華北地區(qū)石灰?guī)r質(zhì)高陡邊坡修復(fù)先鋒植物遴選

張 燕，陳洪年，王小兵，葛江琨，李洪亮，趙建濤，戴振芬，余 洋

（1.山東省魯南地質(zhì)工程勘察院（山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二地質(zhì)大隊(duì)），山東 濟(jì)寧 272100；2.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司，安徽 馬鞍山 243000；3.金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 馬鞍山 243000；4.中國(guó)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院，北京 100081；5.礦山生態(tài)效應(yīng)與系統(tǒng)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；6.自然資源部礦山時(shí)空信息與生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 焦作 454000；7.自然資源部礦區(qū)生態(tài)修復(fù)工程技術(shù)創(chuàng)新中心，北京 100083）

0 引言

作為城市發(fā)展、道路交通、港口碼頭等工程建設(shè)的主要材料，石灰?guī)r在社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占據(jù)重要地位，為現(xiàn)代化建設(shè)做出了重大貢獻(xiàn)[1-2]。然而，石灰?guī)r礦山開采不但會(huì)破壞山體原有的地形地貌景觀和生態(tài)環(huán)境[3-4]，還會(huì)形成大量高陡裸露巖質(zhì)邊坡[5-6]。而礦山開采形成的高陡巖質(zhì)邊坡自我恢復(fù)是一個(gè)十分艱難且漫長(zhǎng)的過(guò)程，為了能盡快恢復(fù)巖質(zhì)邊坡的生態(tài)景觀，對(duì)其進(jìn)行生態(tài)修復(fù)與景觀重建就十分必要[7-10]。傳統(tǒng)的巖質(zhì)邊坡修復(fù)技術(shù)（如水泥抹面、捶面、噴混凝土以及漿砌片石護(hù)坡等）綠化效果和生態(tài)環(huán)境效益較差[11-15]?；谝陨蠁?wèn)題有研究人員先后提出了掛網(wǎng)噴播法、生態(tài)袋法、飄臺(tái)法、爆破臺(tái)階法[15-16]等技術(shù)方法，均是通過(guò)工程技術(shù)手段對(duì)邊坡基質(zhì)進(jìn)行重塑從而提高生態(tài)修復(fù)效果。

在山體生態(tài)修復(fù)問(wèn)題中，石灰?guī)r高陡邊坡屬于硬巖坡面，相較于土質(zhì)邊坡和軟巖邊坡，因其缺少植物生長(zhǎng)所必需的水土生境條件及與巖面牢固攀附的力學(xué)條件，所以歷來(lái)是礦山生態(tài)修復(fù)工作的難點(diǎn)和重點(diǎn)[17]。眾所周知，在高陡邊坡生態(tài)修復(fù)中技術(shù)方法固然重要，然而給人直觀映像的是植物對(duì)坡面的覆蓋度[18]，因此，高陡邊坡生態(tài)修復(fù)中植物的科學(xué)選擇和合理配置至關(guān)重要[19-20]。在高陡巖質(zhì)邊坡修復(fù)中先鋒植物的應(yīng)用是坡面修復(fù)成功的第一步，有助于坡面生態(tài)系統(tǒng)的構(gòu)建、有機(jī)質(zhì)的積累及微生物群落的多樣性[21-23]。先鋒植物是指具有耐干旱、耐貧瘠、根系發(fā)達(dá)、生長(zhǎng)快速、生命周期長(zhǎng)及改土作用強(qiáng)等特點(diǎn)的植物[24]。在高陡巖質(zhì)邊坡生態(tài)修復(fù)中由于其生長(zhǎng)環(huán)境惡劣，遴選合適的先鋒植物十分關(guān)鍵。依據(jù)地境再造理論[25]，采用地境再造復(fù)綠技術(shù)在濟(jì)南地區(qū)的石灰?guī)r質(zhì)高陡邊坡上先后建立了2 個(gè)試驗(yàn)場(chǎng)，栽植了十余種植物并對(duì)其進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，研究在石灰?guī)r質(zhì)高陡邊坡修復(fù)中不同植物對(duì)惡劣環(huán)境的適應(yīng)性，并最終遴選出適合石灰?guī)r質(zhì)高陡邊坡生態(tài)修復(fù)的先鋒植物。

1 研究區(qū)概況

濟(jì)南位于華東北地區(qū)南段，山東省中部。屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，雨量集中。年平均氣溫13～14 °C，年降水量600～700 mm。研究區(qū)地貌類型以低山丘陵為主，試驗(yàn)場(chǎng)分別位于濟(jì)南市章丘區(qū)和平陰縣（圖1），均是早期采石形成的高陡邊坡，2 個(gè)試驗(yàn)場(chǎng)條件基本相似，地層巖性以中厚層—厚層石灰?guī)r為主，坡面高度20～70 m，坡度65°～85°，總面積近4 000 m2。

圖1 研究區(qū)位置圖Fig.1 Location of the study area

在我國(guó)華北地區(qū)植物類型主要有常綠闊葉樹、藤本類等[23]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)濟(jì)南地區(qū)常用的綠化樹種有79 種，生長(zhǎng)和綠化觀賞效果較好的品種約有49 種，其中落葉喬木類18 種，常綠喬木類9 種，花灌木類18 種，藤木類4 種[25-26]。根據(jù)王荷生等[27]的研究可知，分布較廣的鄉(xiāng)土物種有荊條、酸棗、沙棘、虎榛子等[28]，常見的造林樹種有楊樹、柳樹、柏樹、黃櫨等喬木類。

2 植物監(jiān)測(cè)

2.1 監(jiān)測(cè)方法

2015年5月與2017年4月，在濟(jì)南章丘區(qū)、平陰縣采石形成的高陡巖壁上采用地境再造技術(shù)分別建立了2 個(gè)試驗(yàn)場(chǎng)[29]，同一試驗(yàn)場(chǎng)內(nèi)巖質(zhì)邊坡坡度、地層產(chǎn)狀及裂隙發(fā)育情況等基本相似，植物品種采用隨機(jī)性栽植（圖2），栽植方法如圖3所示[30]。考慮到構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)的完整性，試驗(yàn)場(chǎng)共栽植落葉植物、常綠植物及藤本類植物14 種，總數(shù)3 316 株，株行距1 m×1 m。植物栽植后養(yǎng)護(hù)期3 個(gè)月左右，進(jìn)入雨季（8月份）后停止養(yǎng)護(hù)，植物生長(zhǎng)回歸自然，所需養(yǎng)分及水分主要靠植物根系從巖壁裂隙內(nèi)汲取。試驗(yàn)場(chǎng)建成后，研究團(tuán)隊(duì)定期對(duì)場(chǎng)內(nèi)栽植的植物進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)頻率為2 次/年（春秋各一次），監(jiān)測(cè)指標(biāo)為植物成活率和植物生長(zhǎng)狀況，生長(zhǎng)狀況包括植物高度、基徑和冠幅。

圖2 典型試驗(yàn)場(chǎng)修復(fù)前后照片（平陰）Fig.2 Typical test site before and after restoration (Pingyin)

圖3 地境再造技術(shù)栽植方法Fig.3 Planting method of Landscape Reconstruction Technology

考慮到研究區(qū)巖質(zhì)邊坡高度大且陡峭，人工監(jiān)測(cè)植物成活率難度大，成活率監(jiān)測(cè)采用無(wú)人機(jī)航拍的方法展開，人工清點(diǎn)航拍的高清照片上植物數(shù)量，統(tǒng)計(jì)植物的成活率。植物生長(zhǎng)狀況監(jiān)測(cè)主要對(duì)距離坡腳2 m 范圍及固定梯子兩側(cè)2 m 寬范圍內(nèi)的植物監(jiān)測(cè)；2 個(gè)試驗(yàn)場(chǎng)共監(jiān)測(cè)生長(zhǎng)狀況的植物371 株，截至2020年9月成活植物319 株，均參與本次植物生長(zhǎng)狀況的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。監(jiān)測(cè)過(guò)程中，對(duì)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的植物進(jìn)行編號(hào)，并對(duì)每株植物建立“數(shù)據(jù)檔案”。由于2 個(gè)試驗(yàn)場(chǎng)建成時(shí)間不一致，起始數(shù)據(jù)均選取植物栽植時(shí)的數(shù)據(jù)，最后一次數(shù)據(jù)均為2020年9月份監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，期間數(shù)據(jù)以2 個(gè)試驗(yàn)場(chǎng)每年秋季監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù)進(jìn)行分析。

2.2 植物成活率監(jiān)測(cè)與計(jì)算

植物的成活率不但影響巖壁的覆蓋度，還影響到整體的修復(fù)效果，因此植物的成活狀況至關(guān)重要。植物成活率（P）的計(jì)算公式：

式中：P——植物成活率；

Di——某種植物成活株數(shù)；

D——該種植物種植株數(shù)。

對(duì)多年監(jiān)測(cè)的植物進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，計(jì)算每種植物每年的成活率并繪制極坐標(biāo)圖，其中半徑代表成活率，圓弧代表時(shí)間，2 個(gè)試驗(yàn)場(chǎng)各類植物成活率見圖4、圖5。

2.3 植物生長(zhǎng)狀況監(jiān)測(cè)與計(jì)算

植物生長(zhǎng)情況監(jiān)測(cè)采用折尺、游標(biāo)卡尺和鋼卷尺分別測(cè)量每株監(jiān)測(cè)植物的高度、基徑和冠幅，然后統(tǒng)計(jì)每種植物的平均值。每種植物的高度、基徑和冠幅平均值采用算術(shù)平均法[31-32]，計(jì)算公式如下：

Ri——第i株植物的高度、基徑和冠幅的數(shù)值；

n——植株數(shù)。

根據(jù)測(cè)量的植物的平均高度、基徑和冠幅，計(jì)算植物的年平均增長(zhǎng)率K增。

式中：K增——植物的年平均增長(zhǎng)率；

Mn——監(jiān)測(cè)期最后一次監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；

M——初次監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；

a——時(shí)間/a。

根據(jù)式（2）、式（3）計(jì)算不同植物每年的年均增長(zhǎng)率，將每種植物的增長(zhǎng)率計(jì)算結(jié)果繪制成極坐標(biāo)圖，如圖4、圖5所示。

2.4 監(jiān)測(cè)結(jié)果

2.4.1 植物成活率監(jiān)測(cè)結(jié)果

由圖4、圖5可知，截至2020年9月，章丘試驗(yàn)場(chǎng)植物的綜合成活率81.2%，平陰試驗(yàn)場(chǎng)植物的綜合成活率86.8%，隨著時(shí)間的推移，2 個(gè)試驗(yàn)場(chǎng)的植物成活率整體呈下降趨勢(shì)。

植物栽植3～5 a 后，常綠植物中側(cè)柏、圓柏、白皮松、大葉扶芳藤成活率高達(dá)85%～93%；落葉植物中黃櫨、刺槐、連翹等植物成活率81%～89%，而丁香、金銀花等植物成活率偏低，只有63%左右；藤本類植物中爬山虎的成活率72%～82%，紫藤、凌霄等植物成活率僅50%～60%。

2.4.2 植物增長(zhǎng)率監(jiān)測(cè)結(jié)果

（1）高度：高度是衡量植物生長(zhǎng)速度的重要因子。由圖4、圖5可知，藤本類植物中爬山虎的高度年均增長(zhǎng)率最大（110%～120%），其適應(yīng)能力強(qiáng)，具有較強(qiáng)的抗逆性，對(duì)巖壁的覆蓋效果好；常綠植物中大葉扶芳藤的高度年均增長(zhǎng)率（50%～55%）大于側(cè)柏、圓柏、白皮松（15%～20%），松柏類植物相對(duì)較慢，與其本身的生長(zhǎng)特性有關(guān)；落葉植物中黃櫨、刺槐、連翹等高度增長(zhǎng)速度相近，年均增長(zhǎng)率在15%～30%，火炬樹高度生長(zhǎng)速度較慢，年均增長(zhǎng)率僅10%左右，說(shuō)明火炬樹不適合在高陡巖壁上生長(zhǎng)。

圖4 章丘試驗(yàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)圖Fig.4 Statistical chart of monitoring data at Zhangqiu test site

（2）基徑：藤本類植物的基徑生長(zhǎng)速度最慢，年均增長(zhǎng)率在10%～20%不等；常綠植物中側(cè)柏、圓柏的基徑生長(zhǎng)速度較快，年均增長(zhǎng)率25%～40%，在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)中可以看出柏樹類根莖粗壯，抵御外部不利環(huán)境的能力強(qiáng)；落葉植物中黃櫨、刺槐等小喬木類植物基徑生長(zhǎng)速度快，年均增長(zhǎng)率可達(dá)30%～50%，均已木質(zhì)化，抗逆性強(qiáng)。其余植物基徑生長(zhǎng)速度相對(duì)于同類植物偏慢，這與植物生長(zhǎng)環(huán)境條件惡劣有關(guān)[33]。

（3）冠幅：高陡邊坡復(fù)綠主要靠植物的枝葉遮擋，冠幅是體現(xiàn)植物對(duì)巖壁遮擋效果最重要的指標(biāo)。由圖4、圖5可知，常綠植物中冠幅增長(zhǎng)率20%～30%，相對(duì)而言，圓柏的冠幅增長(zhǎng)率較側(cè)柏大；落葉植物中黃櫨、刺槐冠幅較大，年均增長(zhǎng)率30%～50%，遮擋效果好，巖壁覆蓋率高，而火炬樹的冠幅年均增長(zhǎng)率在15%左右，較其他落葉植物生長(zhǎng)較慢。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)中藤本類植物不統(tǒng)計(jì)冠幅。

綜上，不同植物生長(zhǎng)速度不同，水分、養(yǎng)分、溫度等因素均制約著植物的生長(zhǎng)，從長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，植物的成活率隨時(shí)間的推移有降低的趨勢(shì)，說(shuō)明試驗(yàn)場(chǎng)中植物的持續(xù)生長(zhǎng)主要依靠發(fā)達(dá)的根系從巖壁裂隙中吸收供自身生長(zhǎng)的養(yǎng)分，隨著植物不斷長(zhǎng)大，種植孔內(nèi)土壤養(yǎng)分逐漸減少，對(duì)植物的生長(zhǎng)產(chǎn)生了“脅迫”作用[34]。

3 先鋒植物遴選

3.1 先鋒植物遴選方法

植物適宜性與高陡巖質(zhì)邊坡生態(tài)修復(fù)效果密切相關(guān)，為了遴選出適宜于高陡巖質(zhì)邊坡生長(zhǎng)的先鋒物種，采用綜合評(píng)價(jià)指數(shù)法對(duì)植物適宜性進(jìn)行評(píng)價(jià)[35]，最終獲得不同植物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，此方法可直觀的反映出各種植物的優(yōu)劣狀況，并以此作為先鋒植物遴選的標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 先鋒植物遴選評(píng)價(jià)體系構(gòu)建

（1）評(píng)價(jià)因子

評(píng)價(jià)因子在資料查詢和邀請(qǐng)相關(guān)專家評(píng)審的基礎(chǔ)上確定，從植物種類、生長(zhǎng)狀況、景觀效果、層次結(jié)構(gòu)等方面綜合考量，確立了植物成活率、高度年均增長(zhǎng)率、基徑年均增長(zhǎng)率和冠幅年均增長(zhǎng)率4 項(xiàng)指標(biāo)作為評(píng)價(jià)因子[36]，建立高陡巖質(zhì)邊坡先鋒植物遴選評(píng)價(jià)體系。

（2）權(quán)值確定

權(quán)值確定采用專家打分法，邀請(qǐng)了生態(tài)修復(fù)領(lǐng)域?qū)＜摇⒕G化人員和景觀設(shè)計(jì)人員等共12 人，結(jié)合高陡巖質(zhì)邊坡生態(tài)修復(fù)的實(shí)際情況，得出權(quán)值見表1。

表1 評(píng)價(jià)因子、權(quán)值及分級(jí)指標(biāo)Table 1 Evaluation factors、weights and grading indicators

（3）評(píng)價(jià)因子及分級(jí)指標(biāo)

根據(jù)調(diào)查結(jié)果，把確定的評(píng)價(jià)因子分為4 個(gè)評(píng)分級(jí)別，按植物生長(zhǎng)優(yōu)劣，最大值為5 分，最小值為1 分，劃分標(biāo)準(zhǔn)見表2。同時(shí)，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)每種植物的各項(xiàng)評(píng)價(jià)因子進(jìn)行打分，并計(jì)算出平均分。

表2 評(píng)價(jià)因子取值表Table 2 Values of evaluation factors

（4）數(shù)據(jù)處理

本次研究采用綜合評(píng)價(jià)指數(shù)法，其計(jì)算公式：

式中：B——植物的綜合評(píng)價(jià)指數(shù)；

Xi——某一評(píng)價(jià)因子的權(quán)值；

Fi——植物在某評(píng)價(jià)因子下的分值。

植物質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)算公式為：

式中：M——植物質(zhì)量分?jǐn)?shù)；

B——植物的綜合評(píng)價(jià)指數(shù)；

B′——理想的植物綜合評(píng)價(jià)指數(shù)（即5 分）。

植物適宜性質(zhì)量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如下：I 級(jí)（75%＜M≤100%）——植物成活率高，生長(zhǎng)速度快，坡面覆蓋度高；II級(jí)（65%＜M≤75%）——植物成活率較高，生長(zhǎng)速度較快，對(duì)坡面有一定的遮擋效果；III 級(jí)（55%＜M≤65%）———植物成活率較低，生長(zhǎng)速度慢，植物長(zhǎng)勢(shì)較差；IV 級(jí)（M≤55%）——植物成活率低，生長(zhǎng)速度慢，巖壁大面積裸露。

3.3 植物適宜性質(zhì)量評(píng)價(jià)及結(jié)果

按照綜合指數(shù)評(píng)價(jià)法，對(duì)監(jiān)測(cè)植物的每個(gè)評(píng)價(jià)因子進(jìn)行打分，參與打分的植物以2020年9月監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，按照式（4）求出每種植物的綜合評(píng)價(jià)指數(shù)B，進(jìn)而按照質(zhì)量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)得出每種植物的質(zhì)量級(jí)別（表3、表4）。

通過(guò)表3、表4的評(píng)價(jià)結(jié)果可以看出，在高陡巖質(zhì)邊坡生態(tài)修復(fù)栽植的14 種植物中，屬于I 級(jí)的植物有4 種，占比28.5%，分別有側(cè)柏、圓柏、黃櫨和刺槐；屬于II 級(jí)的植物有3 種，占比21.5%，分別是大葉扶芳藤、連翹和爬山虎；屬于III 級(jí)的植物有3 種，占比21.5%，分別有白皮松、丁香和金銀花；屬于IV 級(jí)的植物有4 種，占比28.5%，分別是凌霄、紫藤、小葉扶芳藤和火炬樹。

表3 章丘試驗(yàn)場(chǎng)植物綜合評(píng)價(jià)指數(shù)表Table 3 Comprehensive evaluation index of plants in Zhangqiu experimental field

表4 平陰試驗(yàn)場(chǎng)植物綜合評(píng)價(jià)指數(shù)表Table 4 Comprehensive evaluation index of plants in Pingyin experimental field

本次統(tǒng)計(jì)中藤本類植物未統(tǒng)計(jì)冠幅，導(dǎo)致質(zhì)量分級(jí)偏低，因此藤本類植物的綜合評(píng)價(jià)指數(shù)較其他類植物偏小，在先鋒植物遴選中需考慮實(shí)際調(diào)查情況。

結(jié)合2 個(gè)試驗(yàn)場(chǎng)的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、監(jiān)測(cè)情況和評(píng)價(jià)結(jié)果得出，常綠植物中優(yōu)選側(cè)柏、圓柏、大葉扶芳藤為先鋒植物；落葉植物中優(yōu)選刺槐、黃櫨、連翹為先鋒植物；藤本類植物中優(yōu)選爬山虎為先鋒植物。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)濟(jì)南地區(qū)2 個(gè)石灰?guī)r質(zhì)高陡邊坡生態(tài)修復(fù)試驗(yàn)場(chǎng)種植的14 種植物的成活率和生長(zhǎng)狀況監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)分析，表明：

（1）高陡邊坡生態(tài)修復(fù)效果與綠化植物的科學(xué)選擇及合理配置至關(guān)重要，為了提高生態(tài)系統(tǒng)的完整性，苗木選擇要綜合考慮常綠植物、落葉植物及藤本類植物。

（2）采用地境再造技術(shù)開展高陡巖質(zhì)邊坡生態(tài)修復(fù)時(shí)，植物主要依靠發(fā)達(dá)的根系從巖壁裂隙中吸收可供自身生長(zhǎng)的養(yǎng)分，隨著植物不斷長(zhǎng)大其增長(zhǎng)率逐漸降低的主要原因是巖質(zhì)邊坡對(duì)植物生長(zhǎng)產(chǎn)生了“脅迫”作用。

（3）在華北地區(qū)石灰?guī)r質(zhì)高陡邊坡生態(tài)修復(fù)中，為了在冬季有一定的綠化效果，常綠植物優(yōu)選側(cè)柏、圓柏及大葉扶芳藤作為先鋒植物；因成活率高，生長(zhǎng)速度快，坡面覆蓋度高，落葉植物建議優(yōu)選刺槐、黃櫨和連翹為先鋒植物；藤本類植物爬山虎因其成活率高且生長(zhǎng)速率快，可在短期對(duì)高陡巖壁有效覆蓋，優(yōu)選作為先鋒植物。