露天礦山高陡巖質邊坡生態修復技術研究現狀與發展趨勢

李予紅，趙金召，張萬河，郭 睿，南貴軍，李艷晨

河北省地礦局國土資源勘查中心，河北 石家莊 050081

石材開采在促進社會經濟快速發展的同時，也形成了大量的高、陡、裸露的巖質邊坡，導致礦區土地資源遭受破壞、植被群落的多樣性喪失、水土流失嚴重、嚴重破壞了地貌景觀、增大了空氣中PM2.5和PM10含量、誘發了礦山地質災害[1]等一系列生態環境災難[2]，嚴重影響和制約了生態環境與人類社會的和諧發展[3]。國內大多閉坑和歷史遺留的石灰巖礦，其形成的立地條件極差的裸露高陡巖質邊坡沒有進行有效的修復，造成極差的視覺效應，嚴重影響城市形象，“三區兩線”附近的“白茬山”問題更為突出，黨的十九大提出了“綠水青山就是金山銀山”的口號，因此，開展高陡巖質邊坡治理工作已亟不可待。

由于高陡巖質邊坡高差大，坡度陡，坡面長，坡面溫差變化幅度快且大、以及植物根系生長空間的受限等，所以復綠極其困難[4-5]。目前，高陡裸露巖質邊坡復綠技術主要借鑒較為成熟的公路、鐵路邊坡復綠技術[6-7]，如客土噴播技術[8]、植生袋技術[9-10]、三維植被網噴播技術[11-12]、飄臺法、植被混凝土生態防護技術[13-14]、爆破燕窩生態重建技術[15]、藤本垂直綠化技術[16]等。但是以上各復綠技術在實際應用中大多存在成本高、難度大、后期管護困難的問題，在自然條件下難以達到持久綠化的效果。對于高陡巖壁復綠，應在調查礦區土壤、植被、地質、構造、水文、氣候氣象等條件的基礎上，充分考慮高陡巖壁的坡度、坡向、高差、坡面基巖裂隙的發育特征、植被群落的選擇及后期管護問題。本研究將對國內外常用的生態修復技術進行歸納總結，并從植被地境重塑技術、坡面復綠技術、植被的選擇及后期養護技術等方面對高陡巖質邊坡的生態恢復技術進行探討，以期為今后的高陡巖壁修復工作提供一些依據。

1 研究現狀

1.1 植被地境重塑技術

植被地境重塑技術是充分利用人工造孔和巖體裂隙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環境系統[17]。國內外眾多學者對地境重塑技術進行了持續不斷的探索。蘇繪夢等[18]通過分析巖基巖裂隙內根系生長的地境條件，發現植被根系形態隨裂隙的形狀呈扁平狀發育，而且裂隙內的地境條件能夠滿足某些植被生長發育的需求；王帥等[19]研究了植被生長的地境特征，結果顯示：裂隙率大且貫通性好的巖質邊坡，能夠滿足植物根系生長需要的空間、養分、水汽交換等條件，同時溫度和水分也能滿足植物正常的生理需求；吳楊等[20]采用的生態重建方案與巖體質量等級及節理、裂隙發育情況相適應，在礦區的不同區域進行了相關實驗，結果表明：平臺治理前期采用林、草相結合，待土壤熟化后，可種植經濟作物，具有明顯的經濟效益。河北省地礦局第二地質大隊通過在高陡巖質邊坡上鉆設傾角為45°、孔徑為150 mm、孔深為500 mm的植生孔，用配有肥料、保水劑的客土回填孔洞，孔內種植當地的灌木、藤蔓、雜草。經研究發現，重塑地境的溫度、濕度、含水量、養分等條件能充分滿足不同季節植被的生長發育需要。該技術為高陡巖質邊坡的治理提供了嶄新的思路。

1.2 坡面復綠技術

國外的學者們在高陡巖質邊坡生態修復方面研究的起步較早，已形成了適合當地的修復方法與思想理念[21]。國內對高陡巖質邊坡綠化技術的研究近幾年才開始，但是發展速度較快。

1.2.1 液壓噴播技術

該技術是將催芽后的種子與一定比例的水、纖維、保水劑、黏合劑、緩釋肥和腐殖土混合攪拌，然后利用噴播機將漿體混合物噴到坡面的綠化方法[22]。該技術具有機械化程度高、綠化速度快、工作效率高等優點[23]。周利民[24]將該技術應用到飛來峽水利樞紐工程開挖的典型坡面，取得了良好的生態效益；楊承祥等[25]將該技術應用于露天銅礦邊坡綠化中，取得了良好的綠化效果。

1.2.2 三維植被網噴播技術

該技術是在土工合成材料中加入活性植被，在高陡巖質坡面構建一個適合植被生長的環境，利用植被生長根系的加筋作用對巖質邊坡進行加固[26]。劉曉鵬[27]、羅藝偉等[28]分別在巖質邊坡的生態防護中對該技術的施工過程及工藝要點進行了分析；程曄等[29]、李連勝等[30]認為，該技術有效降低了坡面的水土流失；顧晶[31]、周海波等[32]在高速公路沿線邊坡生態防護工程中應用了此技術，并取得了較好的生態效果。

1.2.3 厚層基材噴播技術

該技術是在坡面上噴射混有種子和防侵蝕材料的厚層基質材料，形成一層適宜植被生長且性能穩定的基材層[33]。余海龍等[34]、田青懷等[35]、朱浩等[36]、夏明強[37]、卿翠貴等[38]在巖質邊坡生態修復工程中應用了該技術，其生態防護效果較好，該技術對巖質邊坡綠化具有一定的指導意義。

1.2.4 植被混凝土防護技術

該技術是將植物種子、普通硅酸鹽水泥、土壤、養分、保水劑等混合，然后通過噴混機械噴射到巖質坡面上，種子可以在空隙中生根發芽且具有較強的抗沖刷能力。其具有機械化程度高、效率高、后期養護成本低等優點，集生物工程、景觀生態學等學科于一體的生物學、土壤學、巖石力學、綜合生態與環保技術[39]。該技術自20世紀90年代中期引入我國，并在生態防護工程中得到了廣泛的應用。趙春權[40]、王耀建等[41]、閆新亮等[42]、梁超賢等[43]將該技術用于高陡邊坡工程的生態防護工作中，在迅速復綠和防止水土流失方面取得了良好的效果。

1.2.5 藤本護坡技術

該技術是在惡劣的立地條件下設置種植槽，在槽內種植攀援類植物，利用攀援類植物吸附和纏繞的生長方式，達到垂直綠化的目的。張博文[44]、張朝陽[45]、王永林[46]、李德寧[47]、秦吉中[48]等研究了攀援類植物在邊坡綠化中的適應性與生態效應，結果表明藤本植物可作為高陡巖質邊坡的先鋒植物。

1.2.6 生態防護植物纖維毯技術

生態防護植物纖維毯其定義為“用于土壤、地基、巖石、土地或者任何巖土工程相關的有滲透性的紡織品”[49]，由自然材料或人工合成材料制成[50]。顧小華[51]等研究發現，植被毯在高速公路邊坡治理中有良好的生態防護效果；李宏鈞[52]等比較不同類型植物纖維毯在生態護坡方面的特點，分析了目前研究存在的不足和未來發展的前景；劉宏遠[53]等研究表明，植物纖維毯可以改良土壤，降低土壤侵蝕，增加入滲，減少產流，改善土壤理化性質；岳桓陛[54]等研究發現，在邊坡綠化中麥秸稈植被毯比椰絲纖維植被毯入滲性能更好，建議施工中使用300 g/m2的麥秸稈植被毯。

1.3 植被群落選擇

植被群落是指共同生活在同一區域的植被集合體，它是個體之間通過合作與競爭等相互作用形成的組合。袁磊[55]等對生態修復過程中的植物群落與地下生境特征進行了研究，結果表明：格構+生態袋+掛網噴播工藝具有顯著優勢，同時具有安全、美觀、植被種類多，但是同時存在施工難度大，成本高等缺點；閆燁琛[56]等對經過植被修復的廢棄地土壤物理性質進行了研究評價；林楊[57]等研究了3種不同生境的植物群落結構、生活型、重要值特征、多樣性現狀以及群落間的相似性程度；張博文[58]等在某采石場廢棄地不同立地條件下進行了綜合植被恢復，研究表明，藤本植物在高陡巖質邊坡種植槽內和平臺上生長迅速，可作為綠化先鋒植被。

選擇修復植被群落的合理性是人工向自然植被演替的關鍵因素[59-60]。高陡巖質邊坡由于其立地條件改善不明顯，造成植被群落結構單一、植物死亡快等問題，難以實現長期的邊坡綠化效果。在生態修復工程完工后初期，植被生長狀況較好，郁閉度較高。但是，隨著時間不斷推移，植物群落種類下降，植被趨于單一，最終穩定的植物群落難以形成。其主要原因是草、灌和藤條的合理組合考慮較少。在治理后的早期階段，草本植物受藤蔓和灌木的影響較小。因為草本植物的早期生長會迅速消耗土壤中的養分，不利于藤蔓和灌木的后期生長，因此，以后噴灑基質中草本植物的播種比例不宜過多地高于藤蔓和灌木，否則會嚴重影響藤蔓和灌木的初始生長。隨著復綠植被的生長發育，植被逐漸改善高陡巖質邊坡原有的立地條件，同時促進陰性植物的入侵、定居，進而提高高陡巖質邊坡物種的多樣性。由此可建立連續演替的植被群落，最終達到在自然條件下長期復綠的效果。

1.4 后期管護技術

后期管護包括澆水、施肥、病蟲防治等。澆水的原則是澆水量應大于植物蒸騰量、正常代謝用水量和地表蒸發量的總和。當植被長至三葉期后開始逐漸控水，有計劃地減少澆水量[62]，刺激根系向深部生長，培養出強大的根系，提高植被的抗旱性，同時干爽的地面能防止病害的發生。為便于水汽交換，應在干透后澆透，以此來刺激深層根的發育。夏季溫度高，地面水分蒸發量和樹葉蒸騰量大，應及時澆水。

施肥的原則是根據不同植物的生長特性及同種植物不同生長階段確定施肥量，在噴播基質時加入底肥，緩釋復混肥的用量為30～40 g/m2，追肥要掌握種類、時間、數量和方法[63]。應在外部環境條件（溫度和濕度）最適宜植被生長的時間施肥，施肥數量的多少取決于植被種類、覆土的質地、季節和植被的生理特性。施肥的季節一般為春季氣溫開始回升時和晚秋季節，春季植被開始萌芽，一般使用緩釋復混肥2.5～3.5 g/m2，以促進冷季性草快速萌動[64]，為保證植被安全越冬，可在晚秋施用緩釋復肥促進根系生長。

“水肥一體化”是將肥料溶解在水中，以溶液的形式對植被進行灌溉。根據植被的生長特征，對土壤的水分和養分進行精準管控，實現水肥一體化，提高水肥的利用率[65]。水肥一體化不僅可以提高水分和養分的利用率，還能保證不同植被、不同生長期所需養分的調節，改善土壤狀況，有效地管控植被生長。

傳統的病蟲防治措施主要為噴灑化學藥劑，在植被進入生長旺盛期之前進行病蟲害的防治，即植被臨發病前噴適量的波爾多液或甲基托布津或多菌靈1次，以后每隔2周噴1次，連續噴3～4次。在診斷病害起因、確定病原菌種類、了解病害發生發展規律的基礎上采用對該種病原菌采用有效的防治手段。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合。

2 不足分析

目前，高陡巖質邊坡生態修復中多追求綠化速度，而對修復后期植被如何在自然狀態下長期存活考慮較少，后期管護工作不到位，最終會出現在工程竣工后初期的綠化效果較好，植物生長旺盛，水土保持好，但后期景觀效果在自然狀態下維持的時間太短。同時由于工程造價高、后期管護困難、復綠植物種類較單一、死亡快，很難形成與周邊環境相協調的穩定植物群落。最終導致生態修復工作失敗。

3 發展趨勢與展望

（1）構建能夠滿足植物的地境需求是高陡巖質邊坡生態技術修復成功與否的關鍵因素之一，如何根據地層產狀、巖石構造、裂隙發育特征、坡面形態、以及鉆機制孔等人工技術手段對高陡巖質邊坡的地境進行重塑，這方面的研究尚需完善與發展。

（2）是否能夠形成長期穩定的植被群落是高陡巖質邊坡生態技術修復成效的關鍵因素，如何根據礦區所處地區的土壤、植被、地質、水文、氣候等條件，構建適當配比的本土植被（灌、草、藤）是形成穩定群落的前提。

（3）后期管控在高陡巖質邊坡修復中的應用仍然需要研究和實踐。其中水肥一體化、節水灌溉技術以及生物防護工作可以極大地節約管護成本，同時也是綠化植被長期持續生長的關鍵因素之一。