露天礦山高陡巖質(zhì)邊坡生態(tài)修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

高 軒，邵鵬遠(yuǎn)，康春景，何旭麒

（河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局 第四地質(zhì)勘查院，河南 鄭州 450001）

自20世紀(jì)以來，國內(nèi)外露天礦石開采比例不斷增大，尤其是我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的高速推動下，石材礦產(chǎn)的需求不斷增加，露天礦山的數(shù)量也在不斷增加并產(chǎn)生一系列新的問題[1-2]，急需要改善和解決。石材開采在促進(jìn)社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時，也形成了大量的高、陡、裸露的巖質(zhì)邊坡，導(dǎo)致礦區(qū)土地資源遭受破壞，植被群落的多樣性喪失，水土流失嚴(yán)重，嚴(yán)重破壞了地貌景觀，增大了空氣中PM2.5和PM10含量，誘發(fā)了礦山地質(zhì)災(zāi)害。這些問題影響了當(dāng)前我國和諧社會的構(gòu)建與人類生活的健康發(fā)展。另一方面，我國大量廢棄或遺留的礦山形成惡劣的條件，很難進(jìn)行有效的植被恢復(fù)，大量棄置的露天礦山或坑口影響了當(dāng)?shù)氐某鞘行蜗髽?gòu)建并留下各種安全隱患，與當(dāng)前“綠水青山就是金山銀山”的生態(tài)理念相矛盾[3]，也成為本文研究的現(xiàn)實背景之一。

與正常的地質(zhì)生態(tài)環(huán)境相比，高陡巖質(zhì)邊坡具有“長、高、陡”的特殊性[4]，“長”指的是坡面長；“高”指的是坡高落差大；“陡”指的是坡度陡，并且上下晝夜溫差大。巖坡質(zhì)地堅硬，植物根系空間受限，修復(fù)綠色植被極其困難，技術(shù)條件要求較高。目前，高陡巖質(zhì)邊坡的修復(fù)更多的是學(xué)習(xí)和借鑒客土噴播技術(shù)、植生袋技術(shù)、三維植被網(wǎng)噴播技術(shù)、飄臺法、藤本垂直綠化技術(shù)等公路或鐵路的邊坡修復(fù)技術(shù)[5-9]。但以上技術(shù)依然存在投資大、成本高、后期維護(hù)困難等現(xiàn)實制約因素，導(dǎo)致生態(tài)修復(fù)效果一般，長久性效果較差。

基于以上背景及原因，現(xiàn)代化、科學(xué)的露天礦山高陡巖質(zhì)邊坡生態(tài)修復(fù)技術(shù)急需要改進(jìn)和使用，在修復(fù)技術(shù)的選擇上，要根據(jù)露天礦山高陡巖質(zhì)邊坡的地理位置及實際情況進(jìn)行實地考察與調(diào)研，充分掌握邊坡的構(gòu)造、質(zhì)地、高度、坡長、落差、植被覆蓋情況等數(shù)據(jù)，高質(zhì)量地完成修復(fù)問題[10]。本文從生態(tài)環(huán)境建設(shè)的新背景出發(fā)，就當(dāng)前露天礦山高陡巖質(zhì)邊坡生態(tài)修復(fù)技術(shù)的使用及研究現(xiàn)狀做全面的梳理，并對技術(shù)的創(chuàng)新與改進(jìn)提出建設(shè)性意見，為以后露天礦山高陡巖質(zhì)邊坡生態(tài)修復(fù)提供可借鑒的理論和案例支撐。

1 主要生態(tài)修復(fù)技術(shù)

目前，露天礦山高陡巖質(zhì)邊坡生態(tài)修復(fù)技術(shù)主要借鑒公路和鐵路等坡度修復(fù)技術(shù)，需要科學(xué)、完整的技術(shù)流程，主要包括植被地境重塑技術(shù)、坡面復(fù)綠技術(shù)和后期管護(hù)技術(shù)等。

1.1 植被地境重塑技術(shù)

植被地境重塑技術(shù)是傳統(tǒng)的露天礦山高陡巖質(zhì)邊坡生態(tài)修復(fù)技術(shù)之一，具有較強的適用性，因此得到廣泛的應(yīng)用和研究。植被地境重塑技術(shù)通過充分利用人工造孔和巖體裂隙，從而為植被營造地境條件。植被生長需要適宜的地下生境條件，包括生長空間、水肥和溫濕度等條件，良好的地境有助于形成開放的生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)。該技術(shù)誕生以后，對于露天礦山高陡巖質(zhì)邊坡的修復(fù)起到了重要的作用，學(xué)者們從理論上不斷探索和完善該技術(shù)的內(nèi)容，為實踐應(yīng)用做出更多的幫助。

蘇繪夢等[11]通過研究發(fā)現(xiàn)，雖然高陡巖質(zhì)邊坡生存環(huán)境惡劣，但是依然具備植被生存的基本條件，通過研究發(fā)現(xiàn)巖基巖隙內(nèi)植物的根系形態(tài)與巖基形態(tài)相關(guān)，一般呈扁平狀發(fā)育，巖隙內(nèi)的環(huán)境足夠滿足植被的最基本的生存條件。王帥等[12]則重點研究了植被生長的地境特征，發(fā)現(xiàn)利用該技術(shù)能很好地擴(kuò)大巖隙空間，優(yōu)化邊坡巖的貫通性，滿足植被生存的基本要求，且間隙大的空間還能夠滿足植被生長的基本水分和溫度以及水汽交換等條件，有利于植被的長久性修復(fù)。另外，我國部分學(xué)者還進(jìn)行了實地的考察與實驗，用實驗結(jié)果驗證了該技術(shù)的操作的可行性和科學(xué)性。吳楊等[13]構(gòu)建生態(tài)重建方案以及巖體質(zhì)量等級測量，在選定的石材礦區(qū)不同區(qū)域進(jìn)行相關(guān)實驗，實驗結(jié)果表明：前期林草結(jié)合可以有效地進(jìn)行土壤熟化，在土壤熟化的基礎(chǔ)上進(jìn)行經(jīng)濟(jì)作物種植可以獲得一定的經(jīng)濟(jì)收益?？睖y隊進(jìn)行生物孔鉆設(shè)，然后用養(yǎng)分和水分客土回填空洞，再進(jìn)行灌木、雜草、藤蔓等植物的種植，取得良好的種植效果。最終以上結(jié)果顯示進(jìn)行植被重塑的高陡巖質(zhì)邊坡能夠滿足植被不同時節(jié)水、溫度、氣體交換等生存的基本條件，為該技術(shù)的推廣和應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。

1.2 坡面復(fù)綠技術(shù)

國外城市發(fā)展速度快，對于石材的開發(fā)與應(yīng)用歷史較早，相關(guān)的修復(fù)保護(hù)研究已經(jīng)形成成熟的研究理念和體系，為國內(nèi)相關(guān)的研究積累了經(jīng)驗。坡面復(fù)綠技術(shù)就是讓高陡巖質(zhì)邊坡重新生長出綠植，發(fā)揮生態(tài)保護(hù)的作用。坡面復(fù)綠技術(shù)是一個總體概念，涉及到多種關(guān)鍵技術(shù)。

1.2.1 液壓噴播技術(shù)

該技術(shù)是一種綠化技術(shù)，利用液壓噴播機將催芽后的種子混合物噴灑到邊坡表面，形成綠化效應(yīng)。該技術(shù)需要提前對種子進(jìn)行催芽處理，混合一定的水、纖維、黏合劑、有機肥和腐殖土壤等，最后進(jìn)行邊坡噴灑。液壓噴播技術(shù)流程如圖1所示。

圖1 液壓噴播技術(shù)流程Fig.1 Technical process of hydraulic spray seeding

該技術(shù)具有很多的優(yōu)點，如機械化水平高、噴灑速度快、工作效率高等。由于該技術(shù)已經(jīng)成熟，并且效果較好，得到國內(nèi)很多學(xué)者的研究和應(yīng)用，如周利民[14]利用該技術(shù)對我國露天銅礦邊坡進(jìn)行綠化，取得了滿意的效果。

1.2.2 三維植被網(wǎng)噴播技術(shù)

該技術(shù)也是目前常用坡面復(fù)綠技術(shù)之一，在高陡巖質(zhì)邊坡構(gòu)建適合植被生長的環(huán)境，噴灑播種土工合成和人工活性植物種子的混合物，然后利用生長起來植物的根系加筋對坡面進(jìn)行加固和保護(hù)，如圖2所示。

圖2 三維植被網(wǎng)噴播護(hù)坡Fig.2 Three dimensional vegetation netspraying slope protection

同樣，該技術(shù)傳入到我國以后，也被很多的學(xué)者專家研究和實踐并取得了一定的成果。學(xué)者們從不同的角度進(jìn)行研究，羅藝偉等[15-16]等主要探討研究了該技術(shù)在使用過程中的程序和工作要領(lǐng)；徐一斐等[17]通過研究和實踐發(fā)現(xiàn)，利用三維植被網(wǎng)噴播技術(shù)能夠有效地減少水土流失，增加高巖質(zhì)邊坡的植被覆蓋率。

1.2.3 植被混凝土防護(hù)技術(shù)

植被混凝土防護(hù)技術(shù)就是把植物的種植與硅酸鹽水泥、有機肥、混合土壤、水分等融合在一起，然后利用噴灑機器將其噴灑在需要修復(fù)的陡坡坡面之上，種子在一定的時期內(nèi)生根發(fā)芽，植物的根系附著固定在坡面上，形成良好的修復(fù)保護(hù)作用，如圖3所示。該技術(shù)同樣具有機械化水平高、操作簡單、效率高、后期管理簡單等優(yōu)點，是一項集生物學(xué)、地質(zhì)學(xué)、土壤學(xué)、巖石學(xué)和景觀生態(tài)保護(hù)學(xué)等為一體的綜合性技術(shù)。該技術(shù)從20世紀(jì)90年代傳入到我國，在邊坡生態(tài)修護(hù)與保護(hù)中起到了不可替代的作用。葉建軍等[18]進(jìn)行跟蹤研究發(fā)現(xiàn)，該技術(shù)在不同種類的露天礦石開采生態(tài)修護(hù)中產(chǎn)生了重要作用，能夠快速復(fù)綠和緩解水土流失。

圖3 植被混凝土防護(hù)實景Fig.3 Real scene of vegetation concrete protection

1.2.4 藤本護(hù)坡技術(shù)

藤本護(hù)坡技術(shù)具有明顯的垂直綠化優(yōu)勢，更適合情況惡劣的高陡巖質(zhì)邊坡情況。具體方法是在邊坡面上放置種植槽，種植槽內(nèi)播撒攀援類植物種子，利用植物的攀援和附著作用形成保護(hù)機制。張博文等[19]通過研究發(fā)現(xiàn)，攀援植物在邊坡生態(tài)修復(fù)中有更強的適應(yīng)性和生態(tài)效應(yīng)，是高陡巖質(zhì)邊坡修復(fù)的先鋒性植物。

1.2.5 植物纖維毯技術(shù)

生態(tài)保護(hù)植物纖維地毯指的是“用于土壤、地基、巖石、土地或者任何巖土工程相關(guān)的有滲透性的紡織品”，一般由自然材料或人工合成為主，其護(hù)坡實景如圖4所示。

圖4 植物纖維毯護(hù)坡實景Fig.4 Actual view of plant fiber blanket slope protection

該技術(shù)在公路坡面修復(fù)中具有非常良好的修復(fù)效果，張平等[20]對比分析了不同植物纖維地毯的優(yōu)缺點，并對該技術(shù)的未來發(fā)展趨勢做了展望與分析；劉宏遠(yuǎn)等[21]研究發(fā)現(xiàn)，該技術(shù)在改良土壤、減少水土流失和優(yōu)化土壤結(jié)構(gòu)中具有顯著作用。

2 后期管護(hù)技術(shù)

完善的露天礦山高陡巖質(zhì)邊坡生態(tài)修復(fù)系統(tǒng)不僅需要前期的鋪墊和修復(fù)，更需要后期的管理和維護(hù)，構(gòu)建科學(xué)種植、生態(tài)養(yǎng)殖和后期管護(hù)為一體的修復(fù)新系統(tǒng)。前期技術(shù)的使用是基礎(chǔ)，后期管護(hù)是保證，二者協(xié)同一體，共同形成完整的復(fù)綠有機系統(tǒng)。

后期管護(hù)就是在前期植被種植和生長出來的基礎(chǔ)上，對其進(jìn)行澆水、施肥、病蟲害預(yù)防以及治療等后續(xù)活動內(nèi)容[22]。澆水技術(shù)需要一定的原則和方法，澆水的總量應(yīng)該略大于植物所需要和地表蒸發(fā)的總和，并且植被穩(wěn)定以后應(yīng)該有意識地控水控溫，減少水量，引導(dǎo)根系生長形成強大的根系系統(tǒng)，增加牢固和防護(hù)作用。澆水應(yīng)該注意季節(jié)的變更，尤其是夏季炎熱時，要及時澆水控水，如圖5所示。

圖5 復(fù)綠邊坡后期澆水管護(hù)Fig.5 Watering and pipe protection of regreening slope in the later stage

施肥同樣注意一定的原則和方法，提高技術(shù)操作性。施肥應(yīng)該根據(jù)不同修復(fù)技術(shù)的特點以及植物的生長特性、生長階段和邊坡的實際情況來選擇合適的肥料和施肥方法。除了基礎(chǔ)的施肥，還要掌握追肥技術(shù)，追肥同樣要掌握種類、時間、數(shù)量和方法。施肥還要根據(jù)季節(jié)的不同選擇不同的肥料，夏季要注重水分的蒸發(fā)與攝取，選擇易吸收的肥料；冬季注意保暖性緩釋復(fù)肥料的使用。施肥可采用“水肥一體技術(shù)”，即將有機肥料或復(fù)合肥料溶解在水中，利用噴灑機對需要施肥的邊坡植被進(jìn)行噴灑灌溉，助力其生長發(fā)育[23]。

此外，還要注意植被病蟲的預(yù)防與治療。傳統(tǒng)病蟲防治技術(shù)一般指噴灑化學(xué)農(nóng)藥，即植被發(fā)病前或發(fā)病以后根據(jù)癥狀尋找原因，然后噴灑對應(yīng)的農(nóng)藥或其他化學(xué)藥品。常見的害蟲防治方法有藥劑防治、人工防治、物理防治、摘除卵塊、滅殺幼蟲、誘殺成蟲和生物防治相結(jié)合等。

3 生態(tài)修復(fù)技術(shù)的發(fā)展趨勢展望

基于目前技術(shù)的使用及研究現(xiàn)狀，在新的生態(tài)文明建設(shè)背景下，對露天礦山高陡巖質(zhì)邊坡生態(tài)修復(fù)技術(shù)提出新的展望和建議，助力生態(tài)文明建設(shè)與發(fā)展。

（1）構(gòu)建露天礦山高陡巖質(zhì)邊坡生態(tài)修復(fù)技術(shù)的關(guān)鍵是應(yīng)該結(jié)合實地的考察與探訪，根據(jù)礦體結(jié)構(gòu)、巖石質(zhì)地、坡面特征、裂隙情況以及機器特點，有機地將天然與人工方法相結(jié)合，對坡面完成植被重塑，該研究內(nèi)容應(yīng)該得到重視。

（2）形成高巖邊坡長期穩(wěn)定的植被群是露天礦山高陡巖質(zhì)邊坡生態(tài)修復(fù)技術(shù)成效的關(guān)鍵之一，應(yīng)當(dāng)根據(jù)邊坡的土壤情況、水文情況、氣候情況等，搭配不同的植物類型，比如草地、灌木、攀藤類植物進(jìn)行綜合培植，形成穩(wěn)定的植被群生態(tài)系統(tǒng)。

（3）應(yīng)該繼續(xù)探索和重視后期管護(hù)技術(shù)。前期修復(fù)是前提，后期管護(hù)是保障，在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，繼續(xù)探索和創(chuàng)新水肥一體技術(shù)、節(jié)能灌溉技術(shù)以及實時監(jiān)控技術(shù)，節(jié)約更多的人力、物力成本，構(gòu)建科學(xué)、健康可持續(xù)發(fā)展的邊坡管護(hù)新機制。