中国南方基础工程建设中土壤生态修复技术体系与实践

我国现代化基础建设和城市化进程,促进了我国经济的快速发展。至2013年全国高速公路和高速铁路通车里程分别达到10.44×104km和1.3×104km,跃居世界第一。但国家重大工程施工,均是以牺牲土壤生态为代价的基础建设项目,破坏了土壤圈物质与生物循环,加剧了土壤侵蚀和地质夷平过程,因此土壤生态修复势在必行。本文综合15年的研发,重点阐述了高速公路、高速铁路和城镇化发展中国家重大工程建设所造成的土壤破坏特征,结合大量土壤生态修复工程实践,论述了道路创伤边坡、城市高陡岩石边坡土壤生态修复创新技术,为我国南方基础工程建设提供了侵蚀性土壤生态修复支撑技术体系。     

浅谈边坡生态修复中的土壤生态

边坡生态修复是一项复杂的工程,其中土壤条件是边坡生态修复的基础。本文从土壤环境作用和生物学作用的角度简述了土壤在边坡生态修复中的重要生态功能,以及在边坡生态修复工程中如何通过人工措施营造良好的土壤条件,以期提高在边坡生态修复工程中对土壤生态性的关注和维护。     

工程边坡生态修复目标与技术方法

工程边坡生态修复是工程建设项目生态修复的大难题,国家尚未提出针对工程边坡生态修复的目标要求,大量的工程边坡治理的技术目标主要是满足工程安全,未能从全面恢复生态功能的要求开展生态修复。根据生态文明建设和“碳达峰、碳中和”发展要求,结合大量工程实践提出：建设工程边坡治理应将安全、环保、生态三大目标统筹考虑;生态修复的目标不仅仅是绿化,而是按照生态学理论恢复和重建生态系统的基本功能;边坡生态功能修复的基本原则是安全优先、突出生态功能、注重景观、区域生态协调;基本途径是根据边坡的工程地质条件、气候环境条件及土壤条件,通过现代生态修复技术构建边坡植物立地条件,科学搭建边坡区域的植物群落,实现区域生态系统功能的修复。以修复边坡的森林生态功能为例,根据工程实践经验和国内相关研究成果,总结了边坡森林型生态系统重建模式和方法。     

雅砻江官地水电站生态护坡工程初期土壤肥力状况

以雅砻江官地水电站生态修复工程为例,对种植槽客土回填植草技术(ESS)和植被混凝土基材生态防护技术(CBS)在工程扰动区应用初期的土壤肥力状况进行了研究。通过选取4块具有一定代表性的生态恢复边坡样地及一块对照样地,对各样地的土壤肥力相关指标进行了测定,同时应用土壤标准综合级别法分析了土壤肥力的变化。结果表明,4块修复边坡样地土壤中有机质、全氮、全磷、速效氮、速效磷和速效钾含量均高于对照样地,同时土壤肥力水平亦显著高于对照边坡,其中右岸植被混凝土边坡肥力最高。说明生态护坡技术可有效改善官地水电站工程扰动区的土壤环境,其中以植被混凝土护坡技术效益最为显著。     

植物护坡及其生态效应研究

河道生态系统中的河岸侵蚀和滨水缓冲带建设倍受关注。以上海市浦东新区机场镇的生态河道示范工程为例,探讨了以生态修复和稳定坡岸为目标的植物护坡技术在生态河道坡岸修复中的应用及其生态效应。在不同河段分别采用了全系列生态护坡、土壤生物工程护坡和复合式生物稳定等3类植物护坡技术。通过对工程实施后3a（2004年～2006年）来的生态监测发现,护坡植物生长良好,新生枝叶和根系的护坡作用明显,土壤抗剪强度明显增加,河岸土壤侵蚀得到有效控制,坡岸的结构稳定性增强;同时河岸生境得到改善,本地植物快速恢复,生物多样性增加,河岸植物群落结构由单一结构向复杂结构转变,生态稳定性逐渐增强。生态河道的植物坡岸修复技术可以在我国各类岸坡的生态修复和边坡稳定中广泛运用。     

BS活性土壤生态修复技术的研究与应用——以河南省鲁山县矿山废弃地为例

以河南省鲁山县铁山岭铁矿废弃地生态修复工程为例,研发了针对矿山废弃地、高陡岩石边坡等特殊困难立地生态修复的BS活性土壤生态修复技术,详细探讨了该技术的原理、主要特点与功能,并通过监测工程实施后植被生长情况、基质与矿渣结构、养分变化和水土保持效果,对该技术进行了全面评价。     

植物护坡及其生态效应研究

河道生态系统中的河岸侵蚀和滨水缓冲带建设倍受关注。以上海市浦东新区机场镇的生态河道示范工程为例,探讨了以生态修复和稳定坡岸为目标的植物护坡技术在生态河道坡岸修复中的应用及其生态效应。在不同河段分别采用了全系列生态护坡、土壤生物工程护坡和复合式生物稳定等3类植物护坡技术。通过对工程实施后3a(2004年~2006年)来的生态监测发现,护坡植物生长良好,新生枝叶和根系的护坡作用明显,土壤抗剪强度明显增加,河岸土壤侵蚀得到有效控制,坡岸的结构稳定性增强;同时河岸生境得到改善,本地植物快速恢复,生物多样性增加,河岸植物群落结构由单一结构向复杂结构转变,生态稳定性逐渐增强。生态河道的植物坡岸修复技术可以在我国各类岸坡的生态修复和边坡稳定中广泛运用。     

青藏高原东北地区边坡恢复技术探讨

近年来高寒地区生态环境问题备受关注,青藏高原特殊的地理位置和气候条件,使其不仅影响周围区域的生态安全,还威胁到全国的生态安全。在介绍青藏高原东北地区不同的边坡类型,以及讨论边坡喷播技术、边坡水泥抹面技术、植生带护坡技术、生态草毯护坡技术、植被混凝土边坡防护技术的基础上,通过实地调研,对比分析得出,无土生态草毯护坡技术和植被混凝土边坡防护技术可以在气候环境比较恶劣的青藏高原东北地区快捷、有效地修复各类边坡。     

高速公路路域土壤的成因、特点及其生态管理

阐述了路域及路域土壤的含义、形成原因、特点,分析了公路建设对路域土壤的影响:一是使肥沃土壤损失,二是造成土壤侵蚀,三是使公路边坡不稳定,四是污染土壤。路域土壤是路域生态环境的一个组成要素,具有多种功能,必须加强生态管理:一是确保土层的稳定性,二是改良土壤质地和结构,三是活用原生表层土壤,四是构建稳定的植物群落,五是缓和严酷的气象条件。     

基于喷混植生的高陡岩质边坡生态修复新思路——以梧桐山道立交边坡为例

为使喷混植生技术广泛应用于高陡岩质边坡的生态修复并取得良好的生态和景观效果,以深圳市梧桐山道立交边坡为例,提出新的修复理念。根据当地边坡特点,采用工程护坡和生态护坡的科学结合,动态设计、动态施工,不断试验改进,按近自然、可持久的生态恢复新理念,设计了边坡排水系统、平台种植槽、生态复绿措施、滴灌措施,创新应用了V形槽+挂双层网喷混植生技术、滴灌系统、平台排水沟在种植槽外侧布设、先锋乔灌草种优化组合模式等技术。据竣工后7年的跟踪调查,高陡岩质边坡的水土流失得到有效控制,边坡生态环境和自然景观得到有效改善,生态修复效果良好。梧桐山道立交边坡生态修复的研究成果,可为我国华南地区高陡岩质边坡的生态修复提供参考。     

干热河谷生态修复模式及其效应——以中国科学院东川泥石流观测研究站为例

 金沙江干热河谷水土流失严重,滑坡、泥石流等山地灾害强烈,生态环境十分脆弱。以中国科学院东川泥石流观测研究站为研究区,根据立地条件和植物生物学特性,提出了荒坡地乔灌草恢复性生态修复模式和坡耕地农、林、牧开发性生态修复模式,并对生态修复效应进行了监测和调查。结果表明:通过生态修复,林草地地表径流量降为裸地的14.9%,泥沙流失量降为裸地的6.4%;修复灌草地稳渗率为0.58mm/min,裸地稳渗率为修复灌草地的62%,退化灌草丛地为修复灌草地的84%;植物品种由10余种发展到30多种,土壤种子库密度由300余粒/m2增加到1217～1450粒/m2,动物种类增加10多种;坡耕地产量从750～1500kg/hm2增加到4500～6000kg/hm2,人均年经济收入从200元增加到800～1000元。     

草灌乔结合是黄河上中游地区水保生态建设的好形式

草灌乔结合是水土保持植物措施的基本特征 ,符合黄河上中游地区的自然规律和经济规律 ,能发挥更强的防护功能 ,产生更好的经济效果。黄河上中游地区的水土保持生态建设 ,应本着种草起步、草灌先行、草灌乔结合的原则进行治理开发。草灌乔的结合应因时因地采用划管封育、草田轮作、林 (果 )草 (粮 )间作套种等多种适宜的形式 ,充分发挥其保持水土的巨大潜力     

草原工程侵蚀区植被恢复模式的水土保持效应

以内蒙古草原大型露天煤矿开采形成的人工再塑地貌为研究对象,针对水土流失特点,结合自然气候、立地条件等因素,以快速恢复工程侵蚀区受损植被、减少水土流失为目的,通过水土保持措施组合配置试验,研究草原工程侵蚀区人工再塑地貌不同植被恢复模式的水土保持效应。结果表明:人工再塑地貌平台植被恢复采用“栽植灌木+种草”的措施配置灌木保存率为85.4%,草本植物盖度76%,土壤风蚀量比其他样区减少30%~85%;边坡植被恢复采用“栽植灌木+种草”模式和“生物笆+灌木”模式植物盖度达60%以上,抗蚀保土能力较强;通过秩和比法进行综合效益评价,“生态袋+种草”和“栽植灌木+种草”两种模式在治理投资成本与水土保持效益方面结合较好,水土流失防控效果明显,可在草原工程侵蚀区人工再塑地貌边坡水土流失治理中优先应用。     

多阶梯边坡植被恢复技术在公路建设中的应用

以京承高速公路密云沙峪沟—市界段为例,介绍施工中采用的以客土喷播技术与基质喷附技术相结合的一种边坡植被恢复技术——多阶梯边坡植被恢复技术.该技术通过削坡机将陡坡修成一定高宽比的多阶梯状边坡,沿阶梯面铺设护坡网,将混有一定比例的植物种基质喷附在每一级坡面上;同时在各平台面客土进行乔灌木建植喷播等一系列施工流程,结合对坡面的养护管理,保证边坡的稳定性,提高植被恢复的成功率,达到坡面植被恢复与绿化的效果.多阶梯边坡植被恢复技术具有稳定边坡,减少水土流失,美化边坡环境等优点,可为同类边坡植被恢复施工提供参考.     

韩城市西山废弃采石矿山环境恢复治理的途径

[目的]探索废弃采石矿山生态环境恢复治理模式及治理成本,为陕西省韩城市西山一带其余废弃采石矿山和煤矿山的生态环境恢复治理提供借鉴。[方法]通过现场调查、勘探及室内试验,分析韩城市西塬废弃采石矿山的环境地质问题,即采石不稳定边坡地质结构及变形破坏特征与废弃渣石占用耕地及泥流等问题。[结果]提出采石不稳定边坡与废渣的工程治理及生态恢复治理方案。采石不稳定边坡选用削方压脚与坡面植被混凝土技术,植面的植被类型应耐旱、耐寒和耐贫瘠;废弃渣石以挖高填低与分级填筑压实,坡脚修筑挡墙,坡面覆盖土壤并栽植乔灌花草等进行环境恢复治理。[结论]研究区的采石不稳定边坡和矿区堆积废渣应采用"削高填低"的工程治理方案,坡面采用植被技术的生态环境恢复治理方案。     

北方土石山区生态修复与水源涵养研究进展与展望

生态文明建设与生态环境保护是人与自然和谐相处与和谐共生的必然要求,是实现经济社会可持续发展和人民群众对美好生态环境的现实需要、建设美丽中国的实际需要。针对太行山区生态系统严重退化、环境容量与承载力低下、基础设施薄弱、自然条件与资源禀赋较差、贫困程度较深等问题,中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心从20世纪80年代开始在太行山中段东坡的低山丘陵区进行生态修复与可持续发展的研究,通过30年的研究实践,提出并建立了较为完整的北方土石山区生态修复治理体系,为山区生态文明建设和生态环境保护,以及扶贫攻坚和社会经济可持续发展提供了经验与示范。本文通过30年研究历程回顾、研究与展望,总结了土石山区生态修复与水源涵养的进展与展望。太行山林业生态工程建设主要经历了3个阶段:一是研究初始阶段(1986—1996年),确定了退化山地生态系统恢复的途径与技术理论,建立了以水土富集为中心的林业生态工程。二是提升发展阶段(1997—2007年),这一阶段主要是研究了影响退化山地生态系统恢复与重建的关键因子与影响机制,并提出了有效的技术措施与解决方案。具体说来,在径流林业研究方面,研制出了太行山水土富集工程带间距计算公式;在降水资源转化与水分运移规律研究方面,明晰了岩土二元结构体的降水-土壤水-裂隙水的基本补给路径,揭示了岩土界面"优先流"与裂隙网络"优先流"的运行转化规律,阐明了浅层风化裂隙岩体渗流的动态变化特征及对植被耗水过程的响应关系;在降水资源调控利用研究方面,研制出了生物集雨新材料、营养调理剂和生物集雨面建造施工工艺。三是全面创新阶段(2008年—),重点探讨了山区生态产业开发与区域可持续发展问题,研发了经济林土壤扩蓄增容技术、石质山地困难立地造林技术、经济林生态隔离带调控技术、京津风沙源治理工程区沙产业开发技术,以及林下经济、循环经济、生态旅游等生态产业化技术体系。下一步将在目前研究的基础上,向人口密度较大、人类活动频繁的雄安新区上游山区扩展,重点开展以国土绿化、景观建设、水源涵养、水土流失治理、污染防治为主要内容的山水林田湖草一体化生态环境与气候变化监测,研究现代干扰条件下山地灌丛生态系统向森林生态系统的演替过程及主要驱动因素,山地水旱灾害形成机制、降水资源调控与水源涵养,以及以产业生态化和生态产业化为主体的山地生态经济体系,为构建结构稳定、功能完善的京津冀生态环境支撑体系与水源涵养功能体系提供科学依据和技术支撑,为山地生态系统经营管理,实现其生产、生态功能和系统稳定性提供科学参考。     

丘陵陡坡荒山灌木草丛及其造林地生态系统碳库的分配格局

植被恢复往往有利于提高生态系统的碳储量,但对南方丘陵陡坡荒山灌木草丛造林后如何影响生态系统碳库及其分配格局仍知之甚少。选取江西泰和典型丘陵陡坡(>25°)荒山灌木草丛和马尾松(Pinusmassoniana)造林19年后的林地为对象,开展上、中、下坡0～75cm土壤层和植物体碳储量的对比研究。结果表明,造林地土壤容重低于灌木草丛,土壤石砾含量与土壤碳含量和碳密度呈显著负相关,表明造林有利于改善土壤物理结构;石砾含量影响土壤碳积累。荒山灌木草丛和马尾松林土壤碳含量和碳密度均表现为随土壤加深呈下降的趋势(P<0.05),但上、中、下坡的变异规律不一致,且2种生态系统之间差异不显著。荒山灌木草丛和马尾松生态系统碳储量分别为52.85,111.31t/hm2,均表现为自上、中坡至下坡呈增加的趋势;灌木草丛和马尾松林中的植物体分别占生态系统碳储量的11.2%和59.5%。灌木草丛马尾松造林碳年均增汇3.08t/(hm2.a),林分生物量的积累是造林增汇的直接原因;推断种植耐瘠速生树种是提高困难立地造林碳增汇的有效途径。     

北疆引水干渠边坡生态恢复效果的调查与评价——以新疆克拉玛依市西干渠工程黄旗坝段为例

[目的]分析西干渠黄旗坝段边坡生态恢复效果,为调控植被演替速率和预期植被恢复效果提供依据。[方法]对渠道开挖造成的阴坡、阳坡和渠道边坡坡顶上的自然生境下对照样地的土壤、植被状况进行了调查和分析。[结果](1)经过生态恢复后的阴坡、阳坡植物的多度、盖度、均匀度指数Pielou、多样性指数Shannon-Wiener和丰富度指数Margalef均有所提高,阴坡高于阳坡,但仍低于自然生境下的水平。(2)在土壤氮、磷、钾养分特性方面,阴坡、阳坡的土壤氮、磷、钾养分均有所提高,但仍低于自然生境下的水平,呈现出自然生境阴坡阳坡的分布差异。(3)阴坡、阳坡经过生态恢复后植物群落指数仍偏低,群落演替仍处于灌草植物群落阶段。[结论]边坡生态恢复技术能改善西干渠地区边坡的土壤养分状况,促进边坡植被的生长,但鉴于西干渠地区特殊的环境条件,短时间内生态恢复措施效果尚不明显,需加大长期的修复力度。另外,北疆地区边坡生态恢复中植物的选择应以当地乡土植物为主。     

桐柏大别山区水土保持生态修复适宜性评价与分区

针对大区域生态修复工程建设亟待解决的生态修复适宜性区划问题,采用主导因子分级组合法及其专题图叠加分析法,对淮河流域桐柏大别山区生态修复的适宜性进行了评价与分区研究。(1)用地貌类型(海拔高度)、土地覆被类型和地面坡度3个主导因子构建了生态修复适宜性评价与分区指标体系,并对指标因子进行了分类(或分级)和区域划分;(2)按照实施封禁保育(促进生态自我恢复)措施的适宜程度,提出了"适宜"、"暂不适宜"和"不适宜"3个生态修复适宜性等级,评价和确定了不同区域的生态修复适宜性;(3)按照生态修复适宜性将桐柏大别山区划分为2个生态修复区、4个亚区和16个类型区,可为在桐柏大别山区全面开展水土保持生态修复工程提供科学依据及技术支撑。