祁連山東段廢棄渣臺生態治理修復不同技術試驗研究

呂海元，高文耀

(甘肅祁連山國家級自然保護區管護中心烏鞘嶺自然保護站，甘肅 天祝 733299)

1 引言

長期以來，祁連山林區因交通建設、探采礦活動，導致個別地段植被破壞、水土流失、廢棄渣臺堆砌等生態問題[1，2]。近年來，在祁連山生態治理修復和環境問題整治中采取了不同的技術措施，生態治理恢復大見成效，也得到上級部門及專家學者的認可。但因受制于祁連山特殊的自然條件、地理條件、地質構造、廢棄物破碎化程度、季節性山洪和季節性干旱等限制性因子影響[3]，生態治理修復見效慢、成本高、易反彈，缺乏一套系統而完整的生態治理修復綜合集成技術。再從我國對廢棄渣臺和礦山修復研究來看，與發達國家相比研究起步還是比較晚，在治理經驗、治理技術方面相對不足[4]。為此，通過以甘肅祁連山國家級自然保護區烏鞘嶺林區廢棄渣臺作為實驗地，在渣臺坡面開展不同生態治理修復技術對照試驗，分析研究其各模塊技術措施對生態治理修復成效、特點及優劣勢情況，以便總結形成一套廢棄渣臺生態治理修復集成技術，從而助推祁連山生態環境治理修復和建設進程。

2 試驗方法

廢棄渣臺生態治理修復實驗區選擇在甘肅祁連山的東段烏鞘嶺自然保護站龍溝林區的八岔洼原蘭武二線廢棄渣臺區域，共占地面積14974 m2，在廢棄渣臺建成傳統單一覆土生態治理修復示范區和防洪集流滴灌綜合集成技術生態治理修復示范區，在防洪集流滴灌示范區分別開展土工格固土、混泥土框架穩固、植生袋框架穩固、植生袋覆蓋穩固等生態治理修復各模塊試驗和常規單一覆土修復區試驗模塊對照試驗，不同模塊采取不同生態治理修復技術措施，各模塊布設在廢棄渣臺坡度25°以上的坡面上，各模塊大小規格為10 m×40 m，順坡面自上而下縱向布設，每個模塊占地面積400 m2，通過分模塊采取不同生態治理修復技術成效調查觀測對照分析研究。

2.1 渣臺坡面治理設計規劃及坡面平整

在建設各試驗模塊前按照規劃渣臺坡面進行平整，以便在后期開展各模塊穩固框架和生態修復建設，增加工程設施和覆蓋土壤同坡面的結合度和平整度，在渣臺坡面從上而下清理石塊，平整坡面及坡口，對平整后的坡面適度進行夯實。并將整個渣臺規劃分割成防洪集流滴灌綜合集成技術生態治理修復示范區和傳統單一覆土生態治理修復示范區，在滴灌覆蓋區坡面規劃設計若干規格為10 m×40 m條狀模塊，為下一步各模塊開展生態治理修復試驗地建設做好準備工作。

2.2 不同生態治理技術模塊

根據設計規劃，分別開展不同技術生態治理修復技術模塊建設，通過試驗調查觀測收集數據，具體方法如下。

2.2.1 土工格室穩固治理技術

2.2.1.1 材料選擇

土工格室在交通建設、水利工程、市政工程等領域內使用比較廣泛，但在林業生態治理修復中很少推廣使用。本項目建設中將土工格室作為廢棄渣臺坡面生態治理修復穩固技術中的重要模塊之一，在土工格室材料選擇時選用山東泰安生產的蜂巢狀強化高密度聚乙烯(HDPE)片材料，經高強力焊接而形成的一種三維網狀格室結構[5～9]，在網格上打若干小孔為保障植物生長的良好透氣性，根據廢棄渣臺坡度及坡面穩定性選擇土工格室規格大小，本項目選擇單個土工室焊接距為400 mm，厚度為200 mm，壁厚為2 mm。一般選擇性能指標參數見表1[10]。

表1 土工格室材料性能指標各參數

2.2.1.2 工程穩固框架澆筑

根據整塊土工格室大小規格設置穩固框架，從坡腳開始規劃土工格穩固框架間隔距離，這里選用整塊規格為5 m×6 m的土工格，所以穩固框架內預鋪設土工格面積大小與整塊土工格規格大小一致，避免在鋪設中因裁剪而造成材料浪費。在坡度25°左右的渣臺坡面上設置穩固框架，主體規格一般為0.25 m(寬度)×0.25 m(厚度)較適宜，用C25砼澆筑而成，在坡度25°以上渣臺坡面根據實際坡面穩定性差異適當加大現澆穩固框架主體規格和縮小框架間距。在水平面混凝土框架主體底部每間隔1 m預留一個直徑0.05 m大小的水分滲漏排泄口，以便排出積水，防止土工格室內因土壤水分過多而造成植被根系腐爛和透氣差影響植被生長。

2.2.1.3 土工格室鋪設

待現澆好的混凝土穩固框架完全凝結后開始鋪設土工格室，在預留鋪設土工格室的區域內清理干凈工程施工中留下的石塊、廢棄物，平整夯實坡面，把土工格室平鋪在預留區域內，用木樁或者鐵樁作為錨桿將土工格室錨結實，縱向和橫向每間隔1 m錨釘一個錨桿，錨桿在地下深度根據渣臺坡面土質堅硬程度確定，一般要深入地下部分不少于0.3 m,錨桿高度不超過地面土工格外沿，把土工格室固定結實后，在土工格室內填充配置好的壤性客土，并播種植被種子和栽植苗木。

2.2.1.4 土工格模塊植被播種

選擇異地壤性客土作為填充植被種植土壤，因壤性土壤土質條件好有利于植被生長，在土壤內摻加適量完全發酵的農家肥或者有機肥肥料，與土壤攪拌均勻后在土工格內填充，填充一定厚度后，播種植物種子，根據所選擇的不同植物種子預留不同植物播種所需的覆蓋土深度，將植物種子均勻撒播或者點播后再填充覆蓋基質，適度夯實使覆蓋土與土工格室壁上外沿處于等高水平面。一般在5月中下旬降雨集流蓄水后開始播種，使抗洪集蓄水集流池內蓄水量保證補充土壤充足水分，保持土壤濕潤，確保種子發芽。在植被種子和種苗選擇中堅持適地適樹的原則，通過鄉土良種調查，選擇具有優勢的草本植物如早熟禾、披堿草、懸鉤子等種子進行播種，灌木樹種主要篩選沙棘，所篩選的不同植物種子所采取的播種方式、播種量及深度不同，具體如表2。

表2 土工格室內不同植物種子播種參數對照

2.2.2 混泥土框架穩固治理技術

框架穩固生態治理修復技術在廢棄渣臺坡面生態治理中常用的一種方法，主框架用C30混凝土澆筑，間距5 m×5 m,中間用石塊漿砌成2.5 m×2.5 m工程框架方格，方格內填充覆蓋壤土，采取上述同類林草間作方式進行生態治理修復。

2.2.3 植生袋框架穩固治理技術

植生袋生態治理修復技術是近年來坡面生態治理的一種主要方法，其優點是減少工程措施對自然生態的干擾，達到生態效果與自然景觀相統一的雙重成效[11]。選擇無紡布和遮陽網制作規格為0.6 m×0.4 m的植生袋，其優點是耐用性長，透水性與透氣性好。在植生袋內填充客土后大小規格一般為控制在0.55 m×0.35 m×0.14 m。在平整好的渣臺坡面修復模塊內按照5 m×5 m設計植生袋方格框架，開挖擺放植生袋的基槽，基槽與水平面平行，保證植生袋擺放后形成穩固框架的穩定性。將過篩壤性客土混合腐熟農家肥和植物種子攪拌均勻后裝入植生袋，植物種子一般選用披堿草、早熟禾、高羊茅、沙棘、小檗等綠期長、分蘗力強、抗性強、接近自然生態的鄉土草(樹)種，每袋填充土壤內加入草本植物種子量為10～16 g，加入沙棘、小白等灌木類種子量為5～8 g。然后將植生袋按上述規格縫制統一規格大小，單排擺放在基槽上，交錯疊砌高于渣臺平面0.3 m，形成植生袋框架，中間填充植綠壤土。在植生袋靠坡面下方使用木質錨桿將植生袋下邊靠實，以防植生袋下滑，在植生袋外露面每間隔0.2～0.3 m取一個生長孔，生長孔直徑0.4 m左右為宜[12]。植生袋穩固框架形成后，在中間綠化區內覆土后再撒播草種，然后適度夯實。按照設計植樹標準開挖植樹基坑，并在穩固框架內植綠面積區域進行掛網處理，減少土壤因降雨流失，最后在開挖預留的植樹基坑內栽植苗木。

2.2.4 植生袋覆蓋穩固治理技術

采用工程現澆框架與植生袋鑲嵌覆蓋相結合的生態治理修復方式，該技術措施最適宜陡峭坡面、易滑坡地段、巖質裸露邊坡等特殊地理位置生態治理修復。按照坡度大小設計工程現澆框架規格。在這里選擇用C30混凝土澆筑5 m×10 m的橫向主框架,混凝土主體規格為0.25 m(寬度)×0.25 m(厚度)。按上述方法在植生袋內充植生土和種子，在穩固框架內以壘砌的方法嵌入植生袋，然后在植生袋外露面鉆取生長孔。

2.2.5 傳統單一覆土治理技術

在傳統單一覆土修復區進行傳統粗放的生態治理修復措施。平整坡面，在渣臺坡面下腳處水平漿砌攔渣墻，覆蓋添加腐熟農家肥的壤性客土，按上述植物種子播種量和方法植草植樹。

2.3 扦插苗種植試驗

在祁連山東段烏鞘嶺林區優良鄉土樹種篩選調查的基礎上，選取高山柳、金露梅、紅樺、甘青杜鵑、繡線菊、花楸等鄉土樹種，開展日光溫室營養杯扦插馴化試驗，當年4月初在海拔2920 m的廢棄渣臺生態治理修復區采集以上灌木樹種枝條，在海拔2600 m區域的日光溫室內分別進行營養缽扦插試驗，4月中旬完成扦插工作，6月中旬開始進行練苗，8月中旬將扦插苗木移植已播種草種的各試驗模塊坡面修復區，按照設計進行分區栽植試驗，苗木栽植株行距均為1.5 m，栽植后利用滴灌系統補充水分，并定期觀測調節土壤含水量及其植被生長狀況。

2.4 防洪集流滴灌補水技術應用

在廢棄渣臺修復區建設抗洪集流滴灌試驗示范區，修建防洪集流渠、集流蓄水池、鋪設自流水管道和排淤管道防洪滴灌設施。待各不同修復技術試驗模塊建成，并完成草、灌、樹播種和栽植后，在設計滴管覆蓋的各試驗模塊區域鋪設 PVC 主管(Ф110 mm、0.63 MPa)、分管(Ф60 mm、0.63 MPa)及內鑲貼片式滴灌帶(Ф16 mm、e=0.20 mm、q=2.1 L/h)滴管帶[13]，將滴灌帶與其他已建滴灌設施連接，以便及時抗洪和集流，并及時對試驗區植被土壤進行滴灌補充水分。

3 結果與分析

針對在廢棄渣臺坡面防洪集流滴灌試驗區開展的土工格固土、混泥土框架穩固、植生袋框架穩固、植生袋覆蓋穩固等生態治理修復各模塊和常規單一覆土治理修復區對照試驗，通過調查觀測土壤流失情況、植被覆蓋度、植物生物量等數據，衡量其技術模塊對水土保持和生態治理修復產生的成效。

3.1 土壤流失情況調查分析

通過在廢棄渣臺坡面采取各不同生態治理修復技術模塊試驗，在后期觀測土壤流失情況來衡量水土保持成效。

土壤流失率：按照各模塊內生態修復區因受雨水沖刷作用，使地表覆蓋土壤受到破壞和移動失去植被生長條件的面積比[14]。

表3調查觀測數據顯示：在廢棄渣臺坡面防洪集流滴灌區內土工格固土、混凝土框架穩固、植生袋穩固、植生袋覆蓋等4個不同生態治理修復技術模塊中，治理修復后當年因受雨水沖刷導致的土壤流失率由低到高分別為土工格固土治理模塊(2.37%)、植生袋覆蓋治理模塊(3%)、植生穩固治理模塊(4.62%)、混凝土框架穩固治理模塊(5.66%)，而傳統單一覆土生態治理修復區土壤流失率最高，高達22.89%。由此表明：采取防洪集流滴灌措施后各技術模塊內土壤流失率大幅度降低，其中采取土工格固土治理模塊內土壤流失率最低，與傳統植被修復區對照降低水土流失率20.52%。

3.2 覆蓋度及生物量調查分析

植被覆蓋度是指植被(包括葉、莖、枝)在地面的垂直投影面積占該林草標準地面積的比例[14]。測定方法選擇針刺法，在各不同恢復模塊延對角線抽取若干1 m×1 m的樣方進行調查，每個樣方內再延對角線每間距10 cm處采取垂直針刺統計計算覆蓋度。

通過測定恢復區域植被群落的生物量來反映群落利用自然潛力的能力, 衡量植被群落生產力的高低[16],也有效反映生態修復成效的主要指標。主要是收集和測量草本植物生物量，分地上和地下兩部分收集監測。采用直接收集測定法測定地上部分草本植被積累的鮮重、干重和含水率；采取垂直挖掘法測定草本植物根系生長量、鮮重和干重，計算植被含水率，以植被含水率衡量和對照各模塊植物生長活力。

通過對廢棄渣臺坡面防洪集流滴灌覆蓋區內的土工格固土、混泥土框架穩固、植生袋穩固、植生袋覆蓋等不同技術措施試驗模塊和單一覆土修復區生態治理修復試驗，經當年9月底植物停止生長后調查觀測收集的數據顯示(表4)：植被覆蓋度從高到低依次是土工格室固土模塊(93.2%)、混泥土框架穩固模塊(84.5%)、植生袋穩固模塊(70.6%)、植生袋覆蓋模塊(67.6%)，植被覆蓋率最低的是單一覆土修復區(54.5%)。各試驗模塊內植被(指地上部分)和根系含水率從高到低依次是防洪集流滴灌區的土工格室固土模塊(87%、86.7%)、混泥土框架穩固模塊(86.8%、85.5)、植生袋穩固模塊(85.7%、84.2)、植生袋覆蓋模塊(74.2%、79.4)，植被和根系含水率最低的是單一覆土修復區(63.1%、69.8%)。由此表明：在防洪集流滴灌覆蓋區的土工格穩固模塊生態治理修復效果最好，植被本身活力最強。

表4 廢棄渣臺坡面不同生態治理修復技術模塊成效調查對照

3.3 苗木生長情況調查分析

在各模塊生態治理修復中選用本地生產培育高度50～60 cm的云杉實生杯苗。沙棘苗木來源于異地低海拔地區調運，高度30～40 cm，因低海拔地區苗木發芽早，4月底起苗后調運至海拔2600 m地方用營養杯栽植后進行緩沖練苗，6月初運至試驗模塊內栽植。在廢棄渣臺周圍同坡向、海拔地段選擇優勢樹種，并采集插穗通過日光溫室扦插培育杯苗，練苗后開展栽植試驗。通過對各生態治理修復技術模塊內的造林苗木成活率和生長量調查對照，調查觀測分析各不同技術對苗木生長情況影響。

表5調查觀測數據顯示：在防洪集流滴覆蓋灌區各生態治理修復技術模塊中苗木成活率與傳統單一覆土生態修復措施相比，苗木成活率和生長量大幅度提高。在防洪集流滴覆蓋灌區土工格固土、混泥土框架穩固、植生袋穩固3種生態治理修復技術模塊內常規樹種云杉、沙棘等實生杯苗成活率分別達到97%、78%以上，當年生長量分別達到5.5 cm、12.5 cm以上，而且在紅樺、金露梅、高山柳、甘青杜鵑、繡線菊、花楸等本土優良鄉土樹種扦插馴化栽植試驗中，成活力最低達到63%，最高可達到83%，培育試驗取得成功，有待于進一步試驗研究。由此表明：在有利的土壤水分補充條件下，在廢棄渣臺坡面及其同類型困難立地條件下進行造林中可推廣使用土工格固土、混泥土框架穩固、植生袋穩固等生態治理修復技術。

表5 廢棄渣臺坡面不同治理技術對苗木生長情況影響對照

4 結論與討論

目前我國對生態修復理論研究比較多，但對于在廢棄渣臺等困難立地條件下開展不同技術生態治理修復對照研究的還比較少，存在對生態治理恢復和保護建設的重視程度還不夠，生態治理創新意識還跟不上，探索配套實用技術欠缺，生態建設保障機制不健全，缺乏新型材料研發推廣等短板[17]。本文選擇甘肅祁連山自然保護區東段烏鞘嶺林區原蘭武二線鐵路廢棄渣臺開展生態治理修復實驗區建設，在高海拔林區坡度在25°以上廢棄渣臺坡面采取不同生態治理修復技術措施分模塊進行實地試驗研究。研究結果表明：采用土工格固土生態治理修復技術既能提高水土保持能力，又能提高生態治理成效；采用混泥土框架穩固生態治理修復技術水土保持能力、生態治理成效較好，但因工程干預面積比最大，與周邊生態和景觀不太和諧；采取植生袋穩固生態治理修復技術后水土流失率在防洪滴灌區各模塊內最高，說明水土保持能力不是很強，易在緩坡和比較平坦的渣臺坡面比較適用；采用植生袋覆蓋生態修復技術后雖然植被覆蓋度、植被生長量和植被活力較低，但水土土壤流失率較低，本治理修復技術更適應于陡峭的坡面、易滑坡地段、巖質裸露邊坡等特殊地理位置生態治理修復。通過試驗表明：上述不同生態治理技術措施適應于祁連山高海拔生態脆弱敏感區域、生態系統穩定性較差特殊地段、困難立地條件下坡面生態治理修復建設[18～20]，有利于積極推廣使用。但在優化布局廢棄渣臺防洪集流滴灌設施、創新生態治理修復新技術新措施、提高生物多樣性、探索推廣使用生態治理新型材料等方面有待于進一步研究探索。