华北地区石灰岩质高陡边坡修复先锋植物遴选

张 燕，陈洪年，王小兵，葛江琨，李洪亮，赵建涛，戴振芬，余 洋

（1.山东省鲁南地质工程勘察院（山东省地质矿产勘查开发局第二地质大队），山东 济宁 272100；2.中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司，安徽 马鞍山 243000；3.金属矿山安全与健康国家重点实验室，安徽 马鞍山 243000；4.中国地质环境监测院，北京 100081；5.矿山生态效应与系统修复重点实验室，北京 100081；6.自然资源部矿山时空信息与生态修复重点实验室，河南 焦作 454000；7.自然资源部矿区生态修复工程技术创新中心，北京 100083）

0 引言

作为城市发展、道路交通、港口码头等工程建设的主要材料，石灰岩在社会经济发展中占据重要地位，为现代化建设做出了重大贡献[1-2]。然而，石灰岩矿山开采不但会破坏山体原有的地形地貌景观和生态环境[3-4]，还会形成大量高陡裸露岩质边坡[5-6]。而矿山开采形成的高陡岩质边坡自我恢复是一个十分艰难且漫长的过程，为了能尽快恢复岩质边坡的生态景观，对其进行生态修复与景观重建就十分必要[7-10]。传统的岩质边坡修复技术（如水泥抹面、捶面、喷混凝土以及浆砌片石护坡等）绿化效果和生态环境效益较差[11-15]。基于以上问题有研究人员先后提出了挂网喷播法、生态袋法、飘台法、爆破台阶法[15-16]等技术方法，均是通过工程技术手段对边坡基质进行重塑从而提高生态修复效果。

在山体生态修复问题中，石灰岩高陡边坡属于硬岩坡面，相较于土质边坡和软岩边坡，因其缺少植物生长所必需的水土生境条件及与岩面牢固攀附的力学条件，所以历来是矿山生态修复工作的难点和重点[17]。众所周知，在高陡边坡生态修复中技术方法固然重要，然而给人直观映像的是植物对坡面的覆盖度[18]，因此，高陡边坡生态修复中植物的科学选择和合理配置至关重要[19-20]。在高陡岩质边坡修复中先锋植物的应用是坡面修复成功的第一步，有助于坡面生态系统的构建、有机质的积累及微生物群落的多样性[21-23]。先锋植物是指具有耐干旱、耐贫瘠、根系发达、生长快速、生命周期长及改土作用强等特点的植物[24]。在高陡岩质边坡生态修复中由于其生长环境恶劣，遴选合适的先锋植物十分关键。依据地境再造理论[25]，采用地境再造复绿技术在济南地区的石灰岩质高陡边坡上先后建立了2 个试验场，栽植了十余种植物并对其进行长期监测，研究在石灰岩质高陡边坡修复中不同植物对恶劣环境的适应性，并最终遴选出适合石灰岩质高陡边坡生态修复的先锋植物。

1 研究区概况

济南位于华东北地区南段，山东省中部。属暖温带大陆性季风气候，四季分明，雨量集中。年平均气温13～14 °C，年降水量600～700 mm。研究区地貌类型以低山丘陵为主，试验场分别位于济南市章丘区和平阴县（图1），均是早期采石形成的高陡边坡，2 个试验场条件基本相似，地层岩性以中厚层—厚层石灰岩为主，坡面高度20～70 m，坡度65°～85°，总面积近4 000 m2。

图1 研究区位置图Fig.1 Location of the study area

在我国华北地区植物类型主要有常绿阔叶树、藤本类等[23]。据不完全统计济南地区常用的绿化树种有79 种，生长和绿化观赏效果较好的品种约有49 种，其中落叶乔木类18 种，常绿乔木类9 种，花灌木类18 种，藤木类4 种[25-26]。根据王荷生等[27]的研究可知，分布较广的乡土物种有荆条、酸枣、沙棘、虎榛子等[28]，常见的造林树种有杨树、柳树、柏树、黄栌等乔木类。

2 植物监测

2.1 监测方法

2015年5月与2017年4月，在济南章丘区、平阴县采石形成的高陡岩壁上采用地境再造技术分别建立了2 个试验场[29]，同一试验场内岩质边坡坡度、地层产状及裂隙发育情况等基本相似，植物品种采用随机性栽植（图2），栽植方法如图3所示[30]。考虑到构建生态系统的完整性，试验场共栽植落叶植物、常绿植物及藤本类植物14 种，总数3 316 株，株行距1 m×1 m。植物栽植后养护期3 个月左右，进入雨季（8月份）后停止养护，植物生长回归自然，所需养分及水分主要靠植物根系从岩壁裂隙内汲取。试验场建成后，研究团队定期对场内栽植的植物进行监测，监测频率为2 次/年（春秋各一次），监测指标为植物成活率和植物生长状况，生长状况包括植物高度、基径和冠幅。

图2 典型试验场修复前后照片（平阴）Fig.2 Typical test site before and after restoration (Pingyin)

图3 地境再造技术栽植方法Fig.3 Planting method of Landscape Reconstruction Technology

考虑到研究区岩质边坡高度大且陡峭，人工监测植物成活率难度大，成活率监测采用无人机航拍的方法展开，人工清点航拍的高清照片上植物数量，统计植物的成活率。植物生长状况监测主要对距离坡脚2 m 范围及固定梯子两侧2 m 宽范围内的植物监测；2 个试验场共监测生长状况的植物371 株，截至2020年9月成活植物319 株，均参与本次植物生长状况的数据统计。监测过程中，对长期监测的植物进行编号，并对每株植物建立“数据档案”。由于2 个试验场建成时间不一致，起始数据均选取植物栽植时的数据，最后一次数据均为2020年9月份监测的数据，期间数据以2 个试验场每年秋季监测数据为依据进行分析。

2.2 植物成活率监测与计算

植物的成活率不但影响岩壁的覆盖度，还影响到整体的修复效果，因此植物的成活状况至关重要。植物成活率（P）的计算公式：

式中：P——植物成活率；

Di——某种植物成活株数；

D——该种植物种植株数。

对多年监测的植物进行数据统计，计算每种植物每年的成活率并绘制极坐标图，其中半径代表成活率，圆弧代表时间，2 个试验场各类植物成活率见图4、图5。

2.3 植物生长状况监测与计算

植物生长情况监测采用折尺、游标卡尺和钢卷尺分别测量每株监测植物的高度、基径和冠幅，然后统计每种植物的平均值。每种植物的高度、基径和冠幅平均值采用算术平均法[31-32]，计算公式如下：

Ri——第i株植物的高度、基径和冠幅的数值；

n——植株数。

根据测量的植物的平均高度、基径和冠幅，计算植物的年平均增长率K增。

式中：K增——植物的年平均增长率；

Mn——监测期最后一次监测数据；

M——初次监测数据；

a——时间/a。

根据式（2）、式（3）计算不同植物每年的年均增长率，将每种植物的增长率计算结果绘制成极坐标图，如图4、图5所示。

2.4 监测结果

2.4.1 植物成活率监测结果

由图4、图5可知，截至2020年9月，章丘试验场植物的综合成活率81.2%，平阴试验场植物的综合成活率86.8%，随着时间的推移，2 个试验场的植物成活率整体呈下降趋势。

植物栽植3～5 a 后，常绿植物中侧柏、圆柏、白皮松、大叶扶芳藤成活率高达85%～93%；落叶植物中黄栌、刺槐、连翘等植物成活率81%～89%，而丁香、金银花等植物成活率偏低，只有63%左右；藤本类植物中爬山虎的成活率72%～82%，紫藤、凌霄等植物成活率仅50%～60%。

2.4.2 植物增长率监测结果

（1）高度：高度是衡量植物生长速度的重要因子。由图4、图5可知，藤本类植物中爬山虎的高度年均增长率最大（110%～120%），其适应能力强，具有较强的抗逆性，对岩壁的覆盖效果好；常绿植物中大叶扶芳藤的高度年均增长率（50%～55%）大于侧柏、圆柏、白皮松（15%～20%），松柏类植物相对较慢，与其本身的生长特性有关；落叶植物中黄栌、刺槐、连翘等高度增长速度相近，年均增长率在15%～30%，火炬树高度生长速度较慢，年均增长率仅10%左右，说明火炬树不适合在高陡岩壁上生长。

图4 章丘试验场监测数据统计图Fig.4 Statistical chart of monitoring data at Zhangqiu test site

（2）基径：藤本类植物的基径生长速度最慢，年均增长率在10%～20%不等；常绿植物中侧柏、圆柏的基径生长速度较快，年均增长率25%～40%，在现场监测中可以看出柏树类根茎粗壮，抵御外部不利环境的能力强；落叶植物中黄栌、刺槐等小乔木类植物基径生长速度快，年均增长率可达30%～50%，均已木质化，抗逆性强。其余植物基径生长速度相对于同类植物偏慢，这与植物生长环境条件恶劣有关[33]。

（3）冠幅：高陡边坡复绿主要靠植物的枝叶遮挡，冠幅是体现植物对岩壁遮挡效果最重要的指标。由图4、图5可知，常绿植物中冠幅增长率20%～30%，相对而言，圆柏的冠幅增长率较侧柏大；落叶植物中黄栌、刺槐冠幅较大，年均增长率30%～50%，遮挡效果好，岩壁覆盖率高，而火炬树的冠幅年均增长率在15%左右，较其他落叶植物生长较慢。数据统计中藤本类植物不统计冠幅。

综上，不同植物生长速度不同，水分、养分、温度等因素均制约着植物的生长，从长期监测数据可以看出，植物的成活率随时间的推移有降低的趋势，说明试验场中植物的持续生长主要依靠发达的根系从岩壁裂隙中吸收供自身生长的养分，随着植物不断长大，种植孔内土壤养分逐渐减少，对植物的生长产生了“胁迫”作用[34]。

3 先锋植物遴选

3.1 先锋植物遴选方法

植物适宜性与高陡岩质边坡生态修复效果密切相关，为了遴选出适宜于高陡岩质边坡生长的先锋物种，采用综合评价指数法对植物适宜性进行评价[35]，最终获得不同植物的质量分数，此方法可直观的反映出各种植物的优劣状况，并以此作为先锋植物遴选的标准。

3.2 先锋植物遴选评价体系构建

（1）评价因子

评价因子在资料查询和邀请相关专家评审的基础上确定，从植物种类、生长状况、景观效果、层次结构等方面综合考量，确立了植物成活率、高度年均增长率、基径年均增长率和冠幅年均增长率4 项指标作为评价因子[36]，建立高陡岩质边坡先锋植物遴选评价体系。

（2）权值确定

权值确定采用专家打分法，邀请了生态修复领域专家、绿化人员和景观设计人员等共12 人，结合高陡岩质边坡生态修复的实际情况，得出权值见表1。

表1 评价因子、权值及分级指标Table 1 Evaluation factors、weights and grading indicators

（3）评价因子及分级指标

根据调查结果，把确定的评价因子分为4 个评分级别，按植物生长优劣，最大值为5 分，最小值为1 分，划分标准见表2。同时，根据监测数据对每种植物的各项评价因子进行打分，并计算出平均分。

表2 评价因子取值表Table 2 Values of evaluation factors

（4）数据处理

本次研究采用综合评价指数法，其计算公式：

式中：B——植物的综合评价指数；

Xi——某一评价因子的权值；

Fi——植物在某评价因子下的分值。

植物质量分数计算公式为：

式中：M——植物质量分数；

B——植物的综合评价指数；

B′——理想的植物综合评价指数（即5 分）。

植物适宜性质量分级标准如下：I 级（75%＜M≤100%）——植物成活率高，生长速度快，坡面覆盖度高；II级（65%＜M≤75%）——植物成活率较高，生长速度较快，对坡面有一定的遮挡效果；III 级（55%＜M≤65%）———植物成活率较低，生长速度慢，植物长势较差；IV 级（M≤55%）——植物成活率低，生长速度慢，岩壁大面积裸露。

3.3 植物适宜性质量评价及结果

按照综合指数评价法，对监测植物的每个评价因子进行打分，参与打分的植物以2020年9月监测数据为准，按照式（4）求出每种植物的综合评价指数B，进而按照质量分级标准得出每种植物的质量级别（表3、表4）。

通过表3、表4的评价结果可以看出，在高陡岩质边坡生态修复栽植的14 种植物中，属于I 级的植物有4 种，占比28.5%，分别有侧柏、圆柏、黄栌和刺槐；属于II 级的植物有3 种，占比21.5%，分别是大叶扶芳藤、连翘和爬山虎；属于III 级的植物有3 种，占比21.5%，分别有白皮松、丁香和金银花；属于IV 级的植物有4 种，占比28.5%，分别是凌霄、紫藤、小叶扶芳藤和火炬树。

表3 章丘试验场植物综合评价指数表Table 3 Comprehensive evaluation index of plants in Zhangqiu experimental field

表4 平阴试验场植物综合评价指数表Table 4 Comprehensive evaluation index of plants in Pingyin experimental field

本次统计中藤本类植物未统计冠幅，导致质量分级偏低，因此藤本类植物的综合评价指数较其他类植物偏小，在先锋植物遴选中需考虑实际调查情况。

结合2 个试验场的现场调查、监测情况和评价结果得出，常绿植物中优选侧柏、圆柏、大叶扶芳藤为先锋植物；落叶植物中优选刺槐、黄栌、连翘为先锋植物；藤本类植物中优选爬山虎为先锋植物。

4 结论

通过对济南地区2 个石灰岩质高陡边坡生态修复试验场种植的14 种植物的成活率和生长状况监测的数据分析，表明：

（1）高陡边坡生态修复效果与绿化植物的科学选择及合理配置至关重要，为了提高生态系统的完整性，苗木选择要综合考虑常绿植物、落叶植物及藤本类植物。

（2）采用地境再造技术开展高陡岩质边坡生态修复时，植物主要依靠发达的根系从岩壁裂隙中吸收可供自身生长的养分，随着植物不断长大其增长率逐渐降低的主要原因是岩质边坡对植物生长产生了“胁迫”作用。

（3）在华北地区石灰岩质高陡边坡生态修复中，为了在冬季有一定的绿化效果，常绿植物优选侧柏、圆柏及大叶扶芳藤作为先锋植物；因成活率高，生长速度快，坡面覆盖度高，落叶植物建议优选刺槐、黄栌和连翘为先锋植物；藤本类植物爬山虎因其成活率高且生长速率快，可在短期对高陡岩壁有效覆盖，优选作为先锋植物。