石灰岩质高陡边坡覆绿生态地质指标阈值研究

袁 磊，周建伟，温 冰，欧虹兵

(中国地质大学(武汉) a.环境学院；b.地质调查研究院，武汉 430074)

石灰岩质高陡边坡覆绿生态地质指标阈值研究

袁 磊a，周建伟a，温 冰b，欧虹兵a

(中国地质大学(武汉) a.环境学院；b.地质调查研究院，武汉 430074)

为探索高陡边坡植被重建所需的地下生境条件，依托生态地质学理论，以山东、河南地区石灰岩质高陡边坡为研究对象，通过对边坡上有植物生长的裂缝生境条件进行调查，测量壁面体裂隙率、裂隙的温湿度、隙缝中土壤肥分，并运用样地法统计石灰岩山坡植物根群圈的特征，归纳总结生态地质指标阈值。结果表明华北石灰岩质高陡边坡覆绿生态地质指标阈值包括：①岩体体裂隙率适应值范围为1.2‰～5%；②小乔木与灌木的根群圈深度为20～40 cm，此范围温湿度适应值分别为0～26 ℃，90%～100%，20～40 cm也即物种的地境稳定层；③土壤也需满足一定的肥分指标。连通性良好的裂隙网络、适宜并相对稳定的温湿度、一定的土壤肥分是石灰岩质边坡植被重建过程中的重要条件，保障了植物生长所需的稳定地境。

石灰岩质高陡边坡；覆绿；生态地质指标阈值；地境条件；体裂隙率

1 研究背景

长久以来，石灰岩的露天开采、水利水电工程和道路开挖等人类活动在促进经济发展和城市建设的同时，也产生了大量的裸露高陡岩质边坡。这不仅恶化生态环境，也严重影响了城市形象和居民生活质量。石灰岩质边坡因不具备植物生长所需的物质基础和环境，植被恢复十分困难[1-2]，从2012年起，全国各地陆续启动“矿山复绿”行动，石灰岩质高陡边坡的人工覆绿工作势在必行。

目前，针对石灰岩质高陡边坡的人工覆绿手段主要分为工程学和栽培学2类[3-5]，往往侧重于基质的再造而忽视对岩质边坡本身的应用，而岩质边坡本身的性质对植物生长有至关重要的作用。根据徐恒力等[6]提出的生态地质学理论，植物生长需要适宜的地下生境(简称地境)条件，包括生长空间、水分、肥分、盐分、有机质和温湿度等条件，良好的地境条件不仅适宜植物存活与长期生长，还有助于形成开放的生态环境系统[7]。

山东、河南等地广泛出露有寒武系与奥陶系巨厚层灰岩，石灰岩资源十分丰富，几十年来的开采形成了大量的裸露高陡岩质边坡。原始生态环境遭到严重破坏，边坡剥离面大多在20 m以上，且坡度陡(>70°)。边坡岩体研究区位于我国北方中纬度半湿润地区，属暖温带大陆性季风气候，纬度在34°N—37°N之间。

本文针对石灰岩质边坡，以济南燕翅山、章丘小东山、新乡凤凰山与宜阳锦屏山石灰岩采石场及自然生长有植物的边坡为例，归纳总结重塑植物生长地境条件时需要满足的生态地质指标阈值，为我国北方中纬度半湿润地区石灰岩质高陡边坡的人工覆绿提供借鉴和参考。

2 研究方法

2.1 生态地质指标的含义

李瑞敏等[8]提出了地质指标定义和内涵，在此基础上，本文选取反映植物生长地境条件及生长状况的生态地质参数作为生态地质指标，涉及到植物生长的发育条件、影响因素及其状态变化等。植物的种类、群落的结构及植物的生长状况都与地境的水土条件有着不可分割的关系，植物能否生长取决于地境中各因子状态的组合情况。

对于石灰岩质高陡边坡，生态地质指标是反映高陡岩壁上植物生长的地境条件及生长状况的生态地质参数，包括岩壁的裂隙发育状况(裂隙密度、裂隙宽度以及裂隙率)、岩壁内一定深度的温湿度条件以及岩壁隙缝内的土壤肥分条件[9]。一定的生态地质指标才可使得植物根群圈满足于存活的理化指标阈值之内，本文选取体裂隙率、隙缝中的温湿度及土壤肥分作为研究石灰岩高陡边坡人工覆绿的生态地质指标。

2.2 调查与测试方法

2.2.1 岩体体裂隙率测量

岩体体裂隙率是指单位体积岩体所包含的裂隙的总体积的比例。测量方法为选择合适的天然露头或人工露头，用折尺和塞尺测量单位岩体裂隙的长度、宽度、深度，计算各点的体裂隙率值。在测量范围上，由于风化裂隙与卸荷裂隙仅存在于岩体表面，其对于植物生长并没有实际意义，故本次主要选取构造裂隙与层面裂隙进行测量。此外，植物具有吸收水分养分功能的不是老龄的主根与侧根，而是幼根前端和根毛，根毛可以深入微小裂隙，本次岩体裂隙宽度测量下限为0.05 mm[10-11]。裂隙率取决于单位岩体内裂隙的长、宽和深，计算式为

(1)

式中：K体为体裂隙率；V为选择的岩体体积；Vi为第i组裂隙体积；n为裂隙组数。

2.2.2 裂隙温湿度测量

选取有植物生长的裂隙，将裂隙中土壤挖出，采用探针式温湿度计(型号为FR-HE815，分辨率为0.1，0.1%RH)立即测量岩壁不同深度裂隙中空气的温度和相对湿度，数据稳定后多次测量取平均值。孔穴深度为测量点与岩壁裸露面的垂直距离， 2015年8月份、2016年1月份各测量一次，最大限度内涵盖1 a的温度阈值。每次每个地区测量点数为20～30个点，每个点每10 cm深度测一组数据，每组数据重复测量5～6次，累计测量2 650次。

2.2.3 土壤肥分测试

对有植物生长的裂隙充填物进行取样，经风干、研磨过筛、送样，测试土壤肥分，共得到有效数据32组。

3 结果与分析

3.1 岩体体裂隙率指标分析

植物生长需要空间、透气性及水分。裂隙对石灰岩质高陡岩壁上植物生长的意义主要体现在3个方面：一定的生长空间、必要的透气性及充足的水分。岩体裂隙发育，不仅为植物根系生长提供延伸空间，也可为根系代谢提供有氧环境，构成一个开放系统；裂隙也更加有利于水分与养分的交换和迁移[12]。

济南市燕翅山共测量7个点，每个点多发育3组裂隙，每组裂隙有4～28条不等，隙宽为0.06 mm左右，最大0.2 cm，岩壁体裂隙率为1‰～2‰；章丘小东山共测量4个点，裂隙组数为4～5组，裂隙总条数为112条，岩体平均体裂隙率为7.3‰；新乡凤凰山共测量6个点，每个点4组裂隙，每组裂隙有3～28条不等，隙宽为0.08 mm左右，最大0.6 cm，岩体体裂隙率为1‰～4‰；宜阳锦屏山岩壁裂隙3～5组，隙宽为1 mm左右，最大1 cm，岩壁体裂隙率为3%～5%，4个地区共测量裂隙2 783条。

济南燕翅山、章丘小东山和新乡凤凰山石灰质高陡边坡的体裂隙率相近，宜阳锦屏山石灰岩质高陡边坡的体裂隙率远大于前三者，这是由于锦屏山恰好位于洛河大断层的破碎带处，裂隙发育。所选4个地区测量边坡上植物生长良好，可认为4个地区石灰岩质高陡边坡的裂隙满足边坡上特定植物生长的空间、透气性及水分需求。综上所述，归纳总结济南燕翅山、章丘小东山、新乡凤凰山及宜阳锦屏山石灰岩质高陡边坡岩体裂隙特征，见表1。

表1 山东、河南地区石灰岩质高陡边坡裂隙特征

在裂隙统计调查的过程中，对裂隙网络导水性、连通性与裂隙发育的优势方向进行了测量、试验与分析，结果表明多组数的节理裂隙形成了复杂的裂隙网络，为植物根系的生长提供了充足的空间，裂隙网络本身就具有导水和贮水的特性[13]。

以章丘小东山为例，图1(a)赤平投影图中标尺线表示壁面产状，细线表示节理裂隙产状。可以直观地看出：有一组层面裂隙倾向与岩壁坡面相反，有利于水分和土壤养分的截流。从图1(b)节理裂隙玫瑰花图上来看，测量区主要有2个方向的节理裂隙占优：一是倾向200°左右、倾角80°左右的近竖向裂缝，竖向裂缝是物质迁移转化的优势通道，保证了水分和养分从坡顶到坡体内部的迁移转化，加强了整个岩壁内在的联系；二是岩层层面裂隙，倾向20°左右，该层面裂隙即是与壁面坡向相反的裂隙，层面裂隙空间是天然条件下水分与肥分赋存的主要空间。

图1 赤平投影图和节理裂隙玫瑰花图Fig.1 Stereographic projection and rose diagram of joint fracture

3.2 岩体裂隙温湿度指标

土壤温度与湿度是决定植物根系生理状况的重要因素，同时影响着土壤微生物活性和根系的生长与活性，不利的土壤温湿度会对植物根系生长产生胁迫[14]。对于石灰岩质高陡岩壁，一定的温湿度条件下岩体中的气态水会凝结为液态水，为植物提供可供根系吸收的水分。所以，适宜的温湿度条件是植物能否正常生长的重要条件之一。因此，本文选取隙缝中的温湿度作为重建植物生长所需地下生境的生态地质指标。

整体上，温度表现出夏季随深度增加逐渐降低，冬季随深度增加逐渐升高的趋势，如图2所示。

图2 裂隙温度随深度变化曲线Fig.2 Variations of temperature of fracture with depth

这是季节不同，边坡岩石的热源和耗散面不同引起的。深度超过20 cm后，温度变化变缓。8月份温度在25～26 ℃之间(气温23.4～36.2 ℃)；1月份温度在0～2 ℃之间(气温-20～2 ℃)，呈现宏观稳定的状态。植物生长需要相对稳定的地下生境条件，岩石边坡内部20～50 cm的相对稳定范围为植物根群[6]提供了合适的温度。当然，20～50 cm深度的温度随着季节变化有渐变的特点，这种渐变过程可理解为多个宏观稳定态的更替。

夏秋相对湿度较高，多次测量表明岩石表层10 cm范围受大气环境影响显著，10 cm向内相对湿度逐渐升高，到20～30 cm深度时，岩质边坡裂隙相对湿度达到95%以上，并呈现稳定态势(图3(a))。冬季时则出现20～30 cm相对湿度达到峰值、其他位置则相对较低的规律(图3(b))。

图3 裂隙相对湿度随深度变化曲线Fig.3 Variations of relative humidity of fracture with depth

相对湿度的物理意义是空气实际水汽压与饱和水汽压的比值，夏季岩石内20 cm至深部都处于近饱和-饱和状态；而冬季则仅在20～30 cm处于饱和带。水汽达到饱和状态且有凝结核存在时，空气中水汽即会凝结，气态水转化为毛细水或结合水附着在岩土颗粒上，为植物根系提供水分。

图4 细根频率随深度分布Fig.4 Frequency distribution of fine roots vs. depth

从温度与相对湿度值来看，20～30 cm深度环境最适合植物根系生长，在地境处于宏观稳定态时，某一物种根群圈所在的特定地境深度范围称作物种的地境稳定层[6]。为研究温湿度的宏观稳定范围是否与植物根群圈范围一致，冯全洲等[15]在宜阳和章丘石灰岩山坡上采用样坑法来统计根系的分布情况，得到不同深度的细根频率分布曲线(图4)。

1#样坑总频率分布曲线在10 cm和30 cm处各有一个波峰，而2#样坑仅有一个波峰。结合植被样方调查，1#样坑附近草灌乔类植物均有分布，分析得0～20 cm为猪毛蒿(ArtemisiascopariaWaldst.etKit)、沙蒿(Artemisiadesertorum)、乱子草(MuhlenbergiahugeliiTrin)、狗尾草(MakinoSetariaviridisL.Beauv.)、荩草(ArthraxonhispidusThunb.)等草本植物的根群圈范围；第2个波峰20～40 cm为黄荆(VitexnegundoLinn.)、臭椿(Ailanthusaltissima)、侧柏(PlatycladusorientalisL.Franco)等灌木、乔木的植物的根群圈范围。而2#样坑仅在12 cm处出现一个峰值，结合植被样地调查，样地附近不存在乔灌木，0～30 cm为草本植物的根群圈范围。

我国中纬度地区草本植物的根群分布范围为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围略深，灌木为20～40 cm，乔木为30～60 cm。由于山坡土壤层厚度一般仅到30～40 cm，根群受到坚硬地层的胁迫效应使得乔木、灌木根群发育受到限制，本区域小乔木与灌木的根群圈地境稳定层深度范围标准为20～40 cm。所以，20～40 cm深度范围内温湿度的相对稳定和水汽的多少对于植物根系生长具有重要的意义。

综上所述，归纳总结山东、河南4个地区(凤凰山、锦屏山、燕翅山、小东山)石灰岩质高陡边坡隙缝中温湿度变化规律，得出4个地区石灰岩质高陡边坡温湿度特征(见表2)，即若石灰岩质高陡边坡隙缝中的温湿度条件符合该适应值特征，则该石灰岩质高陡边坡具备进行人工覆绿的温湿度条件。

表2 山东、河南地区石灰岩质高陡边坡隙缝中温湿度特征

3.3 裂隙中土壤肥分指标

石灰岩质高陡边坡隙缝中的土壤不仅为植物生长提供所需的空气、水分、温度，还为扎根于岩体裂隙中的植物提供必要的养分、微生物群落。因此，本文选取隙缝中的土壤肥分作为岩质边坡覆绿的生态地质指标。土壤肥分是土壤的养分针对特定植物的供应能力及其供应植物时的环境条件的综合体现，土壤肥力的高低取决于各因子的协调程度[16-17]。骆东奇等[16]认为，土壤肥分指标分为土壤化学指标、土壤物理指标、土壤生物学指标和土壤环境指标。

在本次研究中，土壤环境指标选取土壤pH；土壤化学指标选取全氮、全磷、全钾3项指标；土壤生物学指标选取微生物量碳、微生物量氮及土壤酶活性中的过氧化氢酶和多酚氧化酶。总共包括pH、全氮、全磷、全钾、微生物量碳、微生物量氮、过氧化氢酶和多酚氧化酶8项指标。

归纳总结4个地区石灰岩质高陡边坡隙缝中的土壤肥力特征，取4个地区各项肥分指标中的最小值和最大值，构成各项肥分指标的范围，得出石灰岩质高陡边坡隙缝中的各项土壤肥分指标，见表3。全氮、微生物量氮与过氧化氢酶三者两两在0.01水平上显著，表明三者相关性高，在监测时可以只选择其中一个指标；微生物量碳与全氮、微生物量氮和过氧化氢酶在0.05水平上显著，说明土壤中碳和氮也存在一定的相关性；其他指标相关性不高。

表3 山东、河南地区石灰岩质高陡边坡隙缝中的土壤肥分指标特征

4 结 论

(1) 济南、章丘、新乡及宜阳均具有北方中纬度半湿润地带的气候特征，因此，本文将所测得的岩体裂隙率、裂隙温湿度及裂隙土壤肥分阈值范围视为我国北方中纬度半湿润地区石灰岩质高陡边坡人工覆绿的生态地质指标适应值。其中岩体体裂隙率适应值范围为1.2‰～5%；20～40 cm深度范围温湿度适应值分别为0～26 ℃，90%～100%；土壤也需满足一定的肥分指标，全氮含量0.23～8.08 g/kg，全磷含量0.48～1.85 g/kg，全钾含量0.92～13.40 g/kg。

(2) 根据植物生长习性与河南、山东等地区植物地境结构的调查，本区域石灰岩质山坡小乔木与灌木的根群圈地境稳定层深度范围标准为20～40 cm。连通性良好的裂隙网络、适宜并且相对稳定的温湿度、一定的土壤肥分含量保障了植物生长所需的稳定地境。

[1] 杨悦舒, 夏振尧, 肖 海,等. 系统工程原理在边坡生态防护工程中的应用[J]. 长江科学院院报, 2013, 30(10):32-36.

[2] 刘中亮，郝岩松，万福绪.我国石质困难地植被恢复与重建[J].南京林业大学学报(自然科学版)，2010，34(2)：137-141.

[3] 杨悦舒, 夏振尧, 肖 海,等. 恢复生态学理论在水电工程扰动区边坡生态修复中的应用[J]. 长江科学院院报, 2015, 32(7):52-57.

[4] JIM C Y. Ecological and Landscape Rehabilitation of a Quarry Site in Hong Kong[J]. Restoration Ecology，2001，9(1)：85-94.

[5] 周 琼，许建新，秦永宏，等.黄石市岩质边坡生态修复综合技术应用探讨[J].中国水利，2011,(2)：36-38.

[6] 徐恒力，孙自永，马 瑞.植物地境及物种地境稳定层[J].地球科学——中国地质大学学报，2004，29(2)：239-246.

[7] 陈 刚，徐恒力，孙自永，等.太湖流域生态系统结构分析及其演化研究[M].北京：地质出版社，2008.

[8] 李瑞敏，鞠建华，王 轶，等.地质环境问题的地质指标体系框架及其构建方法[J].地质通报，2011，30(11)：1738-1743.

[9] 贾昊冉，宁立波，李 明，等.岩体裂隙的生态学意义研究：以河南省宜阳县锦屏山采石场为例[J].环境科学与技术，2014，37(9)：48-54.

[10]聂云鹏，陈洪松，王克林.土层浅薄地区植物水分来源研究方法[J].应用生态学报，2010，21(9)：2427-2433.

[11]ZWIENIECKI M A，NEWTON M. Roots Growing in Rock Fissures： Their Morphological Adaptation[J].Plant and Soil，1995，172(2)：181-187.

[12]DOBCHUK B S，BARBOUR S L，ZHOU J. Prediction of Water Vapor Movement Through Waste Rock[J].Journal of Geotechnical & Geoenvironmental Engineering，2014，130(3)：293-302.

[13]陈建余.非稳定饱和-非饱和渗流场数值计算关键技术及其应用研究[D].南京：河海大学，2003.

[14]韩广轩，周广胜，许振柱.中国农田生态系统土壤呼吸作用研究与展望[J].植物生态学报，2008，32(3)：719-733.

[15]冯全洲，徐恒力.土地复垦的覆土厚度及覆土基质确定[J].安徽农业科学，2009，37(25)：12091-12094.

[16]骆东奇，白 洁，谢德体.论土壤肥力评价指标和方法[J].土壤与环境，2002，11(2)：202-205.

[17]刘洪鹄, 赵玉明, 王秀颖,等. 土壤肥力评价方法探讨[J]. 长江科学院院报, 2008, 25(3):62-66.

(编辑：罗 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

国家自然科学基金项目(41572344)；济南市国土资源局科研资助项目(JNHZ-GK-2014-025)

袁 磊(1990-)，男，山东肥城人，硕士研究生，研究方向为岩质边坡生态修复技术，(电话)18064118030(电子信箱)3360874yl@163.com。

周建伟(1975-)，男，河南南阳人，副教授，博士，主要从事环境地质方面的研究工作，(电话)13507196575(电子信箱)jw.zhou@hotmail.com。

10.11988/ckyyb.20160307

2017,34(7):36-40

S718.53

A

1001-5485(2017)07-0036-05