北京地区典型边坡生态防护效果与植物选配

1 绪论 近年来，我国大力推行全国范围内的基础设施建设，大量的生产建设项目在很大程度上提高了人民生活水平，但也产生了一系列的生态环境问题。公路建设和矿山开采形成的损毁边坡占地面积广、危害程度大，采用常规的绿化手段已不能达到短时期植被恢复的目标，需采取边坡生态防护的方法（工程措施与植物措施相结合）实现边坡植被恢复，既能有效保证边坡稳定性，又能修复已丧失的生态功能，改善边坡景观效果。 现阶段生态防护边坡的植被恢复研究才刚刚起步，许多学者（屠剑斌， 2009；邓辅唐等， 2007；李生宇和雷加强， 2002）主要聚焦于生态防护措施的相关研究，但多针对研究区域内单一措施或 2～3种措施，研究方向禁锢在植被或土壤方面，鲜少有论文涉及数十种边坡生态防护措施，且从植被、土壤、水土保持功能的角度开展综合评价研究，研究结果缺乏系统性。准确合理评价受损边坡生态防护效果的前提是根据边坡类型合理划分立地类型，并构建与之相适宜的评价模型。深入探究工程措施与植物措施相结合的生态防护手段对丧失生态功能边坡的恢复效果是本研究所要解决的核心问题。综上所述，针对我国经济快速发展的现状，大规模的生产建设项目难以避免，如何缓解其衍生的水土流失问题，加快公路、废弃矿山的生态环境治理，建立系统的、科学的边坡生态防护评价方法，并开展大规模的边坡生态防护效果评价已成为北京地区生态环境建设的迫切任务。 1.1 研究背景 1.1.1 公路建设 随着中国经济的不断发展，公路建设项目不断增加，建设规模也不断扩大，据统计，截至 2013年底，全国公路总里程达到 470万 km。2000年至今，北京先后建成五环路、京津高速公路、六环路、京承高速北京段三期、京开高速公路（辛立村收费站至市界段）、机场南线、京昆高速北京段、京新高速公路以及冬奥会重大交通保障重点项目京礼高速公路北京段等连接天津、河北的重要交通枢纽。公路交通的快速发展，有效缓解了交通运输紧张的状况，但在其建设过程中工程开挖产生大量废弃土石方，占用周边荒地、林地甚至农田等，易淤积河道、田间沟渠，若不加以合理利用，不仅会增加工程弃渣量，还会导致土地资源的浪费，造成许多新增水土流失，使环境破坏问题日益突出（沥青情报站， 2013；牛兰兰等， 2007）。公路建设过程中，尤其是北京“ 7？21”特大暴雨、 2020年 8月 12日北京暴雨等自然灾害事件造成公路边坡损毁严重，形成严重的水土流失，引起了水利部相关单位的高度重视（ Jiang et al.，2014；Wang et al.，2013；Zhang et al.，2013a）。 1.1.2 矿山开采 自 20世纪 80年代以来，随着国家对矿产资源需求的迅速增加及矿冶经济的迅猛发展，因矿山开采造成的生态破坏问题也日趋严重，露天开采造成了大规模的土地破坏，植被盖度的急剧下降，原本稳定健康的生态系统遭受严重破坏，引起了政府部门对矿区生态恢复的高度重视（Yang et al.，2014；Zhang et al.，2013b）。据北京市规划和自然资源委员会对矿山数量的统计结果， 2000年北京市现存各类矿山数量为 1749个，大规模矿山仅占到总数的 0.80%，多数为小规模矿山，在北京市政府的相关政策引导下， 2000～2004年全市共关闭矿山 1353座，数量约减少了 77.36%（李金海和张国祯， 2009）。限制采石场开采或者划定规定区域开采可在一定程度上保证采石场的安全性及开采合理性。但由于矿产资源的不合理开发，加上管理粗放、缺乏规划，不仅造成了资源的巨大浪费，而且严重破坏了当地的生态环境（ .tef.nescu et al.，2013）。边坡植被裸露、土壤结构破坏造成水土流失加剧，并较易引发滑坡、塌方等自然地质灾害，严重威胁人类的生存与发展，影响城市景观资源的健康发展（ Bhebhe et al.，2013；da Silva et al.，2013）。我国是一个人多地少的国家，过度开垦、砍伐等人类活动对环境干扰巨大（Burke，2001； Miao and Marrs，2000），影响人类的生存环境与生存质量，亟待建立并完善矿山修复的法律体系，建立完善的土壤保护和生态修复技术标准，从而有效防治矿山开采的发生与面积的扩大。 1.2 研究目的与意义 党的十八大报告提出，推进绿色发展、循环发展、低碳发展，把生态文明建设放在突出地位，推动形成人与自然和谐发展现代化建设新格局。在资源供应与需求矛盾突出、环境污染日益严峻的形势下，我国将如何解决或缓解现有的生态环境问题、寻求快速有效的环境治理方案、实现环境资源的可持续发展放在首要位置。公路建设、矿山开采对我国国民经济的持续、快速发展起着极其重要的作用，然而长期缺乏对边坡生态恢复的正确认识，引发了诸如水土流失、山体滑坡、土地沙化等一系列严峻的环境和社会问题，对社会经济的可持续发展造成严重威胁特别是北京 “7？21”特大暴雨发生后，国家加大力度支持生态恢复领域的重大科研项目，重点鼓励发展公路、废弃矿山等困难立地的植被恢复工作，期望形成集工程措施对位选择、植物选择与配置、生态防护效果综合评价为一体的边坡生态恢复技术体系，推动生态文明与社会经济的可持续发展。 1.3 创新点 本研究的创新点是在对北京地区生产建设项目损毁边坡植被、土壤与环境因子进行全面系统调查的基础上，探索不同生态防护措施的植物选择与配置、水土保持效益。构建植被 -土壤系统耦合协调综合评价模型，评价各类生态防护措施的综合防护效果。根据本研究得出的北京地区典型边坡生态防护效果与植物选配结果，可为北京地区典型边坡探索*佳的生态防护措施与植被恢复途径，*终实现以边坡稳定为前提的生态修复的绿化目标，形成与周边环境相协调的植物群落，达到防治水土流失的目的，也为北京地区受损边坡植被恢复工作提供理论依据。 1.4 研究概述 本研究是在“建设工程损毁林地植被修复关键技术研究与示范”和“北京市废弃矿区绿化调查与综合评估项目”课题组部分科研成果的基础上，以北京地区高速公路生态防护边坡、房山区周口店镇废弃矿山边坡、轻工业环境保护研究所生态修复科研基地边坡和上辛庄水土保持科技示范园区边坡为研究对象，进行北京地区典型边坡生态防护效果与植物选配研究，以期解决公路、矿山开采后遗留裸露边坡的生态修复问题。一方面是为北京地区典型边坡探索*佳的植被恢复途径，实现加快受损边坡生态系统重建的目的；另一方面是确立生态防护措施及与之相适应的植物群落配置，为北京地区生态环境恢复与植被重建提供理论依据，也为同类地区生产建设项目裸露边坡的植被恢复提供科学参考。 1.4.1 生产建设项目水土流失危害 1.4.1.1 生产建设项目类型 我国的生产建设项目是以人为活动为主要外营力，造成大面积的原始地貌、植被破坏，导致土地生产力大幅下降，加速土壤侵蚀速度，极易形成严重的水流流失（张乐涛和高照良， 2014；王治国等， 1998）。根据平面布设方式和产生水土流失过程的差异，对生产建设项目分别进行类型划分（姜德文等， 2010；赵永军， 2007）。线性项目和点式项目具有不同的平面布设方式，其中公路、铁路、管线、输变电等属于线性项目；露采矿工程、火（风、核）电工程、农林开发工程等属于点式项目；建设类项目和建设生产类项目具有不同的水土流失过程，其中公路、城镇建设等施工项目的水土流失仅发生在项目建设过程中，属于建设类项目，而井采矿、露采矿等施工项目的水土流失不仅发生在项目建设过程中，在生产运营过程中仍较为严重，属于建设生产类项目。 综上，公路项目属于线性工程，水土流失主要发生在项目建设过程中；而废弃矿山属于点式项目，水土流失在项目建设和运营生产过程中均有发生。北京地区存在大量损毁裸露边坡，以公路边坡、矿山边坡*具代表性，而且土壤环境和植被恢复效果较差，是目前存在的*需要解决的突出问题，因此本研究主要围绕公路边坡和废弃矿山边坡的生态恢复问题开展相关试验研究。 1.4.1.2 水土流失的成因 公路建设、矿山开采等生产建设项目在人类活动过程中形成大量裸露边坡，具有占地面积大、坡度陡、坡长差异大、边坡稳定性差、蓄水保水困难、土壤营养条件差等特点（ Dong et al.，2012；Moreno-de Las Heras et al.，2008），对土地和植被的扰动剧烈，使土壤 -植被生态系统遭受严重破坏，并引发严重的新生水土流失问题（图 1-1）。 图 1-1 生产建设项目造成的土壤-植被生态系统破坏 现如今水土流失已成为世界上*严重的生态环境问题之一。水土流失原因的研究早在 19世纪晚期就已经开始，但当时的研究较为浅显，局限在常规的表象观测（刘艳， 2010），100多年来，国内外学者围绕水土流失的发生规律开展了深入研究（郑粉莉和高学田， 2003；Yang et al.，2003；章文波等， 2002；邵颂东和王礼先，2000；Lowery et al.，1995；Poesen et al.，1994；Nearing et al.，1989；黄秉维，1983），并取得了许多新进展（ Hoomehr et al.，2016；Faller and Wang，2015； Nú.ez et al.，2013；Mukundan et al.，2013；Dotterweich，2013；王海斌， 2012；綦俊谕等， 2010；徐宪立等， 2006b；Davies et al.，2006），发现引发水土流失的因素可分为自然因素和人为因素两大类。 强降雨、地形地貌、土壤和植被等自然因素是导致水土流失发生的重要原因（Zhao et al.，2013；Fernández et al.，2012；Fattet et al.，2011）。我国北方年际降雨分布不均，但降雨量相对集中，其中 70%左右集中在每年的 7～9月，降雨历时短、强度大、地表径流冲刷力强的特大暴雨对土壤侵蚀的影响剧烈，降雨引起的水土流失灾害在很大程度上受径流量大小、搬运和分离能力的影响（刘斌涛等， 2013；Ziadat and Taimeh，2013；Ran et al.，2012；王占礼和常庆瑞， 1998），强降雨的发生，使坡面土体内部水分迅速达到饱和状态，在径流冲刷作用下失稳形成滑坡。地形特征作为生境条件的一种综合指示，决定光、热、水、土壤等要素的空间分布（陈瑶等， 2006；孔宁宁等， 2002），不同要素对水土流失程度的影响不同，其中海拔对水土流失的影响并不显著，水土流失发生、发展的前提是所在区域具备相对高差（起伏高度），即在一定程度上坡度和坡长直接影响水土流失强度（Liu et al.，2000；Meyer and Harmon，1989；Evett and Dutt，1985），研究还发现水土流失发生的可能性与坡度和坡长呈正相关（ Xu et al.，2009）。植被破坏严重、植物配置不合理等导致坡面覆盖度低、植物根系未能与边坡良好结合等都是诱发水土流失灾害的成因。 生产建设项目是人为影响水土流失、崩塌、滑坡等自然灾害发生的主要表现之一。生产建设项目在建设和生产过程中易形成大量的土石方开挖和堆砌，造成的扰动面积巨大，破坏了原生地表抗蚀能力与外营力之间的相对平衡，与原地貌相比土壤结构松散，抵抗侵蚀的能力明显降低，对项目区及周边区域的生态环境造成直接危害。无边坡生态防护措施或生态防护措施失当、长期人工维护不当导致的边坡水处理问题，如排水沟堵塞、坡顶及坡面截排水不畅、坡脚低洼积水等，都会降低边坡稳定性并诱发水土流失（崔云等， 2011；王小彪， 2010；管新建， 2009；Corominas and Moya，1999），今后在边坡防护、绿化设计中应须加强地形和截排水工程设计。 根据公路建设、矿山开采等生产建设项目发生水土