王 帥，寧立波

(中國地質(zhì)大學(xué)環(huán)境學(xué)院，中國 武漢 430074)

針對(duì)采石場(chǎng)閉礦后形成的高陡巖質(zhì)邊坡生態(tài)環(huán)境破壞嚴(yán)重、亟需覆綠的現(xiàn)象，學(xué)者們提出了諸多的解決方法[1-2]，如爆破燕窩復(fù)綠法[3]、壘砌階梯復(fù)綠法[3]、種子噴播法[4]、客土噴播法[5]、植生吹附工法[6-7]、鋼筋水泥框格法[7-8]、厚層基材噴射技術(shù)等[9-10]．這些技術(shù)短期內(nèi)雖能達(dá)到覆綠效果，但大都以工程技術(shù)手段進(jìn)行實(shí)施，離開人工養(yǎng)護(hù)后植物很難成活，其根本原因在于缺乏對(duì)植物生長所需的地境條件分析．本文以生態(tài)地質(zhì)學(xué)理論為指導(dǎo)，以河南省宜陽縣錦屏山采石場(chǎng)為研究區(qū)，對(duì)植物生長的地境特征進(jìn)行分析，為高陡巖質(zhì)邊坡的地境再造提供參考和依據(jù)．

1 研究區(qū)植物地境特征

研究區(qū)采石場(chǎng)位于洛陽市宜陽縣龍門—宜陽斷裂破碎帶錦屏山，人工開采后形成了西、南、東3個(gè)方向的高陡巖壁邊坡石灰?guī)r宕口，巖壁坡度均在70°以上，坡高范圍50～160 m．據(jù)當(dāng)?shù)貧庀蟛块T資料，多年平均氣溫14.8 ℃，夏季最高氣溫為43.7 ℃(1966年6月20日)；1951～2010年間多年平均降雨量694 mm，多年平均蒸發(fā)量1 837.98 mm．

1.1 根系生長空間

植物根系生長需要一定的地下空間，并且這個(gè)空間是開放的，具有耗散結(jié)構(gòu)特征，便于水分鹽分的遷移與交換，根系所需的養(yǎng)分也需要一定的空間來容納．即地下開放空間對(duì)于植物根系生長具有伸展空間、水汽交換通道以及養(yǎng)分儲(chǔ)備的作用，空間的相對(duì)大小和開放程度(連通性)直接關(guān)乎根系的呼吸作用和對(duì)水、鹽等養(yǎng)分的吸收[11]．對(duì)于這兩個(gè)要素，在研究區(qū)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試．根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果判斷生長空間是否滿足根系的生長．

1.1.1 巖體裂隙的發(fā)育特點(diǎn) 研究區(qū)巖壁以構(gòu)造裂隙體裂為主，其次為卸荷裂隙，裂隙間交切關(guān)系復(fù)雜，節(jié)理密度和縫隙度不能很好地反映出裂隙的空間相對(duì)大小情況．對(duì)于這種復(fù)雜情況，選用裂隙率來表征其大小，即裂隙體積(Vr)與包括裂隙在內(nèi)的巖石體積(V)的比值，Kr=Vr/V[12]．按張人權(quán)、徐恒力等提出的測(cè)定方法，計(jì)算公式為：

其中，K：裂隙率；V：選擇的巖體體積；Vij：第i組第j條裂隙體積；n：裂隙的組數(shù)(傾向不超過5°算一組)；m:每組裂隙條數(shù).

本次共調(diào)查錦屏山采石場(chǎng)27個(gè)宕口70個(gè)巖壁的2 315條裂隙，據(jù)統(tǒng)計(jì)，巖壁裂隙一般為3～5組，有些巖壁出現(xiàn)7組裂隙，巖體裂隙率一般為3%～5%，個(gè)別地方最大超過7%，最小的低于0.2%．研究區(qū)巖體裂隙率相對(duì)偏高，為植物根系提供了足夠的空間．

1.1.2 裂隙的連通性 采用現(xiàn)場(chǎng)宕口壁面注水試驗(yàn)獲取裂隙連通性結(jié)果．試驗(yàn)孔呈扇狀分布(圖1)，每孔深度30 cm，相鄰孔間間距2 m，孔身呈一定角度傾斜(圖2)．1#孔為注水孔，示蹤劑由此孔注入，其余為觀測(cè)孔，觀測(cè)孔內(nèi)放置白色衛(wèi)生紙作為觀察現(xiàn)象標(biāo)志物．

試驗(yàn)過程：對(duì)1#注水孔注入一定量的紅墨水溶液，中間不定期注入，保持孔內(nèi)液面不低于孔深2/3，對(duì)觀測(cè)孔每隔1 h觀測(cè)一次．整個(gè)注水過程持續(xù)21 h 20 min，注水總體積150 L．

圖1 注水試驗(yàn)孔平面示意圖 圖2 注水試驗(yàn)孔剖面示意圖 Fig.1 Schematic plan of water injection test Fig.2 Generalized section of water injection test

試驗(yàn)結(jié)果及分析：

(1)注水孔溶液下降速率達(dá)到7 L/h，表明裂隙連通性較好，裂隙彼此并不是孤立的，而是相互連通的；

(2)注水孔液面下降速率穩(wěn)定，表明內(nèi)部的裂隙體積沒有大的突變，這一點(diǎn)對(duì)于植物根系的拓展、固持和對(duì)水分的吸收是有利的；

(3)觀測(cè)孔內(nèi)標(biāo)志物無濕潤和被浸染痕跡，表明內(nèi)部裂隙發(fā)育方向不確定．

綜合上述裂隙率和連通性兩方面得出：研究區(qū)高陡巖壁內(nèi)部裂隙率較大；內(nèi)部裂隙不是彼此孤立的，有很好的連通性，能夠?yàn)橹参锔档纳L提供所需的空間．

1.2 溫度和水分條件

植物的生長環(huán)境需滿足“根群圈理化指標(biāo)組態(tài)的各瞬間值不得突破該物種耐受范圍”[13]．根群是指“根系吸收水分和養(yǎng)分功能的主要體現(xiàn)者，即根系的主功能區(qū)”，根群囊括的土體空間即為根群圈．溫度和水分條件是根群圈內(nèi)兩個(gè)重要的理化指標(biāo)，直接關(guān)乎植物根系能否正常生長．但這兩個(gè)指標(biāo)對(duì)于根系正常生長的影響是有地境深度范圍的，這個(gè)深度范圍是“地境穩(wěn)定層”，具體來講就是“地境處于宏觀狀態(tài)時(shí)，某一物種根群所占據(jù)的特定地境深度范圍”[13]．據(jù)徐恒力等(2001—2002)調(diào)查歸納35科百余種植物，將地境穩(wěn)定層分為兩層[13]：第一層0～0.4 m，第二層0.4～1 m．本次研究選取第一層，因?yàn)檠芯繀^(qū)裂隙深度大都分布在第一層，且該層與大氣關(guān)系密切，溫度變化、水汽條件交換頻繁，植物的根系主功能區(qū)分布在這一層．

高陡邊坡中維系植物生長所需的水分僅在降水期通過連通性較好的裂隙引導(dǎo)時(shí)為重力水，全年大部分時(shí)間可供植物根系吸收的為裂隙中的弱結(jié)合水[12]和孔角毛細(xì)水．對(duì)于水分情況用相對(duì)濕度(空氣中水汽壓與飽和水汽壓的百分比)來表征．裂隙溫度和相對(duì)濕度的測(cè)量依然在宕口壁面進(jìn)行實(shí)測(cè)．實(shí)測(cè)結(jié)果見圖3～6，統(tǒng)計(jì)最大、最小及平均值見表1.

表1 不同地境深度下溫度、濕度調(diào)查值

實(shí)測(cè)結(jié)果顯示地境深度在10～30 cm之間溫度下降明顯，深度超過30 cm后大部分樣孔(8#，16#除外)溫度處于23～26 ℃之間，之后沒有劇烈的變化，趨于平穩(wěn)．總的來說，隨著地境深度的增加，溫度呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，30 cm后溫度趨于穩(wěn)定．深度在30 cm以上相對(duì)濕度處于不穩(wěn)定狀態(tài)，深度在30 cm以下相對(duì)濕度趨于平穩(wěn)并且大部分(7#,12#,16#除外)樣孔的相對(duì)濕度值保持在80%以上．另外，1#、9#、14#樣孔為已有天然植物生長處，其余樣孔為未生長植物樣孔，通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，生長植物的樣孔溫度與其他樣孔相當(dāng)，相對(duì)濕度略高于無植物生長樣孔．

1.3 肥力測(cè)試

土壤是承載植物生長所需的水分、鹽分、有機(jī)質(zhì)及微生物群落等地境條件的重要物質(zhì)基礎(chǔ)[14]，是根群圈內(nèi)物質(zhì)與能量交換的媒介，對(duì)植物的生長起著關(guān)鍵作用．此次調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在巖壁裂隙中存在土壤，而且能夠維持植物生長．對(duì)此，在巖體壁面調(diào)查了7個(gè)自然復(fù)綠的采石宕口，選取4個(gè)樣地進(jìn)行土壤收集，進(jìn)行室內(nèi)分析試驗(yàn)，最后獲取的肥力指標(biāo)主要包括土壤堿解氮、有效磷、有效鉀、含水量及有機(jī)質(zhì)共5項(xiàng)，涵蓋土壤肥力指標(biāo)體系中的營養(yǎng)(化學(xué))指標(biāo)、物理性狀指標(biāo)及生物學(xué)指標(biāo)3大類，能較真實(shí)準(zhǔn)確地反映出錦屏山采石場(chǎng)土壤的肥力水平，具體見表2.

表2 邊坡土壤肥力狀況

上述4個(gè)樣地土壤分別在坡頂處、坡面內(nèi)裂隙處、坡面凹陷處以及坡腳處，其中1#、3#、4#樣地均有自然生長的野生植物，作為肥力對(duì)比樣地．上表實(shí)測(cè)結(jié)果顯示，2#樣地肥力高于1#、3#、4#天然坡面土壤肥力，接近東北黑土型耕地類型區(qū)中的九類土[15]．原因可能是由于裂隙中幾乎接受不到任何光照，在匯集部分水土后，微生物活動(dòng)程度較坡面土壤高，腐殖質(zhì)含量偏高，最終形成滿足植物生長所需的較高肥力土壤．

2 野外植物生長

根據(jù)以上調(diào)查結(jié)果，作者提出人工構(gòu)建植物地境，以促使高陡巖質(zhì)邊坡盡快覆綠．為此，在采石場(chǎng)宕口進(jìn)行了野外植物生長試驗(yàn)．在宕口巖壁按照適當(dāng)?shù)牡鼐成疃葪l件進(jìn)行人工打孔再造的方式進(jìn)行地境再造，結(jié)合當(dāng)?shù)匚锓N調(diào)查，設(shè)計(jì)8個(gè)物種，分別為黃櫨(Cotinuscoggygria)、丁香(Syringaoblata)、臘梅(Chimonanthuspraecox)、榆葉梅(Amygdalustriloba)、連翹(FructusForsythiae)、側(cè)柏(Platycladusorientalis(Linn.) Franco)、爬山虎(Parthenocissustricuspidata)、凌霄(Campsisgrandiflora)共計(jì)53棵植物幼苗．于2012年3月17日植入宕口巖壁，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)間2012年6月25日．試驗(yàn)結(jié)果見表3．

表3 野外植物生長試驗(yàn)成活統(tǒng)計(jì)表

以上生長植物平均成活率達(dá)87.5%，其中榆葉梅全部死亡，可能是由于不適應(yīng)高陡巖壁條件的原因，如果剔除此種植物，平均成活率達(dá)94.2%．試驗(yàn)結(jié)果較好，驗(yàn)證了研究區(qū)宕口高陡巖壁上述地境特征的調(diào)查結(jié)果．

3 結(jié)論

錦屏山高陡巖質(zhì)邊坡植物地境具有以下特征：(1)裂隙特征顯著，裂隙率大，裂隙之間的連通性較好，達(dá)到了植物根系生長所需的伸展空間、水汽交換通道以及養(yǎng)分儲(chǔ)備的條件．(2)裂隙內(nèi)的溫度和水分條件能夠滿足植物生長的需要，在第一地境穩(wěn)定層30 cm以下為溫度、水分的相對(duì)穩(wěn)定區(qū)間，并且該區(qū)間內(nèi)溫度和水分條件能夠滿足植物生長．(3)裂隙中的土壤接近東北黑土型耕地類型區(qū)中的九類土，肥力好，能夠?yàn)橹参锏纳L提供養(yǎng)分．

野外植物生長試驗(yàn)中植物成活率高，驗(yàn)證了研究區(qū)內(nèi)裂隙中上述的地境條件適合植物的生長，因此，通過合理的人工技術(shù)手段對(duì)錦屏山的高陡巖質(zhì)邊坡地境進(jìn)行再造是可行的．

參考文獻(xiàn)：

[1] 方 華,林建平,林建平.采石場(chǎng)生態(tài)重建的有關(guān)問題[J].生態(tài)環(huán)境, 2006,15(3):654-658.

[2] 陳 波,包志毅.國外采石場(chǎng)的生態(tài)和景觀恢復(fù)[J].水土保持學(xué)報(bào), 2003,17(5):71-73.

[3] 楊冰冰,夏漢平,黃 娟,等.采石場(chǎng)石壁生態(tài)恢復(fù)研究進(jìn)展[J].生態(tài)學(xué)雜志, 2005,24(2):181-186.

[4] 王奇志,辜 彬,寒 煙,等.舟山市慶豐廢棄采石場(chǎng)的植被恢復(fù)方案探討[J].中國水土保持, 2006,33(6):34-36.

[5] 章夢(mèng)濤,邱金淡,顏 冬.客土噴播在邊坡生態(tài)修復(fù)與防護(hù)中的應(yīng)用[J].中國水土保持科學(xué), 2004,2(3):10-12.

[6] 李永庚,蔣高明.礦山廢棄地生態(tài)重建研究進(jìn)展[J].生態(tài)學(xué)報(bào), 2004,24(1):95-100.

[7] HE S J, SU G J. Evaluation method and its application to the potentiality of wasteland reclamation of China’s abandoned mining areas[J]. Geograph Res, 2000,19(2):165-172.

[9] HENGCHAOVANICH D. Vetiver grass slope stabilization and erosion control [M].Bang Kor: Office of the Royal Devec Lopment Projects Board, 1998.

[10] 羅 松,鄭天媛.采石場(chǎng)遺留石質(zhì)開采面階梯整形覆土綠化方法研究[J].中國水土保持, 2001,28(2):36-37.

[11] 朱志澄.構(gòu)造地質(zhì)學(xué)[M].武漢:中國地質(zhì)大學(xué)出版社, 1990.

[12] 王大純,張人權(quán),史毅虹,等.水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)[M].北京:地質(zhì)出版社, 1995.

[13] 徐恒力,孫自勇,馬 瑞.植物地境及物種地境穩(wěn)定層[J].地球科學(xué)-中國地質(zhì)大學(xué)學(xué)報(bào), 2004,29(2):239-246.

[14] 姚光華,譚德軍,謝洪斌，等. 重慶一小時(shí)經(jīng)濟(jì)圈耕地適宜性評(píng)價(jià)研究——以長壽湖地區(qū)為例[J]. 湖南科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版, 2011,26(1)：68-73.

[15] 宋 戈，李 丹，梁海鷗，等. 松嫩高平原黑土區(qū)耕地質(zhì)量特征及其空間分異——以黑龍江省巴彥縣為例[J]. 經(jīng)濟(jì)地理, 2012，32(7)：129-134.