基于苔蘚植生技術(shù)的混凝土噴護(hù)坡面生態(tài)重建實(shí)驗(yàn)研究

周火明，楊星宇，王中豪，薛 鴿

（長江水利委員會長江科學(xué)院 重慶分院，重慶 400026）

生態(tài)重建是一種常用的生態(tài)修復(fù)技術(shù)。它通過生境再造、引種先鋒植物重建被損害的生態(tài)系統(tǒng)，再造一個能實(shí)現(xiàn)自然演替、自我維持的自然群落[1]。本研究創(chuàng)新應(yīng)用苔蘚植生技術(shù)對混凝土噴護(hù)坡面進(jìn)行生態(tài)重建。噴射混凝土護(hù)坡是目前維持巖土邊坡穩(wěn)定的主要手段，但是混凝土噴層會將邊坡植物生長環(huán)境完全封閉，致使邊坡表面植物難以生長，生態(tài)難以恢復(fù)。苔蘚植物是一種僅次于種子植物的高等植物，其結(jié)構(gòu)呈大片墊叢狀群落，枝葉交錯形成大量毛細(xì)空隙。這種結(jié)構(gòu)造就了苔蘚植物強(qiáng)大的吸水能力和抗沖能力，使苔蘚植物能夠抵抗自然高溫，在干旱條件下能夠存活，在適宜的生長環(huán)境能夠快速恢復(fù)正常的生長狀態(tài)[2-3]。苔蘚植物生長迅速，在生長過程中分泌的酸性物質(zhì)能分解混凝土表層，能從大氣中吸附滯留營養(yǎng)物質(zhì)，利用無性繁殖以芽孢或植物體碎片的形式形成新的植物體，并與地衣、藻類、真菌、細(xì)菌等在混凝土表層形成生物結(jié)皮，為維管植物的生長創(chuàng)造條件，開拓生境[4-8]。研究表明，在巖體開挖面應(yīng)用苔蘚作為先鋒植物進(jìn)行邊坡生態(tài)恢復(fù)，可以顯著促進(jìn)草本植物發(fā)芽和生長[9]。目前對混凝土噴護(hù)邊坡的苔蘚植生技術(shù)研究較少，基層中混凝土含量對苔蘚生長的影響以及抗沖刷能力尚不明確。鑒于此，本文通過混凝土噴護(hù)坡面苔蘚生長調(diào)查、抗雨水沖刷的苔蘚植生基層研制以及苔蘚生長實(shí)驗(yàn)，以苔蘚植物作為先鋒植物在混凝土噴護(hù)坡面再造生境，提出了基于苔蘚植生技術(shù)的混凝土噴護(hù)坡面生態(tài)重建技術(shù)。

1 混凝土噴護(hù)坡面苔蘚生長調(diào)查

混凝土噴護(hù)坡面苔蘚生長調(diào)查區(qū)位于重慶市江北區(qū)鐵山坪海爾路路塹邊坡（圖1），調(diào)查區(qū)域面積約 300 m2，中心點(diǎn)經(jīng)緯度為 29°37′5.83″N，106°40′0.83″E。調(diào)查區(qū)屬典型的亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，夏季炎熱，年平均氣溫18.2℃，年均降水量1 000～1 350 mm，年均相對濕度70%～80%，屬高濕地區(qū)。

圖1 研究區(qū)域Fig.1 Study area

2017年6月至10月開展混凝土噴護(hù)坡面苔蘚生長調(diào)查，設(shè)置調(diào)查樣方24個，每個樣方大小為50 cm×50 cm，調(diào)查內(nèi)容包括苔蘚種類、生長蓋度、伴生植物種類、坡度、坡向、光照、濕度等。采集苔蘚標(biāo)本置于塑料袋中，并記錄標(biāo)本采集的時間、海拔、生境、坡度、坡向等信息，將采集的苔蘚標(biāo)本帶回實(shí)驗(yàn)室后借助解剖鏡和光學(xué)顯微鏡，參照《中國苔蘚志》（第1—10卷）和《中國生物物種名錄》（第1卷）進(jìn)行鑒定。

調(diào)查結(jié)果表明，調(diào)查區(qū)混凝土噴護(hù)坡面生長12種苔蘚植物（表1），另外還有9種其他草本植物伴生，包括狗牙根（Cynodon dactylon）、佛甲草 （Sedum lineare）、黃鵪菜（Youngia japonica）、蒲兒根 （Sinosenecio oldhamianus）、野胡蘿卜 （Daucus carota）、半夏（Pinellia ternata）、紫竹梅（Setcreasea purpurea boom）、三葉地錦（Parthenocissus semicordata）、野艾蒿（Artemisia lavandulaefolia）、酢漿草 （Oxalis corniculata）（圖2）。各種苔蘚的平均蓋度與頻數(shù)如圖3所示。由圖3可見，重慶市江北區(qū)鐵山坪海爾路混凝土噴層邊坡苔蘚的優(yōu)勢種主要為細(xì)葉真蘚（Bryum capillare）、卷葉濕地蘚（Hyophila involuta）、葫蘆蘚（Funaria hygrometrica）和黃砂蘚（Racomitrium anomodontoides），這4種苔蘚在混凝土噴層邊坡生長良好，面積占比也超過20%?；炷羾妼舆吰轮参锷L結(jié)構(gòu)層次明顯，其中苔蘚為最底層，伴生草本植物生長在苔蘚上層。

圖2 調(diào)查區(qū)苔蘚與伴生植物生長照片及示意圖Fig.2 Photograph and schematic diagram of bryophytes and associated plants in the investigation area

圖3 苔蘚平均蓋度與頻數(shù)Fig.3 Average coverage and frequency of bryophytes

表1 調(diào)查區(qū)苔蘚種類及其它伴生植物種類Table 1 Species of bryophytes and associated plants in the investigation area

苔蘚的伴生植物主要以一年生草本植物為主。伴生種的存在，改善了植物生長微生境的濕度和溫度，促進(jìn)苔蘚生長。研究表明，苔蘚作為先鋒植物，不僅自身抗逆性較強(qiáng)，而且自身枯死后分解的有機(jī)質(zhì)會在混凝土表層逐漸形成一層基層，為其他植物的生長創(chuàng)造條件[4]。因此，苔蘚植物有促進(jìn)草本植物發(fā)芽和生長的作用，通過苔蘚、基層與混凝土噴層三者之間的生態(tài)循環(huán)過程，可以實(shí)現(xiàn)重建混凝土噴護(hù)坡面生態(tài)系統(tǒng)的目的。

2 苔蘚植生基層配制與苔蘚生長實(shí)驗(yàn)

苔蘚蘚種采用野外采集的黃砂蘚和細(xì)葉真蘚。黃砂蘚又稱星星蘚，疏松叢集，植物體粗壯，上部黃綠色，下部深褐色，長7～8 cm，莖匍匐或傾立，不規(guī)則分枝。細(xì)葉真蘚，植物體密集叢生或稀疏叢生，高達(dá)1 cm，亮綠色，莖直立，多不分枝。2018年5月，現(xiàn)場采集兩種苔蘚植物，裝入潔凈塑封袋中，取回實(shí)驗(yàn)室室溫下晾干。實(shí)驗(yàn)前，將苔蘚搗碎制作苔蘚配子體。

已有研究成果表明：不同基質(zhì)苔蘚植物生長效果和生長發(fā)育狀況存在顯著差異，基質(zhì)的通氣性、保水性以及pH等理化因素對苔蘚的生長均有影響，其中含灰分高的基質(zhì)苔蘚生長量最大，抗逆性也最強(qiáng)[10]。研究表明，以菜園土和河沙為基質(zhì)的苔蘚配子體成活率顯著高于黏土基質(zhì)，河沙在栽培初期保持濕度的條件下可以作為良好的保護(hù)性載體，而肥力較高的菜園土對于維持配子體成活率有著積極的作用[11]?？偨Y(jié)已有的研究成果，此次生長實(shí)驗(yàn)苔蘚植生基層主要基質(zhì)配料采用河沙和菜園土。為了增強(qiáng)苔蘚植生基層黏結(jié)能力并加強(qiáng)基層抵抗雨水沖刷能力，配料中分別采用10%與20%的C42.5普通硅酸鹽水泥。水泥主要作為黏結(jié)劑增強(qiáng)苔蘚植生基層的強(qiáng)度和抗沖刷能力，但水泥的加入會增加基層的堿性，堿性過高會抑制苔蘚生長甚至?xí)固μ\凋亡，因此基層配料中加入適量0.1 kg/m3硫黃粉以中和堿性。

苔蘚植生基層具體配制過程如下：先分別將河沙與水泥、菜園土與苔蘚配子體進(jìn)行拌和，混合后加入摻硫黃粉的水進(jìn)行調(diào)配?；鶎又泻由撑c菜園土質(zhì)量比采用1∶1，水泥質(zhì)量占比分別采用10%或20%。苔蘚配子體與基層質(zhì)量比采用1∶5。制作直徑10 cm、厚度1.5 cm的圓形樣方。將配制好的苔蘚植生層樣方置于實(shí)驗(yàn)室，定期澆水養(yǎng)護(hù)，觀察并記錄苔蘚植生層樣方中苔蘚及伴生植物的生長狀況，包括苔蘚種類、蘚叢蓋度、伴生植物種類等。

第57 d和第901 d時，水泥含量分別為10%和20%的苔蘚植生基層中苔蘚及伴生植物生長狀態(tài)如圖4所示，水泥含量10%基層苔蘚植物的長勢明顯優(yōu)于水泥含量20%基層。水泥含量10%基層苔蘚覆蓋率相對較高，而水泥含量為20%的基層苔蘚植物生長趨勢較緩慢，表明基層水泥含量為20%時，苔蘚植物的生長受到抑制。

圖4 基層水泥含量10%和20%苔蘚生長狀態(tài)Fig.4 The growth of bryophyte in the substratum with 10% and 20% cement content respectively

圖5為水泥含量10%基層苔蘚與伴生植物生長狀態(tài)，伴生植物包括阿拉伯婆婆納（Veronica persica）、狗尾草（Setaria viridis）、蒲兒根、酢漿草（Oxalis corniculata）和野艾蒿等草本植物，體現(xiàn)了苔蘚作為先鋒植物的生態(tài)修復(fù)作用。

圖5 水泥含量10%基層苔蘚與伴生植物生長狀態(tài)Fig.5 The growth of bryophyte and associated plants in the substratum with 10% cement content

3 混凝土噴護(hù)坡面苔蘚植生現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)

3.1 苔蘚植生現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)設(shè)計

2018年11月8日，與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)同時開展現(xiàn)場植生實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)場地選擇在重慶市江北區(qū)鐵山坪海爾路路塹混凝土噴護(hù)坡面，邊坡坡度50°，實(shí)驗(yàn)區(qū)域位于邊坡中下部（圖6）。蘚種采用黃砂蘚和細(xì)葉真蘚，基層配制同室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，水泥含量分別為10%和20%?，F(xiàn)場苔蘚植生基層配制與實(shí)驗(yàn)室相同，依次按照河沙和水泥混合、菜園土和苔蘚配子體混合、摻入硫黃粉的水拌和至軟塑狀態(tài)，鋪設(shè)于選定的混凝土噴層坡面，單個樣方尺寸為10 cm×10 cm×1 cm（圖7）。開始一周內(nèi)連續(xù)每天定時澆水養(yǎng)護(hù)，之后苔蘚自然生長。

圖6 苔蘚植生實(shí)驗(yàn)場地混凝土噴層坡面Fig.6 Sprayed concrete slope for bryophyte planting experiment

圖7 現(xiàn)場苔蘚植生實(shí)驗(yàn)樣方Fig.7 Plots of bryophyte planting experiment

3.2 苔蘚植生現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)成果

初期（第57 d）水泥含量10%的基層苔蘚植物的長勢較好，苔蘚覆蓋率相對較高，水泥含量20%的基層苔蘚植物生長較慢。但后期（第901 d）苔蘚生長狀態(tài)無明顯差別。受損程度較低，從樣方受損程度看，含有水泥膠凝材料的苔蘚植生基層具有一定的抗雨水沖刷能力（圖8）。

圖8 基層水泥含量10%和20%不同時期苔蘚生長狀態(tài)Fig.8 The growth of bryophytes in the substratum with 10% and 20% cement content in different period

現(xiàn)場應(yīng)用實(shí)驗(yàn)成果表明，苔蘚植生基層配制將水泥作為黏結(jié)劑是可行的，水泥含量控制在10%～20%時，既能滿足苔蘚植生基層抵抗雨水沖刷的要求，又能滿足苔蘚生長的需要。

4 結(jié)語

通過對重慶市江北區(qū)鐵山坪海爾路道路邊坡生長苔蘚現(xiàn)場調(diào)查，選取生長狀態(tài)較好的黃砂蘚和細(xì)葉真蘚作為混凝土噴護(hù)坡面生態(tài)重建實(shí)驗(yàn)苔蘚蘚種，采用河沙和菜園土作為苔蘚植生基層主要基質(zhì)，添加10%或20%的C42.5普通硅酸鹽水泥以及少量的硫黃粉，配制成的生態(tài)基層苔蘚長勢良好，既具有抵抗雨水沖刷能力又能滿足苔蘚及伴生植物生長要求，體現(xiàn)了苔蘚作為先鋒植物在混凝土噴護(hù)坡面生態(tài)修復(fù)中的積極作用。實(shí)驗(yàn)取得的苔蘚植生抗沖刷生態(tài)基層配制方法等成果需進(jìn)一步在混凝土噴護(hù)坡面進(jìn)行大面積規(guī)模性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。