穩(wěn)定巖質(zhì)邊坡陡巖的植被護(hù)坡可行性研究

高素芳 盛志戰(zhàn) 吳曉媧 王勇 劉青松 胡高偉

（北京市勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司 北京 100038）

0 引言

在我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展形勢(shì)下，建筑、礦山、水利和能源等基礎(chǔ)設(shè)施大多是以破壞地表生態(tài)為特征的建設(shè)項(xiàng)目，對(duì)原有植被覆蓋層造成了嚴(yán)重破壞，形成范圍次生裸地，這些次生裸地往往成為突出的水土流失源，每年新增水土流失面積高達(dá)1×104km2，其中有20%～30%最終形成寸草不生的裸露巖質(zhì)邊坡［1］。若依靠自然恢復(fù)生態(tài)平衡往往需要很長(zhǎng)時(shí)間，同時(shí)易加劇生態(tài)系統(tǒng)的退化［2-3］，不利于環(huán)境保護(hù)與生態(tài)平衡。這些工程創(chuàng)面改變?cè)械匦蔚孛?、地表坡度和原有地形穩(wěn)定性［4］，極易產(chǎn)生滑坡、風(fēng)化剝落等邊坡危害現(xiàn)象［5］，嚴(yán)重影響工程建設(shè)安全。為了保證工程項(xiàng)目的建設(shè)安全、周邊地區(qū)的環(huán)境安全，以及區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，在生態(tài)修復(fù)設(shè)計(jì)中必須采取相應(yīng)的生態(tài)修復(fù)措施，建立起1 個(gè)穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)，長(zhǎng)久保持工程創(chuàng)面的綠化景觀和生態(tài)功能［6-7］。遵循系統(tǒng)優(yōu)化原則，對(duì)工程創(chuàng)面進(jìn)行生態(tài)恢復(fù)設(shè)計(jì)，需綜合運(yùn)用土木工程措施、機(jī)械工程措施和生物措施，重建土壤基礎(chǔ)，恢復(fù)植物群落，實(shí)施綜合管理［8］。

在給定立地條件下，急需創(chuàng)造一個(gè)維持需求低且有一定生產(chǎn)力，生態(tài)功能較齊全的生態(tài)系統(tǒng)［9-11］。目前，常用于巖質(zhì)邊坡綠化的方法主要有客土噴播、厚基材噴射、植生網(wǎng)袋等［12-14］。由于巖質(zhì)邊坡堅(jiān)硬、裂隙發(fā)育、保水性差、坡度較大、固土條件差［8-9］，現(xiàn)有綠化方法都有一定局限性，在實(shí)際應(yīng)用過程中存在諸多不足，如客土噴播只適用于坡度較小且平整的坡面，基層厚度有限，固土保水能力差，在強(qiáng)降雨條件下容易侵蝕流失；厚層基材的穩(wěn)定性差、抵抗雨水的侵蝕性弱、基材養(yǎng)分的長(zhǎng)效性差［10］，且以植草為主，后期退化比較嚴(yán)重；三維植被網(wǎng)只適用于坡度較緩的邊坡，且其材質(zhì)在土壤里形成二次污染［14］。因此，開展適用于高陡巖質(zhì)邊坡的植被綠化新技術(shù)方法頗有必要。針對(duì)現(xiàn)有巖質(zhì)邊坡綠化方法的不足，提出了針對(duì)北京地區(qū)利用植生孔覆土栽植植被的綠化方法，為高陡巖質(zhì)邊坡植被恢復(fù)提供新的思路與方法。

1 陡巖邊坡覆綠可行性調(diào)研

1.1 試驗(yàn)場(chǎng)地概況

北京的氣候?yàn)榈湫偷谋睖貛О霛駶?rùn)大陸性季風(fēng)氣候，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥，春、秋短促，全年降水的80%集中在夏季6、7、8 三個(gè)月，7、8 月偶有大雨。本文基于張家口下花園項(xiàng)目和2020 年的北京礦山生態(tài)環(huán)境修復(fù)項(xiàng)目提供的場(chǎng)地（見圖1），利用鉆孔機(jī)在坡面鉆鑿植生孔，配置土壤，選擇低養(yǎng)護(hù)、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、多年生、抗病蟲害能力強(qiáng)、耐酸堿、耐干濕等特點(diǎn)的沙地柏、黃櫨、酸棗、油松進(jìn)行孔植；同時(shí)在北京市勘察設(shè)計(jì)研究院室內(nèi)，利用定制的不同管徑PVC 管模擬坡面植生孔，孔植相同樹種進(jìn)行樹種篩選試驗(yàn)（專利申請(qǐng)?zhí)枺?02022633211.2）。

圖1 試驗(yàn)場(chǎng)地工程創(chuàng)面圖

1.2 植物生長(zhǎng)立地條件

植物的生長(zhǎng)與其周邊環(huán)境密切相關(guān)，一般將植物的生長(zhǎng)環(huán)境分為：地上生境，包括光照和溫濕度等；地下生境，包括水分、根系發(fā)育空間等條件［15-16］。在地上生境適宜植物立地的條件下，只需構(gòu)建可使植物存活所需的兩個(gè)基本條件：①水土條件相對(duì)穩(wěn)定；②根群圈理化指標(biāo)組態(tài)的各瞬間值在該物種的耐受范圍內(nèi)［17］。

高陡巖質(zhì)邊坡由于立面高、坡面陡、坡表裸露，不易于留存土壤和水分，而土壤和水分是植物生長(zhǎng)的載體和必須營(yíng)養(yǎng)源，沒有這兩個(gè)元素，植物難以成活［18-20］。

1.3 植物護(hù)坡力學(xué)響應(yīng)

受損的邊坡進(jìn)行生態(tài)植物修復(fù)后相比單獨(dú)的工程護(hù)坡措施具有一些無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，工程力學(xué)角度上主要體現(xiàn)在植株的淺根加筋作用和根部的錨固作用［21-22］。

植物根部抗拉強(qiáng)度與根徑成正比，見公式（1）。

式中：T 為根部抗拉強(qiáng)度；n 為樹種經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；D 為樹根或草根直徑。一般D 為2 mm～5 mm 的植株，其根部抗拉強(qiáng)度在8 MPa～80 MPa，能較為良好地錨固邊坡。

2 試驗(yàn)方案及工藝

2.1 裂隙滲水試驗(yàn)

對(duì)于高陡巖質(zhì)邊坡來講，巖壁節(jié)理裂隙可以存留一定的植物所需水分和養(yǎng)分，營(yíng)造植物生長(zhǎng)的小生境。因此，對(duì)于裸露坡面無土壤層的高陡巖質(zhì)邊坡，巖石裂隙是植物生長(zhǎng)的重要立地條件。根據(jù)植物生長(zhǎng)所需基本條件推斷，高陡巖質(zhì)邊坡應(yīng)滿足以下地下生境要求：裂隙較為發(fā)育的巖壁；裂隙內(nèi)存有供植物生長(zhǎng)的水分和養(yǎng)分且能得到及時(shí)補(bǔ)給；裂隙內(nèi)的溫濕度等條件在自然條件下處于植物生長(zhǎng)的耐受范圍內(nèi)；裂隙內(nèi)有植物生長(zhǎng)發(fā)育的空間等［21］。

裂隙發(fā)育程度決定著巖壁植生中的透氣程度和溫濕度等因素，而這些因素是植物生長(zhǎng)不可或缺的必須條件［21］。為了測(cè)算裂隙水的影響范圍，本試驗(yàn)選取張家口下花園項(xiàng)目提供的場(chǎng)地扇狀布置孔穴，并選取壁面上裂隙發(fā)育點(diǎn)打孔。野外植生孔呈梅花形布置，豎向、水平間距1.0 m，植生孔與水平面夾角不小于30°，5、6 號(hào)孔為注水孔，其余孔為觀測(cè)孔，詳見圖2、圖3。

圖2 巖質(zhì)陡坡孔位布置示意圖

圖3 巖質(zhì)陡坡植生孔圖

向5、6 號(hào)孔持續(xù)注水，一直保持注水孔內(nèi)有2/3 的水，試驗(yàn)持續(xù)6 h。試驗(yàn)結(jié)果表明，各觀測(cè)孔內(nèi)未觀測(cè)到有水滲出，因此該巖壁裂隙較為發(fā)育。注水孔內(nèi)的水通過裂隙下滲，流向山體內(nèi)部，巖壁可以滿足植物生長(zhǎng)的水分需求，其透氣性好，能為植物生長(zhǎng)提供足夠的空氣。

2.2 室內(nèi)可視化試驗(yàn)

通過對(duì)裸露巖質(zhì)邊坡特征進(jìn)行分析歸納，將其概化并建立物理覆綠機(jī)構(gòu)（PVC 管），利用PVC 管模擬植生孔，PVC 管底部開孔模擬巖石裂隙，因地制宜結(jié)合北京地區(qū)自然氣候條件，選擇性價(jià)比上乘的植株種類，模擬高陡巖質(zhì)邊坡工程創(chuàng)面的實(shí)際內(nèi)部和外部條件。室內(nèi)試驗(yàn)中的16 組試驗(yàn)筒研究時(shí)采用單因素試驗(yàn)法，使植株實(shí)有效覆綠物理機(jī)構(gòu)（PVC 管），削弱因覆綠過程中時(shí)效等外界因素的不確定性而影響覆綠結(jié)果。其中，種植土采用東北泥炭∶有機(jī)肥∶纖維物∶保水劑∶粘結(jié)劑∶復(fù)合肥∶微量元素∶土=1∶1∶1∶3∶3∶10∶4∶30 的比例預(yù)置在植生孔（筒）內(nèi)，植被選擇黃櫨、酸棗、油松、沙地柏進(jìn)行種植，并將其放置于具有類似野外溫度、濕度、邊坡坡度的環(huán)境中養(yǎng)護(hù)，筒徑分別為110 mm 和160 mm，考慮到現(xiàn)實(shí)條件下大氣環(huán)境隨機(jī)多變性，種植初期通過人工手段諸如澆水、補(bǔ)營(yíng)養(yǎng)液等手段對(duì)植物初期養(yǎng)護(hù)45 d，待植物生長(zhǎng)發(fā)育成熟穩(wěn)定后，使其通過自組織與調(diào)控力進(jìn)行生長(zhǎng)并與生境融合，詳見圖4～圖6。

圖5 室內(nèi)試驗(yàn)初期培植圖

圖6 室內(nèi)試驗(yàn)冬季生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)圖

此次室內(nèi)試驗(yàn)選擇6 月～11 月，11 月中旬因長(zhǎng)勢(shì)緩慢暫停記錄。通過在PVC 管預(yù)置營(yíng)養(yǎng)土，斜向放置，PVC 管上部鋪設(shè)蓋板防止暴曬下筒內(nèi)溫度過高灼燒根群，采用溫濕度計(jì)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)筒內(nèi)不同深度處溫度和濕度數(shù)據(jù)，深度為數(shù)據(jù)采集點(diǎn)與筒口的距離。樣筒設(shè)置重復(fù)對(duì)照組一組，共計(jì)16 個(gè)樣筒，對(duì)照組數(shù)據(jù)取平均值，按字母順序編號(hào)A1～D2。筒內(nèi)20 cm～80 cm深度空氣的溫度和濕度的測(cè)量結(jié)果見表1，樣筒植物長(zhǎng)勢(shì)記錄見表2。

表1 樣筒溫、濕度記錄表

表2 樣筒植物長(zhǎng)勢(shì)記錄表

各筒濕度在20 cm～50 cm 深度區(qū)間內(nèi)急速升高，50 cm～80 cm 深度區(qū)間內(nèi)濕度升高變得緩慢；各筒溫度在20 cm～80 cm深度區(qū)間均與外界環(huán)境溫度差異不明顯。在人工養(yǎng)護(hù)澆水量、氣溫、環(huán)境濕度相同條件下，較小筒徑比大筒徑試驗(yàn)筒內(nèi)不同深度處濕度略大。

植物在種植后20 d～60 d 生長(zhǎng)最快；在停止人工養(yǎng)護(hù)之后生長(zhǎng)速率逐漸放緩，10 月份逐漸從生長(zhǎng)期進(jìn)入休眠期后，酸棗出現(xiàn)落葉情況，黃櫨發(fā)生季節(jié)性黃葉，油松和沙地柏基本停止生長(zhǎng)。其中酸棗抗旱能力強(qiáng)，適宜在高陡邊坡暴曬南向邊坡和坡邊種植；黃櫨旁支繁盛，生長(zhǎng)迅速，適宜大面積種植；油松耐寒耐旱，進(jìn)入冬季植株高度仍持續(xù)生長(zhǎng)；沙地柏根群嬌弱，需減少擾動(dòng)，耐旱耐寒。

經(jīng)過室內(nèi)試驗(yàn)篩選對(duì)比，建議現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)灌木選擇觀賞性極佳的黃櫨，喬木選擇常綠抗旱的油松、酸棗作為陡巖邊坡覆綠試驗(yàn)研究。

3 結(jié)論與建議

（1）因地制宜結(jié)合北京地區(qū)自然氣候條件選配性價(jià)比上乘的植物種類，模擬工程的實(shí)際內(nèi)部、外部條件，減少因覆綠過程中時(shí)效的不確定性而影響覆綠結(jié)果，并使植株呈現(xiàn)出優(yōu)良的長(zhǎng)勢(shì)，室內(nèi)試驗(yàn)中的16 組覆綠機(jī)構(gòu)研究時(shí)采用單因素試驗(yàn)法，結(jié)果達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，即植物在成活之下也得以優(yōu)良的長(zhǎng)勢(shì)將“覆綠機(jī)構(gòu)”（PVC 管斜面）有效覆綠。

（2）按照本試驗(yàn)所給的營(yíng)養(yǎng)土配方與植株選取的選配結(jié)合，基本可滿足普適條件下巖質(zhì)邊坡的覆綠目的，表明了不同變量對(duì)植物長(zhǎng)勢(shì)的影響程度，為今后的巖質(zhì)邊坡綠化護(hù)坡工作提供新的思路和方法。

（3）在實(shí)際工程中進(jìn)行巖質(zhì)邊坡覆綠時(shí)，考慮到外界氣候環(huán)境多變，可在初期和冬季通過人工手段（譬如澆水及營(yíng)養(yǎng)液添加）做一定的干預(yù)進(jìn)行植物的初期保護(hù)，待植物生長(zhǎng)發(fā)育成熟穩(wěn)定后，植物可自組織生長(zhǎng)并與生境融合。

（4）通過對(duì)巖壁植生孔裂隙導(dǎo)水性研究以及溫濕度監(jiān)測(cè)，巖體比土壤更具導(dǎo)熱率和溫濕度存儲(chǔ)率，高陡巖質(zhì)邊坡采用客土種植情況下，巖壁植生孔綠化護(hù)坡方式比客土噴播更易于植物耐寒耐熱，存活更佳。