公路邊坡干濕客土噴播生態(tài)恢復(fù)效果評(píng)價(jià)

舒安平，趙 冉，高小虎，李云鵬，齊韻濤，袁世廣

（1.北京師范大學(xué) 環(huán)境學(xué)院，北京 100875；2.齊魯交通發(fā)展集團(tuán)有限公司建設(shè)管理分公司，山東 濟(jì)南 250000；3.北京清大綠源科技有限公司，北京 100083；4.交通運(yùn)輸部科學(xué)研究院，北京 100029）

0 引言

隨著“一帶一路”倡議的提出，我國(guó)高速公路建設(shè)步入一個(gè)新的發(fā)展階段。截至2019 年底，中國(guó)高速公路總里程達(dá)14.26萬km，居世界第一，建設(shè)規(guī)模、施工技術(shù)、工程質(zhì)量和施工效率都在世界范圍內(nèi)獲得極大認(rèn)可[1]。與此同時(shí)，大規(guī)模的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不可避免地會(huì)因開挖、填筑而形成大量的裸露邊坡。在國(guó)家積極推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)的背景下，為解決邊坡裸露失穩(wěn)和生態(tài)失衡的問題，對(duì)這些裸露邊坡實(shí)施生態(tài)恢復(fù)工程成為必然[2]。

通過大量文獻(xiàn)調(diào)研和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，邊坡生態(tài)恢復(fù)工程類型多樣，主要可概括為兩大類：一類是單一為實(shí)現(xiàn)坡面植被恢復(fù)而采取的一系列生態(tài)恢復(fù)技術(shù)措施，主要包括液力噴播技術(shù)、客土噴播技術(shù)、植生袋綠化技術(shù)、土工材料綠化技術(shù)和垂直綠化技術(shù)；另一類是為實(shí)現(xiàn)坡面穩(wěn)定和植被恢復(fù)雙重目的的工程與生態(tài)相結(jié)合的綜合技術(shù)，主要包括生態(tài)磚植草防護(hù)技術(shù)、生態(tài)袋固坡綠化技術(shù)和格構(gòu)式護(hù)坡綠化技術(shù)。以客土噴播為載體的生態(tài)恢復(fù)工程技術(shù)，由于可以直接在裸露坡面上“創(chuàng)造”土壤，進(jìn)而形成植被，因此可以廣泛地應(yīng)用于幾乎所有類型的公路邊坡，已經(jīng)成為最主要的生態(tài)恢復(fù)工程技術(shù)?？屯羾姴母旧现v是一種人為干擾，采用半自然或機(jī)械作業(yè)的方式在裸露邊坡表面形成適合植物生長(zhǎng)的空間，即“客土”，再通過植物種子發(fā)芽或栽種植株的方式形成坡面植被，最終實(shí)現(xiàn)生態(tài)恢復(fù)[3-7]。邊坡生態(tài)恢復(fù)屬于恢復(fù)生態(tài)學(xué)的范疇，學(xué)術(shù)上有“坡面綠化”“植被護(hù)坡”“生態(tài)防護(hù)”“工程綠化”等概念，工程上有“噴混植生”“厚層基材噴射”“高次團(tuán)粒噴射”“植生基質(zhì)噴播”“噴混凝土植草”“植生混凝土”“乳液噴播”等技術(shù)。但這些學(xué)術(shù)概念和工程技術(shù)，本質(zhì)上都是以客土噴播工法為載體的生態(tài)恢復(fù)工程[8-12]?，F(xiàn)行的客土噴播技術(shù)有干噴和濕噴兩種工法[13-14]，雖然在以生態(tài)恢復(fù)為目的的客土噴播工程中應(yīng)用較多，但關(guān)于這兩種工法的學(xué)術(shù)研究，尤其是在已公開的研究資料中對(duì)兩種工法的對(duì)比分析和效果評(píng)價(jià)極少，同類工作大多在橋隧工程中出現(xiàn)[15-17]。在管理、設(shè)計(jì)、設(shè)備、規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)方面，均未對(duì)這兩種工法加以區(qū)分，以致在工程建設(shè)上，對(duì)機(jī)械設(shè)備和實(shí)施內(nèi)容的概念模糊，最終導(dǎo)致施工質(zhì)量不統(tǒng)一，生態(tài)恢復(fù)效果不穩(wěn)定[18-19]。

鑒于上述問題，本文以京滬高速公路萊蕪至臨沂（魯蘇界）段改擴(kuò)建工程巖石路塹邊坡生態(tài)恢復(fù)工程為例，在統(tǒng)計(jì)分析客土噴播施工效率和客土侵蝕表現(xiàn)差異的基礎(chǔ)上，首次結(jié)合生態(tài)恢復(fù)學(xué)觀測(cè)方法，對(duì)比分析干噴、濕噴兩種工法實(shí)施后的種子出苗率、地上生物量和灌草成分組成等生態(tài)恢復(fù)效果，以期為生態(tài)恢復(fù)工程中的施工工法細(xì)分和科學(xué)研究提供參考。

1 邊坡干濕客土噴播工法

客土噴播技術(shù)是采用專門的噴播設(shè)備，將種植土、植物種子、肥料、纖維材料、穩(wěn)定劑、改良劑、保水劑、黏合劑和水等，按一定的比例充分混合均勻后，通過高壓噴槍均勻地噴播到坡面，從而形成植被生長(zhǎng)基礎(chǔ)的一種工程施工技術(shù)。施工流程主要包括噴前準(zhǔn)備、客土噴播、覆蓋養(yǎng)生3 個(gè)步驟。噴前準(zhǔn)備主要根據(jù)坡面情況進(jìn)行浮石清理、鉆孔放錨注漿、掛網(wǎng)固定；客土噴播就是按照設(shè)定工法，利用機(jī)械將基材混合體噴附至坡面；覆蓋養(yǎng)生是指噴播完成后在坡面覆蓋草簾或無紡布等，并結(jié)合后期灑水養(yǎng)護(hù)，促進(jìn)快速成坪和植被覆蓋。

現(xiàn)行的客土噴播技術(shù)分為干噴和濕噴兩種工法，現(xiàn)分述如下。

1.1 客土噴播干噴工法

干噴是將土、種、料在干燥狀態(tài)下充分混合，通過空氣壓縮機(jī)和噴播機(jī)，經(jīng)噴管單獨(dú)泵送至坡面，與另一支水管同時(shí)泵送的水在坡面直接混合成形。干噴工法的工藝流程如圖1所示。

圖1 客土噴播干噴工法工藝流程

1.2 客土噴播濕噴工法

濕噴是將土、種、料和水提前混合，充分?jǐn)嚢璩赡酀{狀的流體，通過高壓噴射槍或特殊泵送裝置直接噴附在坡面。濕噴工法的工藝流程如圖2所示。

圖2 客土噴播濕噴工法工藝流程

1.3 客土噴播工法的耗材耗能特點(diǎn)

在客土的基質(zhì)用量方面，干噴工法用量約為0.129m3/m2，濕噴工法用量約為0.122m3/m2，干噴用土量較濕噴用土量大5.74%。這與干噴工法中拌料和機(jī)械噴料時(shí)對(duì)土粒的篩選有關(guān)，粒徑較大或濕度較大均會(huì)影響噴播，因此在流水作業(yè)前需要清除，導(dǎo)致干噴用土量偏多。但濕噴工法的用水量明顯大于干噴工法。

在纖維材料的用量方面，相同面積的濕噴工法纖維材料的用量明顯高于干噴工法，約為干噴工法的4.8 倍。這是由于在濕噴工法中，噴料在機(jī)械內(nèi)已經(jīng)攪拌形成漿體狀，經(jīng)高壓噴槍噴射著坡時(shí)會(huì)有一定的流動(dòng)性，主要是沿著坡點(diǎn)向四周涌流或沿坡面向下滑落。為了保證噴播厚度，要求在一定程度上增加漿體的抗流動(dòng)性，因此會(huì)加入一部分纖維材料，這樣有利于后期客土具有較多的纖維結(jié)構(gòu)和較高的孔隙度。

此外，根據(jù)客土噴播工程施工耗能調(diào)查統(tǒng)計(jì)，濕噴工法的燃油消耗量比干噴工法的燃油消耗量要小，前者一般為后者的80%～90%，說明濕噴工法相對(duì)干噴工法更加節(jié)能。

2 生態(tài)恢復(fù)評(píng)價(jià)方法

2.1 客土噴播效率

設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)區(qū)，分別測(cè)量單位面積干噴和濕噴工法完成客土噴播用材量，并記錄噴播完成時(shí)間，采用SPSS軟件統(tǒng)計(jì)，對(duì)比分析客土噴播效率。

2.2 客土侵蝕性

根據(jù)筆者團(tuán)隊(duì)（2017）對(duì)巖石邊坡植被恢復(fù)工程中的客土穩(wěn)定性分析結(jié)論[20]，坡率小于1∶1.5時(shí)，客土厚度可達(dá)15～20cm，立地條件好，但公路邊坡少有這種情況；坡率超過1∶0.5 時(shí)，客土厚度只有在5～6cm 范圍內(nèi)才能穩(wěn)定，但這個(gè)厚度無法滿足植被生長(zhǎng)條件；對(duì)于常見的公路邊坡坡率1∶1.1～1∶0.75，一般要求噴播土體厚度不小于8cm，在金屬網(wǎng)和其他環(huán)境條件下盡可能達(dá)到10cm，此為最佳噴播厚度。

客土侵蝕量評(píng)價(jià)采用侵蝕溝斷面調(diào)查法，評(píng)價(jià)干濕噴播工法噴播完成后的表層土體顆粒的穩(wěn)定情況。具體方法是統(tǒng)計(jì)每個(gè)觀測(cè)區(qū)內(nèi)發(fā)生侵蝕的侵蝕溝數(shù)量和大小，計(jì)算坡面的客土侵蝕量，計(jì)算公式如下：

式中：M為客土侵蝕量（t）；n為侵蝕溝數(shù)量；為侵蝕溝平均斷面面積（m2）；L為侵蝕溝溝長(zhǎng)（m）；P為土壤容重（t/m3）。

2.3 生態(tài)植被恢復(fù)效果

按天記錄噴播完成后的植物種子出苗數(shù)，觀測(cè)干噴和濕噴對(duì)植物種子出苗的影響；開展樣方調(diào)查，分析干噴和濕噴對(duì)坡面植被覆蓋度的影響，并分別記錄標(biāo)準(zhǔn)樣方中的灌木植物和草本植物的數(shù)目，得出灌草比并進(jìn)行評(píng)價(jià)。

總之，生態(tài)植被恢復(fù)效果評(píng)價(jià)的關(guān)鍵性指標(biāo)包括植被覆蓋度、多樣性及灌草比等，一般應(yīng)進(jìn)行近、遠(yuǎn)期不同階段評(píng)價(jià)，近期評(píng)價(jià)強(qiáng)調(diào)植被覆蓋度及植被多樣性，遠(yuǎn)期評(píng)價(jià)側(cè)重于灌草比，最終實(shí)現(xiàn)草本演替成以灌木為主的穩(wěn)定的生態(tài)群落。

3 京滬高速邊坡生態(tài)恢復(fù)工程案例分析

3.1 工程及研究區(qū)概況

京滬高速公路山東省萊蕪至臨沂（魯蘇界）段改擴(kuò)建工程主線北起新泰市，南至臨沂市（魯蘇界），全長(zhǎng)232.558km，全線采用雙向八車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，其中起點(diǎn)至卞家泉段設(shè)計(jì)車速為100km/h，卞家泉至終點(diǎn)段設(shè)計(jì)車速為120km/h。沿線地形地貌包括低山、丘陵、山前沖洪積平原、河床階地和河漫灘等，地貌單元類型較多，總體地勢(shì)呈北高南低。氣候類型屬暖溫帶季風(fēng)氣候，年均溫度為11.0～13.3℃，年降雨量為640.5mm，年蒸發(fā)量為664mm。周邊原生植被為亞熱帶常綠闊葉針葉混合林。

該工程樁號(hào)K500—K610 段因兩側(cè)路基展寬、開挖山體形成了多處路塹巖石邊坡，其巖面主要巖性為石灰?guī)r，設(shè)計(jì)坡率為1∶0.75，邊坡呈東西走向。選擇其中5 個(gè)高陡路塹巖石邊坡生態(tài)恢復(fù)工程為研究對(duì)象，總共布設(shè)12 個(gè)植物調(diào)查測(cè)試區(qū)，每個(gè)測(cè)試區(qū)面積約為200m2，采用干濕客土噴播法進(jìn)行生態(tài)恢復(fù)，干噴、濕噴工法各6 個(gè)測(cè)試區(qū)，平均客土厚度約為10cm，每個(gè)測(cè)試區(qū)沿縱向設(shè)置3 個(gè)觀測(cè)位（上、中、下3 個(gè)坡位），每個(gè)觀測(cè)位分別為灌木及草本植物內(nèi)設(shè)1m×1m 和0.5m×0.5m 兩種規(guī)格樣方。客土噴播材料包括種植土、草炭土、纖維材料、保水劑、黏合劑、有機(jī)肥、復(fù)合肥、植物種子等。

3.2 客土噴播效率評(píng)價(jià)

對(duì)采用干噴和濕噴兩種工法進(jìn)行生態(tài)恢復(fù)工程的客土噴播效率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖3所示。

圖3 干濕噴工法工時(shí)圖（完成200m2所需工日）

由圖3 可以看出，濕噴工法和干噴工法的作業(yè)效率差別十分明顯。從平均噴播效率來看，濕噴完成200m2僅需要0.39d，按每日8h 工作制計(jì)算，平均生產(chǎn)效率達(dá)到508m2/d，而干噴完成同樣面積需要1.07d，平均生產(chǎn)效率僅為187m2/d。從噴播穩(wěn)定性來看，對(duì)完成的工時(shí)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析（結(jié)果見表1）可知，采用濕噴工法完成6 個(gè)客土噴播試驗(yàn)區(qū)耗時(shí)在[0.3,0.46]區(qū)間內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.061，方差為0.004，而采用干噴工法完成6個(gè)客土噴播試驗(yàn)區(qū)耗時(shí)在[0.8,1.4]區(qū)間內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.216，方差為0.047，屬于極度不穩(wěn)定的狀況。這主要是因?yàn)楦蓢姽しōh(huán)節(jié)多，容易受人為干擾及機(jī)械故障（如堵管導(dǎo)致生產(chǎn)停滯）影響，最終導(dǎo)致干噴工法噴播生產(chǎn)效率整體偏低。

表1 干濕噴工法耗時(shí)統(tǒng)計(jì)

3.3 客土侵蝕性評(píng)價(jià)

圖4 所示為濕噴和干噴兩種工法下土壤流失量觀測(cè)結(jié)果。

圖4 土壤流失量觀測(cè)結(jié)果

由圖4 可知，在噴播完成后的初始坡面，采用濕噴工法的坡面客土侵蝕量明顯偏小，僅為0.857kg/m2，但在后續(xù)的第21～30d，濕噴坡面的客土侵蝕量逐漸增大，之后再降低至一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的水平；采用干噴工法的坡面客土侵蝕量比較大，初始值達(dá)到5.175kg/m2，并迅速降至2.05kg/m2，隨后也逐漸進(jìn)入一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的階段。兩種工法下，最終客土侵蝕量穩(wěn)定值相近。需要指出的是，客土侵蝕量與坡度和施工季節(jié)有關(guān)，本文未予討論，今后將進(jìn)一步研究。

3.4 生態(tài)植被恢復(fù)效果評(píng)價(jià)

為了分析不同噴播工法對(duì)種子出苗情況的影響，自噴播完成之日起，連續(xù)2 個(gè)月對(duì)樣方進(jìn)行調(diào)查觀測(cè)，對(duì)種子出苗率、地上生物量和灌草成分組成進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

客土噴播完成后，根據(jù)設(shè)定的固定樣方調(diào)查點(diǎn)，記錄每天植物出苗種數(shù)，結(jié)果如圖5 所示。由于本次記錄的是植物出苗的種類數(shù)目，不是植株的數(shù)量，所以曲線趨勢(shì)代表的是坡面植物種群的物種多度，并不代表整體的覆蓋度。

圖5 種子出苗數(shù)調(diào)查結(jié)果

從圖5 可以看出，初期的客土噴播在半個(gè)月內(nèi)完成了多種植物種子的出苗，說明無論是干噴還是濕噴工法，植物種子出苗并沒有明顯的區(qū)別，但除第3～6d以外的其余時(shí)間段內(nèi)，干噴工法的出苗種數(shù)持續(xù)大于濕噴工法的出苗種數(shù)，這可能是由于干噴工法容易產(chǎn)生團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，種子在孔隙率相對(duì)較好的條件下更容易快速出苗所致，而且濕噴工法容易使客土表層形成“板結(jié)狀”，這對(duì)出苗有一定的抑制作用。

圖6所示為坡面植被覆蓋度觀測(cè)結(jié)果。

圖6 植被覆蓋度觀測(cè)結(jié)果

從圖6 可以看出，采用干噴工法的坡面植被覆蓋度數(shù)值明顯高于采用濕噴工法的坡面，第1個(gè)月就能達(dá)到70%以上，第45d 調(diào)查結(jié)果顯示植被覆蓋度就已超過90%，主要以禾本科草本植物為主，包括多年生黑麥草、高羊茅，其余植物品種有紫花苜蓿、波斯菊以及部分豆科灌木；而采用濕噴工法的坡面相對(duì)較差，兩個(gè)月后的坡面植被覆蓋度僅有76%，其主要構(gòu)成植物種相對(duì)比較均勻，包括高羊茅、多年生黑麥草、紫花苜蓿、刺槐、紫穗槐、波斯菊等，整體上灌草植物種分布均勻。以第30d 調(diào)查結(jié)果為例，其灌草植物株數(shù)比如圖7所示。

圖7 灌草植物構(gòu)成（第30d）

從圖7 可以看出，同時(shí)完成的坡面，采用干噴工法的坡面草本植物約占83%，灌木僅占17%，而采用濕噴工法的坡面草本植物約占72%，灌木占28%。在草本植物分布中，采用干噴工法的坡面禾本科草本植物占比超過50%，這主要是因?yàn)楦蓢娡馏w顆粒松軟，孔隙多，禾本科草本植物葉片狹長(zhǎng)且有尖，破土效果好；相反，豆科植物葉緣偏圓，破土效果差一些。濕噴工法的豆科灌木、豆科草本、禾本科草本各占約1/3，比例相對(duì)均勻，這個(gè)時(shí)期灌草比較為適中。

4 結(jié)語

作為公路邊坡生態(tài)恢復(fù)工程的主要工法之一，客土噴播技術(shù)已在公路建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用，但客土噴播中的干噴和濕噴兩種工法具有明顯的差異。本文依托山東省內(nèi)京滬高速公路改擴(kuò)建工程，采用了干濕客土噴播兩種工法實(shí)施路塹巖石邊坡生態(tài)恢復(fù)，通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和生態(tài)恢復(fù)學(xué)調(diào)查等方法，對(duì)干濕噴播生態(tài)恢復(fù)效果進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明，與濕噴工法相比，干噴工法的用土量、燃油耗損量更多，但草炭土、纖維材料及水的用量明顯少于濕噴工法；盡管干噴坡面出苗快、種類多、植被覆蓋度好，但其灌草比中初期草本植物偏多，并對(duì)后期灌木演替產(chǎn)生一定影響。上述研究結(jié)論只是基于實(shí)施干濕噴播工法后的生態(tài)恢復(fù)效果差異性對(duì)比分析所得，可作為工程應(yīng)用的評(píng)價(jià)方法，但兩種工法差異性機(jī)理并未得到充分論證。在今后的研究中應(yīng)進(jìn)一步結(jié)合兩種工法對(duì)基質(zhì)結(jié)構(gòu)和性能、水分持留與散失、植物種類差異性的影響進(jìn)行詳細(xì)分析。