露天矿山高陡岩质边坡生态修复技术研究现状与发展趋势

李予红，赵金召，张万河，郭 睿，南贵军，李艳晨

河北省地矿局国土资源勘查中心，河北 石家庄 050081

石材开采在促进社会经济快速发展的同时，也形成了大量的高、陡、裸露的岩质边坡，导致矿区土地资源遭受破坏、植被群落的多样性丧失、水土流失严重、严重破坏了地貌景观、增大了空气中PM2.5和PM10含量、诱发了矿山地质灾害[1]等一系列生态环境灾难[2]，严重影响和制约了生态环境与人类社会的和谐发展[3]。国内大多闭坑和历史遗留的石灰岩矿，其形成的立地条件极差的裸露高陡岩质边坡没有进行有效的修复，造成极差的视觉效应，严重影响城市形象，“三区两线”附近的“白茬山”问题更为突出，党的十九大提出了“绿水青山就是金山银山”的口号，因此，开展高陡岩质边坡治理工作已亟不可待。

由于高陡岩质边坡高差大，坡度陡，坡面长，坡面温差变化幅度快且大、以及植物根系生长空间的受限等，所以复绿极其困难[4-5]。目前，高陡裸露岩质边坡复绿技术主要借鉴较为成熟的公路、铁路边坡复绿技术[6-7]，如客土喷播技术[8]、植生袋技术[9-10]、三维植被网喷播技术[11-12]、飘台法、植被混凝土生态防护技术[13-14]、爆破燕窝生态重建技术[15]、藤本垂直绿化技术[16]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。对于高陡岩壁复绿，应在调查矿区土壤、植被、地质、构造、水文、气候气象等条件的基础上，充分考虑高陡岩壁的坡度、坡向、高差、坡面基岩裂隙的发育特征、植被群落的选择及后期管护问题。本研究将对国内外常用的生态修复技术进行归纳总结，并从植被地境重塑技术、坡面复绿技术、植被的选择及后期养护技术等方面对高陡岩质边坡的生态恢复技术进行探讨，以期为今后的高陡岩壁修复工作提供一些依据。

1 研究现状

1.1 植被地境重塑技术

植被地境重塑技术是充分利用人工造孔和岩体裂隙为植被营造地境条件。植被生长需要适宜的地下生境条件，包括生长空间、水肥和温湿度等条件，良好的地境有助于形成开放的生态环境系统[17]。国内外众多学者对地境重塑技术进行了持续不断的探索。苏绘梦等[18]通过分析岩基岩裂隙内根系生长的地境条件，发现植被根系形态随裂隙的形状呈扁平状发育，而且裂隙内的地境条件能够满足某些植被生长发育的需求；王帅等[19]研究了植被生长的地境特征，结果显示：裂隙率大且贯通性好的岩质边坡，能够满足植物根系生长需要的空间、养分、水汽交换等条件，同时温度和水分也能满足植物正常的生理需求；吴杨等[20]采用的生态重建方案与岩体质量等级及节理、裂隙发育情况相适应，在矿区的不同区域进行了相关实验，结果表明：平台治理前期采用林、草相结合，待土壤熟化后，可种植经济作物，具有明显的经济效益。河北省地矿局第二地质大队通过在高陡岩质边坡上钻设倾角为45°、孔径为150 mm、孔深为500 mm的植生孔，用配有肥料、保水剂的客土回填孔洞，孔内种植当地的灌木、藤蔓、杂草。经研究发现，重塑地境的温度、湿度、含水量、养分等条件能充分满足不同季节植被的生长发育需要。该技术为高陡岩质边坡的治理提供了崭新的思路。

1.2 坡面复绿技术

国外的学者们在高陡岩质边坡生态修复方面研究的起步较早，已形成了适合当地的修复方法与思想理念[21]。国内对高陡岩质边坡绿化技术的研究近几年才开始，但是发展速度较快。

1.2.1 液压喷播技术

该技术是将催芽后的种子与一定比例的水、纤维、保水剂、黏合剂、缓释肥和腐殖土混合搅拌，然后利用喷播机将浆体混合物喷到坡面的绿化方法[22]。该技术具有机械化程度高、绿化速度快、工作效率高等优点[23]。周利民[24]将该技术应用到飞来峡水利枢纽工程开挖的典型坡面，取得了良好的生态效益；杨承祥等[25]将该技术应用于露天铜矿边坡绿化中，取得了良好的绿化效果。

1.2.2 三维植被网喷播技术

该技术是在土工合成材料中加入活性植被，在高陡岩质坡面构建一个适合植被生长的环境，利用植被生长根系的加筋作用对岩质边坡进行加固[26]。刘晓鹏[27]、罗艺伟等[28]分别在岩质边坡的生态防护中对该技术的施工过程及工艺要点进行了分析；程晔等[29]、李连胜等[30]认为，该技术有效降低了坡面的水土流失；顾晶[31]、周海波等[32]在高速公路沿线边坡生态防护工程中应用了此技术，并取得了较好的生态效果。

1.2.3 厚层基材喷播技术

该技术是在坡面上喷射混有种子和防侵蚀材料的厚层基质材料，形成一层适宜植被生长且性能稳定的基材层[33]。余海龙等[34]、田青怀等[35]、朱浩等[36]、夏明强[37]、卿翠贵等[38]在岩质边坡生态修复工程中应用了该技术，其生态防护效果较好，该技术对岩质边坡绿化具有一定的指导意义。

1.2.4 植被混凝土防护技术

该技术是将植物种子、普通硅酸盐水泥、土壤、养分、保水剂等混合，然后通过喷混机械喷射到岩质坡面上，种子可以在空隙中生根发芽且具有较强的抗冲刷能力。其具有机械化程度高、效率高、后期养护成本低等优点，集生物工程、景观生态学等学科于一体的生物学、土壤学、岩石力学、综合生态与环保技术[39]。该技术自20世纪90年代中期引入我国，并在生态防护工程中得到了广泛的应用。赵春权[40]、王耀建等[41]、闫新亮等[42]、梁超贤等[43]将该技术用于高陡边坡工程的生态防护工作中，在迅速复绿和防止水土流失方面取得了良好的效果。

1.2.5 藤本护坡技术

该技术是在恶劣的立地条件下设置种植槽，在槽内种植攀援类植物，利用攀援类植物吸附和缠绕的生长方式，达到垂直绿化的目的。张博文[44]、张朝阳[45]、王永林[46]、李德宁[47]、秦吉中[48]等研究了攀援类植物在边坡绿化中的适应性与生态效应，结果表明藤本植物可作为高陡岩质边坡的先锋植物。

1.2.6 生态防护植物纤维毯技术

生态防护植物纤维毯其定义为“用于土壤、地基、岩石、土地或者任何岩土工程相关的有渗透性的纺织品”[49]，由自然材料或人工合成材料制成[50]。顾小华[51]等研究发现，植被毯在高速公路边坡治理中有良好的生态防护效果；李宏钧[52]等比较不同类型植物纤维毯在生态护坡方面的特点，分析了目前研究存在的不足和未来发展的前景；刘宏远[53]等研究表明，植物纤维毯可以改良土壤，降低土壤侵蚀，增加入渗，减少产流，改善土壤理化性质；岳桓陛[54]等研究发现，在边坡绿化中麦秸秆植被毯比椰丝纤维植被毯入渗性能更好，建议施工中使用300 g/m2的麦秸秆植被毯。

1.3 植被群落选择

植被群落是指共同生活在同一区域的植被集合体，它是个体之间通过合作与竞争等相互作用形成的组合。袁磊[55]等对生态修复过程中的植物群落与地下生境特征进行了研究，结果表明：格构+生态袋+挂网喷播工艺具有显著优势，同时具有安全、美观、植被种类多，但是同时存在施工难度大，成本高等缺点；闫烨琛[56]等对经过植被修复的废弃地土壤物理性质进行了研究评价；林杨[57]等研究了3种不同生境的植物群落结构、生活型、重要值特征、多样性现状以及群落间的相似性程度；张博文[58]等在某采石场废弃地不同立地条件下进行了综合植被恢复，研究表明，藤本植物在高陡岩质边坡种植槽内和平台上生长迅速，可作为绿化先锋植被。

选择修复植被群落的合理性是人工向自然植被演替的关键因素[59-60]。高陡岩质边坡由于其立地条件改善不明显，造成植被群落结构单一、植物死亡快等问题，难以实现长期的边坡绿化效果。在生态修复工程完工后初期，植被生长状况较好，郁闭度较高。但是，随着时间不断推移，植物群落种类下降，植被趋于单一，最终稳定的植物群落难以形成。其主要原因是草、灌和藤条的合理组合考虑较少。在治理后的早期阶段，草本植物受藤蔓和灌木的影响较小。因为草本植物的早期生长会迅速消耗土壤中的养分，不利于藤蔓和灌木的后期生长，因此，以后喷洒基质中草本植物的播种比例不宜过多地高于藤蔓和灌木，否则会严重影响藤蔓和灌木的初始生长。随着复绿植被的生长发育，植被逐渐改善高陡岩质边坡原有的立地条件，同时促进阴性植物的入侵、定居，进而提高高陡岩质边坡物种的多样性。由此可建立连续演替的植被群落，最终达到在自然条件下长期复绿的效果。

1.4 后期管护技术

后期管护包括浇水、施肥、病虫防治等。浇水的原则是浇水量应大于植物蒸腾量、正常代谢用水量和地表蒸发量的总和。当植被长至三叶期后开始逐渐控水，有计划地减少浇水量[62]，刺激根系向深部生长，培养出强大的根系，提高植被的抗旱性，同时干爽的地面能防止病害的发生。为便于水汽交换，应在干透后浇透，以此来刺激深层根的发育。夏季温度高，地面水分蒸发量和树叶蒸腾量大，应及时浇水。

施肥的原则是根据不同植物的生长特性及同种植物不同生长阶段确定施肥量，在喷播基质时加入底肥，缓释复混肥的用量为30～40 g/m2，追肥要掌握种类、时间、数量和方法[63]。应在外部环境条件（温度和湿度）最适宜植被生长的时间施肥，施肥数量的多少取决于植被种类、覆土的质地、季节和植被的生理特性。施肥的季节一般为春季气温开始回升时和晚秋季节，春季植被开始萌芽，一般使用缓释复混肥2.5～3.5 g/m2，以促进冷季性草快速萌动[64]，为保证植被安全越冬，可在晚秋施用缓释复肥促进根系生长。

“水肥一体化”是将肥料溶解在水中，以溶液的形式对植被进行灌溉。根据植被的生长特征，对土壤的水分和养分进行精准管控，实现水肥一体化，提高水肥的利用率[65]。水肥一体化不仅可以提高水分和养分的利用率，还能保证不同植被、不同生长期所需养分的调节，改善土壤状况，有效地管控植被生长。

传统的病虫防治措施主要为喷洒化学药剂，在植被进入生长旺盛期之前进行病虫害的防治，即植被临发病前喷适量的波尔多液或甲基托布津或多菌灵1次，以后每隔2周喷1次，连续喷3～4次。在诊断病害起因、确定病原菌种类、了解病害发生发展规律的基础上采用对该种病原菌采用有效的防治手段。常见的害虫防治方法有药剂防治、人工防治、物理防治、摘除卵块、灭杀幼虫、诱杀成虫和生物防治相结合。

2 不足分析

目前，高陡岩质边坡生态修复中多追求绿化速度，而对修复后期植被如何在自然状态下长期存活考虑较少，后期管护工作不到位，最终会出现在工程竣工后初期的绿化效果较好，植物生长旺盛，水土保持好，但后期景观效果在自然状态下维持的时间太短。同时由于工程造价高、后期管护困难、复绿植物种类较单一、死亡快，很难形成与周边环境相协调的稳定植物群落。最终导致生态修复工作失败。

3 发展趋势与展望

（1）构建能够满足植物的地境需求是高陡岩质边坡生态技术修复成功与否的关键因素之一，如何根据地层产状、岩石构造、裂隙发育特征、坡面形态、以及钻机制孔等人工技术手段对高陡岩质边坡的地境进行重塑，这方面的研究尚需完善与发展。

（2）是否能够形成长期稳定的植被群落是高陡岩质边坡生态技术修复成效的关键因素，如何根据矿区所处地区的土壤、植被、地质、水文、气候等条件，构建适当配比的本土植被（灌、草、藤）是形成稳定群落的前提。

（3）后期管控在高陡岩质边坡修复中的应用仍然需要研究和实践。其中水肥一体化、节水灌溉技术以及生物防护工作可以极大地节约管护成本，同时也是绿化植被长期持续生长的关键因素之一。