工程邊坡生態(tài)修復目標與技術方法

駱銀輝，吳柳宗，蔣學廣，郭 睿，陳允建

(1.云南地質工程第二勘察院有限公司，云南 昆明 650218； 2.云南省地質科學研究所，云南 昆明 650051)

我國經(jīng)歷了幾十年工業(yè)化發(fā)展階段，開展了大規(guī)模的水、電、路、礦山等基礎設施建設和城市化建設，對國土生態(tài)造成了巨大的破壞，其中山區(qū)大量的道路工程和水電工程產(chǎn)生的工程邊坡，對生態(tài)環(huán)境的破壞面最大。工程邊坡生態(tài)修復是典型的困難立地條件下的生態(tài)修復，是工程建設項目生態(tài)修復的大難題。目前，國家尚未提出針對工程邊坡生態(tài)修復的目標要求，大部分工程邊坡治理的技術目標主要是滿足工程安全，即使部分工程邊坡做了綠化覆蓋，也僅僅是以滿足水土保持要求的綠化為目標[1]，且每個地方的標準不統(tǒng)一，效果差異也較大。總之，未能從全面恢復生態(tài)功能的角度開展生態(tài)修復，這種現(xiàn)狀顯然達不到國家關于綠色發(fā)展的要求。在國家生態(tài)文明建設和“碳達峰、碳中和”的發(fā)展階段[2-3]，應堅持生態(tài)優(yōu)先的發(fā)展原則，建設綠色礦山、綠色公路、綠色水電、綠色鐵路，最大限度修復因工程建設而破壞的生態(tài)環(huán)境。目前，各行業(yè)都在制定綠色發(fā)展的相關技術標準，因此工程邊坡治理的目標除了要滿足工程安全要求，還要達到環(huán)境保護和生態(tài)功能恢復目標，按照安全、環(huán)保、生態(tài)三大目標統(tǒng)籌考慮。筆者從恢復生態(tài)功能的要求出發(fā)，根據(jù)大量工程實踐經(jīng)驗和國內(nèi)相關研究成果，結合工程實例，介紹邊坡生態(tài)修復的目標和技術方法，以期為邊坡生態(tài)修復探索出較為科學的技術途徑和綠色發(fā)展途徑，為研究制定工程建設的生態(tài)修復技術標準提供參考。

1 工程邊坡生態(tài)功能修復的目標及技術途徑

過去，生態(tài)修復主要強調綠化，如《生產(chǎn)建設項目水土流失防治標準》強調林草恢復率和覆蓋率。生態(tài)修復的目標不應僅僅是綠化，而應是根據(jù)生態(tài)學理論恢復生態(tài)系統(tǒng)的基本功能[4-5]。按照生態(tài)學理論，整個生物圈生態(tài)系統(tǒng)的功能主要表現(xiàn)為生物生產(chǎn)、能量流動和物質循環(huán)，它們是通過生態(tài)系統(tǒng)的核心部分——生物群落來實現(xiàn)的。生態(tài)系統(tǒng)對人類具有多方面的服務功能，生態(tài)系統(tǒng)的服務功能在人類不同發(fā)展階段的貢獻是不一樣的，比如在農(nóng)耕時代，生態(tài)系統(tǒng)對人類的服務主要體現(xiàn)在農(nóng)林產(chǎn)品的生產(chǎn)和食用動物的生產(chǎn)與供給。我們要修復的國土生態(tài)系統(tǒng)主要是指植物生態(tài)系統(tǒng)，站在人與自然和諧發(fā)展角度，在我國新的發(fā)展階段，在全面實施山水林田湖草生態(tài)保護修復工程的要求下[6]，植物生態(tài)系統(tǒng)對人類的服務功能主要體現(xiàn)在：農(nóng)林植物生產(chǎn)、固碳(碳匯)、固氮、制氧、凈化空氣[7-9]；美化自然和人居生態(tài)環(huán)境；發(fā)揮防風固沙、保持水土、涵養(yǎng)水源、凈化水質等作用；改善氣候，促進區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)等[10]。根據(jù)大量研究成果，生態(tài)服務功能總體可歸納為四大功能：供給功能、調節(jié)功能、文化功能、支持功能。

邊坡生態(tài)修復的基本目標就是充分恢復植物生態(tài)系統(tǒng)的四項服務功能?；炯夹g途徑即根據(jù)氣候條件、土壤環(huán)境及工程邊坡實際情況，按照生態(tài)學理論，篩選優(yōu)勢植物，構建適宜的邊坡植物立地條件，重建與區(qū)域生態(tài)功能(如城市生態(tài)功能、森林生態(tài)功能、草原生態(tài)功能、河岸湖岸濕地生態(tài)功能、農(nóng)業(yè)生態(tài)功能等)相協(xié)調的生態(tài)系統(tǒng)[11]。在此重點以重建邊坡森林型生態(tài)系統(tǒng)為例，根據(jù)工程實踐經(jīng)驗和國內(nèi)相關研究成果，結合工程實踐介紹邊坡生態(tài)系統(tǒng)重建的技術方法。

2 工程邊坡生態(tài)系統(tǒng)重建模式與方法

為了更好地實現(xiàn)邊坡工程的安全、環(huán)保和生態(tài)目標，邊坡生態(tài)修復也要有利于安全和環(huán)保(水土保持)的需要，因此工程邊坡生態(tài)修復的總體原則是：以實現(xiàn)植物生態(tài)服務功能為目標，安全優(yōu)先，突出生態(tài)功能，注重景觀與區(qū)域生態(tài)協(xié)調。即在保證邊坡安全的前提下，依照生態(tài)學理論指導，兼顧景觀效果，構建一個與區(qū)域生態(tài)功能相協(xié)調(與國家和地方生態(tài)功能區(qū)劃協(xié)調一致)、可自我更新、健康、穩(wěn)定的邊坡森林型生態(tài)系統(tǒng)。基本方法就是消除邊坡安全隱患，創(chuàng)造喬、灌、草不同植物的立地條件，采用科學的生態(tài)修復技術，重建科學的喬灌草群落結構系統(tǒng)，即邊坡森林型生態(tài)系統(tǒng)。

森林型生態(tài)系統(tǒng)是以喬、灌植物為主體，包含草、藤、苔蘚等物種的植物群落及多種動物棲息衍生的生態(tài)結構系統(tǒng)，具備了生態(tài)系統(tǒng)的三大基本功能和植物生態(tài)系統(tǒng)的四項服務功能。重建邊坡森林生態(tài)功能就是構建科學的喬灌草植物群落結構系統(tǒng)[12-13]。重建的喬灌草森林型生態(tài)系統(tǒng)發(fā)揮作用的先后順序是草、灌(或藤)、喬。草本植物種下后經(jīng)一個雨季即可見效，可以對邊坡土壤產(chǎn)生一定保持作用；2～3 a后灌木(或藤)長成開始發(fā)揮作用，對邊坡土壤和水分起到有效保持作用，此時草本植物逐步退化，僅作為邊坡生態(tài)系統(tǒng)的補充植物。新構建的喬灌草森林型生態(tài)系統(tǒng)最終要向以喬、灌植物為主體，草、藤、苔蘚植物為補充，呈現(xiàn)有序林層的森林空間生態(tài)結構演替。比如21世紀初期云南建成的多條高速公路旁部分灌草混栽修復的邊坡，如今調查發(fā)現(xiàn)多數(shù)已演替為以灌叢為主的群落結構，種植合歡樹的喬灌草邊坡基本演替成以合歡林為主體，少量灌木、局部草叢的群落結構。

工程邊坡的基本類型包括人工填土邊坡、人工開挖土質邊坡、人工開挖巖質邊坡等；按照坡度分類可分為緩坡(<30°)、斜坡(30°～45°)、陡坡(45°～75°)、特陡坡(>75°)；按照邊坡巖土類型可分為土質邊坡和巖質邊坡。不同坡度的土質邊坡和巖質邊坡立地條件不同，生態(tài)修復方法不同。這里具體探討不同類型邊坡生態(tài)系統(tǒng)構建模式和方法。

2.1 土質邊坡生態(tài)系統(tǒng)構建

土質邊坡由土體構成，多以緩坡(<30°)和斜坡(30°～45°)為主，植物根系可以進入坡體，對表層土壤改良后可直接栽植、播種植物。坡度大的邊坡可采用分臺結構，為喬木栽種創(chuàng)造立地條件。通常情況下，土質緩坡可采取“喬+灌+草”方式構建植物群落結構(見圖1)，土質斜坡可采取“灌+草”方式構建植物群落結構，多級邊坡之間的平臺主要種植喬木(見圖2)。整個邊坡區(qū)域采取喬灌草植物群落立體結構模式，通過優(yōu)選植物配置，可充分發(fā)揮植物在不同時間和不同空間上的生態(tài)功能。植物通過地上枝葉和地下根莖共同起到保持水土、涵養(yǎng)水源的作用，最終恢復邊坡生態(tài)系統(tǒng)的結構和功能。

圖1 土質邊坡(緩坡)植物群落結構剖面示意

圖2 土質、巖質邊坡(斜坡)植物群落結構剖面示意

2.2 巖質邊坡生態(tài)系統(tǒng)構建

巖質邊坡由巖石構成坡體。巖質邊坡多以斜坡(30°～45°)、陡坡(45°～75°)為主，也存在一些特陡坡(>75°)情形。根據(jù)邊坡高度、巖體的物理力學性質、巖層與坡面走向等，可采取分臺削坡、框格梁錨固等不同防護措施進行防治，保證邊坡安全穩(wěn)定。工程邊坡應采用臺階式結構，合理設計邊坡臺寬、臺高和坡度，為喬木生長創(chuàng)造立地條件。一般來說，巖質邊坡缺乏植生土壤，還應通過覆蓋客土構建植物生長的土壤層。不穩(wěn)定巖質邊坡應該按照先錨固后修復的順序施工[14]。通常情況下在巖質邊坡上構建植物群落結構時，平臺+斜坡可采取“喬+灌+草”方式(見圖2)，平臺+陡坡可采取“喬+草+藤”方式(見圖3)，平臺+特陡坡可采取“喬+藤”方式(見圖4)。

圖3 巖質邊坡(陡坡)植物群落結構剖面示意

圖4 巖質邊坡(特陡坡)植物群落結構剖面示意

2.3 邊坡生態(tài)修復主要技術方法

目前邊坡生態(tài)修復廣泛采用的技術方法，總體上可分為噴播修復和栽植修復兩大類型(見表1)。根據(jù)材料配方及噴播基質性狀的不同，噴播修復可分為團粒噴播、植被混凝土噴播、客土噴播、液力噴播等多種方法；栽植修復方法更多，除直播和植苗造林外，主要有植生毯墊、植生袋、植生槽等多種工法，這些栽植工法可充分結合邊坡地質穩(wěn)定情況輔以漿砌石骨架、現(xiàn)澆格構等工程措施進行綜合防護[14-17]。

表1 邊坡生態(tài)修復技術方法及適用條件

2.4 植物選配原則和要求

植物選配是植物群落構建的關鍵，要根據(jù)生態(tài)修復目標、氣候條件、景觀要求、植物對環(huán)境的適應性、植物群落的穩(wěn)定性要求，選配植物種類?？偟脑瓌t是：適地適樹，鄉(xiāng)土原則；短期效果與長遠效果兼顧原則；生態(tài)功能與景觀效果兼顧原則；有益植物群落穩(wěn)定和植物多樣性原則。植物選擇要兼顧短期效果和植物長期適應性，盡量選用生長較快的常綠型鄉(xiāng)土植物，其中先鋒植物必須生長速度快，能通過一個雨季見效，盡快起到維護邊坡土壤的作用，這對客土噴播的邊坡非常重要[17]；同時要考慮植物適應性，避免出現(xiàn)“一年綠，二年黃，三年枯”的水土不服現(xiàn)象[16-18]。公路、城市工程邊坡等還要選擇體現(xiàn)景觀效果的植物。考慮到邊坡喬木生長的立地條件，不宜選擇樹冠高大的植物。藤本植物應能很好地適應強光照或陰濕、瘠薄及巖面高溫等惡劣條件，并且要根據(jù)邊坡高度選擇不同攀爬能力的植物。最后，要考慮植物群落的穩(wěn)定性及預防自然災害的需求，物種要多樣化，同時還要考慮物種之間的生長協(xié)調性，避免惡性競爭，防止有害物種入侵。

2.5 植物群落維護管理

植物種植后，應有3個月的成活養(yǎng)護期，養(yǎng)護事項有施肥、病蟲害防治、補植補種、灌溉澆水等。在施工完成3個月后進行植被恢復效果評價，并根據(jù)評價效果制定相應的補種和管理措施。喬灌草型和灌草型植被群落構建后的管理期限一般為2～3 a，草本型和藤灌型植被施工后的管理期限一般為1～2 a。草灌斜坡最終會演替成以灌叢為主體的生態(tài)結構[19]，因此從第二年開始必要時進行割草干預，以促進灌叢發(fā)育生長，加快群落演替進程。以喬木為主體的群落養(yǎng)護同樣需要人工適當干預，進行必要的除草、除去過度茂盛的灌叢，以保障喬木生長需要的養(yǎng)分、陽光等資源，加快群落演替進程，實現(xiàn)生態(tài)功能的恢復。

3 工程實踐與工程實例

近幾年公路建設、水電建設、礦山建設等領域開始探索綠色發(fā)展道路和邊坡生態(tài)修復技術方法。云南省個舊市黑馬山礦山(采石場)采坑邊坡生態(tài)修復項目是本科研課題的生產(chǎn)試驗項目之一，邊坡總高度150 m，為灰?guī)r巖質邊坡。為達到邊坡穩(wěn)定和重建森林型生態(tài)系統(tǒng)的目標，邊坡治理采用分臺結構，平臺寬3～8 m，臺高20 m，臺間斜坡坡度45°～75°。參照礦區(qū)周邊區(qū)域生態(tài)功能和植被群落結構，平臺栽種本地喬木濕地松，巖質陡坡采用掛網(wǎng)客土噴播木豆、合歡、苜蓿、車桑子、羊蹄甲、狗牙根、傘房決明、波斯菊、高羊茅、黑麥草等多種灌草植物，特陡坡底部和頂部平臺分別栽植炮仗花、爬山虎等藤本植物覆蓋坡面，形成分臺式喬、灌、草、藤邊坡立體群落結構。

該項目于2021年3—6月施工，草本植物3個月基本長成，對邊坡土壤形成有效保持作用；灌木類植物6個月高30～150 cm，兩個雨季后已形成灌木叢(最高達300 cm)，草本植物大部分退化，3 a后可形成灌木林，能發(fā)揮較好的生態(tài)功能；濕地松15個月最高達600 cm，預計8～10 a后成林，礦區(qū)森林生態(tài)功能基本恢復。

4 結 論

(1)在國家生態(tài)文明建設和“碳達峰、碳中和”發(fā)展階段，工程邊坡治理應統(tǒng)籌考慮安全、環(huán)保、生態(tài)三大目標。

(2)邊坡生態(tài)修復的目標不僅僅是綠化，而是按照生態(tài)學理論恢復和重建植物生態(tài)系統(tǒng)服務功能。

(3)工程邊坡生態(tài)修復的總體原則是：以實現(xiàn)植物生態(tài)服務功能為目標，安全優(yōu)先，突出生態(tài)功能，注重景觀與區(qū)域生態(tài)協(xié)調。

(4)邊坡生態(tài)系統(tǒng)重建的基本方法是根據(jù)邊坡的工程地質條件、氣候環(huán)境條件、土壤環(huán)境條件，采用現(xiàn)代生態(tài)修復技術構建邊坡植物立地條件，重建科學的植物群落，實現(xiàn)邊坡生態(tài)系統(tǒng)功能的恢復。