寒区矿山废弃地边坡植被恢复技术及模式

高 赛，孙 飞，刘海龙，李红娜，唐玉情，张 捷

(1.东北林业大学 园林学院，黑龙江 哈尔滨 150040； 2.黑龙江多宝山铜业股份有限公司，黑龙江 黑河 164300)

矿产资源作为工业建设的重要物质基础，其储量的丰饶与否常常制约和影响着国民经济的发展。但采矿业在推动国家经济发展的同时，不可避免地也带来了一系列严峻的生态环境问题。工程建设产生的大量挖填方及人工堆积体，对原有地貌形态造成强烈的改变及工程扰动，地表植被遭到毁灭性破坏，大量次生裸地及裸露边坡常年遭受自然侵蚀及人为干扰，造成了严重的生态问题和地质隐患[1]。水土流失、坡体崩塌、地裂缝、山体滑坡、泥石流及土壤盐渍化等问题使矿区生态系统退化加剧，严重影响了矿山工程建设及矿区的可持续发展[2-3]。

为响应国家“绿色矿山”建设的号召，同时在矿山开采中借鉴外国经验，坚持生态环境保护、低影响开发、土地可持续利用的理念，当下多数矿山都采取了“边开采、边治理、边恢复”的新型矿山建设模式，逐步向“剥离—采矿—排矿—恢复”一体化方向发展。对于露天矿山，开采前预防及开采中减损两者相结合的工艺逐步在矿山建设中得到广泛重视及合理应用，使得整个采矿工艺流程与采后的地貌重塑可以有机结合起来，在降低成本的同时，还为后续的土壤及植被的恢复创造了有利的条件[4]。

矿山边坡废弃地作为一类特殊的退化生态系统，由于巨大的人为干扰超出了原有生态系统的恢复容限，因此生态阈值被打破，生态平衡遭受到严重破坏。对此，生态恢复是一种有效的解决手段[5-7]。首先，生态恢复目标作为恢复生态学及生态恢复工程实践中的最基本命题[8]，决定了生态恢复建设的方向。其次是生态恢复过程应严格遵循“山水林田湖草生命共同体”理念，坚持保护和恢复进程的一体化，从矿产资源、矿区土地资源、矿山水资源、矿山物种资源及矿山景观资源等多个角度找出导致矿区生态退化的限制因子，在此基础上针对性地提出矿区生态系统统筹恢复的内容与对策[9]。边坡生态系统的重建是恢复矿山生态系统空间连续性的重要措施，植被作为矿山废弃地生态系统能量流动过程中的关键角色，其群落结构及组分将直接影响到生态系统生态功能的发挥与稳定。因此，植被的重建与恢复是矿山生态系统恢复的前提与基础，从恢复对象来看，受关注程度最高的也一直是矿山植被[10]。

1 矿山废弃地边坡植被恢复技术

边坡植被恢复技术是以恢复生态学、环境生态学、景观生态学、生态工程学、植物学及土壤肥料学等多学科的基本原理为理论支撑，通过构建先锋植物群落，依靠群落的自然演替逐步提高其抵御外界干扰的抵抗力和恢复力，最终建立一个稳定健康的植物群落，发挥其应有的生态功能，同时达到边坡稳定、维持生物多样性和改善恢复区环境质量的目的。在此，我们提出了矿山废弃地边坡植被恢复技术体系(见图1)，其核心主要分为先锋植物筛选、植物生境重构和土壤基质改良三大方面。边坡植被修复技术的关键在于首先要解决植物“无立身之地”这一问题，构建出适合生态修复植被生长的稳定立地条件，改变坡面无土或少土、水热安全性能差、植物无法立根、温度变化幅度大等不利因素。在此将这些人为可控的各种环境因子的重新构建描述为植物的生境重构。

图1 矿山废弃地边坡植被恢复技术体系

2 矿山废弃地边坡立地条件分类

矿山废弃地根据其成因、形态和物质组成，大体可分为四类，其中包括由低品位矿石堆积而成的堆浸场、地层剥离物堆积压占的排土(岩)场、尾矿砂大量堆积而成的尾矿库及由矸石堆积形成的矸石山。上述各类废弃地边坡立地条件各异，本研究根据矿山植被恢复的需要，依据边坡立地条件特征对坡面类型进行了详细分类，结果见表1。

表1 基于矿山植被恢复的边坡立地条件分类

3 矿山废弃地边坡植被恢复技术分类及组合模式

边坡植被恢复的难点在于坡面立地条件复杂，多种生物及非生物因子均是造成植物难以成活的生态限制条件。为此，可通过生境构筑，采用一定的生态工程技术手段，在维持坡体稳定的同时达到保持水土、防风降尘及辅助坡面植物生长的目的，为先锋植被提供适宜的立地条件。生境构筑技术合适与否直接决定着恢复植被的成活状况及后续的生长状况，同时也关系到整个植被生态恢复工程的效果。根据经济耗费少、与植物生长的亲和力好、坡面稳固性强、材料持久耐候性好等要求，将当前国内应用广泛且前景较好的边坡植被生境构建技术分为四大类，分别是混合喷播型、挂网铺设型、格构填土型、预制穴槽型，详见表2。

表2 矿山废弃地边坡植被恢复技术

通过矿山边坡植被恢复技术的分类，可以得知每种技术均有其优点，但同时对于坡面条件也具有特异性和局限性。结合到实际的边坡植被恢复工程中，其中坡面岩性、坡度、岩石风化程度及坡面稳定状态四大因子对于植物生境重构技术的选择影响最大。同时由于坡面立地条件的复杂性，单纯依赖一种技术往往难以达到设计预期和恢复目标，因此多技术组合模式是必然选择。

在矿山边坡植被恢复工程中，应按照“适地适树，因地制宜；生态治理为主，工程措施为辅”的原则，对不同的地理位置、气候条件、边坡类型及恢复目标，灵活选择不同的技术组合和施工方法，以达到稳固边坡、重塑生境、重建群落及恢复植被的目的。我们针对不同的边坡类型，对其可选用的植被恢复技术组合模式进行了分类总结，详见表3。

表3 边坡立地条件及技术组合模式

4 技术组合模式项目实践

为检验上述植被生境构筑技术组合模式的有效性，在黑龙江省黑河市多宝山铜业矿山排土场边坡植被恢复工程中进行了实际应用。黑河市在我国五大气候区划分上属寒冷地区，植被恢复示范区位于矿山排土场一期工程的北坡，北临矿区办公区到生产区的主要交通干道，是排土场重要的视觉观赏面。排土场植被恢复示范区坡体为人工(机械)堆筑的二元结构边坡，即内部结构由下部废弃矿石层与上部覆土松散堆积层(未施业区原生土壤)构成，控制性结构面是岩土分界面，坡面状态稳定。坡面总高度132 m，总面积约24.8 hm2，共分为8个坡面，各坡面坡度介于30°～38°之间，坡长介于587～784 m之间，除最底层坡外，其他坡面坡高均大于15 m，根据边坡分类标准，为二元结构稳定高陡长边坡。恢复前，示范区坡面除原有覆土土壤种子库有小面积植被萌发外，大部分无植被覆盖，土层裸露，受雨水冲刷侵蚀，坡面裂隙和水土流失较为严重。

针对坡面现状，植被恢复之前需要采取一定的边坡固定防护技术，以增强客土土体抗侵蚀性和稳定性，为植物生长营造适宜的立地条件。在边坡立地条件现状确定的基础之上，植被恢复技术的选择还应考虑到植物群落恢复目标及相应的景观需求。因此，边坡植物群落设计时应尽量选用群落结构稳定性高、抗性耐受性强且更经济的类型。整个排土场边坡植被恢复示范区以厂区主要交通道路为观赏点，各坡面观赏视域仰角最小13°、最大16°，但由于观赏视距均在坡面标高的3倍以上，因此在动观过程中，各坡面及其周围环境均可以被观察到，整体上给人以开阔感。根据现场坡面实际踏勘取样，了解各层坡面土壤有效土层厚度的差异，同时结合观赏角度及视距的远近将示范区坡面总体划分为下、中、上3层，其中下层3个坡面、中层3个坡面、上层2个坡面，共3层8个坡面。下层3个坡面平均坡度31°左右，标高较低，覆土层较厚，土壤含水量较为丰富，植物群落采用灌木+草本复层结构。中层3个坡面平均坡度35°左右，标高相对较高，水分含量相对较少，覆土厚度相对较薄，植物群落采用局部灌木+草本的植物配置方式，层次相对简单。上层2个坡面平均坡度33°左右，考虑到坡面高程、覆土层、风力及土壤水分的影响，植物群落以草本地被植物为主，模拟自然式野花草甸形式，植物选择以当地适应性较好的草本地被为主。

在确定了立地条件及群落类型的基础上，采用自然恢复结合人工辅助恢复的措施，以坡面截流、保护坡底、控制水土流失、重建坡面植被为核心[15]，满足技术互补、耗费较小，既能起到良好的边坡防护作用，又能改善立地环境、辅助植被生长的要求，综合考虑多方面影响，针对不同坡面选择了不同的边坡植被修复技术组合。下层坡面由于植物群落结构层次较为复杂，高程相对较低便于人工施工，采用液压喷播+挡土翼+局部栽植的技术组合。首先在坡面裂隙处设置预制挡土翼，挡土翼在坡面成“品”字形交错排布，使得土体内部的渗透水流动方向不断改变，可极大地减小其渗透破坏作用，从而增加土壤颗粒间的连接强度，有效地减少水土流失[16]。液压喷播在其液料混合物中直接混入草本及部分灌木种子，施工速度快。植物选择上，灌木层选用胡枝子(Lespedezabicolor)、榛子(Corylusheterophylla)、山刺玫(Rosadavurica)、珍珠梅(Sorbariasorbifolia)等进行自然式种植，草本层以柳兰(Chamerionangustifolium)、菊芋(Helianthustuberosus)、繁缕(Stellariamedia)、北野豌豆(Viciaramuliflora)、青蒿(Artemisiacaruifolia)、早熟禾(Poaannua)等进行块面式自然配置。同时，为加快坡面成景进程且丰富植被层次，在坡面局部采用自然式组团形式，直接栽植部分中小型灌木苗木。中层坡面坡度稍大，覆土层变薄，因此采用植生袋+挡土翼的组合模式。植生袋可根据植物种子大小进行预制，且较为经济，施工时交错堆叠，较为方便。由于植生袋本身材料耐久性有限，几年后自然降解，其内部土壤沉积可增加土层厚度，加之挡土翼的施工对植生袋可以起到铆固的作用，因此两者结合可以满足坡面固定及植物生长要求。植物选择上，灌木层采用沙棘(Hippophaerhamnoides)、胡枝子、兴安杜鹃(Rhododendrondauricum)，地被草本层以紫苜蓿(Medicagosativa)为主基调，自然式搭配马蔺(Irislactea)、野豌豆(Viciasepium)、草木樨(Melilotusofficinalis)、老鹳草(Geraniumwilfordii)、青蒿、兴安薹草(Carexchinganensis)。上层坡面土层较薄，高程较大，施工难度较高，采用液压喷播+三维网植生的技术组合。首先在坡面铺设三维网，然后用U形钉或聚乙烯塑料钉进行锚固，最后将草本植物种子混入喷料中直接进行坡面喷播。植物选择上，地被层以狗尾草(Setariaviridis)、酸模(Rumexacetosa)为基调植物，模拟自然野花草甸形式块面式穿插配植车前(Plantagoasiatica)、老鹳草、青蒿及酸模叶蓼(Polygonumlapathifolium)。植被恢复两年之后，坡面植被生物量及丰富度明显增加，坡面径流、土壤裂隙及水土流失情况得到明显改善，景观异质性开始凸显。在多宝山铜矿排土场边坡植被修复工程中，对本研究提出的边坡立地条件及技术组合模式进行了实践与检验，就恢复效果而言，坡面固定及植被生长均呈现出良好状态。

5 结 语

矿山边坡植被修复涉及多学科、多领域，本研究立足恢复生态学及景观生态学，从技术护坡的角度对边坡的分类标准及实际恢复项目中应用较多且较为成熟的技术进行了归纳总结。每种技术均有其优点，但同时也有其使用条件的局限性。本研究从边坡立地条件出发，探索技术之间的协同互补，总结出了与不同的边坡立地条件特征相适应的技术组合模式。为检验模式的有效性及可实施性，根据“适地适树、因地制宜”的生态原则，灵活选用技术组合方式，并将其应用于多宝山铜矿排土场边坡植被修复工程中，取得了良好效果。其中，技术组合模式的选择不能仅仅只是考虑边坡立地条件，还应考虑到植物群落恢复目标、有效土层厚度、景观需求、经济造价及组合施工难度等。

总体来说，虽然当前国内针对边坡植被恢复的相关技术种类较多，但关于该领域的学科体系、理论研究及施工技术规范还未系统化，恢复标准也较为模糊，边坡生态恢复仍是一个较为年轻的研究领域。在实际工程项目中，还往往存在施工操作不当、技术选择盲目、短期见效而长期二次退化、总体恢复效果差等问题。随着全国统筹山水林田湖草一体化保护修复相关战略、规划的出台实施，对于矿山生态恢复来说既是机遇也是更大的挑战。同时，越来越多的专家、学者陆续加入进来，也进一步带动了恢复生态学、景观生态学、土壤生态学、环境工程及高分子复合材料等新兴学科的发展，新理念、新方法、新技术、新材料逐步被引入生态恢复领域。希望通过更多的组合研究，将各种制约技术组合模式选择的相关因素结合起来，针对不同的边坡现状，有效选择出相应的技术方法组合，使其更好地服务于矿山边坡的植被恢复。