高 楊，李 卓，段霄祥，白忠稀，李世玉

(1. 云南交投生態(tài)環(huán)境工程有限公司，昆明 650118；2. 云南大學生態(tài)與環(huán)境學院暨云南省高原山地生態(tài)與退化環(huán)境修復重點實驗室，昆明 650091)

引 言

高速公路建設中產(chǎn)生的高陡巖質邊坡的生態(tài)修復是“美麗公路”建設的難點。高速公路在修建過程中，山體的挖掘會形成一種特殊的邊坡地形，該地形不僅陡峭，甚至穿行復雜巖石地段，巖石裸露，含水率極低，土壤稀薄，植物很難在極其惡劣的立地環(huán)境生存[1～4]，因此，新建公路邊坡的植物覆蓋率很低，生態(tài)問題非常嚴重。尤其是巖質高陡邊坡，它不僅堅硬、保水保肥性差、坡度大、固土條件差等特點，現(xiàn)有的綠化方法很難滿足這些特殊地段的邊坡修復[5]，裸露的巖質使土壤侵蝕嚴重，土壤養(yǎng)分難以保留，植物基本上沒辦法生長，很難形成植被層[6]，甚至地表塌陷，持水保肥能力進一步下降，抗蝕能力變得更脆弱[7]。除了保水保肥能力差之外，這些深挖的巖質地段通常伴隨著多種有毒有害元素的污染，一般硫酸根濃度很高、巖石滲濾液pH值極低，因此給植物生長和植被恢復帶來極大的困難[8]。此外，這些邊坡不穩(wěn)定，存在給高速公路的建設帶來潛在的安全威脅風險，比如，降雨的入滲導致邊坡巖質的重度增加，結構面抗剪能力降低，邊坡滑坡風險提高[9]。因此高速公路巖質高陡邊坡的植被綠化和生態(tài)修復是公路建設中的重要工程內容，其首要任務是提高公路的生態(tài)環(huán)境服務功能，達到穩(wěn)定邊坡和路基、保護和穩(wěn)固路面、保障行車安全、減輕噪音、保護環(huán)境與自然相協(xié)調等目的[10]。

公路沿線邊坡的生態(tài)修復技術研究在國際上開展逼中國早[11]，在中國主要開始于上世紀八十年代，使用機械化手段液壓噴播對高速公路邊坡進行植草，逐步形成技術和推廣應用[12]。近年來，由于經(jīng)濟和交通的發(fā)展，以及技術的進步，在高速公路建設中，山脈被挖斷、深挖或開辟的現(xiàn)象越來越普遍，出現(xiàn)了很多傳統(tǒng)液壓噴播很難修復的巖質邊坡，因此，關于巖質邊坡的生態(tài)修復也逐步成為領域里需要攻克的難點。在一些不是很高陡坡的地段，噴射厚層基質的植被綠化技術能有效修復巖質邊坡[13]。根據(jù)巖質邊坡的特點，當前的修復技術主要分為帶網(wǎng)鋪掛植草技術、噴混(客土)植生技術、工程加固生態(tài)修復技術和槽穴構筑類技術，各技術的特點及其適用的巖質邊坡見[11]。但是，在一些有毒有害元素污染嚴重，硫酸根污染嚴重、pH極低的高陡巖質邊坡環(huán)境中，這些技術仍然很難實現(xiàn)其生態(tài)修復。

景洪至勐海高速公路是國家公路干線建設在西雙版納州的一段線路，其中從景洪至勐?？h城之間因工程需要路基開挖，產(chǎn)生了巨型高陡邊坡，該邊坡穿行復雜巖石地段，地質條件復雜，巖基復雜多樣，經(jīng)2019年在全線公路邊坡綠化中，采用傳統(tǒng)的方式進行過綠化，其他路段成功綠化，但該高陡邊坡則綠化失敗，仍然為裸地，植被蓋度為零[14]。為此，云南交投集團與云南大學生態(tài)環(huán)境學院暨云南省高原山地生態(tài)與退化環(huán)境修復重點實驗室針對該問題進行聯(lián)合攻關。因此，本研究以西雙版納州景洪至勐海高速公路高陡巖質邊坡為研究對象，對該區(qū)的重點困難地段巖石邊坡立地生態(tài)條件進行分析[14]，針對性地提出該邊坡綠化生境改良技術思路和綠化工藝方案，遴選適合該邊坡綠化的植物種，以期為今后的高陡巖質邊坡治理及防護提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

該高陡邊坡位于中國西南部云南省景洪市西北，瀾滄江以西，屬于瀾滄江斷裂帶特殊區(qū)域，景洪至勐海高速公路(22°04′06″N，100°43′33″E)，海拔約680m，地帶性植被為季風常綠闊葉林，地面主要植被類型為橡膠純林。年降雨量1136～1513mm，年積溫>8000的雨林植被下限值區(qū)域，雨季集中了全年80%～90%的降水，干旱少雨、偶有低溫的旱季，雨季集中在6～9月、光照強度約63500～67800lux，年平均氣溫18.9～22.6 ℃之間，空氣濕度40%～60%，由于處于海陸位置，使得晝夜溫差大。南亞熱帶季雨林環(huán)境，季節(jié)性干旱突出，干旱時經(jīng)常與高溫同步，在人類擾動和地形陡峭的區(qū)域，植被先天結構單一，生態(tài)脆弱。本次實施生態(tài)重建的高陡巖質邊坡坡面面積600m2、坡度46°、坡表面土壤瘠薄，在上一年度用棄土場土壤覆土10cm厚，并液壓噴播種植了常規(guī)綠化植物種子，未成活，土壤已經(jīng)基本上全部流失。公路修建開挖邊坡較深，大部分坡面為深層巖石層。

通過對該高陡巖質邊坡的實地調查，我們發(fā)現(xiàn)公路修建開挖邊坡較深，大部分坡面為深層巖石層，開挖邊坡坡度45°～55°，沒有進行物理固定，邊坡坡度在32°～55°之間，呈現(xiàn)大面積裸地，沒有植物生長，必須進行生態(tài)重建。巖質邊坡巖質土壤硫(S)濃度平均為1.69%，與原煤中的含量水平相當，pH< 2、多種有毒有害元素污染嚴重，根據(jù)《土壤環(huán)境質量農用地土壤污染風險管控標準(試行)》(GB15618-2018)，土壤中鎘(Cd)超標9.43倍，生態(tài)污染達到高污染程度，所有樣點都超標(超標率100%)，Hg、Ni、As超標率8.3%、25%和30%[11]。重金屬潛在風險指數(shù)和綜合潛在生態(tài)風險指數(shù)達到了中等程度[11]。加之地質條件特殊，降雨沖刷的滲出液具有較強的酸性和有毒有害元素含量超標，立地條件差[9]，普通的植生袋技術難以保證植物的成活，因此，常規(guī)邊坡恢復的技術必須加以改進方能讓植物正常發(fā)芽生長，以達到恢復的目的。

1.2 本土植物種類調查方法

鑒于研究區(qū)立地條件差、生態(tài)修復難度大的特點，為選擇合適的本土植物，我們于2020年1月和5月對研究區(qū)本土植物種進行了調查，并根據(jù)本土植物種和種子易獲得性以及能適應當?shù)貧夂驐l件的優(yōu)良物種進行物種篩選和配置。

1.3 典型綠化困難地段邊坡綠化植物物種遴選方法

根據(jù)項目區(qū)所處的區(qū)域氣候特征、立地條件和當?shù)乇就林参锓N類等，進行巖質邊坡綠化植物遴選遵循生態(tài)適應性原則、抗逆性原則、生物多樣性原則、景觀協(xié)調性原則、物種相容性原則、經(jīng)濟適用性原則(選用種子來源較為方便，發(fā)芽力強，容易更新，育苗容易的植物，自肥力強的豆科固氮植物、禾本科固氮植物，減少養(yǎng)護需求，以達到減養(yǎng)護或免養(yǎng)護的目標)。從生長勢、適應性、固土力、觀賞性和護坡效果五方面建立植物種類篩選指標，選擇植物種。

1.4 實驗區(qū)生態(tài)重建方法

首次生態(tài)重建：實驗區(qū)在2019年全線綠化時，構建了混凝土拱形框架、坡面覆土約10cm，采用液壓噴播種植以下植物種：山毛豆(Tephrosiacandida)；豬屎豆(Crotalariapallida)，木豆(Cajanuscajan)，狗牙根(Cynodondactylon)，百喜草(Paspalumnotatum)，戟葉酸模(Rumexhastatus)，但是均沒有成活，一年內土壤全部流失，首次生態(tài)重建失敗，該區(qū)域仍為裸地，植被蓋度為0。

再次生態(tài)重建：2020年9月，我們在該區(qū)實施改進的生態(tài)重建實驗，在原來構建好的混凝土拱形框架中，利用改進的植生袋法進行重建，才獲得成功。重建的方法如下：

(1)邊坡整理 平整邊坡，測量面積大小并計算植物種苗和種子需求量確定植生袋規(guī)格和個數(shù)，明確需要的土壤量及其他材料的需求量。

(2)制作植生袋 不透水，同時滿足植物莖能自由穿透袋體生長，植生袋尺寸不小于：長50cm、寬25cm、厚18cm。植生袋分為四層，最外層為尼龍纖維網(wǎng)，次外層為無紡土工布，中層為植物種子，最內層為能在短期內自動分解的無紡棉纖維布(或紙漿層)。

(3)植生袋放入草本和藤本植物種子及種植土：將上述選擇好的植物種子拌入土壤后放入植生袋內，混勻。植生袋土壤使用棄土場的土壤。每袋摻入50g復合肥，同時加入一定比例的保水劑。

(4)碼放植生袋：按要求將土裝到植生袋內，裝到植生袋容量的3/4，然后碼放：袋子要緊貼坡面，縫隙處要用土填實，袋子之間貼緊壓實，在框架梁內鋪設時應保證自身的穩(wěn)定，不溜塌和鼓出，植生袋坡面應平整，起伏不宜超過5cm。在鋪設一段時間后，應檢查自然沉降密實情況，若發(fā)現(xiàn)框格頂部的碼砌植生袋出現(xiàn)沉降缺口后，應及時填補植生袋使其密實。施工擺放時應將有縫紉線的袋邊朝向坡體里側。

(5)點播灌木：在已碼放有植生袋的坡面上點播灌木，點播灌木種子的“穴”在植生袋內。坡面按由坡頂至坡腳順序依次點播灌木，穴間間隔1米，確保每穴至少有2株灌木出苗。點播后及時用無紡布對坡面進行覆蓋，并經(jīng)常澆水以保持土壤濕潤，待灌木普遍出苗后揭開無紡布。并在每個拱形格靠下位置栽種葉子花苗2株(種苗株高40～60cm)。

(6)養(yǎng)護：在實驗區(qū)實施種植植物后，每兩個周澆1次水，直到次年雨季，對照區(qū)與實驗區(qū)同步。

首次傳統(tǒng)生態(tài)重建與本次生態(tài)重建方法的主要區(qū)別在于：首次生態(tài)重建時，植生袋沒有設置防滲層，無法對巖層中滲出的有毒有害物質有效地進行隔離，導致前期能生長的植被受有毒有害元素的影響而在幾個月內枯萎死亡。而在本次生態(tài)重建中，植生袋制作分為四層，最外層為尼龍纖維網(wǎng)，次外層為無紡土工布，中層為植物種子，最內層為能在短期內自動分解的無紡棉纖維布(或紙漿層)，因此，有效防滲，隔離了有毒有害元素的滲入。

1.5 土壤樣品采集及其指標測定方法

于2021年11月19日進行了土樣采樣監(jiān)測?？紤]到在植生袋制作過程中我們進行了配方改土，不應作為土壤改善效果的對照，因此我們沒測棄土場的土壤，而是測定了周邊生態(tài)系統(tǒng)的表層土壤(主要考察肥力保持與自然系統(tǒng)之間的差異)、生態(tài)重建修復區(qū)的土壤(來自棄土場，但重建時栽培了植物，考察種植一年后的肥力保持狀況)和相鄰的傳統(tǒng)恢復區(qū)的土壤(也是來自棄土場的土壤，同步上了傳統(tǒng)的恢復工程和噴播種子，作為對照區(qū))。

對實驗區(qū)和周邊生態(tài)系統(tǒng)的表土及對照區(qū)的土壤進行采樣，采樣深度0～10cm，在每個樣點利用“S”形五點采樣混合后抽取1個土樣，各采5個重復，實驗區(qū)上、中、下部土壤混合抽取土樣。然后帶回實驗室進行樣品處理，參照《土地質量地球化學評價規(guī)范DZ/T0295-2016》中“8.1.1.2”的方法進行預處理，風干、過篩后測定相關指標。土壤樣品分析項目及其測定方法詳見表1。

表1 土壤樣品分析項目及其測定方法Tab.1 Soil sample analysis indexes and determination methods

1.6 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)分析和處理用SPSS20.0，圖表制作用Excel 2013完成，顯著性水平α=0.05。

2 結果與討論

2.1 本土植物種

邊坡周圍自然生長的植物有35種：類蘆(Neyraudiareynaudiana)，黑麥草 (Loliumperenne)，草木犀(Melilotusofficinalis)，假臭草(Praxelisclematidea)，野甘草 (Scopariadulcis)，蜈蚣鳳尾蕨(蜈蚣草)(Pterisvittata)，小蓬草(Erigeroncanadensis)，粽葉蘆(Thysanolaenalatifolia)，秧青(Dalbergiaassamica)，毛桐(Mallotusbarbatus)，地桃花(Urenalobata)，異色山黃麻(Tremaorientalis)，飛機草(Tremaorientalis)，銀柴 (Aporosadioica)，白花酸藤果(Embeliaribes)，藍花野茼蒿(Crassocephalumrubens)，扁豆(Lablabpurpureus)，葛藤(Puerariamontana)，山槐(Albiziakalkora)，多裂黃檀(Dalbergiarimosa)，橡膠樹(Heveabrasiliensis)，鷓鴣花(Heyneatrijuga)，羽葉金合歡(Acaciapennata)，細圓藤(Pericampylusglaucus)，云南海金沙(Lygodiumyunnanense)，展枝玉葉金花(Mussaendadivaricata)，粗葉榕(Ficushirta)，猴耳環(huán)(Archidendronclypearia)，豬肚木(Canthiumhorridum)，烏毛蕨(Blechnumorientale)，芒萁(Blechnumorientale)，金毛狗(Cibotiumbarometz)，野牡丹(Melastomamalabathricum)，假蘋婆(Sterculialanceolata)，紫莖澤蘭(Ageratinaadenophora)。其中，羽葉金合歡(Acaciapennata)和粽葉蘆(Thysanolaenalatifolia)為優(yōu)勢種。

2.2 典型綠化困難地段邊坡綠化植物物種選擇

根據(jù)方法部分所述的原則，兼顧生長勢、適應性、固土力、觀賞性和護坡效果五方面建立植物物種篩選指標。配置植物名單如下：

(1)草本：百喜草(Paspalumnotatum)、狗牙根(Cynodondactylon)、粽葉蘆(Thysanolaenalatifolia)、五節(jié)芒(芭茅，Calliandrahaematocephala)、蜈蚣鳳尾蕨(蜈蚣草，Pterisvittata)。

(2)灌木(或小喬木)：白灰毛豆(山毛豆，Tephrosiacandida)、豬屎豆 (Crotalariapallida)、木豆 (Cajanuscajan)、河北木藍(馬棘，Indigoferabungeana)、雙莢決明(雙莢槐，Sennabicapsularis)、蝦子花(Woodfordiafruticosa)、紫薇 (Lagerstroemiaindica)、朱櫻花(Calliandrahaematocephala)。配置方式：點播。

(3)藤本：首冠藤(Bauhiniacorymbosa)、葛藤(Puerariamontana)、山牽牛(大花老鴉嘴，Thunbergiagrandiflora)、炮仗花(Pyrostegiavenusta)、葉子花 (Bougainvilleaspectabilis)、地錦(Parthenocissustricuspidata)。

2.3 植被修復效果

傳統(tǒng)的修復重建植被失敗，但是本項目的修復效果很好(如圖1)，在修復工程實施3個月后，植被蓋度達到65%；7個月后到達70%；14個月后，植被蓋度達到98%以上(如圖1和表2)。在生長季末期，研究實驗區(qū)仍有白色、黃色和紫色的花盛開(如圖1中照片3～4)，已經(jīng)基本上形成了較穩(wěn)定的植物群落。

拍攝于2021年11月19日

表2 實驗區(qū)植物群落監(jiān)測Tab.2 Plant community monitoring in the experimental area

在植被修復方面，我們采用的修復工藝成功實現(xiàn)了高難度高陡巖質邊坡的植被修復，在傳統(tǒng)修復方式未能修復的情況下，成功完成了攻關。在修復技術實施后14個月，蓋度達到了周邊未破壞的自然環(huán)境的植被蓋度水平。由于坡度較大，考慮到安全性，不建議使用喬木。

實驗區(qū)生長的植物種類和數(shù)量不同，隨著建植時間的延長，植被層高度、密度和物種都在發(fā)生著變化(如表2)。與建植了3個月時相比，在建植7個月后，出現(xiàn)了木豆(Cajanuscajan)，但毛桐(Mallotusbarbatus)在群落中消失，在建植14個月后，黑麥草(Loliumperenne)和山苦荬(Ixerischinensis)又從群落中消失(如表2)。

2.4 土壤改善效果

土壤含水率和土壤pH都是周邊自然生態(tài)系統(tǒng)的表層土壤>生態(tài)重建修復區(qū)的土壤(實驗區(qū))>傳統(tǒng)恢復區(qū)的土壤(對照區(qū))，前二者的含水率和pH差異不顯著(p>0.05)，二者均顯著高于對照區(qū)(p<0.05，如圖2 AB)；有機質、總氮、總磷這些養(yǎng)分元素是實驗區(qū)的較高(如圖2CDE)，有機質和總磷實驗區(qū)與自然系統(tǒng)無顯著差異，二者均顯著高于傳統(tǒng)修復區(qū)即對照區(qū)(如圖2CE)，而總氮則實驗區(qū)顯著高于其它兩個區(qū)(如圖2D)；有效硫含量實驗區(qū)和對照區(qū)土壤都顯著高于周邊自然系統(tǒng)的表土(如圖2F)。

圖2 周邊自然生態(tài)系統(tǒng)的表層土壤、生態(tài)重建修復區(qū)的土壤(實驗區(qū))和傳統(tǒng)恢復區(qū)的土壤(對照區(qū))基本理化性質、養(yǎng)分含量和硫酸根濃度 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屬含量也發(fā)生了明顯變化(如圖3)，氯離子含量實驗區(qū)和自然系統(tǒng)的土壤顯著低于傳統(tǒng)修復的對照區(qū)(如圖3A)，實驗區(qū)銅含量顯著高于周邊自然系統(tǒng)的表層土壤，但顯著低于傳統(tǒng)修復的對照區(qū)(如圖3B)，實驗區(qū)土壤鋅、總砷、鎘、鉻、鎳、總汞含量具有相對較大的標準差(如圖3C～H)，雖然除了鎘外，其他重金屬離子的平均含量都低于對照區(qū)，但是這些重金屬元素的含量實驗區(qū)與對照區(qū)差異不顯著(如圖3C～H)，除了鋅差異不顯著外，實驗區(qū)和對照區(qū)的這些重金屬含量都顯著高于周邊自然系統(tǒng)表層土壤的含量(如圖3C～H)，土壤鉛濃度在各區(qū)土樣之間均無顯著差異(p>0.05，如圖3I)。

注：同一個子圖內不同小寫字母之間表示兩類樣地的元素含量差異顯著，p<0.05。

不同的修復方式對土壤肥力的改善效果差異大[15]，與傳統(tǒng)的邊坡綠化技術(對照)相比，該生態(tài)重建技術成功改善了土壤含水率(如圖2A)和土壤酸堿度(如圖2B)，提高了土壤有機碳(如圖2C)、土壤氮(如圖2D)和磷(如圖2E)養(yǎng)分含量，對土壤性質和養(yǎng)分元素的改善作用明顯；對土壤污染元素氯離子(如圖3A)和銅(如圖3B)的去除有明顯效果，對土壤污染元素鋅(如圖3C)、砷(如圖3D)、鎳(如圖3G)和汞(如圖3H)的去除具有一定作用，因此，該生態(tài)對原土的修復起到了一定的改善作用。

與周邊自然生態(tài)系統(tǒng)表土(0～10cm)相比，實施生態(tài)重建技術后14個月，土壤含水率、土壤pH、土壤有機質、總氮和總磷都恢復到自然生態(tài)系統(tǒng)的水平(如圖2A～E)，這是由于在生態(tài)重建區(qū)，在植生袋中用棄土場的土壤并添加了一些復合肥，在建植后，這些元素會滲到底層的原土了，逐步改善植生袋下面的底層原土，加之，石灰的使用能改善土壤酸堿度。該生態(tài)重建中，高陡巖石邊坡修復的成本約200元/m2，與黃驟屹等[16]提出的三聯(lián)生態(tài)防護成本相當。

3 結 論

經(jīng)過我們使用改進的植生袋和工藝種植技術，與傳統(tǒng)的邊坡綠化修復方式相比，我們的生態(tài)重建取得了明顯的修復效果，在植被蓋度、群落穩(wěn)定性和土壤改善方面均有效果。得到主要結論如下：

(1)生態(tài)重建物種主要從適生草本、灌木和藤本植物中進行遴選，重點考慮種子可獲得性、本地鄉(xiāng)土植物種類、適應性及將來要形成的目標群落。

(2)本重建技術成功的關鍵，在于植生袋的制作，由于立地條件是強酸性環(huán)境，因此制作的植生袋不透水，同時滿足植物莖能自由穿透袋體生長，分為四層，最外層為尼龍纖維網(wǎng)，次外層為無紡土工布，中層為植物種子，最內層為能在短期內自動分解的無紡棉纖維布(或紙漿層)。這是技術成功的關鍵。

(3)通過改進的植生袋種植，我們在重建14個月內，植被蓋度恢復到98%以上，形成較穩(wěn)定的群落結構。

(4)本次生態(tài)重建對高難度高陡巖質邊坡進行了成功修復，完成了攻關，所采用的問題分析方式、植物選擇配置和修復方法等可為類似高難度邊坡修復提供生態(tài)修復技術參考。