露天礦山高陡巖質(zhì)邊坡生態(tài)修復(fù)技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

李予紅，趙金召，張萬河，郭 睿，南貴軍，李艷晨

河北省地礦局國(guó)土資源勘查中心，河北 石家莊 050081

石材開采在促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時(shí)，也形成了大量的高、陡、裸露的巖質(zhì)邊坡，導(dǎo)致礦區(qū)土地資源遭受破壞、植被群落的多樣性喪失、水土流失嚴(yán)重、嚴(yán)重破壞了地貌景觀、增大了空氣中PM2.5和PM10含量、誘發(fā)了礦山地質(zhì)災(zāi)害[1]等一系列生態(tài)環(huán)境災(zāi)難[2]，嚴(yán)重影響和制約了生態(tài)環(huán)境與人類社會(huì)的和諧發(fā)展[3]。國(guó)內(nèi)大多閉坑和歷史遺留的石灰?guī)r礦，其形成的立地條件極差的裸露高陡巖質(zhì)邊坡沒有進(jìn)行有效的修復(fù)，造成極差的視覺效應(yīng)，嚴(yán)重影響城市形象，“三區(qū)兩線”附近的“白茬山”問題更為突出，黨的十九大提出了“綠水青山就是金山銀山”的口號(hào)，因此，開展高陡巖質(zhì)邊坡治理工作已亟不可待。

由于高陡巖質(zhì)邊坡高差大，坡度陡，坡面長(zhǎng)，坡面溫差變化幅度快且大、以及植物根系生長(zhǎng)空間的受限等，所以復(fù)綠極其困難[4-5]。目前，高陡裸露巖質(zhì)邊坡復(fù)綠技術(shù)主要借鑒較為成熟的公路、鐵路邊坡復(fù)綠技術(shù)[6-7]，如客土噴播技術(shù)[8]、植生袋技術(shù)[9-10]、三維植被網(wǎng)噴播技術(shù)[11-12]、飄臺(tái)法、植被混凝土生態(tài)防護(hù)技術(shù)[13-14]、爆破燕窩生態(tài)重建技術(shù)[15]、藤本垂直綠化技術(shù)[16]等。但是以上各復(fù)綠技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中大多存在成本高、難度大、后期管護(hù)困難的問題，在自然條件下難以達(dá)到持久綠化的效果。對(duì)于高陡巖壁復(fù)綠，應(yīng)在調(diào)查礦區(qū)土壤、植被、地質(zhì)、構(gòu)造、水文、氣候氣象等條件的基礎(chǔ)上，充分考慮高陡巖壁的坡度、坡向、高差、坡面基巖裂隙的發(fā)育特征、植被群落的選擇及后期管護(hù)問題。本研究將對(duì)國(guó)內(nèi)外常用的生態(tài)修復(fù)技術(shù)進(jìn)行歸納總結(jié)，并從植被地境重塑技術(shù)、坡面復(fù)綠技術(shù)、植被的選擇及后期養(yǎng)護(hù)技術(shù)等方面對(duì)高陡巖質(zhì)邊坡的生態(tài)恢復(fù)技術(shù)進(jìn)行探討，以期為今后的高陡巖壁修復(fù)工作提供一些依據(jù)。

1 研究現(xiàn)狀

1.1 植被地境重塑技術(shù)

植被地境重塑技術(shù)是充分利用人工造孔和巖體裂隙為植被營(yíng)造地境條件。植被生長(zhǎng)需要適宜的地下生境條件，包括生長(zhǎng)空間、水肥和溫濕度等條件，良好的地境有助于形成開放的生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)[17]。國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)地境重塑技術(shù)進(jìn)行了持續(xù)不斷的探索。蘇繪夢(mèng)等[18]通過分析巖基巖裂隙內(nèi)根系生長(zhǎng)的地境條件，發(fā)現(xiàn)植被根系形態(tài)隨裂隙的形狀呈扁平狀發(fā)育，而且裂隙內(nèi)的地境條件能夠滿足某些植被生長(zhǎng)發(fā)育的需求；王帥等[19]研究了植被生長(zhǎng)的地境特征，結(jié)果顯示：裂隙率大且貫通性好的巖質(zhì)邊坡，能夠滿足植物根系生長(zhǎng)需要的空間、養(yǎng)分、水汽交換等條件，同時(shí)溫度和水分也能滿足植物正常的生理需求；吳楊等[20]采用的生態(tài)重建方案與巖體質(zhì)量等級(jí)及節(jié)理、裂隙發(fā)育情況相適應(yīng)，在礦區(qū)的不同區(qū)域進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：平臺(tái)治理前期采用林、草相結(jié)合，待土壤熟化后，可種植經(jīng)濟(jì)作物，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。河北省地礦局第二地質(zhì)大隊(duì)通過在高陡巖質(zhì)邊坡上鉆設(shè)傾角為45°、孔徑為150 mm、孔深為500 mm的植生孔，用配有肥料、保水劑的客土回填孔洞，孔內(nèi)種植當(dāng)?shù)氐墓嗄?、藤蔓、雜草。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，重塑地境的溫度、濕度、含水量、養(yǎng)分等條件能充分滿足不同季節(jié)植被的生長(zhǎng)發(fā)育需要。該技術(shù)為高陡巖質(zhì)邊坡的治理提供了嶄新的思路。

1.2 坡面復(fù)綠技術(shù)

國(guó)外的學(xué)者們?cè)诟叨笌r質(zhì)邊坡生態(tài)修復(fù)方面研究的起步較早，已形成了適合當(dāng)?shù)氐男迯?fù)方法與思想理念[21]。國(guó)內(nèi)對(duì)高陡巖質(zhì)邊坡綠化技術(shù)的研究近幾年才開始，但是發(fā)展速度較快。

1.2.1 液壓噴播技術(shù)

該技術(shù)是將催芽后的種子與一定比例的水、纖維、保水劑、黏合劑、緩釋肥和腐殖土混合攪拌，然后利用噴播機(jī)將漿體混合物噴到坡面的綠化方法[22]。該技術(shù)具有機(jī)械化程度高、綠化速度快、工作效率高等優(yōu)點(diǎn)[23]。周利民[24]將該技術(shù)應(yīng)用到飛來峽水利樞紐工程開挖的典型坡面，取得了良好的生態(tài)效益；楊承祥等[25]將該技術(shù)應(yīng)用于露天銅礦邊坡綠化中，取得了良好的綠化效果。

1.2.2 三維植被網(wǎng)噴播技術(shù)

該技術(shù)是在土工合成材料中加入活性植被，在高陡巖質(zhì)坡面構(gòu)建一個(gè)適合植被生長(zhǎng)的環(huán)境，利用植被生長(zhǎng)根系的加筋作用對(duì)巖質(zhì)邊坡進(jìn)行加固[26]。劉曉鵬[27]、羅藝偉等[28]分別在巖質(zhì)邊坡的生態(tài)防護(hù)中對(duì)該技術(shù)的施工過程及工藝要點(diǎn)進(jìn)行了分析；程曄等[29]、李連勝等[30]認(rèn)為，該技術(shù)有效降低了坡面的水土流失；顧晶[31]、周海波等[32]在高速公路沿線邊坡生態(tài)防護(hù)工程中應(yīng)用了此技術(shù)，并取得了較好的生態(tài)效果。

1.2.3 厚層基材噴播技術(shù)

該技術(shù)是在坡面上噴射混有種子和防侵蝕材料的厚層基質(zhì)材料，形成一層適宜植被生長(zhǎng)且性能穩(wěn)定的基材層[33]。余海龍等[34]、田青懷等[35]、朱浩等[36]、夏明強(qiáng)[37]、卿翠貴等[38]在巖質(zhì)邊坡生態(tài)修復(fù)工程中應(yīng)用了該技術(shù)，其生態(tài)防護(hù)效果較好，該技術(shù)對(duì)巖質(zhì)邊坡綠化具有一定的指導(dǎo)意義。

1.2.4 植被混凝土防護(hù)技術(shù)

該技術(shù)是將植物種子、普通硅酸鹽水泥、土壤、養(yǎng)分、保水劑等混合，然后通過噴混機(jī)械噴射到巖質(zhì)坡面上，種子可以在空隙中生根發(fā)芽且具有較強(qiáng)的抗沖刷能力。其具有機(jī)械化程度高、效率高、后期養(yǎng)護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)，集生物工程、景觀生態(tài)學(xué)等學(xué)科于一體的生物學(xué)、土壤學(xué)、巖石力學(xué)、綜合生態(tài)與環(huán)保技術(shù)[39]。該技術(shù)自20世紀(jì)90年代中期引入我國(guó)，并在生態(tài)防護(hù)工程中得到了廣泛的應(yīng)用。趙春權(quán)[40]、王耀建等[41]、閆新亮等[42]、梁超賢等[43]將該技術(shù)用于高陡邊坡工程的生態(tài)防護(hù)工作中，在迅速?gòu)?fù)綠和防止水土流失方面取得了良好的效果。

1.2.5 藤本護(hù)坡技術(shù)

該技術(shù)是在惡劣的立地條件下設(shè)置種植槽，在槽內(nèi)種植攀援類植物，利用攀援類植物吸附和纏繞的生長(zhǎng)方式，達(dá)到垂直綠化的目的。張博文[44]、張朝陽[45]、王永林[46]、李德寧[47]、秦吉中[48]等研究了攀援類植物在邊坡綠化中的適應(yīng)性與生態(tài)效應(yīng)，結(jié)果表明藤本植物可作為高陡巖質(zhì)邊坡的先鋒植物。

1.2.6 生態(tài)防護(hù)植物纖維毯技術(shù)

生態(tài)防護(hù)植物纖維毯其定義為“用于土壤、地基、巖石、土地或者任何巖土工程相關(guān)的有滲透性的紡織品”[49]，由自然材料或人工合成材料制成[50]。顧小華[51]等研究發(fā)現(xiàn)，植被毯在高速公路邊坡治理中有良好的生態(tài)防護(hù)效果；李宏鈞[52]等比較不同類型植物纖維毯在生態(tài)護(hù)坡方面的特點(diǎn)，分析了目前研究存在的不足和未來發(fā)展的前景；劉宏遠(yuǎn)[53]等研究表明，植物纖維毯可以改良土壤，降低土壤侵蝕，增加入滲，減少產(chǎn)流，改善土壤理化性質(zhì)；岳桓陛[54]等研究發(fā)現(xiàn)，在邊坡綠化中麥秸稈植被毯比椰絲纖維植被毯入滲性能更好，建議施工中使用300 g/m2的麥秸稈植被毯。

1.3 植被群落選擇

植被群落是指共同生活在同一區(qū)域的植被集合體，它是個(gè)體之間通過合作與競(jìng)爭(zhēng)等相互作用形成的組合。袁磊[55]等對(duì)生態(tài)修復(fù)過程中的植物群落與地下生境特征進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：格構(gòu)+生態(tài)袋+掛網(wǎng)噴播工藝具有顯著優(yōu)勢(shì)，同時(shí)具有安全、美觀、植被種類多，但是同時(shí)存在施工難度大，成本高等缺點(diǎn)；閆燁琛[56]等對(duì)經(jīng)過植被修復(fù)的廢棄地土壤物理性質(zhì)進(jìn)行了研究評(píng)價(jià)；林楊[57]等研究了3種不同生境的植物群落結(jié)構(gòu)、生活型、重要值特征、多樣性現(xiàn)狀以及群落間的相似性程度；張博文[58]等在某采石場(chǎng)廢棄地不同立地條件下進(jìn)行了綜合植被恢復(fù)，研究表明，藤本植物在高陡巖質(zhì)邊坡種植槽內(nèi)和平臺(tái)上生長(zhǎng)迅速，可作為綠化先鋒植被。

選擇修復(fù)植被群落的合理性是人工向自然植被演替的關(guān)鍵因素[59-60]。高陡巖質(zhì)邊坡由于其立地條件改善不明顯，造成植被群落結(jié)構(gòu)單一、植物死亡快等問題，難以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期的邊坡綠化效果。在生態(tài)修復(fù)工程完工后初期，植被生長(zhǎng)狀況較好，郁閉度較高。但是，隨著時(shí)間不斷推移，植物群落種類下降，植被趨于單一，最終穩(wěn)定的植物群落難以形成。其主要原因是草、灌和藤條的合理組合考慮較少。在治理后的早期階段，草本植物受藤蔓和灌木的影響較小。因?yàn)椴荼局参锏脑缙谏L(zhǎng)會(huì)迅速消耗土壤中的養(yǎng)分，不利于藤蔓和灌木的后期生長(zhǎng)，因此，以后噴灑基質(zhì)中草本植物的播種比例不宜過多地高于藤蔓和灌木，否則會(huì)嚴(yán)重影響藤蔓和灌木的初始生長(zhǎng)。隨著復(fù)綠植被的生長(zhǎng)發(fā)育，植被逐漸改善高陡巖質(zhì)邊坡原有的立地條件，同時(shí)促進(jìn)陰性植物的入侵、定居，進(jìn)而提高高陡巖質(zhì)邊坡物種的多樣性。由此可建立連續(xù)演替的植被群落，最終達(dá)到在自然條件下長(zhǎng)期復(fù)綠的效果。

1.4 后期管護(hù)技術(shù)

后期管護(hù)包括澆水、施肥、病蟲防治等。澆水的原則是澆水量應(yīng)大于植物蒸騰量、正常代謝用水量和地表蒸發(fā)量的總和。當(dāng)植被長(zhǎng)至三葉期后開始逐漸控水，有計(jì)劃地減少澆水量[62]，刺激根系向深部生長(zhǎng)，培養(yǎng)出強(qiáng)大的根系，提高植被的抗旱性，同時(shí)干爽的地面能防止病害的發(fā)生。為便于水汽交換，應(yīng)在干透后澆透，以此來刺激深層根的發(fā)育。夏季溫度高，地面水分蒸發(fā)量和樹葉蒸騰量大，應(yīng)及時(shí)澆水。

施肥的原則是根據(jù)不同植物的生長(zhǎng)特性及同種植物不同生長(zhǎng)階段確定施肥量，在噴播基質(zhì)時(shí)加入底肥，緩釋復(fù)混肥的用量為30～40 g/m2，追肥要掌握種類、時(shí)間、數(shù)量和方法[63]。應(yīng)在外部環(huán)境條件（溫度和濕度）最適宜植被生長(zhǎng)的時(shí)間施肥，施肥數(shù)量的多少取決于植被種類、覆土的質(zhì)地、季節(jié)和植被的生理特性。施肥的季節(jié)一般為春季氣溫開始回升時(shí)和晚秋季節(jié)，春季植被開始萌芽，一般使用緩釋復(fù)混肥2.5～3.5 g/m2，以促進(jìn)冷季性草快速萌動(dòng)[64]，為保證植被安全越冬，可在晚秋施用緩釋復(fù)肥促進(jìn)根系生長(zhǎng)。

“水肥一體化”是將肥料溶解在水中，以溶液的形式對(duì)植被進(jìn)行灌溉。根據(jù)植被的生長(zhǎng)特征，對(duì)土壤的水分和養(yǎng)分進(jìn)行精準(zhǔn)管控，實(shí)現(xiàn)水肥一體化，提高水肥的利用率[65]。水肥一體化不僅可以提高水分和養(yǎng)分的利用率，還能保證不同植被、不同生長(zhǎng)期所需養(yǎng)分的調(diào)節(jié)，改善土壤狀況，有效地管控植被生長(zhǎng)。

傳統(tǒng)的病蟲防治措施主要為噴灑化學(xué)藥劑，在植被進(jìn)入生長(zhǎng)旺盛期之前進(jìn)行病蟲害的防治，即植被臨發(fā)病前噴適量的波爾多液或甲基托布津或多菌靈1次，以后每隔2周噴1次，連續(xù)噴3～4次。在診斷病害起因、確定病原菌種類、了解病害發(fā)生發(fā)展規(guī)律的基礎(chǔ)上采用對(duì)該種病原菌采用有效的防治手段。常見的害蟲防治方法有藥劑防治、人工防治、物理防治、摘除卵塊、滅殺幼蟲、誘殺成蟲和生物防治相結(jié)合。

2 不足分析

目前，高陡巖質(zhì)邊坡生態(tài)修復(fù)中多追求綠化速度，而對(duì)修復(fù)后期植被如何在自然狀態(tài)下長(zhǎng)期存活考慮較少，后期管護(hù)工作不到位，最終會(huì)出現(xiàn)在工程竣工后初期的綠化效果較好，植物生長(zhǎng)旺盛，水土保持好，但后期景觀效果在自然狀態(tài)下維持的時(shí)間太短。同時(shí)由于工程造價(jià)高、后期管護(hù)困難、復(fù)綠植物種類較單一、死亡快，很難形成與周邊環(huán)境相協(xié)調(diào)的穩(wěn)定植物群落。最終導(dǎo)致生態(tài)修復(fù)工作失敗。

3 發(fā)展趨勢(shì)與展望

（1）構(gòu)建能夠滿足植物的地境需求是高陡巖質(zhì)邊坡生態(tài)技術(shù)修復(fù)成功與否的關(guān)鍵因素之一，如何根據(jù)地層產(chǎn)狀、巖石構(gòu)造、裂隙發(fā)育特征、坡面形態(tài)、以及鉆機(jī)制孔等人工技術(shù)手段對(duì)高陡巖質(zhì)邊坡的地境進(jìn)行重塑，這方面的研究尚需完善與發(fā)展。

（2）是否能夠形成長(zhǎng)期穩(wěn)定的植被群落是高陡巖質(zhì)邊坡生態(tài)技術(shù)修復(fù)成效的關(guān)鍵因素，如何根據(jù)礦區(qū)所處地區(qū)的土壤、植被、地質(zhì)、水文、氣候等條件，構(gòu)建適當(dāng)配比的本土植被（灌、草、藤）是形成穩(wěn)定群落的前提。

（3）后期管控在高陡巖質(zhì)邊坡修復(fù)中的應(yīng)用仍然需要研究和實(shí)踐。其中水肥一體化、節(jié)水灌溉技術(shù)以及生物防護(hù)工作可以極大地節(jié)約管護(hù)成本，同時(shí)也是綠化植被長(zhǎng)期持續(xù)生長(zhǎng)的關(guān)鍵因素之一。