（水土保持与荒漠化防治专业论文）江苏省露采矿山岩质边坡生态恢复技术研究.pdf

摘要 本文选择江苏省内采用不同生态恢复技术进行生态恢复的露采矿山为研究对象，比较 矿山岩质边坡植被恢复过程中的植物群落特征、生物多样性变化、土壤性状差异及其相互 关系；植物对于早逆境的生态适应性；以及景观效益评价等，探讨不同生态恢复技术措施 的恢复效果，筛选出抗逆性强的矿山边坡适生植物。研究结果表明： ( 1 ) 合理的人工生态恢复技术可以加速岩质边坡的植被生态系统恢复，同时植被的选 择及配置直接影响群落植物物种多样性大小。比较不同的人工生态恢复技术措施的植物物 种多样性，以盱眙北大山平台种植法最高。 ( 2 ) 各人工生态恢复岩质边坡植物群落结构可归纳为三种类型：第一种是灌木( 常绿、 落叶) + 草本( 一年生、多年生) ：第二种是乔木( 常绿) + 灌木( 落叶) + 藤本( 常绿) ； 第三种是灌木( 常绿) + 藤本( 常绿) 。 ( 3 ) 就矿山岩质边坡生态恢复而言，植物物种多样性的大小与土壤的主要理化性质之 间没有太大的关联度。研究各人工生态恢复技术措施发现，植物种类的选择及配置是解决 矛盾的关键。 ( 4 ) 结合坐标综合评定法、模糊数学的隶属函数法得出：栀子在所选九种植物中抗旱 性能最强，其次是青枫、竹子、三角枫，海桐、红枫的抗旱性最弱。 ( 5 ) 各矿山生态恢复技术类型的景观评价结果为：盱眙北大山平台种植类型的景观评 价综合指数最高，达到一级景观评价标准。表明合理的人工生态恢复技术措施可以获得良 好的矿山生态恢复综合效益。 关键词：生态恢复；岩质边坡；物种多样性；抗旱性：景观评价 s t u d y0 1 3e c o l o g i c a lr e s t o r a t i o nt e c h n i q u eo ft h er o c ks l o p eo ft h e o p e nm i n i n gm o u n t a i ni nj i a n g s up r o v i n c e a b s t r a c t i nt h i s s t u d y , t h ep l a n tc o m m u n i t yc h a r a c t e r s ，b i o - d i v e r s i t yc h a n g e s ，d i f f e r e n c ea n d i n t e r - r e a c t i o no fs o i lp r o p e r t yi nt h er o c ks l o p eo fm i n em o u n t a i n ，t h ep l a n tt oa r i de c o l o g i c a l a d a p t a b i l i t yo fa d v e r s ec i r c u m s t a n c ea n dl a n d s c a p eb e n e f i ta p p r a i s a lw e r ec o m p a r e d ，b a s e do n t h ed i f f e r e n te c o l o g i c a lr e s t o r e dt e c h n i q u ei nt h eo p e nm i n i n gm o u n t a i no fj i a n g s up r o v i n c e t h er e c o v e r yr e s u l t so fd i f f e r e n te c o l o g yr e s t o r a t i o nt e c h n o l o g i c a lm e a s u r ew e r ea l s oc o m p a r e d ， a n dp l a n t 、v i t l ls t r e s sr e s i s t a n c ea d a p tt ot h es l o p eo f m i n em o u n t a i nw e r es e l e c t e d t h er e s u l t ss h o w e da sf o l l o w s ： ( 1 ) r e a s o n a b l ea r t i f i c i a le c o l o g yr e s t o r a t i o nt e c h n o l o g yc a l la c c e l e r a t et h er e s t o r a t i o no ft h e p l a n te c o s y s t e mo ft h er o c ks l o p e s e l e c t i o na n dd i s p o s i t i o no ft h ev e g e t a t i o na f f e c t e dt h e b i o d i v e r s i t yo ft h ep l a n tc o m m u n i t yo fr o c ks l o p ed i r e c t l y t h ev e g e t a t i o nb i o d i v e r s i t yo f x u y ib e i d am o u n t a i nb yu s i n gp l a t f o r mp l a n t e rt y p et e c h n i q u ew a st h el a r g e s ta m o n gs e v e r a l k i n do f a r t i f i c i a ie c o l o g i c a lr e s t o r a t i o nt e c h n o l o g ym e a s u r e s ( 2 ) a l lp l a n tc o m m u n i t ys t r u c t u r eo fa r t i f i c i a le c o l o g yr e s t o r a t i o ni nr o c ks l o p ec a nb e c l a s s i f i e df o rt h r e et y p e s ：t h ef i r s tk i n do fs t r u c t u r a lt y p ei st h eb u s h ( e v e r g r e e n ，f a l l e nl e a v e s ) + t h eh e r b a c e o u s ( a n n u a l ，p e r e n n i a l ) ；t h es e c o n dk i n di st h ea r b o r ( e v e r g r e e n ) + t h eb u s h ( f a l l e nl e a v e s ) + t h er a t t a n ( e v e r g r e e n ) ；t h et h i r dk i n di st h eb u s h ( e v e r g r e e n ) + t h er a t t a n ( e v e r g r e e n ) ( 3 ) a sr e g a r d se c o l o g i c a lr e s t o r a t i o no ft h em i n er o c ks l o p e ，p l a n ts p e c i e sd i v e r s l f e d m a g n i t u d ew a sn o tr e l a t e dw i t hm a i np h y s i c a la n dc h c m i c a lp r o p e r t yo fs o i le v i d e n t l y t h e s e l e c t i o na n dd i s p o s i t i o no ft h ep l a n ts p e c i e sw a st h ek e yp o i n to ft h et e c h n o l o g i c a lm e a s u r eo f a r t i f i c i a le c o l o g i e s ( 4 ) c o m b i n e dt h ec o o r d i n a t ec o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o na n ds u b o r d i n a t ef u n c t i o no ff u z z y m a t h e m a t i c s ，g a r d e n i a ，c a p ej a s m i n e ( g a r d e n i a ej a s m i n o i d e se l l i s ) w a st h em o s td r o u g h ts t r e s s r e s i s t a n c eo n eo ft h en i n ep l a n t g r e e nm a p l e ( a c e rs c r r u l a t u mh a y a t a ) ，b a m b o o ，b u e r g e r m a p l e ( a c e rb u e r g e r i a n u mm i q ) w e r em o d e r a t e l y ，s e a t u n g ( p i t t o s p o r u mt o b i r aa i t ) ，r e d m a p l e ( a c e rr u b r u m ) w e r et h ew e a k e s t ( 5 ) t h el a n d s c a p ea p p r a i s a lr e s u l t so fv a r i o u sm i n e sm o u n t a i ne c o l o g i c a lr e s t o r e dt e c h n i q u e t y p es h o w e dt h a tx u y ib e i d am o u n t a i np l a t f o r mp l a n t e rt y p e sl a n d s c a p ea p p r a i s a lc o m p o s i t e i n d e xw a st h eh i g h e s t ，a c h i e v e st h ef i r s tl e v e lo fl a n d s c a p e se v a l u a t i o nc r i t e r i a t h er e s u l t i n d i c a t e di tw a sp o s s i b l et oo b t a i nt h eg o o dm i n ee c o l o g yt or e s t o r e dt h ec o m p r e h e n s i v ee f f e c t b yu s i n gt h e r e a s o n a b l ea r t i f i c i a le c o l o g yr e s t o r e dt e c h n i q u e k e y w o r d s ：e c o l o g i c a lr e s t o r a t i o n ；r o c ks l o p e ；s p e c i e sv a r i e t y ；d r o u g h ts t r e s s ；l a n d s c a p e a p p r a i s a l 致谢 y 9 0 5 5 本文是在导师胡海波教授的悉心指导下完成的。导师无论在论文的选题、试验方案的 确定，还是在文章的审阅和定稿上，都倾注了大量心血。三年来，导师正直的人格、渊博 的知识和严谨的治学态度深深地影响和教诲着学生。导师勤奋认真的工作态度和朴实的生 活作风给学生留下了深刻印记，它将指导我在今后的3 - 作中不断进取，踏踏实实走好人生 每一步。 论文的顺利完成还得益于阮宏华老师、张博老师、季春峰老师的热忱帮助扣指导，他 们对本研究提出了许多宝贵意见和建议。特别感谢朱晓勇师兄、梁淑英师姐、王浩师弟及 2 0 0 2 届本科毕业生王嘉宁等在论文完成工作中提供的真挚帮助。同时感谢森林资源与环 境学院的老师和同学给予的热心帮助。 感谢我的家人对我学习和生活上的无私关怀和默默支持! 在此，谨向所有给予我关心 和帮助的老师、同学和亲友们致以最诚挚的谢意 作者：程勇 2 0 0 6 年6 月 刖舌 近年来，随着江苏省基础设施的不断建设完善，如高速公路的相继开通、铁路的不断 延伸、各类矿山的持续开采等，在很大程度上破坏了自然生态，形成了许多无植被覆盖的 裸露边坡。露采矿山开采矿种主要为普通建筑石料、水泥用灰岩、砖瓦用粘等。因其开 采条件好，加工工艺简单，建设投资小，见效快，造成大小企业一哄而上，开采遍地开花， 采矿宕口星罗棋布。江苏省的自然资源尤其是矿产资源相对不足，但矿产资源的开发利用 程度较高，开采总量较大。矿产资源大量无序的乱采，造成山体景观和植被严重破坏，废 弃宕口高陡边坡失稳，安全隐患突出，给生态环境和人民生活带来严重的影响。2 0 0 3 年 仅连云港和宜兴两地，因采矿造成的滑坡、崩塌达5 0 6 0 次，2 0 余人死亡。据不完全统 计，江苏省全省露采矿山占用和破坏土地的面积达t o o o k m 2 ，还不包括近2 0 年来停采、 废弃的采场及矿石加工、运输占用和影响的土地面积。露采矿山的乱采乱挖使绿荫成群的 青山绿水变得干疮百孔，自然景观、地质遣迹、旅游资源及生态环境遭到严重破坏。尤其 是苏州环太湖、宜兴阳羡、连云港云台和南京沿江等风景区以及宁沪、宁连、宁杭等主要 交通干线两侧采矿活动更为突出，已使山体残缺不全，优美的自然景观的观赏性大打折扣， 造成严重的视觉污染，并诱发滑坡、崩塌地质灾害。 进行矿山植被生态恢复，是避免大面积的地貌景观和森林植被遭到破坏，改善生态环 境的基本途径。恢复和重建森林植被系统，形成自我维持、稳定的生态系统，促进矿区生 态环境的改善和经济的可持续发展，是矿区生态环境建设所面临的重要研究课题。从景观 生态学的角度看，废弃露采矿山是种景观破碎化现象，即景观由单一、均质和连续的整 体趋向于复杂、异质和不连续的斑块镶嵌体或嵌块1 1j ：它直接或间接影响景观的结构、功 能及其动态【2 】。人工塑造和恢复已被破坏的生态系统，是当前生态科学必须重视的并有责 任承担的研究任务。为实现经济效益、社会效益与生态效益的和谐统一，各级政府部门十 分重视各类边坡的生态恢复，各类大大小小的边坡植被恢复公司纷纷成立，但在缺乏正确 边坡植被恢复理论的指导下，各公司为了获得经济利益，使得边坡生态恢复的效果令人担 忧。 露采矿山岩质边坡的生态恢复就是重建矿山生态系统，并逐步形成合理的结构、高效 的功能和协凋的关系，使矿山生态系统达到稳定的和自我维持的状态，从而实现所期望的 生态、社会和经济效益。课题来源于2 0 0 4 年江苏省国土资源厅科技招标项目“江苏省露 采矿山环境整治与恢复标准研究”。本项研究在总结、借鉴国内外有关研究成果的基础上， 以江苏省内采用不同生态恢复技术进行生态恢复的露采矿山为研究对象，重点研究植被恢 复过程中的植物群落特征、生物多样性变化、土壤性状差异及其内在关系，以及植物对干 旱逆境的生态适应性等，探讨不同生态恢复技术措施的恢复效果，筛选适应性强的矿山适 生植物，以期恢复和重建稳定的生态系统，从而大大改善被破坏的生态环境，研究结果可 为江苏省乃至全国废弃露采矿l u 的生态恢复提供科学依据和技术支撑。 第一章文献综述 1 1 生态恢复的概念与相关生态学理论 1 1 1 生态恢复的有关概念 生态恢复是指采用适当措施改良和重建退化的自然生态系统，使其重新有利于利用， 并恢复其生物学潜力。生态恢复的关键是系统功能的恢复和合理结构的构建。生态恢复最 本质的目的就是恢复生态系统的必要功能并达到系统自己能够维持的状态，但是，由于自 然界的复杂性和人类活动对自然资源利用的不同和影响，生态恢复并不意味着在所有的场 合下都能够使被破坏的生态系统恢复到原来的状态。植被演替规律和动态变化机制为生态 恢复奠定了理论基础。 开展生态恢复技术研究与实践，应理清环境、生态、环境生态、生态恢复、生态修复、 生态重建、生态工程等与之相关的一些概念及科学内涵，避免概念上的混乱。 1 1 1 1 环境与生态 广义上讲，环境是人以外的一切事物的总和，如现代人居环境即为广义的环境概念； 狭义上讲，环境是影响有机体生长、发展和生存的外界物理条件的总和。生态系统简称生 态，是有生命的主体( 包括人类) 与无生命的客体的总和。研究有机生命体与无机环境关系 的科学称为生态学，研究生命体以外的无机环境的科学称为环境学。生态恢复的研究与实 践离不开环境学和生态学，而后者尤为重要。 1 1 1 2 生态环境与环境生态 生态包括环境，“生态环境”的说法是不科学和难以理解的，呵以牵强地理解为与生 命体最密切相关的环境。我国所谓的生态环境实际就是生态，准确地讲“生态环境建设” 应为“生态建设”p j 。生态修复是对生态系统的修复，故不能称为生态环境修复。环境虽 然是无机的，但完全从无机角度理解环境是不完整的。特别是自然环境，本身是生物体或 生物群体周围的整体状况，只有应用生态学原理研究、认识和理解环境，才能更有效地解 决环境问题，这就是环境生态学。环境生态作为概念不易理解，但环境生态学无疑是科学 的，它对生态恢复理论和技术的发展起到了直接的推动作用。 1 1 _ 1 3 生态工程 19 7 9 年我国生态学家马世骏尝试应用生物净化原理进行污水处理研究，并由此进一 步完善生态工程概念【4 j 。此后许多学者开展了这方面的研究，随着我国生态工程的发展， 逐渐形成了以生态学和社会经济学为支撑，通过人工规划、设计，建造或调控人工生态系 统的概念，脱开污染环境修复的束缚，进入农、林、牧、水等生产领域，从而出现农业生 态工程、林业生态工程、草地生态工程、水土保持生态工程等概念，由于涉及面极广，至 今尚未整合为能够应用于生产的完整工程技术体系。生态工程的实质内涵是人工设计与建 造生态系统，以充分发挥生态系统改善环境和发展经济的双重功能，而不是依靠生态系统 自我修复能力恢复生态系统【5j 。我国生态工程的特色符合人口众多、发展生产和经济的国 情，也得到了国外一些学者的认同，如美国生态工程的创始人o d u m 先生即认为从人口、 资源、环境协调发展角度考虑，将生态学应用于农、林、牧、水等领域，是我国生态工程 研究与实践的突出特点。 1 1 1 4 生态恢复与生态重建 生态恢复( e c o l o g i c a lr e s t o r a t i o n ) 是相对生态破坏而言的。生态破坏可理饵为生态 系统的结构发生变化、功能退化或丧失、关系紊乱1 7 j 。恢复( r e s t o r a t i o n ) 是一个具有概 括性的术语，它包含了修复( r e h a b i l i t a t i o n ) 、改造或改良( r e c l a m a t i o n ) 、更新 ( r e n e w a l ) 、和再植( r e v e g a t a t i o n ) 等含义略有不同的术语【8 】，这些术语从不同角度反映 了恢复与重建的基本意图。生态恢复泛指改良和重建被毁坏或被破坏的自然生态系统，恢 复其生物学潜力和益于重新利用1 9 】。国际权威杂志s c i e n c e 曾殴专栏讨论生态恢复在当今 生态学领域的发展、作用和前景，肯定了恢复生态学理论和实践在停止和恢复退化土地的 出现而伴随的生物多样性急剧下降的作用，认为生态恢复必将为人们提供如何组建生态群 落和认识生态系统功能的途径f ” 。 舒俭民等【l i 】认为，生态恢复最本质的目的就是恢复系统的重要功能并达到系统的自 维持状态。c a i r n s 珏j 等将生态恢复的概念定义为：恢复受损害生态系统到接近于它受干扰 前的自然状况的管理与操作过程，即重建该系统干扰前的结构与功能及有关的物理、化学 和生物学特征。按照美国生态恢复学会( s o c i e t yf o re c o l o g i c a lr e s t o r a t i o n ) 的详细定 义，生态恢复是帮助生态整体( e c o l o g i c a li n t e r i t y ) 恢复和管理的过程，生态整体包括 生物多样性、生态过程和结构、区域、历史的环境以及可持续的耕作实践等的临界变异范 围。然而，由于一方面系统干扰前的状态难以测定，另一方面也难以实现干扰前供系统正 常演替的各种基质条件，因此该定义还不够成熟。总结国内外对生态恢复的认识与定义， 其基本内涵可概括为：在人为辅助控制下，利用生态系统演替和自我恢复能力，使被扰动 和损害的生态系统( 土壤、植物和野生动物等) 恢复到接近于它受干扰前的自然状态，即重 建该系统干扰前的与结构功能有关的物理、化学和生物学特征。目前，国外的生态恢复研 究多集中在大型矿区、大型建筑场地、森林采伐迹地、受损湿地等方面，研究的焦点领域 是土壤、野生动植物及其生物多样性恢复。这与我国开发建设项目水土保持和工矿区生态 恢复与重建比较接近。 生态重建( e c o l o g i c a r e c o n s t r u c t i o n ) 是对被破坏的生态系统进行规划、设计，建 设生态工程，加强生态系统管理，维护和恢复其健康，创建和谐、高效的可持续发展环境 【6 】。美国生态重建学会将生态重建( 恢复) 定义为：将人类所破坏的( 生态系统) 恢复成具生 物多样性和动态平衡的本地生态系统( i n d i g e n o u se c o s y s t e m ) ，其实质是将人为破坏的区 域环境恢复或重建成一个与当地自然界相和谐的生态系统。由此可见，将生态恢复与生态 重建分离开来是完全没有必要的。 笔者认为，生态恢复和生态重建是有差别的，生态恢复更注重于恢复到以前的状态， 或者说未受伤害或完美的状态；而生态重建则更注重于根据废弃地目前的环境特点，人为 地设计一个与环境相适应的生态系统。但实际运作中，二者总是联系在一起的。在生态恢 复的过程中，尤其是在初始阶段，为了加快恢复的速度，有时不得不引进某些物种，在大 多数情况下，要完全地恢复到以前的状态是不现实的；而在生态重建的过程中，必须根据 当地的自然与社会经济条件，建立与当地环境相适应的生态系统。因此，生态重建中交叉 着部分的生态恢复过程。 1 1 2 生态恢复的相关理论 恢复生态学是生态学的应用性分支，是从生态系统层次考虑和解决问题，是社会经济 活动导致对退化生态系统、各类废弃地和废弃水域进行生态治理的科学技术基础。恢复生 态学应用了许多学科的理论，应用最多、最广泛的还是生态学理论。这些理论主要有：限 制性因子原理( 寻找生态系统恢复的关键因子) 、生态系统的结构理论、生态适应性原理( 尽 量采用乡土物种进行生态恢复) 、生态位原理( 合理安排生态系统中物种及其配置) 、演替 理论( 缩短恢复时间，极端退化的生态系统恢复时，演替理论不适用，但具指导作用) 、生 物多样性原理( 引进物种时强调生物多样性，生物多样性可能导致恢复的生态系统稳定) 、 斑块一廊道一基底理论( 从景观层次考虑生境破碎化和整体土地利用方式) 等1 1 4 7 1 。 】1 2 1 限制因子原理 生态因子是指环境中对生物生长、发育、生殖、行为和分布有直接或间接影响的环境 因素，如温度、湿度、食物、氧气、二氧化碳和其他相关生物等。生物的生存和繁殖依赖 于各种生态因子的综合作用，其中限制生物生存和繁殖的关键性因子就是限制因子。任何 一种生态因子只要接近或超过生物的耐受范围，它就会成为这种生物的限制因子。系统的 生态限制因子强烈地制约着系统的发展，在系统的发展过程中往往同时有多个因子起限制 作用，并且因子之间也存在相互作用。当一个生态系统被破坏之后，要进行恢复会遇到许 多因子的制约，如水分、土壤、温度、光照等，生态恢复工程就是从多方面进行生态环境 和生物种群的设计与改造。因此，在进行生态恢复时必须找出该关键因子，找准切入点， 才能进行恢复工作。 对边坡进行植被恢复时，应首先弄清这个地区的多年平均降雨量、热量、土壤、温度 等条件，找出生态恢复的限制因子。如岩质坡地绿化的限制因子是植物生长必需的土壤； 南方很多土质边坡的限制因子是土壤板结、酸度大；北方边坡的限制因子是缺水。针对这 些问题，设计不同的解决方案。 1 1 2 2 生态系统的结构理论 生态系统是由生物组分与环境组分组合而成的结构有序的系统，生态系统的结构指生 态系统中的组成成分及其在时间、空间上的分布和各组分间能量、物质、信息流的方式与 特点。具体来说，生态系统的结构包括三个方面，即物种结构、时空结构和营养结构。建 立合理的生态系统结构有利于提高系统的功能。合理的生态结构体现在生物群体与环境资 源组合之间的相互适应，能充分发挥资源的优势，并保护资源的持续利用。时空结构，应 能充分利用光、热、水、土资源，提高光能的利用率。营养结构，应实现生物物质和能量 的多极利用和转化，形成一个高效的、无废物的系统。物种结构方面，提倡物种多样性， 以有利于系统的稳定和持续发展。根据此结构理论，生态恢复工程中应采用多种生物物种， 实现物种之间的能量、物质和信息的流动。 因而，在恢复岩质边坡生态系统时，应尽快建立合理、完整的结构，如引进土壤微生 物菌肥( 分解者) ，引进开花结果植物，吸引动物( 消费者) 觅食和栖息，注意物种的代 际结构和不同植物的空间分布等。 1 1 2 3 生态适应性原理 在与环境的长期协同进化过程中，生物对生态环境产生了生态上的依赖，其生长发育 对环境就有所要求，即产生了对光、热、温、水、土等方面的依赖性，如果生态环境发生 明显变化，生物就不能较好的生长。因此，种植植物必须考虑其生态适应性，让最适宜的 植物生长在最适宜的环境中。生态恢复应该尽量使用当地物种，因为当地物种是经过长期 与环境协同进化而来的。 在进行边坡生态恢复的工程设计之前，要首先调查恢复区的野生植物资源以及自然生 长条件，如气候、土壤、光照、温度等，然后根据生态环境因子来选择适合的生物种类， 找出与当地环境相适宜物种，使生物种类与环境生态条件相适宜。尤其是中草药、食用菌、 牧草、野果、灌木等物种，也可根据物种特性改良土壤，达到有的放矢、有利于当地经济 的植被生态恢复。 1 l2 4 生态位理论 生态位可表述为：生物完成其正常生命周期所表现出的对特定因子的综合位置，即用 某一生物的每一个生态因子为一维，以生物对生态因子的综合适应性为指标构成的超几何 空问。在自然生态学中，主要指一个种群在时间、空间上的位置及其与相关种群之间的功 能关系。在恢复生态工程中，要避免引进生态位相同的物种，即尽可能使各物种的生态位 错开，避免种群之间的直接竞争，保证群落的稳定。 如在边坡生态恢复过程中，要避免引进生态位相同的物种，尽可能地使物种的生态位 错开，避免种间直接竞争，注意维持系统生物多样性，保证群体稳定，如边坡喷播绿化时， 应选择冷季型草与暖季型草搭配、灌木和草本结合使用。 1 1 2 5 生物群落演替理论 在自然条件下，原有植物群落遭到破坏后，还是能够恢复的，尽管恢复的时间有长有 短。先是先锋植物侵入遭到破坏的地方并定居和繁殖。先锋植物改善了被破坏地的生态环 境后，随着其他更适宜物种的生存和繁衍，先锋植物逐步被取代。如此渐进直到群落恢复 到它原来的面貌和物种成分为止。在遭到破坏的群落地点所发生的这一系列变化就是演 替。演替有原生演替和次生演替两种基本类型，发生哪一种类型的演替由演替过程开始时 的土壤条件所决定。无论是原生演替还是次生演替，都可以通过人为手段加以调控，从而 改变演替速度或方向。恢复生态工程是在生态建设服从于自然规律和社会需求的前提下， 在群落演替理论指导下，通过物理、化学、生物的技术手段，控制待恢复生态系统的演替 过程和发展方向，恢复或重建生态系统的结构和功能，并使系统达到自维持状态。 实际上，边坡生物群落是在不断演替的。自然状态下，土质边坡与岩质边坡的演替过 程和时间是不一样的。而在人工干预下，坡地生态恢复的顺序一般应为：先锋植物( 一般人 工选择草类植物) 一当地草种一灌木一乔木( 土层太薄不能演绎到乔木) 。对岩质边坡而言， 先锋植物的选择尤其重要，一般应选择根系发达、生长迅速的草类，同时考虑豆目植物和 菌肥的使用。 1 1 2 6 生物多样性原理 生物多样性指生命形式的多样化，各种生命形式之间及其与环境之间的多种相互作 用，以及各种生物群落、生态系统及其生境与生态过程的复杂性。一般来讲，生物多样性 包括遗传多样性、物种多样性、生态系统与景观多样性。生态恢复中的一个关键成分是生 物体，生物多样性在生态恢复计划、项目实施和评估过程中具有重要作用。在生态恢复的 计划阶段就要考虑恢复乡土种的生物多样性：在遗传层次上考虑那些温度适应型、土壤适 应型和抗干扰适应型的品种；在物种层次上，根据退化程度选择阳生性、中生性或阴生性 种类并合理搭配，同时考虑物种与生境的复杂关系，预测自然的变化，种群的遗传特性， 影响种群存活、繁殖和更新的因素，种的生态生物学特性，足够的生境大小；在生态系统 水平层次上，尽可能恢复生态系统的结构和功能( 如植物、动物和微生物及其之间的联系) ， 尤其是其时空变化。 生态恢复工程应最大限度地采取技术措施，如种植先锋植物、进行水肥管理等，还要 引进新的物种，配置好初始种类组成，以加快恢复与地带性生态系统相似的生态系统。 1 1 2 7 斑块一廊道一基底理论 从景观生态学的角度看，边坡是大基底背景下的斑块或廊道，对边坡进行生态恢复必 然受到基底的影响和制约。比如：森林基底旁的边坡一般易恢复成森林植被，草原基底旁 的边坡易恢复成草地；但在城镇基底或农田基底附近的边坡一般恢复很慢。原因是：森林 或草原基底拥有大量植物，这些植物的种子在风、水、动物等媒介的帮助下侵入边坡，加 速了边坡的生态恢复进程。而城镇基底或农田基底附近的边坡由于周围植物品种、数量少， 很少有植物种子侵入边坡，延缓了生态恢复进程。因此，对森林或草原附近的边坡进行绿 化时，先锋植物的种类要求可以放宽，物种可以单一化；而在植物资源稀少的地区进行边 坡绿化时，先锋植物的选择一定要慎重，种类应适当多些，搭配应满足上述原理的要求。 1 2 国内外岩质边坡生态恢复的研究进展 1 2 1 岩质边坡生态恢复的指导理论 近年来随着社会经济的发展，人们对工作、生活环境的要求越来越高，城市中原先为 获取建筑材料而开设的采石场、为筑路而开挖的裸岩边坡已经成为影响城市视觉景观和生 态环境的最大伤疤。露采矿山岩质边坡的生态恢复是矿区生态恢复的重点和难点，在尊重 自然、恢复自然的社会大趋势下，以何种生态恢复思想为指导，是关系到人与自然的可持 续发展的重要环节，也是衡量所采取的生态恢复技术科学与否的根本标准。 1 2 1 1 可持续发展理论 在过去的2 0 年里，几乎所有国家为实现可持续发展目标均立法或修改相关法律以减 少采矿的负面影响。联合国环境规划署在有关采矿业和矿山发展的可持续性问题上起着提 供指导、信息和政策咨询方面的特殊作用。近年来，许多国家的协会将环境、社会和经济 因素的一体化这一可持续发展的思想纳入其工作计划中，如澳大利亚矿物理事会已经审查 和扩充了澳大利亚环境管理的采掘工业法规；加拿大矿业协会已经开始了一个可持续的采 矿举措；欧洲矿业踟会制定了可持续发展的准则，并积极地参与了非能源采掘工业的主动 倡议和可持续发展e u 项目。 正是在可持续发展理论的指导下，各国对矿区生态恢复提出了更高要求：加强对采 矿前后生态资源的调查和研究。对野生动植物的种类，在采前采取积极的保护措施，采后 采取挽救措施。在进行重建时，使新建景观和周边景观和谐地融合在一起，并有较高的 经济、生态和美学价值。自然保护、物种保护和经济用途在景观生态重建过程中具有同 样重要的地位。为保护本地动物、植物物种而构建的生态空间，是生态恢复方案不可分割 的组成部分。除了农、林用地外，应构建自然保护区和自然保护优先区，使得物种的多样 性、基因资源得到保护和增多。生态恢复是对矿区采矿迹地状况的改善，环境的保护， 同时也为经济发展提供了基础。 1 2 1 2 生态演替理论 土地复垦是生态恢复的核心内容。澳大利亚矿山复垦界采用r e h a b i l i t a t i o n 一词， 其内涵是“必须使被扰动的土地恢复到预先设定的地表形式和生产力，创建条件，使场地 有一个新的可持续的不同用途的工艺过程”( w e s t o n ，1 9 8 5 ) 。我国将土地复垦定义为：“对 生产建设过程中，因挖损、塌陷、压占等造成破坏的土地，采取整治措施，使其恢复到 可供利用状态的活动( 国务院，1 9 8 8 年) ”。近年来，土地复垦基础理论研究在如下几个方 面取得了一些进展，包括采矿的空间规划和企业规划对土地复垦的指导作用：土地复垦与 采矿工艺的有机结合使采矿损失土地生产能力最小化；农、林复垦用地表土层的重构以及 土地生产力提高。 生态演替理论是矿区生态恢复理论的基础。从理论上说，只要不是在极端的条件下， 没有人为的破坏，经过一定的时间，植被总会按照自然的演替规律而慢慢恢复的，但通常 这个过程太漫长。生态演替理论以为，在退化生态系统中的植被恢复是恢复生态学的首要 工作，植被恢复是重建任何生物群落的第一步，它是以人工手段促进植被在短期内得以恢 复，即利用人工植被的方法改善和恢复生态系统。 1 2 1 3 景观生态学理论 随着社会生活水平的逐步提高，人们对娱乐休闲场所的需求急剧增加。与此相适应， 景观生态重建的目的也发生了改变。这使得进行土地复垦时，要考虑建立娱乐休闲场所， 以满足人们的要求。矿区开采虽然破坏了土地和地面景观，但景观生态重建为人们合理规 划土地用途，建立新景观提供了机会。因此，景观生态重建的理论研究更多地放在对地面 景观的重塑和休闲场所的建立上。景观学和景观建筑学的思想也被引入到景观生态重建 中，在对林地、水域及休闲用地建设时，既使其满足休闲用地的功能，如作为公园、运动 场地、露宿营地、研究和观察自然生态用地等，也顾及到美学方面的要求。其理论研究重 点为：景观规划；休闲场所的林地和水域的构建；人为景观的质量和其对娱乐休闲产业的 意义；娱乐休闲用地和矿区生态保护；娱乐休闲场地和自然保护区的协调统一；人为景观 与周边环境的融合和协调等。 1 2 1 4 高兹的生态重建理沧 高兹的生态重建是针对资本主义经济合理性来说的，强调的是经济生态重建，资本主 义经济合理性在于利润的最大化，结果导致生态平衡的破坏，这就要求限制经济合理性， 使生产更多地考虑生态问题。这里将其列为矿区生态恢复理论的目的在于提醒人们应转变 资源利用观念，使资源开发、生态环境与人类进步和谐统+ 。高弦认为，在资本主义条件 下，生态重建存在两种方向。一种是资本主义方向的生态重建，即通过生活的自然基础再 生产，使自己工业化并发展为一种有利可图的生态商业，像其他消费品工业一样遵从同样 的赢得规则。按照生产和利润最大化的要求，把生命的再生产、甚至人类生命的再生产工 业化，把胎儿和器官商品化，把遗传基因甚至人类的基因工具化；另一种方向是社会主义 方向的生态重建，即走生态社会主义现代化道路。此时投资不再以经济增长为目标，经济 合理性完全服从于生态合理性，并试图使两者成为一个东西。在此社会中，劳动和消费得 更少，但生活得更好。 高兹的生态重建既不同于所谓的环境主义，也不同于绿党的“非工业”乌托邦，具有 自身的特点，表现在以下两个方面：一、不局限于体制内保护环境，寻求新型的能保护环 境的社会制度；二、不否定工业文明，主张经济合理性服从于生态合理性。 1 2 2 岩质边坡人工生态恢复技术研究 由于水利、公路、铁路等大量基础工程的旅工开挖，形成了许多裸露土坡和岩质边 坡，使原有生态系统遭到破坏，导致严重的水土流失和生态环境失衡问题。一些工程使边 坡的生境完全破坏，靠自然演替恢复到原来的状态往往需要较长时间。近些年，各国陆 续开发了针对岩质边坡的绿化技术和方法，取得了较好的绿化效果、生态效益和社会效益。 1 2 2 1 地质灾害防治 矿山开采后往往形成陡峭的裸露边坡，导致生态系统在很长的间内部难以恢复。其中 一些高劈坡、深开挖地段，边坡的重力平衡受到严重破坏，导致滑坡或崩塌时有发生，不 仅破坏了生态环境，也使许多地方千疮百孔，损坏了自然景观。矿山的滑坡、崩塌突发性、 继发性强，历时短，治理难度大。据研究i l 水1 9 】，其治理方法主要分为两类，一是排水，提 高边坡的稳定性。主要有封堵裂缝、修筑截水沟、排水糟和排水暗沟，避免因水而增加滑 坡和崩塌体自重、降低滑动面的摩擦系数。二是改变滑坡、崩塌体的平衡条件。主要有削 坡减重压脚，放缓边坡、降低重心，修筑护坡、支撑挡护、锚固等来增强滑坡、崩塌体的 稳定性。瑞士采用的边坡防治技术s n s ( s a f f e t y n e t t i n g s y s t e m ) 柔性防护技术【2 ，分主 动防护系统和被动防护系统两大部分，其中被动防护系统为一种落石防护系统。 1 2 2 2 岩质边坡人工生态恢复技术 边坡生态恢复又叫“植物固坡”【2 lj 、“坡面生态工程”，国外定义为“用活的植物， 单独用植物或者植物与土木工程和非生命的植物材料相结合，以减轻坡面的不稳定性和侵 蚀”c 2 ，其途径与手段是利用植被进行坡面保护和侵蚀控制。目前，工程界更直观地把 它称为“生态护坡” 2 3 3 。据张毅功研究 2 4 3 ，种地锦 p a r t h e n o c s s u st r j c u s p i d a t a 可有 效防止片麻岩荒山和黄土沟坡的滑坡和崩塌。但单纯的植被护坡般只适用于土质较好、 坡度较低的土质边坡，对岩质边坡和较陡的边坡往往不适用。张金池和胡海波1 2 5 2 6 认为， 可通过生物工程等综合措施防止这些地质灾害，减轻水土流失，并提出了植被建设的途径 和方法。 由于岩石边坡本身具备相对比较好的稳定条件，通常都采用了大坡比的设计，致使边 坡较为陡峻，加之岩石边坡含水性和持水性较差，在这类边坡上进行生态的恢复难度很大。 在发达国家和地区，已普遍采用生物防护及生物与工程措施相结合的生态防护技术，而且 研究系统，技术先进【2 ”。例如，西欧及美国采用在崖面上挂轮胎，同时在轮胎中覆土来 恢复植被；而韩国则采用扎草棍( 固定在坡面上) 并覆土的办法解决裸岩复绿问题；由于 种子喷播法及植生带法只能实现人工草绿化，日本国内现在推崇与自然协调、能持续繁衍 的树林化方针，故多使用客土喷播法。目前，日本客土喷播绿化已开发二十多种施工方法， 技术曰趋完善，会员施工公司发展到几百家，被誉为“从种子到树林的再生技术口8 】”。客 土喷播法原是以高次团粒结构( s f 绿化施工法) 为基础，现已发展到混入粘着性植物纤维 的t g 绿化施工法及混入培养当地表土的职绿化施工法，以及从传统农业发展而来的加入 长3 5 c m 稻草作为覆盖料的- f 绿化施工法。日本的绿化施工使用机械或人工实施。机械 施工包括种子喷播法、客土喷播法、厚层基础材料喷播法、飞播绿化法等；人工旖工包括 植生带、网法、肥料袋法、植生土袋法等。另外，香港石质边坡生态恢复工程【2 9 j 近几年 应用较广泛，主要有植生吹咐法、型框吹咐法、植被混凝土喷射法、厚层基材分层喷射法、 客土袋液压喷播植草法。 国内有关这方面研究起步较晚，常用的方法有客土喷播复绿、穴植灌木、种植攀援和 悬垂藤本植物等。其中客土喷播绿化技术主要是借鉴国外特别是日本的施工方法，还未形 成适宜我国国情的统一施工体系。每一个施工单位都各有各的施工方法，都各有各的基材 配比。如北京承诺环境生态工程科技有限公司与中国林业科学研究院、北京林业大学、清 华大学合作研究适的岩石边坡生态防护工程技术植生基质喷射技术 3 0 ，三峡大学开 发的植被混凝土绿化技术”【j 是近年来国内广泛出现的岩石边坡生态恢复技术。 在传统的护坡工程中，通常在坡上开筑截水沟：城面修筑排水沟同时采用干砌块石护 坡、浆砌块石护坡、三合土灰浆抹面护坡、挂网锚喷护坡、抗滑桩护坡等；坡下采取挡土 墙防护等，对边坡的处理主要是强调其强度功效，却往往忽视了其对环境的破坏。这些 技术难以恢复自然植被、不利于环境的可持续发展和生态平衡，而且在降雨强度高、岩土 易风化侵蚀破坏的地区，很难保证工程材料与边坡岩、土体的兼容性，工程结构很容易被 架空，从而导致滑坡。传统护坡方法由于造价高、护坡效果差等原因往往难以普遍采用。 生态护坡作为岩土工程与生态工程相结合的产物，它兼顾了防护与生态两方面的功效，是 一种很有效的护坡、固坡手段。从目前岩石边坡生态恢复的方法来看，根据基层形成的方 式和途径不同，主要有挂网喷播法、喷混植生法、草包堆筑法、平台种植法和格子梁法。 ( 1 ) 挂网喷播法 挂网喷播是目前使用最为广泛的生态护坡形式，主要是通过在开挖的岩石边坡表面 上，挂网形成基层附着层，再在其上栽种植被以达到生态的恢复。利用客土掺混粘结剂和 固网技术，使客土物料紧贴石质坡面，并通过有机物料的调配，使土壤固相、液相、气相 趋于平衡，创造草类与灌木能够生存的生态环境，以恢复石质坡面的生态功能。该技术适 用于花岗岩、紫砂岩、砂页岩、片麻岩、千枚岩、石灰岩等母岩类型所形成的不同坡度硬 质石坡面。其施工过程为：清理并平整坡面( 片石、碎石、杂物) 一一排水施工基层 处理( 含挂网和土壤的填固等) 高压机械喷种子盖无纺布喷灌水( 无水土流 失) 前中后期养护。 这种方法的特点是适宜性比较强，可以适用于陡边坡甚至直立边坡，工程措施相对简 单。但也存在显著的缺点，就是由于基层的厚度较薄，持水性不好，营养成分难以留存， 很难形成植被长期生长所需要的能自我调节的生态环境，因此养护的成本高，不便于管理， 尤以降雨不充沛的地区或是在少雨的季节为甚；另外，当遇到高强度降雨时，易于导致基 层的冲刷、流失。 ( 2 ) 喷混植生法 喷混植生技术，是在岩质坡面上营造一个既能让植物生长发育的种植基质又不被冲刷 的多孔稳定结构。它利用特制喷混机械将土壤、肥料、有机质