裸露巖質(zhì)邊坡覆綠的生態(tài)地質(zhì)學(xué)指標(biāo)分析

王 玲， 黃景春， 李 喆

(河南省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，河南 鄭州 450006)

裸露巖質(zhì)邊坡覆綠的生態(tài)地質(zhì)學(xué)指標(biāo)分析

王 玲， 黃景春， 李 喆

(河南省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，河南 鄭州 450006)

裸露巖質(zhì)邊坡覆綠成敗的關(guān)鍵在于植物和巖體的有機(jī)結(jié)合，植被地境再造技術(shù)效果突出.通過以河南省宜陽縣錦屏山高陡巖質(zhì)邊坡覆綠工程為研究對象，從生態(tài)地質(zhì)學(xué)角度研究地境再造技術(shù)指標(biāo)，為了解決巖質(zhì)邊坡的覆綠這一問題，必須要滿足以下條件:巖體體裂隙率達(dá)到3%以上、巖壁覆綠植物種植孔深度在40～60 cm之間、種植孔施工角度與裂隙的發(fā)育產(chǎn)狀相關(guān)且以切穿更多的裂隙為原則.圖6，表6.

巖質(zhì)邊坡；覆綠；生態(tài)地質(zhì)學(xué)；錦屏山

大規(guī)模采石活動(dòng)和礦產(chǎn)資源開采造成大量裸露的巖質(zhì)邊坡，極大地影響著城市和旅游景區(qū)周邊、鐵路及高速公路兩邊的生態(tài)環(huán)境和景觀，因此邊坡覆綠成為急需解決的問題.目前，邊坡覆綠技術(shù)主要有掛網(wǎng)噴播、生態(tài)袋、燕窩巢等，但這些技術(shù)應(yīng)用在高陡巖質(zhì)邊坡時(shí)效果不佳，主要原因在于這些技術(shù)僅關(guān)注工程施工本身，而沒有考慮巖體本身的特點(diǎn)，也沒有考慮植物如何與巖體結(jié)合的問題.研究業(yè)已證明，諸多的生態(tài)問題都可以歸結(jié)為地質(zhì)問題[1-2]，高陡巖質(zhì)邊坡的覆綠問題也不例外.

該文以河南省宜陽縣錦屏山邊坡覆綠工程為例，從生態(tài)地質(zhì)學(xué)的角度探析巖質(zhì)邊坡覆綠的理論基礎(chǔ)，為今后的高陡巖質(zhì)邊坡覆綠提供理論支撐.

1 研究區(qū)概況

錦屏山位于宜陽縣城南部，地理坐標(biāo)為東經(jīng)：112°9′33.9″～112°10′56.2″，北緯：34°30′24.4″～34°30′58″.錦屏山呈東西向延伸，東西長5 km，南北寬2 km.錦屏山采石場經(jīng)過17年的大規(guī)模強(qiáng)力露天開采，整個(gè)采石場自東向西已形成了長約2 500 m，寬30～50 m，剝離面高30～150 m的人工采掘宕口27個(gè)，巖體裸露，植被破壞嚴(yán)重(圖1).

圖1 覆綠前邊坡Fig.1 The Previous Rocky Slope

2012年，河南省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院運(yùn)用植被地境再造技術(shù)對裸露邊坡實(shí)施覆綠工程，2015年，項(xiàng)目組對施工區(qū)內(nèi)各坡面所種植植物成活率的進(jìn)行調(diào)查統(tǒng)計(jì)，刺槐成活率為63%、扶芳藤成活率為86.41%、連翹成活率為86.5%、爬山虎成活率為88%、山杏成活率為87.06%、迎春總成活率為86.73%、黃櫨成活率92%.根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，施工區(qū)總體覆綠效果相對較好(圖2).且調(diào)查工程中還發(fā)現(xiàn)施工坡面還生長有大量的野生本地物種，如臭椿、構(gòu)樹、黃荊、榆樹、野菊花、狗尾草、小飛蓬等，這也從側(cè)面說明覆綠工程有助于該施工區(qū)本地植物群落的恢復(fù).

圖2 覆綠2年后效果Fig.2 Two years later after greening

2 生態(tài)地質(zhì)學(xué)分析

研究區(qū)施工所用地境再造技術(shù)的理論基礎(chǔ)即為生態(tài)地質(zhì)學(xué)，故從巖體裂隙發(fā)育、植物地境深度、種植孔角度等方面討論高陡巖質(zhì)邊坡覆綠的生態(tài)地質(zhì)學(xué)指標(biāo).

2.1 巖體裂隙發(fā)育

巖體裂隙的生態(tài)學(xué)意義在于可以為植物根系提供發(fā)育空間、提供植物生長所需的養(yǎng)分、水分和氧氣[3].研究對裂隙的體裂隙率以及裂隙內(nèi)部的濕度、溫度等進(jìn)行了調(diào)查研究.

1)體裂隙率.巖體體裂隙率即單位巖體裂隙體積與巖體體積的比值，計(jì)算公式如下：

K體=∑Vi/V× 100%

根據(jù)以往其他地區(qū)的測量經(jīng)驗(yàn)，通常灰?guī)r巖石的體裂隙率一般在1%～2%.本次共計(jì)調(diào)查錦屏山采石場27個(gè)宕口70個(gè)巖壁的2315條裂隙，統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，巖壁裂隙一般在3～5組，有些巖壁發(fā)現(xiàn)7組裂隙，巖石體裂隙率一般3%～5%，個(gè)別地方最大超過7%，最小的超過2%.說明錦屏山采石場巖體裂隙較發(fā)育，形成了較為明顯的裂隙網(wǎng)絡(luò)，具有很好的連通性和導(dǎo)水性，能夠?yàn)橹参锏母堤峁┳銐虻纳L空間.

2)溫、濕度.通過在巖壁上開鑿孔穴的方法測量了室外日平均氣溫在28.3 ℃時(shí)，巖壁內(nèi)不同深度的溫度及濕度，共開挖測試樣坑共計(jì)16個(gè).根據(jù)測量數(shù)據(jù)繪制裂隙濕度隨深度變化曲線圖(圖3).

圖3 裂隙濕度隨深度變化曲線圖Fig.3 Fracture humidity curve with depth

可以看出，濕度均在10～30 cm區(qū)間內(nèi)急速升高，30～70 cm升高變得緩慢，60 cm時(shí)12號(hào)和15號(hào)孔的濕度在85%上下，其余孔的濕度均在95%左右，3號(hào)孔在70 cm處基本達(dá)到100%.溫度在10～40 cm之間下降明顯，在50 cm深處基本降至25 ℃，之后沒有劇烈的變化，趨于平穩(wěn).總的來說，隨著深度的增加，濕度呈現(xiàn)增高的趨勢，而溫度則呈現(xiàn)降低的趨勢.溫度和濕度在一定深度之后均呈現(xiàn)穩(wěn)定的趨勢.

從文獻(xiàn)[4]的研究結(jié)果來看，地下30～50 cm處為灌木的根群圈范圍，地下50 cm處出現(xiàn)喬木的根群圈.根據(jù)調(diào)查，長有植物的1、9、14號(hào)孔深度在30～50 cm時(shí)濕度在80%～85%之間，平均濕度88.7%，50 cm處濕度達(dá)到84%，之后逐步上升到95%.所有深度的溫度基本保持在25 ℃.其余的孔深度處于30～50 cm時(shí)濕度在60%～99%之間，平均濕度為86.3%，50 cm處濕度的平均值在82.1%，之后逐步上升到99%.溫度在30 cm處基本穩(wěn)定在25 ℃，隨后有下降的趨勢，在70 cm處降至20.5 ℃.不難看出，未生長植物的縫隙其溫度和濕度條件與生長植物的縫隙基本相當(dāng)，因此縫隙內(nèi)的濕度與溫度可以滿足植物生長的需求.

2.2 地境深度

就長期覆綠效果而言，喬木顯然優(yōu)于灌、草.研究顯示[4-6]，在我國中緯度地區(qū)喬木的地境深度一般在60 cm左右.研究區(qū)植物地境結(jié)構(gòu)調(diào)查通過樣坑進(jìn)行，開挖樣坑后進(jìn)行植物根系調(diào)查計(jì)數(shù)時(shí)按粗根(根莖>10 mm)，中根(根莖為2～10 mm)和細(xì)根(根莖<2 mm)三級(jí)劃分，分別記錄各網(wǎng)格出現(xiàn)的數(shù)目(死根不予統(tǒng)計(jì))，根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)，總根累積頻率從上到下逐漸減少的規(guī)律明顯，且細(xì)根占的比重很大.細(xì)根頻率分布上存在峰值，代表了某種生活型的根群圈范圍.為了更加直觀，現(xiàn)以兩組細(xì)根頻率分布曲線(圖4)對調(diào)查區(qū)地境結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析：第一組是細(xì)根總頻率—深度曲線；第二組是主調(diào)查面中軸(左右對稱軸)兩側(cè)不同距離處的細(xì)根頻率—深度曲線類型.

圖4 1號(hào)樣坑細(xì)根頻率分布圖Fig.4 Fine roots frequency distribution of the first sample pit

通過對上述樣坑植物根群層片規(guī)律的分析可知，該地細(xì)根頻率曲線收斂域在40 cm以內(nèi)，中根的最大分布深度為30 cm，錦屏山采石場的植物地境的底界在40 cm左右.這是由于根群受到堅(jiān)硬地層的脅迫效應(yīng)使得喬木、灌木根群層片發(fā)育受到限制，因此所有根群只能擠在同一處而無法形成完整根群層片.

因此，種植孔地境深度應(yīng)在40～60 cm之間.

2.3 種植孔角度

巖壁覆綠植物種植不同于一般田間或公園景觀的植物種植，對種植孔的要求是要盡可能多的切穿巖體內(nèi)部的裂隙，以獲得盡量多的水分、肥分，及盡可能大的根系伸展空間.所以，巖體裂隙的展布形態(tài)、空間發(fā)育特征是重要的參數(shù).本研究為了直觀反映錦屏山采石場各個(gè)宕口的巖壁裂隙發(fā)育程度和裂隙網(wǎng)絡(luò)主方向的發(fā)育程度，將本次野外測得的大量巖體裂隙產(chǎn)狀數(shù)據(jù)以10°為一區(qū)間進(jìn)行分組，統(tǒng)計(jì)出每組裂隙的數(shù)量和傾向的平均值，繪制27個(gè)宕口的裂隙傾向玫瑰花圖，圖5、圖6為示例玫瑰花圖.

裂隙發(fā)育方向以傾向南西180°～240°的裂隙最為發(fā)育，北東10°～65°方向次之.因此，種植孔的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮切穿裂隙最多的角度，即120°左右，或100°左右為宜.考慮到現(xiàn)場施工問題，可以適當(dāng)調(diào)整，但調(diào)整幅度不能超過10°.

圖5 裂隙傾向玫瑰花圖Fig.5 Rose diagram of fracture tendency

圖6 裂隙傾向玫瑰花圖Fig.6 Rose diagram of fracture tendency

3 結(jié) 論

1)高陡巖質(zhì)邊坡覆綠的關(guān)鍵是植物與巖壁的關(guān)系問題，即巖壁的地質(zhì)條件能否滿足植物需求，以及植物能否適應(yīng)這些條件.所以說高陡巖質(zhì)邊坡覆綠既是生態(tài)問題，也是地質(zhì)問題，地質(zhì)條件是解決問題的根本，生態(tài)地質(zhì)學(xué)理論是其基礎(chǔ)；

2)巖體裂隙發(fā)育程度決定著覆綠植物的長期生存，裂隙既是植物根系的伸展空間，也是植物所需水分、肥分的來源通道；裂隙發(fā)育的表征指標(biāo)是體裂隙率，即巖體體裂隙率達(dá)到2%以上即能滿足植物生長需求；

3)田間植物的地境深度與巖壁植物有所不同，強(qiáng)烈的脅迫作用使得巖壁植物的地境深度多集中在20～40 cm之間，為保證足夠的伸展與生存空間，巖壁覆綠植物的地境深度應(yīng)控制在40～60 cm，過深增加工程成本，過淺無法保證植物根群的生存空間；

4)種植孔施工角度需要根據(jù)巖體裂隙的發(fā)育產(chǎn)狀確定，以切穿更多的裂隙為原則，具體確定方法可以通過繪制裂隙傾向玫瑰花圖完成，但需要注意的是無論如何種植孔的角度不得朝下.

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Biography：WANG Ling,female,born in 1973,engineer,ecological geology and hydrogeology.

Analysis on Ecological Geological Index of Bare Rocky Slope Greening

WANG Ling, HUANG Jing-chun, LI Zhe

(Henan Geological Environment Monitoring Institute,Zhengzhou 450006,China)

The key to success or failure of bare rocky slope is the organic combination of plants and rock mass,and the remarkable effect of vegetation below-ground habitat recreation technology.The Technical Index of geotechnical reconstruction was studied from the perspective of ecological geology in the high steep rock slope greening project of Jinpingshan in Yiyang County,Henan Province.In order to solve the problem of greening the slope of rock slope,the following conditions must be met: volume fissure rate more than 3%,the depth of planting holes between 40～60 cm,and the angle of planting hole being related to fracture occurrence as well as taking cutting through more fissures as the principle.6figs.,6refs.

rocky slope; greening; ecological geology; Jingpingshan

2017-05-18

國家自然科學(xué)基金資助(編號(hào)：41572344)

王 玲(1973-)，女，河南周口人，工程師，研究方向：生態(tài)地質(zhì)與水文地質(zhì).

10.3969/j.issn.2095-7300.2017.02-043

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