萧县凤山采石场高陡岩质边坡覆绿植物立地条件分析

2021-07-22罗博闻宁立波

湖南师范大学自然科学学报 2021年3期

罗博闻，宁立波，彭捷

(中国地质大学(武汉)环境学院，中国武汉 430074)

废弃采石场严重破坏了矿区生态环境，削弱当地的生态自我调节能力[1-3]，而高陡岩质边坡的植被覆盖在无人为干预的情况下，极难恢复到开采前的状态。

植物种群的分布格局不仅取决于植物种类自身的生物学特性，还取决于其所处的生境[4-6]。植物生境中的非生物自然环境因子的组合构成了植物的立地条件[7]。影响植物生长的主要非生物因子有：肥分因子、温湿度因子和地形地貌因子[8]。土壤作为植物生长过程中非生物因子的载体，可直接为植物生长提供水肥补给。高陡岩质边坡因其立面高、坡度陡，以致土壤难以固定的特殊性，成为边坡覆绿的一大难题。相比于一般植物，高陡岩质边坡覆绿植物的生长不仅需要适宜的水、热、肥力供给，还要求有足够的裂隙空间容纳土壤[9]。目前着重于土壤条件下不同种类植物的立地条件的研究有很多，但较少有研究高陡岩质边坡这一特殊的植物立地条件。本文以萧县凤山采石场为例，探究高陡岩质边坡覆绿植物所需的立地条件，以期为未来高陡岩质边坡覆绿提供参考。

1 研究区概况

萧县凤山采石场东临徐州，南接淮北，属北温带半湿润季风气候，年均无霜期200至220天，年平均气温为15.7 ℃，光照充足，年日照率52%至57%，多年平均降雨量为784 mm，但年内降雨分配不均，多集中于夏季。

研究区处在永城复式背斜东翼北部倾没端，受不同时期构造运动影响，多见格状构造，岩体破碎，裂隙发育。主要出露地层为寒武系上统长山组(∈3c)紫红色中厚层鲕状灰岩，或相变为薄层灰岩与页状泥灰岩及寒武系上统崮山组(∈3g)的上部灰色薄层灰岩夹竹叶状灰岩。经过数年开采，研究区采石场土壤流失殆尽，局部因采石场开采活动影响形成高耸裸露的人工边坡，人工边坡坡向面朝西北(约340°)，坡度多接近或大于80°(图1)。

2 高陡岩质边坡条件下覆绿植物立地影响因素

废弃采石场的岩质边坡由于缺乏植被层与表层土壤，水土流失现象极为严重，覆绿植物的立地条件取决于岩体的地境深度、水肥条件、体裂隙率及裂隙内的温湿度等。

2.1 研究方法

本次研究分为野外现场监测和室内样品分析两种方法。其中，岩体的地境深度、体裂隙率及裂隙内的温湿度，采用野外现场监测的方法；土壤水肥条件分析采用室内样品分析的方法。

在确定岩体地境深度的研究中，采取植物样坑开挖和样方调查的方法，样坑共计4个，样方面积均为4 m×4 m，对不同深度的根群进行分类统计调查。在体裂隙率研究中，对研究岩体裸露裂隙进行分组，使用体裂隙率测量仪器测量裂隙隙距和隙宽，最终根据体裂隙率计算公式，计算研究岩体的体裂隙率。在裂隙内温湿度研究中，对研究岩体进行了打孔工作，共计3个监测孔，使用DS-1923温湿度纽扣式记录仪(温度监测量程为-20～85 ℃，湿度量程为0～100% RH及过饱和状态)在孔内不同深度进行温湿度监测，将野外测量所得的相对湿度换算为绝对湿度。在土壤水肥条件研究中，在研究区进行土壤取样，取样样坑共计5处，在室内进行土壤样品的肥分指标(土壤有机质、全盐量、水解性氮、有效磷和速效钾)分析。

2.2 结果与分析

2.2.1 植物地境深度确定地境深度是开展植物立地条件的前提。有研究指出对于灰绿藜等常见的草本科植物，根群的阈值范围在10～30 cm[10]；对于黄栌等常见的乔木科植物，根群的阈值范围在30～40 cm[11]。有研究表明，在工程中常用的覆绿植物的地境深度一般不超过60 cm[12]。本研究通过对研究区样坑的开挖，对植物根系进行调查计数来研究植物的地境深度。样坑开挖深度在100 cm左右。根的分类依据按照按粗根(根茎>10 mm)，中根(根茎为2～10 mm)和细根(根茎<2 mm)三级划分。根据细根数据，绘制细根随深度频率和累计频率分布图(图2)。

图2 样坑细根随深度频率和累计频率分布图

根据图2，在细根频率分布曲线中存在一个大波峰和一个小波峰，大波峰出现在深度10 cm附近，小波峰出现在55 cm附近。结合植被样方调查结果，0～10 cm为高羊茅等草本植物的根群圈范围；10～55 cm为黄荆等灌木根群圈的主要范围。从细根累计频率分布图可以看出，当深度在60 cm附近时，细根累积频率接近100%，说明研究区植物根系的有效生长活动范围在地下0～60 cm之间。本次研究共开挖4个样坑，坑内细根分布均有以上规律，故判断该研究区植物的地境深度为60 cm。

2.2.2 土壤肥力分析植物根系的生长与土壤介质中的养分含量密切相关，土壤中的水分、盐分、有机质及微生物群落是植物赖以生存的营养源[13，14]。此外，坡向会对植物水肥条件具有显著影响。研究高陡岩质坡面面朝西北，即常年见不到阳光的阴坡。根据以往研究表明，阴坡土壤的有机质含量、含水量和土壤内细菌放线菌含量均高于阳坡[15]。因此，研究区此类坡向有利于覆绿植物生长。本次研究对从研究区边坡获取来自5个土壤采集点的土样进行室内分析，1～4#采集点位于研究区的有植被覆盖的天然坡面，5#采集的是岩质边坡裂隙中的土壤，测定5种典型的土壤肥分指标：土壤有机质、全盐量、水解性氮、有效磷和速效钾。结果汇总于表1.

表1 研究区天然坡面土壤和裂隙土壤的肥力水平

表1结果显示，研究区土壤的有机质含量主要在1%～6%之间；全盐量含量在0.09%～0.12%之间；水解性氮各样坑之间差异较大，其中含量最高的5号采集点的水解性氮含量达239.30 mg·kg-1, 含量最低的3号采集点的水解性氮含量为30.91 mg·kg-1；有效磷含量在3%～8%之间；速效钾含量在88～142 mg·kg-1之间。从实验结果可以看出，裂隙土壤的有机质、水解性氮、有效磷和速效钾含量均高于研究区有植被覆盖的天然坡面土壤。裂隙土肥分高于天然土壤的原因在于岩体边坡裂隙能够截留部分因为雨水冲刷带来的养分。其中，土壤全盐量低于0.15%，说明土壤盐度符合植物生长的条件[16]。根据全国第二次土壤普查的相关标准，研究区天然坡面土壤有机质和水解性氮基本上已达到Ⅱ级土壤级别，而裂隙土达到Ⅰ级土壤级别。高陡岩质边坡的土壤肥力条件能够满足植物的存活要求。

2.2.3 岩体体裂隙率植物生长需要地下空间。在高陡岩质边坡条件下，由于立面高，坡度陡，岩体表面难以固定土壤，故岩体内部的裂隙成为植物根系的主要生存空间[17]。判断该岩体裂隙能否为植物根系的固定和生长提供合适环境，需要考虑岩体裂隙的裂隙特征：体裂隙率与裂隙宽度。在裂隙连通性较好的条件下，体裂隙率越高，裂隙越宽，裂隙所提供的空间越多，岩体的集水、保水能力越强。

在一般情况下，体裂隙率取决于裂隙的长、宽和深度，其计算公式[18]为

Kr=Vr/V×100%，

(1)

式中：Kr-体积裂隙率；Vr-裂隙体积；V-岩石体积，其中裂隙体积Vr的计算方法如下:

(2)

式中：Vi-第i条裂隙体积；ni-第i条裂隙的隙宽；hi-第i条裂隙的隙间距；r-球体半径，本研究岩体取0.5 m。

本次研究调查萧县凤山采石场7个测量点，21组裂隙，共95条裂隙。研究区每个测量点均发育有3组裂隙，每组裂隙3～7条不等；计算结果表明，体裂隙率范围在0.70%～4.49%，岩体体裂隙率多数在2%～3%。大部分裂隙宽度在0.5～1 mm左右。一般情况下，植物在高陡岩质边坡上生长所需岩体体裂隙率为1.77%～4.58%，裂隙宽度在1 mm左右[19]。研究区岩体的体裂隙特征能满足植物根系生长所需，且植物根系具有很强的适应性，可通过改变自身形态，有机酸溶解等方法适应隙宽更小、体裂隙率更低的环境。

2.2.4 岩体内部温度和湿度分析岩体内部温度和湿度是影响高陡岩质边坡覆绿存活和长势的重要因子[20]。温度是限制植物生长的主要因素之一，适宜的温度是植物正常生长的必要条件。湿度同样是影响植物生长的主要因素之一，若在水分不足的环境下，短期内植物能通过调节体内代谢产物等系列应激反应适应;但若长期缺少水分补给，势必会威胁植物的正常生长，影响最终的覆绿效果[21]。

研究区处于北温带半湿润季风区，在一般情况下，温度与湿度会在夏季和冬季到达边界值。故本文选择夏、冬两个季节，通过开凿孔洞的方式，对3个监测孔裂隙岩体内部各深度进行温度、相对湿度监测(图3)，记录频率为每5 min一次。

图3 萧县岩体内温湿度监测孔位置分布示意图

对研究区夏、冬季3个监测孔各进行连续7天的温度监测，筛选数据后求其均值以及方差，其结果汇总于表2和表3。夏季监测结果(表2)显示，在本研究区岩体20～440 cm的深度范围内，夏季岩体内温度及均方差变化规律为：岩体内温度随深度的增加而逐渐降低，均方差随着监测深度的增加而不断减小。温度随深度的增加不断减小说明热量由外界向岩体深部传递；均方差反映出所测数据的波动情况，均方差的减小说明监测孔深部温度更趋于稳定。夏季在充足的太阳辐射和较高气温的双重作用下，岩体表面升温速率大于岩体内部，因而岩体深部温度涨落程度低于浅部。本研究区岩体内夏季温度范围在17～25 ℃。其中孔深范围在植物地境范围，即0～60 cm时，温度波动不大，温度在23～25 ℃之间，满足植物根群生长所需的温度。

表2 夏季监测孔内平均温度及均方差

冬季监测结果(表3)显示，在本研究区岩体20～440 cm的深度范围内，冬季岩体内温度及均方差变化规律为：岩体内温度随深度的增加而逐渐升高，均方差随着监测深度的增加而不断减小。温度随深度的增加不断升高说明热量由岩体深部向外界传递。本研究区岩体内冬季温度范围在3～15 ℃。其中孔深范围在0～60 cm时，温度在2～8 ℃之间。绝大多数植物的适宜生长温度为0～35 ℃，本研究区在临界值两端的夏季冬季岩体温度均满足植物适宜生长温度。因此，岩体内的温度情况能够满足植物的成活要求。

表3 冬季监测孔内平均温度及均方差

高陡岩质边坡条件下，覆绿植物所处地境通常位于非饱和的包气带，内部的水分特征以相对湿度和绝对湿度表征。本文以图2所示的监测方式进行现场监测，研究岩体裂隙空间内的湿度变化特征。

夏季监测结果(表4)显示，本研究区岩体内夏季相对湿度范围介于97%～104%，绝对湿度范围介于15～23 g·m-3。其中，在地境深度60 cm内，相对湿度范围为97%～100%，绝对湿度范围为20～23 g·m-3。夏季岩体内绝对湿度及均方差变化规律为：岩体内绝对湿度随深度的增加而逐渐降低，均方差随着监测深度的增加而不断减小。有研究表明，乔灌木类覆绿植物根系的适宜生长相对湿度需要大于90%[22]。在地境深度范围内，研究区夏季相对湿度满足植物生长要求。不仅如此，夏季岩体内绝对湿度随深度增加而下降说明：水汽整体上由岩壁表面向深部运移，岩体内部受到外界大气中水汽的补给。而在补给的水汽向岩体内部运移的过程中，因为温度降低，空气对水汽的容纳能力减弱，水汽状态可能会转变为饱和甚至过饱和状态，最终形成凝结液态水以满足植物生长所需。

表4 夏季监测孔内相对湿度、绝对湿度均值及均方差

冬季监测结果(表5)显示，本研究区岩体内冬季相对湿度在70%～103%之间，绝对湿度范围在4～13 g·m-3之间。其中在地境深度60 cm内，相对湿度在83～103%之间，绝对湿度范围为4～9 g·m-3。冬季岩体内绝对湿度及均方差变化规律为：岩体内绝对湿度随深度的增加而逐渐升高，均方差随着监测深度的增加而不断减小。研究区冬季湿度条件适合植物生长，原因如下：首先，根据冬季相对湿度数据，研究区冬季岩体内湿度基本满足植物生长需要。其次，岩体内绝对湿度的变化规律说明水汽整体上由深部向岩壁表面运移。而在补给的水汽朝外运移的过程中，随着温度下降，水汽逐渐从欠饱和状态变为饱和、过饱和状态，最终也会凝结成可供植物利用的液态水。