袁 磊，周建偉，溫 冰，歐虹兵

(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) a.環(huán)境學(xué)院；b.地質(zhì)調(diào)查研究院，武漢 430074)

石灰?guī)r質(zhì)高陡邊坡覆綠生態(tài)地質(zhì)指標(biāo)閾值研究

袁 磊a，周建偉a，溫 冰b，歐虹兵a

(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) a.環(huán)境學(xué)院；b.地質(zhì)調(diào)查研究院，武漢 430074)

為探索高陡邊坡植被重建所需的地下生境條件，依托生態(tài)地質(zhì)學(xué)理論，以山東、河南地區(qū)石灰?guī)r質(zhì)高陡邊坡為研究對象，通過對邊坡上有植物生長的裂縫生境條件進(jìn)行調(diào)查，測量壁面體裂隙率、裂隙的溫濕度、隙縫中土壤肥分，并運用樣地法統(tǒng)計石灰?guī)r山坡植物根群圈的特征，歸納總結(jié)生態(tài)地質(zhì)指標(biāo)閾值。結(jié)果表明華北石灰?guī)r質(zhì)高陡邊坡覆綠生態(tài)地質(zhì)指標(biāo)閾值包括：①巖體體裂隙率適應(yīng)值范圍為1.2‰～5%；②小喬木與灌木的根群圈深度為20～40 cm，此范圍溫濕度適應(yīng)值分別為0～26 ℃，90%～100%，20～40 cm也即物種的地境穩(wěn)定層；③土壤也需滿足一定的肥分指標(biāo)。連通性良好的裂隙網(wǎng)絡(luò)、適宜并相對穩(wěn)定的溫濕度、一定的土壤肥分是石灰?guī)r質(zhì)邊坡植被重建過程中的重要條件，保障了植物生長所需的穩(wěn)定地境。

石灰?guī)r質(zhì)高陡邊坡；覆綠；生態(tài)地質(zhì)指標(biāo)閾值；地境條件；體裂隙率

1 研究背景

長久以來，石灰?guī)r的露天開采、水利水電工程和道路開挖等人類活動在促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市建設(shè)的同時，也產(chǎn)生了大量的裸露高陡巖質(zhì)邊坡。這不僅惡化生態(tài)環(huán)境，也嚴(yán)重影響了城市形象和居民生活質(zhì)量。石灰?guī)r質(zhì)邊坡因不具備植物生長所需的物質(zhì)基礎(chǔ)和環(huán)境，植被恢復(fù)十分困難[1-2]，從2012年起，全國各地陸續(xù)啟動“礦山復(fù)綠”行動，石灰?guī)r質(zhì)高陡邊坡的人工覆綠工作勢在必行。

目前，針對石灰?guī)r質(zhì)高陡邊坡的人工覆綠手段主要分為工程學(xué)和栽培學(xué)2類[3-5]，往往側(cè)重于基質(zhì)的再造而忽視對巖質(zhì)邊坡本身的應(yīng)用，而巖質(zhì)邊坡本身的性質(zhì)對植物生長有至關(guān)重要的作用。根據(jù)徐恒力等[6]提出的生態(tài)地質(zhì)學(xué)理論，植物生長需要適宜的地下生境(簡稱地境)條件，包括生長空間、水分、肥分、鹽分、有機(jī)質(zhì)和溫濕度等條件，良好的地境條件不僅適宜植物存活與長期生長，還有助于形成開放的生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)[7]。

山東、河南等地廣泛出露有寒武系與奧陶系巨厚層灰?guī)r，石灰?guī)r資源十分豐富，幾十年來的開采形成了大量的裸露高陡巖質(zhì)邊坡。原始生態(tài)環(huán)境遭到嚴(yán)重破壞，邊坡剝離面大多在20 m以上，且坡度陡(>70°)。邊坡巖體研究區(qū)位于我國北方中緯度半濕潤地區(qū)，屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，緯度在34°N—37°N之間。

本文針對石灰?guī)r質(zhì)邊坡，以濟(jì)南燕翅山、章丘小東山、新鄉(xiāng)鳳凰山與宜陽錦屏山石灰?guī)r采石場及自然生長有植物的邊坡為例，歸納總結(jié)重塑植物生長地境條件時需要滿足的生態(tài)地質(zhì)指標(biāo)閾值，為我國北方中緯度半濕潤地區(qū)石灰?guī)r質(zhì)高陡邊坡的人工覆綠提供借鑒和參考。

2 研究方法

2.1 生態(tài)地質(zhì)指標(biāo)的含義

李瑞敏等[8]提出了地質(zhì)指標(biāo)定義和內(nèi)涵，在此基礎(chǔ)上，本文選取反映植物生長地境條件及生長狀況的生態(tài)地質(zhì)參數(shù)作為生態(tài)地質(zhì)指標(biāo)，涉及到植物生長的發(fā)育條件、影響因素及其狀態(tài)變化等。植物的種類、群落的結(jié)構(gòu)及植物的生長狀況都與地境的水土條件有著不可分割的關(guān)系，植物能否生長取決于地境中各因子狀態(tài)的組合情況。

對于石灰?guī)r質(zhì)高陡邊坡，生態(tài)地質(zhì)指標(biāo)是反映高陡巖壁上植物生長的地境條件及生長狀況的生態(tài)地質(zhì)參數(shù)，包括巖壁的裂隙發(fā)育狀況(裂隙密度、裂隙寬度以及裂隙率)、巖壁內(nèi)一定深度的溫濕度條件以及巖壁隙縫內(nèi)的土壤肥分條件[9]。一定的生態(tài)地質(zhì)指標(biāo)才可使得植物根群圈滿足于存活的理化指標(biāo)閾值之內(nèi)，本文選取體裂隙率、隙縫中的溫濕度及土壤肥分作為研究石灰?guī)r高陡邊坡人工覆綠的生態(tài)地質(zhì)指標(biāo)。

2.2 調(diào)查與測試方法

2.2.1 巖體體裂隙率測量

巖體體裂隙率是指單位體積巖體所包含的裂隙的總體積的比例。測量方法為選擇合適的天然露頭或人工露頭，用折尺和塞尺測量單位巖體裂隙的長度、寬度、深度，計算各點的體裂隙率值。在測量范圍上，由于風(fēng)化裂隙與卸荷裂隙僅存在于巖體表面，其對于植物生長并沒有實際意義，故本次主要選取構(gòu)造裂隙與層面裂隙進(jìn)行測量。此外，植物具有吸收水分養(yǎng)分功能的不是老齡的主根與側(cè)根，而是幼根前端和根毛，根毛可以深入微小裂隙，本次巖體裂隙寬度測量下限為0.05 mm[10-11]。裂隙率取決于單位巖體內(nèi)裂隙的長、寬和深，計算式為

(1)

式中：K體為體裂隙率；V為選擇的巖體體積；Vi為第i組裂隙體積；n為裂隙組數(shù)。

2.2.2 裂隙溫濕度測量

選取有植物生長的裂隙，將裂隙中土壤挖出，采用探針式溫濕度計(型號為FR-HE815，分辨率為0.1，0.1%RH)立即測量巖壁不同深度裂隙中空氣的溫度和相對濕度，數(shù)據(jù)穩(wěn)定后多次測量取平均值?？籽ㄉ疃葹闇y量點與巖壁裸露面的垂直距離， 2015年8月份、2016年1月份各測量一次，最大限度內(nèi)涵蓋1 a的溫度閾值。每次每個地區(qū)測量點數(shù)為20～30個點，每個點每10 cm深度測一組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)重復(fù)測量5～6次，累計測量2 650次。

2.2.3 土壤肥分測試

對有植物生長的裂隙充填物進(jìn)行取樣，經(jīng)風(fēng)干、研磨過篩、送樣，測試土壤肥分，共得到有效數(shù)據(jù)32組。

3 結(jié)果與分析

3.1 巖體體裂隙率指標(biāo)分析

植物生長需要空間、透氣性及水分。裂隙對石灰?guī)r質(zhì)高陡巖壁上植物生長的意義主要體現(xiàn)在3個方面：一定的生長空間、必要的透氣性及充足的水分。巖體裂隙發(fā)育，不僅為植物根系生長提供延伸空間，也可為根系代謝提供有氧環(huán)境，構(gòu)成一個開放系統(tǒng)；裂隙也更加有利于水分與養(yǎng)分的交換和遷移[12]。

濟(jì)南市燕翅山共測量7個點，每個點多發(fā)育3組裂隙，每組裂隙有4～28條不等，隙寬為0.06 mm左右，最大0.2 cm，巖壁體裂隙率為1‰～2‰；章丘小東山共測量4個點，裂隙組數(shù)為4～5組，裂隙總條數(shù)為112條，巖體平均體裂隙率為7.3‰；新鄉(xiāng)鳳凰山共測量6個點，每個點4組裂隙，每組裂隙有3～28條不等，隙寬為0.08 mm左右，最大0.6 cm，巖體體裂隙率為1‰～4‰；宜陽錦屏山巖壁裂隙3～5組，隙寬為1 mm左右，最大1 cm，巖壁體裂隙率為3%～5%，4個地區(qū)共測量裂隙2 783條。

濟(jì)南燕翅山、章丘小東山和新鄉(xiāng)鳳凰山石灰質(zhì)高陡邊坡的體裂隙率相近，宜陽錦屏山石灰?guī)r質(zhì)高陡邊坡的體裂隙率遠(yuǎn)大于前三者，這是由于錦屏山恰好位于洛河大斷層的破碎帶處，裂隙發(fā)育。所選4個地區(qū)測量邊坡上植物生長良好，可認(rèn)為4個地區(qū)石灰?guī)r質(zhì)高陡邊坡的裂隙滿足邊坡上特定植物生長的空間、透氣性及水分需求。綜上所述，歸納總結(jié)濟(jì)南燕翅山、章丘小東山、新鄉(xiāng)鳳凰山及宜陽錦屏山石灰?guī)r質(zhì)高陡邊坡巖體裂隙特征，見表1。

表1 山東、河南地區(qū)石灰?guī)r質(zhì)高陡邊坡裂隙特征

在裂隙統(tǒng)計調(diào)查的過程中，對裂隙網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)水性、連通性與裂隙發(fā)育的優(yōu)勢方向進(jìn)行了測量、試驗與分析，結(jié)果表明多組數(shù)的節(jié)理裂隙形成了復(fù)雜的裂隙網(wǎng)絡(luò)，為植物根系的生長提供了充足的空間，裂隙網(wǎng)絡(luò)本身就具有導(dǎo)水和貯水的特性[13]。

以章丘小東山為例，圖1(a)赤平投影圖中標(biāo)尺線表示壁面產(chǎn)狀，細(xì)線表示節(jié)理裂隙產(chǎn)狀。可以直觀地看出：有一組層面裂隙傾向與巖壁坡面相反，有利于水分和土壤養(yǎng)分的截流。從圖1(b)節(jié)理裂隙玫瑰花圖上來看，測量區(qū)主要有2個方向的節(jié)理裂隙占優(yōu)：一是傾向200°左右、傾角80°左右的近豎向裂縫，豎向裂縫是物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化的優(yōu)勢通道，保證了水分和養(yǎng)分從坡頂?shù)狡麦w內(nèi)部的遷移轉(zhuǎn)化，加強(qiáng)了整個巖壁內(nèi)在的聯(lián)系；二是巖層層面裂隙，傾向20°左右，該層面裂隙即是與壁面坡向相反的裂隙，層面裂隙空間是天然條件下水分與肥分賦存的主要空間。

圖1 赤平投影圖和節(jié)理裂隙玫瑰花圖Fig.1 Stereographic projection and rose diagram of joint fracture

3.2 巖體裂隙溫濕度指標(biāo)

土壤溫度與濕度是決定植物根系生理狀況的重要因素，同時影響著土壤微生物活性和根系的生長與活性，不利的土壤溫濕度會對植物根系生長產(chǎn)生脅迫[14]。對于石灰?guī)r質(zhì)高陡巖壁，一定的溫濕度條件下巖體中的氣態(tài)水會凝結(jié)為液態(tài)水，為植物提供可供根系吸收的水分。所以，適宜的溫濕度條件是植物能否正常生長的重要條件之一。因此，本文選取隙縫中的溫濕度作為重建植物生長所需地下生境的生態(tài)地質(zhì)指標(biāo)。

整體上，溫度表現(xiàn)出夏季隨深度增加逐漸降低，冬季隨深度增加逐漸升高的趨勢，如圖2所示。

圖2 裂隙溫度隨深度變化曲線Fig.2 Variations of temperature of fracture with depth

這是季節(jié)不同，邊坡巖石的熱源和耗散面不同引起的。深度超過20 cm后，溫度變化變緩。8月份溫度在25～26 ℃之間(氣溫23.4～36.2 ℃)；1月份溫度在0～2 ℃之間(氣溫-20～2 ℃)，呈現(xiàn)宏觀穩(wěn)定的狀態(tài)。植物生長需要相對穩(wěn)定的地下生境條件，巖石邊坡內(nèi)部20～50 cm的相對穩(wěn)定范圍為植物根群[6]提供了合適的溫度。當(dāng)然，20～50 cm深度的溫度隨著季節(jié)變化有漸變的特點，這種漸變過程可理解為多個宏觀穩(wěn)定態(tài)的更替。

夏秋相對濕度較高，多次測量表明巖石表層10 cm范圍受大氣環(huán)境影響顯著，10 cm向內(nèi)相對濕度逐漸升高，到20～30 cm深度時，巖質(zhì)邊坡裂隙相對濕度達(dá)到95%以上，并呈現(xiàn)穩(wěn)定態(tài)勢(圖3(a))。冬季時則出現(xiàn)20～30 cm相對濕度達(dá)到峰值、其他位置則相對較低的規(guī)律(圖3(b))。

圖3 裂隙相對濕度隨深度變化曲線Fig.3 Variations of relative humidity of fracture with depth

相對濕度的物理意義是空氣實際水汽壓與飽和水汽壓的比值，夏季巖石內(nèi)20 cm至深部都處于近飽和-飽和狀態(tài)；而冬季則僅在20～30 cm處于飽和帶。水汽達(dá)到飽和狀態(tài)且有凝結(jié)核存在時，空氣中水汽即會凝結(jié)，氣態(tài)水轉(zhuǎn)化為毛細(xì)水或結(jié)合水附著在巖土顆粒上，為植物根系提供水分。

圖4 細(xì)根頻率隨深度分布Fig.4 Frequency distribution of fine roots vs. depth

從溫度與相對濕度值來看，20～30 cm深度環(huán)境最適合植物根系生長，在地境處于宏觀穩(wěn)定態(tài)時，某一物種根群圈所在的特定地境深度范圍稱作物種的地境穩(wěn)定層[6]。為研究溫濕度的宏觀穩(wěn)定范圍是否與植物根群圈范圍一致，馮全洲等[15]在宜陽和章丘石灰?guī)r山坡上采用樣坑法來統(tǒng)計根系的分布情況，得到不同深度的細(xì)根頻率分布曲線(圖4)。

1#樣坑總頻率分布曲線在10 cm和30 cm處各有一個波峰，而2#樣坑僅有一個波峰。結(jié)合植被樣方調(diào)查，1#樣坑附近草灌喬類植物均有分布，分析得0～20 cm為豬毛蒿(ArtemisiascopariaWaldst.etKit)、沙蒿(Artemisiadesertorum)、亂子草(MuhlenbergiahugeliiTrin)、狗尾草(MakinoSetariaviridisL.Beauv.)、藎草(ArthraxonhispidusThunb.)等草本植物的根群圈范圍；第2個波峰20～40 cm為黃荊(VitexnegundoLinn.)、臭椿(Ailanthusaltissima)、側(cè)柏(PlatycladusorientalisL.Franco)等灌木、喬木的植物的根群圈范圍。而2#樣坑僅在12 cm處出現(xiàn)一個峰值，結(jié)合植被樣地調(diào)查，樣地附近不存在喬灌木，0～30 cm為草本植物的根群圈范圍。

我國中緯度地區(qū)草本植物的根群分布范圍為10～30 cm[15]，其中多年生草本植物比一年生草本植物根群分布范圍略深，灌木為20～40 cm，喬木為30～60 cm。由于山坡土壤層厚度一般僅到30～40 cm，根群受到堅硬地層的脅迫效應(yīng)使得喬木、灌木根群發(fā)育受到限制，本區(qū)域小喬木與灌木的根群圈地境穩(wěn)定層深度范圍標(biāo)準(zhǔn)為20～40 cm。所以，20～40 cm深度范圍內(nèi)溫濕度的相對穩(wěn)定和水汽的多少對于植物根系生長具有重要的意義。

綜上所述，歸納總結(jié)山東、河南4個地區(qū)(鳳凰山、錦屏山、燕翅山、小東山)石灰?guī)r質(zhì)高陡邊坡隙縫中溫濕度變化規(guī)律，得出4個地區(qū)石灰?guī)r質(zhì)高陡邊坡溫濕度特征(見表2)，即若石灰?guī)r質(zhì)高陡邊坡隙縫中的溫濕度條件符合該適應(yīng)值特征，則該石灰?guī)r質(zhì)高陡邊坡具備進(jìn)行人工覆綠的溫濕度條件。

表2 山東、河南地區(qū)石灰?guī)r質(zhì)高陡邊坡隙縫中溫濕度特征

3.3 裂隙中土壤肥分指標(biāo)

石灰?guī)r質(zhì)高陡邊坡隙縫中的土壤不僅為植物生長提供所需的空氣、水分、溫度，還為扎根于巖體裂隙中的植物提供必要的養(yǎng)分、微生物群落。因此，本文選取隙縫中的土壤肥分作為巖質(zhì)邊坡覆綠的生態(tài)地質(zhì)指標(biāo)。土壤肥分是土壤的養(yǎng)分針對特定植物的供應(yīng)能力及其供應(yīng)植物時的環(huán)境條件的綜合體現(xiàn)，土壤肥力的高低取決于各因子的協(xié)調(diào)程度[16-17]。駱東奇等[16]認(rèn)為，土壤肥分指標(biāo)分為土壤化學(xué)指標(biāo)、土壤物理指標(biāo)、土壤生物學(xué)指標(biāo)和土壤環(huán)境指標(biāo)。

在本次研究中，土壤環(huán)境指標(biāo)選取土壤pH；土壤化學(xué)指標(biāo)選取全氮、全磷、全鉀3項指標(biāo)；土壤生物學(xué)指標(biāo)選取微生物量碳、微生物量氮及土壤酶活性中的過氧化氫酶和多酚氧化酶?？偣舶╬H、全氮、全磷、全鉀、微生物量碳、微生物量氮、過氧化氫酶和多酚氧化酶8項指標(biāo)。

歸納總結(jié)4個地區(qū)石灰?guī)r質(zhì)高陡邊坡隙縫中的土壤肥力特征，取4個地區(qū)各項肥分指標(biāo)中的最小值和最大值，構(gòu)成各項肥分指標(biāo)的范圍，得出石灰?guī)r質(zhì)高陡邊坡隙縫中的各項土壤肥分指標(biāo)，見表3。全氮、微生物量氮與過氧化氫酶三者兩兩在0.01水平上顯著，表明三者相關(guān)性高，在監(jiān)測時可以只選擇其中一個指標(biāo)；微生物量碳與全氮、微生物量氮和過氧化氫酶在0.05水平上顯著，說明土壤中碳和氮也存在一定的相關(guān)性；其他指標(biāo)相關(guān)性不高。

表3 山東、河南地區(qū)石灰?guī)r質(zhì)高陡邊坡隙縫中的土壤肥分指標(biāo)特征

4 結(jié) 論

(1) 濟(jì)南、章丘、新鄉(xiāng)及宜陽均具有北方中緯度半濕潤地帶的氣候特征，因此，本文將所測得的巖體裂隙率、裂隙溫濕度及裂隙土壤肥分閾值范圍視為我國北方中緯度半濕潤地區(qū)石灰?guī)r質(zhì)高陡邊坡人工覆綠的生態(tài)地質(zhì)指標(biāo)適應(yīng)值。其中巖體體裂隙率適應(yīng)值范圍為1.2‰～5%；20～40 cm深度范圍溫濕度適應(yīng)值分別為0～26 ℃，90%～100%；土壤也需滿足一定的肥分指標(biāo)，全氮含量0.23～8.08 g/kg，全磷含量0.48～1.85 g/kg，全鉀含量0.92～13.40 g/kg。

(2) 根據(jù)植物生長習(xí)性與河南、山東等地區(qū)植物地境結(jié)構(gòu)的調(diào)查，本區(qū)域石灰?guī)r質(zhì)山坡小喬木與灌木的根群圈地境穩(wěn)定層深度范圍標(biāo)準(zhǔn)為20～40 cm。連通性良好的裂隙網(wǎng)絡(luò)、適宜并且相對穩(wěn)定的溫濕度、一定的土壤肥分含量保障了植物生長所需的穩(wěn)定地境。

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(編輯：羅 娟)

Threshold of Ecological Geo-indicators of Green Coating onHigh-steep Slope of Limestone

YUAN Lei1，ZHOU Jian-wei1，WEN Bing2，OU Hong-bing1

(1.School of Environmental Studies，China University of Geosciences，Wuhan 430074，China；2.Institue of Geological Survey and Research，China University of Geosciences，Wuhan 430074，China)

In the aim of exploring the underground habitat conditions for vegetation reconstruction of high and steep slopes, we investigated the habitat conditions of fractures where plants grow by measuring body fracture rate, temperature and humidity of fractures, and soil fertility in the fractures. Furthermore, we summarized the threshold of ecological geo-indicators through statistics of root mass of plants in limestone slopes by using sampling land method. The high-steep slopes of limestone in Shandong and Henan Regions were taken as research objects. Results revealed that the thresholds of ecological geo-indicators of green coating of high-steep slopes of limestone in North China include: 1) the adaptive range of body fracture rate of rock is 1.2‰～5%; 2)the root mass depth of small arbor and shrub is 20～40 cm which is the stable layer of plant species in underground habitat and the thresholds of adaptable temperature and humidity are 0～26 ℃, 90%～100%， respectively; 3) the soil also needs to meet certain fertility standards. Connected fracture network， adaptable and relatively stable temperature and humidity，given soil nutrient are important elements in the process of vegetation reconstruction of the limestone slopes，guaranteeing the stable underground habit needed for plant growth.

high-steep slope of limestone; green coating；threshold of ecological geo-indicator; condition of underground habit; body fracture rate

2016-04-05；

2016-06-23

國家自然科學(xué)基金項目(41572344)；濟(jì)南市國土資源局科研資助項目(JNHZ-GK-2014-025)

袁 磊(1990-)，男，山東肥城人，碩士研究生，研究方向為巖質(zhì)邊坡生態(tài)修復(fù)技術(shù)，(電話)18064118030(電子信箱)3360874yl@163.com。

周建偉(1975-)，男，河南南陽人，副教授，博士，主要從事環(huán)境地質(zhì)方面的研究工作，(電話)13507196575(電子信箱)jw.zhou@hotmail.com。

10.11988/ckyyb.20160307

2017,34(7):36-40

S718.53

A

1001-5485(2017)07-0036-05