曼大公路仙米自然保護區標段取土場邊坡生態修復措施

李 虎

(中鐵十六局集團第一工程有限公司, 北京 101300)

中國公路建設的主戰場已經西移，青藏高原及云貴高原是目前公路建設的熱點地區，一些公路甚至穿越了高原自然保護區。在高原自然保護區修建公路時，為了獲取路基填料，線路沿線須設置若干取土場。取土場開挖后，形成陡峭邊坡，坡面植被完全剝離，易發生滑坡和嚴重水土流失等災害，對自然保護區的生態環境構成嚴重威脅[1]。由于高原地區生態脆弱，年積溫低，植物生長周期較短，生產力低，新開挖的取土場邊坡自然修復緩慢，潛在地質災害威脅大，需要盡快進行人工干預以加快生態修復的進程。目前，關于高原自然保護區的生態修復工程的報道較少。印建文[2]對青藏鐵路唐南段邊坡進行鋪設草皮試驗研究，取得了草皮成活率95%以上的效果。孫宏義等[3]在陜北高原地區的榆林—靖邊高速公路邊坡開展了生態修復工程試驗，運用液壓噴播生態護坡技術顯著提高了邊坡抗風蝕能力(達到95%以上)，也提高了邊坡保水和抗水蝕性能。徐華等[4]在川西高寒高海拔地區鷓鴣山隧道巖質邊坡開展了JYC生態基材噴射試驗，結果表明生態基材具有良好的保水、保肥、耐旱抗凍及抗沖刷能力，能滿足植物生長要求，護坡效果較好。上述研究主要關注的是某一種生態修復技術在高原道路邊坡的應用，還沒有研究報道青藏高原自然保護區取土場邊坡系統修復的實踐。本文以穿越仙米國家森林公園自然保護區的國道569曼德拉至大通高速公路(簡稱曼大公路)NK-SG4標段4#取土場為例，系統介紹青藏高原仙米自然保護區受損生境生態修復的關鍵技術措施，為青藏高原自然保護區的鐵路、高速公路邊坡生態修復提供借鑒。

1 4#取土場氣候特點及地質概況

1.1 氣候特點

4#取土場所在地海北自治州門源縣位于祁連山系東端，隸屬于青藏高原地區，屬高原大陸性氣候，具有典型的日照時間長、太陽輻射強、溫差變化大以及春季多雪多風，夏季涼爽多雨，秋季溫和暫短，冬季寒冷漫長等高原寒溫濕潤性氣候特征。氣溫日較差11.6～17.5 ℃，年平均氣溫0.8 ℃，無絕對無霜期，降雪期一般為10月至第二年4月，凍土深度為183 cm。全年日照時數在2 440～3 140 h。年降水量300～500 mm，主要集中在7，8月，具有明顯的雨熱同季特點。

1.2 取土場地質、土壤、植被概況

4#取土場如圖1所示，位于曼大公路NK-SG4標段K64+500左側150 m，該地區山地面積占83.1%，盆地面積16.9%，海拔高度在3 200 m以上。土壤主要為高原草甸土，質地為粉砂質黏壤土。取土場左側為無植被土覆蓋的低矮土質邊坡，右側為高陡土質邊坡，邊坡高度達20 m，經機械開挖后的取土場邊坡坡率為1∶0.5，且表層植被土被完全破壞。公路沿線土壤含氮、鉀和有機質豐富，但缺磷較嚴重(也缺鐵和鈣)，pH稍偏堿性(表1)。取土場沿線的植被類型主要為高寒草甸，取土場周圍天然草地主要以禾本科牧草和莎草科牧草為主，如冷地早熟禾(Elymusdahuricus)、披堿草(Poacrymophila)、星星草(Puccinelliatenuiflora)、針茅(StipacapillataLinn)、蒿草(Kobresia)、黑褐苔草(Carexalrofusca)等關鍵物種，其次分布有金蓮花(TrolliuschinensisBunge)、乳白香青(Anaphalislactea)、矮火絨草(Leontopodiumnanum)等雜草。

圖1 曼大公路NK-SG4標段4#取土場

土壤pH值有機質/(g·kg-1)速效氮/(mg·kg-1)速效磷/(mg·kg-1)速效鉀/(mg·kg-1)質地取土場8.2124.44.3513.2244粉砂質黏壤

2 取土場生態修復的政策要求

青藏高原祁連山自然保護區是西北地區重要的生態安全屏障和中國生物多樣性保護優先區域，其生態保護與修復一直是國家和當地政府關注的焦點[5]。針對祁連山自然保護區的生態修復，國家與地方政府出臺了一系列規章制度，如《甘肅省加快轉型發展建設國家生態安全屏障綜合試驗區總體方案》及《祁連山生態環境保護與綜合治理項目規劃》等，這些規章制度對祁連山自然保護區的生態保護、草原和生態脆弱區生態修復、工程建設方面提出了嚴格的要求。尤其是對祁連山自然保護區內的礦山探采、水電站及旅游等項目的審批嚴格把控，對在建及正在使用的工程設施應建立嚴格的生態保護標準，確保其對環境造成的污染符合國家要求。遵照這些文件的精神，我們認為處在仙米國家森林自然保護區的取土場，在停止取土后，必須馬上進行生態修復，盡量避免發生嚴重水土流失。

3 取土場生態修復技術要點

為嚴格遵守相關生態環境保護政策，仙米自然保護路段建設需要嚴格控制施工開挖創面的水土保持，做好生態修復工作。作為大面積裸露的取土場，尤其要盡快恢復植被覆蓋，修復邊坡生態系統。邊坡生態修復是借助工程技術手段，在保證邊坡穩定和不發生嚴重水土流失的前提下，改變邊坡生態系統的演替方向和速度，通過快速在坡面建立先鋒植物群落，達到逐漸恢復自然環境的目的。它是一種集恢復生態學、土力學、土木工程施工技術及植物學等多學科交叉的綜合工程技術[6-7]。邊坡的穩定是坡面生態恢復的前提，只有邊坡不發生失穩破壞，生態修復才能順利實施[8]。同時，早期裸露取土場邊坡容易發生水土流失，后期如果植被生長不良，也會發生不同程度的水土流失。水土流失不僅影響取土場邊坡生態修復技術的運用，對整個取土場生態修復過程也有重要影響，直接關系到可持續生態修復的實現。因此減少邊坡的水土流失是生態修復的關鍵環節。

3.1 取土場穩定

為保證取土場開挖邊坡的穩定性，按實際地形采取三面削坡，每8 m高留一開挖平臺，平臺寬2 m，坡比為1∶0.75，開挖至取土場邊緣。需進行放坡時，從上至下分層刷坡，刷坡深度大于設計的0.5 m，盡快用0.5 m的改良土對整個邊坡進行覆蓋，最后對削坡后取土場進行穩定性分析，保證邊坡的穩定性良好。同時，在邊坡布置排水溝及急流槽等措施，減少雨水對邊坡的侵蝕，進一步保證邊坡的穩定。

3.2 水土保持措施

3.2.1 坡頂截水溝 取土場邊坡的邊坡上游匯水面積較大，為減少坡面上游順流而下的雨水，應在坡頂設置截排水溝。截水溝應設置于挖方邊坡坡口以外5 m的位置，截水溝兩邊設置為向內側傾斜2%的反坡，反坡周圍鋪上10 cm的改良土，然后在改良土上鋪草皮。草皮主要來源于施工初期路基上剝離的天然草皮。根據《公路排水設計規范(JTG/TD33-2012)》中的截水溝的水力計算公式得到梯形斷面底寬40 cm，高為40 cm滿足要求。

3.2.2 平臺排水溝 平臺上設置向內側傾斜2%的反坡，反坡周圍鋪上10 cm的改良土，然后在改良土上鋪草皮，最后在平臺與上級邊坡連接處設排水溝。根據《公路排水設計規范(JTG/TD33-2012)》中的排水溝的水力計算公式得到矩形斷面底寬為30 cm，深為30 cm滿足要求。

3.2.3 設置急流槽 坡頂及平臺排水溝距坡底較高，雨水從排水溝自然落下時流速較大，容易侵蝕坡底土壤，造成邊坡的破壞。為了使雨水能順利的排到邊坡外，應在取土場的兩側設置急流槽。急流槽上方與排水溝自然銜接，轉角處應設置成圓弧形，防止雨水因流速過大而脫離急流槽，急流槽底部應設置消力池，使雨水消耗部分動能，降低雨水流速。急流槽末端與地面排水溝連接，將雨水引入附近河流中。根據《公路排水設計手冊》中急流槽水力計算公式得到急流槽陡坡寬度為0.60 m，起點斷水深度為0.60 m，槽身正常水深為0.40 m及消能池高度設計為1.0 m，消力池長度為2.9 m滿足要求。

3.3 取土場生態修復技術

3.3.1 生態修復工法選擇 4#取土場表層土壤被完全破壞，生態修復時應該在坡面覆蓋種植土。對于緩坡且坡頂有道路的情況，覆蓋種植土的操作通常由施工機械直接從坡頂向下傾倒，然后人工整平；隨后在坡面播種。該方法即為“客土綠化法”。取土場左側低矮邊坡坡率較小，宜采用該法。右側高陡邊坡坡率較大，可考慮采用“客土噴播技術”，即先在坡面鋪設鍍鋅鐵絲網，再利用噴播機械將基質噴射到坡面上。

(1) 客土綠化法。在覆土前對取土場坡面上進行清理，保證坡面無浮石和污染物后，將表層土均勻的覆蓋在取土場表面，覆土厚度為28 cm。對坡面進行平整，使覆土厚度保持一致，然后在表層土上均勻的撒上植物種子，接著將2 cm后表層土覆蓋于種子層上，并適當壓實，最后在取土場表面覆蓋綠色防塵網和無紡布，在種子出苗前應多次補充水分，保持坪床濕潤。當種子全部出苗且達到一定的覆蓋度時，揭去無紡布，使植物自然生長。

(2) 客土噴播技術。清除取土場坡面的浮石浮根，使取土場坡面基本保持平整，對坡面凹陷處應及時用種植土進行填補，對坡面較光滑處做粗糙處理，使基質能穩定的附著在取土場坡面。然后在取土場坡面自上而下分段鋪設鍍鋅鐵絲網，鍍鋅鐵絲網在坡頂延伸50 cm埋入坡頂平臺中，并依次埋入下級平臺中，網片與網片之間的應進行搭接，搭接長度不應小于10 cm以上，并用扎絲間隔30 cm綁扎連接成整體。坡頂與鍍鋅鐵絲網搭接處用6 mm的U形鋼釘按50 cm等間距布置，取土場坡面其他位置按100 cm×100 cm的間距依次設置錨釘，使鍍鋅鐵絲網與坡面距離4～6 cm。將植物種子、改良土、有效肥、保水劑、黏合劑和水等充分攪拌，分兩次進行噴射到取土場邊坡上。首先噴射厚度為10 cm的基層(不含植物種子)，然后間隔一段時間后噴射2 cm厚含種子的種植層。噴播時應從上往下慢慢噴射，噴口距離坡面為0.8～1.0 m，盡可能讓噴口垂直于坡面，使噴層厚度保持均勻。施工完成后在取土場上覆蓋綠色防塵網后再鋪設一層無紡布，以減少雨水沖刷和保墑。定期對取土場進行灑水養護。施工中的土壤來自公路沿線剝離表土(在道路路基施工時，地表剝離的表土堆積在公路沿線，待取土場或路基邊坡生態修復需要用土時，就地使用。這不但避免了剝離表土棄土增加運費和水土流失，也避免了生態修復時再次取土和對耕地或林地表土的破壞，降低了生態修復的成本)。公路沿線表土缺磷嚴重(表1)，應對表層土進行改良。改良措施為：每平米土壤施加600～800 g的過磷酸鈣肥料，同時加入50 g的硫酸亞鐵。

3.3.2 植物選擇 取土場邊坡的植被恢復是整個生態修復技術中的關鍵。合理的植物種類及配比對邊坡生態修復中生態系統的穩定性及與周圍景觀一致性等具有重要影響[9-10]。4#取土場處于青海高原地區及仙米國家森林公園自然保護區境內。根據所在地區的氣候和當地植被特點，遵循生態學的生態位原理、生態適應性原理、生物多樣性原理及群落演替理論等采用植物品種搭配。具體的植物配置原則為： ①根據生態適應性原理選擇耐貧瘠、耐干旱、耐寒耐堿性及根系發達，同時蒸騰作用小的物種； ②根據生態位原理和生物多樣性原理選擇生態位不同的多種物種，在合理利用資源的同時增加修復坡面的層次感和景觀效應； ③根據群落演替理論選擇前期生長較快的草本植物作為先鋒植物，在較短時間內起到護坡固土的效果，為其他物種繁殖生長創造條件，使植物群落演替順利進行； ④考慮到所在區域畜牧業發達，故優先選擇品種優良的當地牧草型物種。因此，本項目物種選擇主要以草本植物為主，多種草種混播，適當加入豆科植物及十字花科的方案。每1 m2種子配置及用量詳見表2。

表2 護坡植物種類及用量

4 取土場恢復效果

本取土場2017年6月中旬停止取土，為避免發生水土流失，噴播及覆土于2017年6月底完成，施工期間天氣狀況良好。現場技術人員于2018年7月8日(距噴播時間1 a剛過)對現場恢復情況進行觀察。在這一年時間中，降雨天氣較多，早晚溫差較大，經歷13次中雨以上強度的降雨(最大降雨為2017年8月16日的46 mm，最大小時降雨量超過10 mm)。現場考察結果發現，雖然經歷過多次雨水沖刷，但排水溝結構保持完整，客土噴播區域的坡面基質基本完好，沒有發現因雨水沖刷而形成的沖溝和滑塌現象。植物根系及土壤牢固的結合在一起，很好地抑制了取土場的水土流失。取土場坡底沒有產生積水。而在客土綠化區域，早期雖有少量的水土流失，但隨著植物根系的生長，水土流失顯著減少。如圖2所示，經過1 年的時間，坡面種植的披堿草、冷地早熟禾、星星草、油菜花和豌豆等5種綠化植物均發芽生長。其中披堿草和草地早熟禾生長較快，能快速的覆蓋取土場表面，有效減弱了坡面水土流失。客土噴播生態修復區域植被長勢好，密度較大，植物覆蓋率達到85%(用數碼相機對隨機選取的小塊樣地拍照，以數碼相片為對象，利用Photoshop軟件處理，所選植被覆蓋像素值與整張相片像素值的比值就是植物覆蓋率)以上。長勢良好的油菜花和豌豆對取土場改善了取土場景觀效果。取土場低矮區域的客土綠化法植物生長平緩，坡面綠化不均勻，植物覆蓋率達到80%以上，也基本滿足取土場恢復要求。綜合來看取土場生態修復效果良好。

圖2 4#取土場恢復效果

5 結 論

針對高原自然保護區年積溫低、植物生長周期較短及地表植被生產能力低等特點，從邊坡生態修復的主要影響因素出發，總結取土場生態修復中的技術要點并采取相應的治理措施，形成了完整的取土場生態修復技術體系。施工效果表明，削坡后的取土場穩定性良好，坡面排水效果較好，坡面保持平整及無水土流失，坡面植物覆蓋率達到恢復要求。在施工時最大限度地利用剝離表土和當地其他資源，不僅降低了生態修復的成本，而且避免了獲取材料和資源對當地生態系統的破壞，實現了經濟效益和環境效益的最大化。