“類壤土基質(zhì)”噴播技術(shù)及其在礦山環(huán)境恢復(fù)治理中的應(yīng)用

張 波，沈奕鋒，張玉倩，喬樂(lè)萍

(江蘇綠巖生態(tài)技術(shù)股份有限公司，江蘇 蘇州 215600)

0 引言

礦產(chǎn)資源的開采，使得礦山形成了大量的裸露邊坡。隨著國(guó)家對(duì)生態(tài)文明建設(shè)的重視程度不斷升高，全國(guó)各地區(qū)整合或關(guān)停了大量礦山，致使大量礦山露天開采邊坡成為了歷史遺留問(wèn)題。此外，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、城鎮(zhèn)化進(jìn)程和道路交通發(fā)展的加快，使得越來(lái)越多的破損山體進(jìn)入到城市規(guī)劃區(qū)和道路沿線的范圍內(nèi)，大量裸露的邊坡破壞自然環(huán)境，嚴(yán)重影響城市形象、降低居民生活質(zhì)量。因此露天邊坡復(fù)綠已刻不容緩，而傳統(tǒng)的噴播復(fù)綠技術(shù)大多成本高、難度大、適應(yīng)范圍窄，“類壤土基質(zhì)”噴播技術(shù)作為一種新的噴播復(fù)綠技術(shù)，其研發(fā)與應(yīng)用分析是有必要的。

在國(guó)外，露天邊坡復(fù)綠工作無(wú)論從研究領(lǐng)域還是工程實(shí)踐上，均起步較早。在國(guó)內(nèi)，露天邊坡復(fù)綠技術(shù)研究工作起步較晚，但近些年通過(guò)大量露天邊坡的治理，復(fù)綠技術(shù)研究工作，特別是工程實(shí)踐方面，已經(jīng)基本走在世界前列?！邦惾劳粱|(zhì)”噴播復(fù)綠技術(shù)主要針對(duì)解決高陡邊坡治理和礦山地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)等問(wèn)題，具有很廣闊的應(yīng)用前景。

1 傳統(tǒng)噴播技術(shù)現(xiàn)狀及存在問(wèn)題

自然山體土壤的剖面，上部為有機(jī)質(zhì)含量較高的表土層(腐殖質(zhì)層)[1]-全風(fēng)化層；中部為淋溶層-強(qiáng)風(fēng)化層；下部為中風(fēng)化、弱風(fēng)化基巖。人為因素?cái)_動(dòng)造成了山體的破壞，使得土壤結(jié)構(gòu)發(fā)生變化甚至基巖裸露。傳統(tǒng)的噴播工藝只能模擬腐殖質(zhì)層-全風(fēng)化層，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較弱，抗沖刷能力較弱，在60°以上高陡邊坡的立地條件下容易造成兩層皮的復(fù)綠結(jié)果，植物恢復(fù)的效果較弱，與自然山貌區(qū)別較大。傳統(tǒng)普通噴播工藝無(wú)法克服草本植物生長(zhǎng)速率過(guò)快的問(wèn)題，而早期草本植物會(huì)占據(jù)絕大多數(shù)群落生長(zhǎng)空間和資源，最終造成草本、灌木、喬木群落組合失衡，植物群落缺乏多樣性。

2 “類壤土基質(zhì)”噴播技術(shù)研究方法

2.1 研究思路及步驟

選取江蘇省無(wú)錫市濱湖區(qū)舜柯山勤新關(guān)閉礦山地質(zhì)環(huán)境生態(tài)綜合治理項(xiàng)目，對(duì)治理區(qū)的植被覆蓋度、物種多樣性和壤土厚度進(jìn)行調(diào)查，研究“類壤土基質(zhì)”噴播技術(shù)的特點(diǎn)及適用條件。

2.1.1“勤新宕口”治理概況

無(wú)錫市濱湖區(qū)舜柯山勤新關(guān)閉礦山地質(zhì)環(huán)境生態(tài)綜合治理項(xiàng)目位于江蘇省無(wú)錫市濱湖區(qū)勤新村錢胡路(城市主干道)南側(cè)，屬于惠山森林公園整治區(qū)內(nèi)。該項(xiàng)目原屬采石場(chǎng)廢棄宕口，宕口巖面陡峭、裸露，生態(tài)效果很差，而且存在崩塌、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害隱患[2](圖1)。

圖1 宕口原狀圖Fig.1 The original figure of open pitmining outcrop

整治區(qū)位于舜柯山北麓，地形地貌上屬太湖丘陵山區(qū)，揭露的巖層較為單一，為泥盆系茅山群(D1-2ms)紫褐色砂巖夾泥巖及五通組(D3w)灰白色石英砂巖，巖層呈厚層至巨厚層，節(jié)理較發(fā)育。宕口垂直高度最高162 m，最大斜高300 m，坡度60°～90°，局部有反坡，巖土PH值6.5左右，2004年施工，坡面面積 218 000 m2。

2.1.2植被覆蓋度

(1)調(diào)查設(shè)備與材料

①測(cè)量設(shè)備：無(wú)人機(jī)、電腦等

②其它工具：記錄板、記錄表等。

(2)調(diào)查方法

由于山體實(shí)際情況，使用無(wú)人機(jī)，對(duì)邊坡進(jìn)行全方位拍攝，并記錄拍攝角度、距離等信息。

(3)數(shù)據(jù)處理

對(duì)于無(wú)人機(jī)拍攝數(shù)據(jù)，在室內(nèi)進(jìn)行解譯分析。注意要考慮拍攝時(shí)無(wú)人機(jī)和邊坡的方位關(guān)系以及和邊坡之間的距離。在圖像處理軟件(Photoshop CS4)使用過(guò)程中多次選擇植被選區(qū)，以確保植被象元的精度，通過(guò)統(tǒng)計(jì)植被象元占選區(qū)照片總像元的百分比來(lái)估算植被覆蓋度[3]。

2.1.3植物多樣性

(1)調(diào)查設(shè)備與材料

①測(cè)量設(shè)備：鋼卷尺、皮尺、米尺、測(cè)繩等

②文具材料：鉛筆、橡皮、小刀、繪圖紙等

③其它工具：剪刀、枝剪、記錄板、記錄表等

(2)調(diào)查方法

調(diào)查方法為樣方法:調(diào)查樣地選用樣方法。

①樣方選取

植被調(diào)查樣方大小一般用植物群落最小面積法確定，本項(xiàng)目的樣方大小為5×5 m2，樣方數(shù)量為9個(gè)。在山體的上、中、下三個(gè)高層坡面上各選取三個(gè)位置作為樣地選擇點(diǎn)。

②植物多樣性調(diào)查

根據(jù)本工地最初播撒種子，分別統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)喬、灌、草各層植物種類及個(gè)體數(shù)。

調(diào)查時(shí)，對(duì)于喬灌木層物種，進(jìn)行每木檢測(cè)，記錄種類、株高及數(shù)量；對(duì)于草本種類，記錄種類。

(3)數(shù)據(jù)處理

根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)，通過(guò)統(tǒng)計(jì)獲取相關(guān)指標(biāo)來(lái)指示復(fù)綠效果。

2.1.4土壤厚度

土壤的發(fā)育程度通過(guò)土壤厚度來(lái)體現(xiàn)，而土壤厚度又與土壤肥力密切相關(guān)，野外土壤肥力鑒別主要是依據(jù)土壤厚度[4-9]。

迄今為止，土壤厚度的劃定一直缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致土壤厚度劃分方法多種多樣[10]。本文取腐殖質(zhì)層和淋溶層的厚度為土壤厚度。

土壤厚度調(diào)查采用直接測(cè)量的方法。

2.2 工作流程

工作流程見(jiàn)圖2。

圖2 工作流程圖Fig.2 Workflow chart

2.3 技術(shù)特點(diǎn)

2.3.1重塑土層結(jié)構(gòu)

“類壤土基質(zhì)”噴播技術(shù)模擬的土層結(jié)構(gòu)主要有兩層，一是腐殖質(zhì)層(全風(fēng)化層)，該層具有壤土結(jié)構(gòu)特性，含有豐富的腐殖質(zhì)、礦物質(zhì)、空氣、水、有機(jī)物等，促進(jìn)土壤微生物的活動(dòng)，調(diào)節(jié)土壤酸堿反應(yīng)，加速植物根系和地上部分的生長(zhǎng)。種子生長(zhǎng)過(guò)程中具有吸熱、松土、保水等功能，能有效改良土壤結(jié)構(gòu)。且由于動(dòng)物、植物落葉、枯草等腐殖物及風(fēng)力作用，使得形成的生態(tài)系統(tǒng)更加穩(wěn)定，并隨時(shí)間的延展促進(jìn)植物的生長(zhǎng)。二是淋溶層(強(qiáng)風(fēng)化層)，“類壤土基質(zhì)”噴播技術(shù)形成的底基層可以看成一種柔性加筋錨固材料。噴播的瞬間基質(zhì)與種子或礦山邊坡基巖相結(jié)合，可以通過(guò)膨脹作用緊鎖圍土介質(zhì)，提高接觸面摩擦阻力，抗沖刷能力強(qiáng)、附著力強(qiáng)、穩(wěn)定性好。公司通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)形成了優(yōu)良的基材配置比例，能夠顯著提高植物的越冬率和返青率(圖3)。

2.3.2優(yōu)化控制喬灌木生長(zhǎng)比例

通過(guò)“類壤土基質(zhì)”噴播技術(shù)，可以將喬、灌木比例控制在適宜植被生長(zhǎng)的范圍內(nèi)，有利于草本、灌木、喬木各目標(biāo)植物類型在時(shí)空上逐步向穩(wěn)定和合理分布的格局發(fā)展，并顯著提高了坡體抗沖刷力。在植物配比中考慮豆科植物的比例，豆科植物根瘤固氮作用大大改善了巖質(zhì)邊坡的巖土性質(zhì)，為植物生長(zhǎng)提供了條件。優(yōu)良的喬灌木比例能夠營(yíng)造出良好的邊坡疏林景觀復(fù)層結(jié)構(gòu)，季相變化明顯，景觀效果良好，同時(shí)考慮到季候性落葉能夠?yàn)橹参锷L(zhǎng)提供有機(jī)質(zhì)，有利于巖質(zhì)層復(fù)綠區(qū)的植物生長(zhǎng)基質(zhì)形成。

圖3 技術(shù)示意圖Fig.3 Technical diagrammatic sketch

2.3.3有效的侵蝕控制性能

“類壤土基質(zhì)”柔韌且穩(wěn)定，具有更大的侵蝕控制有效性，能夠增加流動(dòng)阻力，顯著減少表層土壤流失、污水徑流濁度。

2.3.4優(yōu)良的持水性和滲水性

“類壤土基質(zhì)”噴播技術(shù)形成的土壤基質(zhì)含有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)，具備優(yōu)良的持水及滲水性能，滿足植被生長(zhǎng)要求。

2.3.5廣泛的地形適應(yīng)性

“類壤土基質(zhì)”噴播技術(shù)地形適應(yīng)性強(qiáng)，坡度適用范圍廣?？梢杂行Ц采w坡面土壤，保證種子著床穩(wěn)定，增強(qiáng)護(hù)土和固種作用。

2.3.6100 %生物可降解

“類壤土基質(zhì)”是一種高性能的柔性生長(zhǎng)基質(zhì)，無(wú)毒無(wú)污染，100 %生物可降解，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成二次污染，實(shí)現(xiàn)對(duì)自然資源的高效循環(huán)利用。

2.4 適用條件

該技術(shù)在各地區(qū)均可應(yīng)用。土質(zhì)和巖質(zhì)邊坡均可應(yīng)用，主要適用于坡度不大于73°的各種類型邊坡，且邊坡穩(wěn)定性好。

目前，“類壤土基質(zhì)”可以應(yīng)用于煤礦、石油礦，大部分金屬礦和非金屬礦開采后形成的露天邊坡、塌陷地、尾礦庫(kù)、排渣場(chǎng)、工礦廢棄地等。

3 技術(shù)應(yīng)用案例分析

3.1 宕口治理成果

該工程屬財(cái)政部、國(guó)土部示范項(xiàng)目，開竣工期為2004年9月7日至2007年4月。

穩(wěn)定性(生物防護(hù)作用[11])：項(xiàng)目完成10年以來(lái)，山體穩(wěn)定，經(jīng)歷了多次特大暴雨、雪災(zāi)、臺(tái)風(fēng)等，無(wú)崩塌、滑落、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生[12](圖4)。

圖4 施工10年后實(shí)景圖Fig.4 Photo-realistic after 10 years of construction

坡面觀感：以樹為主，四季常綠，三季有花，并有少部分觀果樹木(野生，已結(jié)果，如楊梅、桔子樹、杏樹及桃樹等)。

綠化指標(biāo)：坡面綠化覆蓋率95 %以上。木本植物覆蓋率40 %以上，落葉樹胸徑6～18 cm，常綠樹冠幅1.0～4.0 m，植物群落已演替4次，幾近野生群落體系。

坡面土壤厚度：通過(guò)量測(cè)，施工后厚度為10～12 cm，十余年后土壤厚度已經(jīng)達(dá)到15～18 cm。

3.2 植被覆蓋度分析

對(duì)“類壤土基質(zhì)”噴播和普通噴播不同方法施工后植被覆蓋度的比較(表1、圖5)。

表1 冬季不同噴播施工后覆蓋度比較

圖5 不同噴播施工后覆蓋度隨時(shí)間變化柱狀圖Fig.5 Histogram change of coverage with time after different spraying sowing

可以得出：“類壤土基質(zhì)”噴播施工后比普通噴播施工后的植被覆蓋度要高。

3.3 植被多樣性分析

3.3.1物種數(shù)量變化

根據(jù)多年對(duì)無(wú)錫勤新項(xiàng)目取樣調(diào)查(圖6)，發(fā)現(xiàn)喬灌木的種類在第一至二年沒(méi)有變化，在之后會(huì)有穩(wěn)步的增加；草本的種類會(huì)隨著時(shí)間的變化緩慢增加，在第七年草本種類快速增長(zhǎng)，這可能是外來(lái)物種的入侵?？梢缘贸觯皟赡陠坦嗄竞筒荼镜姆N類主要受施工的影響，之后周邊的環(huán)境對(duì)其影響逐步增加，物種的種類也開始變多，這也充分體現(xiàn)了該基質(zhì)有助于選取最合適的植物種類、營(yíng)造適宜的喬灌木比例，實(shí)現(xiàn)恢復(fù)自然環(huán)境。

圖6 物種數(shù)量隨時(shí)間變化圖Fig.6 The number of species varies with time

3.3.2喬灌木數(shù)量變化

在植物的選擇時(shí)，除了要充分注意植物的特性，還要考慮當(dāng)?shù)丨h(huán)境的影響。綜合確定植物的種類、搭配性，以及所要考慮的附屬參數(shù)(表2)。

表2 喬灌木數(shù)量隨時(shí)間變化情況

3.3.3喬灌木株高變化

通過(guò)生長(zhǎng)量的調(diào)查，能及時(shí)掌握林木在該地區(qū)的生長(zhǎng)發(fā)育情況。株高測(cè)量時(shí)用尺子從地面量到苗頂最高位置，總讀數(shù)即為株高。在這九年內(nèi)量取的樹木生長(zhǎng)量都是穩(wěn)固增加的，說(shuō)明我們選取的種子是合理優(yōu)良的(表3)。

表3 喬灌木株高隨時(shí)間變化情況

通過(guò)植被恢復(fù)措施可以改變廢棄礦山環(huán)境條件、增加生境異質(zhì)性，使群落結(jié)構(gòu)本身發(fā)生動(dòng)態(tài)過(guò)程變化，這直接影響群落旳發(fā)展和穩(wěn)定。隨著所植樹木的生長(zhǎng)發(fā)育，植被逐漸改善廢棄礦山原有地表環(huán)境條件，可以促進(jìn)陰性植物的入侵、定居，進(jìn)而提高礦山林地的物種多樣性。由此建立的生態(tài)群落將繼續(xù)演替，無(wú)需人工養(yǎng)護(hù)，最終達(dá)到永久性復(fù)綠，恢復(fù)至原山貌。

3.4 植被穩(wěn)定性、抗沖刷能力分析

植物根系在土體中的分布呈網(wǎng)狀、縱橫交錯(cuò)，可以將其看成一種天然的柔性加筋材料，根土復(fù)合體則可以看成是三維加筋土。垂直根系的應(yīng)力傳遞，使得表層土體與處于深層的巖土體(具有較高承載力)形成整體，根土復(fù)合體能夠提高土體的抗剪、抗拉強(qiáng)度，增加摩擦阻力，增強(qiáng)抵抗滑動(dòng)的能力，進(jìn)而增強(qiáng)了坡體的穩(wěn)定性和抗沖刷能力。

3.5 土壤厚度分析

根系生長(zhǎng)過(guò)程中，對(duì)土體的擠壓及植物根系的脫落物、分泌物促進(jìn)了土壤有機(jī)質(zhì)的形成；枯草、落葉經(jīng)過(guò)時(shí)間的積淀也能增加土壤有機(jī)質(zhì)的厚度；灰塵滯留也大大增加了土壤的厚度；經(jīng)過(guò)自然演替，土壤在逐年“長(zhǎng)”厚。

3.6 易維護(hù)性

治理區(qū)施工后1～2年內(nèi)，植被已實(shí)現(xiàn)了自然生長(zhǎng)，免除人工養(yǎng)護(hù)。

3.7 綜合效益

“類壤土基質(zhì)”噴播技術(shù)成功實(shí)施后加強(qiáng)礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)和治理恢復(fù)[13]、增加生境異質(zhì)性，治理后的山體穩(wěn)定，生態(tài)防護(hù)效果顯著，植物群落自然生長(zhǎng)演替。山體恢復(fù)原山貌，與自然融為一體。

“類壤土基質(zhì)”噴播技術(shù)的成功運(yùn)用使地災(zāi)隱患點(diǎn)成為了風(fēng)景區(qū)，改善錫城人民的生活環(huán)境。中央電視臺(tái)CCTV-10等媒體多次現(xiàn)場(chǎng)采訪報(bào)道，由中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害防治工程行業(yè)協(xié)會(huì)主辦的第45個(gè)世界地球日活動(dòng)，也于2014年4月22日在本山成功舉辦。

地質(zhì)災(zāi)害治理工程共復(fù)墾宕底廢棄土地1.87×105m2，裸露宕口綠化面積218 000 m2，部分土地已經(jīng)成為工業(yè)用地和生活旅游園區(qū)。地質(zhì)環(huán)境的恢復(fù)不僅改善了生態(tài)環(huán)境[14]，緩解了城市周邊的熱島效應(yīng)，而且為周邊環(huán)境提供了再次利用的可能，創(chuàng)造了龐大的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)語(yǔ)

“類壤土基質(zhì)”噴播技術(shù)倡導(dǎo)以自然的方式恢復(fù)自然。通過(guò)土壤環(huán)境與植物群落的改變，影響周圍生境，達(dá)到坡面永久性復(fù)綠、水土保持、消除地質(zhì)災(zāi)害隱患，改善區(qū)域氣候等環(huán)境效果。

該技術(shù)在各地區(qū)均可應(yīng)用。土質(zhì)和巖質(zhì)邊坡均可應(yīng)用，主要適用于坡度不大于73°的各種類型邊坡，且邊坡穩(wěn)定性好。施工機(jī)械化程度高、效率高，具有優(yōu)良的持水性和滲水性，更有利于在干旱、半干旱區(qū)域的植物生長(zhǎng)?？梢钥刂茊坦嗄旧L(zhǎng)比例，植物生長(zhǎng)以喬灌木為主，養(yǎng)護(hù)需求不高，后期可免養(yǎng)護(hù)。出苗快、整齊、均勻，視覺(jué)效果好。喬、灌、草形成的多層次景觀和周圍自然環(huán)境相融合，固坡較為迅速，基材的抗侵蝕性強(qiáng)，滯留空氣中灰塵的能力較強(qiáng)，能迅速恢復(fù)自然植被，對(duì)解決高陡邊坡防護(hù)與與生態(tài)治理方面，效果非常明顯。

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