土壤生态修复技术工程建设论文

1“两高”道路建设土壤生态修复技术

（1）道路边坡固坡工程处理技术：道路挖方边坡是土石相间的山体边坡。坡面极易受暴雨冲刷，产生强烈的水土流失。特别是复杂地形、地质结构区，具有裂隙和节理发育，坡体岩土层不完整，存在潜在滑坡、崩塌等地质灾害风险，必须进行工程加固或支挡，确保沿线坡体稳定和行车安全。研究表明[10]，框架锚杆或混凝土骨架梁支护技术适用于结构面发育、岩体风化破碎、坡体中元不良结构面和土质的路堑高边坡；预应力锚索梁加固防护技术适用于裂隙和断层发育的岩石路堑高陡边坡及易滑坡地段、软硬质岩互层路堑高边坡；易坍塌滑坡的土质、软岩或顺层高边坡，宜将抗滑桩与框架锚索防滑加固工程结合使用；风化较严重边坡和坡面稳定的较高土质边坡、路堤边坡，宜采用格子梁护坡。此外，铺挂镀锌铁丝网和锚杆技术，抗拉力强度大，能有效地防止坍塌和碎石掉落，确保道路安全。在满足边坡稳定性和安全性下，宜将边坡工程防护与土壤生态植被防护相结合，尽量避免混凝土封盖、浆砌石护面，以影响生态景观。（2）道路边坡土壤生态修复技术模式：山体边坡具有土壤剖面的完整性。在土壤修复过程中，应根据岩土层次和边坡高度，选择不同的土壤生态修复施工技术。表1说明，低矮土质边坡或填方边坡，可直接喷播灌草种；高陡土质边坡挂EM3（三层三维土工网垫）网喷混植生；强风化层挂三维网客土喷混植生；弱风化层或局部岩石层，采取锚杆挂铁丝网、客土喷混植生技术。坡面喷射植生基材前，采取挂三维网、EM（三维土工网垫）网、铁丝网（镀锌或过塑）、土工格栅和土工格室，以及铺CF（椰丝纤维）网或植被草毯等，并用锚杆固定。（3）植物选择与种群配置技术：植物种群结构是道路边坡土壤修复重要环节[11，13-14]。经研究，植物种类选择及种群配置的成熟技术主要有：①按气候地带性规律选择植物品种，北方以落叶树种为主，如胡枝子（Lespedezabicolor）、紫穗槐（Amorphafruticos）等；南方以常绿树为主，如银合欢（Acaciaglauca）、美国刺（Leucaenaleucocephala）、台湾相思（Acaciaconfusa）等（表2），以充分利用南方水光热条件。②南方土壤生态重建应坚持生物多样性，种群结构以灌木为主，乔灌草藤结合。③针对路域土壤实际，应以豆科植物为主，多科属配置，以维护低肥力下种群植物养分的常态循环。④以地方植物品种为主，以适应当地生物气候环境，提高成活率。⑤植物应立体配置，形态共生互补，并与周边生态景观相协调。2002年云南元（江）磨（黑）高速公路，我们以坡柳（Dodonaea）、银合欢等为主，灌草结合，第一次做出了乔、灌、草混植示范样板，现与周边热带雨林融为一体，为扭转全国高速公路单一草被生态作出了贡献。（4）可规模化、机械化施工的喷混植生创新技术：路域工程土壤生态修复规模大，工程量多，时限紧。我们自主研发的喷混植生技术，从质量、速率和效益上，适应了国家重大工程项目的需求，已在全国推广。其主体技术优势：①灌草种多品种混合喷播；②添加有机基材、营养物质、粘结剂、保水剂，有利于维护种苗安全生长环境；③增厚客土层，对缺少表土的风化层或母质层更适用。喷混物料厚度10～15cm，每天喷混500～800m28h-1。（5）道路边坡土壤植被后养护技术：“两高”道路建设是国家重点工程，要求土壤生态修复养护期长，一般达2～3年，待植被层稳定后方能工程验收。多年工程实践表明，节水浇灌是后养护主要技术。因此，①在500m内找好固定水源，否则宜打井，寻找地下水源；②配装高压抽水和灌溉机械，抽水系统是固定的，排灌可移动；③前期勤浇，后期间歇。出苗期一天两次，齐苗后一天一次，嗣后逐步减少；④南方湿暖气候下，前期灌溉量3kgm-2左右，后期灌溉量2kgm-2左右，养护2年约需水量800kgm-2，若1×104m2工作面，即需水8000t。一般养护1～2年即可依靠自然雨水维护水分和养分循环。（6）道路边坡土壤生态修复效果的后观察：近两年，对15年来已完成的2000×104m2南方道路边坡土壤生态修复多项工程的实际效果，进行了定点抽样观测（表3），表明：①生物群落的演替总趋势。植物群落是由草本植物群落—灌草混生群落—乔灌草立体群落演变。植物群落立体配置技术，是保持边坡人工植被群落可持续演替和生物多样性的关键。②草被生态的演替过程。20世纪末，多种草种单纯喷播工程，有海南西线、昆玉、玉元、漳龙早期参与的高速公路，人工草被寿命短，3～5年后逐渐被芒箕（Dicranopterispedata）侵化，夹有少量山苍子（Litseacubeba）、黄栀（GardeniajasminoidesEllis）、野茉莉（Styraxjaponicus）丛。可见，道路边坡不宜单纯植草，草本植物水光热利用率极低，植被易退化，延长向自然立体生态演替过程。③乔、灌、草立体生态模式的稳定性。后期考察的相关工程有广惠、开阳、揭普、元磨、昆石、福宁、成南、粤赣粤北段、宁杭、清平等高速主干道，采用乔、灌、草混喷，乔灌木生长茂盛，林下草退化无几，外来侵入种极少。特别提及的种群组合中的金合欢（Acaciafarnesiana）、银合欢、山毛豆（Tephrosiacandida）等强结实植物，种子成熟后散落地面，产生了多代演替，已成永久性植被。

2城镇化建设中山体土壤生态修复问题

2.1采石过程破坏城市生态景观

2012年末，中国城镇化率达到52.57%，相比于西方发达国家均在95%以上，美国是97%，中国城镇化水平仍然较低，但当前正处于高速增长时期。大规模的城市建设产生了对石料、石材、石灰岩、石英砂等资源的大量需求，在城市周边山体，形成了大量废弃采石场和巍耸的高陡岩石边坡。以深圳为例，城市化初期1953km2的国土面积一度拥有669家采石场，其中3000m2以上456座，边坡总面积超过1000hm2。无序开采曾对城市生态景观造成了严重破坏，给城市和人居环境带来了安全隐患。海南省三亚市是旅游岛建设的重点城市，目前周边有49个废弃的采石场，总面积达250×104m2，其中荔枝沟Ⅱ号采石场面积6.3×104m2，正处于城市发展中央区，边坡高陡，岩石，曾给当地城市景观和生态文明带来严重破坏。这些采石场亟需政府整治和覆绿，但城市岩石边坡，土壤破坏彻底，缺乏水肥土等植物生存的基本条件，土壤生态修复难度极大[12，16]，已成为我国城镇化生态文明建设的研究热点和工程难点[15-20]。

2.2城市山体岩石边坡特征

（1）城市岩体边坡成型特征：从城市岩体边坡成型特征看，①城市房建工程需用大量石料耗材，考虑运输成本，以就地取材为主的采石场，大多以城市中央为轴心，散乱分布在城市近郊或城乡结合部，地势较陡峭、岩体外露的高丘或山地。②采石场石壁、山体宕口多为爆炸成型，采用垂直开采方式，自上而下挖掘，机械与人工结合环形开挖，石壁坡面凹凸不平。边坡坡度在80～90°之间，形成巨大的高低不平的断崖层面，甚至倒坡，岩体相对高度多在80～130m。③为方便石材、石料运输，废弃采石场多呈半环形边坡。坡面受炸药震力作用，局部多有裂痕或节理，但整体岩层结构并未破坏，石壁稳固和安全。（2）岩体边坡立地环境：从边坡环境特征看，采石场立地条件恶劣，高陡石壁坡面缺少平台或平台窄小，残存土壤极少，原生植被破坏，缺乏植被赖以生存的土壤。因此，必须从工程措施上，多途径解决回填种植土问题。同时，采石场环形开采的微地形环境，造成石宕内小气候差异性，形成阴阳坡，坡面温度、蒸发量、辐射热等差异显著，石壁阳坡夏季温度可达50℃以上，阴坡低5～10℃。在南方亚热带气候生物循环旺盛条件下，应利用采石场生物小气候特点，在土壤生态修复和种植养护技术上，加以优势利用。（3）水土流失趋向：从水土保持学特征看，采石场选址确定后，首先采用大型推土机和挖掘机，将土层推平运出，直见结实的岩石层。因此，岩体边坡早期存在水土流失，并出现高峰，但土层清场后，随着采石深度的下移，水土流失趋势减弱。而废弃采石场即使暴雨也只有水的流失，几乎没有土的流失。而且环形盆底容量很大，遇渍水也可通过周边渗漏，对下游区域不构成水土冲刷威胁，保障了下游农田和人居安全。（4）岩体边坡剖面形态：从土壤发生学特征看，采石场边坡不具有完整的剖面特征，腐殖质层（O层）、表土层（A层）及淋溶淀积层（B层）基本被机械铲除，只剩残余的弱风化层（BC）和母岩层（C层）。我们从深圳和三亚观察到由花岗岩母质发育的城市岩体边坡，其周边残留体剖面乔灌植被覆盖良好，表土层（A层）深1～1.5m，风化层（B层）厚度3～4m，母岩层（C层）埋藏在5～6m以下。现状岩体边坡，90%为C层，BC层很薄。因此土壤生态修复过程中，必须靠外来土源输入，既要修接纳槽体，又要全面挂网锚固，工序复杂，工程成本较高，现市场价格达350～400元m-2。但在城市生态文明建设的推动下，技术市场需求仍然广阔。（5）岩体边坡力学性质：从岩体结构力学特征分析，采石场岩体多为近直立的花岗岩高边坡，岩体强度较高。受爆炸及开挖等外力卸荷作用影响，岩体内产生大量节理、裂隙，原生或构造节理张开。在各种节理裂隙作用下，岩体被切割成大块状，坡面岩体结构较破碎，具有危岩落石发生的可能。岩体破坏模式主要为倾倒、坠落及局部崩（滑）塌破坏，造成边坡局部失稳，形成大面积碎石流,采用工程防护措施时应注意这一特点。这增加了城市环境安全治理和生态施工的技术难度。因此，相对于其他山体边坡，特别是道路创伤边坡，采石场岩石边坡生态修复的难度更大。

2.3城市高陡岩石边坡土壤生态修复技术体系

（1）城市岩体边坡土壤生态修复技术：实践表明，岩体边坡视角景观特别是俯视景观太差，生态修复技术难度太大。主要采取：①应以生物遮挡为主，辅以全面覆盖；②以种植苗木为主，结合灌草种子坡面混播；③充分利用边坡及坡底平台，种植高大乔木，以促早成林，发挥绿色遮挡效果；④坡面纵向间隔2m沿等高线设置植生槽，回填营养土；⑤充分利用槽内土壤资源栽植大苗木，建好植生带。（2）V型槽+挂网喷混技术模式：针对80～90°坡度和土肥水皆无的城市高陡岩体边坡的特殊性，单用挂网喷草或喷混植生技术效果很差。采用V型槽技术加挂网喷混植生技术模式，将工程措施与生物技术紧密结合，在垂直坡面上创造植物生长的微环境或植生带。V型槽的作用：①V型槽由钢筋混凝土现浇，深度约80cm，面宽约70cm，并与坡面成45°，2m间距等高线布设，主要功能是接纳回填土和营养土；②分层切割坡面铁丝网和喷植层重力下垂拉力，减少灾害性拉力崩塌；③充分利用V型槽有限土壤资源，种植大苗，建立多层次植物生长带。（3）V型槽技术模式的工艺流程[12]：包括：坡面乱石清理挂铁丝网锚杆固网构筑钢筋混凝土V型槽（搭设脚手架钻孔锚杆制作绑扎钢筋安装模板浇筑混凝土）槽内回填种植土喷混植生（种植基材配置喷基底土层喷播种子无纺布覆盖）V型槽栽种大苗植物带建滴灌系统养护。（4）垂直岩体坡面喷混植生关键技术：南方80～90°岩石坡面推广喷混植生，宜采取：①挂双层铁丝网，并用长、短锚杆固网；②在有机基材混合料中添加粘结剂，为降低成本，粘结剂可用国产胶粉，甚至可用硅酸盐产品替代；③在网下垫草把或喷PE（聚乙烯）丝，可增加喷植层孔隙度和粘结力；④保障喷混层厚度10～15cm，可分2～3次喷基底，待物料凝结后再喷，以避免泻底；⑤在喷播灌草种过程中，宜加入少量藤本种子，以加快覆绿，并攀缘局部倒岩。（5）V型槽种植带建植技术：根据深圳、广州南沙、海南三亚8个岩体边坡治理工程实践认为：①在回填土中加入营养基质，由腐殖质土、禽畜有机肥、复合肥、蘑菇肥及保水剂等组成，创造良好的根际土壤肥力环境；②针对南亚热带和热带气候特点，种植带建植坚持生物多样性，强调以豆科、灌木、常绿及乡土植物为主的原则（表2），增强植物的适应性和抗逆性；③加大藤本植物配置比例，组成乔、灌、藤、草人工生物群落；④提倡高密度种植，大苗、袋苗移栽。槽内分两排进行种植，内侧种植爬藤类，间距20cm；外侧间隔50cm栽植灌木袋苗，每米段栽植苗木株数5～7株，主栽苗木为台湾相思、小叶榕（Ficusmicrocarpa）、勒杜鹃（Bougainvilleaglabra）等，藤本植物包括爬山虎（Parthenocissusplanch）和葛藤（Puerariaphaseoloides）。（6）节水滴灌养护技术：水肥管理是V型槽及边坡植物生长的安全保障。V型槽种植和喷混施工完成后，原工作台、架拆除，养护工作困难，且不安全。因此，采用节水滴灌技术势在必行。节水滴灌系统由高压抽水泵站，蓄水池，PC（聚碳酸酯）主管、分管及滴水支管组成。蓄水池多设在山顶，以增加下泄压力，或自流灌溉，直接将水滴送入植物根际。必要时可添加水溶性复合肥，水利用率高、工作方便，非常适合采石场边坡水肥调节。同时做好缺苗修补、雨后追肥、防治病虫鼠害等。养护2～3年，即可依靠自然雨水维护植被生长。

3结论

土壤生态修复工程学是我国现代化工程建设中产生的一门新兴学科，展示了土壤科学的创新和发展。国家重大基础工程建设，破坏了土壤圈物质和生物循环，加剧了土壤侵蚀和地质夷平过程。“两高”建设属线型工程，地跨多个纬度，地带性与立体性气候交错，土壤生态修复模式更具多样性。我国南方地形、地貌错综复杂，道路工程多处山地、丘陵，对土壤的破坏70%以边坡形态存在。挖方边坡土壤剖面结构具有完整性，坡比设计1:1～1:0.75。应根据路域边坡特征，安排土壤生态修复施工模式。南方植物选择应以灌木、豆科植物和地方品种为主，乔、灌、藤、草相结合多元配置。维护生物多样性和植物群落演替可持续性。城市采石场为城市发展做出过贡献，但岩体边坡群破坏了城市生态景观，土壤植被修复市场潜力大。岩体边坡多是爆炸成型，地形陡峭，土壤剖面特征不完整，原植被层、表土层、风化层无残留，缺乏植物生存基本条件。采用V型槽加挂网锚固喷混植生技术，是岩体边坡土壤生态修复的重要技术途径。

作者：徐国钢 程睿 赖庆旺 朱兆华 孙吉雄 单位：深圳市万信达生态环境股份有限公司