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裸露地质坡体生态复绿系统构建技术研究

——以沪渝高速公路安徽段坡体生态复绿为例
(胡优华 澳门云顶集团生态园林股份有限企业董事长)
        Construction Technology Research of Ecological Restoration System on Exposed Geological Slope——With Side Slope Ecological Restoration of Anhui Section of Shanghai-Chongqing Expressway for Example
        摘要:随着经济的发展和环境的恶化,修复病态生态环境,实施裸露地质坡体生态复绿成为经济发展的必然选择。本文阐述了生态复绿的概念及其坡体生态复绿系统构建的研究进展,以沪渝高速公路安徽段坡体生态复绿为例,对裸露地质坡体生态复绿系统构建要素进行深入研究,并从构建施工工艺、植被配置特色、工法技术创新等角度进行综合分析,从而提出了生态复绿技术再创新的必要性。
        关键词:生态复绿;边坡;系统构建;研究
        Abstract: with the economic development and environmental deterioration, pathological ecological environment repaired and ecological restoration on exposed geological slope is a inevitable choice for the economic development. This paper stated the conception of ecological restoration and its construction research advances. The author researched its elements and analyzed construction techniques, feature of plant design, technical innovation with the examples of side slope ecological restoration of Anhui Section of Shanghai-Chongqing expressway, and put forward the necessity of technological re-innovation.
        Key words: Ecological restoration; Side slope; System construction; Research
        随着中国经济的高速持续发展,城镇化进程不断加快,市政、交通(公路、铁路)、水利、矿山等基本建设迅猛增多,加上自然资源的无限制开采,造成原生地貌与植被大量破坏,出现了大量黄土与地质裸露,水土流失加剧,加上各种滑坡、泥石流及地震地质灾害,以及沙漠、盐碱地、荒山、江河湖海、裸露立体构筑、垃圾填埋场等大量病态生态环境或生态系统,对人类造成严重的生态灾难,人类生存环境日益恶化。由于在改造自然过程中只注重技术和经济的研究,忽视了对生态环境所造成的负面影响,因此重新构建恢复生态绿色系统,切实有效地保护地球表面的生态圈,成为大家急需解决的当务之急。
         1  生态复绿概念
        生态复绿的演化是由恢复(restoring)(自然恢复与人工恢复)→修复(remedy) →生态改进(ecological enhancement) →生态构建(ecological architecture)→生态植被复绿→生态复绿系统的建立。生态复绿的概念就是基于大自然的自我恢复能力以恢复生态学为引导,在尽可能短的时间和一定的空间内依据自然、社会经济技术与美学原则,对病态生态环境进行以生物、非生物为主的生态系统整体功能与合理结构的恢复、重建、修复(或景观再创新)、健康保护的评价以及规划、设计、保护、建设和管理的绿色自然生态系统。一般分为自然生态复绿(大自然具有自我恢复能力)、人工生态复绿。其诊断标准主要是指不同地质环境下的植物生长状态与覆盖率,表现为不同地形地貌(山地、高原、盆地、丘陵和平原)、土壤质地、气候环境、水文地质、稳定度、裸露度、凹凸坡度、施工养护与技术研究难易程度等。通过整合各种裸露地质的生态复绿技术和特点,大致将生态复绿程度分为十级,具体为深度复绿(8-10级)、中度复绿(5-7级)、浅度复绿(2-4级)、微度复绿(0-2级)、自然复绿(0)。计算方式一般通过生态复绿率来表现,即L(%)=已复绿的面积Y(公顷Ha )/被破坏的面积P(公顷Ha )×100%,复杂凹凸立体表面积计算以不同系数来衡量。
        2  生态复绿系统构建技术研究进展
        自20世纪80年代以来,随着各类生态系统的退化以及相继引发的环境问题加剧,国外开始注重对不同退化生态系统的恢复重建的研究,从而推动了恢复生态学的高速发展,即从生态系统层次上考虑和解决问题,其恢复过程是人工设计的,在人的参与下,一些生态系统可以恢复、改建和重建[1.2]。然而从立体裸露生态修复体系的研究历程来看,美国等发达国家早于20世纪30-40年代就开始了道路边坡植被恢复工作,并初步将恢复生态学的理论应用于试验当中,当时主要成果在于植物材料的选择和配置上[3]。60年代美国Finn企业首先开发了喷播机,实现了边坡植被恢复的机械化[4],直到90年代初开始运用乡土植物对公路边坡进行植被恢复[5]。日本如种子、客土、厚层基材喷播法、植生袋法等成熟的配套技术,被誉为“从种子到树林的再生技术”[6]。我国20世纪90年代公路铁路建设迅速发展,自1996年铁道部科技司在北京大通县境内的京九铁路引用日本OH液边坡喷附技术以来,各种施工技术已在我国广泛应用。随着国家对生态环境保护的重视,我国势必加大对裸露地质生态复绿技术研究力度。特别是沪俞高速公路安徽段朱村至毛竹园02标边坡生态植被修复绿化技术的再创新,并获得了2009年度中国风景园林学会金奖工程。
        3  裸露地质坡体生态复绿系统构建要素分析
        公路、铁路边坡主要是呈现条带状分布、地域性明显、原有表土层和原生植物群落损坏严重、植物生长发育缓慢、土壤侵蚀程度高、坍塌严重等特点。裸露边坡体绿色自然生态系统修复构建不仅是绿色植被恢复过程又是一个综合性的土建、景观再造工程,影响的因素繁多复杂。因此,要成功解决边坡体生态系统构建要素中的牢固稳定性、基质选择与稳定、植物选择、防止水土流失和低养护等技术难点,需要从边坡稳定性的地质、地形、气候和水文条件等自然因素以及土壤、植物配置、边坡特性、技术方法等多方面进行综合考虑。其系统建设一般由加固地表基地的稳定、土壤层的恢复与构造、植被恢复、景观重塑、工程施工项目管理、生态复绿系统维护与评价等组成,具有力学锚固效应、水文效应和生态效应等多种作用。
        3.1  地表基地的稳定性
        地表开挖后就会造成自然地质结构破坏,山体松动,破坏面因复杂小气候(温差、风速、雨水、寒冻等)造成风蚀严重,致使塌陷频繁发生,基地不稳定,会使边坡植物的自然恢复生长极为困难,同时给人类安全、财产造成极大的危害,因此坡体稳定性好坏决定了生态复绿的基础。根据地表形态规模的大小,地貌层叠起状凹凸度,坡度陡峭大小,地质不同结构,截水与排水等制定了相应的稳定措施。对严重不稳定的坡体采取锚索固定、现浇砼加锚杆或锚索或预应力锚索、浆砌石片、水泥喷浆、钢筋砼框架等方法来确保裸露坡体的稳定安全。
        3.2  土壤层的恢复构造
        由于裸露坡体的生土土壤贫瘠、破碎岩石层薄缺乏团粒结构,二者持水性与保肥性差,以及冲刷严重,因此土壤层恢复过程中首先要保证土壤附着稳定性,一般有打桩、挂网、喷附、增加粘合剂等来解决。其次土壤厚度、透气性、水分、营养肥、腐殖质等决定了植物生长的成活率、覆盖率与长势茂盛景观度,一般采用客土改良如草炭土、本地树叶腐殖土壤、稻壳草木灰混合土等。整体恢复构造技术一般把混合土壤(含植物种子、保水剂、粘合剂、肥料等)通过喷射机喷附在裸露体表层约5-10cm厚度,主要有厚层基材分层喷射法、喷混植生、客土吹附、液力喷播等,根据地形、土质、坡度和水文地质环境决定选用不同的施工方法。对于哪些难以喷附的裸露体可以采用植生袋、植生砼、植生槽法(鱼鳞坑开挖、种植槽)、喷砼、客土等方法提供植物生长的基质。
       3.3  植物配置与恢复重建
        所谓生态护坡技术主要是利用植物涵水、固土等原理,在稳定岩土边坡的同时美化生态环境的一种新技术[8]。对于物种的选择应充分考虑其乡土化、地带性、物种多样性、抗性物种、根系发达、遵照生态位、系统性、具有较好的改良土壤能力和互利共生原则[9]。通过大量的工程试验研究总结得出,坡体生态系统构建应以生物措施为主非生物措施为辅,选择乡土植物、先锋树种、中长期树种结合,使生物措施具有近自然的生态结构和生态功能,才能保持长期的生态和景观效果,确保周边的自然植被相融合,构建成稳定群落,并且不会导致外来植物种的入侵。
        3.4  系统构建与景观重塑
        采用合理的裸露坡体生态复绿常用构建技术(见图1),能有效达到生态复绿系统构建和景观重塑。工程防护是植被防护的基础,两类防护形式是相互支撑相互渗透的,只有将两者有机结合,才能起到永久防护美观耐用的目的。在景观重塑过程中要结合地形地貌有效设计出自然景观的特点,如岩石在自然植被中适当裸漏能起到山石相间的美观效益;栽植开花常绿植物或彩叶植物起到四季丰富的色彩季相变化;局部大树的间歇点缀起到醒目的良好作用等。
        裸露地质坡体生态复绿系统常用构建技术
坡度 土质情况 稳定型 施工方案 构建方法 复绿度
0-30º 无纺布覆盖 客土/液力喷播/植生带 自然恢复/低养护 自然
砂岩、灰岩、泥岩 无纺布覆盖 客土/喷混植生/植生带 人工恢复/低养护 微度
岩石 锚干挂网/无纺布覆盖 客土/喷混植生/客土吹附+液力喷播 修复/低养护 微度
30-45º 无纺布覆盖 植生带/喷混植生/液力喷播 人工恢复/中养护 微度
砂岩、灰岩、泥岩 挂网/无纺布覆盖 客土吹附+液力喷播/喷混植生 修复/中养护 浅度
岩石 挂网/锚索框架/无纺布覆盖 客土/客土吹附+液力喷播/喷混植生 修复/中养护 浅度
45-60º 挂网/无纺布覆盖 植生带/客土喷播 修复/中养护 浅度
砂岩、灰岩、泥岩 挂网/锚索框架/无纺布或草垫覆盖 客土/植生袋/厚层基材/客土吹附 重建/中养护 中度
岩石 锚索框架/挂网/无纺布或草垫覆盖 客土/植生袋/厚层基材 重建/中养护 中度
60-90º 挂网/锚干框架/浆砌石片/草垫覆盖 客土/植生袋/厚层基材/ 重建/高养护 深度
砂岩、灰岩、泥岩 挂网/锚索框架/喷砼/草垫覆盖 植生袋/厚层基材/植生槽 重建/高养护 深度
岩石 挂网/锚索框架/筑台拉网/草垫覆盖 植生袋/厚层基材/植生槽 重建/高养护 深度
>90º 岩石 锚索框架/筑台拉网 厚层基材/植生槽/植生袋 重建/高养护 深度
         裸露坡体生态复绿系统构建技术应用
        生态复绿系统构建技术目前已应用到诸如采石矿山、沙漠、公路铁路沿岸边坡、裸露立体构筑物等,沪俞高速安徽段的生态复绿已取得良好成效。
        4.1 病态生态系统特点
        沪俞高速安徽段地处江南丘陵地区,原生态植被良好,由于高速公路的建设严重破坏了自然地被地貌,加上建设期雨季长且雨量大,呈断续不连贯性的陡坡(多为60-90度)量大而分散,坡质多为次生裸地、砂岩、风化岩、软质岩、硬质岩。病态的生态系统给沿线带来一定的灾难,如沿路反复坍塌现象严重,湿地、河、水塘遭污染,植被短期内难以恢复,豁口造成视觉景观破碎,大量施工机械造成碳排放过量等,要在紧张的工期内完成修复重建工作,是具有相当的难度。
        4.2  裸露坡体生态复绿系统构建方案
        通过精心组织,合理安排,科学管理,在保证质量优良及安全文明环保标准化同时,确保在工期进度内顺利完成,采取了对裸露坡体实行刷新式施工方法,即出来一个完成一个,并且力争做到边边角角达到全覆盖。
        4.2.1  构建施工工艺
        根据主线两侧坡体不同地形、地貌、地质结构、立地条件选择不同的施工工艺方法。如高、陡路堤或路堑边坡坡度≥1:1的锚索框架及锚杆框架采用植生袋工法;石质坡及坡度<1:1的采用客土+厚层基材法;设有锚墩边坡采用厚层基材法;非石质坡采用客土+液力喷播法;浆砌石片护坡、锚索网护坡、挡土墙边坡采用栽植藤本植物进行垂直绿化的方法。低矮路堤或路堑的土质边坡采用液力喷播法;客土+石质边坡(无骨架)采用客土喷射法或部分客土+夜里喷播法;石质边坡和框架边坡采用先人工客土,后采用液力喷播法或厚层基材喷射法。同时加强控制环境污染,使每个裸露坡体实行了全方位、全面、全立体的覆盖。
        4.2.2  植被配置特色
        裸露坡体植物配置要与公路两侧原有自然乡土植物和车行速度相适应,形成群色布置。尽量选择“粗生、快长、适生强、不维护或少维护、抗污染、经济(减低运营成本)”的植被灌木品种,速生与慢生相结合,兼顾景观效果。选用观花彩叶的乡土灌木树种,力求四季常绿、三季有花与色彩季相变化丰富。根据边坡立地类型和土壤类别、坡度大小,采取自然式灌木为主与花草附的混合配植方式,如采用了灌木种子(马棘、紫穗槐)+草本种子(狗牙根、结缕草、黑麦草),其混合比为10:6:4:3:2(25g/m2),还采用了紫穗槐、胡枝子、多花木兰、狗牙根的混合比9:6:6:6(25g/ m2)方案,经过实践,整体效果长势良好。
        4.3  工法技术创新
        积极采用新技术新工艺新材料新设备。首先结合现状采用了多种生态植被修复绿化工法,如植生袋法、厚层基材法、客土喷附法、液力喷播法等。其中植生袋法采用普通编织袋和植物种类和营养比例配比法,降低了成本,提高了工作效率。自行成功开发了动力混合与快速喷射的厚层基材机械与工法,成本降低了30%,效率提高了40%;利用当地稻草与秸杆粉碎技术开发客土混合添加剂材料,低成本地增强了护坡稳定性。其次,有框架岩石边坡生态复绿技术采用先客土将网及内框架覆盖,然后用厚层基材方法喷种植土层及种子层,通过工艺的创新有效地解决了长效护坡作用,保证了植被的正常生长。
        5  结语
        通过沪俞高速公路建设初期病态生态系统的分析,利用坡体生态复绿系统构建技术,经过4年多来的实践研究,全路植物长势与乡土植物的交叉混生良好,基本达到人工与自然的很好愈合,使病态生态系统得以快速地恢复,实现了最佳生态、景观、经济和社会效益。以期为科学的打造绿色生态廊道和适用于坡体的生态防护系统提供技术支撑和帮助,并为解决治理PM2.5起到一定的作用。以恢复生态学为理论基础的生态复绿是满足达到生态平衡系统的基础,生态复绿是风景园林未来发展方向的延伸、拓展和创新。
图1:边坡生态复绿

图2:边坡框架复绿
 
图3:植生袋

图4:边坡草灌花融为一体
 
图5:边坡景观
 
图6:中分带与高坡景观

图7:边坡复绿和大自然融为一体

图8:中低边坡绿化景观

图9:中分带与边坡景观和谐自然

图10:紫穗槐护坡
        参考文献:
        [1]Jordan W, Gilpin M E and Aber J D. Restoration Ecology:A Synthetic Approach to Ecological   Research. Cambridge university Press,1987.
        [2]李永庚,蒋高明.矿山废弃地生态重建研究进展[J].生态学报,2004,24(1):95-100.
        [3]苗保河,郑延海,伏芳,北京市门头沟区石灰窑遗址及公路边坡裸露地表植被修复模式的生态评价;水土保持研究 2011:(6)
        [4]James J.Mccabe.2001.A summary and forecast of demand for municipal strect tree service on staten island ,New York.Journal of Arboriculture 27(5):277-280.
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        [6]刘春霞,韩烈保.高速公路边坡植被恢复研究进展[J],生态学报,2007,27(5):2090-2098.
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        [9]丰赡,许文年,李少丽,戴方喜,刘高鹏.机遇恢复生态学理论的裸露山体生态修复模式研究[J].中国水土保持,2008(4):23-25.
        (论文收录于《中国风景园林学会2012年会论文集》
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