基于恢复生态学理论的山体边坡生态修复模式研究

[关键词] 山体边坡；护坡；生态修复
[摘   要] 山体边坡的生态修复是一项系统的、综合的过程，本文结合山体边坡的生态修复特点，深入剖析目前山体生态修复中的不足，以恢复生态学理论为基础，提出了山体边坡生态恢复的规划设计方法以及要遵循的原则，以岩质边坡和废渣堆积体的生态修复为主要设计对象，提出了综合应用植被混凝土生态护坡绿化技术和防冲刷基材（PEB）生态护坡技术的模式。
[中图分类号]                 [文献标识码]            [文章编号]
The Ecology Restoration Technology study of bare mountain
        based on theories of restoration ecology
Feng Zhan, Xu Wennian, Li Shaoli, Liu Gaopeng, Zhou Mingtao
（China Three Gorges University, YiChang 443002）
[Key Words] bare mountain; protection slope; ecological restoration
[Abstract] The ecology restoration of bare mountain is a systematic and allround process. This paper considers the ecology restoration feature of bare mountain and the insufficiency in ecology restoration of bare mountain ,bases on theories of restoration ecology , designs systematically ,and
Considers the rock slope and waste residue accumulation to be the main design object ,to make use of the Slope Protection and Revegetation Technology with Vegetattion-growing concrete and A ecological slope-protected method of Preventing Erosion Basis material .

       随着国家经济实力的快速增长，基础建设随之兴起，特别是国家西部开发的投入，公路、铁路、水利、采矿等工程建设如火如荼。这些基础工程建设的实施，伴随出现了大量的施工开挖，爆破，弃渣弃土等，从而破坏天然植被，造成大量的裸露创伤山体，使原本脆弱的生态结构和服务功能遭到破坏，引发严重的水土流失和环境生态失衡等问题。加剧了人类生存环境的恶化和生态系统退化，如我国废弃矿山面积达到40000平方公里，并以每年330平方公里的速度增加。公路铁路在进入21世纪以来的快速发展和大规模建设，导致每年新增加的山体边坡约    3亿平方米，并且线性分布，影响面大，是我国新的水土流失源。
       传统的治理方法主要集中于边坡的稳定和安全，以工程措施为主。有的也考虑了植被方法，但是没有系统的、综合的以恢复生态学理论为基础进行全面整体规划。传统的方法如：浆砌石护坡、三合土灰浆抹面护坡、喷射混凝土等工程护坡方式不能恢复自然植被，且存在施工成本高等弊端。这些方法不仅缺乏对资源的保护和可持续利用，而且大面积的裸露砌石和混凝土不仅对生态环境和生态景观没有改善，反而影响了自然环境的物质能量流通，形成一种视觉垃圾。山体边坡的生态修复是一项系统的、综合的过程，是一项集岩土工程学、植物学、土壤学、恢复生态学、水土保持学和景观生态学等诸学科于一体的综合性的科学技术。它系统地把岩土工程技术和生物技术有机的结合在一起，既保证了山体边坡的稳定性，安全性，又逐步建立起一个健康、稳定、可持续的生态系统。本文正是从恢复生态学角度出发，对山体边坡的生态修复技术进行的研究。
1 山体边坡的基本特点
       山体边坡一般都是在工程开发建设过程中对自然山体破坏而形成，以具有裸露边坡、水土流失严重、土壤贫乏等为特征。按形成的因素不同，形成山体边坡一般具体表现为采石（矿）场的开采坑口、关停坑口、废弃坑口、遗留边坡和公路、铁路等开采缺口；其后随着山体边坡各种缺口的外延拓展，滑坡、崩岗等自然灾害造成山体破坏也能够形成裸露迹地。山体边坡是一种特殊的水土流失类型，与自然山地水土流失相比，具有以下几方面特点：

       ① 由于山体被人为开挖，遗留的多为岩质边坡，其水土流失程度十分严重，几乎没有土地生产力，植被极难恢复；
       ② 严重影响生态景观，且以改善生态景观为治理主要目标；
       ③ 治理难度大、治理措施的技术含量高、治理投入大。
2 山体生态修复的恢复生态学理论
       要从恢复生态学的角度全面、科学、系统的分析和设计出有效的生态修复技术，必须建立在恢复生态学的理论基础上，更不能够违背它的演替规律和恢复机理。恢复生态学应用了许多学科的理论，但最主要的还是生态学理论。这些理论主要有以下几点：
限制性因子原理（寻找生态系统恢复的关键因子）、热力学定律（确定生态系统能量流动特性）、种群密度制约以及分布格局原理（确定物种的空间配置）、生态适应性理论（尽量采用乡土种进行生态恢复）、生态位原理（合理安排生态系统中物质及其位置）、演替理论（缩短恢复时间，极端退化的生态系统恢复时，演替理论不适用，但是具有指导作用）、植物入侵理论、生物多样性原理（引进物种时强调生物多样性，生物多样性可能导致恢复的生态系统稳定）、缀块——廊道——基底理论（从景观层次考虑圣经破碎化和整体土地利用方式）等等。
3 山体边坡生态规划设计
       山体边坡的生态修复基本任务是边坡稳定性和边坡的植被恢复，最终的目标是恢复植被回归自然。山体稳定是实现植被恢复的前提，在进行植被恢复之前必须排除崩塌和落石隐患。植被的恢复是有一定过程的，是遵循自然演替规律的。山体边坡规划设计主要内容如下：
1）现状调查分析
       主要目的是调查生态因子，综合分析山体边坡各种生态环境因子的变化规律及趋势，明确山体边坡的生态修复重点，获取必要的基础资料。
2）总体规划
       ① 确定规划范围和时间，编写恢复目标和任务。
       ② 由于自然地理、气候环境、立地条件和人为干扰因素的不同，对山体边坡进行植被恢复可以形成不同类型的植被。因为每个裸露区的植被类型不同，在对不同裸露区进行植被恢复的时候应该针对裸露区周围植被类型而进行选种。所以有必要对恢复对象分类、分区并做好分区实施计划，并形成一个可行性规划方法。能够使得恢复的植被向健康稳定的生态系统发展，使得恢复后的山体边坡能够尽可能的与大自然相融合。
       ③ 对于生态环境与土壤退化及改变程度不严重的裸露区域，可参照原有生态系统植被的组成与结构，对系统进行修复。但是很多裸露区域的生态系统都发生了难以逆转的变化，特别是那些土壤基质发生彻底改变的山体边坡类型，这时山体边坡生态系统植被的生态恢复大多选择重建的方法。应结合裸露区域的退化状况、系统未来的作用、周围的景观背景选择与设计植被恢复目标。使得整个恢复后的生态系统经过长时间的演替，能够有一定的抵抗力，保持良好的能量流动和物质循环。
3）生态恢复工程设计原则
       在总体规划的基础上，对不同山体边坡的设计方法、应用技术要科学分析，从恢复生态学角度，结合实际工程来进行设计规划。山体边坡缺口的生态恢复工程设计，应以总体规划为指导，以保证边坡稳定为前提，以恢复秀美背景山体为目标，以科技为先导，遵循生态规律和经济规律，坚持统筹安排、突出重点、分类指导、分步实施的原则，逐步恢复山体边坡原来的生态景观和生态功能。具体来说山体边坡生态恢复工程设计应遵循以下原则：
       ①协调性原则
       山体边坡的生态恢复应符合总体规划，与周围景观相协调。根据周围环境和城市总体规划，可将山体边坡缺口设计为工业远区、山庄别墅、景点公园等。
       ②有效控制水土流失与土地开发整治相结合原则
山体边坡缺口破坏了原有植被，造成了严重的水土流失，给人民生产生活带来严重损失。因此，山体边坡缺口生态恢复必须以有效控制水土流失为前提。
       ③生态恢复与景观再造相结合
       山体边坡缺口由于其形态、颜色与周围环境形成强烈反差，属于生态脆弱带，因此必须以恢复生态学、景观生态学原理为依据，同时与景观再造相结合，增加景观异质性与多样性，提高视觉冲击包容能力。④坚持生态效益、社会效益和经济效益并重与统一的原则
现代城市应是自然－经济－社会复合生态系统，不能一味注重经济效益发展而忽略生态效益，甚至以牺牲生态效益为代价来追求经济效益的增长。山体边坡生态恢复应既恢复其生态功能，又能尽可能地发挥土地使用价值，在生态、社会和经济效益方面发挥最大的综合效益 。
 4 物种遴选及配置原则
       前面已经说过山体边坡的特点，其中山体边坡对植被生长影响最大的特点就是土壤贫瘠和缺乏水分。因此，对于山体边坡生态修复的物种一般具备以下特点：
①耐干旱贫瘠，适应性强；②根系发达，能够固持土壤，涵养水分；③生命力强，管理粗放；④生长迅速，分枝稠密；⑤树冠浓密，落叶丰富，易于分解。
在具体选择时，依循植物学及生态恢复的理论，提出以下几条物种选择原则：
1）乡土化和地带性原则
       要根据山体边坡地区的气候特点，选择处于同一气候带的植物品种，主要的物种具有自我繁殖能力，易与当地植被融合，有利于保持长久并产生近自然修复效果。优先选用乡土植物、地带性植物对植物群落的健康，加快生态系统的恢复有着重要的意义；同时可以避免由于引进物种而带来的一系列问题甚至是产生物种大量入侵的灾难。
2）物种多样性原则
       从恢复生态学角度，以科学发展的眼光来看，防治山体边坡草被退化的重要措施就是尽可能的采取乔、灌、草相结合的方式进行绿化，使之尽量符合当地的植物群落结构，并走向本地化。在实现物种多样性时，应该以乔灌优先，乔灌草结合，慎用藤本为原则。因为草本植物一般作为治理的先锋品种，生长速度快，能够迅速覆盖坡面，为防止水土流失和其他物种的进入创造条件，而乔灌木品种往往作为目的种，是永久性的，必须具备很好的自我更新能力，且不容易退化，才能够发挥持久效果
3）根系发达原则
       根系发达的植被不但能够很好的固持土壤，保护边坡贫瘠的生长基质；还可以吸收岩石裂隙内深层水分，有较强的生命力。山体边坡边坡植被生境恶劣，植物生长、发育非常困难。坡面保水能够差，所以，应该坚持以乔灌优先，以乔灌木为主，乔灌木的根系发达，可以穿透建植层深入岩石裂隙中，形成建植层和岩层根系交织的稳定结构，吸收深层水分，这有利于坡面的浅层防护作用。
4）遵照生态位原理，灌草立体配置，深根和浅根植物相结合原则
       植被生长在时空上也存在一定的竞争，在物种选择时候应该从时空角度来配置冷季和暖季型物种结合。从空间立体、景观效果来看，选用乔灌草空间配置。从植被营养吸收以及坡面的深浅层稳定方面来考虑，宜选用深根和浅根植物相结合原则，植被根系对边坡的防护作用是深层锚固，浅层加筋。
5）具有较好的改良土壤能力，能够互利共生原则
       山体边坡植被生态修复必须要考虑对植物个体和种群的关系，既要迅速达到绿色效果，也要持久不衰，保持生物多样性，构成稳定多物种的立体植被结构。植物都有各自的生物特性，物种间多会出现竞争和侵没性，在此过程中必然会有一部分物种衰亡消失。因此，考虑物种间的互利共生关系，应该尽量选择落叶量大或者固氮能力好的植物，从而可以改良土壤，为其他植被生长创造条件。
5 山体边坡生态修复技术探讨
       山体边坡的破坏类型都很多，不同类型的破坏形式所采取的修复方法一般不一样，要综合考虑环境因素、现场实施难度、经济成本等。在此主要探讨山体边坡的岩质边坡和废渣堆积体的生态修复方法。
5.1 岩质边坡的生态修复
1）岩质边坡的特点
       ① 缺少植被生长所必需的土壤条件及养分条件；② 边坡坡度大；③ 坡面自然生态条件恶劣。
2）岩质边坡修复技术研究
       岩质边坡的生态修复是山体边坡修复成功的关键，其难度大，技术要求高。目前国内对岩质边坡的生态修复比较成功的方法主要有植被混凝土护坡绿化技术、厚层基材喷射植被护坡技术、人工植生槽、人工植生袋、挂笼砖和喷混植生等技术。综合考虑实际工程效果、成本以及恢复生态学思想，采取植被混凝土护坡绿化技术是解决岩质边坡生态修复的最好方法。植被混凝土护坡绿化技术是主要针对高陡岩石边坡和混凝土边坡进行护坡和生态修复的工程绿化技术。该技术能恢复自然健康的植物生长环境，满足水土保持和防灾减灾的要求。另外，植被混凝土护坡绿化技术的实施符合恢复生态学原则。在山体边坡生态修复过程当中我们所选取的修复方法都应该为植被生长营造一个良好的环境。3）岩石边坡生态修复工程设计
       ① 现场调查
       包括主要环境因子（地形地貌、土壤地质、水文气象、植被结构等）、交通条件、施工环境、水源、电力、施工原材料供应情况等的调查。
        ② 确定植被混凝土配方
       根据现场调查情况，特别是目标边坡的坡度和性质、当地主要土壤的性质，确定植被混凝土配方。
        ③ 植物物种选择
       根据现场调查情况，结合本地水文气象条件、植物群落结构特征以及物种在植被混凝土中的适应性等，以外来先锋草种和本地物种相结合，草、灌、藤合理搭配的原则选择混合植绿物种。
       ④ 锚钉与加筋网设计
       为增强植被混凝土基材层在目标坡面的整体稳定性，通常垂直于坡面方向等间距的配置锚钉，铺设镀锌铁丝网或过塑网。锚钉露出坡面以上的长度与植被混凝土厚度一致，一般为10cm锚钉；间距的确定见5.2，一般情况下，边坡坡度<60°，锚钉间距为100cm，边坡坡度60°～75°，锚钉间距为80cm；边坡坡度>75°，锚钉间距为60cm；锚钉入坡深度根据边坡地质情况确定，要保证不仅锚钉本身牢固而且能使加筋网及植被混凝土基材层局部稳定。一般情况下，稳定完整岩石边坡及混凝土边坡为30cm，软质岩边坡可为45～60cm，土石混合边坡、瘠薄土质边坡可为50～80cm。如果边坡坡度大于85º，每层锚钉上应加一道配置钢筋，并加大锚钉直径。对于有特殊稳定要求的混凝土边坡，不能随意打孔锚固而采用特制的等强度胶剂固定加筋网。
       ⑤ 边坡排水设计
       为减少边坡的汇水面积，应在坡顶设置截水沟，坡面设置排水沟。截水沟断面设计根据地形情况、汇水面积及降雨条件确定。
       ⑥ 植被混凝土基材层施工组织和设计
       按选定的植被混凝土配方把基材原材料通过搅拌机拌和，采用常规的喷锚设备，将基材分两次喷射到坡面上。第一次喷射9cm左右称为基层，第二次喷射1cm左右称为面层。面层喷射时，原材料与混合植绿物种同时搅拌，并且水泥和添加剂用量各减少50％。
       ⑦ 管理与养护
       植被混凝土基材层施工完成后，进行浇灌系统的安装，浇灌系统的布置及喷头的数量根据目的边坡附近的水源情况和坡面植被生长需水量确定。再在坡面铺设无纺布进行保墒。养护过程中，应保证基材湿润，一是植被混凝土养护的需要，二是植物生长的需要。植被生长过程中，进行必要的病虫害防治。
5.2 废渣堆积体的生态修复
1）废渣堆积体的特点
       废渣堆积体以及周围影响区形成的自然松散坡体，由于土体松散，在有集中的大流量的径流冲刷时，容易造成灾害性的塌坡和泥石流。废渣堆积体的土体侵蚀比较严重，要保持水土流失必须对废渣堆积体进行修复治理。另外，废渣堆积体还会产生自然沉降，所以在对废渣堆积体修复措施时应该成分考虑这一点。
2）废渣堆积体的生态修复技术研究
       目前应用于坡度小于50°边坡的生态方法主要有：植生带绿化技术、液压喷播植生技术、厚层基材（TBS）喷射绿化技术等。但是这些方法还没有一种能够完全满足边坡生态恢复与护坡功能相结合、抗雨水冲刷能力强、实施造价低廉、适用性广的要求。针对这些实际工程技术的不足，三峡大学在防护生境基材的基础上开发了防冲刷基材(PEB)生态护坡技术。防冲刷基材生态护坡方法用三个功能层来实现，即基材层、加筋层和防冲刷层。在三个功能层的共同作用下，可达到营造良好的植被生长环境、保持边坡的稳定性、防止坡面受雨水冲刷造成水土流失的功效。
3）废渣堆积体的生态修复工程设计
       为了避免废渣堆积体受到雨水冲刷而导致大量水土流失，首先应该对废渣堆积体区域进行排水设计，理顺水系，使径流不直接冲刷坡面。另外，由于废渣堆积体存在一种沉降问题，对于传统的砌石护坡、挡土墙之类的方法是不可采取的，从恢复生态学和景观生态学角度来看也不是很科学的。对此，应用防冲刷基材（PEB）生态护坡技术对废渣堆积体进行生态修复。其修复模式示意图见图5-1。
       ① 建立合理的截水沟和排水沟，避免地面径流直接冲刷废渣堆积体；
       ② 对松散的废渣堆积体进行重新分层碾压，使得土体达到一定的密实度，边坡比在1：1.5～1：2.0是稳定的；
       ③ 在废渣堆积体及周边实施植被护坡固土，采用防冲刷基材（PEB）生态护坡技术。
      防冲刷基材（PEB）生态护坡方法实施工艺简单，以人工操作为主，只在防冲刷层的施工过程中需要少量机械台班，施工简便。同时，其造价相对低廉，经济合理。防冲刷基材（PEB）生态护坡方法的可按下列步骤实施：
       ① 对边坡进行适当修正，达到大致平整。
       ② 在已经修正的坡面上铺设厚度大约为10~15cm厚的基材层材料（根据拟选用的物种根系长度，可适当加厚基材层的铺设厚度），再洒水适量并用木辊轻轧一遍，使基材层有一定的密实度。
       ③ 在基材层上铺设加筋网，同时按一定的间距向坡内垂直钉入锚固材料，与加筋网绑结形成加筋层。
       ④ 在基材层表面进行洒水润湿。
       ⑤ 再在加筋层表面进行防冲刷层施工，防冲刷层厚度2cm左右，采用常规喷射机具施工。
       ⑥ 进行无纺布覆盖，洒水养护保墒。
防冲刷基材（PEB）生态护坡方法中的三个功能层设计施工等都有不同的方法，基材处理和材料的选择等也不一样，应该根据各个功能层的需要，综合考虑施工方便、经济合理、生态环保等因素，设计出合理的方法。
结语
       工程实践证明，在山体边坡和废渣堆积体的生态修复中，综合应用植被混凝土生态护坡绿化技术和防冲刷基材（PEB）生态护坡技术能充分考虑项目对象的实际情况，在技术设计时体现了技术应用的科学性；技术是实用可行的，能使实施单位能快而准地把握施工工艺，保证施工的顺利进行；在经济上最节约，包括其边际成本和边际效益都能达到令人满意的程度；能真正实现了固土护坡、快速复绿、回归自然的生境修复目标，可最大限度地减少人工痕迹，使人感受和谐的自然之美。