高陡岩质边坡体裂隙率与植物生长速度的关系研究
2022-08-12葛江琨李洪亮戴振芬陈洪年
张 燕,葛江琨,李洪亮,杨 晨,戴振芬,陈洪年,3*
(1.山东省鲁南地质工程勘察院(山东省地质矿产勘查开发局第二地质大队),山东 济宁272100;2.济宁市岩溶地质重点实验室,山东 济宁272100;3.中国地质大学(武汉)环境学院,湖北武汉 430078)
20世纪80年代以来,随着社会经济的快速发展,城市扩张和道路修建等需要大量的石料,石料矿开采空前火热,但石料开采在促进社会经济发展的同时产生了许多矿山地质环境问题[1],如地貌景观破坏、占用土地资源、水土流失等[2-3]。特别是采石中形成的高陡岩质边坡(高度>20 m,坡度≥70°)的生态修复,仍然是矿山生态修复领域的巨大挑战。
高陡岩质边坡一般具有缺少植被生长所必需的土壤条件及养分条件、边坡坡度大且坡面自然生态条件恶劣等特点[4]。针对高陡岩质边坡的特点,学者们先后探索提出了多种治理方法,如燕巢法、台阶法、挂网喷播法、生态袋法等[5-6],这些方法往往侧重于植物生长基质的再造而忽视了对岩质边坡本身的利用,而植物离开养护后很难成活,存在“两层皮”的现象。根据徐恒力等[7]提出的生态地质学理论,针对高陡岩质边坡生态修复探索性地提出了地境再造技术,该技术的特点是在高陡岩质边坡上直接营造植被生长所需要的地质环境条件,使植物能够快速生根成活,进一步形成稳定的区域生态系统,从而达到边坡复绿的目的。贾昊冉等[8]指出在高陡岩质边坡覆绿工程中,植物的地境条件主要由裂隙的空间、优势方向、连通性、温湿度等裂隙条件构成。岩质边坡裂隙作为植物生长空间的存在,一方面可以存储和截留土壤、水分,作为植物生长的基质,另一方面可以作为通道进行水分运移和空气传导。袁磊等[9]通过在河南、山东等地对石灰岩采石场有植物生长的边坡裂隙的调查,总结归纳出当石灰岩质边坡体裂隙率在0.12%~5%时,可采用地境再造技术进行边坡复绿;白冰珂等[10]以安徽安庆市大龙山岩质边坡复绿工程为例,在分析植物生长状况的基础上调查了边坡裂隙发育条件,认为边坡体裂隙率达到1.77%~4.58%时,可满足岩质边坡复绿植物的生长需求,较适宜复绿植物成活。
综上,前人对地境再造技术中岩质边坡坡面裂隙发育特征的研究为该技术的推广应用奠定了基础。但需要指出的是,已有的研究成果只是提出了适用于地境再造技术的岩质边坡裂隙发育范围,而未对岩质边坡体裂隙率与植物生长速度之间的关系进行系统性研究。鉴于此,笔者所在团队根据生态地质学理论,采用地境再造技术先后在山东省济南市章丘小东山、平阴黑风口和龙洞建立了三个地境再造技术试验场,根据三个试验场植物生长状况和成活率的多年监测数据,探讨了高陡岩质边坡体裂隙率与植物生长速度之间的关系。
1 研究方法与过程
1. 1 研究区概况
研究区三个试验场位于山东省济南市,该地区属暖温带大陆性季风气候,为低山丘陵地貌,矿山开采形成的岩质边坡高度为20~70 m,坡度为65°~85°不等。其中,章丘小东山试验场是2015年5月建成,面积为1 000 m2,地层岩性为奥陶系马家沟群厚层、巨厚层灰岩,有断裂构造发育;平阴黑风口试验场是2017年4月建成,面积为2 200 m2,地层岩性为寒武系炒米店组中厚层灰岩夹少量薄层页岩,层间裂隙发育,该试验场中部有小型断层通过(见图1);龙洞试验场是2019年5月建成,面积为1 000 m2,地层岩性为奥陶系马家沟群泥质白云岩,泥质成分含量较高,局部有小型岩溶孔洞发育。章丘小东山试验场和平阴黑风口试验场岩质边坡坡向向西,龙洞试验场岩质边坡坡向向南,三个试验场岩质边坡坡面均向阳。
图1 研究区内典型试验场治理前照片(平阴黑风口 试验场)Fig.1 Typical test sites before treatment in the study area(Heifengkou test site of Pingyin)
1. 2 岩质边坡体裂隙率测量
1.2.1 岩质边坡裂隙的优势方向
对于高陡岩质边坡的生态修复,边坡坡面裂隙发育情况与植物能否成活的关系密切[11]。植物生长所需的养分主要靠根系从土壤中获取,根系生长需要一定的地下空间,根系需要的养分也要有一定的空间存放。因此,边坡坡面裂隙既是主要的水分运移和空气传导通道[12],也是土壤、水分储存和截留的载体。
边坡坡面裂隙发育的优势方向不仅关系到植物根系的生长方向[13],也与边坡坡面养分的截留和存储密切相关。本次对研究区三个试验场岩质边坡裂隙分别进行了测量,测量范围包括三个试验场岩质边坡地面以上2 m范围内和固定梯子的两侧1 m范围内的裂隙(见图2),其中章丘小东山试验场测量面积为122 m2,平阴黑风口试验场测量面积为286 m2,龙洞试验场测量面积为127 m2。
图2 研究区内监测区示意图(单位:mm)Fig.2 Schematic diagram of monitoring area in the study area(unit:mm)
在各试验场的建设过程中,植物种植孔间距为1 m,孔深为50 cm,上下孔径均为15 cm,成孔方向与水平面的夹角呈45°。本次测量以种植孔中心为中心点,四周各外扩0.5 m,圈定一个面积为1 m×1 m的正方形进行岩质边坡裂隙测量统计。本次研究中参与统计分析的岩质边坡坡面裂隙为构造裂隙和层面裂隙,这两类裂隙可贯穿岩质边坡深部,可作为水分流通和存储的主要空间和通道;风化裂隙和卸荷裂隙只在岩质边坡表面存在,受外界的干扰因素影响大,在本次测量中不予以考虑。通过裂隙测量可知,章丘小东山试验场岩质边坡坡面发育有4组裂隙,每组裂隙有2~8条不等;平阴黑风口试验场岩质边坡坡面发育有5组裂隙,每组裂隙有5~14条不等;龙洞试验场岩质边坡坡面发育有4组裂隙,每组裂隙有4~10条不等。为了便于分析岩质边坡坡面裂隙发育的优势方向,将相差10°以内的野外测量数据划为同一个方向,并求取裂隙的平均值,绘制了三个试验场岩质边坡坡面典型裂隙发育的赤平投影图,见图3至图5。图中标尺线表示边坡坡面产状,有弧度的细线表示裂隙产状。
图3 章丘小东山试验场岩质边坡坡面典型裂隙赤平 投影图Fig.3 Stereographic projection of typical fracture of rock slope in Xiaodong mountain test site of Zhangqiu
由图3可见:章丘小东山试验场岩质边坡坡向向西,坡度为85°十分陡峭;该边坡裂隙倾向南西 220°~230°方向最为发育,倾角为80°~88°,裂隙倾向北东 10°~20°方向发育次之,倾角为81°~85°,同时发育一组层面裂隙向东,倾角为3°基本水平,这三组裂隙能与边坡呈一定角度相交并指向边坡内部。大气降水沿着山体及岩质边坡坡面向下径流的过程中,水流优先进入西南向及东北向的裂隙通道内并由上向下流动,在遇到近乎水平向的层面裂隙被截留后水流向岩壁深处入渗,从而向岩壁深部补充水分。因此,该试验场岩质边坡发育的裂隙能有效地拦截坡面上流下来的雨水及雨水冲刷所携带的含有养分的土壤。
图4 平阴黑风口试验场岩质边坡坡面典型裂隙赤平 投影图Fig.4 Stereographic projection of typical fracture of rock slope in Heifengkou test site of Pingyin
由图4可见:平阴黑风口试验场岩质边坡坡向北西,坡度为70°;该边坡层面裂隙十分发育,为植物根系生长提供了充足的空间,裂隙倾向北东10°~30°次发育,倾角为80°~86°,与边坡呈一定角度指向坡面内部,具有一定的截留养分的作用,同时发育一组倾向北西300°~310°、倾角为77°~88°的裂隙与坡面近似平行,是该边坡内部水分运移的最佳通道。
图5 龙洞试验场岩质边坡典型裂隙赤平投影图Fig.5 Stereographic projection of typical fracture of rock slope in Longdong test site
由图5可见:龙洞试验场岩质边坡坡向向南,坡度为72°;该边坡裂隙主发育方向倾向南西190°~250°,倾角为82°~86°,同时发育一组与坡面近似平行的南西向200°左右、倾角70°左右的裂隙,坡面裂隙网络相互交叉呈一定角度指向边坡内部,对边坡水分的运移及养分的储存截留具有重要的意义。
1.2.2 岩质边坡体裂隙率计算
体裂隙率是指单位体积岩体中裂隙的体积与岩体体积之比,可以用来定量表征岩体内部裂隙的发育程度[14]。体裂隙率的计算公式为
(1)
式中:K体为体裂隙率(%);V为选择的岩体体积(m3);Vi为第i组裂隙体积(m3);n为裂隙组数(组)。
本次三个试验场岩质边坡体裂隙率的测量单元是以植物种植孔的孔心为中心点,四周各外扩0.5 m,形成一个1 m×1 m的测量面积,设定边坡裂隙(层面裂隙和构造裂隙)延伸深度为1 m,那么参与裂隙测量计算的单元尺寸为1 m×1 m×1 m。利用专用的折尺和塞尺测量每个单元内裂隙的长度和宽度,测量过程中舍弃宽度小于0.05 mm的裂隙(小于植物根系最小直径),共测量535个单元,测得裂隙14 563条。
由表1可知:章丘小东山试验场岩质边坡坡面裂隙最小宽度为0.06 mm,最大宽度可达2.70 mm,经计算,该边坡体裂隙率在0.10%~2.21%之间,局部有小范围的体裂隙率为0.09%;平阴黑风口试验场岩质边坡裂隙宽度在0.13~8.00 mm不等,测试单元内有3~5组裂隙分布,经计算,该边坡体裂隙率在0.08%~2.28%之间;龙洞试验场测试单元内有2~4组裂隙,裂隙宽度为0.22~5.60 mm,经计算,该边坡体裂隙率在0.11%~1.99%之间。
表1 研究区内3个试验场岩质边坡体裂隙率测量结果
通过对三个试验场岩质边坡体裂隙率进行测量可知,边坡最大体裂隙率为2.28%,主要分布在断裂带附近,其附近植物成活率高且长势良好;边坡最小体裂隙率为0.08%,坡面较为完整,构造裂隙不发育,附近植物成活率低,栽种植物枝叶会出现枯萎甚至死亡。
1. 3 植物生长状况监测
考虑到高陡岩质边坡生态环境恶劣,在建立试验场过程中植物选取以耐寒耐旱物种为主,以保证植物在自然条件下能吸取养分供自身成长,同时兼顾冬季绿化效果,在植物搭配上以常绿与落叶植物结合的原则,栽植的植物有黄栌、刺槐、连翘、大叶扶芳藤、侧柏、圆柏、五叶地锦、黄荆等30余种。
笔者所在研究团队在每个试验场建立初期,对岩质边坡底部距离地面以上2 m范围及固定梯子附近的植物进行编号,并定期进行监测。各试验场植物每年监测2次(春、秋各1次),监测内容为植物生长状况和成活率,其中植物生长状况的监测指标为植物高度和冠幅,并为每株植物建立了“成长档案”,共监测植物535株。
落叶植物较常绿松柏类植物生长速度快且复绿效果好,具有覆绿面积大、阴蘖性强、根系发达、须根少、且有利于扎根在狭窄的边坡裂隙内[15-16]等特征。本次选取3个试验场共有的落叶植物黄栌、连翘和刺槐共148株作为研究对象,以秋季的监测数据为依据,统计分析了植物高度和冠幅的平均值,并计算了植物的多年平均增长率K增,其结果见表2至表4。
表2 章丘小东山试验场多年植物生长指标统计
表3 平阴黑风口试验场多年植物生长指标统计
表4 龙洞试验场多年植物生长指标统计
植物多年平均增长率K增的计算公式为
(2)
式中:Mn为监测期最近一次的监测数据;M为初次监测数据;n为监测时间(单位为a)。
由于研究区内三个试验场植物栽植时间不同,各个试验场植物的生长情况不同(见图6),植物的年平均增长率也不尽相同。其中,章丘小东山试验场植物栽植最早,通过5年的监测数据可知,黄栌、连翘、刺槐高度的多年平均增长率为20.76%~27.73%,其冠幅的多年平均增长率为31.97%~45.31%,其中连翘高度和冠幅的增长速率相对较慢(见表2);平阴黑风口试验场通过3年的监测数据可知,植物高度的多年平均增长率为15.63%~21.73%,植物冠幅的多年平均增长率为29.14%~42.17%,黄栌和刺槐高度和冠幅的多年平均增长率较连翘高(见表3);龙洞试验场建设完成1年,植物高度的多年平均增长率为27.79%~33.09%,植物冠幅的多年平均增长率为39.11%~54.72%,其中连翘高度和冠幅的多年平均增长率相对较低(见表4)。综合分析可以看出,龙洞试验场植物的生长速度较快,主要是由于该试验场植物处于幼苗期,种植孔内的土壤可供给植物生长所需的养分,因此植物栽植初期生长速率较快;但随着植物的不断生长,种植孔内的土壤养分不断下降,植物根系进入边坡裂隙内吸收自身生长所需的养分,植物生长速度逐渐降低。
图6 研究区内试验场典型植物不同阶段的生长情况Fig.6 Plant growth at different stages of typical plants in test sites of the study area
2 研究结果与分析
众所周知,植物生长除了需要水分、养分之外,还需要一定的生长空间和透气性。裂隙对高陡岩质边坡上植物生长的意义主要体现在存储和截留养分、水分以及作为通道进行空气传导和水分运移方面。岩质边坡裂隙发育,不仅为植物根系生长提供了延伸空间,也可为根系代谢提供有氧环境,构成了一个开放的系统,更加有利于水分与养分的交换和迁移[17],因此岩质边坡裂隙发育特征与植物生长速度息息相关。
本文采用相关性分析法对岩质边坡体裂隙率与植物生长速度进行了拟合分析[18]。主要利用SPSS软件对试验场内岩壁体裂隙率与植物增长率进行相关性拟合,通过建立回归方程并计算相关系数R2,再根据R2的大小来判断试验场内岩壁体裂隙率对植物生长速度的影响程度。0≤R2≤1,R2越接近于1,表明两者之间的相关性越强;R2越接近于0,表明两者之间几乎没有相关关系。下面根据多年监测数据对岩质边坡体裂隙率与植物高度和冠幅之间的相关关系进行分析。
2. 1 岩质边坡体裂隙率与植物高度的关系分析
根据前文所述可知,本次研究对研究区内的植物进行了统一编号,并且给每个植物建立了“成长档案”,对编号的植物划分单元并测量相应单元裂隙发育情况及计算体裂隙率。为了研究边坡裂隙发育状况与植物高度生长速度的关系,对研究区内三个试验场植物高度监测数据和相应单元体裂隙率进行筛选后,绘制了研究区内三个试验场岩质边坡体裂隙率与植物高度多年平均增长率相关性散点图,见图7至图9。
图7 章丘小东山试验场岩质边坡体裂隙率与植物高度 多年平均增长率相关性散点图Fig.7 Scatter plot of correlation between slope fissure rate and annual growth rate of plant height of rock slope in Xiaodongshan test site of Zhangqiu
图8 平阴黑风口试验场岩质边坡体裂隙率与植物高度 多年平均增长率相关性散点图Fig.8 Scatter plot of correlation between slope fissure rate and annual growth rate of plant height of rock slope in Heifengkou test site of Pingyin
图9 龙洞试验场岩质边坡体裂隙率与植物高度多年平均 增长率相关性散点图Fig.9 Scatter plot of correlation between slope fissure rate and annual growth rate of plant height of rock slope in Longdong test site
通过相关性分析可知,岩质边坡体裂隙率与植物高度多年平均增长率之间的相关系数R2在0.88左右,说明在高陡岩质边坡生态修复中岩质边坡体裂隙率与植物高度多年平均增长率之间呈正相关关系,即岩质边坡体裂隙率越大,植物高度增长越快。
由图7和图8可知:对于章丘小东山和平阴黑风口两个试验场,当0.12%≤K体<0.48%时,植物高度的多年平均增长率为5%~10%;当0.48%≤K体<1.26%时,植物高度的多年平均增长率约为15%~20%;当K体≥1.26%时,植物高度的多年平均增长率约为30%~40%。
由图9可知,在岩质边坡体裂隙发育同等条件下,龙洞试验场植物高度的多年平均增长率较另外两个试验场高,主要原因是龙洞试验场植物处于幼苗期,植物生长需要的养分相对较少,种植孔内的土壤可为其生长提供充足的养分,因此植物生长速度较快。
综上可见,在K体<0.12%的区域参与统计的植物数量极少,通过分析监测数据可知该区域内植物成活率较低,死亡率高达65%,即便是成活的植物,其生长速度也极慢。主要是因为该区域边坡坡面裂隙发育少,植物根系生长没有充足的空间,不利于水分的运移和养分的存储。因此,当高陡岩质边坡K体<0.12%时,不适合采用地境再造技术对其进行生态修复。
2. 2 岩质边坡体裂隙率与植物冠幅的关系分析
采用与上节同样的方法绘制研究区内三个试验场岩质边坡体裂隙率与植物冠幅多年平均增长率相关性散点图,见图10至图12。
图10 章丘小东试验场岩质边坡体裂隙率与植物冠幅 多年平均增长率相关性散点图Fig.10 Scatter plot of correlation between slope fissure rate and annual growth rate of plant crown in Zhangqiu test site
图11 平阴黑风口试验场岩质边坡体裂隙率与植物冠 幅多年平均增长率相关性散点图Fig.11 Scatter plot of correlation between slope fissure rate and annual growth rate of plant crown width in Pingyin test site
图12 龙洞试验场岩质边坡体裂隙率与植物冠幅多年平 均增长率相关性散点图Fig.12 Scatter plot of correlation between slope fissure rate and annual growth rate of plant crown in Longdong test site
通过相关性分析可知,岩质边坡体裂隙率与植物冠幅多年平均增长率的相关系数R2在0.82~0.86之间,说明岩质边坡裂隙发育情况对植物冠幅增长速度的影响明显。
由图10和图11可知:对于章丘小东山和平阴黑风口两个试验场,当0.12%≤K体<0.48%时,植物冠幅的多年平均增长率为10%~20%;当0.48%≤K体<1.26%时,植物冠幅的多年平均增长率约为30%~40%;当K体≥1.26%时,植物冠幅的多年平均增长率约为50%~60%。
由图12可知:在岩质边坡体裂隙率发育同等条件下,高陡岩质边坡复绿中幼苗期的植物生长速度更快,在此不再赘述。
综上可知,高陡岩质边坡坡面裂隙发育状况与植物生长速度关系密切,在同等条件下,坡面裂隙越发育,植物生长速度越快,边坡修复效果越好。考虑到龙洞试验场新建1年,植物处于幼苗期,植物生长速度较平阴黑风口(3年)和章丘小东山(5年)试验场快,所得到的监测数据不能代表植物生长期的生长状态,因此本文针对高陡岩质边坡复绿中体裂隙率与植物生长速度关系的研究,以章丘小东山和平阴黑风口试验场的监测数据为依据。
地境再造技术通过在边坡上重建植物地下生境和植物群落以实现长久复绿的目的。目前针对该技术分析了影响植物生长的地境特征,包括根系生长空间、温度、水分、养分[19],在此基础上研究了裂隙岩体水汽场湿度季节变化规律以及植物生态需水量[20]等,尤其在温湿度方面做了大量深入的研究,但在植物生长空间方面的研究较薄弱,没有细化坡面裂隙发育情况与植物生长速度的关系。本文依托已有的试验场地,在系统分析整理长期监测数据的基础上,总结归纳出了岩质边坡体裂隙率与植物多年平均增长率之间的关系,结果表明在高陡岩质边坡生态修复中边坡体裂隙率与植物多年平均增长率之间呈正相关关系,并且划分出了不同体裂隙率对应的植物多年平均增长速率。该研究结果可直接用于指导高陡岩质边坡生态修复方法的选取,并可在边坡修复前预测复绿效果。
3 结 论
(1) 研究区内三个试验场高陡岩质边坡坡面发育有4~5组裂隙,裂隙与边坡呈一定角度相交并指向边坡内部,能有效地拦截和存储坡面上流下来的雨水及雨水冲刷所携带的含有养分的土壤。
(2) 高陡岩质边坡体裂隙率与植物多年平均增长率之间呈正相关关系,相关系数R2在0.82~0.88之间。当高陡岩质边坡体裂隙率K体<0.12%时,不适合采用地境再造技术对其进行生态修复;当0.12%≤K体<0.48%时,植物高度的多年平均增长率为5%~10%,植物冠幅的多年平均增长率为10%~20%;当0.48%≤K体<1.26%时,植物高度的多年平均增长率为15%~20%,植物冠幅的多年平均增长率约为30%~40%;当K体≥1.26%时,植物高度的多年平均增长率约为30%~40%,植物冠幅的多年平均增长率约为50%~60%。
(3) 地境再造技术是在生态地质学理论基础上探索提出的,本文的研究结果表明高陡岩质边坡体裂隙率与植物多年平均增长率之间呈正相关关系,该研究结果可直接用于指导高陡岩质边坡生态修复方法的选取,并可在边坡修复前预测复绿效果,对生产实践具有实际的指导意义。