巖質(zhì)邊坡生態(tài)修復(fù)噴播基質(zhì)配比研究進(jìn)展

［關(guān)鍵詞］ 巖質(zhì)邊坡；生態(tài)修復(fù)；噴播；基質(zhì)；配比

［摘要］ 近年來(lái)，隨著各類生產(chǎn)建設(shè)活動(dòng)在山丘區(qū)的開(kāi)展，不可避免地形成了相當(dāng)數(shù)量的巖質(zhì)邊坡。隨著“金山銀山就是綠水青山”等觀念的深入人心，人們的環(huán)保意識(shí)逐漸增強(qiáng)，巖質(zhì)邊坡的生態(tài)修復(fù)技術(shù)已成為工程建設(shè)技術(shù)的重要組成部分。分析總結(jié)了近年來(lái)巖質(zhì)邊坡生態(tài)修復(fù)中基質(zhì)的選擇和配比，并提出了該領(lǐng)域有待深入研究的方向。

［中圖分類號(hào)］ S157[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] ADOI：10.3969/j.issn.1000-0941.2024.04.012

［引用格式］ 張玉良，李悅銘，耿紹波.巖質(zhì)邊坡生態(tài)修復(fù)噴播基質(zhì)配比研究進(jìn)展[J].中國(guó)水土保持，2024（4）：41-45.

近年來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快，公路、鐵路、電力、能源開(kāi)發(fā)、礦產(chǎn)開(kāi)采等各行業(yè)的開(kāi)發(fā)建設(shè)活動(dòng)迅速開(kāi)展，尤其是在山丘區(qū)的建設(shè)，勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生較多的巖質(zhì)邊坡，在破壞生態(tài)環(huán)境的同時(shí)，也極易造成崩塌、滑坡和泥石流等自然災(zāi)害。隨著“綠水青山就是金山銀山”等觀念逐漸深入人心，人們對(duì)生態(tài)環(huán)境的要求逐年提升，傳統(tǒng)的混凝土類護(hù)坡已滿足不了現(xiàn)階段人們對(duì)生態(tài)環(huán)境的追求，在這種大環(huán)境下，巖質(zhì)邊坡的生態(tài)護(hù)坡技術(shù)不斷突破，其中噴播類護(hù)坡技術(shù)適應(yīng)性不斷增強(qiáng)，對(duì)各種坡度和高度的巖質(zhì)邊坡均能提供較好的解決方案，在生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目中得到了良好的應(yīng)用和推廣[1]。影響巖質(zhì)邊坡噴播類生態(tài)修復(fù)技術(shù)最重要的因素是噴播所用的基質(zhì)，其是通過(guò)相關(guān)技術(shù)在巖質(zhì)邊坡上再造的一層“土壤”，是保證巖質(zhì)邊坡植物生長(zhǎng)、演替的物質(zhì)基礎(chǔ)[2]?；|(zhì)材料的組成一般為土壤、黏合劑（水泥等）、肥料（化肥、有機(jī)肥等）、保水劑、纖維素及其他類型的添加劑，將上述材料按一定比例混合，通過(guò)高壓噴射設(shè)備噴覆于巖質(zhì)邊坡，形成穩(wěn)定的物理結(jié)構(gòu)，從而為植物生長(zhǎng)提供適宜的養(yǎng)分和水分?；|(zhì)配方的研究是噴播類生態(tài)修復(fù)技術(shù)成敗的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題[3]，其基質(zhì)材料各成分配比合理與否關(guān)系著整個(gè)護(hù)坡生態(tài)修復(fù)技術(shù)的成敗[4]。因此，研究基質(zhì)配比，創(chuàng)造良好的基質(zhì)配方，對(duì)巖質(zhì)邊坡生態(tài)恢復(fù)技術(shù)具有重要的理論意義和現(xiàn)實(shí)意義。筆者從土壤、有機(jī)質(zhì)、黏合劑、化學(xué)肥料、保水劑、纖維材料及其他添加劑等方面系統(tǒng)分析和總結(jié)近年來(lái)的研究成果，以期為巖質(zhì)邊坡生態(tài)修復(fù)工作的開(kāi)展提供理論基礎(chǔ)和參考。

1土壤土壤作為普通條件下植被生長(zhǎng)和演替的基礎(chǔ)，在噴播類基質(zhì)材料中同樣占有重要的地位。噴播類基質(zhì)材料對(duì)土壤類型沒(méi)有特殊的要求，工程附近的土壤均可，但以壤土為宜，能更好地提升噴播基質(zhì)的各項(xiàng)性能。例如，邵蔚等[5]在合肥地區(qū)選擇當(dāng)?shù)厝劳?，通過(guò)厚層基質(zhì)噴播技術(shù)對(duì)礦山開(kāi)采形成的巖質(zhì)邊坡進(jìn)行了恢復(fù)；徐華等[6]、李天斌等［7］針對(duì)四川高寒地區(qū)的巖質(zhì)邊坡，采用JYC生態(tài)基材技術(shù)開(kāi)展綠化研究，也是選用了工程附近的壤土進(jìn)行基質(zhì)的配比；李少麗等[8]則是利用工程附近的砂壤土進(jìn)行了巖質(zhì)邊坡的生態(tài)修復(fù)試驗(yàn)。同時(shí)，也有學(xué)者利用黏土進(jìn)行基材的配比，例如劉大翔等[9]、李準(zhǔn)等［10］均利用工程附近的黏土完成了植被混凝土基材的配置。不同的土壤類型對(duì)基材的性能影響也有所不同。周明濤等[11]研究了植被混凝土生態(tài)基材的凍融效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)利用黏土配置的植被混凝土融沉系數(shù)大，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因主要是黏土顆粒較小，表面能高，空間結(jié)構(gòu)性更強(qiáng)，壓實(shí)空間更大，而砂土之間主要靠顆粒間的支撐作用，不易被壓實(shí)。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，利用黏土配制的噴播基質(zhì)具有較高的肥效，黃俊等[12]分析主要是因?yàn)轲ね磷陨淼姆市л^砂土高，其次是因?yàn)轲ね帘Ｋ７市暂^好，肥料不易流失。也有學(xué)者對(duì)非土壤類物質(zhì)作為噴播基質(zhì)的配比進(jìn)行了研究，例如馬朋坤等[13]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，鐵尾礦可以代替土壤，作為植被混凝土類噴播基質(zhì)的基礎(chǔ)材料，此種技術(shù)可以有效減少土壤的使用，從而降低生態(tài)修復(fù)成本，同時(shí)還能提高尾礦的利用率，減少尾礦的排放；還有學(xué)者對(duì)采石場(chǎng)渣土進(jìn)行了研究，例如鄧川等[14]運(yùn)用粒徑為0～10 mm的采石場(chǎng)渣土，通過(guò)加入一定比例的黏合劑和保水劑，配制成噴播類基質(zhì)，可有效減少渣土的存放量。

2有機(jī)質(zhì)有機(jī)質(zhì)的作用主要是可使噴播類基質(zhì)形成多孔體和團(tuán)聚體，從而能較好地保持水分和養(yǎng)分，有利于植被生長(zhǎng)。同時(shí)，團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)還能有效抵抗水力侵蝕，防止基材被降雨匯水侵蝕。目前噴播類基質(zhì)常用的有機(jī)質(zhì)主要有堆肥、泥炭、蘑菇肥等，另外也可將新鮮有機(jī)物料（糠殼、鋸木屑、稻殼）的粉碎物進(jìn)行發(fā)酵處理后，作為噴播類基質(zhì)的配比材料[8]。雖然基質(zhì)中配比一定量的有機(jī)質(zhì)能有效促進(jìn)植物生長(zhǎng)，但是有機(jī)質(zhì)含量與基質(zhì)強(qiáng)度成反比，所以基質(zhì)中的有機(jī)質(zhì)含量也有一定的限值，并非越多越好[9]。合理的基質(zhì)材料配比，要充分考慮其對(duì)基質(zhì)力學(xué)性能的影響。周正軍等[15]發(fā)現(xiàn)有機(jī)質(zhì)含量升高會(huì)導(dǎo)致基質(zhì)強(qiáng)度的降低；劉大翔等[9]研究發(fā)現(xiàn)基質(zhì)孔隙率并非隨著有機(jī)質(zhì)含量的增加而持續(xù)增加，而是隨著有機(jī)質(zhì)含量升高出現(xiàn)先增后降的過(guò)程，噴播基質(zhì)中有機(jī)質(zhì)含量為7%～9%是合理的范圍。不同的有機(jī)質(zhì)材料對(duì)基質(zhì)強(qiáng)度的影響也不盡相同。劉大翔等[9]研究了不同顆粒直徑的有機(jī)質(zhì)對(duì)基質(zhì)性能的影響，發(fā)現(xiàn)大粒徑材料能有效提升基質(zhì)孔隙率，但不利于提高基質(zhì)強(qiáng)度，所以建議對(duì)于大粒徑材料要充分研磨，降低其粒徑，以免降低其力學(xué)性能。張俊云等[16]研究了基質(zhì)的水平收縮率和自由收縮率，發(fā)現(xiàn)有機(jī)質(zhì)含量會(huì)影響基質(zhì)收縮性，基質(zhì)的收縮率與有機(jī)質(zhì)含量成正相關(guān)關(guān)系。

3黏合劑基質(zhì)中使用黏合劑，在增加基質(zhì)強(qiáng)度的同時(shí)，也可以促進(jìn)基質(zhì)和巖面的黏結(jié)強(qiáng)度，從而有效避免水力侵蝕、風(fēng)力侵蝕及凍融侵蝕的破壞，保證基質(zhì)的穩(wěn)固。目前水泥是各種噴播基質(zhì)中最常用的黏合劑。水泥可以有效提高基質(zhì)強(qiáng)度。羅陽(yáng)明等[17]發(fā)現(xiàn)基質(zhì)中加入水泥和高分子聚合物，可以有效提高基質(zhì)的保水、保肥能力，主要是因?yàn)榧尤胨嗪透叻肿泳酆衔锬艽龠M(jìn)基質(zhì)中土體團(tuán)?；男纬?；周中等[18]利用正交試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)水泥對(duì)基質(zhì)的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響最為顯著；黃俊等[12]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)工程試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)水泥在后期能顯著提升厚層基質(zhì)強(qiáng)度，如果想增加其初期強(qiáng)度，則可通過(guò)在噴播前期摻入少量的化學(xué)黏合劑聚丙烯酰胺來(lái)實(shí)現(xiàn)。但水泥用量的增加，在增加基質(zhì)強(qiáng)度的同時(shí)，也會(huì)對(duì)植物生長(zhǎng)產(chǎn)生不利影響，如：肖衡林等[19]、張俊云等［20］發(fā)現(xiàn)基材中水泥含量越高，植物生長(zhǎng)狀況越差，并且肖衡林等[19]通過(guò)進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，水泥含量影響植物生長(zhǎng)的臨界值在10%（體積分?jǐn)?shù)），水泥體積分?jǐn)?shù)在10%以下植物可以正常生長(zhǎng)，超過(guò)此值則會(huì)對(duì)植物生長(zhǎng)產(chǎn)生不利影響；許陽(yáng)[21]研究了不同水泥含量對(duì)植物萌發(fā)和生長(zhǎng)的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)水泥含量低于8％（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）時(shí)，會(huì)促進(jìn)種子萌發(fā)和生長(zhǎng)，高于8％時(shí)則會(huì)顯著抑制種子的萌發(fā)，所以認(rèn)為8％的水泥含量最適合；王稷等[22]則發(fā)現(xiàn)不同植物對(duì)水泥含量的響應(yīng)不同，當(dāng)水泥含量在6%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）時(shí)冰草幼苗的各項(xiàng)生理生化特征最佳，當(dāng)水泥含量為8%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）時(shí)垂穂披堿草幼苗的生理生化特征最佳。需要注意的是，以上水泥含量是不充分考慮邊坡穩(wěn)定性的條件下得出的結(jié)果，在實(shí)際的巖質(zhì)邊坡生態(tài)恢復(fù)工作中，應(yīng)結(jié)合邊坡的穩(wěn)定性需要，再適當(dāng)調(diào)整水泥含量[21-22]。除水泥外，也有學(xué)者研究了其他高分子化合物作為黏合劑在噴播基材中的應(yīng)用。黃俊等[12]研究了聚丙烯酰胺對(duì)基質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)其在初期可有效提高基質(zhì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，但在7 d后其對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度則無(wú)明顯的提升； 張玉良等：巖質(zhì)邊坡生態(tài)修復(fù)噴播基質(zhì)配比研究進(jìn)展李紹才等[23]研究發(fā)現(xiàn)，聚丙烯酰胺含量的增加可提高基質(zhì)的抗侵蝕能力，并有利于植物生長(zhǎng)，但其適宜用量為10 g/m2左右，超過(guò)后基質(zhì)的抗侵蝕能力不會(huì)隨之增加；喻永祥等[24]發(fā)現(xiàn)聚氨酯有機(jī)高分子能有效提高基質(zhì)的強(qiáng)度和抗沖刷能力，還可以有效促進(jìn)植被種子的發(fā)芽與生長(zhǎng)。但不是所有的高分子材料都會(huì)促進(jìn)植被的發(fā)芽和生長(zhǎng)，如李天斌等[7]研究發(fā)現(xiàn)，羧甲基纖維素鈉能有效提高基質(zhì)強(qiáng)度，但會(huì)抑制植被的發(fā)芽率和植被的生長(zhǎng)，為了消除這一弊端，將其與保水劑聚丙烯酰胺聯(lián)合使用，含量適當(dāng)時(shí)，可消除其不利影響。

4化學(xué)肥料化學(xué)肥料有利于植物的生長(zhǎng)，加入一定量的速效肥和緩釋氮肥，有利于植物生長(zhǎng)前期和后期肥料的持續(xù)供應(yīng)。劉慧等[25]研究表明，復(fù)合基材混合物中高摩爾比脲甲醛緩釋肥是影響邊坡植物長(zhǎng)勢(shì)的主導(dǎo)因素，含水量超過(guò)3 000 mL/m2時(shí)成為次要影響因素。

5保水劑巖質(zhì)邊坡噴播基質(zhì)一般厚度都在10 cm左右，而巖質(zhì)邊坡易反射輻射能量且不易透水，對(duì)噴播基材含水量的需求較高，因此適量添加保水劑在噴播類基材中顯得極為重要。保水劑不光能有效改善基質(zhì)的保水性能，還能保溫、保肥、改善土壤結(jié)構(gòu)、促進(jìn)植物生長(zhǎng)發(fā)育等，有效提高基質(zhì)的各項(xiàng)性能。李紹才等[23]研究發(fā)現(xiàn)，適量的高吸水樹(shù)脂在巖石邊坡植被護(hù)坡中可以增加有效水含量和抑制蒸發(fā)，但是進(jìn)一步研究后發(fā)現(xiàn)，保水劑含量過(guò)高會(huì)影響植物生長(zhǎng)，其適宜用量在80 g/m2左右，另外還發(fā)現(xiàn)其保水能力隨著時(shí)間的延后會(huì)逐漸喪失。徐華等[6]、李天斌等［7］在對(duì)高寒高海拔地區(qū)巖質(zhì)陡邊坡JYC生態(tài)基材護(hù)坡研究中也發(fā)現(xiàn)了相似的規(guī)律，即聚丙烯酰胺的含量在40 g/m2時(shí)可充分發(fā)揮其保水的能力，含量過(guò)高則會(huì)降低其保水抗旱性能，還會(huì)對(duì)基質(zhì)強(qiáng)度產(chǎn)生影響。保水劑的粒徑不同，也會(huì)對(duì)基質(zhì)保水性能產(chǎn)生影響。秦健坤等[26]發(fā)現(xiàn)大粒徑保水劑（1.0～2.0 mm）在使用量為0.50%時(shí)改善效果最好；紀(jì)冰祎等[27]則通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，粒徑大的保水劑（＞0.85 mm）對(duì)增強(qiáng)土壤持水和供水能力的持續(xù)性效果最優(yōu)，而粒徑小的保水劑（0.30～0.45 mm）更利于促進(jìn)土壤團(tuán)聚體的形成，從而增強(qiáng)土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

6纖維材料纖維材料可以增強(qiáng)基質(zhì)各組分之間的膠結(jié)作用，提高基質(zhì)強(qiáng)度，從而加強(qiáng)噴播基質(zhì)的抗蝕性；另外，纖維材料還可避免基質(zhì)過(guò)于密實(shí)而影響植物生長(zhǎng)。工程上常用的纖維材料有秸稈、樹(shù)枝等。HARIANTO et al.[28]研究發(fā)現(xiàn)，植物纖維可有效改善植被混凝土基質(zhì)的干縮性、抗拉性及抗剪性等。李紹才等[23]的研究結(jié)果也顯示，秸稈纖維可提高基質(zhì)的抗剪強(qiáng)度，增加基質(zhì)的穩(wěn)定性，延緩基質(zhì)失水收縮產(chǎn)生裂縫的時(shí)間，減小裂縫的寬度，降低坡面侵蝕產(chǎn)沙量，但其含量過(guò)高會(huì)產(chǎn)生不利影響，適宜用量為4 kg/m2。曹興松等[29]也發(fā)現(xiàn)隨著纖維絲含量增加，基質(zhì)的力學(xué)性能不是持續(xù)增加，其黏聚力和內(nèi)摩擦角呈先增大后減小的趨勢(shì)。梁永哲等[30]發(fā)現(xiàn)，在凍融作用下隨著纖維摻量的增加，黏聚力呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，而內(nèi)摩擦角無(wú)明顯變化，合理的棕纖維與黃麻纖維組合摻量為0.6%+0.6%。部分學(xué)者發(fā)現(xiàn)木材纖維對(duì)噴播基質(zhì)的改良要優(yōu)于草本纖維。師海然[31]研究了木材纖維和草本纖維之間的區(qū)別，發(fā)現(xiàn)木材纖維的交織結(jié)構(gòu)孔隙率大，保水性能更為優(yōu)良，尤其適用于纖維型噴播基質(zhì)。大坪政美等[32]將竹纖維加入基材中，發(fā)現(xiàn)可以有效地提高基材的抗侵蝕性。李映等[33]研究了木質(zhì)素含量與基質(zhì)抗剪強(qiáng)度之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)木質(zhì)素也可顯著增強(qiáng)基質(zhì)的抗剪強(qiáng)度。大部分學(xué)者的研究結(jié)果都顯示纖維材料能有效改善基質(zhì)的各項(xiàng)性能，但也有學(xué)者得出了不同的結(jié)果。高曉穎[34]研究發(fā)現(xiàn)，基質(zhì)中一旦摻入秸稈，其抗剪強(qiáng)度會(huì)顯著降低；徐創(chuàng)軍等[35]認(rèn)為，造成這種情況的原因可能是秸稈未經(jīng)任何處理，通過(guò)向基質(zhì)中添加預(yù)處理的秸稈，發(fā)現(xiàn)可有效提高客土的孔隙度及穩(wěn)定性，而原始秸稈用量達(dá)到3 kg/m3后，會(huì)降低客土的抗剪強(qiáng)度；張亞麗等[36]也認(rèn)為，經(jīng)過(guò)預(yù)處理的秸稈可對(duì)土壤有明顯的改良作用。

7其他添加劑有學(xué)者研究了硅藻土和活化菌對(duì)基材的影響。高曉穎[34]發(fā)現(xiàn)，使用硅藻土作為基質(zhì)改良材料可以有效提高邊坡穩(wěn)定性，當(dāng)用量在40%時(shí)，基質(zhì)的抗剪強(qiáng)度最高，另外還發(fā)現(xiàn)硅藻土能有效提高基質(zhì)的水分利用率。杜祥運(yùn)等[37]開(kāi)展了活化菌對(duì)基材的影響研究，發(fā)現(xiàn)活化菌劑可顯著改善植被混凝土的理化性質(zhì)，當(dāng)添加量為基礎(chǔ)質(zhì)量的6%～9%時(shí)效果最好。

8研究展望1）巖質(zhì)邊坡噴播基質(zhì)的配比需要大量土壤，而土壤的大面積開(kāi)挖會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境破壞和水土流失，不能為了治理邊坡而破壞其他地方的環(huán)境。已有學(xué)者開(kāi)展了土壤替換材料的研究，例如尾礦、污泥、粉煤灰、垃圾土、余渣等，上述材料的應(yīng)用既能降低巖質(zhì)邊坡生態(tài)治理成本，又能提高廢棄物利用率，還能減少對(duì)周邊環(huán)境的破壞，具有極強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。目前，利用上述固廢材料作為噴播基質(zhì)材料，還應(yīng)在其耐久性、抗蝕性，以及水分養(yǎng)分運(yùn)移、流失等方面進(jìn)行深入研究。2）噴播基質(zhì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且瘠薄，與巖質(zhì)坡面的關(guān)聯(lián)性較差，而植物根須則是連接基質(zhì)層和巖層的關(guān)鍵紐帶，對(duì)于維持基質(zhì)層的穩(wěn)定具有不可替代的作用，因此應(yīng)對(duì)根系的錨固作用進(jìn)行深入研究，繼續(xù)增加根系對(duì)巖質(zhì)邊坡基質(zhì)層的正效應(yīng)。同時(shí)，也應(yīng)看到腐爛根系對(duì)基質(zhì)層的不利影響，如加快水分和養(yǎng)分的流失、降低基質(zhì)整體的穩(wěn)定性等，在這方面也應(yīng)加強(qiáng)研究。3）巖質(zhì)邊坡的生態(tài)修復(fù)技術(shù)經(jīng)過(guò)近十幾年的發(fā)展，已有了相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，如《混凝土基體植綠護(hù)坡技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ/T 412—2017）。但是，目前的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)主要基于護(hù)坡基質(zhì)材料的配比、護(hù)坡施工流程、護(hù)坡養(yǎng)護(hù)等，沒(méi)有充分考慮不同氣候條件、地理環(huán)境和生態(tài)環(huán)境對(duì)生態(tài)護(hù)坡的影響，而不同氣候條件、地理環(huán)境和生態(tài)環(huán)境必然會(huì)對(duì)護(hù)坡效果產(chǎn)生極大的影響。因此，應(yīng)研究制定基于特定氣候、地理環(huán)境，尤其如高寒地區(qū)、半干旱地區(qū)及干熱河谷地區(qū)等立地條件較差地區(qū)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

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