工程边坡生态修复目标与技术方法

2023-03-16骆银辉吴柳宗蒋学广陈允建

中国水土保持 2023年2期

骆银辉，吴柳宗，蒋学广，郭睿，陈允建

(1.云南地质工程第二勘察院有限公司，云南昆明 650218； 2.云南省地质科学研究所，云南昆明 650051)

我国经历了几十年工业化发展阶段，开展了大规模的水、电、路、矿山等基础设施建设和城市化建设，对国土生态造成了巨大的破坏，其中山区大量的道路工程和水电工程产生的工程边坡，对生态环境的破坏面最大。工程边坡生态修复是典型的困难立地条件下的生态修复，是工程建设项目生态修复的大难题。目前，国家尚未提出针对工程边坡生态修复的目标要求，大部分工程边坡治理的技术目标主要是满足工程安全，即使部分工程边坡做了绿化覆盖，也仅仅是以满足水土保持要求的绿化为目标[1]，且每个地方的标准不统一，效果差异也较大。总之，未能从全面恢复生态功能的角度开展生态修复，这种现状显然达不到国家关于绿色发展的要求。在国家生态文明建设和“碳达峰、碳中和”的发展阶段[2-3]，应坚持生态优先的发展原则，建设绿色矿山、绿色公路、绿色水电、绿色铁路，最大限度修复因工程建设而破坏的生态环境。目前，各行业都在制定绿色发展的相关技术标准，因此工程边坡治理的目标除了要满足工程安全要求，还要达到环境保护和生态功能恢复目标，按照安全、环保、生态三大目标统筹考虑。笔者从恢复生态功能的要求出发，根据大量工程实践经验和国内相关研究成果，结合工程实例，介绍边坡生态修复的目标和技术方法，以期为边坡生态修复探索出较为科学的技术途径和绿色发展途径，为研究制定工程建设的生态修复技术标准提供参考。

1 工程边坡生态功能修复的目标及技术途径

过去，生态修复主要强调绿化，如《生产建设项目水土流失防治标准》强调林草恢复率和覆盖率。生态修复的目标不应仅仅是绿化，而应是根据生态学理论恢复生态系统的基本功能[4-5]。按照生态学理论，整个生物圈生态系统的功能主要表现为生物生产、能量流动和物质循环，它们是通过生态系统的核心部分——生物群落来实现的。生态系统对人类具有多方面的服务功能，生态系统的服务功能在人类不同发展阶段的贡献是不一样的，比如在农耕时代，生态系统对人类的服务主要体现在农林产品的生产和食用动物的生产与供给。我们要修复的国土生态系统主要是指植物生态系统，站在人与自然和谐发展角度，在我国新的发展阶段，在全面实施山水林田湖草生态保护修复工程的要求下[6]，植物生态系统对人类的服务功能主要体现在：农林植物生产、固碳(碳汇)、固氮、制氧、净化空气[7-9]；美化自然和人居生态环境；发挥防风固沙、保持水土、涵养水源、净化水质等作用；改善气候，促进区域生态系统良性循环等[10]。根据大量研究成果，生态服务功能总体可归纳为四大功能：供给功能、调节功能、文化功能、支持功能。

边坡生态修复的基本目标就是充分恢复植物生态系统的四项服务功能。基本技术途径即根据气候条件、土壤环境及工程边坡实际情况，按照生态学理论，筛选优势植物，构建适宜的边坡植物立地条件，重建与区域生态功能(如城市生态功能、森林生态功能、草原生态功能、河岸湖岸湿地生态功能、农业生态功能等)相协调的生态系统[11]。在此重点以重建边坡森林型生态系统为例，根据工程实践经验和国内相关研究成果，结合工程实践介绍边坡生态系统重建的技术方法。

2 工程边坡生态系统重建模式与方法

为了更好地实现边坡工程的安全、环保和生态目标，边坡生态修复也要有利于安全和环保(水土保持)的需要，因此工程边坡生态修复的总体原则是：以实现植物生态服务功能为目标，安全优先，突出生态功能，注重景观与区域生态协调。即在保证边坡安全的前提下，依照生态学理论指导，兼顾景观效果，构建一个与区域生态功能相协调(与国家和地方生态功能区划协调一致)、可自我更新、健康、稳定的边坡森林型生态系统。基本方法就是消除边坡安全隐患，创造乔、灌、草不同植物的立地条件，采用科学的生态修复技术，重建科学的乔灌草群落结构系统，即边坡森林型生态系统。

森林型生态系统是以乔、灌植物为主体，包含草、藤、苔藓等物种的植物群落及多种动物栖息衍生的生态结构系统，具备了生态系统的三大基本功能和植物生态系统的四项服务功能。重建边坡森林生态功能就是构建科学的乔灌草植物群落结构系统[12-13]。重建的乔灌草森林型生态系统发挥作用的先后顺序是草、灌(或藤)、乔。草本植物种下后经一个雨季即可见效，可以对边坡土壤产生一定保持作用；2～3 a后灌木(或藤)长成开始发挥作用，对边坡土壤和水分起到有效保持作用，此时草本植物逐步退化，仅作为边坡生态系统的补充植物。新构建的乔灌草森林型生态系统最终要向以乔、灌植物为主体，草、藤、苔藓植物为补充，呈现有序林层的森林空间生态结构演替。比如21世纪初期云南建成的多条高速公路旁部分灌草混栽修复的边坡，如今调查发现多数已演替为以灌丛为主的群落结构，种植合欢树的乔灌草边坡基本演替成以合欢林为主体，少量灌木、局部草丛的群落结构。

工程边坡的基本类型包括人工填土边坡、人工开挖土质边坡、人工开挖岩质边坡等；按照坡度分类可分为缓坡(<30°)、斜坡(30°～45°)、陡坡(45°～75°)、特陡坡(>75°)；按照边坡岩土类型可分为土质边坡和岩质边坡。不同坡度的土质边坡和岩质边坡立地条件不同，生态修复方法不同。这里具体探讨不同类型边坡生态系统构建模式和方法。

2.1 土质边坡生态系统构建

土质边坡由土体构成，多以缓坡(<30°)和斜坡(30°～45°)为主，植物根系可以进入坡体，对表层土壤改良后可直接栽植、播种植物。坡度大的边坡可采用分台结构，为乔木栽种创造立地条件。通常情况下，土质缓坡可采取“乔+灌+草”方式构建植物群落结构(见图1)，土质斜坡可采取“灌+草”方式构建植物群落结构，多级边坡之间的平台主要种植乔木(见图2)。整个边坡区域采取乔灌草植物群落立体结构模式，通过优选植物配置，可充分发挥植物在不同时间和不同空间上的生态功能。植物通过地上枝叶和地下根茎共同起到保持水土、涵养水源的作用，最终恢复边坡生态系统的结构和功能。

图1 土质边坡(缓坡)植物群落结构剖面示意

图2 土质、岩质边坡(斜坡)植物群落结构剖面示意

2.2 岩质边坡生态系统构建

岩质边坡由岩石构成坡体。岩质边坡多以斜坡(30°～45°)、陡坡(45°～75°)为主，也存在一些特陡坡(>75°)情形。根据边坡高度、岩体的物理力学性质、岩层与坡面走向等，可采取分台削坡、框格梁锚固等不同防护措施进行防治，保证边坡安全稳定。工程边坡应采用台阶式结构，合理设计边坡台宽、台高和坡度，为乔木生长创造立地条件。一般来说，岩质边坡缺乏植生土壤，还应通过覆盖客土构建植物生长的土壤层。不稳定岩质边坡应该按照先锚固后修复的顺序施工[14]。通常情况下在岩质边坡上构建植物群落结构时，平台+斜坡可采取“乔+灌+草”方式(见图2)，平台+陡坡可采取“乔+草+藤”方式(见图3)，平台+特陡坡可采取“乔+藤”方式(见图4)。

图3 岩质边坡(陡坡)植物群落结构剖面示意

图4 岩质边坡(特陡坡)植物群落结构剖面示意

2.3 边坡生态修复主要技术方法

目前边坡生态修复广泛采用的技术方法，总体上可分为喷播修复和栽植修复两大类型(见表1)。根据材料配方及喷播基质性状的不同，喷播修复可分为团粒喷播、植被混凝土喷播、客土喷播、液力喷播等多种方法；栽植修复方法更多，除直播和植苗造林外，主要有植生毯垫、植生袋、植生槽等多种工法，这些栽植工法可充分结合边坡地质稳定情况辅以浆砌石骨架、现浇格构等工程措施进行综合防护[14-17]。

表1 边坡生态修复技术方法及适用条件

2.4 植物选配原则和要求

植物选配是植物群落构建的关键，要根据生态修复目标、气候条件、景观要求、植物对环境的适应性、植物群落的稳定性要求，选配植物种类。总的原则是：适地适树，乡土原则；短期效果与长远效果兼顾原则；生态功能与景观效果兼顾原则；有益植物群落稳定和植物多样性原则。植物选择要兼顾短期效果和植物长期适应性，尽量选用生长较快的常绿型乡土植物，其中先锋植物必须生长速度快，能通过一个雨季见效，尽快起到维护边坡土壤的作用，这对客土喷播的边坡非常重要[17]；同时要考虑植物适应性，避免出现“一年绿，二年黄，三年枯”的水土不服现象[16-18]。公路、城市工程边坡等还要选择体现景观效果的植物。考虑到边坡乔木生长的立地条件，不宜选择树冠高大的植物。藤本植物应能很好地适应强光照或阴湿、瘠薄及岩面高温等恶劣条件，并且要根据边坡高度选择不同攀爬能力的植物。最后，要考虑植物群落的稳定性及预防自然灾害的需求，物种要多样化，同时还要考虑物种之间的生长协调性，避免恶性竞争，防止有害物种入侵。

2.5 植物群落维护管理

植物种植后，应有3个月的成活养护期，养护事项有施肥、病虫害防治、补植补种、灌溉浇水等。在施工完成3个月后进行植被恢复效果评价，并根据评价效果制定相应的补种和管理措施。乔灌草型和灌草型植被群落构建后的管理期限一般为2～3 a，草本型和藤灌型植被施工后的管理期限一般为1～2 a。草灌斜坡最终会演替成以灌丛为主体的生态结构[19]，因此从第二年开始必要时进行割草干预，以促进灌丛发育生长，加快群落演替进程。以乔木为主体的群落养护同样需要人工适当干预，进行必要的除草、除去过度茂盛的灌丛，以保障乔木生长需要的养分、阳光等资源，加快群落演替进程，实现生态功能的恢复。

3 工程实践与工程实例

近几年公路建设、水电建设、矿山建设等领域开始探索绿色发展道路和边坡生态修复技术方法。云南省个旧市黑马山矿山(采石场)采坑边坡生态修复项目是本科研课题的生产试验项目之一，边坡总高度150 m，为灰岩岩质边坡。为达到边坡稳定和重建森林型生态系统的目标，边坡治理采用分台结构，平台宽3～8 m，台高20 m，台间斜坡坡度45°～75°。参照矿区周边区域生态功能和植被群落结构，平台栽种本地乔木湿地松，岩质陡坡采用挂网客土喷播木豆、合欢、苜蓿、车桑子、羊蹄甲、狗牙根、伞房决明、波斯菊、高羊茅、黑麦草等多种灌草植物，特陡坡底部和顶部平台分别栽植炮仗花、爬山虎等藤本植物覆盖坡面，形成分台式乔、灌、草、藤边坡立体群落结构。

该项目于2021年3—6月施工，草本植物3个月基本长成，对边坡土壤形成有效保持作用；灌木类植物6个月高30～150 cm，两个雨季后已形成灌木丛(最高达300 cm)，草本植物大部分退化，3 a后可形成灌木林，能发挥较好的生态功能；湿地松15个月最高达600 cm，预计8～10 a后成林，矿区森林生态功能基本恢复。