基于苔藓植生技术的混凝土喷护坡面生态重建实验研究

周火明，杨星宇，王中豪，薛 鸽

（长江水利委员会长江科学院 重庆分院，重庆 400026）

生态重建是一种常用的生态修复技术。它通过生境再造、引种先锋植物重建被损害的生态系统，再造一个能实现自然演替、自我维持的自然群落[1]。本研究创新应用苔藓植生技术对混凝土喷护坡面进行生态重建。喷射混凝土护坡是目前维持岩土边坡稳定的主要手段，但是混凝土喷层会将边坡植物生长环境完全封闭，致使边坡表面植物难以生长，生态难以恢复。苔藓植物是一种仅次于种子植物的高等植物，其结构呈大片垫丛状群落，枝叶交错形成大量毛细空隙。这种结构造就了苔藓植物强大的吸水能力和抗冲能力，使苔藓植物能够抵抗自然高温，在干旱条件下能够存活，在适宜的生长环境能够快速恢复正常的生长状态[2-3]。苔藓植物生长迅速，在生长过程中分泌的酸性物质能分解混凝土表层，能从大气中吸附滞留营养物质，利用无性繁殖以芽孢或植物体碎片的形式形成新的植物体，并与地衣、藻类、真菌、细菌等在混凝土表层形成生物结皮，为维管植物的生长创造条件，开拓生境[4-8]。研究表明，在岩体开挖面应用苔藓作为先锋植物进行边坡生态恢复，可以显著促进草本植物发芽和生长[9]。目前对混凝土喷护边坡的苔藓植生技术研究较少，基层中混凝土含量对苔藓生长的影响以及抗冲刷能力尚不明确。鉴于此，本文通过混凝土喷护坡面苔藓生长调查、抗雨水冲刷的苔藓植生基层研制以及苔藓生长实验，以苔藓植物作为先锋植物在混凝土喷护坡面再造生境，提出了基于苔藓植生技术的混凝土喷护坡面生态重建技术。

1 混凝土喷护坡面苔藓生长调查

混凝土喷护坡面苔藓生长调查区位于重庆市江北区铁山坪海尔路路堑边坡（图1），调查区域面积约 300 m2，中心点经纬度为 29°37′5.83″N，106°40′0.83″E。调查区属典型的亚热带季风性湿润气候，夏季炎热，年平均气温18.2℃，年均降水量1 000～1 350 mm，年均相对湿度70%～80%，属高湿地区。

图1 研究区域Fig.1 Study area

2017年6月至10月开展混凝土喷护坡面苔藓生长调查，设置调查样方24个，每个样方大小为50 cm×50 cm，调查内容包括苔藓种类、生长盖度、伴生植物种类、坡度、坡向、光照、湿度等。采集苔藓标本置于塑料袋中，并记录标本采集的时间、海拔、生境、坡度、坡向等信息，将采集的苔藓标本带回实验室后借助解剖镜和光学显微镜，参照《中国苔藓志》（第1—10卷）和《中国生物物种名录》（第1卷）进行鉴定。

调查结果表明，调查区混凝土喷护坡面生长12种苔藓植物（表1），另外还有9种其他草本植物伴生，包括狗牙根（Cynodon dactylon）、佛甲草 （Sedum lineare）、黄鹌菜（Youngia japonica）、蒲儿根 （Sinosenecio oldhamianus）、野胡萝卜 （Daucus carota）、半夏（Pinellia ternata）、紫竹梅（Setcreasea purpurea boom）、三叶地锦（Parthenocissus semicordata）、野艾蒿（Artemisia lavandulaefolia）、酢浆草 （Oxalis corniculata）（图2）。各种苔藓的平均盖度与频数如图3所示。由图3可见，重庆市江北区铁山坪海尔路混凝土喷层边坡苔藓的优势种主要为细叶真藓（Bryum capillare）、卷叶湿地藓（Hyophila involuta）、葫芦藓（Funaria hygrometrica）和黄砂藓（Racomitrium anomodontoides），这4种苔藓在混凝土喷层边坡生长良好，面积占比也超过20%。混凝土喷层边坡植物生长结构层次明显，其中苔藓为最底层，伴生草本植物生长在苔藓上层。

图2 调查区苔藓与伴生植物生长照片及示意图Fig.2 Photograph and schematic diagram of bryophytes and associated plants in the investigation area

图3 苔藓平均盖度与频数Fig.3 Average coverage and frequency of bryophytes

表1 调查区苔藓种类及其它伴生植物种类Table 1 Species of bryophytes and associated plants in the investigation area

苔藓的伴生植物主要以一年生草本植物为主。伴生种的存在，改善了植物生长微生境的湿度和温度，促进苔藓生长。研究表明，苔藓作为先锋植物，不仅自身抗逆性较强，而且自身枯死后分解的有机质会在混凝土表层逐渐形成一层基层，为其他植物的生长创造条件[4]。因此，苔藓植物有促进草本植物发芽和生长的作用，通过苔藓、基层与混凝土喷层三者之间的生态循环过程，可以实现重建混凝土喷护坡面生态系统的目的。

2 苔藓植生基层配制与苔藓生长实验

苔藓藓种采用野外采集的黄砂藓和细叶真藓。黄砂藓又称星星藓，疏松丛集，植物体粗壮，上部黄绿色，下部深褐色，长7～8 cm，茎匍匐或倾立，不规则分枝。细叶真藓，植物体密集丛生或稀疏丛生，高达1 cm，亮绿色，茎直立，多不分枝。2018年5月，现场采集两种苔藓植物，装入洁净塑封袋中，取回实验室室温下晾干。实验前，将苔藓捣碎制作苔藓配子体。

已有研究成果表明：不同基质苔藓植物生长效果和生长发育状况存在显著差异，基质的通气性、保水性以及pH等理化因素对苔藓的生长均有影响，其中含灰分高的基质苔藓生长量最大，抗逆性也最强[10]。研究表明，以菜园土和河沙为基质的苔藓配子体成活率显著高于黏土基质，河沙在栽培初期保持湿度的条件下可以作为良好的保护性载体，而肥力较高的菜园土对于维持配子体成活率有着积极的作用[11]。总结已有的研究成果，此次生长实验苔藓植生基层主要基质配料采用河沙和菜园土。为了增强苔藓植生基层黏结能力并加强基层抵抗雨水冲刷能力，配料中分别采用10%与20%的C42.5普通硅酸盐水泥。水泥主要作为黏结剂增强苔藓植生基层的强度和抗冲刷能力，但水泥的加入会增加基层的碱性，碱性过高会抑制苔藓生长甚至会使苔藓凋亡，因此基层配料中加入适量0.1 kg/m3硫黄粉以中和碱性。

苔藓植生基层具体配制过程如下：先分别将河沙与水泥、菜园土与苔藓配子体进行拌和，混合后加入掺硫黄粉的水进行调配。基层中河沙与菜园土质量比采用1∶1，水泥质量占比分别采用10%或20%。苔藓配子体与基层质量比采用1∶5。制作直径10 cm、厚度1.5 cm的圆形样方。将配制好的苔藓植生层样方置于实验室，定期浇水养护，观察并记录苔藓植生层样方中苔藓及伴生植物的生长状况，包括苔藓种类、藓丛盖度、伴生植物种类等。

第57 d和第901 d时，水泥含量分别为10%和20%的苔藓植生基层中苔藓及伴生植物生长状态如图4所示，水泥含量10%基层苔藓植物的长势明显优于水泥含量20%基层。水泥含量10%基层苔藓覆盖率相对较高，而水泥含量为20%的基层苔藓植物生长趋势较缓慢，表明基层水泥含量为20%时，苔藓植物的生长受到抑制。

图4 基层水泥含量10%和20%苔藓生长状态Fig.4 The growth of bryophyte in the substratum with 10% and 20% cement content respectively

图5为水泥含量10%基层苔藓与伴生植物生长状态，伴生植物包括阿拉伯婆婆纳（Veronica persica）、狗尾草（Setaria viridis）、蒲儿根、酢浆草（Oxalis corniculata）和野艾蒿等草本植物，体现了苔藓作为先锋植物的生态修复作用。

图5 水泥含量10%基层苔藓与伴生植物生长状态Fig.5 The growth of bryophyte and associated plants in the substratum with 10% cement content

3 混凝土喷护坡面苔藓植生现场实验

3.1 苔藓植生现场实验设计

2018年11月8日，与室内实验同时开展现场植生实验。实验场地选择在重庆市江北区铁山坪海尔路路堑混凝土喷护坡面，边坡坡度50°，实验区域位于边坡中下部（图6）。藓种采用黄砂藓和细叶真藓，基层配制同室内实验，水泥含量分别为10%和20%。现场苔藓植生基层配制与实验室相同，依次按照河沙和水泥混合、菜园土和苔藓配子体混合、掺入硫黄粉的水拌和至软塑状态，铺设于选定的混凝土喷层坡面，单个样方尺寸为10 cm×10 cm×1 cm（图7）。开始一周内连续每天定时浇水养护，之后苔藓自然生长。

图6 苔藓植生实验场地混凝土喷层坡面Fig.6 Sprayed concrete slope for bryophyte planting experiment

图7 现场苔藓植生实验样方Fig.7 Plots of bryophyte planting experiment

3.2 苔藓植生现场实验成果

初期（第57 d）水泥含量10%的基层苔藓植物的长势较好，苔藓覆盖率相对较高，水泥含量20%的基层苔藓植物生长较慢。但后期（第901 d）苔藓生长状态无明显差别。受损程度较低，从样方受损程度看，含有水泥胶凝材料的苔藓植生基层具有一定的抗雨水冲刷能力（图8）。

图8 基层水泥含量10%和20%不同时期苔藓生长状态Fig.8 The growth of bryophytes in the substratum with 10% and 20% cement content in different period

现场应用实验成果表明，苔藓植生基层配制将水泥作为黏结剂是可行的，水泥含量控制在10%～20%时，既能满足苔藓植生基层抵抗雨水冲刷的要求，又能满足苔藓生长的需要。

4 结语

通过对重庆市江北区铁山坪海尔路道路边坡生长苔藓现场调查，选取生长状态较好的黄砂藓和细叶真藓作为混凝土喷护坡面生态重建实验苔藓藓种，采用河沙和菜园土作为苔藓植生基层主要基质，添加10%或20%的C42.5普通硅酸盐水泥以及少量的硫黄粉，配制成的生态基层苔藓长势良好，既具有抵抗雨水冲刷能力又能满足苔藓及伴生植物生长要求，体现了苔藓作为先锋植物在混凝土喷护坡面生态修复中的积极作用。实验取得的苔藓植生抗冲刷生态基层配制方法等成果需进一步在混凝土喷护坡面进行大面积规模性实验验证。