祁连山东段废弃渣台生态治理修复不同技术试验研究

吕海元，高文耀

(甘肃祁连山国家级自然保护区管护中心乌鞘岭自然保护站，甘肃 天祝 733299)

1 引言

长期以来，祁连山林区因交通建设、探采矿活动，导致个别地段植被破坏、水土流失、废弃渣台堆砌等生态问题[1，2]。近年来，在祁连山生态治理修复和环境问题整治中采取了不同的技术措施，生态治理恢复大见成效，也得到上级部门及专家学者的认可。但因受制于祁连山特殊的自然条件、地理条件、地质构造、废弃物破碎化程度、季节性山洪和季节性干旱等限制性因子影响[3]，生态治理修复见效慢、成本高、易反弹，缺乏一套系统而完整的生态治理修复综合集成技术。再从我国对废弃渣台和矿山修复研究来看，与发达国家相比研究起步还是比较晚，在治理经验、治理技术方面相对不足[4]。为此，通过以甘肃祁连山国家级自然保护区乌鞘岭林区废弃渣台作为实验地，在渣台坡面开展不同生态治理修复技术对照试验，分析研究其各模块技术措施对生态治理修复成效、特点及优劣势情况，以便总结形成一套废弃渣台生态治理修复集成技术，从而助推祁连山生态环境治理修复和建设进程。

2 试验方法

废弃渣台生态治理修复实验区选择在甘肃祁连山的东段乌鞘岭自然保护站龙沟林区的八岔洼原兰武二线废弃渣台区域，共占地面积14974 m2，在废弃渣台建成传统单一覆土生态治理修复示范区和防洪集流滴灌综合集成技术生态治理修复示范区，在防洪集流滴灌示范区分别开展土工格固土、混泥土框架稳固、植生袋框架稳固、植生袋覆盖稳固等生态治理修复各模块试验和常规单一覆土修复区试验模块对照试验，不同模块采取不同生态治理修复技术措施，各模块布设在废弃渣台坡度25°以上的坡面上，各模块大小规格为10 m×40 m，顺坡面自上而下纵向布设，每个模块占地面积400 m2，通过分模块采取不同生态治理修复技术成效调查观测对照分析研究。

2.1 渣台坡面治理设计规划及坡面平整

在建设各试验模块前按照规划渣台坡面进行平整，以便在后期开展各模块稳固框架和生态修复建设，增加工程设施和覆盖土壤同坡面的结合度和平整度，在渣台坡面从上而下清理石块，平整坡面及坡口，对平整后的坡面适度进行夯实。并将整个渣台规划分割成防洪集流滴灌综合集成技术生态治理修复示范区和传统单一覆土生态治理修复示范区，在滴灌覆盖区坡面规划设计若干规格为10 m×40 m条状模块，为下一步各模块开展生态治理修复试验地建设做好准备工作。

2.2 不同生态治理技术模块

根据设计规划，分别开展不同技术生态治理修复技术模块建设，通过试验调查观测收集数据，具体方法如下。

2.2.1 土工格室稳固治理技术

2.2.1.1 材料选择

土工格室在交通建设、水利工程、市政工程等领域内使用比较广泛，但在林业生态治理修复中很少推广使用。本项目建设中将土工格室作为废弃渣台坡面生态治理修复稳固技术中的重要模块之一，在土工格室材料选择时选用山东泰安生产的蜂巢状强化高密度聚乙烯(HDPE)片材料，经高强力焊接而形成的一种三维网状格室结构[5～9]，在网格上打若干小孔为保障植物生长的良好透气性，根据废弃渣台坡度及坡面稳定性选择土工格室规格大小，本项目选择单个土工室焊接距为400 mm，厚度为200 mm，壁厚为2 mm。一般选择性能指标参数见表1[10]。

表1 土工格室材料性能指标各参数

2.2.1.2 工程稳固框架浇筑

根据整块土工格室大小规格设置稳固框架，从坡脚开始规划土工格稳固框架间隔距离，这里选用整块规格为5 m×6 m的土工格，所以稳固框架内预铺设土工格面积大小与整块土工格规格大小一致，避免在铺设中因裁剪而造成材料浪费。在坡度25°左右的渣台坡面上设置稳固框架，主体规格一般为0.25 m(宽度)×0.25 m(厚度)较适宜，用C25砼浇筑而成，在坡度25°以上渣台坡面根据实际坡面稳定性差异适当加大现浇稳固框架主体规格和缩小框架间距。在水平面混凝土框架主体底部每间隔1 m预留一个直径0.05 m大小的水分渗漏排泄口，以便排出积水，防止土工格室内因土壤水分过多而造成植被根系腐烂和透气差影响植被生长。

2.2.1.3 土工格室铺设

待现浇好的混凝土稳固框架完全凝结后开始铺设土工格室，在预留铺设土工格室的区域内清理干净工程施工中留下的石块、废弃物，平整夯实坡面，把土工格室平铺在预留区域内，用木桩或者铁桩作为锚杆将土工格室锚结实，纵向和横向每间隔1 m锚钉一个锚杆，锚杆在地下深度根据渣台坡面土质坚硬程度确定，一般要深入地下部分不少于0.3 m,锚杆高度不超过地面土工格外沿，把土工格室固定结实后，在土工格室内填充配置好的壤性客土，并播种植被种子和栽植苗木。

2.2.1.4 土工格模块植被播种

选择异地壤性客土作为填充植被种植土壤，因壤性土壤土质条件好有利于植被生长，在土壤内掺加适量完全发酵的农家肥或者有机肥肥料，与土壤搅拌均匀后在土工格内填充，填充一定厚度后，播种植物种子，根据所选择的不同植物种子预留不同植物播种所需的覆盖土深度，将植物种子均匀撒播或者点播后再填充覆盖基质，适度夯实使覆盖土与土工格室壁上外沿处于等高水平面。一般在5月中下旬降雨集流蓄水后开始播种，使抗洪集蓄水集流池内蓄水量保证补充土壤充足水分，保持土壤湿润，确保种子发芽。在植被种子和种苗选择中坚持适地适树的原则，通过乡土良种调查，选择具有优势的草本植物如早熟禾、披碱草、悬钩子等种子进行播种，灌木树种主要筛选沙棘，所筛选的不同植物种子所采取的播种方式、播种量及深度不同，具体如表2。

表2 土工格室内不同植物种子播种参数对照

2.2.2 混泥土框架稳固治理技术

框架稳固生态治理修复技术在废弃渣台坡面生态治理中常用的一种方法，主框架用C30混凝土浇筑，间距5 m×5 m,中间用石块浆砌成2.5 m×2.5 m工程框架方格，方格内填充覆盖壤土，采取上述同类林草间作方式进行生态治理修复。

2.2.3 植生袋框架稳固治理技术

植生袋生态治理修复技术是近年来坡面生态治理的一种主要方法，其优点是减少工程措施对自然生态的干扰，达到生态效果与自然景观相统一的双重成效[11]。选择无纺布和遮阳网制作规格为0.6 m×0.4 m的植生袋，其优点是耐用性长，透水性与透气性好。在植生袋内填充客土后大小规格一般为控制在0.55 m×0.35 m×0.14 m。在平整好的渣台坡面修复模块内按照5 m×5 m设计植生袋方格框架，开挖摆放植生袋的基槽，基槽与水平面平行，保证植生袋摆放后形成稳固框架的稳定性。将过筛壤性客土混合腐熟农家肥和植物种子搅拌均匀后装入植生袋，植物种子一般选用披碱草、早熟禾、高羊茅、沙棘、小檗等绿期长、分蘖力强、抗性强、接近自然生态的乡土草(树)种，每袋填充土壤内加入草本植物种子量为10～16 g，加入沙棘、小白等灌木类种子量为5～8 g。然后将植生袋按上述规格缝制统一规格大小，单排摆放在基槽上，交错叠砌高于渣台平面0.3 m，形成植生袋框架，中间填充植绿壤土。在植生袋靠坡面下方使用木质锚杆将植生袋下边靠实，以防植生袋下滑，在植生袋外露面每间隔0.2～0.3 m取一个生长孔，生长孔直径0.4 m左右为宜[12]。植生袋稳固框架形成后，在中间绿化区内覆土后再撒播草种，然后适度夯实。按照设计植树标准开挖植树基坑，并在稳固框架内植绿面积区域进行挂网处理，减少土壤因降雨流失，最后在开挖预留的植树基坑内栽植苗木。

2.2.4 植生袋覆盖稳固治理技术

采用工程现浇框架与植生袋镶嵌覆盖相结合的生态治理修复方式，该技术措施最适宜陡峭坡面、易滑坡地段、岩质裸露边坡等特殊地理位置生态治理修复。按照坡度大小设计工程现浇框架规格。在这里选择用C30混凝土浇筑5 m×10 m的横向主框架,混凝土主体规格为0.25 m(宽度)×0.25 m(厚度)。按上述方法在植生袋内充植生土和种子，在稳固框架内以垒砌的方法嵌入植生袋，然后在植生袋外露面钻取生长孔。

2.2.5 传统单一覆土治理技术

在传统单一覆土修复区进行传统粗放的生态治理修复措施。平整坡面，在渣台坡面下脚处水平浆砌拦渣墙，覆盖添加腐熟农家肥的壤性客土，按上述植物种子播种量和方法植草植树。

2.3 扦插苗种植试验

在祁连山东段乌鞘岭林区优良乡土树种筛选调查的基础上，选取高山柳、金露梅、红桦、甘青杜鹃、绣线菊、花楸等乡土树种，开展日光温室营养杯扦插驯化试验，当年4月初在海拔2920 m的废弃渣台生态治理修复区采集以上灌木树种枝条，在海拔2600 m区域的日光温室内分别进行营养钵扦插试验，4月中旬完成扦插工作，6月中旬开始进行练苗，8月中旬将扦插苗木移植已播种草种的各试验模块坡面修复区，按照设计进行分区栽植试验，苗木栽植株行距均为1.5 m，栽植后利用滴灌系统补充水分，并定期观测调节土壤含水量及其植被生长状况。

2.4 防洪集流滴灌补水技术应用

在废弃渣台修复区建设抗洪集流滴灌试验示范区，修建防洪集流渠、集流蓄水池、铺设自流水管道和排淤管道防洪滴灌设施。待各不同修复技术试验模块建成，并完成草、灌、树播种和栽植后，在设计滴管覆盖的各试验模块区域铺设 PVC 主管(Ф110 mm、0.63 MPa)、分管(Ф60 mm、0.63 MPa)及内镶贴片式滴灌带(Ф16 mm、e=0.20 mm、q=2.1 L/h)滴管带[13]，将滴灌带与其他已建滴灌设施连接，以便及时抗洪和集流，并及时对试验区植被土壤进行滴灌补充水分。

3 结果与分析

针对在废弃渣台坡面防洪集流滴灌试验区开展的土工格固土、混泥土框架稳固、植生袋框架稳固、植生袋覆盖稳固等生态治理修复各模块和常规单一覆土治理修复区对照试验，通过调查观测土壤流失情况、植被覆盖度、植物生物量等数据，衡量其技术模块对水土保持和生态治理修复产生的成效。

3.1 土壤流失情况调查分析

通过在废弃渣台坡面采取各不同生态治理修复技术模块试验，在后期观测土壤流失情况来衡量水土保持成效。

土壤流失率：按照各模块内生态修复区因受雨水冲刷作用，使地表覆盖土壤受到破坏和移动失去植被生长条件的面积比[14]。

表3调查观测数据显示：在废弃渣台坡面防洪集流滴灌区内土工格固土、混凝土框架稳固、植生袋稳固、植生袋覆盖等4个不同生态治理修复技术模块中，治理修复后当年因受雨水冲刷导致的土壤流失率由低到高分别为土工格固土治理模块(2.37%)、植生袋覆盖治理模块(3%)、植生稳固治理模块(4.62%)、混凝土框架稳固治理模块(5.66%)，而传统单一覆土生态治理修复区土壤流失率最高，高达22.89%。由此表明：采取防洪集流滴灌措施后各技术模块内土壤流失率大幅度降低，其中采取土工格固土治理模块内土壤流失率最低，与传统植被修复区对照降低水土流失率20.52%。

3.2 覆盖度及生物量调查分析

植被覆盖度是指植被(包括叶、茎、枝)在地面的垂直投影面积占该林草标准地面积的比例[14]。测定方法选择针刺法，在各不同恢复模块延对角线抽取若干1 m×1 m的样方进行调查，每个样方内再延对角线每间距10 cm处采取垂直针刺统计计算覆盖度。

通过测定恢复区域植被群落的生物量来反映群落利用自然潜力的能力, 衡量植被群落生产力的高低[16],也有效反映生态修复成效的主要指标。主要是收集和测量草本植物生物量，分地上和地下两部分收集监测。采用直接收集测定法测定地上部分草本植被积累的鲜重、干重和含水率；采取垂直挖掘法测定草本植物根系生长量、鲜重和干重，计算植被含水率，以植被含水率衡量和对照各模块植物生长活力。

通过对废弃渣台坡面防洪集流滴灌覆盖区内的土工格固土、混泥土框架稳固、植生袋稳固、植生袋覆盖等不同技术措施试验模块和单一覆土修复区生态治理修复试验，经当年9月底植物停止生长后调查观测收集的数据显示(表4)：植被覆盖度从高到低依次是土工格室固土模块(93.2%)、混泥土框架稳固模块(84.5%)、植生袋稳固模块(70.6%)、植生袋覆盖模块(67.6%)，植被覆盖率最低的是单一覆土修复区(54.5%)。各试验模块内植被(指地上部分)和根系含水率从高到低依次是防洪集流滴灌区的土工格室固土模块(87%、86.7%)、混泥土框架稳固模块(86.8%、85.5)、植生袋稳固模块(85.7%、84.2)、植生袋覆盖模块(74.2%、79.4)，植被和根系含水率最低的是单一覆土修复区(63.1%、69.8%)。由此表明：在防洪集流滴灌覆盖区的土工格稳固模块生态治理修复效果最好，植被本身活力最强。

表4 废弃渣台坡面不同生态治理修复技术模块成效调查对照

3.3 苗木生长情况调查分析

在各模块生态治理修复中选用本地生产培育高度50～60 cm的云杉实生杯苗。沙棘苗木来源于异地低海拔地区调运，高度30～40 cm，因低海拔地区苗木发芽早，4月底起苗后调运至海拔2600 m地方用营养杯栽植后进行缓冲练苗，6月初运至试验模块内栽植。在废弃渣台周围同坡向、海拔地段选择优势树种，并采集插穗通过日光温室扦插培育杯苗，练苗后开展栽植试验。通过对各生态治理修复技术模块内的造林苗木成活率和生长量调查对照，调查观测分析各不同技术对苗木生长情况影响。

表5调查观测数据显示：在防洪集流滴覆盖灌区各生态治理修复技术模块中苗木成活率与传统单一覆土生态修复措施相比，苗木成活率和生长量大幅度提高。在防洪集流滴覆盖灌区土工格固土、混泥土框架稳固、植生袋稳固3种生态治理修复技术模块内常规树种云杉、沙棘等实生杯苗成活率分别达到97%、78%以上，当年生长量分别达到5.5 cm、12.5 cm以上，而且在红桦、金露梅、高山柳、甘青杜鹃、绣线菊、花楸等本土优良乡土树种扦插驯化栽植试验中，成活力最低达到63%，最高可达到83%，培育试验取得成功，有待于进一步试验研究。由此表明：在有利的土壤水分补充条件下，在废弃渣台坡面及其同类型困难立地条件下进行造林中可推广使用土工格固土、混泥土框架稳固、植生袋稳固等生态治理修复技术。

表5 废弃渣台坡面不同治理技术对苗木生长情况影响对照

4 结论与讨论

目前我国对生态修复理论研究比较多，但对于在废弃渣台等困难立地条件下开展不同技术生态治理修复对照研究的还比较少，存在对生态治理恢复和保护建设的重视程度还不够，生态治理创新意识还跟不上，探索配套实用技术欠缺，生态建设保障机制不健全，缺乏新型材料研发推广等短板[17]。本文选择甘肃祁连山自然保护区东段乌鞘岭林区原兰武二线铁路废弃渣台开展生态治理修复实验区建设，在高海拔林区坡度在25°以上废弃渣台坡面采取不同生态治理修复技术措施分模块进行实地试验研究。研究结果表明：采用土工格固土生态治理修复技术既能提高水土保持能力，又能提高生态治理成效；采用混泥土框架稳固生态治理修复技术水土保持能力、生态治理成效较好，但因工程干预面积比最大，与周边生态和景观不太和谐；采取植生袋稳固生态治理修复技术后水土流失率在防洪滴灌区各模块内最高，说明水土保持能力不是很强，易在缓坡和比较平坦的渣台坡面比较适用；采用植生袋覆盖生态修复技术后虽然植被覆盖度、植被生长量和植被活力较低，但水土土壤流失率较低，本治理修复技术更适应于陡峭的坡面、易滑坡地段、岩质裸露边坡等特殊地理位置生态治理修复。通过试验表明：上述不同生态治理技术措施适应于祁连山高海拔生态脆弱敏感区域、生态系统稳定性较差特殊地段、困难立地条件下坡面生态治理修复建设[18～20]，有利于积极推广使用。但在优化布局废弃渣台防洪集流滴灌设施、创新生态治理修复新技术新措施、提高生物多样性、探索推广使用生态治理新型材料等方面有待于进一步研究探索。