高寒灌叢草甸區(qū)的棄渣體場(chǎng)地生態(tài)修復(fù)技術(shù)研究

宋詞,鄭光玉,黃炬斌,黎灝,陳暢,羅運(yùn)武 ,吳展波

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都 610031)

川藏鐵路新建正線長(zhǎng)度1 011 km，在高寒灌叢草甸區(qū)受地勢(shì)高、日照強(qiáng)、風(fēng)力大、氣溫低等環(huán)境制約，植被稀疏、生長(zhǎng)緩慢、演替過(guò)程漫長(zhǎng)。鐵路建設(shè)中將會(huì)產(chǎn)生大量棄渣，裸露的棄渣場(chǎng)表面植被恢復(fù)困難，極易造成生態(tài)環(huán)境迅速惡化。為了把鐵路建設(shè)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成的影響降至最低，應(yīng)充分利用鄉(xiāng)土植被配置適宜的群落結(jié)構(gòu)模式[1]，科學(xué)確定生態(tài)修復(fù)技術(shù)方案，力求通過(guò)人工修復(fù)與自然恢復(fù)措施相結(jié)合的前提下，使受損區(qū)生態(tài)系統(tǒng)演替向著植被健康、功能完整、景觀協(xié)調(diào)和可持續(xù)的方向發(fā)展。

1 棄渣場(chǎng)概況

1.1 棄渣場(chǎng)的形成

在道路和水利工程等基礎(chǔ)建設(shè)中，因工程填方量遠(yuǎn)小于其挖方量以及施工單位缺乏統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，土石方調(diào)配失衡，往往會(huì)形成大量棄渣堆積而成的棄渣場(chǎng)[2]。川藏鐵路雅安至林芝段新建正線長(zhǎng)度1 011 km，其中雅安至昌都新建長(zhǎng)度639 km，昌都至林芝新建長(zhǎng)度372 km。全線共布設(shè)棄渣場(chǎng)208處，共占地2 369.79 hm2，總棄渣量達(dá)11 068×104m3。其中主體工程棄渣9 701×104m3，施工道路棄渣1 367×104m3，雅安至昌都段、昌都至林芝段棄渣場(chǎng)總面積分別為1 647.06 hm2、722.73 hm2。鐵路工程帶來(lái)的巨量棄渣產(chǎn)出與永久堆棄勢(shì)必會(huì)影響環(huán)境，擠占河床、溝道，損害周邊居民的利益，并且?guī)?lái)一系列生態(tài)地質(zhì)問(wèn)題。

1.2 棄渣堆放帶來(lái)的生態(tài)地質(zhì)問(wèn)題

棄渣場(chǎng)大多由棄渣自然堆積而成，其占用了大量土地并將原有地表植被破壞，從而導(dǎo)致棄渣場(chǎng)表面土地裸露，項(xiàng)目區(qū)植被覆蓋率降低。棄渣的堆積改變了局部地形地貌，一些坡度較大且無(wú)碾壓處理的邊際坡為主要的安全隱患區(qū)，在外力作用下易發(fā)生滑塌、坡面水土流失[2,3]。

高寒山區(qū)的自然條件與低海拔地區(qū)迥異，光照強(qiáng)，植物生長(zhǎng)期短，降水集中且土壤基質(zhì)缺乏。在這種環(huán)境條件下，多數(shù)植物難以在棄渣堆放后的次生裸地定著生長(zhǎng)，若不進(jìn)行一定的生態(tài)修復(fù)將會(huì)加劇渣場(chǎng)的水土流失，進(jìn)而導(dǎo)致渣體松散、滑塌引起下游河道淤塞、水體污染等，導(dǎo)致項(xiàng)目區(qū)生態(tài)環(huán)境受到嚴(yán)重破壞[4,5]。

2 棄渣場(chǎng)生態(tài)修復(fù)技術(shù)

2.1 生態(tài)恢復(fù)關(guān)鍵制約因子

高寒灌叢草甸分布在中國(guó)青藏高原的東部及其周圍的高山，高寒草甸的下部與高寒灌叢呈復(fù)合分布，上部與高寒墊狀植被接壤，一般海拔3 500～5 000 m。

2.2 生態(tài)修復(fù)技術(shù)和方法

高寒灌叢草甸區(qū)的生態(tài)修復(fù)技術(shù)主要包括原有植被移植利用技術(shù)和建植修復(fù)技術(shù)。由于棄渣場(chǎng)缺乏生態(tài)修復(fù)所需的土壤條件，因此必須進(jìn)行表土保護(hù)和土壤改良，根據(jù)生態(tài)修復(fù)的群落模式，進(jìn)行科學(xué)合理安排。

2.2.1 高寒區(qū)草皮移植技術(shù)

草皮移植技術(shù)適用于多年生高原植被的移養(yǎng)、再植，能利用原有草皮及時(shí)恢復(fù)高原植被，防護(hù)渣場(chǎng)邊坡，保護(hù)高原生態(tài)環(huán)境。它要求移植的植被根系較發(fā)達(dá)、植株較密集、固土性較好、易切塊成型、便于搬運(yùn)和再植。草皮移植技術(shù)一般包含掘取草皮—移養(yǎng)保存—回鋪草皮—養(yǎng)護(hù)監(jiān)測(cè)等步驟(圖1)。

圖1 高寒區(qū)草皮移植流程圖

(1) 剝離草皮

草皮的移植應(yīng)盡量選在草地植物貯藏營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量相對(duì)較高的分蘗期與結(jié)實(shí)期，一般為每年的5～8月之間。在植被的移養(yǎng)再植過(guò)程中，盡量選擇氣候較濕潤(rùn)、降雨較豐富的季節(jié)，便于移養(yǎng)后植被的成活。植被挖取應(yīng)防止分塊過(guò)小容易干裂導(dǎo)致植被枯死，同時(shí)為便于搬運(yùn)，根據(jù)植物根系深淺剝離厚度控制在25～55 cm，以保證根系完整并與土壤良好結(jié)合為原則，確保移養(yǎng)植被具有足夠的養(yǎng)分來(lái)源。

(2) 移養(yǎng)和保存草皮

旱地植被可在一般旱地中選擇區(qū)域移養(yǎng)，濕地植被大多只宜在濕地中移養(yǎng)。上層植被移養(yǎng)再植后，應(yīng)及時(shí)清除原生植被上的腐殖土，恢復(fù)其原有的生長(zhǎng)環(huán)境。植被的養(yǎng)護(hù)時(shí)間應(yīng)盡量縮短，一方面可減少工程費(fèi)用支出，提高植被的成活率和利用率；另一方面也應(yīng)充分考慮移養(yǎng)植被下原有植被的生長(zhǎng)狀況，避免因上層植被長(zhǎng)期移養(yǎng)導(dǎo)致下層植被死亡。

草皮的保存方式有3種：①平鋪存放，適用于不影響工程施工和交通運(yùn)輸?shù)目臻e區(qū)域。②疊置存放，適用于掘取的草皮存放時(shí)間3 個(gè)月以內(nèi)的區(qū)域。③草支架架空存放，適用于施工期較長(zhǎng)(約1 a)、場(chǎng)地有限的區(qū)域。

平面阻尼型欠驅(qū)動(dòng)夾持器各結(jié)構(gòu)參數(shù)的含義及初始值如表1所示。其中，為了使桿5在兩點(diǎn)夾持狀態(tài)時(shí)于任意時(shí)刻均保持垂直狀態(tài)，需滿足：l0=l3，l4=lr，γ=90°+β。因四邊形ACDE是平行四邊形，根據(jù)幾何關(guān)系，l2可由其余結(jié)構(gòu)參數(shù)確定，如式(4)所示：

(3) 回鋪草皮

海拔4 800～5 000 m的高寒草甸區(qū)，移植時(shí)間宜選擇在6～7月氣溫較高時(shí)進(jìn)行。原有植被下的有機(jī)土對(duì)植被的移植成活十分重要，草皮取走后，應(yīng)將草皮下的散土清除堆放，以便回鋪草皮時(shí)使用?；劁伈萜r(shí)，應(yīng)盡量避免過(guò)分地伸展和撕裂，頂面要求平順，草隙用腐殖土填塞，起到根部保濕和銜接土壤的作用。

(4) 養(yǎng)護(hù)和監(jiān)測(cè)

應(yīng)根據(jù)實(shí)際環(huán)境條件和移植植被生長(zhǎng)發(fā)育的季節(jié)需要，及時(shí)對(duì)移養(yǎng)植被進(jìn)行澆水、施肥養(yǎng)護(hù)，以滿足植被對(duì)水分和營(yíng)養(yǎng)的需要，避免因土壤干裂導(dǎo)致植被死亡。草皮從鋪裝到適應(yīng)坡面生長(zhǎng)環(huán)境期間一般需養(yǎng)護(hù)一個(gè)月左右，每天都需要灑水，每次灑水量以保持土壤濕潤(rùn)為原則，每日灑水次數(shù)視土壤濕度而定，還應(yīng)根據(jù)草皮的長(zhǎng)勢(shì)適當(dāng)施肥。另外，夏季光照強(qiáng)，需用加厚遮陽(yáng)網(wǎng)遮蓋草皮，防止被曬死；冬季氣候寒冷，需用透明塑料布遮蓋，預(yù)防霜凍。

2.2.2 高寒區(qū)灌叢保存和利用技術(shù)

高寒灌叢主要類型為杜鵑灌叢、繡線菊灌叢、高山櫟灌叢和香柏灌叢。其中，杜鵑灌叢分布面積最廣、海拔最高，植株高度多在40 cm以下，且多分布在高丘區(qū)的陰坡地段，而香柏灌叢則分布在陽(yáng)坡地段。

高寒灌叢植被剝離后的保存應(yīng)當(dāng)與其生理生態(tài)要求相適應(yīng)，有條件時(shí)，即使是香柏灌叢等陽(yáng)坡生長(zhǎng)的物種也應(yīng)當(dāng)存放在陰坡；無(wú)條件時(shí)，則應(yīng)鋪設(shè)遮陽(yáng)網(wǎng)，減少輻射脅迫。剝離的灌叢苗木根系和枝條下部埋入土中，定期澆水，進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。灌叢苗木回植時(shí)，在開挖好的溝中土壤加入保水劑、菌肥、營(yíng)養(yǎng)土以及生根粉等材料，土壤回填，踏實(shí)，澆透水。苗木種植溝之間間隔50 cm左右，溝間可覆蓋草墊子或者塑料薄膜，提高土壤溫度，加速苗木生長(zhǎng)。1～2 a后去除薄膜和草墊子，讓自然中的草種和灌木種子能發(fā)芽和定植到這些間隙中。

3 高寒灌叢草甸區(qū)生態(tài)修復(fù)方案

3.1 表土壤基質(zhì)的保育利用方案

棄渣場(chǎng)堆放前，應(yīng)加深剝離、收集表土層土壤，作為后續(xù)棄渣場(chǎng)恢復(fù)植物的種植土壤。根據(jù)各區(qū)域的土壤厚度不同及表土壤的肥力特征，高寒灌叢草甸區(qū)取土厚度可取30～40 cm，同時(shí)需采取臨時(shí)防護(hù)措施對(duì)剝離表土進(jìn)行防護(hù)。

表土堆放場(chǎng)按四邊形設(shè)置，表土按上窄下寬的形式拍實(shí)堆放，周圍采用編織袋裝表土作為臨時(shí)堆放場(chǎng)的圍堰防護(hù)。圍堰朝向公路處設(shè)置表土堆放場(chǎng)入口，寬為3.5～4 m，方便車輛進(jìn)入；圍堰四角安裝4個(gè)固定裝置，防水材料固定在4個(gè)固定裝置上，固定裝置為現(xiàn)場(chǎng)伐倒的樹木制作成的木棒；堆放場(chǎng)周圍挖一圈排水溝進(jìn)行排水，防止徑流沖刷；表土層土壤收集操作結(jié)束后對(duì)臨時(shí)堆放區(qū)采取撒播黑麥草、紫羊茅等植物進(jìn)行前期綠化防護(hù)，并覆蓋無(wú)紡布防護(hù)，防止雨水沖刷(圖2)。

圖2 表土臨時(shí)堆放場(chǎng)防護(hù)設(shè)計(jì)示意圖

3.2 深層次生土基質(zhì)改良利用方案

土壤熟化和培肥問(wèn)題是棄渣地植被復(fù)墾的根本，只有提高了土壤肥力，才能真正為以后植被的定植和生長(zhǎng)打下良好的基礎(chǔ)。但新建川藏鐵路產(chǎn)生的棄渣量十分巨大，需要的客土資源多，因此除了盡量利用熟化程度較高的表土資源外，對(duì)于深層次的生土也必需充分地利用和改良。

深層次生土基質(zhì)可按照以下方案進(jìn)行基質(zhì)改良利用：①客土復(fù)墾土壤改良法，即時(shí)采用淹沒(méi)地的土壤作為客土資源，覆蓋約50 cm厚度有生產(chǎn)能力的土壤，并通過(guò)一些土壤改良措施，直接對(duì)棄渣地進(jìn)行植物栽培等綜合利用；②化學(xué)肥料法，配合施用氮、磷、鉀化學(xué)肥料顯著提高基質(zhì)肥力；③有機(jī)改良物法，利用污水污泥、生活垃圾、泥炭及動(dòng)物糞便作為有機(jī)改良物進(jìn)行基質(zhì)改良；④淋溶法，人工灌溉含酸、堿、鹽分及金屬含量過(guò)高的棄渣地，緩解棄渣地的酸堿性、鹽度和金屬的毒性；⑤生物土壤改良法，利用生物固氮作用，引入綠肥作物和豆科作物進(jìn)行棄渣地基質(zhì)改良和植被恢復(fù)。

根據(jù)區(qū)域特點(diǎn)，高寒灌叢草甸區(qū)的棄渣體場(chǎng)地生態(tài)修復(fù)配置灌草模式，下層使用約40 cm厚度的客土“生土”，表層覆蓋前期剝離厚度約20 cm厚度的原生境土壤，共覆蓋種植土厚約60 cm。

3.3 植物群落配置方案設(shè)計(jì)

(1) 物種選取原則

高寒高海拔地區(qū)具有冬季嚴(yán)寒、年積溫較低、降水較少且集中、植物生長(zhǎng)季短、生物多樣性相對(duì)較差等特點(diǎn)，選擇植物時(shí)應(yīng)遵循以下原則：①本土性原則：應(yīng)選擇本土的物種，以適應(yīng)當(dāng)?shù)氐淖匀画h(huán)境，盡量滿足修復(fù)植被與原有植被相協(xié)調(diào)。同時(shí)應(yīng)避免大量引進(jìn)外來(lái)物種，尤其是入侵性強(qiáng)的物種，降低物種入侵風(fēng)險(xiǎn)。②多樣性原則：穩(wěn)定的植物群落一般由喬、灌、草等多種物種組成，單一的物種難以形成穩(wěn)定的植物群落。在物種選擇時(shí)應(yīng)注重垂直結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，避免單一物種的使用，盡量應(yīng)減小種間競(jìng)爭(zhēng)。③功能性原則：物種篩選應(yīng)兼顧生態(tài)修復(fù)前期的景觀綠化效果，及生長(zhǎng)后期的植被護(hù)坡功能，降低水土流失風(fēng)險(xiǎn)，發(fā)揮所選植物自身的生態(tài)調(diào)節(jié)作用和生態(tài)服務(wù)功能[6]。

(2) 群落配置方案

根據(jù)工程區(qū)的氣候和當(dāng)?shù)刂脖惶攸c(diǎn)，遵循生態(tài)學(xué)的生態(tài)位原理、生態(tài)適應(yīng)性原理、生物多樣性原理及群落演替理論等采用植物生態(tài)型搭配。結(jié)合具體的立地條件，針對(duì)不同植物在高寒地區(qū)的適宜性，構(gòu)建能夠一定程度克服修復(fù)難點(diǎn)的群落配置模式。通過(guò)實(shí)地調(diào)查和研究比選，高寒灌叢草甸區(qū)選擇草灌型植物群落配置，草本、灌叢植物混種。草種選擇披堿草、賴草、冷地早熟禾、中華羊茅、黑麥草；灌木選擇錦雞兒、沙棘、金露梅、黃花木。因修復(fù)初期草本植物生長(zhǎng)較快，在栽種時(shí)應(yīng)合理布局，滿足各類植物生長(zhǎng)空間。

4 結(jié)論

高寒灌叢草甸區(qū)寒冷、干旱、風(fēng)大、紫外線強(qiáng)，植物生長(zhǎng)緩慢，且具有較長(zhǎng)的冰凍低溫期和較短的生長(zhǎng)季。棄渣體場(chǎng)地土壤瘠薄，植被自然恢復(fù)難度極大，本文建議采用草皮、灌叢等移植修復(fù)技術(shù)和鄉(xiāng)土物種建植修復(fù)技術(shù)，充分利用原有植被等資源，恢復(fù)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)。由于棄渣場(chǎng)缺乏生態(tài)修復(fù)所需的土壤條件，因此須在棄渣堆放前，將棄渣占地區(qū)內(nèi)的表土剝離并用于后期植被恢復(fù)，同時(shí)還應(yīng)進(jìn)行深層次土基質(zhì)改良利用，根據(jù)立地及土壤條件、適生物種及其栽植方式，配置合適的植物群落結(jié)構(gòu)，制定棄渣體場(chǎng)地科學(xué)合理、切實(shí)可行的生態(tài)修復(fù)方案。