植生孔地境再造技术在皖北和沿江高陡岩质边坡复绿中的对比研究

2022-04-11赵国红宁立波宋阳

安徽地质 2022年4期

赵国红，宁立波，宋阳

（1.安徽省公益性地质调查管理中心，安徽合肥 230092；2.中国地质大学（武汉），湖北武汉 430074）

0 引言

安徽省是矿业大省，矿产资源丰富，矿业发展历史悠久，大规模的矿山开采为社会经济发展做出了重要贡献，但同时也严重破坏了矿山生态环境，产生了许多生态环境问题，特别是露天开采，造成了地形地貌景观破坏、矿山地质灾害、水土环境污染、水土流失、植被破坏和生态系统破坏。近年来，我省开展了一系列矿山生态修复工作，截至2021 年底，全省已累计完成2 721 个废弃矿山生态修复项目，完成修复面积约1.77 万公顷。但是，部分矿山生态修复成效不明显，尤其是高陡岩质边坡复绿效果差。高陡岩质边坡常用的复绿技术有鱼鳞穴法[1]、植生槽法[2]、生态袋法[3～4]、爆破燕窝复绿法[5]、挂网喷播法[6]等。但是以上各复绿技术在实际应用中大多存在成本高、难度大、后期管护困难的问题，在自然条件下难以达到持久绿化的效果[7]。

对于高陡岩质边坡复绿，应充分调查生境条件，选择合适的植物种类，建立一个植被恢复后自维持生态系统，是植被恢复的关键。本文以生态地质学和系统理论为基础，在沿江和皖北地区建立了试验场，通过分析研究区水文、气象、地质、构造、植被等影响因素，对比分析不同生境条件下植被生长情况，探索适宜于高陡岩质边坡复绿的植物地境再造技术，为以后开展高陡岩质边坡复绿提供依据。

1 植物地境再造技术

植物地境再造技术是以生态地质学、系统科学理论为基础，以人工方式在高陡岩质边坡上开掘植物种植孔，根据所选择种植植物的地境要求，在孔内人工构建能够满足植物生长需求的地境条件，然后进行植物种植，达到植物与岩体有机结合，实现植物自主生长、边坡复绿的方法[8]。岩质边坡适合选择植生孔地境再造技术进行复绿。

1.1 植生孔地境再造技术

植生孔地境再造技术主要适用于坡面平直，凹凸起伏较小的岩壁。所谓植生孔地境再造法就是在基本参数满足的高陡岩质边坡的平直壁面，按照一定的角度、口径、深度开凿孔穴，在打好的孔穴中种植植物（图1）。

图1 植生孔地境再造法Figure 1. Plant habitat reconstruction in the form of plant-growing hole

1.2 试验场选择及种植情况

（1）试验场选择。本次试验采用选择植生孔地境再造技术，选择适宜研究场应满足以下条件：岩质边坡坡度在60°以上，具有一定高度，一般在30 m 以上；岩质边坡的裂隙较发育；石灰岩采石场，矿山已经关闭，边坡裸露。根据前期调查情况，经过综合分析选取沿江安庆集贤关与皖北宿州萧县已经关闭的石灰岩采石场中的高陡边坡为研究对象。

（2）种植情况。选择坡度和裂隙发育条件较好、适合植被生长需求的坡面，布设种植孔位，共373 个。种植孔孔深为50 cm、孔径为20 cm，孔口与水平线呈15°～45°角朝上；种植所用的培养土，其配制比例为腐熟有机肥1/5，耕作层熟土3/5，炉渣1/5，并用800 倍的杀菌剂进行土壤处理；植物选择耐寒、耐旱的优势物种或乡土植物，植物幼苗选用基径为0.7～1.2 cm，高度为60～80 cm，做截杆处理，将上端枝叶以及多余的侧根去掉，保留主根部分。

2 研究区生态条件分析

2.1 气象水文

萧县试验场地处安徽省北部，属北温带半湿润季风气候，是南北冷暖空气交汇的过渡地带，兼有北方和南方的气候特点，季风气候明显。年均温度为15.7 ℃，太阳辐射年总量为1.69 W/m2，年平均降雨量为784 mm 左右[9]，见图2。萧县位于淮河流域中游，二、三级支流范围内，隶属于华北平原南部的淮北平原中部。萧县水资源包括地表水和地下水两部分，全县多年平均地下水资源总量为2.6×108m3/a，地表水和地下水资源的丰枯基本依靠降水补给。

图2 萧县年平均降水量和平均温度情况图Figure 2. Annual average precipitation and average temperature in Xiao County

安庆试验场地处沿江地区，属亚热带湿润季风气候区，季风明显，四季分明，气候湿和，雨量适中，光照充足，无霜期长，严寒期短。年平均气温为17.5 ℃，太阳辐射总量为1.54 W/m2，年均降雨量为1 350 mm[10]，见图3。研究区属于长江流域的石塘湖水系，石塘湖流域面积约为11 km2，最高水位为12.08 m，最低水位为8.13 m。研究区内部地表水系不发育，大气降水主要以面流方式沿地形自然排泄，地表水自然排泄通畅。大气降水除小部分向河流排泄和在河谷低洼处季节性排泄外，大部分汇入区域径流。

图3 安庆市年平均降水量和平均温度情况图Figure 3. Annual average precipitation and average temperature in Anqing City

2.2 地质条件

皖北试验场选择的萧县凤山采石场，属于皖北东南低山残丘，主要出露三叠系、二叠系、石炭系灰岩，因采石场开采活动影响而形成人工边坡，人工边坡坡度为80°～90°，近似垂直，裂隙发育，岩体破碎，表面裸露。岩体一般发育有3 组裂隙，每组裂隙3～7条不等，岩体体裂隙率多数在2%～3%之间。体裂隙的变化体现出裂隙发育的不均匀性，整体差异性较小，个别测量点差异较大，这是由裂隙发育整体的规律性和裂隙在岩体中发育的非均一性决定的[11]。

沿江试验场选择安庆市集贤关，位于安庆市区北部，属江北低山丘陵区，地层属于扬子地层区下扬子地层分区安庆地层小区，出露的地层主要为三叠系南陵湖组（T1n），岩性下部为灰色中厚层微晶灰岩，夹灰、灰黑色粉砂质黏土页岩，具缝合线构造及重结晶现象；上部为灰白色中厚层微晶灰岩，含黄色薄层泥质条带。岩体较为破碎，表面裸露，坡度≥70°，相对高度约为80 m。研究区岩体发育有3～4 组裂隙，每组裂隙2～14 条不等，岩体体裂隙率多数在2%～5%之间，均值为2.67%。

2.3 本土植物

皖北萧县石灰岩山地土层较薄，土壤呈中性到微碱性，立地条件较差，以乔木、灌木为主，品种较为单一，乔木优势种为构树、臭椿；灌木优势种为黄荆、胡枝子；草本优势种为高羊茅、牛筋草。

沿江安庆地区土壤较为贫瘠，立地条件复杂，植物资源众多，有60 多科500 余种植物，其中乔木以水杉、鹅掌楸、杜仲、榉树、樟树、枫杨、刺槐等为主，灌木以黄荆、胡枝子等为主，草本众多。

2.4 种植土肥分与物种选择

萧县凤山种植实验场边坡坡度为85°，岩层产状为176°∠19°，边坡发育有4组节理，结合体裂隙率发育情况，以60～100 cm间距布设种植孔，共186个。种植孔土壤有机质平均含量为2.6%，为中上等肥分；全盐量为0.1%，为非盐泽土；水解性氮多高于100 mg/kg，较为丰富；有效磷在3.8 mg/kg 左右，含量较低；速效钾在97 mg/kg 左右。萧县凤山试验场覆绿物种包括：乔木类有黄栌、火炬树、黑松、山杏；藤灌木类有迎春、连翘、爬山虎、扶芳藤；本地种有黄荆、构树。

安庆集贤关采石场边坡坡度为78°，岩层产状为20°∠58°，结合岩体体裂隙率发育情况，以60～100 cm间距布设187 个种植孔。种植孔中土壤肥分条件较好，有机质含量在1.3%左右，为中等肥分；全盐量在0.1%左右，为非盐泽土；水解性氮在60 mg/kg左右，属良好；有效磷在6 mg/kg 左右；速效钾在60 mg/kg 左右。安庆集贤关试验场覆绿物种包括：乔木类有黄栌、刺槐、黑松、火炬树、构树、臭椿；藤灌木类有连翘、金银花、爬山虎；本地种有构树、臭椿。

3 结果分析

3.1 植物成活率

萧县凤山采石场实验区于2017 年11 月完成植被种植工作，共栽种植被169 株。在2018 年夏季6 月、2019 年春季4 月对萧县凤山实验场植物生长情况进行了现场调查，统计植物的成活情况，成活调查结果统计整理如表1所示。野外调查成活率统计结果表明：

表1 萧县凤山实验场植物成活情况统计Table 1. Statistics of plant survival in the Fengshan test ground in Xiao County

（1）植物总体成活率随时间而有所变化。成活率由高到低依次为藤本、灌木、乔木。外来种乔木整体的成活率多在60%左右，其中黑松的成活率最高达80%，山杏的成活率较低仅有14%；灌木的成活率多在80%。

（2）选择的本地种整体成活率要比外来种高，说明其更适应本地的环境。乔木类本地种表现出更强的适应能力，构树成活率达71%，而外来乔木山杏的成活率仅有14%左右，表明山杏不适合本次覆绿植物的要求。

安庆集贤关实验场于2016 年12 月完成植被种植工作，共栽种植被174株。先后在2017年7月、2018年6月对安庆集贤关实验场进行了植物成活率调查。将两次植物成活调查结果统计整理如表2所示。野外成活率统计结果表明：

表2 安庆集贤关实验场植物成活情况统计Table 2. Statistics of plant survival in the Jixianguan test ground in Anqing

（1）复绿植物总体生长良好，不同时期调查植物平均成活率分别为：78%、64%。但不同类型植物成活情况有所差异，成活率由高到低依次为藤本、灌木、乔木。其中灌木成活率在80%以上，乔木的成活率整体不高，为45%左右，火炬树、黑松的成活率最高，黄栌、刺槐的成活率相对较低。

（2）前期调查存活时的植物部分在后期调查时后发现死亡现象，以乔木干枯死亡率最高，而灌木、草本基本存活。分析其原因：一是乔木要比灌木、草本植物生长需要消耗更多的水分和养分，而高陡岩质边坡部分种植孔内所赋存的养分、水分有限；二是局部裂隙不发育，在雨季会导致种植孔内长期积水，导致植物根系腐烂死亡。

3.2 植物长势调查

（1）萧县凤山试验区。植物自栽种之后未进行养护工作，在夏季调查时，植被已自然生长了仅半年，成活植被长势良好。但由于生态恢复年限较短，整体对岩壁的覆盖程度并不是特别高。

（2）安庆集贤关试验区。进行植物样地调查，调查覆绿植物覆盖程度、植株高度及基径等生长指标，综合反映植物生长状况，通过调查适宜种植区内乔灌木优势物种，可以为选择适宜高陡岩质边坡上生长的植物提供依据，并验证地境再造技术的可行性。

由于岩质边坡上水分、养分所限，加之前期植物生长年限较短与人为调查因素，植物长势调查具有较大的不确定性。因此在种植两年半后，2019 年4 月对安庆种植区进行植物长势调查，运用样方法在种植区岩壁左侧选取调查面积为4 m×2 m 的样方1，在中侧下层岩壁选取调查面积为4 m×2.5 m 的样方2，测量统计样方内植物基径、冠幅、高度等基本信息，描述其生长状况。植物长势统计情况如表3所示。

表3 安庆集贤关实验场植物样方调查情况统计Table 3. Statistics of plant quadrat conditions in the Jixianguan test ground, Anqing

经野外实地调查，实验场种植区存活植物整体长势良好。经统计整理植物长势情况可知，连翘、迎春、金银花等灌木植物生长有一定规模，平均高度为68.3 cm；火炬树、刺槐、黑松等乔木平均高度为63 cm，较灌木植株相对矮小。结合成活率变化情况，分析这是由于乔木要比灌木、草本植物发芽生长需要消耗更多的水分和养分，植物受到胁迫导致生长速率减慢，植株个体矮小生长缓慢。

3.3 生境条件对比研究

通过分析皖北、沿江气象水文、边坡坡度、地层岩性、裂隙发育、植物种类及种植情况之间关系，分析生境条件及植物成活率和植物长势关系，统计整理结果如表4所示。

表4 植物生境条件对比Table 4. Comparison of plant habitat conditions

通过对比研究分析，沿江地区与皖北地区相比，降水量大、平均气温高、裂隙较发育、太阳辐射少、立地条件复杂；两个地区藤本植物成活率均在90%以上，沿江地区灌木成活率较皖北地区高，达到80%以上，而乔木成活率均较差，在45%左右。由此可以看出，植被成活率与岩体的裂隙率、大气降水、温度和植物种类、养分等有关。因此，考虑到复绿的永久性和季节性，应多考虑常绿且复绿效果好的藤本和灌木植物，适当栽植本地乔木类物种。