公路邊坡干濕客土噴播生態恢復效果評價

舒安平，趙 冉，高小虎，李云鵬，齊韻濤，袁世廣

（1.北京師范大學 環境學院，北京 100875；2.齊魯交通發展集團有限公司建設管理分公司，山東 濟南 250000；3.北京清大綠源科技有限公司，北京 100083；4.交通運輸部科學研究院，北京 100029）

0 引言

隨著“一帶一路”倡議的提出，我國高速公路建設步入一個新的發展階段。截至2019 年底，中國高速公路總里程達14.26萬km，居世界第一，建設規模、施工技術、工程質量和施工效率都在世界范圍內獲得極大認可[1]。與此同時，大規模的基礎設施建設不可避免地會因開挖、填筑而形成大量的裸露邊坡。在國家積極推進生態文明建設的背景下，為解決邊坡裸露失穩和生態失衡的問題，對這些裸露邊坡實施生態恢復工程成為必然[2]。

通過大量文獻調研和現場調研發現，邊坡生態恢復工程類型多樣，主要可概括為兩大類：一類是單一為實現坡面植被恢復而采取的一系列生態恢復技術措施，主要包括液力噴播技術、客土噴播技術、植生袋綠化技術、土工材料綠化技術和垂直綠化技術；另一類是為實現坡面穩定和植被恢復雙重目的的工程與生態相結合的綜合技術，主要包括生態磚植草防護技術、生態袋固坡綠化技術和格構式護坡綠化技術。以客土噴播為載體的生態恢復工程技術，由于可以直接在裸露坡面上“創造”土壤，進而形成植被，因此可以廣泛地應用于幾乎所有類型的公路邊坡，已經成為最主要的生態恢復工程技術。客土噴播從根本上講是一種人為干擾，采用半自然或機械作業的方式在裸露邊坡表面形成適合植物生長的空間，即“客土”，再通過植物種子發芽或栽種植株的方式形成坡面植被，最終實現生態恢復[3-7]。邊坡生態恢復屬于恢復生態學的范疇，學術上有“坡面綠化”“植被護坡”“生態防護”“工程綠化”等概念，工程上有“噴混植生”“厚層基材噴射”“高次團粒噴射”“植生基質噴播”“噴混凝土植草”“植生混凝土”“乳液噴播”等技術。但這些學術概念和工程技術，本質上都是以客土噴播工法為載體的生態恢復工程[8-12]。現行的客土噴播技術有干噴和濕噴兩種工法[13-14]，雖然在以生態恢復為目的的客土噴播工程中應用較多，但關于這兩種工法的學術研究，尤其是在已公開的研究資料中對兩種工法的對比分析和效果評價極少，同類工作大多在橋隧工程中出現[15-17]。在管理、設計、設備、規范標準方面，均未對這兩種工法加以區分，以致在工程建設上，對機械設備和實施內容的概念模糊，最終導致施工質量不統一，生態恢復效果不穩定[18-19]。

鑒于上述問題，本文以京滬高速公路萊蕪至臨沂（魯蘇界）段改擴建工程巖石路塹邊坡生態恢復工程為例，在統計分析客土噴播施工效率和客土侵蝕表現差異的基礎上，首次結合生態恢復學觀測方法，對比分析干噴、濕噴兩種工法實施后的種子出苗率、地上生物量和灌草成分組成等生態恢復效果，以期為生態恢復工程中的施工工法細分和科學研究提供參考。

1 邊坡干濕客土噴播工法

客土噴播技術是采用專門的噴播設備，將種植土、植物種子、肥料、纖維材料、穩定劑、改良劑、保水劑、黏合劑和水等，按一定的比例充分混合均勻后，通過高壓噴槍均勻地噴播到坡面，從而形成植被生長基礎的一種工程施工技術。施工流程主要包括噴前準備、客土噴播、覆蓋養生3 個步驟。噴前準備主要根據坡面情況進行浮石清理、鉆孔放錨注漿、掛網固定；客土噴播就是按照設定工法，利用機械將基材混合體噴附至坡面；覆蓋養生是指噴播完成后在坡面覆蓋草簾或無紡布等，并結合后期灑水養護，促進快速成坪和植被覆蓋。

現行的客土噴播技術分為干噴和濕噴兩種工法，現分述如下。

1.1 客土噴播干噴工法

干噴是將土、種、料在干燥狀態下充分混合，通過空氣壓縮機和噴播機，經噴管單獨泵送至坡面，與另一支水管同時泵送的水在坡面直接混合成形。干噴工法的工藝流程如圖1所示。

圖1 客土噴播干噴工法工藝流程

1.2 客土噴播濕噴工法

濕噴是將土、種、料和水提前混合，充分攪拌成泥漿狀的流體，通過高壓噴射槍或特殊泵送裝置直接噴附在坡面。濕噴工法的工藝流程如圖2所示。

圖2 客土噴播濕噴工法工藝流程

1.3 客土噴播工法的耗材耗能特點

在客土的基質用量方面，干噴工法用量約為0.129m3/m2，濕噴工法用量約為0.122m3/m2，干噴用土量較濕噴用土量大5.74%。這與干噴工法中拌料和機械噴料時對土粒的篩選有關，粒徑較大或濕度較大均會影響噴播，因此在流水作業前需要清除，導致干噴用土量偏多。但濕噴工法的用水量明顯大于干噴工法。

在纖維材料的用量方面，相同面積的濕噴工法纖維材料的用量明顯高于干噴工法，約為干噴工法的4.8 倍。這是由于在濕噴工法中，噴料在機械內已經攪拌形成漿體狀，經高壓噴槍噴射著坡時會有一定的流動性，主要是沿著坡點向四周涌流或沿坡面向下滑落。為了保證噴播厚度，要求在一定程度上增加漿體的抗流動性，因此會加入一部分纖維材料，這樣有利于后期客土具有較多的纖維結構和較高的孔隙度。

此外，根據客土噴播工程施工耗能調查統計，濕噴工法的燃油消耗量比干噴工法的燃油消耗量要小，前者一般為后者的80%～90%，說明濕噴工法相對干噴工法更加節能。

2 生態恢復評價方法

2.1 客土噴播效率

設置標準試驗區，分別測量單位面積干噴和濕噴工法完成客土噴播用材量，并記錄噴播完成時間，采用SPSS軟件統計，對比分析客土噴播效率。

2.2 客土侵蝕性

根據筆者團隊（2017）對巖石邊坡植被恢復工程中的客土穩定性分析結論[20]，坡率小于1∶1.5時，客土厚度可達15～20cm，立地條件好，但公路邊坡少有這種情況；坡率超過1∶0.5 時，客土厚度只有在5～6cm 范圍內才能穩定，但這個厚度無法滿足植被生長條件；對于常見的公路邊坡坡率1∶1.1～1∶0.75，一般要求噴播土體厚度不小于8cm，在金屬網和其他環境條件下盡可能達到10cm，此為最佳噴播厚度。

客土侵蝕量評價采用侵蝕溝斷面調查法，評價干濕噴播工法噴播完成后的表層土體顆粒的穩定情況。具體方法是統計每個觀測區內發生侵蝕的侵蝕溝數量和大小，計算坡面的客土侵蝕量，計算公式如下：

式中：M為客土侵蝕量（t）；n為侵蝕溝數量；為侵蝕溝平均斷面面積（m2）；L為侵蝕溝溝長（m）；P為土壤容重（t/m3）。

2.3 生態植被恢復效果

按天記錄噴播完成后的植物種子出苗數，觀測干噴和濕噴對植物種子出苗的影響；開展樣方調查，分析干噴和濕噴對坡面植被覆蓋度的影響，并分別記錄標準樣方中的灌木植物和草本植物的數目，得出灌草比并進行評價。

總之，生態植被恢復效果評價的關鍵性指標包括植被覆蓋度、多樣性及灌草比等，一般應進行近、遠期不同階段評價，近期評價強調植被覆蓋度及植被多樣性，遠期評價側重于灌草比，最終實現草本演替成以灌木為主的穩定的生態群落。

3 京滬高速邊坡生態恢復工程案例分析

3.1 工程及研究區概況

京滬高速公路山東省萊蕪至臨沂（魯蘇界）段改擴建工程主線北起新泰市，南至臨沂市（魯蘇界），全長232.558km，全線采用雙向八車道高速公路標準建設，其中起點至卞家泉段設計車速為100km/h，卞家泉至終點段設計車速為120km/h。沿線地形地貌包括低山、丘陵、山前沖洪積平原、河床階地和河漫灘等，地貌單元類型較多，總體地勢呈北高南低。氣候類型屬暖溫帶季風氣候，年均溫度為11.0～13.3℃，年降雨量為640.5mm，年蒸發量為664mm。周邊原生植被為亞熱帶常綠闊葉針葉混合林。

該工程樁號K500—K610 段因兩側路基展寬、開挖山體形成了多處路塹巖石邊坡，其巖面主要巖性為石灰巖，設計坡率為1∶0.75，邊坡呈東西走向。選擇其中5 個高陡路塹巖石邊坡生態恢復工程為研究對象，總共布設12 個植物調查測試區，每個測試區面積約為200m2，采用干濕客土噴播法進行生態恢復，干噴、濕噴工法各6 個測試區，平均客土厚度約為10cm，每個測試區沿縱向設置3 個觀測位（上、中、下3 個坡位），每個觀測位分別為灌木及草本植物內設1m×1m 和0.5m×0.5m 兩種規格樣方。客土噴播材料包括種植土、草炭土、纖維材料、保水劑、黏合劑、有機肥、復合肥、植物種子等。

3.2 客土噴播效率評價

對采用干噴和濕噴兩種工法進行生態恢復工程的客土噴播效率進行統計，結果如圖3所示。

圖3 干濕噴工法工時圖（完成200m2所需工日）

由圖3 可以看出，濕噴工法和干噴工法的作業效率差別十分明顯。從平均噴播效率來看，濕噴完成200m2僅需要0.39d，按每日8h 工作制計算，平均生產效率達到508m2/d，而干噴完成同樣面積需要1.07d，平均生產效率僅為187m2/d。從噴播穩定性來看，對完成的工時進行統計分析（結果見表1）可知，采用濕噴工法完成6 個客土噴播試驗區耗時在[0.3,0.46]區間內，標準偏差為0.061，方差為0.004，而采用干噴工法完成6個客土噴播試驗區耗時在[0.8,1.4]區間內，標準偏差為0.216，方差為0.047，屬于極度不穩定的狀況。這主要是因為干噴工法環節多，容易受人為干擾及機械故障（如堵管導致生產停滯）影響，最終導致干噴工法噴播生產效率整體偏低。

表1 干濕噴工法耗時統計

3.3 客土侵蝕性評價

圖4 所示為濕噴和干噴兩種工法下土壤流失量觀測結果。

圖4 土壤流失量觀測結果

由圖4 可知，在噴播完成后的初始坡面，采用濕噴工法的坡面客土侵蝕量明顯偏小，僅為0.857kg/m2，但在后續的第21～30d，濕噴坡面的客土侵蝕量逐漸增大，之后再降低至一個相對穩定的水平；采用干噴工法的坡面客土侵蝕量比較大，初始值達到5.175kg/m2，并迅速降至2.05kg/m2，隨后也逐漸進入一個相對穩定的階段。兩種工法下，最終客土侵蝕量穩定值相近。需要指出的是，客土侵蝕量與坡度和施工季節有關，本文未予討論，今后將進一步研究。

3.4 生態植被恢復效果評價

為了分析不同噴播工法對種子出苗情況的影響，自噴播完成之日起，連續2 個月對樣方進行調查觀測，對種子出苗率、地上生物量和灌草成分組成進行統計分析。

客土噴播完成后，根據設定的固定樣方調查點，記錄每天植物出苗種數，結果如圖5 所示。由于本次記錄的是植物出苗的種類數目，不是植株的數量，所以曲線趨勢代表的是坡面植物種群的物種多度，并不代表整體的覆蓋度。

圖5 種子出苗數調查結果

從圖5 可以看出，初期的客土噴播在半個月內完成了多種植物種子的出苗，說明無論是干噴還是濕噴工法，植物種子出苗并沒有明顯的區別，但除第3～6d以外的其余時間段內，干噴工法的出苗種數持續大于濕噴工法的出苗種數，這可能是由于干噴工法容易產生團粒結構，種子在孔隙率相對較好的條件下更容易快速出苗所致，而且濕噴工法容易使客土表層形成“板結狀”，這對出苗有一定的抑制作用。

圖6所示為坡面植被覆蓋度觀測結果。

圖6 植被覆蓋度觀測結果

從圖6 可以看出，采用干噴工法的坡面植被覆蓋度數值明顯高于采用濕噴工法的坡面，第1個月就能達到70%以上，第45d 調查結果顯示植被覆蓋度就已超過90%，主要以禾本科草本植物為主，包括多年生黑麥草、高羊茅，其余植物品種有紫花苜蓿、波斯菊以及部分豆科灌木；而采用濕噴工法的坡面相對較差，兩個月后的坡面植被覆蓋度僅有76%，其主要構成植物種相對比較均勻，包括高羊茅、多年生黑麥草、紫花苜蓿、刺槐、紫穗槐、波斯菊等，整體上灌草植物種分布均勻。以第30d 調查結果為例，其灌草植物株數比如圖7所示。

圖7 灌草植物構成（第30d）

從圖7 可以看出，同時完成的坡面，采用干噴工法的坡面草本植物約占83%，灌木僅占17%，而采用濕噴工法的坡面草本植物約占72%，灌木占28%。在草本植物分布中，采用干噴工法的坡面禾本科草本植物占比超過50%，這主要是因為干噴土體顆粒松軟，孔隙多，禾本科草本植物葉片狹長且有尖，破土效果好；相反，豆科植物葉緣偏圓，破土效果差一些。濕噴工法的豆科灌木、豆科草本、禾本科草本各占約1/3，比例相對均勻，這個時期灌草比較為適中。

4 結語

作為公路邊坡生態恢復工程的主要工法之一，客土噴播技術已在公路建設中得到了廣泛應用，但客土噴播中的干噴和濕噴兩種工法具有明顯的差異。本文依托山東省內京滬高速公路改擴建工程，采用了干濕客土噴播兩種工法實施路塹巖石邊坡生態恢復，通過現場調研和生態恢復學調查等方法，對干濕噴播生態恢復效果進行對比分析。結果表明，與濕噴工法相比，干噴工法的用土量、燃油耗損量更多，但草炭土、纖維材料及水的用量明顯少于濕噴工法；盡管干噴坡面出苗快、種類多、植被覆蓋度好，但其灌草比中初期草本植物偏多，并對后期灌木演替產生一定影響。上述研究結論只是基于實施干濕噴播工法后的生態恢復效果差異性對比分析所得，可作為工程應用的評價方法，但兩種工法差異性機理并未得到充分論證。在今后的研究中應進一步結合兩種工法對基質結構和性能、水分持留與散失、植物種類差異性的影響進行詳細分析。