣候區(qū)，氣候溫和，雨量充沛，無霜期長，光照充足，年平均氣溫在17～18°，12月份平均氣溫為3.5℃，7月份平均氣溫為29℃，年平均降雨量為1 350.1 mm，多年平均蒸發(fā)量為1 315.4 mm。

1.2 覆綠方法簡介

對集賢關高陡巖質(zhì)邊坡所采取的覆綠方法是“地境再造法”[13]，其覆綠工程示意圖見圖1。該方法依據(jù)生態(tài)地質(zhì)學理論從植物生長所需的地境入手，以巖體為基礎，運用工程技術(shù)手段對植物立地條件進行改造，使之能夠形成一個初期適合植物成活的地下生境；植物成活后，通過根系與巖體及外界組成的開放系統(tǒng)進行物質(zhì)與能量的交換，將其與巖體統(tǒng)一起來，進而維持植物自身的生長。

圖1 地境再造法覆綠工程示意圖

1.3 覆綠植物成活率調(diào)查

考慮到是在巖質(zhì)邊坡條件下種植植物，植物是在天然條件下汲取物質(zhì)與能量來供給自身生長，因此本次研究均選用耐旱類植物：黃櫨、連翹、樟子松、爬山虎、金銀花、迎春、刺槐、構(gòu)樹，共計150株。植物種植2年后，于2018年6月課題組對研究區(qū)高陡巖質(zhì)邊坡覆綠植物的成活率進行了野外調(diào)查，其調(diào)查結(jié)果見表1。

表1 研究區(qū)高陡巖質(zhì)邊坡覆綠植物成活率的調(diào)查結(jié)果

由表1可見，除刺槐和黃櫨成活率較低外，其他覆綠植物成活率均較高，覆綠植物的總體成活率達到了81.3%，表明該覆綠方法在研究區(qū)切實可行，也說明研究區(qū)覆綠邊坡巖體具備種植植物的條件。

2 高陡巖質(zhì)邊坡條件下影響覆綠值物成活的生態(tài)因子分析

植物的生長對環(huán)境有一定的要求，環(huán)境對植物的影響主要通過一些生態(tài)因子來體現(xiàn)。在高陡巖質(zhì)邊坡條件下種植植物與一般條件下種植植物大不相同，高陡巖質(zhì)邊坡具有如下鮮明的特點：邊坡多為大于60°的裸露巖壁[14-15]，巖體的導熱率大于土壤[16]，巖體的儲水能力與土壤相比相差甚遠[17]。由于受巖體脅迫作用的影響，一般在土體中不是限制植物成活的生態(tài)因子在巖質(zhì)邊坡條件下可能就顯得尤為重要。根據(jù)研究區(qū)情況，將影響高陡巖質(zhì)邊坡覆綠植物成活的主要生態(tài)因子確定為：巖體裂隙因子、巖體內(nèi)的溫度因子、巖體內(nèi)的絕對濕度因子。

2.1 巖體體裂隙因子分析

在高陡巖質(zhì)邊坡條件下，裂隙是否發(fā)育是限制植物能否成活的重要條件之一[18-19]。巖體體裂隙對于植物的成活有重大意義，它既是巖體內(nèi)水分儲存與運移的場所，也是植物根系在巖體中生長的唯一空間[20]；巖體體裂隙發(fā)育程度決定植物根部的透氣性，巖體內(nèi)部良好的透氣性使植物根部能更好地進行呼吸作用，更容易地吸收水分與營養(yǎng)物質(zhì)；同時在巖質(zhì)邊坡這種苛刻的生境中，由于水分的缺乏，在巖體的脅迫作用下植物根系不得不增大其生長范圍，進而需要從更大的裂隙空間中來獲取滿足自身生長發(fā)育所需的水分。本文主要從以下幾個方面對巖體裂隙因子進行分析：

(1) 巖體裂隙率。在《地球科學大辭典》中，巖體裂隙率定義為：巖石中裂隙的體積與包括裂隙在內(nèi)的巖石體積之比(即體積裂隙率)。本研究對研究區(qū)覆綠邊坡試驗場地內(nèi)3個測量點內(nèi)10組裂隙中的52條裂隙進行了調(diào)查與統(tǒng)計，并計算巖體裂隙率。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：每個測量點內(nèi)一般有3～4組裂隙，每組有2～10條裂隙，巖體體裂隙率為1.77%～4.58%，巖體體裂隙率平均值為2.95%；巖體裂隙隙寬為0.1～1.75 mm不等，其中隙寬大于0.5 mm的巖體裂隙約占總裂隙的41.3%，隙寬大于1 mm的巖體裂隙約占總巖體裂隙的18.3%。植物通過根系吸收養(yǎng)分和水分等，而植物根系所能伸入的最小巖體裂隙約為0.1 mm，且此時受窄裂隙的脅迫作用，植物根系為了更大效率地獲取養(yǎng)分和水分等，根的形態(tài)發(fā)生了變化，呈扁平狀生長，可極大地增加植物根系與巖體裂隙內(nèi)有機質(zhì)的接觸面積[19-20]。

(2) 巖體裂隙發(fā)育優(yōu)勢方向。巖體裂隙發(fā)育優(yōu)勢方向指向巖體內(nèi)部時，巖體能有效地截取被雨水從山坡頂部沖刷下來的含有養(yǎng)分的土壤；巖體裂隙發(fā)育優(yōu)勢方向指向巖體外部時，降雨時巖體內(nèi)的水分能及時導出。對覆綠邊坡3個測量點內(nèi)的巖體裂隙傾向、傾角作赤平投影圖，并分析巖體裂隙發(fā)育的主方向，見圖2。

圖2 覆綠邊坡巖體裂隙赤平投影圖

由圖2可見，覆綠邊坡的坡面方向與巖體裂隙的傾向多為相反，巖體裂隙的優(yōu)勢方向多與巖壁呈一定角度相交，其中裂隙以傾向北東15°～25°方向最為發(fā)育，傾角為46°～60°，巖體裂隙傾向南西256°～268°方向次之，傾角為64°～72°，巖體裂隙傾向南東和北西方向也有發(fā)育；巖體裂隙發(fā)育方向多與邊坡呈一定角度相交并指向巖體內(nèi)部，同時發(fā)育的巖體裂隙能有效地截取被雨水從山坡頂部所沖刷下來的含有養(yǎng)分的土壤。

(3) 巖體裂隙的連通性。對于巖質(zhì)邊坡，其巖體內(nèi)部的透氣性與導水性主要由巖體裂隙的連通性來控制。對覆綠邊坡巖體裂隙的連通性進行調(diào)查的方法如下：在覆綠邊坡共設計226個種植孔，種植孔施工完畢后將其中的220個種植孔內(nèi)全部注滿水(由于種植孔口向上傾斜45°，實際注水只有種植孔體積的一半)，24 h后觀察種植孔內(nèi)水量的變化。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：其中有103個種植孔內(nèi)水量下降值超過了80%，有78個種植孔內(nèi)水量下降了約45%，有39個種植孔內(nèi)水量下降了約20%。根據(jù)種植孔內(nèi)水量的變化情況，可知該覆綠邊坡巖體裂隙的連通性較好，可為覆綠植物的成活提供有利條件。

巖體裂隙既是植物根系的生長空間，也是溝通植物與巖體及外界相互作用的媒介；巖體裂隙發(fā)育的優(yōu)勢方向與巖體裂隙的連通性共同指示出巖體的導水性及貯水性，當巖體裂隙發(fā)育優(yōu)勢方向傾向于巖體內(nèi)部且連通性較好時，有利于邊坡覆綠植物對大氣降水的利用。因此，當巖質(zhì)邊坡巖體體裂隙率為1.77%以上且?guī)r體裂隙連通性較好時，則認為適合采用地境再造法對高陡巖質(zhì)邊坡進行覆綠。

2.2 巖體內(nèi)溫度和濕度因子分析

裸露的巖體受到太陽的直接輻射，巖體內(nèi)溫度的變化較快。在植物的生長過程中，低溫會造成植物凍害，高溫會使其因缺少水分而枯萎，適宜的溫度是植物能成活的保障[20]。夏季植物蒸騰作用會消耗大量水分，雖然植物會通過閉合氣孔這種生理現(xiàn)象來調(diào)節(jié)蒸騰作用散失的水分，但若沒有持續(xù)的水分補給則植物會很快凋萎，可見持續(xù)的水分補給也是影響植物能否成活的關鍵因素[21]。

巖體內(nèi)的溫度一般在夏季和冬季會達到其極限值，且夏季植物蒸騰量最大，冬季巖體內(nèi)結(jié)冰可能會對植物根系造成凍傷乃至死亡，因此只要夏、冬兩季巖體內(nèi)的溫度和濕度條件可以滿足植物成活，就認為該巖體適合植物生長，故本文選取夏、冬兩個季節(jié)巖體內(nèi)溫度和濕度的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行研究。為了探究巖體內(nèi)的溫度及水分分布情況，本文在研究區(qū)設計了3個水平監(jiān)測孔(見圖3)，監(jiān)測孔深度設計為1#、2#孔深為5 m，3#孔深為2 m(考慮到成本以及隨深度的增加巖體內(nèi)的溫度對植物根系的影響逐漸降低等因素)，在每個監(jiān)測孔內(nèi)不同深度處安置溫濕度儀(見圖3中小黑點)，并對孔口做一定的防水處理。巖體內(nèi)的溫濕度監(jiān)測儀器選用DS-1923溫濕度紐扣式記錄儀，其工作時的溫度監(jiān)測范圍為-20℃～+85℃，絕對濕度監(jiān)測范圍為0%～100%RH，及巖體內(nèi)水汽的飽和狀態(tài)；溫度精度為0.062 5℃，濕度精度為0.04%RH。本次監(jiān)測試驗每個季節(jié)監(jiān)測7 d，篩選后(記錄儀器從監(jiān)測孔取出的時間，并以此時間為節(jié)點剔除該時間以后的數(shù)據(jù))一共得到91 553組溫度、濕度監(jiān)測數(shù)據(jù)。

圖3 研究區(qū)夏、冬季巖體內(nèi)溫度和濕度監(jiān)測孔位置分布示意圖

2.2.1 夏、冬季巖體內(nèi)溫度分布情況分析

為了探究巖體內(nèi)的溫度分布能否滿足巖質(zhì)邊坡覆綠植物的生長及成活要求，本文對研究區(qū)夏、冬季(夏季監(jiān)測時間為2017年6月17日至2017年6月23日，冬季監(jiān)測時間為2018年1月8日至2018年1月15日)各監(jiān)測孔7 d內(nèi)的溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)篩選后求其均值，其結(jié)果見表2和表3，研究區(qū)夏、冬季巖體內(nèi)平均溫度隨孔深的變化曲線，見圖4和圖5。

表2 研究區(qū)夏季巖體內(nèi)平均溫度的變化情況

表3 研究區(qū)冬季巖體內(nèi)平均溫度的變化情況

圖4 研究區(qū)夏季巖體內(nèi)平均溫度隨孔深的變化曲線

圖5 研究區(qū)冬季巖體內(nèi)平均溫度隨孔深的變化曲線

由表2和圖4可見，研究區(qū)夏季巖體內(nèi)20～400 cm深度范圍內(nèi)，隨著監(jiān)測孔深度的增加，巖體內(nèi)溫度逐漸降低，且溫度的變化率逐漸降低。這是因為：夏季外界氣溫高，太陽輻射強烈，巖體外部溫度上升快，熱量通過巖體與裂隙逐漸向巖體內(nèi)部傳遞，傳遞過程中熱量逐漸被消耗，故而隨著孔深的增加巖體內(nèi)溫度的變化率逐漸降低；夏季巖體外部溫度高，主要是巖體內(nèi)熱量累加的一個過程。

由表3和圖5可見，研究區(qū)冬季巖體內(nèi)20～400 cm深度范圍內(nèi)，由巖體內(nèi)部至巖體外部溫度逐漸降低，且溫度的變化率逐漸升高。這是因為：冬季外界氣溫低，太陽輻射弱，巖體外部溫度下降快，熱量通過巖體與裂隙逐漸向巖體外部傳遞，傳遞過程中溫度梯度逐漸變大，導致溫度變化率升高；冬季巖體外部溫度低，主要是巖體內(nèi)熱量耗散的一個過程。

為了研究巖體內(nèi)溫度的晝夜變化情況，本文對巖體種植孔內(nèi)溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)進行處理后，得到研究區(qū)夏、冬季巖體內(nèi)平均溫度的晝夜變化情況，見表4和表5。

由表4和表5可見，研究區(qū)夏季巖體內(nèi)平均溫度的晝夜變化不大，平均溫度的晝夜變化最大處為巖體內(nèi)20～30 cm深度處，溫度的變化率為0.03℃～0.38℃；冬季巖體內(nèi)平均溫度的晝夜變化最大處為巖體內(nèi)20 cm深度處，溫度的變化率為0.14℃～0.29℃。

表4 研究區(qū)夏季巖體內(nèi)平均溫度的晝夜變化情況

表5 研究區(qū)冬季巖體內(nèi)平均溫度的晝夜變化情況

由表2至表5可知，研究區(qū)夏季巖體內(nèi)平均溫度的變化范圍為18.60℃～28.23℃，冬季巖體內(nèi)平均溫度的變化范圍為5.42℃～15.65℃。在溫帶地區(qū)，冬季休眠期多年生植被根系對溫度的要求不低于2℃～4℃，夏季生長旺盛時期植物根系對溫度的要求溫度則不超過30℃[22]。一般植物的最適生長溫度為0℃～35℃之間[23]，如刺槐的極限耐受溫度為-35℃～35℃[24-25]。因此，巖體內(nèi)的溫度情況能夠滿足植物的成活要求。

2.2.2 夏、冬季巖體內(nèi)絕對濕度分布情況分析

(1) 夏、冬季巖體內(nèi)水汽運移情況分析：巖體內(nèi)部與外界大氣構(gòu)成一個開放系統(tǒng)，不停地進行著物質(zhì)與能量的交換，即水分與熱量的交換。巖體內(nèi)水汽的運移主要受到水汽分壓差的驅(qū)動，水汽由絕對濕度(即某溫度下的飽和水汽值乘以監(jiān)測所得對應溫度下的相對濕度)大的部位向絕對濕度小的部位運移，且在水汽運移過程中，絕對濕度小的部位水汽受到補給，在接受補給時水汽絕對濕度不斷升高，當水汽達到飽和狀態(tài)且有凝結(jié)核存在時，氣態(tài)水便會凝結(jié)形成液態(tài)水。為探究研究區(qū)巖體內(nèi)的水分分布狀況，對夏、冬季各監(jiān)測孔位7 d內(nèi)絕對溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)篩選后求其均值，并繪制研究區(qū)夏、冬季巖體內(nèi)絕對濕度隨孔深的變化曲線，見圖6和圖7。

圖6 研究區(qū)夏季巖體內(nèi)絕對濕度隨孔深的變化曲線

水在裂隙巖體非飽和帶中以多種形式存在，有氣態(tài)水、結(jié)合水、孔角毛細水、懸掛毛細水和過路重力水。生長在裂隙巖體內(nèi)的植物，能吸收利用其內(nèi)部的少量氣態(tài)水、毛細水和過路重力水，這些水分可以由大氣降水來補給，也可以由巖體內(nèi)的氣態(tài)水相互轉(zhuǎn)化來補給。

由圖6可見，研究區(qū)夏季巖體外部空氣的絕對濕度高，巖體內(nèi)水汽的運移方向主要由空氣中的絕對濕度大小來決定，巖體內(nèi)水汽由絕對濕度大的部位向絕對濕度小的部位運移。因此，夏季巖體內(nèi)的水汽運移情況是：水汽由巖體外部向巖體內(nèi)部運移，在水汽運移過程中伴隨著溫度由巖體外部至巖體內(nèi)部逐漸降低，水汽在達到飽和且有凝結(jié)核存在的條件下會凝結(jié)成液態(tài)水，其作為巖體的水分補給來源，可供植物吸收與利用。

圖7 研究區(qū)冬季巖體內(nèi)絕對濕度隨孔深的變化曲線

由圖7可見，研究區(qū)冬季巖體內(nèi)部空氣的絕對濕度高，由巖體內(nèi)部至巖體外部其空氣絕對濕度逐漸降低。因此，冬季巖體內(nèi)的水汽運移情況是：水汽由巖體內(nèi)部向巖體外部運移，在水汽運移過程中伴隨著溫度的降低，水汽會凝結(jié)成液態(tài)水，可供植物越冬吸收與利用。

(2) 夏、冬季巖體內(nèi)體積含水率計算：

巖體內(nèi)的氣態(tài)水轉(zhuǎn)化為液態(tài)水可為覆綠植物提供必要的水分來源。巖體內(nèi)體積含水率的計算公式為[26]

(1)

式中：WV(T)為巖體內(nèi)體積含水率(%);β(T)為液、氣密度組分比，β(T)=198 857.41×exp(-T/15.793 49)+2 323.367 8；α(T)為液、氣質(zhì)量組分比，α(T)=100 525×exp(-0.052T)；T為溫度(℃)。

根據(jù)公式(1)，研究區(qū)對夏、冬季巖體內(nèi)體積含水率進行計算，其計算結(jié)果見表6。

表6 研究區(qū)夏、冬季巖體內(nèi)體積含水率的計算結(jié)果

不同種類的植物所具備的抗旱能力差異性較大，已有研究指出當油松和華北落葉松所處的地下生境土壤含水率下降到4.4%和6.9%時苗木的根系活力降低，甚至造成苗木枯死[27]；而山杏和小葉錦雞兒成活所要求的最低土壤含水率分別為0.82%和0.87%[28]；1%的土壤含水率是樟子松幼苗的干旱脅迫臨界值[29-30]。

由表6可知，研究區(qū)裂隙巖體非飽和帶巖體內(nèi)體積含水率在夏、冬季均大于1%，也大于或接近部分植物存活的最小需水量。因此，若植物選擇正確，研究區(qū)內(nèi)高陡巖質(zhì)邊坡覆綠工作有很大可能取得成功并可實現(xiàn)后期人工養(yǎng)護較少甚至無人養(yǎng)護。

3 結(jié) 論

(1) 在高陡巖質(zhì)邊坡條件下影響植物成活的主要生態(tài)因子為巖體裂隙因子、巖體內(nèi)的溫度因子、巖體內(nèi)的絕對濕度因子。

(2) 裂隙是植物根系在巖體上唯一的生長空間，且是植物生長所需的水分和養(yǎng)分的儲存與運移的場所，認為巖體體裂隙率達到1.77%～4.58%時，能滿足覆綠植物的生長需求，較適宜覆綠植物成活。

(3) 溫度過高或過低都會影響植物的生長發(fā)育，植物只有在其適宜的溫度范圍內(nèi)才能正常生長。巖體內(nèi)夏、冬季的極限溫度分別約為28℃、5℃，均能滿足植物的生長。

(4) 研究區(qū)裂隙巖體非飽和帶巖體內(nèi)的體積含水率均大于1%，大于某些耐旱植物成活對其所處地下生境土壤含水率的要求。同時，裂隙巖體內(nèi)部大量的水汽會做規(guī)律性的遷移運動，并伴隨著水、汽的相互轉(zhuǎn)化，且隨著氣態(tài)水向液態(tài)水轉(zhuǎn)化過程的不斷進行，就會有液態(tài)水產(chǎn)生，可對裂隙巖體非飽和帶水分進行補充，這成為非飽和帶裂隙巖體重要的水分來源。