景海高速公路高陡岩质边坡生态重建效果分析

高 杨，李 卓，段霄祥，白忠稀，李世玉

(1. 云南交投生态环境工程有限公司，昆明 650118；2. 云南大学生态与环境学院暨云南省高原山地生态与退化环境修复重点实验室，昆明 650091)

引 言

高速公路建设中产生的高陡岩质边坡的生态修复是“美丽公路”建设的难点。高速公路在修建过程中，山体的挖掘会形成一种特殊的边坡地形，该地形不仅陡峭，甚至穿行复杂岩石地段，岩石裸露，含水率极低，土壤稀薄，植物很难在极其恶劣的立地环境生存[1～4]，因此，新建公路边坡的植物覆盖率很低，生态问题非常严重。尤其是岩质高陡边坡，它不仅坚硬、保水保肥性差、坡度大、固土条件差等特点，现有的绿化方法很难满足这些特殊地段的边坡修复[5]，裸露的岩质使土壤侵蚀严重，土壤养分难以保留，植物基本上没办法生长，很难形成植被层[6]，甚至地表塌陷，持水保肥能力进一步下降，抗蚀能力变得更脆弱[7]。除了保水保肥能力差之外，这些深挖的岩质地段通常伴随着多种有毒有害元素的污染，一般硫酸根浓度很高、岩石渗滤液pH值极低，因此给植物生长和植被恢复带来极大的困难[8]。此外，这些边坡不稳定，存在给高速公路的建设带来潜在的安全威胁风险，比如，降雨的入渗导致边坡岩质的重度增加，结构面抗剪能力降低，边坡滑坡风险提高[9]。因此高速公路岩质高陡边坡的植被绿化和生态修复是公路建设中的重要工程内容，其首要任务是提高公路的生态环境服务功能，达到稳定边坡和路基、保护和稳固路面、保障行车安全、减轻噪音、保护环境与自然相协调等目的[10]。

公路沿线边坡的生态修复技术研究在国际上开展逼中国早[11]，在中国主要开始于上世纪八十年代，使用机械化手段液压喷播对高速公路边坡进行植草，逐步形成技术和推广应用[12]。近年来，由于经济和交通的发展，以及技术的进步，在高速公路建设中，山脉被挖断、深挖或开辟的现象越来越普遍，出现了很多传统液压喷播很难修复的岩质边坡，因此，关于岩质边坡的生态修复也逐步成为领域里需要攻克的难点。在一些不是很高陡坡的地段，喷射厚层基质的植被绿化技术能有效修复岩质边坡[13]。根据岩质边坡的特点，当前的修复技术主要分为带网铺挂植草技术、喷混(客土)植生技术、工程加固生态修复技术和槽穴构筑类技术，各技术的特点及其适用的岩质边坡见[11]。但是，在一些有毒有害元素污染严重，硫酸根污染严重、pH极低的高陡岩质边坡环境中，这些技术仍然很难实现其生态修复。

景洪至勐海高速公路是国家公路干线建设在西双版纳州的一段线路，其中从景洪至勐海县城之间因工程需要路基开挖，产生了巨型高陡边坡，该边坡穿行复杂岩石地段，地质条件复杂，岩基复杂多样，经2019年在全线公路边坡绿化中，采用传统的方式进行过绿化，其他路段成功绿化，但该高陡边坡则绿化失败，仍然为裸地，植被盖度为零[14]。为此，云南交投集团与云南大学生态环境学院暨云南省高原山地生态与退化环境修复重点实验室针对该问题进行联合攻关。因此，本研究以西双版纳州景洪至勐海高速公路高陡岩质边坡为研究对象，对该区的重点困难地段岩石边坡立地生态条件进行分析[14]，针对性地提出该边坡绿化生境改良技术思路和绿化工艺方案，遴选适合该边坡绿化的植物种，以期为今后的高陡岩质边坡治理及防护提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

该高陡边坡位于中国西南部云南省景洪市西北，澜沧江以西，属于澜沧江断裂带特殊区域，景洪至勐海高速公路(22°04′06″N，100°43′33″E)，海拔约680m，地带性植被为季风常绿阔叶林，地面主要植被类型为橡胶纯林。年降雨量1136～1513mm，年积温>8000的雨林植被下限值区域，雨季集中了全年80%～90%的降水，干旱少雨、偶有低温的旱季，雨季集中在6～9月、光照强度约63500～67800lux，年平均气温18.9～22.6 ℃之间，空气湿度40%～60%，由于处于海陆位置，使得昼夜温差大。南亚热带季雨林环境，季节性干旱突出，干旱时经常与高温同步，在人类扰动和地形陡峭的区域，植被先天结构单一，生态脆弱。本次实施生态重建的高陡岩质边坡坡面面积600m2、坡度46°、坡表面土壤瘠薄，在上一年度用弃土场土壤覆土10cm厚，并液压喷播种植了常规绿化植物种子，未成活，土壤已经基本上全部流失。公路修建开挖边坡较深，大部分坡面为深层岩石层。

通过对该高陡岩质边坡的实地调查，我们发现公路修建开挖边坡较深，大部分坡面为深层岩石层，开挖边坡坡度45°～55°，没有进行物理固定，边坡坡度在32°～55°之间，呈现大面积裸地，没有植物生长，必须进行生态重建。岩质边坡岩质土壤硫(S)浓度平均为1.69%，与原煤中的含量水平相当，pH< 2、多种有毒有害元素污染严重，根据《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB15618-2018)，土壤中镉(Cd)超标9.43倍，生态污染达到高污染程度，所有样点都超标(超标率100%)，Hg、Ni、As超标率8.3%、25%和30%[11]。重金属潜在风险指数和综合潜在生态风险指数达到了中等程度[11]。加之地质条件特殊，降雨冲刷的渗出液具有较强的酸性和有毒有害元素含量超标，立地条件差[9]，普通的植生袋技术难以保证植物的成活，因此，常规边坡恢复的技术必须加以改进方能让植物正常发芽生长，以达到恢复的目的。

1.2 本土植物种类调查方法

鉴于研究区立地条件差、生态修复难度大的特点，为选择合适的本土植物，我们于2020年1月和5月对研究区本土植物种进行了调查，并根据本土植物种和种子易获得性以及能适应当地气候条件的优良物种进行物种筛选和配置。

1.3 典型绿化困难地段边坡绿化植物物种遴选方法

根据项目区所处的区域气候特征、立地条件和当地本土植物种类等，进行岩质边坡绿化植物遴选遵循生态适应性原则、抗逆性原则、生物多样性原则、景观协调性原则、物种相容性原则、经济适用性原则(选用种子来源较为方便，发芽力强，容易更新，育苗容易的植物，自肥力强的豆科固氮植物、禾本科固氮植物，减少养护需求，以达到减养护或免养护的目标)。从生长势、适应性、固土力、观赏性和护坡效果五方面建立植物种类筛选指标，选择植物种。

1.4 实验区生态重建方法

首次生态重建：实验区在2019年全线绿化时，构建了混凝土拱形框架、坡面覆土约10cm，采用液压喷播种植以下植物种：山毛豆(Tephrosiacandida)；猪屎豆(Crotalariapallida)，木豆(Cajanuscajan)，狗牙根(Cynodondactylon)，百喜草(Paspalumnotatum)，戟叶酸模(Rumexhastatus)，但是均没有成活，一年内土壤全部流失，首次生态重建失败，该区域仍为裸地，植被盖度为0。

再次生态重建：2020年9月，我们在该区实施改进的生态重建实验，在原来构建好的混凝土拱形框架中，利用改进的植生袋法进行重建，才获得成功。重建的方法如下：

(1)边坡整理 平整边坡，测量面积大小并计算植物种苗和种子需求量确定植生袋规格和个数，明确需要的土壤量及其他材料的需求量。

(2)制作植生袋 不透水，同时满足植物茎能自由穿透袋体生长，植生袋尺寸不小于：长50cm、宽25cm、厚18cm。植生袋分为四层，最外层为尼龙纤维网，次外层为无纺土工布，中层为植物种子，最内层为能在短期内自动分解的无纺棉纤维布(或纸浆层)。

(3)植生袋放入草本和藤本植物种子及种植土：将上述选择好的植物种子拌入土壤后放入植生袋内，混匀。植生袋土壤使用弃土场的土壤。每袋掺入50g复合肥，同时加入一定比例的保水剂。

(4)码放植生袋：按要求将土装到植生袋内，装到植生袋容量的3/4，然后码放：袋子要紧贴坡面，缝隙处要用土填实，袋子之间贴紧压实，在框架梁内铺设时应保证自身的稳定，不溜塌和鼓出，植生袋坡面应平整，起伏不宜超过5cm。在铺设一段时间后，应检查自然沉降密实情况，若发现框格顶部的码砌植生袋出现沉降缺口后，应及时填补植生袋使其密实。施工摆放时应将有缝纫线的袋边朝向坡体里侧。

(5)点播灌木：在已码放有植生袋的坡面上点播灌木，点播灌木种子的“穴”在植生袋内。坡面按由坡顶至坡脚顺序依次点播灌木，穴间间隔1米，确保每穴至少有2株灌木出苗。点播后及时用无纺布对坡面进行覆盖，并经常浇水以保持土壤湿润，待灌木普遍出苗后揭开无纺布。并在每个拱形格靠下位置栽种叶子花苗2株(种苗株高40～60cm)。

(6)养护：在实验区实施种植植物后，每两个周浇1次水，直到次年雨季，对照区与实验区同步。

首次传统生态重建与本次生态重建方法的主要区别在于：首次生态重建时，植生袋没有设置防渗层，无法对岩层中渗出的有毒有害物质有效地进行隔离，导致前期能生长的植被受有毒有害元素的影响而在几个月内枯萎死亡。而在本次生态重建中，植生袋制作分为四层，最外层为尼龙纤维网，次外层为无纺土工布，中层为植物种子，最内层为能在短期内自动分解的无纺棉纤维布(或纸浆层)，因此，有效防渗，隔离了有毒有害元素的渗入。

1.5 土壤样品采集及其指标测定方法

于2021年11月19日进行了土样采样监测。考虑到在植生袋制作过程中我们进行了配方改土，不应作为土壤改善效果的对照，因此我们没测弃土场的土壤，而是测定了周边生态系统的表层土壤(主要考察肥力保持与自然系统之间的差异)、生态重建修复区的土壤(来自弃土场，但重建时栽培了植物，考察种植一年后的肥力保持状况)和相邻的传统恢复区的土壤(也是来自弃土场的土壤，同步上了传统的恢复工程和喷播种子，作为对照区)。

对实验区和周边生态系统的表土及对照区的土壤进行采样，采样深度0～10cm，在每个样点利用“S”形五点采样混合后抽取1个土样，各采5个重复，实验区上、中、下部土壤混合抽取土样。然后带回实验室进行样品处理，参照《土地质量地球化学评价规范DZ/T0295-2016》中“8.1.1.2”的方法进行预处理，风干、过筛后测定相关指标。土壤样品分析项目及其测定方法详见表1。

表1 土壤样品分析项目及其测定方法Tab.1 Soil sample analysis indexes and determination methods

1.6 数据处理

数据分析和处理用SPSS20.0，图表制作用Excel 2013完成，显著性水平α=0.05。

2 结果与讨论

2.1 本土植物种

边坡周围自然生长的植物有35种：类芦(Neyraudiareynaudiana)，黑麦草 (Loliumperenne)，草木犀(Melilotusofficinalis)，假臭草(Praxelisclematidea)，野甘草 (Scopariadulcis)，蜈蚣凤尾蕨(蜈蚣草)(Pterisvittata)，小蓬草(Erigeroncanadensis)，粽叶芦(Thysanolaenalatifolia)，秧青(Dalbergiaassamica)，毛桐(Mallotusbarbatus)，地桃花(Urenalobata)，异色山黄麻(Tremaorientalis)，飞机草(Tremaorientalis)，银柴 (Aporosadioica)，白花酸藤果(Embeliaribes)，蓝花野茼蒿(Crassocephalumrubens)，扁豆(Lablabpurpureus)，葛藤(Puerariamontana)，山槐(Albiziakalkora)，多裂黄檀(Dalbergiarimosa)，橡胶树(Heveabrasiliensis)，鹧鸪花(Heyneatrijuga)，羽叶金合欢(Acaciapennata)，细圆藤(Pericampylusglaucus)，云南海金沙(Lygodiumyunnanense)，展枝玉叶金花(Mussaendadivaricata)，粗叶榕(Ficushirta)，猴耳环(Archidendronclypearia)，猪肚木(Canthiumhorridum)，乌毛蕨(Blechnumorientale)，芒萁(Blechnumorientale)，金毛狗(Cibotiumbarometz)，野牡丹(Melastomamalabathricum)，假苹婆(Sterculialanceolata)，紫茎泽兰(Ageratinaadenophora)。其中，羽叶金合欢(Acaciapennata)和粽叶芦(Thysanolaenalatifolia)为优势种。

2.2 典型绿化困难地段边坡绿化植物物种选择

根据方法部分所述的原则，兼顾生长势、适应性、固土力、观赏性和护坡效果五方面建立植物物种筛选指标。配置植物名单如下：

(1)草本：百喜草(Paspalumnotatum)、狗牙根(Cynodondactylon)、粽叶芦(Thysanolaenalatifolia)、五节芒(芭茅，Calliandrahaematocephala)、蜈蚣凤尾蕨(蜈蚣草，Pterisvittata)。

(2)灌木(或小乔木)：白灰毛豆(山毛豆，Tephrosiacandida)、猪屎豆 (Crotalariapallida)、木豆 (Cajanuscajan)、河北木蓝(马棘，Indigoferabungeana)、双荚决明(双荚槐，Sennabicapsularis)、虾子花(Woodfordiafruticosa)、紫薇 (Lagerstroemiaindica)、朱樱花(Calliandrahaematocephala)。配置方式：点播。

(3)藤本：首冠藤(Bauhiniacorymbosa)、葛藤(Puerariamontana)、山牵牛(大花老鸦嘴，Thunbergiagrandiflora)、炮仗花(Pyrostegiavenusta)、叶子花 (Bougainvilleaspectabilis)、地锦(Parthenocissustricuspidata)。

2.3 植被修复效果

传统的修复重建植被失败，但是本项目的修复效果很好(如图1)，在修复工程实施3个月后，植被盖度达到65%；7个月后到达70%；14个月后，植被盖度达到98%以上(如图1和表2)。在生长季末期，研究实验区仍有白色、黄色和紫色的花盛开(如图1中照片3～4)，已经基本上形成了较稳定的植物群落。

拍摄于2021年11月19日

表2 实验区植物群落监测Tab.2 Plant community monitoring in the experimental area

在植被修复方面，我们采用的修复工艺成功实现了高难度高陡岩质边坡的植被修复，在传统修复方式未能修复的情况下，成功完成了攻关。在修复技术实施后14个月，盖度达到了周边未破坏的自然环境的植被盖度水平。由于坡度较大，考虑到安全性，不建议使用乔木。

实验区生长的植物种类和数量不同，随着建植时间的延长，植被层高度、密度和物种都在发生着变化(如表2)。与建植了3个月时相比，在建植7个月后，出现了木豆(Cajanuscajan)，但毛桐(Mallotusbarbatus)在群落中消失，在建植14个月后，黑麦草(Loliumperenne)和山苦荬(Ixerischinensis)又从群落中消失(如表2)。

2.4 土壤改善效果

土壤含水率和土壤pH都是周边自然生态系统的表层土壤>生态重建修复区的土壤(实验区)>传统恢复区的土壤(对照区)，前二者的含水率和pH差异不显著(p>0.05)，二者均显著高于对照区(p<0.05，如图2 AB)；有机质、总氮、总磷这些养分元素是实验区的较高(如图2CDE)，有机质和总磷实验区与自然系统无显著差异，二者均显著高于传统修复区即对照区(如图2CE)，而总氮则实验区显著高于其它两个区(如图2D)；有效硫含量实验区和对照区土壤都显著高于周边自然系统的表土(如图2F)。

图2 周边自然生态系统的表层土壤、生态重建修复区的土壤(实验区)和传统恢复区的土壤(对照区)基本理化性质、养分含量和硫酸根浓度 Fig.2 Basic physical and chemical properties，nutrient content and sulfate concentration of the topsoil of the surrounding natural ecosystem，the soil in the ecological reconstruction and restoration area (experimental area)，and the soil in the traditional restoration area (control area)

土壤有毒有害元素及重金属含量也发生了明显变化(如图3)，氯离子含量实验区和自然系统的土壤显著低于传统修复的对照区(如图3A)，实验区铜含量显著高于周边自然系统的表层土壤，但显著低于传统修复的对照区(如图3B)，实验区土壤锌、总砷、镉、铬、镍、总汞含量具有相对较大的标准差(如图3C～H)，虽然除了镉外，其他重金属离子的平均含量都低于对照区，但是这些重金属元素的含量实验区与对照区差异不显著(如图3C～H)，除了锌差异不显著外，实验区和对照区的这些重金属含量都显著高于周边自然系统表层土壤的含量(如图3C～H)，土壤铅浓度在各区土样之间均无显著差异(p>0.05，如图3I)。

注：同一个子图内不同小写字母之间表示两类样地的元素含量差异显著，p<0.05。

不同的修复方式对土壤肥力的改善效果差异大[15]，与传统的边坡绿化技术(对照)相比，该生态重建技术成功改善了土壤含水率(如图2A)和土壤酸碱度(如图2B)，提高了土壤有机碳(如图2C)、土壤氮(如图2D)和磷(如图2E)养分含量，对土壤性质和养分元素的改善作用明显；对土壤污染元素氯离子(如图3A)和铜(如图3B)的去除有明显效果，对土壤污染元素锌(如图3C)、砷(如图3D)、镍(如图3G)和汞(如图3H)的去除具有一定作用，因此，该生态对原土的修复起到了一定的改善作用。

与周边自然生态系统表土(0～10cm)相比，实施生态重建技术后14个月，土壤含水率、土壤pH、土壤有机质、总氮和总磷都恢复到自然生态系统的水平(如图2A～E)，这是由于在生态重建区，在植生袋中用弃土场的土壤并添加了一些复合肥，在建植后，这些元素会渗到底层的原土了，逐步改善植生袋下面的底层原土，加之，石灰的使用能改善土壤酸碱度。该生态重建中，高陡岩石边坡修复的成本约200元/m2，与黄驟屹等[16]提出的三联生态防护成本相当。

3 结 论

经过我们使用改进的植生袋和工艺种植技术，与传统的边坡绿化修复方式相比，我们的生态重建取得了明显的修复效果，在植被盖度、群落稳定性和土壤改善方面均有效果。得到主要结论如下：

(1)生态重建物种主要从适生草本、灌木和藤本植物中进行遴选，重点考虑种子可获得性、本地乡土植物种类、适应性及将来要形成的目标群落。

(2)本重建技术成功的关键，在于植生袋的制作，由于立地条件是强酸性环境，因此制作的植生袋不透水，同时满足植物茎能自由穿透袋体生长，分为四层，最外层为尼龙纤维网，次外层为无纺土工布，中层为植物种子，最内层为能在短期内自动分解的无纺棉纤维布(或纸浆层)。这是技术成功的关键。

(3)通过改进的植生袋种植，我们在重建14个月内，植被盖度恢复到98%以上，形成较稳定的群落结构。

(4)本次生态重建对高难度高陡岩质边坡进行了成功修复，完成了攻关，所采用的问题分析方式、植物选择配置和修复方法等可为类似高难度边坡修复提供生态修复技术参考。