功果桥水电站位于云南省大理州云龙县旧州镇媳姑坝社, 地理位置为98° 52'-99° 46' E, 25° 28'-26° 23' N, 气候呈现旱雨季分明、雨热同季、干凉同季、冬春干旱的特点。治理区及其周边最低气温-8.5 ℃, 最高气温35.6 ℃, 多年平均气温17.8 ℃, 每年最冷月为1月, 平均气温7.6 ℃, 最热月为8月, 平均气温21.6 ℃, 多年平均最小、最大蒸发量分别为1 600和1 900 mm, 相对湿度75%左右; 气温年变化大于日变化, 年较差平均15.1 ℃, 日较差平均14.7 ℃。年平均降水量729.5 mm, 但降水量在时间和地区的分配上极不均衡, 全年降水多集中在6月-10月, 约占全年降水量的80%。东部、西部降水量偏少, 属少雨区; 东北部、西南部降水量偏多, 属多雨区, 特别是地处西南部的漕涧坝, 年平均降水量高达1 659.7 mm。周边有丰富的植物种群, 有暖性针叶林、常绿阔叶林、硬叶常绿阔叶林和杜鹃灌丛(Rhododendron dumicola Tagg et Forrest)等多种植被类型, 有高等植物170多种^[7]。

由坝后右岸边坡、观礼台上边坡及坝后左岸边坡3部分组成的工程施工区均由混凝土封闭, 坡面上无任何绿化(图1、2)。

1) 坝后右岸边坡:混凝土边坡, 呈梯形状, 坡脚长约200 m, 坡长约70 m, 坡度55° ~60° , 开挖形式基本为一坡到底型, 无马道, 面积约10 000 m²;

2)左岸观礼台上边坡:混凝土边坡, 三角形状, 坡脚长约100 m, 坡长约10 m, 坡度30° ~60° , 面积约10 000 m²;

3)坝后左岸边坡:混凝土边坡, 长方形状, 坡脚长约60 m, 坡长约50 m, 中间设马道, 面积约3 000 m²。

图1

Fig.1

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	图1 坝后右岸边坡Fig.1 The right bank slope behind the dam

图2

Fig.2

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	图2 观礼台上边坡及坝后左岸边坡Fig.2 The reviewing stand behind the dam slope and the slope on the left bank

1.3.1 植物种类 植物种类及用量如表1所示。为丰富坡面植物种类, 改善坡面景观, 治理工程中选用了高羊茅、狗牙根、山合欢、木豆、猪屎豆、坡柳、翅荚决明、胡枝子、紫穗槐、刺槐、马棘、多花木蓝、紫花苜蓿和野花组合。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 植物种类及种子用量 Table 1 The plant species and seed dosage 植物种名 Plant species 用量 Seed dosage/ g· m-2 占种子总用 量百分比 Percentage of total amount/% 高羊茅Festuca arundinacea 15 34.09 狗牙根Cynodon dactylon 5 11.36 山合欢Albizzia macrophylla 2 4.55 木豆Cajanus cajan 2 4.55 猪屎豆Crotalaria pallida 3 6.82 坡柳Salix myrtillacea 2 4.55 翅荚决明Cassia alata 3 6.82 胡枝子Lespedeza bicolor 2 4.55 紫穗槐Amorpha fruticosa 1 2.27 刺槐Robinia pseudoacacia 1 2.27 马棘 Indigofera pseudotinctoria 2 4.55 多花木蓝 Indigofera amblyantha 2 4.55 紫花苜蓿Medicago sativa 2 4.55 野花组合 Wildflower portfolios 2 4.55 合计Total 44 100

表1 植物种类及种子用量 Table 1 The plant species and seed dosage

1.3.2 基材 混合基材由当地表层种植土、泥炭土、有机肥、三元复合肥、草纤维、保水剂和固化剂等材料组成。TBS工艺材料基本情况如表2所示、基材配比如表3所示。

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 材料基本情况表 Table 2 Basic information of material 材料名称Material name 来源Origin 基本情况Basic information 园土或肥土 Garden soil or fertile soil 云南大理Dali, Yunnan 浅表层, 富含有机质 Superficial zone, rich in organic matter 泥炭土Peat soil 吉林长春Changchun, Jilin 有机质含量60.2%, pH 5.6 Content of organic matter: 60.2%, pH: 5.6 草纤维Grass fiber 浙江长兴Changxin, Zhejiang 长Length 3~5 cm, 宽 Width 2 mm 畜禽粪便 Livestock and poultry manure 云南大理Dali, Yunnan 充分发酵Full fermentation 酵菌种剂Yeast strain agent 浙江杭州Hangzhou, Zhejiang 分解菌为主Decomposing bacteria dominates 肥料Fertilizer 浙江杭州Hangzhou, Zhejiang 复合肥 Compound fertilizer(N∶ P∶ K=15∶ 15∶ 15) 保水剂Water-retaining agent 浙江杭州Hangzhou, Zhejiang 吸水率500~600倍 Water absorption rate:500~600 times 固化剂Curing agent 法国France 特性粘度1 250 mL· g-1, 成膜性良好 Viscous property is 1 250 mL· g-1, Good film forming property 种子Seed 混合Mixture

表2 材料基本情况表 Table 2 Basic information of material

表3

Table 3

表3(Table 3)

表3 基材配比 Table 3 Process matrix 材料名称Material name 材料要求The material requirement 使用量Amount 土壤Soil 园土或肥土Garden soil or fertile soil 0.66 m3· m-2 基质Base material 泥炭土Peat soil 6 kg· m-2 草纤维Grass fiber 8 kg· m-2 畜禽粪便Livestock and poultry manure 6 kg· m-2 酵菌种剂Yeast strain agent 50 g· m-2 肥料Fertilizer 复合肥(N, P, K三元)Compound fertilizer 100 g· m-2 保水剂Water-retaining agent 进口Imported 50 g· m-2 固化剂Curing agent 进口Imported 50 g· m-2 种子Seed 混合Mixture 44 g· m-2

表3 基材配比 Table 3 Process matrix

1.4.1 TBS生物防护技术 采用特制PE网材, 网材左右搭接间距10~20 cm, 视坡面平整度调整, 锚钉采用“ J” 型, 规格Φ 6 mm, L12~20 cm, 4~6枚· m^-2, 梅花形布置; 网材与坡面间距保持5~6 cm, 贴面不足区域采取垫层解决。将基材以及按既定比例配合的混合种子放入搅拌机内充分拌合, 形成类团粒结构的混合基材, 由高风压喷射于铺设好PE铁丝网的坡面上, 形成植物生长的基质层。技术实施时间为2012年5月-9月, 前期养护持续45 d左右。

1.4.2 植被调查 于2012-2015年对施工区域采用样线法进行植被调查^[8], 利用GPS定位并记录样方所在的海拔和经纬度。选择具有代表性的混凝土边坡植被地段确定样方范围, 每个坡面选择10个样方。样方确定后采用目测方法根据生物防护的作用和目的着重调查植物生长状况, 包括植物种类、盖度、高度等指标。

在第1年, 高羊茅、紫花苜蓿、木豆、猪屎豆、刺槐、马棘和多花木蓝生长健壮, 表现良好; 狗牙根、山合欢、坡柳、翅荚决明、野花组合、爬山虎和常春藤表现一般, 胡枝子和紫穗槐未见生长(表4)。植被恢复第2、3年, 山合欢、坡柳、翅荚决明生长量变化较大, 表现良好; 前期生长良好的猪屎豆和刺槐则消失不见; 地被植物和藤本植物经过3年的生长, 表现更加良好。综合植被生长的盖度及高度情况, 该工程TBS绿化取得了很好的效果, 边坡植被盖度在90%以上, 没有发生大面积的水土流失, 景观效果显著。该边坡植被种群已形成了稳定的多样性群落, 大量的植物已经适应了当地气候, 表现出了良好的适应性和稳定性, 但是依然有不少物种在雨季集中、干旱期长的立地条件下出现了退化、快速消亡等不适应现象。

表4

Table 4

表4(Table 4)

表4 植被种群组成及表现 Table 4 Species composition and vegetation 植物种名 The species name 生长状况(1年后) Growth status (later a year) 生长状况(2年后) Growth status (after two years) 生长状况(3年后) Growth status (after three years) 生活型 Biotype 高羊茅 Festuca arundinacea 良好 Very good 一般 The general 不良 Bad 多年生草本 Herbaceous perennid 狗牙根 Cynodondactylon 一般 The general 良好 Very good 良好 Very good 多年生草本 Herbaceous perennid 紫花苜蓿 Medicago sativa 良好 Very good 一般 The general 一般 The general 多年生草本 Herbaceous perennid 木豆 Cajanus cajan 良好 Very good 一般 The general 一般 The general 灌木 Shrub 猪屎豆 Grotalaria pallida 良好 Very good 淘汰 Be sifted out 淘汰 Be sifted out 灌木 Shrub 刺槐 Robinia pseudoacacia 良好 Very good 淘汰 Be sifted out 淘汰 Be sifted out 灌木或半灌木 Shrub or subshrub 马棘 Indigofera pseudotinctoria 良好 Very good 良好 Very good 良好 Very good 灌木 Shrub 多花木蓝 Indigofera amblyatha 良好 Very good 良好 Very good 良好 Very good 灌木 Shrub 山合欢 Albizia kalkora 一般 The general 良好 Very good 良好 Very good 灌木或半灌木 Shrub or subshrub 坡柳 Dodonaea 一般 The general 良好 Very good 良好 Very good 灌木 Shrub 翅荚决明 Cassia alata 一般 The general 良好 Very good 良好 Very good 灌木或半灌木 Shrub or subshrub 胡枝子 Lespedeza bicolor 未见 Not found 未见 Not found 未见 Not found 灌木或半灌木 Shrub or subshrub 紫穗槐 Amorphafruticosa 未见 Not found 未见 Not found 未见 Not found 灌木或半灌木 Shrub or subshrub 野花组合 Portfolios of wildflower 一般 The general 良好 Very good 不良 Bad 地被植物 Ground cover plants 爬山虎 Parthenocissus tricuspidata 一般 The general 良好 Very good 良好 Very good 藤本植物 Vine 常春藤 Hedera nepalensia ver. sinensis 一般 The general 良好 Very good 良好 Very good 藤本植物 Vine Note:The good shrub species with lush vegetation, density is more than 5 plants per square meters, the mean height is more than 5 cm; the ordinary species density is about 2 plants per square meters; plants failed to grow or disappeared is elimination; mean grass coverage is 90% is good and 75% is ordinary. 注:灌木品种数量≥ 5 株· m-2, 植株平均高度≥ 10 ㎝ , 枝叶繁茂为良好; 品种数量1~2 株· m-2为一般; 植株明显生长不良、未见或消亡为淘汰; 草本植物平均盖度≥ 90%为良好, 75%~90%为一般, ≦ 75%为不良。

表4 植被种群组成及表现 Table 4 Species composition and vegetation

对该边坡施工工艺、生态修复效果进行了近3年的持续观测, 施工20 d后先锋物种开始发芽, 3个月后绿色覆盖坡面, 6个月后坡面植被盖度超过90%, 植被中生长着不同品种的小灌木, 密度8~10株· m^-2, 人工引入的观赏性花卉争艳怒放, 同时已有大量的当地野生植物入侵, 形成了多物种植被群落的雏形。3年后, 坡面植被物种在不断竞争中趋于稳定, 先锋植物在夏季过分潮湿、冬春季极端干旱的气候下条件逐渐退化, 原配方中个别物种已消亡, 适应当地气候的物种与当地物种生长茂盛, 种间竞争趋于正常, 相互平衡后逐渐形成了优势种群。栽植的灌木成活率100%, 爬山虎、常春藤两种爬藤类植物成活率98%, 在前期人工牵引下已朝既定方向攀爬并向四周扩展, 形成了覆盖裸露坡面的绝对趋势。最终构成了以灌木为主, 草、花、藤共存的多样性植物群落结构。

期间经历了2013年近两个月的持续阴雨、大坝底孔换水和泄洪等高强度雨水冲刷未出现基质滑落的现象, 2014年1月-3月右岸分别经历24与20 d的养护断水, 对植物造成较大的伤害, 但恢复供水后均得到返青, 进一步证明了TBS工艺在此电站边坡上应用的可行性。植被建成后的整体效果如图3、4、5所示。

图3

Fig.3

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	图3 生物防护边坡的整体效果Fig.3 The overall effect of biological protection of slope

图4

Fig.4

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	图4 植被群落的组成Fig.4 The composition of vegetation communities

图5

Fig.5

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	图5 观赏植物在坡面的效果Fig.5 Ornamental plants in the slope effect

在TBS植被护坡技术中, 植物种类选择采用优势群落+伴生群落+试验群落+观赏群落的搭配原则^[9], 保证发挥先锋种群的绝对优势, 使其最大限度地生根发芽, 发挥固土护坡、涵养水源、遮阳挡风等保护功能, 促进后续植物的顺利成长。草本植物播种后数月生长茂密, 固土护坡、防止冲刷效果明显, 但禾本科草易退化衰老, 必须采用寿命长、耐干旱、耐瘠薄, 固土护坡及景观功能胜于草本的灌木, 如马棘、多花木蓝、山合欢等的优势才是生物防护成功之根本。在植被建植初期, 并不追求高的草本盖度, 使灌木能够充分生长通过自然演替达到边坡建植森林的目的^[10]。本技术推广研究中将草、灌混播护坡, 加上藤本植物的攀岩效果, 不仅提高了整个坡面的植被修复盖度, 缩短了绿化见效时间, 同时加入野花组合, 极大地提升了施工坡面的观赏性。

TBS植被护坡技术中的植物种类选择, 经历了从简单到多样、从传统技术到现代技术的发展过程。最初的植物种类局限于园林草坪物种, 不仅养护成本高, 且生态效益不理想。美国自1995年以来就强调乡土物种的利用和野花植物的生态景观功能^[11]。而日本也强调乡土植物的利用, 且主张利用灌木进行公路边坡防护, 要求边坡绿化结合坡面综合防护进行^[12]。有研究也曾提出, 开发利用本土优良的水土保持植物资源是紫色土丘陵区断面植被恢复、生态治理的必经之路^[13]。

结合岩石与混凝土边坡干旱、无种植土壤层的生态环境, 本技术提出了草、灌、花立体构建和谐共融的植被系统; 与根据生物气候的地带性, 边坡环境的适应性, 植物形态共生的互补性, 以及生态景观的统一性, 以灌木为主, 多科属、多品种结合, 构建乔、灌、草、藤、花立体群落^{[14, 15, 16]}的观点基本一致; 与我国南方地区进行生态恢复、岩质边坡绿化植物应用搭配的基本原则相一致^[17]。

相比草本植物, 灌木对水、肥的需求少, 适应性强。灌木的深根伸入坡体内部, 一定程度上可起到锚固坡体的作用^[18]。经过3年的自然生长与发展演变, 坡面形成了以固土护坡能力强、景观效果好的灌木为优势种群, 大面积覆盖基质的草和其它地被植物为伴生种群, 小乔木与花卉局部点缀的共生群落。该群落可自然协调生长与演替且与周围自然生态环境基本融合。从跟踪调查结果来看, 灌木中的多花木兰、马棘、山合欢、坡柳、翅荚决明能更好地适应功果桥水电站坝后边坡困难立地条件, 木豆、高羊茅、狗牙根、苜蓿、野花组合也较适应该环境。

功果桥水电站边坡生物防护工程中所采用TBS工艺在连续雨季、大坝泄洪以及底孔换水等综合因素作用下基质流失量小。在长期干旱条件下未出现严重龟裂而掉块的现象, 基质中前期先锋类植物虽然出苗缓慢, 但后期还是覆盖了坡面, 不仅阻隔了部分降水渗透, 也有效防止了水土流失, 给后续植物营造了有利的生存环境, 保证了灌木类的顺利成长。木本植物长势良好, 种类繁多, 与草本及当地入侵的野生植物形成了一个共生的多样性植被系统。综合来看, 采取TBS工艺对该边坡进行生物防护的生态效果较为理想, 基本达到了边坡生物防护的预期目的。

发达国家如美国、法国、加拿大和澳大利亚等对边坡绿化很重视^{[18, 19]}。如日本, 在工程建设中的主导思想是建设与绿化同步进行。国外边坡绿化常用的方法有钢筋水泥框格法、植生卷铺盖法、客土植生带法、纤维绿化法、生态多孔混凝土绿化法以及客土喷射绿化法等。其中客土植生带法、纤维绿化法以及生态多孔混凝土绿化法可用于岩石边坡绿化^[20]。但是客土植生带法、纤维绿化法和客土喷射绿化法的共同弱点是强度很低, 不能承担边坡防护作用, 并且客土植生带法只能用于缓坡, 纤维绿化法和客土喷射绿化法有着保水性能差、不耐旱等缺点。生态多孔混凝土绿化法强度比较高, 防护作用好, 但也存在基材为植物提供养分能力差且成本过高的问题。目前, 国内在边坡防护与绿化方面的研究多限于模仿和引进国外的边坡防护绿化方法。有的生物防护模式由于地理位置、气候条件的差异, 很难适应植物的生长。

TBS生物防护模式中, PVC铁丝网的作用至关重要, 既可以对边坡进行前期的包容而保持一定的稳定性, 又可以起到喷播后基质与坡面联系的加筋作用, 网材质量的选择和施工决定了整个边坡植物防护系统的持久性。植被形成后, PVC铁丝网和植物的根系纠缠在一起, 共同发挥防冲刷的作用。基材需要含有满足植物生长3~5年的养分。

另外一个重要因子是基质。为了使基层紧实, 基材中添加了碱性的土壤固化剂, 将SY、GT土壤固化剂和水泥掺入砂壤土, 固化剂能显著提高砂壤土的力学性能和抗冻性能; 在同一个固化剂掺量下, 其力学性能和抗冻性能随着水泥含量的增加而提高; 固化剂掺量、水泥含量与土壤含量三者之间存在协调性^{[21, 22, 23]}。水泥含量的增加, 导致基材pH上升, 土壤呈现碱化状态, 严重影响了豆科植物、灌木的生长, 土壤中有效磷含量很低, 成为阻碍豆科植物生长的因素^{[24, 25]}。

木屑和泥炭土等基质的添加, 显著改善了土壤的理化特性, 也提高了土壤持水能力^[26], 并从一定程度上缓解了固化剂引起的土壤硬化。由于2 mm直径的稻草会造成土壤过度松散, 可能降低基质的抗侵蚀能力, 所以不宜过量应用^[27]。

经历了3年时间的自然雨水冲刷, 本研究中不同植被条件下土壤径流量随冲刷时间的变化较明显, 总体上表现为先增大后减小。对照裸地径流量随时间变化低于灌木林地, 但高于其它植被条件, 这与何淑勤等^[28]的研究结果相一致。

西部困难立地条件实施TBS边坡绿化施工后, 在干旱高温环境时需要特别注意前期养护。种子发芽期湿润深度控制在3~5 cm, 幼苗期依据植物根系的发展逐渐加大到5~15 cm, 但要控制不至在基材混合物内形成“ 壤中流” , 侵蚀基材混合物中小颗粒及淋失养分, 破坏养分平衡。