巖質(zhì)邊坡生態(tài)修復(fù)植被的選擇和配置研究

耿紹波，盧建利，姜 超，王冬佶，王 恒

(中國電力工程顧問集團 東北電力設(shè)計院有限公司，吉林 長春 130021)

大規(guī)模開發(fā)建設(shè)活動的開展必然形成大量的巖質(zhì)邊坡，破壞土壤和植被，極易誘發(fā)崩塌、滑坡和泥石流等地質(zhì)災(zāi)害。隨著人們對環(huán)境質(zhì)量的要求越來越高，傳統(tǒng)圬工護坡技術(shù)的綠化效果和生態(tài)效益已不能滿足人們的要求，因此巖質(zhì)邊坡生態(tài)護坡技術(shù)應(yīng)運而生，并在近年的工程建設(shè)中得到極大的推廣和應(yīng)用[1]。但由于我國在該領(lǐng)域的研究起步較晚，目前在巖質(zhì)邊坡生態(tài)修復(fù)方面仍存在不少問題亟待解決。其中，邊坡修復(fù)植被的選擇和配置尤為重要，因為噴混植生護坡及其他生態(tài)護坡體系的防護效果最終要由植物來體現(xiàn)，植物的合理選擇和配置是群落向正演替方向發(fā)展的前提條件之一。不同植物的基因特征不同，對環(huán)境條件的適應(yīng)性也就不同[2-3]。因此，科學(xué)研究及合理論證植物選擇和配置模式是成功恢復(fù)巖質(zhì)邊坡生態(tài)系統(tǒng)，確保植物群落長期有效的關(guān)鍵。

本研究針對不同氣候區(qū)域分析研究了巖質(zhì)邊坡生態(tài)修復(fù)植被的選擇和配置，以期為不同地區(qū)巖質(zhì)邊坡的生態(tài)修復(fù)工作提供參考。

1 南方熱帶亞熱帶區(qū)域

南方熱帶亞熱帶區(qū)域溫濕條件較好，合理地配置喬灌草藤等多種植物，可形成穩(wěn)定的群落結(jié)構(gòu)。另外，該區(qū)域降雨較多，因地制宜地制定邊坡生態(tài)治理工程截排水模式，能持續(xù)發(fā)揮截排水作用，確保坡面綠化植被層免遭匯水沖刷，保障坡面生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定[4]。例如，蔡生來等[5]在安徽省安慶市集賢關(guān)礦區(qū)桃園治理區(qū)利用高次團粒噴播恢復(fù)植被，根據(jù)氣候、土壤、水文等自然條件，選擇刺槐、紫穗槐、胡枝子、火棘、爬山虎、凌霄和高羊茅、黑麥草等當(dāng)?shù)氐泥l(xiāng)土樹草種組合栽植，做到了喬灌藤草的較完美結(jié)合，維護了植物多樣性，構(gòu)建了立體的生態(tài)體系。

在南方熱帶亞熱帶區(qū)域巖質(zhì)邊坡進行植被恢復(fù)時，合理地配置鄉(xiāng)土植物，可加速巖質(zhì)邊坡向穩(wěn)定群落結(jié)構(gòu)演替。陳曉蓉等[4]在海南省三亞市利用V型槽植生帶法(V型槽+掛網(wǎng)噴混植生)對高陡采石場邊坡進行了生態(tài)修復(fù)，發(fā)現(xiàn)通過人工生態(tài)輔助，可加速植物群落及其生態(tài)系統(tǒng)的形成，從而促進邊坡生態(tài)系統(tǒng)的演替。前期噴播的草本植物如矮生百慕達、柱花草、海南含羞草等在2年后呈衰退之勢，而鄉(xiāng)土植物馬尾松、芒萁、蟛蜞菊等已逐漸入侵進來，同時，先期種植的簕杜鵑、夾竹桃、小葉榕、臺灣相思、鳳凰木、爬山虎、葛藤等喬灌藤已成為邊坡優(yōu)勢植物種，預(yù)測再經(jīng)過3～5年的自然適應(yīng)，人工植物和入侵的鄉(xiāng)土植物之間的競爭會達到平衡，形成較為穩(wěn)定的植物群落結(jié)構(gòu)。王耀建等[6]在深圳市基于噴混植生的高陡巖質(zhì)邊坡生態(tài)修復(fù)中也發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過3～6年的發(fā)展，部分人工植物如狗牙根、百喜草、山毛豆等出現(xiàn)退化，鄉(xiāng)土植物如木麻黃、芒草、五爪金龍、蟛蜞菊等自然入侵，并與存留下來的人工植物競爭達到平衡，進入自然演替的過程。李林霞等[7]詳細(xì)研究了浙江舟山海島礦區(qū)巖質(zhì)邊坡植物群落的演替過程，在植物群落的三個演替階段(草本植物群落階段、灌叢群落階段和灌喬群落階段)，隨著演替的進行，物種豐富度指數(shù)顯著上升，多樣性指數(shù)和優(yōu)勢度指數(shù)逐漸升高。其中，在草本植物群落向灌叢群落演替過程中，當(dāng)草本植物生長達到頂峰后，草本植物群落出現(xiàn)退化，此時可迅速補種臭椿、鹽膚木和紅葉石楠等，人為縮短演替周期；在灌叢群落向灌喬群落演替過程中，土壤理化性質(zhì)指標(biāo)發(fā)生了較大變化，已經(jīng)適合于木本植物的生長，此時通過人為栽植鄉(xiāng)土樹種如構(gòu)樹、烏桕、算盤子、日本野桐、懸鉤子、杉木、黑松、青岡等，或在噴播時加入部分鄉(xiāng)土樹種的種子，可縮短植物演替的進程。張鑫等[8]通過對江蘇省基于掛網(wǎng)噴播綠化的巖質(zhì)邊坡植物群落的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)隨著恢復(fù)時間的推移，除喬灌木刺槐、女貞、馬棘等外，噴播的草本植物狗牙根、結(jié)縷草等逐漸被鄉(xiāng)土草本植物芒草、香絲草等取代，因此在噴播基質(zhì)中加入一定配比的鄉(xiāng)土植物種，有利于巖質(zhì)邊坡植物群落的構(gòu)建及穩(wěn)定。另外，作者還發(fā)現(xiàn)，綠化工程實施6年后，薔薇科、豆科、木樨科、菊科和禾本科這5科植物在巖質(zhì)邊坡生態(tài)修復(fù)過程中所起的作用最大，因此在噴播基質(zhì)中可適量加入以上5科植物種子。

巖質(zhì)邊坡植物配置時，撒播密度也會影響恢復(fù)效果。賀握權(quán)等[9]在利用液壓噴播技術(shù)對廣東石質(zhì)邊坡進行植被恢復(fù)的研究中發(fā)現(xiàn)，高播種密度并未產(chǎn)生高的植被成活率，而在喬灌草混播的護坡中，草本植物的生長優(yōu)勢若得不到合理控制，會嚴(yán)重影響喬灌的前期生長過程，因此適當(dāng)降低草本類先鋒植物的播種密度，控制草本植物的噴播比例，選擇根部初期生長較慢的草本優(yōu)勢植物，利于形成穩(wěn)定合理的草灌喬群落，并有效提高坡體抗沖刷能力。

合理利用攀緣植物也會起到良好的綠化效果。鄒旭等[10]在湖南婁底市研究了露采開挖面的植被恢復(fù)，發(fā)現(xiàn)對于高度小于10 m的開挖面，種植攀緣植物(扶芳藤、紫藤、葛等)綠化效果較好，攀緣植物可以較快地遮蓋裸露的山石或陡坡，形成生物墻，快速復(fù)綠。

2 北方暖溫帶區(qū)域

北方暖溫帶地區(qū)坡面溫差較大，巖質(zhì)坡面較薄的基質(zhì)層很難滿足植被生長的需要，應(yīng)以鄉(xiāng)土灌草藤為主，慎重選擇喬木樹種。袁磊等[11]以濟南市典型破損山體高陡巖質(zhì)邊坡生態(tài)修復(fù)工程為研究對象，探討了不同技術(shù)工藝下邊坡的生態(tài)修復(fù)效果，發(fā)現(xiàn)：采用掛網(wǎng)噴播技術(shù)時，人工種植的草種在隨后幾年里大量死亡，逐漸被當(dāng)?shù)夭莘N所代替，且當(dāng)?shù)夭莘N數(shù)量也較少，無灌木種入侵；采用植生袋與生態(tài)袋技術(shù)時，修復(fù)年限為3～4年，固持水土能力較好，植物群落尚以人工栽植物種為優(yōu)勢種，但本地草本數(shù)量所占比例逐年上升；采用植生袋+掛網(wǎng)噴播模式和格構(gòu)+生態(tài)袋+掛網(wǎng)噴播模式時，優(yōu)勢種呈現(xiàn)出由高羊茅等多年生草本向紫穗槐等灌木與本地草本混合演化的趨勢。高小虎等[12]以山東省某高速公路風(fēng)化巖石路塹邊坡(非高陡邊坡，坡度35°)植被恢復(fù)工程為對象研究發(fā)現(xiàn)，在植被恢復(fù)初期，快速生長的外來植物高羊茅、紫花苜蓿等能為本地植物提供短期的溫濕環(huán)境，營造植被恢復(fù)的適生條件，恢復(fù)4年后本地灌木種紫穗槐、荊條、胡枝子成為主要的坡面物種，無論是植株高度、植株密度、單株覆蓋度還是層間分布，灌木均為植被結(jié)構(gòu)中的主要構(gòu)成部分，對坡面植被恢復(fù)的貢獻作用最大，明顯優(yōu)于草本等低矮地被植物；經(jīng)過14年的恢復(fù)后，原生植物種胡枝子、刺槐、小蓬草、黃花蒿、隱子草等已成為整個巖石坡面的主要植物種，占絕對優(yōu)勢。曹鶴等[13]研究了爬山虎、五葉地錦、葛藤、凌霄、紫藤、南蛇藤6種藤蔓植物在廢棄礦山和高陡坡峭壁的垂直綠化效果，結(jié)果表明：6種藤蔓植物功能性狀之間具有顯著差異性，爬山虎、葛藤、紫藤、凌霄屬于“快速投資-收益”植物，五葉地錦、南蛇藤屬于“緩慢投資-收益”植物；6種藤蔓植物栽種在廢棄礦山環(huán)境中，適應(yīng)性得分排序為南蛇藤(9.67)>五葉地錦(6.76)>葛藤(5.95)>凌霄(5.72)>紫藤(4.20)>爬山虎(-0.03)。

3 高寒地區(qū)

高寒地區(qū)氣溫低，可有效利用的水分少，植物生長困難，人工噴播邊坡植被抗寒性、抗逆性差，再加之植生層不穩(wěn)定，養(yǎng)分比例失調(diào)，人工植被一段時間后會出現(xiàn)二次退化現(xiàn)象，若本地物種未能成功入侵，會最終導(dǎo)致坡面植被恢復(fù)失敗。

東北地區(qū)的巖質(zhì)坡面應(yīng)以灌草為主，也可通過保育塊技術(shù)適量種植小喬木，更有利于邊坡生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定。張霄等[14]以大興安嶺地區(qū)高速公路巖質(zhì)邊坡為研究對象，研究厚質(zhì)基層噴附技術(shù)和植生混凝土噴附技術(shù)的植被恢復(fù)效果，發(fā)現(xiàn)植被配置時如考慮當(dāng)?shù)刈匀黄旅鎯?yōu)勢種，可加快坡面植被演替過程，推薦該地區(qū)巖質(zhì)邊坡較為合理的物種搭配為艾蒿、柳蒿、羊草、貝加爾針茅、興安胡枝子、紫穗槐和興安柳。另外，作者還發(fā)現(xiàn)土壤全氮和有機質(zhì)含量的適當(dāng)增加可以促進植物群落發(fā)展，而土壤速效磷含量的增加會抑制其發(fā)展。陶巖等[15]對吉林省東部高速公路巖質(zhì)陡坡植被恢復(fù)效果的研究發(fā)現(xiàn)，巖質(zhì)邊坡目標(biāo)群落應(yīng)以喬灌草結(jié)合的模式為最終群落，喬灌木應(yīng)優(yōu)先選擇耐旱、耐陰、初期生長速率較快的物種和鄉(xiāng)土物種，當(dāng)?shù)叵蠕h物種的進入表明人工坡面已逐漸融入當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境。通過研究，作者還發(fā)現(xiàn)保育塊技術(shù)適用于當(dāng)?shù)貛r質(zhì)邊坡生態(tài)治理中喬灌木的移植，利用保育塊技術(shù)在巖質(zhì)坡面移植山杏、東北杏、榆葉梅、榆樹等樹種，生長速度較快，耐旱、耐貧瘠性能良好，植物成活率均在70%以上。

高海拔的高寒地區(qū)則以灌草為主，也可增加花卉，以提高邊坡的景觀效果。張自和[16]在研究青藏鐵路建設(shè)沿線的草地植被恢復(fù)與重建后認(rèn)為：擾動后的巖質(zhì)坡面屬于次生裸地，它的自然演替路線為先鋒植物(多年生雜草)→草灌群落→以喬木為主的相對穩(wěn)定的頂級群落。按照這一規(guī)律，陡峭的巖石邊坡應(yīng)首先以建立草本型或草灌型植物群落為宜。李天斌等[17]對川西高寒高海拔地區(qū)巖質(zhì)陡邊坡JYC生態(tài)基材護坡技術(shù)的研究發(fā)現(xiàn)，對于陡峭巖質(zhì)邊坡宜先構(gòu)建草本或草灌植物群落，且其草種應(yīng)為抗旱、耐凍、抗貧瘠和適宜粗放管理的冷季型草種。通過研究，作者提出了川西高寒地區(qū)生態(tài)護坡的草灌花藤結(jié)合的植被配置模式：灌木層選擇高山柳、沙棘、忍冬、錦雞兒、小檗和箭竹等；草本層選擇早熟禾、黑麥草、紫花苜蓿、高羊茅、冰草、披堿草及鐵線蓮等；花卉類選擇綠絨蒿、銀蓮花、柳蘭和馬先蒿等；藤蔓植被可選取小葉扶芳藤等。李勇等[18]篩選出了適宜川西高原高海拔地區(qū)的本地草種，然后進行了不同草種組合培植模式試驗，從覆蓋度、高度、生物量和土壤侵蝕度4個方面選出最優(yōu)組合，發(fā)現(xiàn)康定縣公路邊坡在低海拔(2 600 m)地區(qū)適宜選擇燕麥、老芒麥和白三葉組合，中海拔(3 400 m)地區(qū)適宜選擇一年生黑麥草、草地早熟禾和康巴垂穗披堿草組合，高海拔(3 900 m)地區(qū)適宜選擇康巴垂穗披堿草、高羊茅和燕麥組合。

4 半干旱地區(qū)

在半干旱地區(qū)水分是制約植物生長和群落穩(wěn)定的主要因素，木本植物特別是灌木發(fā)達的根系能深入巖石縫中獲取更多的水分和養(yǎng)分，并促進巖石風(fēng)化轉(zhuǎn)變?yōu)橥寥?，較低的耗水量能使其更容易度過干旱期而存活下來，使植物群落在干旱條件下得以維系。因此，半干旱地區(qū)灌木的選擇和栽植尤為重要。

針對半干旱地區(qū)公路巖質(zhì)邊坡生態(tài)恢復(fù)的難題，齊藤誠等[19]以內(nèi)蒙古赤峰—通遼高速公路某巖質(zhì)邊坡為例，采用保育塊技術(shù)與客土噴播技術(shù)相結(jié)合的方法構(gòu)建以木本植物(灌木)為主、草本植物為輔的坡面植物群落。結(jié)果表明，此兩種技術(shù)相結(jié)合的方法可使山杏、山桃、榆樹、榆葉梅等喬灌木成活率在60%以上，草本植物地上生物量亦達到自然坡面水平，移植的保育塊植物根系結(jié)構(gòu)與天然樹木相似，根系呈網(wǎng)絡(luò)狀深入土中。趙毓璋[20]在甘肅寶天高速公路紅砂巖邊坡生態(tài)植被恢復(fù)技術(shù)研究中發(fā)現(xiàn)，護坡植物應(yīng)以鄉(xiāng)土植物為主，引種植物為輔。灌木選擇適應(yīng)本區(qū)的優(yōu)良速生、耐旱、耐瘠薄鄉(xiāng)土樹種胡枝子、沙棘、檸條等，草種除選擇本區(qū)引種多年的耐貧瘠、耐熱、耐旱、成坪快的紅豆草、黑麥草、高羊茅等外，還選擇了鄉(xiāng)土草種冰草。采用灌草結(jié)合的配置方式，表現(xiàn)出了植被群落良好的穩(wěn)定性和復(fù)合性。李義強等[21]利用厚層基材噴播技術(shù)結(jié)合生態(tài)棒、生態(tài)墊、遮陽網(wǎng)等輔助工藝，在北方半干旱地區(qū)巖石邊坡進行了植被恢復(fù)的研究，對周邊地區(qū)的鄉(xiāng)土植物進行了篩選，發(fā)現(xiàn)木本中生長較好的是胡枝子、紫穗槐和刺槐，草本中生長較好的是沙打旺和紫花苜蓿，并形成了紫穗槐+胡枝子+沙打旺+紫花苜蓿為優(yōu)勢群落的特征。同時，作者還發(fā)現(xiàn)工程中遮陽網(wǎng)的選擇及噴灌技術(shù)的應(yīng)用在一定程度上減弱了干旱對初期植被恢復(fù)的影響，在北方地區(qū)植被恢復(fù)中應(yīng)大力推廣。

5 研究展望

(1)合理的植物配置是群落向正演替方向發(fā)展的前提條件之一[7]，植物選擇和配置是護坡技術(shù)研究的關(guān)鍵內(nèi)容之一。目前熱帶亞熱帶地區(qū)巖質(zhì)邊坡的植物選擇和配置研究較多，植被恢復(fù)效果也較好，但是其他區(qū)域如高寒地區(qū)和半干旱地區(qū)巖質(zhì)邊坡的植被恢復(fù)研究開展得較少，且效果一般。因此，應(yīng)開展特殊區(qū)域適生植物品種的評價篩選和喬、灌、草、藤之間相互關(guān)系的研究，以及坡面植被建植調(diào)控技術(shù)的研究。

(2)根系是連接植物和坡面的重要紐帶，應(yīng)繼續(xù)深入研究根系護坡的正效應(yīng)[1]，同時注重研究植被根系對基材穩(wěn)定性的不利影響，如腐爛根系及土壤動物通道等大孔隙結(jié)構(gòu)[22]能加快降雨入滲過程，產(chǎn)生優(yōu)先流，降低基材-根系復(fù)合體的穩(wěn)定性，同時造成營養(yǎng)物質(zhì)的流失。

(3)巖質(zhì)坡面植被重建后植被恢復(fù)效果的評價是目前研究缺乏的方面。巖質(zhì)坡面植被恢復(fù)效果評價應(yīng)從植物群落的抗蝕性、穩(wěn)定性、多樣性和演替規(guī)律考慮[1]。首先要建立健全評價指標(biāo)體系，研究科學(xué)合理的評價方法；其次要研究植物群落與生態(tài)基材之間的關(guān)系，制定科學(xué)合理的長效監(jiān)測機制。

(4)巖質(zhì)坡面的生態(tài)修復(fù)技術(shù)經(jīng)過近十幾年的發(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)主要基于護坡技術(shù)，而沒有充分考慮氣候條件、地理環(huán)境和生態(tài)環(huán)境。因此，制定基于特定氣候、地理環(huán)境(如高寒地區(qū)、半干旱地區(qū)及干熱河谷地區(qū)等)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)更有實際意義。