興隆山礦山巖質邊坡生態修復技術研究

劉 娜 任國俊 王 磊

(1.中國地質大學(武漢)環境學院,湖北 武漢 430074;2.自然資源部高寒干旱區礦山地質環境修復工程技術創新中心,甘肅 蘭州 730000;3.貴州大學資源與環境工程學院,貴州 貴陽 550025;4.中鐵西北科學研究院有限公司,甘肅 蘭州 730000)

中國生態修復的研究比較晚,對于此項工作有多種稱呼,并無統一的說法。有的稱之為“復綠”,顧名思義恢復原來的綠色植被,完善生態系統[1];有的稱之為“覆綠”,意為在植被稀少的地方覆蓋綠色植被[2];有的稱之為“生態治理”,意為重建被破壞的生態系統,除了植被種植之外,主要強調生物多樣性和生態系統的建設[3,4]。對于巖質邊坡而言,在其自然或人工形成后,表面無植被生長,也就不存在植被破壞,因此無“復綠”一說,在邊坡上種植植被以綠化環境,稱為“覆綠”更為貼切。

早期的邊坡覆綠技術更多的是直接在邊坡上插桿覆綠,這種技術在歐洲和日本得到應用[5],但是這種技術無法在巖質邊坡上應用。近年來混凝土植被覆綠技術和地境再造技術成為邊坡覆綠技術代表性的成果。植被混凝土邊坡綠化技術由三峽大學的許文年等開發[6],主要采用噴射的方式進行護坡綠化,具有噴射層抗侵蝕能力強、施工工藝簡單、節省種子用量的特點,核心是使噴射層有良好結構的綠化添加劑部分,它不僅可以提供植物生長所需的肥分,還可以將pH 值降至適合植物生長的中性范圍內。該技術在三峽工程中得到應用,但不足之處在于植被在巖壁上缺乏生長的環境,難以實現自然生長。地境再造技術的核心是在巖質邊坡上人為創造植物生長所需環境,將合適的植物種植在改造后的邊坡上,前期由人工養護,后期實現自然生長[7]。該技術可以解決石灰巖質邊坡的長久覆綠問題,具有回歸自然、操作簡單、成本低的特征。該技術的不足之處在于無法在完整性較強的巖體上使用。

綜合看來,沒有哪一種覆綠技術能夠適用所有巖質邊坡,需要根據邊坡所在地區的氣候和邊坡的巖性、裂隙、坡度等特征,準確選用合適技術完美地實現覆綠的效果[8]。本研究以巖質邊坡為例,選取符合當地情況的一種方式進行邊坡覆綠研究,以達到用研究成果推廣整個相似區域的目的。

1 巖質邊坡修復技術路線

結合調查資料和調查結果進行綜合分析,選擇較為典型的巖質邊坡進行生態修復試驗,采取不同的生態修復方法和種植物種,對土壤機制進行改良,對修復效果進行定期監測,最后確定效果較好的修復方法,形成一套完整的技術措施和工藝理論。

本研究以甘肅省興隆山自然保護區試驗條件最優的一處邊坡進行巖質邊坡修復技術研究試驗。該試驗區植被稀少,巖性單一,無地下水出露,地質構造不復雜,坡面局部破碎,坡腳有零星松散堆積物,其東側部分斜坡段坡面平整,坡前較為平坦,安全且方便作業,是合適的試驗場所。研究方法主要包括資料收集、土壤基質配比、坡面打孔、生長地境再造、植物移栽、定期監測。

2020年8月10日～8月21日開展試驗,2020年8月22日～12月31日進行試驗效果監測。因2020年初新冠病毒影響,試驗種植時間較晚,導致種植生物成活率低,種植植物大面積死亡,造成試驗結果不理想,取得數據少,不利于成果分析總結。因此,于2021年5月28日重新進行修復技術試驗,補種設計植物。

2 地質環境條件

興隆山國家級保護區氣候溫和,雨熱同季,光照充足;地貌多樣,以構造侵蝕地貌為主;褶皺構造和斷層發育,歷史上因新構造運動發生過多次地震;出露地層巖性主要為震旦系(Z)各類混合巖,白堊系(K)泥巖、頁巖、砂巖互層,新生代第四紀(Q)由黃土、砂和礫土組成的覆蓋層等;有松散巖類孔隙水、碎屑巖類孔隙裂隙水、基巖裂隙水3種地下水類型,其中基巖裂隙水是最主要且水量最豐富的地下水類型;保護區分布的土壤為地帶性土壤,共5個土類,有多種植被類型和低等植物及陰濕的水熱條件、豐富的腐殖質;人類工程活動主要表現為工程建設、農林活動、礦產資源開發,區內礦業開采活動強烈,礦業活動對保護區地形地貌景觀的影響嚴重,土壤植被遭受破壞。

保護區內共有8 家礦山企業,礦區分布見圖1,已經全部廢棄或關閉,總共有12個巖質邊坡,因施工條件等原因均未進行恢復治理,這12 處巖質邊坡均屬于中小型規模,現狀穩定性均較差,預測穩定型差,在震動、降雨等不良條件下,有可能發生崩塌地質災害。邊坡形態及邊坡巖土體組成是影響斜坡穩定的內因,人類活動、地震等是影響斜坡穩定的外因,強降雨是引起災害發生的主要因素。

圖1 興隆山國家級自然保護區8 處礦山分布圖Fig.1 Distribution map of 8 mines in Xinglongshan National Nature Reserve

3 邊坡生態修復方案設計

3.1 試驗邊坡選取

試驗邊坡的選取要充分考慮試驗安全,試驗開展條件、試驗效果等因素。綜合考慮,選取位于陳溝峽西南側支溝溝口處的榆中奧森建材有限公司龕谷石灰巖礦礦區巖質邊坡東側部分斜坡段20 m×25 m 坡面作為試驗區域,見圖2。該段巖質邊坡為采礦活動露天開挖形成的掌子面,總體呈東西向展布,平面呈“圈椅型”,剖面形態呈“直線形”。坡頂為原始山體,坡腳為已有工程治理后平臺。坡寬約40 m,坡高一般35～45 m。坡體坡度一般70～80°,局部直立。斜坡體坡面裸露且臨空,坡體主要由灰巖組成。組成坡體的基巖較為穩定,節理裂隙不發育。

圖2 栽種試驗邊坡Fig.2 Planting test slope

3.2 坡面布置

3.2.1 坡面打孔

試驗區巖質邊坡上布設植生孔208個,搭建腳手架作業,采用YT28 型風鉆進行成孔。植生孔角度為與巖質邊坡坡面成45°,植生孔斷面為圓形,直徑為20 cm,垂直深度70 cm。各孔橫間距1.5 m,縱間距1.0 m,見圖3、圖4。

圖3 坡面打孔示意圖Fig.3 Schematic diagram of slope drilling

圖4 巖壁打孔Fig.4 Drilling of the rock wall

3.2.2 鉆孔分區

以控制變量法進行試驗區塊布置,試驗區共分為4個試驗區塊,分別命名為試驗區Ⅰ號、試驗區Ⅱ號、試驗區Ⅲ號和試驗區Ⅳ號,每個區塊54個孔,地塊布置見試驗立面布置圖5所示。

圖5 試驗立面布置圖Fig.5 Elevation layout of the test area

3.3 主要試驗內容

3.3.1 植物培養

查閱文獻[9]結合陜西榆林相同緯度地區種植經驗,確定試驗植物物種為小葉扶芳藤,圖6所示。小葉扶芳藤原產黃河流域以南各省區,現甘肅、陜西、遼寧等省都有栽培。

圖6 小葉扶芳藤Fig.6 Euonymus fortune

小葉扶芳藤常生長在陰涼之處,也可以正常生長在陽光充足之處;適合在溫暖的地方種植,而且具有耐寒的特性,在蘭州冬天的時候無需防護;植株生長健壯需要滿足水分充足、土壤和空氣濕度大的條件。小葉扶芳藤耐酸堿性,耐干旱、瘠薄,可在砂土地、石灰巖山地栽培,適于疏松、肥沃的砂壤土生長[9]。

委托試驗實施部門進行購買及養護,培育營養缽大小應與試驗植生孔規格相適應,營養缽中的土壤肥分應充分滿足植物生長初期的需要。

3.3.2 土壤基質配比

通過查閱文獻[10],結合當地情況確定基質土各成分配比。巖質邊坡生態防護綠化基質由復合基質和調節劑組成,復合基質由多個成分組成:食用菌廢渣15%～65%、牛糞10%～52%、秸稈末10%～50%、污泥10%～45%,各成分均以干基計算。調節劑各成分為土壤保水劑0.5%、聚乙烯醇0.6%～2%、凹凸棒粉0.5%～17.5%、控釋有機無機復合肥0.5%～4.5%、土壤消毒劑0.8%～1.5%、pH 調節劑0.5%～2.3%、有機肥0.7%～8.2%,調節劑各成分質量百分數以復合基質總重為基準。pH 調節劑為熟石灰或過磷酸鈣。

基質土準備充分后將其充填至目標地塊內,各區塊孔內土壤搭配具體如下:Ⅰ號試驗區塊,共52 孔,為常規種植孔+本地植生土;Ⅱ號試驗區塊,共52孔,為底部填充20 cm 砂礫卵石+本地植生土;Ⅲ號試驗區塊,共52 孔,為常規種植孔+基質土;Ⅳ號試驗區塊,共52 孔,為底部填充20 cm 砂礫卵石+基質土。

3.3.3 植物移栽

對孔穴慢慢澆水,緊接著進行移栽,移栽前將耕植土與水混合攪拌,涂抹在孔壁周圍,按照各地塊要求進行種植,將培植好的葉莖不小于30 cm 的小葉扶芳藤栽種到各試驗植生孔內,圖7所示。

圖7 栽植小葉扶芳藤Fig.7 Planting of Euonymus fortune

3.3.4 植物養護

現場植被稀少,巖質邊坡裸露,夏季太陽照射時,會使得巖體表面溫度上升,進而導致孔內水分過快蒸發,對植物的生長不利,如果不采取養護措施,植物會很快枯萎,可見水分是影響植物成活的關鍵因素。

養護采用噴灌方式進行養護,斜坡坡頂設置2個2 m3的圓柱形水箱進行蓄水,水管與試驗區南側陳溝峽常年流水相連,通過水泵進行蓄水,蓄水后通過鋪設的噴灌設施對每個植生孔進行澆水養護,見圖8、圖9。

圖8 養護用水箱Fig.8 Water tank for maintenance

圖9 噴灌設施布設Fig.9 Layout of sprinkler irrigation facilities

3.3.5 監測

巖體內植生孔的溫度一般在夏季達到最高,冬季達到最低,且夏季植物蒸騰量最大,冬季巖體內植生孔結冰可能會導致植物凍死或凍傷[11]。選取巖體內植生孔溫度和濕度的監測數據進行研究。本次在研究區設計了12個溫濕度監測孔,Ⅰ號～Ⅳ號每個試驗區各布設3個溫濕度監測孔,每個監測孔深度為根系生長的中間區段,為20 cm。巖體內的溫濕度監測儀器選用DS-1923 溫濕度紐扣式記錄儀,其可以監測的溫度范圍為-20～+85 ℃,相對濕度監測范圍為0%～100%RH,溫度精度為0.062 5 ℃,濕度精度為0.04%RH。本次監測試驗自溫濕度監測儀布設開始進行監測,得到溫度、濕度監測數據。

4 試驗成果

植物適合在一定的環境中生長,一些生態因子對植物的生長有顯著的影響。試驗區邊坡為大于60°的裸露巖壁,巖體的儲水能力遠不及土壤,由于巖體與土體具有顯著的區別,一般在土體中對植物的成活影響有限的生態因子在巖質邊坡條件下變得極其重要。根據研究區情況,將影響植物成活的主要生態因子確定為:巖體內植生孔內的溫度因子、巖體內植生孔內的濕度因子。

4.1 巖體內植生孔溫度因子

為了探究植生孔內的溫度分布能否滿足植物的生長及成活要求,對研究區各監測孔溫濕度進行監測,監測深度為20 cm,監測頻率為1 次/h,對數據進行篩選后,選取每月10、20、30日的數據求其均值,根據2021年4月18日觀測數據顯示,本次生態修復技術研究種植的小葉扶芳藤成活率僅為13.46%,首次種植溫度監測結果見圖10。并于2021年6月8日進行植株補種,見圖11。

圖10 植生孔各月平均溫度變化(首次種植)Fig.10 Monthly average temperature changes in boreholes (first planting)

圖11 植株補種Fig.11 Plant replanting

由圖10、圖12 可見,監測時間范圍為8月20日～次年4月10日、6月10日～12月10日。從圖12分析可知,Ⅰ號試驗區植生孔內填充本地植生土溫度在夏季高于Ⅱ號試驗區塊20 cm 砂礫卵石+本地植生土內溫度,Ⅰ號試驗區植生孔內填充本地植生土溫度在冬季低于Ⅱ號試驗區塊20 cm 砂礫卵石+本地植生土內溫度。這是因為夏季外界氣溫高,巖體外部溫度上升快,Ⅱ號試驗區塊內填充有20 cm 砂礫卵石,其縫隙見存儲有噴灌及降雨入滲的水分,這些水分有調節孔內溫度的作用,使得Ⅱ號試驗區塊內的植生孔在夏季外界溫度過高時植生孔內的溫度較未填充卵石的植生孔溫度低,冬季外界氣溫低,巖體外部溫度下降快,巖體通過裂隙向外界進行傳遞,Ⅱ號試驗區塊內填充20 cm 砂礫卵石縫隙間的水分的調節作用使得其在冬季外界溫度較低時植生孔內的溫度較未填充卵石的植生孔溫度高。Ⅲ號試驗區植生孔內填充基質土溫度在夏季高于Ⅰ號試驗區塊本地植生土內溫度,Ⅲ號試驗區植生孔內填充基質土溫度在冬季低于Ⅰ號試驗區塊本地植生土內溫度,這是因為Ⅲ號試驗區塊內填充的基質土含有凹凸棒等材質,使得基質土孔隙較大,溫度傳導能力較強。Ⅳ號試驗區植生孔內填充20 cm 砂礫卵石+基質土溫度在夏季低于Ⅲ號試驗區塊內基質土溫度,這是因為Ⅳ號試驗區塊內填充有20 cm 砂礫卵石,其縫隙見存儲有噴灌及降雨入滲的水分,這些水分有調節孔內溫度的作用,使得Ⅳ號試驗區塊內的植生孔在夏季外界溫度過高時植生孔內的溫度較未填充卵石的植生孔溫度低,在冬季外界溫度較低時植生孔內的溫度較未填充卵石的植生孔溫度高。

圖12 植生孔各月平均溫度變化(補種后)Fig.12 Monthly average temperature change in borehole (after reseeding)

經統計分析,Ⅰ號～Ⅳ號區塊夏季巖體內植生孔溫度變化范圍為13.0～21.6 ℃,冬季溫度變化范圍為-0.7～10.6 ℃。在溫帶地區,冬季植被根系對溫度的要求不低于0～4 ℃,夏季植物根系對溫度的要求則不超過30 ℃[12]。一般情況下,植物的最適生長溫度為0～35 ℃之間[13]。因此,孔內的溫度基本能夠達到植物的成活條件。

4.2 巖體內植生孔濕度因子

首次試驗種植后,開始進行噴灌養護,通過溫濕度監測數據得出,12個監測孔相對濕度監測數據均為100%,說明各植生孔內含水量大,對種植的小葉扶芳藤根系產生不利影響,是造成首次種植的小葉扶芳藤大面積死亡的原因之一。

經過2021年5月補種之后,改進了噴灌的灌溉方式,減少了養護次數,對各監測孔內相對濕度監測數據篩選后求其均值,并繪制出研究區巖體內植生孔相對濕度隨日期的變化,見圖13。

圖13 植生孔各月相對濕度變化(補種后)Fig.13 Monthly relative humidity change in the borehole (after reseeding)

Ⅱ號試驗區塊、Ⅳ號試驗區塊內均填充有20 cm砂礫卵石,其縫隙間存儲有噴灌及降雨入滲的水分,這些水分有調節孔內水分的作用,使得Ⅱ號試驗區塊、Ⅳ號試驗區塊內植生孔土壤含水率有所增加。Ⅰ號試驗區植生孔內填充本地植生土濕度最低,Ⅲ號試驗區植生孔內填充基質土濕度其次。經統計分析,Ⅰ號～Ⅳ號區塊巖體內植生孔相對濕度變化范圍為63%～93%。根據土壤相對濕潤度(R)的干旱等級指標(表1),植生孔相對濕度等級屬于無旱等級。通過試驗監測數據可知,在興隆山自然保護區范圍內,天然降雨于植生孔內儲存水分,可實現后期人工養護少甚至無人養護。

表1 土壤相對濕潤度(R)的干旱等級指標Table 1 Drought grade indicators of soil relative humidity (R)

4.3 土壤養分分析

試驗區采石場巖壁裸露,無土壤層。為了了解植生孔內的土壤能否滿足植物生長的需求,本研究采集了4個試驗區塊植生孔土壤進行了土壤肥力測試,結果見表2。土壤肥力是指土壤為植物生長提供和協調營養條件及環境條件的能力,是土壤各種基本性質的綜合表現,是土壤區別于成土母質和其他自然體的最本質的特征[14]。對植生孔中土壤樣品進行室內分析試驗,最后獲取的土壤肥力指標主要包括土壤堿解氮、有效磷、有機質等。

表2 2020～2021年試驗區土壤理化性質Table 2 Physicochemical properties of soil in the test area from 2020 to 2021

結果表明基質土內的土壤肥力普遍偏高,從表2中結果可知:區塊Ⅲ、區塊Ⅳ、區塊Ⅱ、區塊Ⅰ中有機質、堿解氮、有效磷含量均依次遞減;區塊Ⅲ全氮含量最高;區塊Ⅲ速效鉀含量低于區塊Ⅱ,但屬于同一級別且均高于區塊Ⅳ、區塊Ⅰ。

綜上所述,在植物地境肥分方面,區塊Ⅲ最好,區塊Ⅳ、區塊Ⅱ次之,區塊Ⅰ較差。

4.4 植物生長狀況

為了監測植物生長情況,判斷各試驗區塊植株長勢,于2021年6月25日及9月20日對植株成活率以及高度、胸徑、蓋度、新枝長出率進行了測量,見圖14,測量結果見表3。

圖14 植株成活情況Fig.14 Plant survival status

表3 試驗區植物平均長勢狀況Table 3 Average plant growth in the test area

與區塊Ⅰ相比,區塊Ⅱ、區塊Ⅲ、區塊Ⅳ植物的成活率分別提高2、7、4個百分點,區塊Ⅲ植物成活率最高。

與區塊Ⅰ相比,區塊Ⅱ、區塊Ⅲ、區塊Ⅳ植物的高度分別提高15%、37%、20%,植物的胸徑分別提高8%、36%、28%,植物的新枝長出率分別增加0.71、1.85、1.02個百分點。與區塊Ⅰ相比,區塊Ⅱ、區塊Ⅳ植物的蓋度降低0.32、0.27個百分點,而區塊Ⅲ植物的蓋度提高0.45個百分點。

綜上所述,常規種植孔+基質土的區塊Ⅲ處理及底部填充20 cm 砂礫卵石+基質土的區塊Ⅳ植被恢復效果最佳,常規種植孔+本地植生土的區塊Ⅰ及底部填充20 cm 砂礫卵石+本地植生土的區塊Ⅱ植被恢復效果次之。

5 結 論

基于對礦山巖質邊坡生態修復的研究,首先梳理了邊坡覆綠的概念,闡述了2種近年來邊坡覆綠技術代表性的成果并指出不足之處。總結出覆綠技術需要根據邊坡所在地區的氣候和邊坡的巖性、裂隙、坡度等特征,準確選用何種技術完美地實現覆綠的效果。在以上成果及結論的基礎上,以興隆山國家級自然保護區一處礦山巖質邊坡為例進行生態修復研究,本研究的結果如下:

(1)試驗邊坡的選取要充分考慮試驗安全、試驗開展條件、試驗效果等因素。邊坡坡面平整和坡前平坦才便于試驗分區和鉆孔施工作業,所選場地較為合理,推動了本項目的試驗研究。

(2)受新冠疫情影響,首次試驗種植成活率僅為13.46%。植株補種后,經統計分析,Ⅰ號～Ⅳ號區塊夏季巖體內植生孔溫度變化范圍為13.0～21.6 ℃,冬季巖體內植生孔溫度變化范圍為-0.7～10.6 ℃。一般情況下,植物的最適生長溫度為0～35 ℃之間。因此,孔內的溫度基本能夠達到植物的成活條件。

(3)首次試驗種植后,12個監測孔相對濕度監測數據均為100%,是造成首次種植的小葉扶芳藤大面積死亡的原因之一。補種之后,改進了噴灌的灌溉方式,減少了養護次數,最終統計分析,Ⅰ號～Ⅳ號區塊巖體內植生孔相對濕度變化范圍為63%～93%,屬于無旱等級。通過試驗監測數據可知,在興隆山自然保護區范圍內,天然降雨于植生孔內儲存水分,可實現后期人工養護少甚至無人養護。

(4)本研究采集了4個試驗區塊植生孔土壤進行土壤肥力測試。通過對植生孔中土壤樣品進行室內分析試驗,最后獲取土壤肥力指標。結果表明基質土內的土壤肥力普遍偏高,在植物地境肥分方面,區塊Ⅲ最好,區塊Ⅳ、區塊Ⅱ次之,區塊Ⅰ較差。

(5)最終通過各試驗區塊植株長勢判定,常規種植孔+基質土的區塊Ⅲ及底部填充20 cm 砂礫卵石+基質土的區塊Ⅳ植被恢復效果最佳,常規種植孔+本地植生土的區塊Ⅰ及底部填充20 cm 砂礫卵石+本地植生土的區塊Ⅱ植被恢復效果次之。