厚层基材喷播技术在北方半干旱区岩石边坡植被恢复中的应用——以京承高速公路（三期）植被恢复工程为例

李义强，王英宇，宋桂龙，关 超

（1.北京市京石园林绿化有限公司，北京 102600；2.北京林业大学 草坪研究所，北京 100083）

岩石边坡植被恢复工程在我国目前处于起步阶段，缺乏成功的经验和定型的模式，更无技术规范可循，设计施工单位多源自园林、水土保持、市政工程等领域。由于岩石边坡的特殊性及多学科交叉带来的专业盲区，导致边坡绿化设计及施工多存在两个片面性。首先表现在施工过程中采用传统的边坡防护治理措施，大量使用工程防护，生态防护起到点缀作用，忽视了植物防护的生态功能，其设计施工思路多源自市政领域；其次，表现在片面强调植物的景观功能，而对边坡的稳定性考虑不足，往往存在失稳可能，这种设计施工思路多源自园林领域。

厚层基材喷播技术属于干法客土喷播，其在基材组成、喷射工艺、机械选型、植物选择配置等方面都有别于湿法喷播，在一定程度上克服了湿法客土喷播的基材厚度薄、喷播高度低的瓶颈，其技术已经成为近几年岩石边坡绿化中应用较广泛。京承高速公路（三期）边坡防护与植被恢复主体工程，于2009年底全部完工。由于边坡较多，主要采用有厚层基材喷播基材、客土喷播技术、生态袋技术、框格＋植生袋技术等，其中，厚层基材喷播技术占全部工程量的70%。通过厚层基材喷播技术的施工经验及植被恢复效果评价，从抗旱乡土植物的筛选与配置、技术适宜性评价以及养护措施效果评价分析归纳出厚层基材喷播技术在北方半干旱地区岩石边坡植被恢复中的应用效果及关键技术，以供同领域工程参考。

1 厚层基材喷播技术在京承高速公路（三期）的应用

1.1 技术机理与特点

厚层基质喷播技术是将人工配制的植物生长基质与植物种子、防侵蚀材料混合在一起，采用喷播机，通过高压空气将其喷射出去附着在边坡表面的植被建植方法。所谓厚层是指喷附在坡面上基质的厚度，相对于客土喷播（8.0～10cm）、液压喷播（0.5～1.0cm）、湿法喷播（1.0～3.0cm）的厚度而言，厚层喷播的厚度为12～15cm或者更厚。有时采用双层镀锌铁丝网，喷播厚度在18～20cm，但基本施工工序一样，在此也归入厚层基材喷播。

厚层基材喷播技术特点（1）能在坡面上形成较厚的植物生长发育所需的有机质层，这对于石质土边坡或岩石边坡来说，无疑是保证植物长期、稳定生长发育最重要的基础条件；（2）使植物种子有比较自然的发芽过程，保证喷撒的种子有较高发芽率和成活率。当植被在坡面形成覆盖之后，植物根系与镀锌铁丝网纵横交错，在坡面上形成了一个由植物叶、茎、根系和镀锌铁丝网所组成的三维空间防护层，并与坡面紧密结合为一个整体，最终达到稳固坡面，恢复植被的目的。

1.2 技术应用

主要设备为专用喷播机、空压机、发电机、喷射管、水管、电缆、凿岩机等。

（1）稳固材料 包括镀锌金属网、主锚杆、辅助锚杆。边坡稳固材料中的镀锌金属网，为高强度镀锌机编网，规格为丝径流2.0mm，网孔50mm×50mm，幅宽2～3m。主锚杆杆径为16mm，长为300mm。辅锚杆杆径为12mm，长为200mm。主锚杆的使用量为0.3根/m2，辅锚杆为1.5根/m2。

（2）基质材料 多种材料的混合物。其中，专用绿化基材由种植土、草炭、堆肥、腐殖质组成；土壤改良材料为蛭石、珍珠岩或其他燃烧物；粘结材料为高分子聚合物，聚丙烯酰胺（PAM）；肥料包括有机肥、无机复合肥、长效缓释肥；保水剂为交联聚丙烯酰胺和聚丙烯酸钾盐共聚物，能够在土壤中反复“吸收－蓄存－释放”供植物利用水分；纤维为有机纤维，长度2～3cm，用于减小基质干裂；植物种子为灌、草种子的混合物。

（3）植生基材配比 厚层基材喷播采用双层喷播，第一层为基质材料层，厚度约11～12cm，基材与种植土的比例为1∶1；第二层为种子层，厚度为3～4cm，基材与种植土的比例为7∶3，其他材料还包括粘合剂、保水剂、缓释肥、高效复合肥和植物纤维等。

（4）植物选择与配置方案 通过对北京、河北等地山区植被踏查，确定了分布北方半干旱区道路边坡的野生植物资源25个科40个属，原有植被群落以灌草为主，同时分布一些人工栽植的果树、油松、杨树、柳树等乔木，因此，确定了以灌木为目标，选择种类及配置（表1）。

表1 植物配置方案Table 1 Plants species selection and design

1.3 施工工艺

厚层基材喷播施工分为3个阶段：施工准备阶段、施工阶段、养护阶段。

1.3.1 施工准备阶段 喷播现场机械安装灰浆喷射机、空气压缩机、发电机、搅拌机等要以上料、喷播方便、安全为原则，设置安装如图1所示。

1.3.2 施工阶段

（1）清除坡面的碎石、浮石、浮土和各种杂物，坡顶圆滑过渡无棱角，坡底与碎落台面或路面界限清晰，没有浮土或残渣。将凹陷处、冲沟处用土或土袋子填平，避免坡面局部出现倒坡现象，使坡面尽可能地平整。对于光滑坡面（岩面）可通过挖掘横沟等措施进行加糙处理，以免基质下滑。

（2）铺网可采用自上而下的方式，也可以采用自下而上。镀锌铁丝网的上下要连接，镀锌铁丝网的左右连接要先将两张左右搭接在一起，两网交接处要10 cm重叠，然后，用钳子将铁丝网左右开口处的断头逐一钩绕在另一张网上。铺网时要把网材拉开使之自然地平铺在坡面上，既不要过紧，也不要过松，保证网材贴近坡面。网材在坡顶处的包裹长度为30～50cm，在坡脚处的下边缘与挡土墙上沿相距不大于5cm。

（3）镀锌铁丝网要用锚杆固定在坡面上，锚杆的弯头处必须呈倒“U”形或倒三角形，弯头长约4cm。主锚杆（Φ16mm，L300mm），用量为30根/100m2，辅锚杆（Φ12mm，L200mm），用量为150根/100m2，平均密度为1.8根/m2。根据坡面质地和风化程度可调整锚杆的直径和长度，岩石坡面需要用冲击钻垂直于坡面打孔，再将锚杆钉入，锚杆钉入坡面后稳定性差，可以往孔眼内灌入M 20砂浆，然后，随即插入锚杆，待砂浆凝固后再挂上铁丝网。

图1 喷播设备安装示意图Fig.1 Spray fixture installation sketch map

（4）预留灌木种植穴在坡面上按照1/m2棵灌木苗的原则，合理选取种植灌木的位置，把所铺好的镀锌铁丝网破孔，孔径大小适合放入Φ100mm的PVC管，且保证其不脱落。PVC管底部要紧贴坡面，高度略高于喷播厚度，为17cm，使其在坡面喷播完成后，易于拔出即可。

（5）厚层基材分双层喷附完成，第一层为基质层，不含种子，喷播厚度12cm；第二层为种子层，喷播厚度3cm。将拌好的物料铲入喷播机内，搅拌2min，以保证物料混合的均匀性。空气压力要适中，喷枪口要垂直于坡面，枪口距离坡面为1～1.5m，以保证物料能够有足够的压力紧紧地附着坡面。操作手要根据空气压力的大小有规律地匀速地移动喷播枪口，上下，左右移动，保证喷射物能均匀地覆盖坡面，并且厚度均一。在坡面表面起伏变化较大时，为避免喷附局部基材过薄，可根据坡面形状来确定喷附面的形状，不必要求喷附面平整。喷射物料时要随时带钩子，一边喷播，一边将铁丝网钩起至距离坡面7～8cm，移动喷枪，使物料能够进入到网材下面，使网材能够处于喷播层的中上面为宜，这样网材对基质的加筋作用明显，能够起到防止基质层脱落。在基质层喷好后，尽快喷播种子层，种子层的喷播方式与底层相同，平均厚度3～4cm，不宜过厚或过薄。

（6）在喷附完毕后，待坡面干燥具备施工条件后将预埋的PVC管拔出，在原穴内栽植灌木，补填种植土，压实。密度为1棵/m2，锦鸡儿、剌槐、紫穗槐、地锦栽植按边坡从上往下1∶1进行栽植。

1.3.3 养护管理阶段 刚喷播完的边坡，必须经过一定时间的养护管理才能顺利地完成生长发育过程并过度到成熟期，而移植苗木应视天气进行不同程度的浇水、病虫害防治。厚层基材喷播工程中，养护管理是极为重要工程，养护工作的到位与否直接影响到到种子的出苗情况和植被的生长发育方面，甚至影响到边坡生态群落的建成时间和稳定性能［4］。

（1）覆盖 种子层喷播后覆盖草帘、遮阳网或无纺布等保墒，夏季降低地表温度，冬季提高地表温度，促进植物的萌芽生长，保护出苗前坡面的基质免遭雨水冲刷，确保种子出苗整齐和节省水资源。

覆盖草帘时顺风向相互连接重叠5～10cm，并随山体坡面的走势而变化，用“V”型与“U”型锚钉将草帘或网钉在坡面基质上，间距30～50cm，呈梅花状排列，而在坡面转角、凸凹处需加密钉，使网更贴附坡面，在坡面平整处可减少锚钉数量。养护管理人员时常对其进行跟踪检查，发现脱钉及时补加，一方面可防止帘与坡面间距太大，影响浇水效果，而导致坡面出现干凸斑，另一方面可防止风吹晃动草帘对坡面幼苗产生摩擦损失。待所播的植物幼苗基本出齐，且每一种幼苗的出苗率达80%以上时，即可拆除草帘或网。

（2）补种 对于面积较少的块区，可利用原有种子按照植物配置比例，加水拌合喷播基质，采取人工抹泥巴的方式进行补种，厚度为1～2cm。对秃斑面积较大边坡，则采用湿喷机，将植物种子、喷播基质、水、保水剂、粘合剂等拌合喷播，喷播厚度0.5～1.0cm。补种完成后，覆盖草帘，并重点养护管理，直到出苗。

（3）浇水 喷播后的草种在经过水分充分浸透后7 d开始发芽，要即时进行浇水养护，否则会造成种子坏死。京承高速公路（三期）边坡浇水主要采用洒水车的浇水方式，少数高陡岩石边坡采用了喷播方式。浇水采取少量多次，反复喷撒，浇透为止。

2 技术应用效果评价及关键技术分析

2.1 植物选择与配置效果评价

高速公路恶劣的地质和自然环境条件，选择适应性强的先锋植物成为岩石边坡生态恢复的关键。由于我国高速公路建设起步较晚，公路绿化建设还存在许多问题尚待解决［2］。如多采用外来草种喷播绿化，不仅在根基盘与岩体界面间易产生滑落，形成秃斑和面蚀，而且与周周的自然植被和环境不协调，达不到恢复原有的自然环境以及保护地方性生态特色的效果［3］。京承高速（三期）工程沿线边坡出现的植物种类共计16种，10种为目标植物，即刺槐、榆树、臭椿、紫穗槐、胡枝子、荆条、沙打旺、紫花苜蓿、高羊茅、波斯菊。6种为入侵杂草有狗尾草、蒿、草木樨、酸模叶蓼、马唐和稗草。其中，狗尾草和蒿作为入侵杂草的主要草种。目标植物中，木本植物生长较好的是胡枝子、紫穗槐和刺槐，草本植物中生长较好的是沙打旺和紫花苜蓿。通过草本覆盖度和乔灌木盖度观测表明，对于干旱适应性更强的草本相对于乔灌木更适应阳坡的立地条件，而乔灌木则更适于阴坡和阴阳坡的立地条件，水分对于植被恢复目标及不同类型植物生长影响较大。

植被群落特征的分析表明，乔灌木形成了以胡枝子＋紫穗槐的优势组合，刺槐在边坡也有一定优势；草本层形成以沙打旺＋紫花苜蓿的优势组合，阳坡中波斯菊有一定优势，以狗尾草和蒿为主的杂草对于一些植被效果较差的边坡入侵明显。在植被恢复第一年，大多数边坡以草本为主，除了个别阴坡外，但通过控制草本比例及苗期刈割措施，限制了草本对乔灌木的影响，目前，乔灌木长势良好，除了岩石陡坡阳坡、岩石陡坡阴阳坡等个别类型边坡依然是以草本为主外，基本形成了乔灌木为主草本为辅的群落特征，与周边自然植被较融合。

北方半干旱地区边坡植被恢复以灌木为主草本为辅，个别类型边坡考虑基质保水与稳定性的问题（如高陡岩石边坡的阳坡），灌木很难生存，此类边坡中应以草本为主或选择垂直绿化植物。在施工设置植物配置比例时，控制草本与灌木的比例以及选择抗旱性强的植物配置模式，依然是植被恢复的关键。草本与灌木的种子发芽速率和苗期生长速率存在较大差异。草本植物3～7d发芽，30～45d覆盖度80%以上，而北方常用灌木植物，如紫穗槐、荆条、胡枝子，播后7～14d出苗，2个月内生长高度约为15～20cm。此时如果草本植物比例较高，苗期覆盖度较大，则生长空间对灌木生长影响很大，有些灌木出苗后，由于被草本覆盖，生长停滞或出现死亡。草本植物的密度不宜超过750株/m2。利用抗旱性强生态位互补的选择，原则上尽量选择当地乡土植物，根系发达，冠幅及株高分层明显的一类植物。

2.2 技术应用效果与适宜性评价

厚层基材技术在各类边坡施工时适应性均比较理想，植被盖度均高于80%；以总盖度为依据，对厚层基材应用边坡效果进行排序为：土石－阴坡＞岩石－阴坡－陡坡＞岩石－阴坡－缓坡＞岩石－阴阳－陡坡＞岩石－阳坡－缓坡＞岩石－阳坡－陡坡＞岩石－阴阳坡－缓坡（图2，3）。但总盖度由乔灌木层盖度和草本层盖度组成，二者对总盖度的贡献在各种类型中差异较大。综合分析表明，坡向对木本植物和草本植物在边坡生长影响较大，二者的变化趋势呈此消彼长的关系，即边坡类型从岩石阳坡－岩石阴阳坡－岩石阴坡的转变中，乔灌木生长态势是正向，盖度逐渐增加的，而草本植物生长是反向的，盖度逐渐减少（图4，5）。其中，乔灌木盖度土石－阴坡中达到最大值98%，草本层盖度在土石－阴坡类型中草本退化十分严重，几乎看不到草本植物了。

半干旱气候区降水少，蒸发大，自然植被覆盖度较低。基质材料的选择、基质厚度、保水性等特征尤为关键。喷播材料层薄，基质中水分容易散失，基质硬度增加，必然将影响种子的发芽和生长，同时，基质薄也很容易在大风或降雨作用下流失，常用边坡植被恢复技术中，液压喷播技术，以水为载体辅以薄层纤维覆盖物，厚度有限（2～3cm）的喷播材料层难以保证种子顺利发芽及幼苗生长。所以，液压喷播是不适合半干旱地区岩石边坡应用。客土喷播技术形成的覆盖层尽管比液压喷播厚，5～10cm，但用在半干旱区时依然无法保证基质层的保水性和植物生长需要，对于岩石边坡而言也不适宜。

厚层基材喷播技术，选用有机质材料作为基材的主要材料，选择干喷的喷播方式，则解决了喷播层较薄得关键问题，基材厚度15～20cm。在基础层的构建方面，显著优于客土喷播和液压喷播，考虑到基质层依然比较薄，半干旱地区降水量少，施工中需要其他技术措施辅助，否则效果不理想。如保墒措施（覆盖草帘子、遮阳网）、保水措施（基质中添加保水剂）、浇水措施、生物措施（抗旱植物材料）。如，京承高速公路（三期）中所用到的节水保水辅助措施包括：①在基质中添加了一定比例的保水剂；②基材配置时适当降低了有机质的比例，以利于保水；③生态棒的合理应用；④草帘及遮阳网覆盖措施的应用。

图2 岩石－陡坡－阳坡植被恢复2年后效果Fig.2 Vegetation restoration after two years（sunny slope）

图3 岩石－缓坡－阴坡植被恢复2年后的效果Fig.3 Vegetation restoration after two years（shaded slope）

图4 施工前原貌Fig.4 Vegetation befor construction（Original appearance）

图5 施工60d后效果Fig.5 Vegetation after construction（60day）

图6 厚层基材在不同边坡乔灌木和草本层盖度之间的变化Fig.6 Vegetation coverage in different type of slop base on Thick－layer base material

2.3 养护措施的效果分析

2.3.1 覆盖措施 调查中比较了同一边坡覆盖与未覆盖遮阳网的效果。结果表明，二者差异较明显，乔灌木与草本的优势成明显负相关，覆盖了遮阳网的边坡乔灌木层盖度及长势较好，乔灌木株数22株/9m2，而未覆盖遮阳网的边坡，草本层盖度明显大于乔灌木，草本植物种类达到了4种，杂草入侵明显。覆盖对于苗期乔灌木水分的保持十分重要，而一些禾本科草种对水分胁迫的适应性就明显强于乔灌木，调查结果表明，覆盖对于北方岩石边坡植被恢复，尤其是以乔灌木恢复为目标的边坡植被恢复工程，喷播后及时覆盖对于控制草本植物前期的徒长及其对木本植物的影响效果明显（表2）。

2.3.2 喷灌技术边坡适宜性分析与应用 洒水车浇水方式边坡植被的总盖度高于喷灌方式，其中，草本植物盖度贡献较大，而2种浇水方式植被中乔灌木生长状况均不理想，盖度基本在35%以下，其中，洒水车方式1个边坡乔灌木层盖度仅有1.3%，边坡乔灌木植物很少。从边坡乔灌木种类及数量分析，喷灌边坡出现的乔灌木数量明显优于洒水车方式。2种方式所调查边坡基本属于高陡岩石阳坡的立地类型，边坡条件较恶劣，基质薄，保水性差，乔灌木株高相比一般边坡，都比较低矮且密度稀疏，而施工时所配置植物基本与其他边坡相似，表明，不同浇水方式比较的调查边坡，属于植被恢复中难度较大的一类边坡，尤其是针对乔灌木层植被，恢复难度较大，从2年时间内喷灌和洒水车2种方式的植被比较分析，差异不显著（表3）。

喷灌系统在岩体边坡植被恢复方面的相对于洒水车优势突出，现在（1）避免造成喷播基材（客土层）和种子层的过度破坏；（2）减小苗木的人为机械性损伤；（3）可在任何角度任何位置（如人工不易进入的陡坡）进行浇灌；（4）均匀度高可以减小坡面径流和局部水土流失；（5）可调控性使坡面表层结构不易板结，保持土壤团粒结构，有效地调节了土壤、水、气、热、养分和微生物状况，给作物创造了良好的生长环境；（6）节水省时省工（图7，8）。

表2 不同类型边坡植被恢复效果Table 2 Vegetation restoration effect between different type of slop

表3 边坡植被生长中的2种浇水方式的差异Table 3 Vegetation difference between two watering model in different type of slop

图7 喷灌边坡Fig.7 Watering by spray

图8 洒水车边坡Fig.8 Watering by tank car

3 结论

经过对京承高速公路（三期）厚层基材喷播技术施工工艺分析总结和2年植被恢复效果的持续观测，认为厚层基材喷播技术由于基材喷播厚度能达到15cm以上，明显高于湿法客土喷播，客土构建的植物生长基础环境有所提升，有利于岩石边坡植被的生长及水肥的供应，因此，在京承高速公路（三期）工程中效果突出。同时，再辅以生态棒、生态垫、遮阳网等辅助工艺，增加了施工工艺在保水性、保温性、稳定性等方面的性能，有利于植被初期恢复生长，尤其是水分因素改善对灌木生长的促进作用明显，有助于以灌木为恢复目标的实现。因此，厚层基材喷播技术在北方半干旱地区岩石边坡植被恢复的适宜性较好。此外，植物的选择与配置上，京承高速公路（三期）在施工前，对周边地区的乡土植物进行了筛选，初选出了边坡植被较适宜的备选植物，并对配置进行了优化，经植被恢复效果分析，目标植物中，木本生长较好的是胡枝子、紫穗槐和刺槐，草本中生长较好的是沙打旺和紫花苜蓿，并形成了紫穗槐＋胡枝子＋沙打旺＋紫花苜蓿为优势群落的特征，且物种多形性和丰富度较好，稳定的植被群落基本形成。水分在植被恢复初期对于植被的形成十分关键，工程中遮阳网的选择及喷灌技术的应用在一定程度上减弱了干旱对初期植被恢复的关键影响，在北方地区植被恢复中应大力推广。

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