寒區(qū)礦山廢棄地邊坡植被恢復(fù)技術(shù)及模式

高 賽，孫 飛，劉海龍，李紅娜，唐玉情，張 捷

(1.東北林業(yè)大學 園林學院，黑龍江 哈爾濱 150040； 2.黑龍江多寶山銅業(yè)股份有限公司，黑龍江 黑河 164300)

礦產(chǎn)資源作為工業(yè)建設(shè)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，其儲量的豐饒與否常常制約和影響著國民經(jīng)濟的發(fā)展。但采礦業(yè)在推動國家經(jīng)濟發(fā)展的同時，不可避免地也帶來了一系列嚴峻的生態(tài)環(huán)境問題。工程建設(shè)產(chǎn)生的大量挖填方及人工堆積體，對原有地貌形態(tài)造成強烈的改變及工程擾動，地表植被遭到毀滅性破壞，大量次生裸地及裸露邊坡常年遭受自然侵蝕及人為干擾，造成了嚴重的生態(tài)問題和地質(zhì)隱患[1]。水土流失、坡體崩塌、地裂縫、山體滑坡、泥石流及土壤鹽漬化等問題使礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)退化加劇，嚴重影響了礦山工程建設(shè)及礦區(qū)的可持續(xù)發(fā)展[2-3]。

為響應(yīng)國家“綠色礦山”建設(shè)的號召，同時在礦山開采中借鑒外國經(jīng)驗，堅持生態(tài)環(huán)境保護、低影響開發(fā)、土地可持續(xù)利用的理念，當下多數(shù)礦山都采取了“邊開采、邊治理、邊恢復(fù)”的新型礦山建設(shè)模式，逐步向“剝離—采礦—排礦—恢復(fù)”一體化方向發(fā)展。對于露天礦山，開采前預(yù)防及開采中減損兩者相結(jié)合的工藝逐步在礦山建設(shè)中得到廣泛重視及合理應(yīng)用，使得整個采礦工藝流程與采后的地貌重塑可以有機結(jié)合起來，在降低成本的同時，還為后續(xù)的土壤及植被的恢復(fù)創(chuàng)造了有利的條件[4]。

礦山邊坡廢棄地作為一類特殊的退化生態(tài)系統(tǒng)，由于巨大的人為干擾超出了原有生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)容限，因此生態(tài)閾值被打破，生態(tài)平衡遭受到嚴重破壞。對此，生態(tài)恢復(fù)是一種有效的解決手段[5-7]。首先，生態(tài)恢復(fù)目標作為恢復(fù)生態(tài)學及生態(tài)恢復(fù)工程實踐中的最基本命題[8]，決定了生態(tài)恢復(fù)建設(shè)的方向。其次是生態(tài)恢復(fù)過程應(yīng)嚴格遵循“山水林田湖草生命共同體”理念，堅持保護和恢復(fù)進程的一體化，從礦產(chǎn)資源、礦區(qū)土地資源、礦山水資源、礦山物種資源及礦山景觀資源等多個角度找出導致礦區(qū)生態(tài)退化的限制因子，在此基礎(chǔ)上針對性地提出礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)統(tǒng)籌恢復(fù)的內(nèi)容與對策[9]。邊坡生態(tài)系統(tǒng)的重建是恢復(fù)礦山生態(tài)系統(tǒng)空間連續(xù)性的重要措施，植被作為礦山廢棄地生態(tài)系統(tǒng)能量流動過程中的關(guān)鍵角色，其群落結(jié)構(gòu)及組分將直接影響到生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)功能的發(fā)揮與穩(wěn)定。因此，植被的重建與恢復(fù)是礦山生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的前提與基礎(chǔ)，從恢復(fù)對象來看，受關(guān)注程度最高的也一直是礦山植被[10]。

1 礦山廢棄地邊坡植被恢復(fù)技術(shù)

邊坡植被恢復(fù)技術(shù)是以恢復(fù)生態(tài)學、環(huán)境生態(tài)學、景觀生態(tài)學、生態(tài)工程學、植物學及土壤肥料學等多學科的基本原理為理論支撐，通過構(gòu)建先鋒植物群落，依靠群落的自然演替逐步提高其抵御外界干擾的抵抗力和恢復(fù)力，最終建立一個穩(wěn)定健康的植物群落，發(fā)揮其應(yīng)有的生態(tài)功能，同時達到邊坡穩(wěn)定、維持生物多樣性和改善恢復(fù)區(qū)環(huán)境質(zhì)量的目的。在此，我們提出了礦山廢棄地邊坡植被恢復(fù)技術(shù)體系(見圖1)，其核心主要分為先鋒植物篩選、植物生境重構(gòu)和土壤基質(zhì)改良三大方面。邊坡植被修復(fù)技術(shù)的關(guān)鍵在于首先要解決植物“無立身之地”這一問題，構(gòu)建出適合生態(tài)修復(fù)植被生長的穩(wěn)定立地條件，改變坡面無土或少土、水熱安全性能差、植物無法立根、溫度變化幅度大等不利因素。在此將這些人為可控的各種環(huán)境因子的重新構(gòu)建描述為植物的生境重構(gòu)。

圖1 礦山廢棄地邊坡植被恢復(fù)技術(shù)體系

2 礦山廢棄地邊坡立地條件分類

礦山廢棄地根據(jù)其成因、形態(tài)和物質(zhì)組成，大體可分為四類，其中包括由低品位礦石堆積而成的堆浸場、地層剝離物堆積壓占的排土(巖)場、尾礦砂大量堆積而成的尾礦庫及由矸石堆積形成的矸石山。上述各類廢棄地邊坡立地條件各異，本研究根據(jù)礦山植被恢復(fù)的需要，依據(jù)邊坡立地條件特征對坡面類型進行了詳細分類，結(jié)果見表1。

表1 基于礦山植被恢復(fù)的邊坡立地條件分類

3 礦山廢棄地邊坡植被恢復(fù)技術(shù)分類及組合模式

邊坡植被恢復(fù)的難點在于坡面立地條件復(fù)雜，多種生物及非生物因子均是造成植物難以成活的生態(tài)限制條件。為此，可通過生境構(gòu)筑，采用一定的生態(tài)工程技術(shù)手段，在維持坡體穩(wěn)定的同時達到保持水土、防風降塵及輔助坡面植物生長的目的，為先鋒植被提供適宜的立地條件。生境構(gòu)筑技術(shù)合適與否直接決定著恢復(fù)植被的成活狀況及后續(xù)的生長狀況，同時也關(guān)系到整個植被生態(tài)恢復(fù)工程的效果。根據(jù)經(jīng)濟耗費少、與植物生長的親和力好、坡面穩(wěn)固性強、材料持久耐候性好等要求，將當前國內(nèi)應(yīng)用廣泛且前景較好的邊坡植被生境構(gòu)建技術(shù)分為四大類，分別是混合噴播型、掛網(wǎng)鋪設(shè)型、格構(gòu)填土型、預(yù)制穴槽型，詳見表2。

表2 礦山廢棄地邊坡植被恢復(fù)技術(shù)

通過礦山邊坡植被恢復(fù)技術(shù)的分類，可以得知每種技術(shù)均有其優(yōu)點，但同時對于坡面條件也具有特異性和局限性。結(jié)合到實際的邊坡植被恢復(fù)工程中，其中坡面巖性、坡度、巖石風化程度及坡面穩(wěn)定狀態(tài)四大因子對于植物生境重構(gòu)技術(shù)的選擇影響最大。同時由于坡面立地條件的復(fù)雜性，單純依賴一種技術(shù)往往難以達到設(shè)計預(yù)期和恢復(fù)目標，因此多技術(shù)組合模式是必然選擇。

在礦山邊坡植被恢復(fù)工程中，應(yīng)按照“適地適樹，因地制宜；生態(tài)治理為主，工程措施為輔”的原則，對不同的地理位置、氣候條件、邊坡類型及恢復(fù)目標，靈活選擇不同的技術(shù)組合和施工方法，以達到穩(wěn)固邊坡、重塑生境、重建群落及恢復(fù)植被的目的。我們針對不同的邊坡類型，對其可選用的植被恢復(fù)技術(shù)組合模式進行了分類總結(jié)，詳見表3。

表3 邊坡立地條件及技術(shù)組合模式

4 技術(shù)組合模式項目實踐

為檢驗上述植被生境構(gòu)筑技術(shù)組合模式的有效性，在黑龍江省黑河市多寶山銅業(yè)礦山排土場邊坡植被恢復(fù)工程中進行了實際應(yīng)用。黑河市在我國五大氣候區(qū)劃分上屬寒冷地區(qū)，植被恢復(fù)示范區(qū)位于礦山排土場一期工程的北坡，北臨礦區(qū)辦公區(qū)到生產(chǎn)區(qū)的主要交通干道，是排土場重要的視覺觀賞面。排土場植被恢復(fù)示范區(qū)坡體為人工(機械)堆筑的二元結(jié)構(gòu)邊坡，即內(nèi)部結(jié)構(gòu)由下部廢棄礦石層與上部覆土松散堆積層(未施業(yè)區(qū)原生土壤)構(gòu)成，控制性結(jié)構(gòu)面是巖土分界面，坡面狀態(tài)穩(wěn)定。坡面總高度132 m，總面積約24.8 hm2，共分為8個坡面，各坡面坡度介于30°～38°之間，坡長介于587～784 m之間，除最底層坡外，其他坡面坡高均大于15 m，根據(jù)邊坡分類標準，為二元結(jié)構(gòu)穩(wěn)定高陡長邊坡?；謴?fù)前，示范區(qū)坡面除原有覆土土壤種子庫有小面積植被萌發(fā)外，大部分無植被覆蓋，土層裸露，受雨水沖刷侵蝕，坡面裂隙和水土流失較為嚴重。

針對坡面現(xiàn)狀，植被恢復(fù)之前需要采取一定的邊坡固定防護技術(shù)，以增強客土土體抗侵蝕性和穩(wěn)定性，為植物生長營造適宜的立地條件。在邊坡立地條件現(xiàn)狀確定的基礎(chǔ)之上，植被恢復(fù)技術(shù)的選擇還應(yīng)考慮到植物群落恢復(fù)目標及相應(yīng)的景觀需求。因此，邊坡植物群落設(shè)計時應(yīng)盡量選用群落結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性高、抗性耐受性強且更經(jīng)濟的類型。整個排土場邊坡植被恢復(fù)示范區(qū)以廠區(qū)主要交通道路為觀賞點，各坡面觀賞視域仰角最小13°、最大16°，但由于觀賞視距均在坡面標高的3倍以上，因此在動觀過程中，各坡面及其周圍環(huán)境均可以被觀察到，整體上給人以開闊感。根據(jù)現(xiàn)場坡面實際踏勘取樣，了解各層坡面土壤有效土層厚度的差異，同時結(jié)合觀賞角度及視距的遠近將示范區(qū)坡面總體劃分為下、中、上3層，其中下層3個坡面、中層3個坡面、上層2個坡面，共3層8個坡面。下層3個坡面平均坡度31°左右，標高較低，覆土層較厚，土壤含水量較為豐富，植物群落采用灌木+草本復(fù)層結(jié)構(gòu)。中層3個坡面平均坡度35°左右，標高相對較高，水分含量相對較少，覆土厚度相對較薄，植物群落采用局部灌木+草本的植物配置方式，層次相對簡單。上層2個坡面平均坡度33°左右，考慮到坡面高程、覆土層、風力及土壤水分的影響，植物群落以草本地被植物為主，模擬自然式野花草甸形式，植物選擇以當?shù)剡m應(yīng)性較好的草本地被為主。

在確定了立地條件及群落類型的基礎(chǔ)上，采用自然恢復(fù)結(jié)合人工輔助恢復(fù)的措施，以坡面截流、保護坡底、控制水土流失、重建坡面植被為核心[15]，滿足技術(shù)互補、耗費較小，既能起到良好的邊坡防護作用，又能改善立地環(huán)境、輔助植被生長的要求，綜合考慮多方面影響，針對不同坡面選擇了不同的邊坡植被修復(fù)技術(shù)組合。下層坡面由于植物群落結(jié)構(gòu)層次較為復(fù)雜，高程相對較低便于人工施工，采用液壓噴播+擋土翼+局部栽植的技術(shù)組合。首先在坡面裂隙處設(shè)置預(yù)制擋土翼，擋土翼在坡面成“品”字形交錯排布，使得土體內(nèi)部的滲透水流動方向不斷改變，可極大地減小其滲透破壞作用，從而增加土壤顆粒間的連接強度，有效地減少水土流失[16]。液壓噴播在其液料混合物中直接混入草本及部分灌木種子，施工速度快。植物選擇上，灌木層選用胡枝子(Lespedezabicolor)、榛子(Corylusheterophylla)、山刺玫(Rosadavurica)、珍珠梅(Sorbariasorbifolia)等進行自然式種植，草本層以柳蘭(Chamerionangustifolium)、菊芋(Helianthustuberosus)、繁縷(Stellariamedia)、北野豌豆(Viciaramuliflora)、青蒿(Artemisiacaruifolia)、早熟禾(Poaannua)等進行塊面式自然配置。同時，為加快坡面成景進程且豐富植被層次，在坡面局部采用自然式組團形式，直接栽植部分中小型灌木苗木。中層坡面坡度稍大，覆土層變薄，因此采用植生袋+擋土翼的組合模式。植生袋可根據(jù)植物種子大小進行預(yù)制，且較為經(jīng)濟，施工時交錯堆疊，較為方便。由于植生袋本身材料耐久性有限，幾年后自然降解，其內(nèi)部土壤沉積可增加土層厚度，加之擋土翼的施工對植生袋可以起到鉚固的作用，因此兩者結(jié)合可以滿足坡面固定及植物生長要求。植物選擇上，灌木層采用沙棘(Hippophaerhamnoides)、胡枝子、興安杜鵑(Rhododendrondauricum)，地被草本層以紫苜蓿(Medicagosativa)為主基調(diào)，自然式搭配馬藺(Irislactea)、野豌豆(Viciasepium)、草木樨(Melilotusofficinalis)、老鸛草(Geraniumwilfordii)、青蒿、興安薹草(Carexchinganensis)。上層坡面土層較薄，高程較大，施工難度較高，采用液壓噴播+三維網(wǎng)植生的技術(shù)組合。首先在坡面鋪設(shè)三維網(wǎng)，然后用U形釘或聚乙烯塑料釘進行錨固，最后將草本植物種子混入噴料中直接進行坡面噴播。植物選擇上，地被層以狗尾草(Setariaviridis)、酸模(Rumexacetosa)為基調(diào)植物，模擬自然野花草甸形式塊面式穿插配植車前(Plantagoasiatica)、老鸛草、青蒿及酸模葉蓼(Polygonumlapathifolium)。植被恢復(fù)兩年之后，坡面植被生物量及豐富度明顯增加，坡面徑流、土壤裂隙及水土流失情況得到明顯改善，景觀異質(zhì)性開始凸顯。在多寶山銅礦排土場邊坡植被修復(fù)工程中，對本研究提出的邊坡立地條件及技術(shù)組合模式進行了實踐與檢驗，就恢復(fù)效果而言，坡面固定及植被生長均呈現(xiàn)出良好狀態(tài)。

5 結(jié) 語

礦山邊坡植被修復(fù)涉及多學科、多領(lǐng)域，本研究立足恢復(fù)生態(tài)學及景觀生態(tài)學，從技術(shù)護坡的角度對邊坡的分類標準及實際恢復(fù)項目中應(yīng)用較多且較為成熟的技術(shù)進行了歸納總結(jié)。每種技術(shù)均有其優(yōu)點，但同時也有其使用條件的局限性。本研究從邊坡立地條件出發(fā)，探索技術(shù)之間的協(xié)同互補，總結(jié)出了與不同的邊坡立地條件特征相適應(yīng)的技術(shù)組合模式。為檢驗?zāi)Ｊ降挠行约翱蓪嵤┬裕鶕?jù)“適地適樹、因地制宜”的生態(tài)原則，靈活選用技術(shù)組合方式，并將其應(yīng)用于多寶山銅礦排土場邊坡植被修復(fù)工程中，取得了良好效果。其中，技術(shù)組合模式的選擇不能僅僅只是考慮邊坡立地條件，還應(yīng)考慮到植物群落恢復(fù)目標、有效土層厚度、景觀需求、經(jīng)濟造價及組合施工難度等。

總體來說，雖然當前國內(nèi)針對邊坡植被恢復(fù)的相關(guān)技術(shù)種類較多，但關(guān)于該領(lǐng)域的學科體系、理論研究及施工技術(shù)規(guī)范還未系統(tǒng)化，恢復(fù)標準也較為模糊，邊坡生態(tài)恢復(fù)仍是一個較為年輕的研究領(lǐng)域。在實際工程項目中，還往往存在施工操作不當、技術(shù)選擇盲目、短期見效而長期二次退化、總體恢復(fù)效果差等問題。隨著全國統(tǒng)籌山水林田湖草一體化保護修復(fù)相關(guān)戰(zhàn)略、規(guī)劃的出臺實施，對于礦山生態(tài)恢復(fù)來說既是機遇也是更大的挑戰(zhàn)。同時，越來越多的專家、學者陸續(xù)加入進來，也進一步帶動了恢復(fù)生態(tài)學、景觀生態(tài)學、土壤生態(tài)學、環(huán)境工程及高分子復(fù)合材料等新興學科的發(fā)展，新理念、新方法、新技術(shù)、新材料逐步被引入生態(tài)恢復(fù)領(lǐng)域。希望通過更多的組合研究，將各種制約技術(shù)組合模式選擇的相關(guān)因素結(jié)合起來，針對不同的邊坡現(xiàn)狀，有效選擇出相應(yīng)的技術(shù)方法組合，使其更好地服務(wù)于礦山邊坡的植被恢復(fù)。