巖質邊坡生態修復噴播基質配比研究進展

［關鍵詞］ 巖質邊坡；生態修復；噴播；基質；配比

［摘要］ 近年來，隨著各類生產建設活動在山丘區的開展，不可避免地形成了相當數量的巖質邊坡。隨著“金山銀山就是綠水青山”等觀念的深入人心，人們的環保意識逐漸增強，巖質邊坡的生態修復技術已成為工程建設技術的重要組成部分。分析總結了近年來巖質邊坡生態修復中基質的選擇和配比，并提出了該領域有待深入研究的方向。

［中圖分類號］ S157[文獻標識碼] ADOI：10.3969/j.issn.1000-0941.2024.04.012

［引用格式］ 張玉良，李悅銘，耿紹波.巖質邊坡生態修復噴播基質配比研究進展[J].中國水土保持，2024（4）：41-45.

近年來，我國經濟發展較快，公路、鐵路、電力、能源開發、礦產開采等各行業的開發建設活動迅速開展，尤其是在山丘區的建設，勢必會產生較多的巖質邊坡，在破壞生態環境的同時，也極易造成崩塌、滑坡和泥石流等自然災害。隨著“綠水青山就是金山銀山”等觀念逐漸深入人心，人們對生態環境的要求逐年提升，傳統的混凝土類護坡已滿足不了現階段人們對生態環境的追求，在這種大環境下，巖質邊坡的生態護坡技術不斷突破，其中噴播類護坡技術適應性不斷增強，對各種坡度和高度的巖質邊坡均能提供較好的解決方案，在生產建設項目中得到了良好的應用和推廣[1]。影響巖質邊坡噴播類生態修復技術最重要的因素是噴播所用的基質，其是通過相關技術在巖質邊坡上再造的一層“土壤”，是保證巖質邊坡植物生長、演替的物質基礎[2]。基質材料的組成一般為土壤、黏合劑（水泥等）、肥料（化肥、有機肥等）、保水劑、纖維素及其他類型的添加劑，將上述材料按一定比例混合，通過高壓噴射設備噴覆于巖質邊坡，形成穩定的物理結構，從而為植物生長提供適宜的養分和水分。基質配方的研究是噴播類生態修復技術成敗的關鍵技術問題[3]，其基質材料各成分配比合理與否關系著整個護坡生態修復技術的成敗[4]。因此，研究基質配比，創造良好的基質配方，對巖質邊坡生態恢復技術具有重要的理論意義和現實意義。筆者從土壤、有機質、黏合劑、化學肥料、保水劑、纖維材料及其他添加劑等方面系統分析和總結近年來的研究成果，以期為巖質邊坡生態修復工作的開展提供理論基礎和參考。

1土壤土壤作為普通條件下植被生長和演替的基礎，在噴播類基質材料中同樣占有重要的地位。噴播類基質材料對土壤類型沒有特殊的要求，工程附近的土壤均可，但以壤土為宜，能更好地提升噴播基質的各項性能。例如，邵蔚等[5]在合肥地區選擇當地壤土，通過厚層基質噴播技術對礦山開采形成的巖質邊坡進行了恢復；徐華等[6]、李天斌等［7］針對四川高寒地區的巖質邊坡，采用JYC生態基材技術開展綠化研究，也是選用了工程附近的壤土進行基質的配比；李少麗等[8]則是利用工程附近的砂壤土進行了巖質邊坡的生態修復試驗。同時，也有學者利用黏土進行基材的配比，例如劉大翔等[9]、李準等［10］均利用工程附近的黏土完成了植被混凝土基材的配置。不同的土壤類型對基材的性能影響也有所不同。周明濤等[11]研究了植被混凝土生態基材的凍融效應，發現利用黏土配置的植被混凝土融沉系數大，產生這種現象的原因主要是黏土顆粒較小，表面能高，空間結構性更強，壓實空間更大，而砂土之間主要靠顆粒間的支撐作用，不易被壓實。有學者發現，利用黏土配制的噴播基質具有較高的肥效，黃俊等[12]分析主要是因為黏土自身的肥效較砂土高，其次是因為黏土保水保肥性較好，肥料不易流失。也有學者對非土壤類物質作為噴播基質的配比進行了研究，例如馬朋坤等[13]通過研究發現，鐵尾礦可以代替土壤，作為植被混凝土類噴播基質的基礎材料，此種技術可以有效減少土壤的使用，從而降低生態修復成本，同時還能提高尾礦的利用率，減少尾礦的排放；還有學者對采石場渣土進行了研究，例如鄧川等[14]運用粒徑為0～10 mm的采石場渣土，通過加入一定比例的黏合劑和保水劑，配制成噴播類基質，可有效減少渣土的存放量。

2有機質有機質的作用主要是可使噴播類基質形成多孔體和團聚體，從而能較好地保持水分和養分，有利于植被生長。同時，團聚體結構還能有效抵抗水力侵蝕，防止基材被降雨匯水侵蝕。目前噴播類基質常用的有機質主要有堆肥、泥炭、蘑菇肥等，另外也可將新鮮有機物料（糠殼、鋸木屑、稻殼）的粉碎物進行發酵處理后，作為噴播類基質的配比材料[8]。雖然基質中配比一定量的有機質能有效促進植物生長，但是有機質含量與基質強度成反比，所以基質中的有機質含量也有一定的限值，并非越多越好[9]。合理的基質材料配比，要充分考慮其對基質力學性能的影響。周正軍等[15]發現有機質含量升高會導致基質強度的降低；劉大翔等[9]研究發現基質孔隙率并非隨著有機質含量的增加而持續增加，而是隨著有機質含量升高出現先增后降的過程，噴播基質中有機質含量為7%～9%是合理的范圍。不同的有機質材料對基質強度的影響也不盡相同。劉大翔等[9]研究了不同顆粒直徑的有機質對基質性能的影響，發現大粒徑材料能有效提升基質孔隙率，但不利于提高基質強度，所以建議對于大粒徑材料要充分研磨，降低其粒徑，以免降低其力學性能。張俊云等[16]研究了基質的水平收縮率和自由收縮率，發現有機質含量會影響基質收縮性，基質的收縮率與有機質含量成正相關關系。

3黏合劑基質中使用黏合劑，在增加基質強度的同時，也可以促進基質和巖面的黏結強度，從而有效避免水力侵蝕、風力侵蝕及凍融侵蝕的破壞，保證基質的穩固。目前水泥是各種噴播基質中最常用的黏合劑。水泥可以有效提高基質強度。羅陽明等[17]發現基質中加入水泥和高分子聚合物，可以有效提高基質的保水、保肥能力，主要是因為加入水泥和高分子聚合物能促進基質中土體團粒化的形成；周中等[18]利用正交試驗，發現水泥對基質的無側限抗壓強度影響最為顯著；黃俊等[12]通過現場工程試驗，發現水泥在后期能顯著提升厚層基質強度，如果想增加其初期強度，則可通過在噴播前期摻入少量的化學黏合劑聚丙烯酰胺來實現。但水泥用量的增加，在增加基質強度的同時，也會對植物生長產生不利影響，如：肖衡林等[19]、張俊云等［20］發現基材中水泥含量越高，植物生長狀況越差，并且肖衡林等[19]通過進一步研究發現，水泥含量影響植物生長的臨界值在10%（體積分數），水泥體積分數在10%以下植物可以正常生長，超過此值則會對植物生長產生不利影響；許陽[21]研究了不同水泥含量對植物萌發和生長的影響，發現當水泥含量低于8％（質量分數）時，會促進種子萌發和生長，高于8％時則會顯著抑制種子的萌發，所以認為8％的水泥含量最適合；王稷等[22]則發現不同植物對水泥含量的響應不同，當水泥含量在6%（質量分數）時冰草幼苗的各項生理生化特征最佳，當水泥含量為8%（質量分數）時垂穂披堿草幼苗的生理生化特征最佳。需要注意的是，以上水泥含量是不充分考慮邊坡穩定性的條件下得出的結果，在實際的巖質邊坡生態恢復工作中，應結合邊坡的穩定性需要，再適當調整水泥含量[21-22]。除水泥外，也有學者研究了其他高分子化合物作為黏合劑在噴播基材中的應用。黃俊等[12]研究了聚丙烯酰胺對基質的影響，發現其在初期可有效提高基質無側限抗壓強度，但在7 d后其對無側限抗壓強度則無明顯的提升； 張玉良等：巖質邊坡生態修復噴播基質配比研究進展李紹才等[23]研究發現，聚丙烯酰胺含量的增加可提高基質的抗侵蝕能力，并有利于植物生長，但其適宜用量為10 g/m2左右，超過后基質的抗侵蝕能力不會隨之增加；喻永祥等[24]發現聚氨酯有機高分子能有效提高基質的強度和抗沖刷能力，還可以有效促進植被種子的發芽與生長。但不是所有的高分子材料都會促進植被的發芽和生長，如李天斌等[7]研究發現，羧甲基纖維素鈉能有效提高基質強度，但會抑制植被的發芽率和植被的生長，為了消除這一弊端，將其與保水劑聚丙烯酰胺聯合使用，含量適當時，可消除其不利影響。

4化學肥料化學肥料有利于植物的生長，加入一定量的速效肥和緩釋氮肥，有利于植物生長前期和后期肥料的持續供應。劉慧等[25]研究表明，復合基材混合物中高摩爾比脲甲醛緩釋肥是影響邊坡植物長勢的主導因素，含水量超過3 000 mL/m2時成為次要影響因素。

5保水劑巖質邊坡噴播基質一般厚度都在10 cm左右，而巖質邊坡易反射輻射能量且不易透水，對噴播基材含水量的需求較高，因此適量添加保水劑在噴播類基材中顯得極為重要。保水劑不光能有效改善基質的保水性能，還能保溫、保肥、改善土壤結構、促進植物生長發育等，有效提高基質的各項性能。李紹才等[23]研究發現，適量的高吸水樹脂在巖石邊坡植被護坡中可以增加有效水含量和抑制蒸發，但是進一步研究后發現，保水劑含量過高會影響植物生長，其適宜用量在80 g/m2左右，另外還發現其保水能力隨著時間的延后會逐漸喪失。徐華等[6]、李天斌等［7］在對高寒高海拔地區巖質陡邊坡JYC生態基材護坡研究中也發現了相似的規律，即聚丙烯酰胺的含量在40 g/m2時可充分發揮其保水的能力，含量過高則會降低其保水抗旱性能，還會對基質強度產生影響。保水劑的粒徑不同，也會對基質保水性能產生影響。秦健坤等[26]發現大粒徑保水劑（1.0～2.0 mm）在使用量為0.50%時改善效果最好；紀冰祎等[27]則通過研究發現，粒徑大的保水劑（＞0.85 mm）對增強土壤持水和供水能力的持續性效果最優，而粒徑小的保水劑（0.30～0.45 mm）更利于促進土壤團聚體的形成，從而增強土壤結構的穩定性。

6纖維材料纖維材料可以增強基質各組分之間的膠結作用，提高基質強度，從而加強噴播基質的抗蝕性；另外，纖維材料還可避免基質過于密實而影響植物生長。工程上常用的纖維材料有秸稈、樹枝等。HARIANTO et al.[28]研究發現，植物纖維可有效改善植被混凝土基質的干縮性、抗拉性及抗剪性等。李紹才等[23]的研究結果也顯示，秸稈纖維可提高基質的抗剪強度，增加基質的穩定性，延緩基質失水收縮產生裂縫的時間，減小裂縫的寬度，降低坡面侵蝕產沙量，但其含量過高會產生不利影響，適宜用量為4 kg/m2。曹興松等[29]也發現隨著纖維絲含量增加，基質的力學性能不是持續增加，其黏聚力和內摩擦角呈先增大后減小的趨勢。梁永哲等[30]發現，在凍融作用下隨著纖維摻量的增加，黏聚力呈現先增加后減小的趨勢，而內摩擦角無明顯變化，合理的棕纖維與黃麻纖維組合摻量為0.6%+0.6%。部分學者發現木材纖維對噴播基質的改良要優于草本纖維。師海然[31]研究了木材纖維和草本纖維之間的區別，發現木材纖維的交織結構孔隙率大，保水性能更為優良，尤其適用于纖維型噴播基質。大坪政美等[32]將竹纖維加入基材中，發現可以有效地提高基材的抗侵蝕性。李映等[33]研究了木質素含量與基質抗剪強度之間的關系，發現木質素也可顯著增強基質的抗剪強度。大部分學者的研究結果都顯示纖維材料能有效改善基質的各項性能，但也有學者得出了不同的結果。高曉穎[34]研究發現，基質中一旦摻入秸稈，其抗剪強度會顯著降低；徐創軍等[35]認為，造成這種情況的原因可能是秸稈未經任何處理，通過向基質中添加預處理的秸稈，發現可有效提高客土的孔隙度及穩定性，而原始秸稈用量達到3 kg/m3后，會降低客土的抗剪強度；張亞麗等[36]也認為，經過預處理的秸稈可對土壤有明顯的改良作用。

7其他添加劑有學者研究了硅藻土和活化菌對基材的影響。高曉穎[34]發現，使用硅藻土作為基質改良材料可以有效提高邊坡穩定性，當用量在40%時，基質的抗剪強度最高，另外還發現硅藻土能有效提高基質的水分利用率。杜祥運等[37]開展了活化菌對基材的影響研究，發現活化菌劑可顯著改善植被混凝土的理化性質，當添加量為基礎質量的6%～9%時效果最好。

8研究展望1）巖質邊坡噴播基質的配比需要大量土壤，而土壤的大面積開挖會造成嚴重的環境破壞和水土流失，不能為了治理邊坡而破壞其他地方的環境。已有學者開展了土壤替換材料的研究，例如尾礦、污泥、粉煤灰、垃圾土、余渣等，上述材料的應用既能降低巖質邊坡生態治理成本，又能提高廢棄物利用率，還能減少對周邊環境的破壞，具有極強的應用價值。目前，利用上述固廢材料作為噴播基質材料，還應在其耐久性、抗蝕性，以及水分養分運移、流失等方面進行深入研究。2）噴播基質結構簡單且瘠薄，與巖質坡面的關聯性較差，而植物根須則是連接基質層和巖層的關鍵紐帶，對于維持基質層的穩定具有不可替代的作用，因此應對根系的錨固作用進行深入研究，繼續增加根系對巖質邊坡基質層的正效應。同時，也應看到腐爛根系對基質層的不利影響，如加快水分和養分的流失、降低基質整體的穩定性等，在這方面也應加強研究。3）巖質邊坡的生態修復技術經過近十幾年的發展，已有了相應的技術標準，如《混凝土基體植綠護坡技術標準》（JGJ/T 412—2017）。但是，目前的技術標準主要基于護坡基質材料的配比、護坡施工流程、護坡養護等，沒有充分考慮不同氣候條件、地理環境和生態環境對生態護坡的影響，而不同氣候條件、地理環境和生態環境必然會對護坡效果產生極大的影響。因此，應研究制定基于特定氣候、地理環境，尤其如高寒地區、半干旱地區及干熱河谷地區等立地條件較差地區的技術標準。

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