Experiment on shrub spray sowing technology in limestone dreg field
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摘要:目的 渣场环境条件下植被自然恢复极其困难。石灰岩渣场因成土母质等具有其独特性，在一般客土喷播技术的基础上，需要根据其特点探求适宜的植被恢复方法。方法 该研究模拟渣场表面灌浆处理后客土喷播植被恢复的过程，通过后期观察植被恢复及养分流失情况，比较3种渣场灌浆深度（15、30、45 cm）的植被恢复效果，并结合技术经济效益分析，选取出综合效益最佳的灌浆深度。结果 与未灌浆处理的对照组（CK）相比，灌浆处理后播种紫穗槐的保存率、平均株高、地径和土壤养分含量均有显著提升（P < 0.05），单位面积渗滤液量和营养元素流失量显著降低（P < 0.05）。结果显示，灌浆深度为30 cm时，植被恢复效果较优。结论 灌浆处理能提高土壤保水保肥能力和紫穗槐的保存率，同时促进其生长发育，当灌浆深度为30 cm时综合效益较佳。该研究为石灰岩渣场的植被恢复提供技术参考。Abstract:Objective The natural restoration of vegetation is seriously restricted by environmental conditions in the dreg field. Due to the unique soil parent material, it is necessary to explore the suitable vegetation restoration methods based on the general soil spray sowing technique.Method In this study, we simulated the process of vegetation restoration after grouting the surface of the dreg field and performing soil spray sowing. By comparing the vegetation restoration and nutrient loss of three grouting depths (15, 30 and 45 cm), and combining the technical and economic benefits simultaneously, the best grouting depth was selected.Result Compared with the control group (CK) without grouting treatment, the retention rate, average plant height and ground diameter of Amorpha fruticosa and soil nutrient condition significantly increased (P < 0.05) after grouting treatment. Meanwhile, the volume of leachate per unit area and the loss of nutrient remarkably decreased (P < 0.05). In terms of vegetation restoration, the grouting depth of 30 cm was much better.Conclusion The grouting treatment can improve the soil water and fertilizer retention capacity, the retention rate of Amorpha fruticosa, and further promote its growth. The benefits are better when the grouting depth is 30 cm. This research provides technical reference for vegetation restoration in limestone dreg field.
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Keywords:
- limestone /
- dreg field /
- vegetation restoration /
- grouting
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我国西南地区因交通运输、能源动力以及水利工程等项目的开发建设产生了大量石灰岩渣场[1-2]。渣场内堆积体多由工程活动中产生的废石和剥离的表土堆积而成，通常结构松散，坡面较陡，受到如风蚀、雨水冲击等外力作用时，易发生土壤侵蚀、水土流失甚至滑坡，暴雨时还可能会发生泥石流等灾害，对周围的生态环境产生不利影响[3-4]。因此，工程后期通常会对渣场进行植被恢复以达到防灾减灾的目的[5]。但大多数渣场都存在缺水少土、营养贫瘠等问题，石灰岩渣场更因其具有碎石块含钙量高，物理性状较差，氮、磷及有机质含量较低等特性，缺少植物直接生长的条件[6]。
当前已有较多学者对客土喷播技术进行了研究，结论均表明该技术可应用于如矿山废弃地、岩石边坡和弃渣场等立地条件较差的场所[6-9]。虽然研究数量很多，但以石灰岩渣场为恢复对象的研究还较少，如果选用一般客土喷播技术恢复石灰岩渣场，可能因其具有的特性而导致恢复效果不佳，在恢复期间需要投入更多的人力、物力进行管护，将会大大提高恢复的成本[10]。因此，探究适用于石灰岩渣场特殊环境的客土喷播技术显得十分重要。
本研究考虑在客土喷播前对渣场表面进行灌浆处理，以此改善渣场表面条件，随后观测植被恢复情况，以此探讨该技术是否有助于植被恢复，并对比不同灌浆深度的植被恢复效果。试验结果可为该项技术的应用提供数据支撑。
1. 材料与方法
1.1 渣场模拟
试验所用渣石为隧道开挖石灰岩弃渣，75%弃渣粒径在10 ~ 50 mm之间，渣场堆积密度为1 900 kg/m3；单个试验小区宽1 m，长2 m；渣石堆积厚度60 cm（最低处），坡度35 °。渣石堆积在开有0.5 mm渗水孔钢板的架子上，下方设置收集筒，用以进行底部渗滤液的收集。
1.2 灌浆处理
使用腐殖酸钾（3%）、膨润土（10%）、聚丙烯酰胺（5%）、磷酸二氢铵（3%）、壤土（15%）与水（64%）混合搅拌均匀后的混合物对渣场表面进行灌浆处理。设计灌浆深度3个，分别为15、30、45 cm，并设置不进行灌浆处理的对照组（CK），每个处理方式进行3次重复。
1.3 客土喷播
采用客土喷播方式对渣堆进行植被恢复，客土厚度10 cm，土壤密度1.33 g/cm3，混合有紫穗槐（Amorpha fruticosa）种子，播种密度为15 g/m2，为掌握紫穗槐生长状况，每周定期清除其他植物。客土基本信息如表1所示。
表 1 客土基本信息Table 1. Basic information of foreign soil有机质含量
Organic
matter content/
(g·kg−1)有效磷含量
Available
phosphorus
content/
(mg·kg−1)速效钾含量
Available
potassium
content/
(mg·kg−1)水解性氮含量
Hydrolyzable
nitrogen
content/
(mg·kg−1)24.16 71.22 120.66 153.28 1.4 试验测定方法与分析
渣场模拟试验在四川省成都市彭州市四川大学试验基地中进行。2019年4月播种，2020年4月进行各项指标测定。试验地多年年平均气温15.9 ℃，年平均降水量867 mm，试验期间总降雨量973 mm，其中24 h最大降雨量20.1 mm。
1.4.1 植物指标测定
播种1年后，在每个处理组试验小区内采用直接计数法统计紫穗槐植株数量，并从每个小区随机选出10株植物，使用卷尺和游标卡尺分别测量植物的株高（cm）和地径（cm）。为验证植被恢复效果是否具有可持续性，2021年4月再次调查紫穗槐植株数量、株高和地径。
1.4.2 渗滤液指标测定
以试验小区为单位，测量收集筒中渗滤液体积后，统计单位面积渗滤液体积（L/m2）。将收集筒中液体搅拌均匀，每个收集筒中取渗滤液样品3次，每次取样1 L用于氮磷钾含量测定，氮含量采用碱性过硫酸钾消解紫外光度法[11]测定，统计单位面积氮流失量（g/m2）；磷含量采用硝酸−高氯酸消解法−钼酸铵分光光度法[12]测定，统计单位面积磷流失量（g/m2）；钾含量采用火焰原子吸收分光光度法[13]测定，统计单位面积钾流失量（g/m2）。
1.4.3 土壤养分指标测定
每个试验小区采用土钻法随机取样3次，每次取样100 g并混合均匀，土壤在实验室自然风干后进行养分测定。水解性氮采用碱解扩散法[14]测定；有效磷用碳酸氢钠浸提－钼锑钪比色法[15]测定；速效钾采用乙酸铵浸提－火焰光度法[16]测定。
1.4.4 数据处理与分析
使用Excel 2013对测定数据进行统计整理和后期绘图，所有变量均采用平均值和标准差描述。采用SPSS22.0对数据进行多重比较（LSD）和单因素方差分析（One-way ANOVA），选取置信水平为 0.05。
2. 结果与分析
2.1 植物生长情况
在渣场表面灌浆处理播种1年后，紫穗槐的保存率和生长量有了较大的提升（表2）。灌浆深度为15、30、45 cm的3个处理组中紫穗槐保存率、株高和地径相较于对照组提升显著（P < 0.05），保存率分别提高了18.18%、30.30%和33.33%，最大株高和地径增幅则分别为12.28%和43.90%，表明对渣场表面进行灌浆处理，能够有效提高紫穗槐的保存率和生长量。深度为30和45 cm的两个灌浆处理组的单位面积数量、平均株高和地径3个指标之间，无显著差异（P > 0.05）。
表 2 喷播后2年植物生长情况Table 2. Plant growth condition 2 years after spray sowing灌浆深度
Grouting depth/cm密度/（株·m−2）
Density/ (plant·m−2)平均株高
Average plant height/cm地径
Ground diameter/cm2020年4月
April, 20202021年4月
April, 20212020年4月
April, 20202021年4月
April, 20212020年4月
April, 20202021年4月
April, 20210 33c 26c 103.53c 125.38c 1.23c 2.27c 15 39b 35b 108.69b 136.63b 1.45b 2.90b 30 43a 41a 116.17a 147.25a 1.73a 3.20a 45 44a 43a 116.24a 147.14a 1.77a 3.23a 注：不同小写字母表示不同灌浆深度间差异显著（P < 0.05)。Note: different lowercase letters mean significant differences among varied grouting depth (P < 0.05). 为验证植被恢复效果是否具有可持续性，在渣场表面灌浆处理播种2年后，再次对紫穗槐植株数量、株高和地径进行调查（表2）。相较于1年前，CK和灌浆深度为15、30、45 cm的处理组中植物数量分别减少了21.21%、10.26%、4.65%和2.27%，3个灌浆处理组紫穗槐的株高和地径也均显著（P < 0.05）高于CK。可知相比于仅客土喷播，加入灌浆处理这一流程能够有效提高植物的保存率和生长量，利于植被恢复，达30 cm后继续增加灌浆深度，植物保存率和生长量变化较小。
2.2 养分流失情况
不同深度灌浆处理组内平均单位面积渗滤液量表现为CK（对照组） > 15 cm > 45 cm > 30 cm，灌浆处理组的单位面积渗滤液量均显著低于对照组（P < 0.05，图1A）。说明灌浆深度增加可以减少弃渣堆水分流失，但深度从30 cm加深到45 cm水分流失量没有显著变化。
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图 1 播种1年后单位面积渗滤液量和氮、磷、钾流失量不同小写字母表示不同灌浆深度间差异显著（P < 0.05)。下同。Different lowercase letters mean significant differences among varied grouting depth (P < 0.05). Same as below.Figure 1. Volume of leachate and nitrogen, phosphorus, potassium loss per unit area after 1 year of sowing灌浆深度在30 cm内，单位面积氮流失量随灌浆深度增加显著降低（P < 0.05），而灌浆深度30 cm和45 cm两者间单位面积氮流失量差异不显著（P > 0.05，图1B）。表明灌浆处理能有效减少氮流失，但相比于30 cm，灌浆深度加深到45 cm时单位面积氮流失量的变化不明显。
灌浆深度从0 cm加深至15、30 cm，单位面积磷流失量显著降低（P < 0.05），降低量分别为0.81 g和0.64 g，但灌浆深度从30 cm 加深至45 cm，单位面积磷流失量变化不显著（P > 0.05，图1C），仅降低0.03 g。可见，灌浆深度增加有利于减少单位面积磷流失量，但灌浆深度由30 cm增加至45 cm时单位面积磷流失量的变化较小。
随着灌浆深度增加，单位面积钾流失量呈降低趋势，灌浆深度为45 cm的单位面积钾流失量稍高于灌浆深度为30 cm的，但差异不显著（P > 0.05，图1D）。表明增加灌浆深度能有效保持渣场表面的钾含量，灌浆深度30和45 cm降低钾流失量的效果相近。
2.3 土壤养分情况
增加灌浆深度后，土壤中水解性氮含量增大，随着灌浆深度不断加深，增大的趋势逐渐变小并趋于平缓（图2A）。说明对弃渣堆进行灌浆处理有利于保持土壤中水解性氮，且保持能力大小随灌浆深度加深而增大，但当灌浆深度由30 cm增加至45 cm时，土壤保持水解性氮的能力增加有限。
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图 2 播种1年后土壤中水解性氮、有效磷和速效钾含量Figure 2. Hydrolyzable nitrogen, available phosphorus and available potassium contents in soil after 1 year of sowing灌浆深度由0 cm加深到30 cm时，土壤中有效磷含量均有显著提高（P < 0.05），但灌浆深度由30 cm加深到45 cm，土壤中有效磷含量无显著提高（P > 0.05，图2B）。表明灌浆深度从0 cm向30 cm加深时土壤保持有效磷能力也随之增加，而灌浆深度30 cm和45 cm时土壤保持有效磷能力相近。
土壤中速效钾含量在灌浆深度达30 cm前呈上升趋势，当灌浆深度由30 cm增加至45 cm时，土壤中速效钾含量略有降低，但两者之间差异并不显著（P > 0.05，图2C）。表明灌浆处理能有效地保留住土壤中的速效钾，灌浆深度为30 cm和45 cm时土壤速效钾的保留能力相差不大。
3. 讨 论
3.1 灌浆深度对渗滤液中养分流失的影响
石灰岩弃渣堆养分流失的主要原因之一是淋溶作用[17]。在石灰岩渣场表面进行灌浆处理后，单位面积渗滤液量以及营养元素流失量均有明显减少，这与林海等[18]的研究结果相似。这是因为：灌浆混合物具有较强吸水性和吸附性，能有效保留水分和氮磷钾等营养元素，防止其渗漏流失，并缓慢释放，延长养分的利用时间[19]。
本研究结果表明渗滤液量以及渗滤液中氮磷钾流失量均随灌浆深度增加而减少，这主要是因为，灌浆深度增加，使用的灌浆材料增多，灌浆层对下渗水分和养分的吸附量随之增大。但当灌浆深度由30 cm加深至45 cm时，单位面积渗滤液量和渗滤液中钾的流失量均有微小提升，这可能是由于灌浆深度达30 cm后，继续增大灌浆深度效益不明显，反而因偶然性导致其与其他指标变化趋势略显不同。
3.2 灌浆深度对土壤养分的影响
灌浆层吸附保留随水分下渗的养分，其自身材料中也含有氮、磷、钾元素，在植物生长发育的过程中灌浆层会将养分缓慢释放到土壤中，维持土壤养分供给，这与周杨等[20]和周磊[21]的研究结果是一致的。
本研究发现，灌浆深度加深，土壤中水解性氮、有效磷和速效钾含量随之增加，这是因为灌浆深度加深，灌浆混合物用量增加，灌浆层保有以及自身所含的氮磷钾量增大，能更持久且更多地向土壤供给营养元素。
3.3 灌浆深度对喷播植物生长的影响
本研究结果显示，在石灰岩渣场表面进行灌浆处理，能有效提高播种植物保存率并有利于其生长发育，这与穆军等[22]研究结果一致。这主要由于：（1）灌浆处理所用材料具有极高的吸水保水能力，与渣石结合后形成的灌浆层可以起到吸取保存和释放水分的作用，减少渗漏水量，提高水分利用率[23-24]。（2）灌浆层能吸附淋溶的土壤养分，有效抑制养分流失，同时其自身也含大量氮、磷、钾元素，在植物生长发育过程中为其提供养分[21,25]。（3）灌浆处理能有效改善灌浆深度范围内的渣体结构，为播种植物提供更优的生长环境[26-27]。灌浆深度越深形成的灌浆层范围越大，就能更好地保水保肥和改善植物生长环境。因此，植物保存率、株高和地径3个指标随灌浆深度增大而提高。
提高植物生长量能有效增加植被覆盖率，而植被覆盖率与水土流失之间关系密切，植物地上部分可以通过截留降水的方式减弱雨水对土壤的溅蚀，同时能拦截地表径流，起到削弱径流侵蚀的作用，地下部分则在土层中交织深入，一定程度上增加土层稳定性，且植被覆盖率越高，减少地表水土流失的效果越明显[28-29]。中国南方石灰岩区域已有大量使用植物防治水土流失的研究，结果表明：随着年限的增加，林草植被盖度增加，水土流失面积均呈逐年减少的趋势[30-31]。地表水土流失得到控制时，形成泥石流的松散物质来源减少，泥石流规模和频率将会得到有效的控制[32]。
3.4 植被恢复效果可持续性和技术经济性
植被恢复的关键是适当环境、一定水土条件和适生植物[33]。 其中选择的植物是否合理是植被恢复成功与否的关键因素，本研究选取的喷播植物紫穗槐抗逆性强，易于存活与生长，而且能改善周边微环境，被广泛应用于生态恢复项目中[34]。本研究采用的客土喷播方式为植物提供了良好的生存发育环境，灌浆处理则是有效地减少了土壤的水肥流失，理论上在该环境下，植被恢复效果具有可持续性。为检验本试验的可持续性，播种2年后对紫穗槐再次进行调查，结果也表明植物生长发育状况良好，表明在试验条件下所用植被恢复方法具有可持续性。
本试验所探究灌木喷播技术成本来源于人工、材料和设备投入等，不同灌浆深度处理所需单位面积综合成本差距较大，为使综合效益最佳，在确保植被恢复效果的前提下，应选用技术经济性最佳的灌浆深度。经过综合测算，当灌浆为30 cm和45 cm时，植被恢复效果显著优于其他灌浆深度及对照。将综合成本进行对比分析后发现，灌浆深度为30 cm时，综合成本相较于对照组约提高了6元/m2，但植被恢复效果远远优于对照组，这样的成本增加在实际应用中应该是可以接受的，也证明该技术可以推广应用。
4. 结 论
加入了灌浆处理流程的灌木喷播技术，可节约播种后的大量管护成本，适用于石灰岩渣场的特殊环境。本文就不同灌浆深度及其对应的植被恢复情况进行了研究，结论如下：
（1）灌浆处理能有效提高植物的保存率并有助于植物生长发育。随灌浆深度的加大，植物保存率提高，但试验条件下在灌浆深度达30 cm后，植物保存率及生长状况就已处于较高水平，继续增加灌浆深度，植物保存率及生长状况提高效果有限。
（2）灌浆处理能有效减少水分和营养元素的流失，保持石灰岩渣场表面土壤水分和肥力，试验条件下当灌浆深度达30 cm后，水分和营养元素的流失处于较低水平，继续增加灌浆深度，保水保肥能力提高效果有限。
（3）经过综合测算评估，试验条件下30 cm是技术经济效益较优的灌浆深度，可在达到植被恢复综合效果的同时，节约成本。
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图 1 播种1年后单位面积渗滤液量和氮、磷、钾流失量
不同小写字母表示不同灌浆深度间差异显著（P < 0.05)。下同。Different lowercase letters mean significant differences among varied grouting depth (P < 0.05). Same as below.
Figure 1. Volume of leachate and nitrogen, phosphorus, potassium loss per unit area after 1 year of sowing
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图 2 播种1年后土壤中水解性氮、有效磷和速效钾含量
Figure 2. Hydrolyzable nitrogen, available phosphorus and available potassium contents in soil after 1 year of sowing
表 1 客土基本信息
Table 1 Basic information of foreign soil
有机质含量
Organic
matter content/
(g·kg−1)有效磷含量
Available
phosphorus
content/
(mg·kg−1)速效钾含量
Available
potassium
content/
(mg·kg−1)水解性氮含量
Hydrolyzable
nitrogen
content/
(mg·kg−1)24.16 71.22 120.66 153.28 
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表 2 喷播后2年植物生长情况
Table 2 Plant growth condition 2 years after spray sowing
灌浆深度
Grouting depth/cm密度/（株·m−2）
Density/ (plant·m−2)平均株高
Average plant height/cm地径
Ground diameter/cm2020年4月
April, 20202021年4月
April, 20212020年4月
April, 20202021年4月
April, 20212020年4月
April, 20202021年4月
April, 20210 33c 26c 103.53c 125.38c 1.23c 2.27c 15 39b 35b 108.69b 136.63b 1.45b 2.90b 30 43a 41a 116.17a 147.25a 1.73a 3.20a 45 44a 43a 116.24a 147.14a 1.77a 3.23a 注：不同小写字母表示不同灌浆深度间差异显著（P < 0.05)。Note: different lowercase letters mean significant differences among varied grouting depth (P < 0.05).
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