团粒喷播在废弃采石场生态恢复方面的应用

团粒喷播在废弃采石场生态恢复方面的应用 ——以文登某一破损山体绿化为例 李春林,许剑平,吴刚,张京伟 (青岛高次团粒生态技术有限公司,山东青岛,266102) The Application of Fine Soil Aggregate in Ecological Restoration ——a case study on a damaged mountainside landscape engineering in Wendeng LI Chun-lin, XU Jian-ping, WU Gang, ZHANG Jing-wei (Qingdao HOSA eco-technology Co., Ltd, Qingdao 266102, China) 摘要:废弃采石场严重影响城市周边的生态景观,极易导致生态环境的继续恶化。本文以文登某一采石场破损山体的绿化工程为例,运用团粒喷播生态修复技术对废弃矿山进行生态性治理,并探讨其生态恢复,以期为今后废弃矿山的残损山体植被恢复和生态环境重建提供参考。 关键词:团粒喷播;植被恢复;废弃矿山;破损山体 Abstract:Urban landscape ecology has been affected and destroyed by abandoned mine seriously. What is more serious is that the ecological environment has become worsen continuously on this account. By taking a damaged mountainside in Wendeng as an example, this paper studies the mainly vegetation restoration methods on abandoned mine, which provides reference for similar projects, such as restore and re-establish the eco-environment in the future. Key words: FSA technique;vegetation restoration;abandoned mine;damaged mountainside 生态环境是人类社会经济可持续发展的基础。由于资源环境的过度开发利用,导致生态系统遭受不同程度的破坏,对生物圈的演化产生了重大影响,甚至危及人类自身安全。生态问题突显在人们面前,考验着人类的智慧,在此背景下,生态恢复研究逐渐成为当前生态学研究的热点和前沿问题之一。 采矿废弃地就是人为剧烈干扰下的一种特殊环境类型,是人类为获得矿产资源而对土地进行剧烈改造的区域[1]。采矿之前,当地生态系统通过生物之间、生物与环境之间的相互作用和系统内的自我组织、自我调整达到了相对稳定状态,具有正常的生产功能和保护功能[2]。开采后,系统的稳定性受到破坏,群落的改变超出了自然系统的调节和物种的适应范围,由此导致生态系统结构与功能的极度退化,使用功能和美学价值的严重缺失。 目前,国内外有关边坡生态恢复的研究者普遍认为,植被恢复是重建生态系统、控制水土流失、改善生态环境的有效[3]。许多国内外学者在大量的计算和理论分析工作的基础上, 对岩石边坡锚固机理进行了深入系统地研究, 得出植物根系是植物稳定边坡的基础[4]。根系在土体内的生长促使土--土以及根--土间的摩擦力增加, 深粗根的锚固作用,以及浅细根的加筋作用增强了土壤的抗剪切性能[5]。以植被为主体的坡面生态工程,在维护边坡稳定与边坡生态景观恢复实践中逐渐发展起来。但在条件恶劣、环境复杂的采石场边坡上进行植被恢复,坡比一般都在1: 0. 75 以上,无疑增添了植被恢复的技术难度。本案例运用高次团粒公司的团粒喷播技术重建残损山体坡面的植被生态系统,不同于以往的液力喷播和客土喷播法,是目前国内最先进的“裸坡植被恢复”技术。 1 项目背景 项目位于文登市张家产镇东泊石村东,属于废弃采石场生态恢复治理工程,施工面积约14 000 m2。西南向,属于单级高陡坡,最大边坡高程66 m,最大坡长75 m,山体坡度介于50~80°之间。岩石面为中风化硬质花岗粒岩,岩石裂隙较发育。该采石场已经于多年前停止采石,原边坡无植被覆盖,周围的自然植被生长良好。文登市属于大陆性季 *:青岛市企业创新重点项目“高陡无裂缝岩石边坡植被恢复研发”,项目编号LX1002A5.0149 作者简介:李春林,男,1967年生,山东青岛人,大学本科,工程师,长期从事边坡绿化与植被恢复工作。Tel:0532-********,E-mail: kevinlee822@hotmail.com. 风气候,年均气温11.5℃,年平均降水量762.2 mm。降水分布不均,夏季较为集中,6~9月降水量约占全年总降水量的70%。 由于受到人类采石的强烈干预,自然山体的原有植被和土壤层遭到彻底清除,导致山体残缺及功能缺失。原有的山体岩石应力系统平衡受到破坏,增加了山体岩崩机率,加大了创面周围特别是表层的不稳定性,极易发生滑坡并形成安全隐患。大量的裸岩坡面破坏自然景观的同时,已对生态环境构成严重威胁。 遭到严重破坏的残损山体通常不具备植被赖以生长的土壤环境及养分条件,且山体极易受到雨水冲刷而加速水土流失。自然条件下,裸露山体、岩石风化的速度非常缓慢,要形成10 cm的土壤要经历上万年的时间。此外,在陡峭的岩石坡面上直接铺土,难以克服土层重力下滑和雨水冲刷导致的水土流失问题,因此要创造植物生长的土壤条件,就要采取特殊的技术措施,制备结构稳定的人工土壤,然后在此基础上进行植被恢复。采用团粒喷播技术进行植被恢复可以有效解决上述一系列问题,该项目施工时间为2008年6月。 2 团粒喷播简介 团粒喷播是青岛高次团粒生态技术有限公司自主研发的植被恢复与环境生态性防护技术,采用改进的湿式喷播手段,辅以工程措施,在荒地或被破坏的岩质、土质、混凝土或者垃圾场坡体上建植理想植物群落的工程技术。团粒喷播制备的土壤培养基具有理想的土壤团粒结构和良好的水土保持能力,可以为植物生长提供充足的肥力营养与适宜的生存环境[6]。 图1 边坡植被恢复示意图 Fig 1 Schematic diagram of vegetation restoration on rocky slope 该土壤培养基具有不同于普通土壤的优良的土壤结构,具有多级孔隙和水稳性特点。团聚体间的大孔隙等同于森林土壤中因高等植物根系腐朽和土壤动物活动而形成的孔隙,发挥着疏通土壤、通气、排水的作用。小孔隙具有蓄水、保肥作用。该人工培养基模拟天然状态下的土壤环境,三相比有利于植物生长,并为土壤微生物提供了环境适宜的栖息场所,使植物群落与土壤生物群落良性互动,从而形成稳定的生态系统。此外,该土壤培养基的稳定性强,可有效抵抗强降雨的侵蚀及其他自然损伤,能最大限度地降低水土流失。 团粒喷播因使用乔木、灌木等木本植物护坡,发达的植物根系和繁茂枝叶的遮蔽对坡面起到良好的保护作用,护坡效果显著,而且随着时间的推移,木本的植物群落愈加繁茂,护坡作用愈发明显;绿化后形成植物的多样化与群落化,能有效地抵抗病虫害,维持生态平衡;此外,该技术使用的材料均采用生态环保、可自然降解材料,对环境无污染、无破坏,而且主要材料均是废弃物或下脚料,能体现循环经济和节能减排要求;无须后期养护与管理,真正的自然生态,节约了大量养护费用。 3 生态恢复技术方案 出于对废弃采石场生态环境、安全隐患及景观构建的考虑,根据可持续发展的原则,利用后工业景观手法对我国规模巨大的废弃地进行节约型园林建设,不仅具有广泛的社会和生态效益,而且可以有效的处理废地,创造可观的经济 效益[7]。其恢复与重建的关键是在正确评价废弃地类型、特征的基础上进行植被的恢复与重建,进而使生态系统实现自行恢复并达到良性循环[8,9]。 3.1边坡清理与削坡工程 考虑到该工程基岩裸露,土壤匮乏,无植被覆盖,是植被修复立地条件最为恶劣的一种类型[10]。施工工程拟对部分高险陡坡首先进行必要的清坡削坡处理,之后对山体敷设金属网。 对山体上的石渣及危石、浮石进行清理,对部分高陡坡面进行必要的削坡、整形处理,以保证下一步金属网铺设的顺利进行及施工安全。削坡、整形处理以后形成凹凸不平的坡面,比光滑平整的坡面更适合植物根系的发育延伸。为了避免夏季集中降雨时山体汇水形成的水头对喷播土壤冲刷而导致的土壤流失问题,在山体顶部构筑截水沟,将夏秋季节因集中降雨而形成的汇水排离坡体,增加边坡的安全性。 3.2植物选取 山体绿化的植物种类主要选择耐旱、耐瘠薄、生命力顽强、综合抗性较强的荒山造林先锋植物。该工程植物选择是以乔木、灌木为主,草本及地被植物为辅的结合方式,以乡土树种为主,外来植物为辅,逐步实现山体的生态化、群落化、自然化。植物的搭配突出植物的适应能力和易繁殖性,在乡土树种的基础上选择具有抗旱、耐瘠薄、易管理、抗病虫害等特点的植物种类。注意植物的群落演替与营养循环,尽量种植具有一定固氮能力的豆科植物种类。 该植被恢复工程所选用的植物种类包括刺槐、火炬树、臭椿、盐肤木、苦楝、紫穗槐、胡枝子、马棘、黑麦草。均是将一定比例的种子与土壤培养基混合,均匀喷播在土壤培养基表层。 表1 边坡山体绿化植物种类选择 Table1 Plant selection of slope greening 名称拉丁名科属形态特征根系特征生态特性 刺槐Robi nia pseudoacacia 豆科刺槐属落叶大乔木根浅,放射成网状伸展固氮、速生树种 火炬树Rhus t yphina漆树科盐肤木属落叶大乔木根浅但发达,萌蘖性强护坡、固堤能力强 盐肤木Rhus chi nensis漆树科盐肤木属落叶小乔木根系萌蘖力强荒山造林先锋树种 臭椿Ailant hus altissi ma 苦木科臭椿属落叶大乔木根系较深荒山造林先锋树种 苦楝Melia azedarach楝科楝属落叶大乔木根系较深耐瘠薄,适应性强 胡枝子Leapedeza bi col or豆科胡枝子属落叶灌木根系发达固氮能力强 紫穗槐Amorpha fruti cosa豆科紫穗槐属落叶灌木根系发达,萌蘖力强固氮、水土保持能力强 马棘Indi gof era pseudotinct oria 豆科木篮属落叶灌木根系发达固氮、固坡树种 黑麦草Lolium perenne 禾本科黑麦草属草本地被须根发达,入土不深地面覆盖、水土保持本工程所选用植物材料的根系都具有较强的萌蘖能力,能适应恶劣的边坡环境条件。植物种子在土壤培养基萌发以后,吸收土壤培养基的营养元素迅速生根、生长。错综复杂的根系组织将土壤培养基牢牢地固定在山体表面,其根系生长后扎入岩石缝隙,进一步对土壤层进行加固。根系对土壤层的保护作用随着时间的推移愈发明显,在后期的发展中逐渐取代工程措施对土壤层的保护。部分豆科树种如刺槐、胡枝子、紫穗槐等具有根瘤组织,具有一定的固氮能力,能固定空气中的氮素营养,有效参与到生态群落的物质循环与能量流动中。植被演替过程中的枯枝落叶可进一步改善土壤结构并调节营养成分,促进并完成植物群落的物质循环,有效改善群落环境。 3.3土壤重建 在进行必要的山体清理与削坡处理后,对裸岩进行一系列植被恢复的综合性治理,并采用高次团粒公司的团粒喷播技术对山体进行土壤培养基喷播。这一系列措施使山体的种植条件得到较大改善,也为大体量树种的存活、生长提供基础环境。 3.3.1土壤培养基的制备 团粒喷播使用的土壤培养基有别于普通的客土喷播材料,它主要由黏质土、有机质添加料、土壤添加剂及必要的缓释肥料构成。黏质土由普通黏质土与一定比例的粗砂、细沙经高温消毒混配而成,在培养基中起保水、保肥的作用。土壤有机质是评价土壤质量的一个重要指标[11],添加有机质添加料,除了起到增肥、保肥、保水、透气的作用外,还能提高土壤养分的有效性,促进团粒结构的形成,为培养基中的微生物生长提供适宜环境[12]。土壤添加剂使培养基具有良好 的耐雨水冲刷能力,同时能使土壤培养基的团粒结构稳定持久。缓释肥料的添加则是为植物生长提供必要的营养元素,满足植物生长的长期需要[13]。最终再现理想的天然表层土壤的团粒结构。 3.3.2 专用喷播设备 青岛高次团粒生态技术有限公司的团粒喷播技术所制备的土壤培养基需要专用喷播机进行喷播。该设备由2个罐体组成,容量为5.0 m3,水平扬程为300~400 m,垂直扬程为80 m。这种专门制造的喷播设备能使流动性的泥浆状混合材料,在喷播瞬间与土壤团粒剂混合,发生团粒化反应,在坡面上形成稳定性优异的土壤培养基。 喷播作业时,分层在坡面上喷播,培养基的上层部分加入选用的植物种子,设计的培养基总体厚度为6~8 cm。该培养基可为植物发芽、生长提供充足的营养及适宜的环境,使原来裸露的坡面达到自然坡面的原始植被生态效果。 4 结果与讨论 生态恢复是通过人工方法,按照自然规律,恢复天然的生态系统。人类没有能力恢复真正的天然系统,但是可以通过重建植物群落的方式,引导或加速自然演化过程,最终实现生态恢复。文登这一废弃采石场,经过连年开采,原本植被茂密的山体环境已经遭到严重破坏,生态系统退化、循环过程中断,山体应力结构受到冲击。原本稳定的丘陵山体变成高陡险坡,整体坡度50~80°之间,最陡处将近90°。在这种情况下,进行必要的防护处理与植被恢复重建已成为该地区生态恢复工作的关键。 4.1生态恢复效果 短期内废弃采石场植被恢复的主要目标是控制水土流失,对保护土壤、防止侵蚀、促使形成良好的微粒及聚集营养等起到重要的作用[14]。生态系统的恢复可以通过自然,即生态演替的过程来实现。然而这一自然恢复过程要在破坏不是很剧烈的情况下才会发挥作用,而且这一过程要比人们所预期的时间要长的多,一般大约需要50~100 a时间的自然演替才能在采矿废弃地上恢复到一个满意的植被覆盖效果[15]。 在前期对山体破坏程度与植被退化情况进行勘探、评估的基础上,制定一系列植被恢复措施。通过对废弃采石场裸露山体前期的清理与削坡,中期的排水沟筑砌与金属网的敷设,后期的土壤培养基与种子喷播等工程技术措施,巧妙地完成了废弃采石场残损山体土壤层的重塑。砌筑排水沟与敷设金属网系统,有效保护土壤培养基免受雨水冲刷与自然破坏。喷播形成的人工土壤培养基为植物种子提供充足营养,保证种子萌发及根系发育。而生根发芽的植被群落又可通过根系的固着作用有效保护土壤培养基,减少水土流失,并通过自然选择与群落演替,促进山体植被的自然化、群落化。 自2008年6月施工以来,该采石场的植被恢复效果明显,植被覆盖率达到95%以上,经历数次大雨未出现水土流失现象,基本达到“物种本土化”和“效果森林化”的目标,充分体现了恢复自然、尊重自然、与自然和谐共处的理念。因重点选择当地物种,保证人工植被与周边自然植被相融合,群落稳定持久,提高了边坡生态质量。 图2 边坡植被恢复前后效果图(施工两年后) Fig 2 Effect diagram of vegetation restoration on rocky slope(2 years after construction) 4.2 技术优势 与移栽种植的林地相比,种子喷播后形成的林地树木根系更粗大强壮,主根延伸能力更强,根系间的连接更复杂,固土效果更好,后期产生的生物量更大。而与灌木型、草本型的绿化结构相比,森林型结构成林后树高可高达3 m以上,形成乔、灌、草有机结合的森林状态绿化结构,更接近自然,更容易实现植被群落的自然演替,使人工坡面植被恢复的效果能够长时间的稳定存在,可免除后期管理。 图3 局部效果对照图 Fig 3 the local contrast diagram 高次团粒公司的团粒喷播所提供的土壤培养基是实现“自然土壤”重现的关键技术环节,这种“人工土壤”能为植物生长、植被演替提供丰富的营养条件与优越的环境因素。同时,恢复后的植被演替过程可以推动土壤养分循环,有效改善土壤结构、增加土壤养分[16]。因此植被恢复不仅仅是城市绿量及覆盖率的增加、城市环境的改善的表面现象,而且还具有土壤环境优化,土壤微生物繁衍、生息,整个生态系统良性循环的深层意义。在土壤与植被良性循环的共同促进作用下,整个生态系统有效运转并相互支撑,逐步使因人为破坏而产生的残损山体恢复自然原貌。 4.3存在问题 我国北方地区属温带季风气候,大部分原产北方的树种为落叶树种,在景观的营造过程中,冬季景观就略显单调。由于部分植物难于播种繁殖以及生长习性的限制,常绿植物的应用被局限。春夏过后,冬季叶黄枯萎,山体土壤培养基裸露,景观效果较差。为了达到“三季有景,四季常绿”的理想效果,在植物选取和种植设计方面应进一步拓展思路,优化配置方式,完善喷播技术。在保证边坡表层稳定和提高安全质量的基础上,适当选择景观物种,突出山体的景色特点,营造更加美丽的自然景观。 参考文献: [1] 傅伯杰,陈立顶,马克明,等.景观生态学原理及应用[M].北京:科学出版社,2001. 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