公路边坡干湿客土喷播生态恢复效果评价

舒安平，赵 冉，高小虎，李云鹏，齐韵涛，袁世广

（1.北京师范大学 环境学院，北京 100875；2.齐鲁交通发展集团有限公司建设管理分公司，山东 济南 250000；3.北京清大绿源科技有限公司，北京 100083；4.交通运输部科学研究院，北京 100029）

0 引言

随着“一带一路”倡议的提出，我国高速公路建设步入一个新的发展阶段。截至2019 年底，中国高速公路总里程达14.26万km，居世界第一，建设规模、施工技术、工程质量和施工效率都在世界范围内获得极大认可[1]。与此同时，大规模的基础设施建设不可避免地会因开挖、填筑而形成大量的裸露边坡。在国家积极推进生态文明建设的背景下，为解决边坡裸露失稳和生态失衡的问题，对这些裸露边坡实施生态恢复工程成为必然[2]。

通过大量文献调研和现场调研发现，边坡生态恢复工程类型多样，主要可概括为两大类：一类是单一为实现坡面植被恢复而采取的一系列生态恢复技术措施，主要包括液力喷播技术、客土喷播技术、植生袋绿化技术、土工材料绿化技术和垂直绿化技术；另一类是为实现坡面稳定和植被恢复双重目的的工程与生态相结合的综合技术，主要包括生态砖植草防护技术、生态袋固坡绿化技术和格构式护坡绿化技术。以客土喷播为载体的生态恢复工程技术，由于可以直接在裸露坡面上“创造”土壤，进而形成植被，因此可以广泛地应用于几乎所有类型的公路边坡，已经成为最主要的生态恢复工程技术。客土喷播从根本上讲是一种人为干扰，采用半自然或机械作业的方式在裸露边坡表面形成适合植物生长的空间，即“客土”，再通过植物种子发芽或栽种植株的方式形成坡面植被，最终实现生态恢复[3-7]。边坡生态恢复属于恢复生态学的范畴，学术上有“坡面绿化”“植被护坡”“生态防护”“工程绿化”等概念，工程上有“喷混植生”“厚层基材喷射”“高次团粒喷射”“植生基质喷播”“喷混凝土植草”“植生混凝土”“乳液喷播”等技术。但这些学术概念和工程技术，本质上都是以客土喷播工法为载体的生态恢复工程[8-12]。现行的客土喷播技术有干喷和湿喷两种工法[13-14]，虽然在以生态恢复为目的的客土喷播工程中应用较多，但关于这两种工法的学术研究，尤其是在已公开的研究资料中对两种工法的对比分析和效果评价极少，同类工作大多在桥隧工程中出现[15-17]。在管理、设计、设备、规范标准方面，均未对这两种工法加以区分，以致在工程建设上，对机械设备和实施内容的概念模糊，最终导致施工质量不统一，生态恢复效果不稳定[18-19]。

鉴于上述问题，本文以京沪高速公路莱芜至临沂（鲁苏界）段改扩建工程岩石路堑边坡生态恢复工程为例，在统计分析客土喷播施工效率和客土侵蚀表现差异的基础上，首次结合生态恢复学观测方法，对比分析干喷、湿喷两种工法实施后的种子出苗率、地上生物量和灌草成分组成等生态恢复效果，以期为生态恢复工程中的施工工法细分和科学研究提供参考。

1 边坡干湿客土喷播工法

客土喷播技术是采用专门的喷播设备，将种植土、植物种子、肥料、纤维材料、稳定剂、改良剂、保水剂、黏合剂和水等，按一定的比例充分混合均匀后，通过高压喷枪均匀地喷播到坡面，从而形成植被生长基础的一种工程施工技术。施工流程主要包括喷前准备、客土喷播、覆盖养生3 个步骤。喷前准备主要根据坡面情况进行浮石清理、钻孔放锚注浆、挂网固定；客土喷播就是按照设定工法，利用机械将基材混合体喷附至坡面；覆盖养生是指喷播完成后在坡面覆盖草帘或无纺布等，并结合后期洒水养护，促进快速成坪和植被覆盖。

现行的客土喷播技术分为干喷和湿喷两种工法，现分述如下。

1.1 客土喷播干喷工法

干喷是将土、种、料在干燥状态下充分混合，通过空气压缩机和喷播机，经喷管单独泵送至坡面，与另一支水管同时泵送的水在坡面直接混合成形。干喷工法的工艺流程如图1所示。

图1 客土喷播干喷工法工艺流程

1.2 客土喷播湿喷工法

湿喷是将土、种、料和水提前混合，充分搅拌成泥浆状的流体，通过高压喷射枪或特殊泵送装置直接喷附在坡面。湿喷工法的工艺流程如图2所示。

图2 客土喷播湿喷工法工艺流程

1.3 客土喷播工法的耗材耗能特点

在客土的基质用量方面，干喷工法用量约为0.129m3/m2，湿喷工法用量约为0.122m3/m2，干喷用土量较湿喷用土量大5.74%。这与干喷工法中拌料和机械喷料时对土粒的筛选有关，粒径较大或湿度较大均会影响喷播，因此在流水作业前需要清除，导致干喷用土量偏多。但湿喷工法的用水量明显大于干喷工法。

在纤维材料的用量方面，相同面积的湿喷工法纤维材料的用量明显高于干喷工法，约为干喷工法的4.8 倍。这是由于在湿喷工法中，喷料在机械内已经搅拌形成浆体状，经高压喷枪喷射着坡时会有一定的流动性，主要是沿着坡点向四周涌流或沿坡面向下滑落。为了保证喷播厚度，要求在一定程度上增加浆体的抗流动性，因此会加入一部分纤维材料，这样有利于后期客土具有较多的纤维结构和较高的孔隙度。

此外，根据客土喷播工程施工耗能调查统计，湿喷工法的燃油消耗量比干喷工法的燃油消耗量要小，前者一般为后者的80%～90%，说明湿喷工法相对干喷工法更加节能。

2 生态恢复评价方法

2.1 客土喷播效率

设置标准试验区，分别测量单位面积干喷和湿喷工法完成客土喷播用材量，并记录喷播完成时间，采用SPSS软件统计，对比分析客土喷播效率。

2.2 客土侵蚀性

根据笔者团队（2017）对岩石边坡植被恢复工程中的客土稳定性分析结论[20]，坡率小于1∶1.5时，客土厚度可达15～20cm，立地条件好，但公路边坡少有这种情况；坡率超过1∶0.5 时，客土厚度只有在5～6cm 范围内才能稳定，但这个厚度无法满足植被生长条件；对于常见的公路边坡坡率1∶1.1～1∶0.75，一般要求喷播土体厚度不小于8cm，在金属网和其他环境条件下尽可能达到10cm，此为最佳喷播厚度。

客土侵蚀量评价采用侵蚀沟断面调查法，评价干湿喷播工法喷播完成后的表层土体颗粒的稳定情况。具体方法是统计每个观测区内发生侵蚀的侵蚀沟数量和大小，计算坡面的客土侵蚀量，计算公式如下：

式中：M为客土侵蚀量（t）；n为侵蚀沟数量；为侵蚀沟平均断面面积（m2）；L为侵蚀沟沟长（m）；P为土壤容重（t/m3）。

2.3 生态植被恢复效果

按天记录喷播完成后的植物种子出苗数，观测干喷和湿喷对植物种子出苗的影响；开展样方调查，分析干喷和湿喷对坡面植被覆盖度的影响，并分别记录标准样方中的灌木植物和草本植物的数目，得出灌草比并进行评价。

总之，生态植被恢复效果评价的关键性指标包括植被覆盖度、多样性及灌草比等，一般应进行近、远期不同阶段评价，近期评价强调植被覆盖度及植被多样性，远期评价侧重于灌草比，最终实现草本演替成以灌木为主的稳定的生态群落。

3 京沪高速边坡生态恢复工程案例分析

3.1 工程及研究区概况

京沪高速公路山东省莱芜至临沂（鲁苏界）段改扩建工程主线北起新泰市，南至临沂市（鲁苏界），全长232.558km，全线采用双向八车道高速公路标准建设，其中起点至卞家泉段设计车速为100km/h，卞家泉至终点段设计车速为120km/h。沿线地形地貌包括低山、丘陵、山前冲洪积平原、河床阶地和河漫滩等，地貌单元类型较多，总体地势呈北高南低。气候类型属暖温带季风气候，年均温度为11.0～13.3℃，年降雨量为640.5mm，年蒸发量为664mm。周边原生植被为亚热带常绿阔叶针叶混合林。

该工程桩号K500—K610 段因两侧路基展宽、开挖山体形成了多处路堑岩石边坡，其岩面主要岩性为石灰岩，设计坡率为1∶0.75，边坡呈东西走向。选择其中5 个高陡路堑岩石边坡生态恢复工程为研究对象，总共布设12 个植物调查测试区，每个测试区面积约为200m2，采用干湿客土喷播法进行生态恢复，干喷、湿喷工法各6 个测试区，平均客土厚度约为10cm，每个测试区沿纵向设置3 个观测位（上、中、下3 个坡位），每个观测位分别为灌木及草本植物内设1m×1m 和0.5m×0.5m 两种规格样方。客土喷播材料包括种植土、草炭土、纤维材料、保水剂、黏合剂、有机肥、复合肥、植物种子等。

3.2 客土喷播效率评价

对采用干喷和湿喷两种工法进行生态恢复工程的客土喷播效率进行统计，结果如图3所示。

图3 干湿喷工法工时图（完成200m2所需工日）

由图3 可以看出，湿喷工法和干喷工法的作业效率差别十分明显。从平均喷播效率来看，湿喷完成200m2仅需要0.39d，按每日8h 工作制计算，平均生产效率达到508m2/d，而干喷完成同样面积需要1.07d，平均生产效率仅为187m2/d。从喷播稳定性来看，对完成的工时进行统计分析（结果见表1）可知，采用湿喷工法完成6 个客土喷播试验区耗时在[0.3,0.46]区间内，标准偏差为0.061，方差为0.004，而采用干喷工法完成6个客土喷播试验区耗时在[0.8,1.4]区间内，标准偏差为0.216，方差为0.047，属于极度不稳定的状况。这主要是因为干喷工法环节多，容易受人为干扰及机械故障（如堵管导致生产停滞）影响，最终导致干喷工法喷播生产效率整体偏低。

表1 干湿喷工法耗时统计

3.3 客土侵蚀性评价

图4 所示为湿喷和干喷两种工法下土壤流失量观测结果。

图4 土壤流失量观测结果

由图4 可知，在喷播完成后的初始坡面，采用湿喷工法的坡面客土侵蚀量明显偏小，仅为0.857kg/m2，但在后续的第21～30d，湿喷坡面的客土侵蚀量逐渐增大，之后再降低至一个相对稳定的水平；采用干喷工法的坡面客土侵蚀量比较大，初始值达到5.175kg/m2，并迅速降至2.05kg/m2，随后也逐渐进入一个相对稳定的阶段。两种工法下，最终客土侵蚀量稳定值相近。需要指出的是，客土侵蚀量与坡度和施工季节有关，本文未予讨论，今后将进一步研究。

3.4 生态植被恢复效果评价

为了分析不同喷播工法对种子出苗情况的影响，自喷播完成之日起，连续2 个月对样方进行调查观测，对种子出苗率、地上生物量和灌草成分组成进行统计分析。

客土喷播完成后，根据设定的固定样方调查点，记录每天植物出苗种数，结果如图5 所示。由于本次记录的是植物出苗的种类数目，不是植株的数量，所以曲线趋势代表的是坡面植物种群的物种多度，并不代表整体的覆盖度。

图5 种子出苗数调查结果

从图5 可以看出，初期的客土喷播在半个月内完成了多种植物种子的出苗，说明无论是干喷还是湿喷工法，植物种子出苗并没有明显的区别，但除第3～6d以外的其余时间段内，干喷工法的出苗种数持续大于湿喷工法的出苗种数，这可能是由于干喷工法容易产生团粒结构，种子在孔隙率相对较好的条件下更容易快速出苗所致，而且湿喷工法容易使客土表层形成“板结状”，这对出苗有一定的抑制作用。

图6所示为坡面植被覆盖度观测结果。

图6 植被覆盖度观测结果

从图6 可以看出，采用干喷工法的坡面植被覆盖度数值明显高于采用湿喷工法的坡面，第1个月就能达到70%以上，第45d 调查结果显示植被覆盖度就已超过90%，主要以禾本科草本植物为主，包括多年生黑麦草、高羊茅，其余植物品种有紫花苜蓿、波斯菊以及部分豆科灌木；而采用湿喷工法的坡面相对较差，两个月后的坡面植被覆盖度仅有76%，其主要构成植物种相对比较均匀，包括高羊茅、多年生黑麦草、紫花苜蓿、刺槐、紫穗槐、波斯菊等，整体上灌草植物种分布均匀。以第30d 调查结果为例，其灌草植物株数比如图7所示。

图7 灌草植物构成（第30d）

从图7 可以看出，同时完成的坡面，采用干喷工法的坡面草本植物约占83%，灌木仅占17%，而采用湿喷工法的坡面草本植物约占72%，灌木占28%。在草本植物分布中，采用干喷工法的坡面禾本科草本植物占比超过50%，这主要是因为干喷土体颗粒松软，孔隙多，禾本科草本植物叶片狭长且有尖，破土效果好；相反，豆科植物叶缘偏圆，破土效果差一些。湿喷工法的豆科灌木、豆科草本、禾本科草本各占约1/3，比例相对均匀，这个时期灌草比较为适中。

4 结语

作为公路边坡生态恢复工程的主要工法之一，客土喷播技术已在公路建设中得到了广泛应用，但客土喷播中的干喷和湿喷两种工法具有明显的差异。本文依托山东省内京沪高速公路改扩建工程，采用了干湿客土喷播两种工法实施路堑岩石边坡生态恢复，通过现场调研和生态恢复学调查等方法，对干湿喷播生态恢复效果进行对比分析。结果表明，与湿喷工法相比，干喷工法的用土量、燃油耗损量更多，但草炭土、纤维材料及水的用量明显少于湿喷工法；尽管干喷坡面出苗快、种类多、植被覆盖度好，但其灌草比中初期草本植物偏多，并对后期灌木演替产生一定影响。上述研究结论只是基于实施干湿喷播工法后的生态恢复效果差异性对比分析所得，可作为工程应用的评价方法，但两种工法差异性机理并未得到充分论证。在今后的研究中应进一步结合两种工法对基质结构和性能、水分持留与散失、植物种类差异性的影响进行详细分析。