裸露岩质边坡覆绿的生态地质学指标分析

王 玲， 黄景春， 李 喆

(河南省地质环境监测院，河南 郑州 450006)

裸露岩质边坡覆绿的生态地质学指标分析

王 玲， 黄景春， 李 喆

(河南省地质环境监测院，河南 郑州 450006)

裸露岩质边坡覆绿成败的关键在于植物和岩体的有机结合，植被地境再造技术效果突出.通过以河南省宜阳县锦屏山高陡岩质边坡覆绿工程为研究对象，从生态地质学角度研究地境再造技术指标，为了解决岩质边坡的覆绿这一问题，必须要满足以下条件:岩体体裂隙率达到3%以上、岩壁覆绿植物种植孔深度在40～60 cm之间、种植孔施工角度与裂隙的发育产状相关且以切穿更多的裂隙为原则.图6，表6.

岩质边坡；覆绿；生态地质学；锦屏山

大规模采石活动和矿产资源开采造成大量裸露的岩质边坡，极大地影响着城市和旅游景区周边、铁路及高速公路两边的生态环境和景观，因此边坡覆绿成为急需解决的问题.目前，边坡覆绿技术主要有挂网喷播、生态袋、燕窝巢等，但这些技术应用在高陡岩质边坡时效果不佳，主要原因在于这些技术仅关注工程施工本身，而没有考虑岩体本身的特点，也没有考虑植物如何与岩体结合的问题.研究业已证明，诸多的生态问题都可以归结为地质问题[1-2]，高陡岩质边坡的覆绿问题也不例外.

该文以河南省宜阳县锦屏山边坡覆绿工程为例，从生态地质学的角度探析岩质边坡覆绿的理论基础，为今后的高陡岩质边坡覆绿提供理论支撑.

1 研究区概况

锦屏山位于宜阳县城南部，地理坐标为东经：112°9′33.9″～112°10′56.2″，北纬：34°30′24.4″～34°30′58″.锦屏山呈东西向延伸，东西长5 km，南北宽2 km.锦屏山采石场经过17年的大规模强力露天开采，整个采石场自东向西已形成了长约2 500 m，宽30～50 m，剥离面高30～150 m的人工采掘宕口27个，岩体裸露，植被破坏严重(图1).

图1 覆绿前边坡Fig.1 The Previous Rocky Slope

2012年，河南省地质环境监测院运用植被地境再造技术对裸露边坡实施覆绿工程，2015年，项目组对施工区内各坡面所种植植物成活率的进行调查统计，刺槐成活率为63%、扶芳藤成活率为86.41%、连翘成活率为86.5%、爬山虎成活率为88%、山杏成活率为87.06%、迎春总成活率为86.73%、黄栌成活率92%.根据统计结果可知，施工区总体覆绿效果相对较好(图2).且调查工程中还发现施工坡面还生长有大量的野生本地物种，如臭椿、构树、黄荆、榆树、野菊花、狗尾草、小飞蓬等，这也从侧面说明覆绿工程有助于该施工区本地植物群落的恢复.

图2 覆绿2年后效果Fig.2 Two years later after greening

2 生态地质学分析

研究区施工所用地境再造技术的理论基础即为生态地质学，故从岩体裂隙发育、植物地境深度、种植孔角度等方面讨论高陡岩质边坡覆绿的生态地质学指标.

2.1 岩体裂隙发育

岩体裂隙的生态学意义在于可以为植物根系提供发育空间、提供植物生长所需的养分、水分和氧气[3].研究对裂隙的体裂隙率以及裂隙内部的湿度、温度等进行了调查研究.

1)体裂隙率.岩体体裂隙率即单位岩体裂隙体积与岩体体积的比值，计算公式如下：

K体=∑Vi/V× 100%

根据以往其他地区的测量经验，通常灰岩岩石的体裂隙率一般在1%～2%.本次共计调查锦屏山采石场27个宕口70个岩壁的2315条裂隙，统计结果显示，岩壁裂隙一般在3～5组，有些岩壁发现7组裂隙，岩石体裂隙率一般3%～5%，个别地方最大超过7%，最小的超过2%.说明锦屏山采石场岩体裂隙较发育，形成了较为明显的裂隙网络，具有很好的连通性和导水性，能够为植物的根系提供足够的生长空间.

2)温、湿度.通过在岩壁上开凿孔穴的方法测量了室外日平均气温在28.3 ℃时，岩壁内不同深度的温度及湿度，共开挖测试样坑共计16个.根据测量数据绘制裂隙湿度随深度变化曲线图(图3).

图3 裂隙湿度随深度变化曲线图Fig.3 Fracture humidity curve with depth

可以看出，湿度均在10～30 cm区间内急速升高，30～70 cm升高变得缓慢，60 cm时12号和15号孔的湿度在85%上下，其余孔的湿度均在95%左右，3号孔在70 cm处基本达到100%.温度在10～40 cm之间下降明显，在50 cm深处基本降至25 ℃，之后没有剧烈的变化，趋于平稳.总的来说，随着深度的增加，湿度呈现增高的趋势，而温度则呈现降低的趋势.温度和湿度在一定深度之后均呈现稳定的趋势.

从文献[4]的研究结果来看，地下30～50 cm处为灌木的根群圈范围，地下50 cm处出现乔木的根群圈.根据调查，长有植物的1、9、14号孔深度在30～50 cm时湿度在80%～85%之间，平均湿度88.7%，50 cm处湿度达到84%，之后逐步上升到95%.所有深度的温度基本保持在25 ℃.其余的孔深度处于30～50 cm时湿度在60%～99%之间，平均湿度为86.3%，50 cm处湿度的平均值在82.1%，之后逐步上升到99%.温度在30 cm处基本稳定在25 ℃，随后有下降的趋势，在70 cm处降至20.5 ℃.不难看出，未生长植物的缝隙其温度和湿度条件与生长植物的缝隙基本相当，因此缝隙内的湿度与温度可以满足植物生长的需求.

2.2 地境深度

就长期覆绿效果而言，乔木显然优于灌、草.研究显示[4-6]，在我国中纬度地区乔木的地境深度一般在60 cm左右.研究区植物地境结构调查通过样坑进行，开挖样坑后进行植物根系调查计数时按粗根(根茎>10 mm)，中根(根茎为2～10 mm)和细根(根茎<2 mm)三级划分，分别记录各网格出现的数目(死根不予统计)，根据调查数据，总根累积频率从上到下逐渐减少的规律明显，且细根占的比重很大.细根频率分布上存在峰值，代表了某种生活型的根群圈范围.为了更加直观，现以两组细根频率分布曲线(图4)对调查区地境结构进行分析：第一组是细根总频率—深度曲线；第二组是主调查面中轴(左右对称轴)两侧不同距离处的细根频率—深度曲线类型.

图4 1号样坑细根频率分布图Fig.4 Fine roots frequency distribution of the first sample pit

通过对上述样坑植物根群层片规律的分析可知，该地细根频率曲线收敛域在40 cm以内，中根的最大分布深度为30 cm，锦屏山采石场的植物地境的底界在40 cm左右.这是由于根群受到坚硬地层的胁迫效应使得乔木、灌木根群层片发育受到限制，因此所有根群只能挤在同一处而无法形成完整根群层片.

因此，种植孔地境深度应在40～60 cm之间.

2.3 种植孔角度

岩壁覆绿植物种植不同于一般田间或公园景观的植物种植，对种植孔的要求是要尽可能多的切穿岩体内部的裂隙，以获得尽量多的水分、肥分，及尽可能大的根系伸展空间.所以，岩体裂隙的展布形态、空间发育特征是重要的参数.本研究为了直观反映锦屏山采石场各个宕口的岩壁裂隙发育程度和裂隙网络主方向的发育程度，将本次野外测得的大量岩体裂隙产状数据以10°为一区间进行分组，统计出每组裂隙的数量和倾向的平均值，绘制27个宕口的裂隙倾向玫瑰花图，图5、图6为示例玫瑰花图.

裂隙发育方向以倾向南西180°～240°的裂隙最为发育，北东10°～65°方向次之.因此，种植孔的设计应考虑切穿裂隙最多的角度，即120°左右，或100°左右为宜.考虑到现场施工问题，可以适当调整，但调整幅度不能超过10°.

图5 裂隙倾向玫瑰花图Fig.5 Rose diagram of fracture tendency

图6 裂隙倾向玫瑰花图Fig.6 Rose diagram of fracture tendency

3 结 论

1)高陡岩质边坡覆绿的关键是植物与岩壁的关系问题，即岩壁的地质条件能否满足植物需求，以及植物能否适应这些条件.所以说高陡岩质边坡覆绿既是生态问题，也是地质问题，地质条件是解决问题的根本，生态地质学理论是其基础；

2)岩体裂隙发育程度决定着覆绿植物的长期生存，裂隙既是植物根系的伸展空间，也是植物所需水分、肥分的来源通道；裂隙发育的表征指标是体裂隙率，即岩体体裂隙率达到2%以上即能满足植物生长需求；

3)田间植物的地境深度与岩壁植物有所不同，强烈的胁迫作用使得岩壁植物的地境深度多集中在20～40 cm之间，为保证足够的伸展与生存空间，岩壁覆绿植物的地境深度应控制在40～60 cm，过深增加工程成本，过浅无法保证植物根群的生存空间；

4)种植孔施工角度需要根据岩体裂隙的发育产状确定，以切穿更多的裂隙为原则，具体确定方法可以通过绘制裂隙倾向玫瑰花图完成，但需要注意的是无论如何种植孔的角度不得朝下.

[1] 黎志恒，宁立波，杨俊仓.敦煌地区生态问题的地质学探析[J].湖南生态科学学报，2014,1(2)：43-47. Li Zhi-heng，Ning Li-bo，Yang Jun-chang.Analysis of Ecological Problems in Dunhuang Area based on Geology[J].Journal of Hunan Ecological Science，2014,1(2)：43-47.

[2] 贾雪娇，宁立波，王亚男,等.全球气候变化背景下祁连山生态问题的地质学探析[J].湖南生态科学学报，2014,1(1)：34-38. Jia Xue-jiao，Ning Li-bo，Wang Ye-nan,et al.Exploration of Ecological Problems of Qilian Mountains under the Global Climate Changes on Geology[J].Journal of Hunan Ecological Science，2014,1(1)：34-38.

[3] 贾昊冉，宁立波，李 明,等.岩体裂隙的生态学意义研究:以河南省宜阳县锦屏山采石场为例，环境科学与技术，2014，37(9)：48-54. Jia Hao-ran，Ning Li-bo，Li Ming,et al.Ecological significance of rock fracture：case study of a quarry in Jinping Mountain of Yiyang County,Henan Province[J].Environmental Science & Technology，2014，37(9)：48-54.

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[5] 汤梦玲.黑河中下游地区植物物种地境层次特点分析[J].湖北农业科学，2008,47(7)：782-784. Tang Meng-ling.Analysis on the Characteristics in Each Stratum of Underground Habitat for Plant Species in Middle- Lower Reaches of Heihe River[J].Hubei Agricultural Sciences,2008,47(7)：782-784.

[6] 徐恒力,汤梦玲,马 瑞.黑河流域中下游地区植物物种生存域研究[J].地球科学，2003,28(5)：551-556. Xu Heng-li,Tang Meng-ling,Ma Rui.Study on Survival Regions of Plant Species in Middle-Lower Reaches of Heihe River[J].Earth Science，2003,28(5)：551-556.

Biography：WANG Ling,female,born in 1973,engineer,ecological geology and hydrogeology.

Analysis on Ecological Geological Index of Bare Rocky Slope Greening

WANG Ling, HUANG Jing-chun, LI Zhe

(Henan Geological Environment Monitoring Institute,Zhengzhou 450006,China)

The key to success or failure of bare rocky slope is the organic combination of plants and rock mass,and the remarkable effect of vegetation below-ground habitat recreation technology.The Technical Index of geotechnical reconstruction was studied from the perspective of ecological geology in the high steep rock slope greening project of Jinpingshan in Yiyang County,Henan Province.In order to solve the problem of greening the slope of rock slope,the following conditions must be met: volume fissure rate more than 3%,the depth of planting holes between 40～60 cm,and the angle of planting hole being related to fracture occurrence as well as taking cutting through more fissures as the principle.6figs.,6refs.

rocky slope; greening; ecological geology; Jingpingshan

2017-05-18

国家自然科学基金资助(编号：41572344)

王 玲(1973-)，女，河南周口人，工程师，研究方向：生态地质与水文地质.

10.3969/j.issn.2095-7300.2017.02-043

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