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

第37卷第9期I暮诧甜敢求V0L37NO．92014年9月EnvironmentalScience＆TechnologySept．2014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田．环境科学与技术，2014，37(9)：48—54．JiaHaoran，NingLibo，LiMing,eta1．Ecologicalsignificanceofrockfracture：casestudyofquarryinJinpingMountainofYiyangCounty，HenanProvince田．EnvironmentalScience＆Technology．2014，37(9)：48-54．岩体裂隙的生态学意义研以河南省宜阳县锦屏山采石场为例贾昊冉，宁立波，李明，陈娇(中国地质大学环境学院，湖北武汉430074)摘要：在高陡岩质边坡覆绿工程中，岩体裂隙有着非常重要的生态学意义。岩体裂隙可以截留和储存土壤、水分以及营养物质并保持稳定，同时导通水分和空气，构建出完整的适宜植物生长的地境。这对边坡的生态恢复具有较强的现实意义。文章在整合锦屏山高陡岩质边坡进行岩体裂隙调查结果的基础上，依据生态地质学理论，通过对岩体裂隙空间、裂隙的优势方向、裂隙的连通性以及裂隙内的温湿度条件等当地岩体裂隙特点进行分析，得出如下结论：良好的裂隙条件可以满足植物生长所需的地境条件要求，为人工构建地境提供了有利的条件和理论依据。通过对岩体裂隙的有效利用，能够使复绿—作种植的植物长期稳定的生长，从而帮助生态环境向可自我调节的方向发展。关键词：岩体裂隙；生态学；地境；锦屏山中图分类号：X14文献标志码：Adoi：10．3969／j．issn．1003—6504．2014．09．O1l文章编号：1003-6504(2014)09—0048—07EcologicalSignificanceofRockFracture：CaseStudyofaQuarryinJinpingMountainofYiyangCounty，HenanProvinceJIAHaoran，NINGLibo，LIMing，CHENJiao究(SchoolofEnvironmentalStudies，ChinaUniversityofGeosciences，Wuhan430074，China)Abstract：ThispaperrelatedtoarevegetationprojectwhichwasconductedforthepurposeofecologicalremediationinanabandonedquarryinJinpingMountmnofYiyangCounty，HenanProvince．Investigationintotheprojectfoundthatrockfractureshadaverycrucialecologicalsignificanceduringtherevegetationonthehighsteeprockslope，whichmeantsoil，waterandnutrientscouldberetmnedandstoredinrockfractures，andremainedstable；atthesametime，rockfracturescouldhelpconductwaterandair．Therefore，thesecharacteristicsfacilitatedbuildingacompletesuitablebelow-groundhabitatforplantgrowthonthesteepslope．Onbasisofecologicalgeologytheory，byintegratingtheresultsoffieldsurveyandanalyzingtherockfracturescharacteristicsofthesteeprockslopeinJinpingMountain，involvingvariousrockfractureparameterssuchasspace，superioritydirection，connectivity，temperatureandhumidityconditions，itwasfoundthatrockfracturesinagoodconditioncouldnurtureabelow--groundhabitatconducivetoplantgrowth，thusprovidingfavorableconditionsandtheoreticalbasisforartificialbelow—groundhabitat．Throughtakingadvantageofrockfractures，itispossibletoenabletogrowplantslivinglongerandstable，whichwouldlettheeco--environmentevolvetowardsthemodeofself-regulation．Keywords：rockfractures；ecology；below-groundhabitat；JinpingMountain开山采石等矿业活动造成了大量的高陡岩质边用的工程方法如厚层基材客土喷播法、植生槽法和鱼坡。一些被工程完全破坏的边坡生态环境，必须通过鳞坑法，主要侧重于基质的塑造，其生态效果不能得人类工程手段进行干预。一般来说，岩质边坡不具备到保证l41。植被生长所需的土壤环境和物质基础。而现阶段常现阶段工程中对岩体裂隙的利用大多还停留在《环境科学与技术》编辑部：(网址)hftp：佣ks．chinajourna1．net．cn(电话)O27—87643502(电子信箱)hjkxyjs@126．tom收稿日期：2013—10—18；修回2013—12—27基金项目：河南省国土资源厅科研项目资助(201246229)作者简介：贾昊冉(1987一)，男，硕士研究生，主要从事生态水文地质等方面的研究，(电子信箱)luan880311@hotmail．com；通讯作者，(电子信箱)ninglibo200294@163．eom。\n第9期贾昊冉，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49经验水平71，对于怎样的裂隙条件可以更好地改善覆木质部圆柱体形状不变，根皮平展，厚度为0．1Bin的绿工作效果的问题缺少生态学角度的考量。根据生态根皮能延展到0．75mill宽。根皮紧贴裂隙壁平展，地质学理论，植物若要正常生长，其所需的各项地下增加根系与裂隙的接触面积【ll一12]。故在裂隙发育条件生境(简称地境)条件必须适宜同。良好的地境条件不良好的区域，植物的根系会通过沿着薄层土壤与障仅适宜植物生长，还有助于植被的长期生长和形成具碍物接触面生长的方式，最大限度地寻找扎入裂隙的有自我调节能力的生态环境【61。就边坡覆绿而言，植物机会n。在深入岩体裂隙内部后，即可在吸取水分和的地境条件主要由裂隙的空间、优势方向、连通性、温养分的同时固持植物。另一方面，根据生态地质学中湿度等裂隙条件构成。相较于土木工程作业单纯的覆的根群理论，植物真正具有吸收功能的不是老龄的绿，从生态学的角度进行生态重建可以营造出接近自主根和侧根，而是幼根前端和根毛，根系中的这部然的生态系统闭。分根直径一般在2mii1以下，相对而言更容易在裂隙本文以河南省宜阳县锦屏山矿区为例，从植物根中生长。系的发育空间、裂隙的优势方向、裂隙的连通性以及单位体积岩体所包含的裂隙的总体积为岩体的裂隙内的温湿度条件分析了该矿区高陡岩质边坡岩体裂隙率，较大的岩体裂隙体积方能为植物根系提供体裂隙发育特点，探讨裂隙发育特征在岩质边坡复绿足够的生长空间。体裂隙率的计算公式如下：工作中的生态学意义。nK体=vi／v‘100％l=11锦屏山矿区高陡岩质边坡概况式中：K体为体裂隙率；v为选择的岩体体积；y为锦屏山采石场从1980年开采至1997年全部关第f组裂隙体积；为裂隙组数。闭，经过17a的大规模露天开采，留下了众多植被破本次共调查锦屏山采石场27个，岩壁70个，裂隙坏、岩石裸露的采石边坡。剥离面高30～150m不等，2315条，主要为构造裂隙和层面裂隙。据统计，岩壁裂且坡度陡(多在70。以上)。边坡岩体构造节理和卸荷隙一般在3～5组，有些岩壁有7组裂隙，隙宽lmm左裂隙发育。山体表面原有的地形地貌景观(包括植被)右，最大隙宽约lcm。经计算，岩壁体裂隙率为3％一被全部破坏。5％，个别地方达7％，最小也超过2％o。由于该采石场2岩质边坡裂隙的生态学意义岩壁岩性为奥陶系马家沟组灰岩，此裂隙率属于正常范围。由土壤、部分母质及包含在其中的水分、盐分、空在岩质边坡覆绿工作中由于条件限制，一般不气、有机质等构成的地下空问实体，是植物赖以生存选择大型乔木。而通过植物实验得知，在l0～50cm深的营养源和根系的固持基质，这一地下空间称为植物度范围内，灌木单株植物根系的总体积大多在30—60的地下生境，简称“地境”。植物若要在岩壁上生长，其cm3之间，最高78．5cm3。其中根径小于2mm的细根地境条件必须得到一定的满足，使得植物根群圈的理化指标维持在植物可以存活的阈值之内-引。对于节理总体积一般为6～14cm。，最高31．64cm3[]4-151。裂隙发育的岩体，裂隙空间在截留和储存作为基质的在复绿工作的设计中，考虑到植物地上部分对空土壤、水分的同时，还可以保持一定深度下基质和水分间的需求，植物的种植密度一般为l株／m2。而根据体条件的稳定；另一方面，连通的裂隙网络还起着水分裂隙率进行计算，在50cm地境深度范围内，一条隙与空气传导通道的作用，从而提供了植物所需的基本宽lmm左右的层面裂隙其裂隙空间体积即可达到地境条件。而植物的根系作为植物与地境联系的纽500cm3，可以满足根系生长的空间需求。而且植物根带【5J，具有深入裂隙的能力，使得植物可以利用裂隙系通过主要裂隙扎入岩体后，还可以沿岩体内部的裂所提供的地境条件，在岩质边坡这种恶劣条件下存隙网络空间进行多方向的伸展，而承担着主要吸收功活[a--91。故岩体裂隙的空间条件，截留土壤和水分的能能细根更是可以扎入细小的裂隙中，对裂隙空间进行力、其自身裂隙网络条件以及保持地境条件稳定的能更加充分的利用。力，是决定岩质高陡边坡上能否构建出适宜的地境，锦屏山采石场的岩石裂隙隙宽较大，有利于植物从而使植物可以生长和存活的重要因素。根系扎入。由于研究区岩壁以灰岩为主，植物生长产2．1岩质边坡根系发育空间生的有机酸可以促使方解石溶解，加上根系生长过生长空间受到过度限制会阻碍植物根系的生长f10]。程中的根劈作用，会进一步扩大裂隙体积。故选择裂但植物根系有很强的可塑性，能扎入小于根系直径的隙发育的区域进行植物种植，岩壁上的裂隙网络就能裂隙，最小为0．1mm。进人细小裂隙的根系保持根系够为植物根系提供足够的生长空间。\n50I‘琵尉敢求第37卷2．2岩质边坡裂隙优势方向调查为了直观反映岩壁的裂隙发育程度和裂隙网络岩质边坡裂隙网络发育的方向不仅决定了植物发育的主方向，将本次野外测得的裂隙产状资料以根系生长的方向，还关系到裂隙内是否能够截留和储l0。为一区间进行分组，统计出每组裂隙的数量和倾存供植物生长的土壤和吸收利用的水分。生态地质学向的平均值。经统计，锦屏山采石场不同岩壁裂隙大认为，根系吸收水分和养分的主功能区称作根群，它多在3组以上，最多发现7组。裂隙以倾向南西180。～所囊括的土体空间又称根群圈，在其中微生物依赖根240。方向最为发育，北东10。～65。方向次之，北西和南的代谢产物生存，同时将土中无机盐转化为生物有效东方向也有发育。态供根吸收，以帮助其完成正常的代谢过程圈。故如果为直观反映锦屏山采石场不同岩壁的裂隙方位，岩体裂隙发育的优势方向无法截留和保存土壤，根群以下是根据裂隙测量数据编制代表性强的岩壁赤平圈就缺少了基质，无法成型。投影图(图1-6)。w巳●SSS图19号宕口尔壁赤半投影图图2l1号宕口西壁赤半投影图图312号宕口东壁赤半投影图Fig．1Theeastsideclif’sstereo-Fig．2Thewestsideclif’sstereo·Fig．3Theeastsideclif’sstereo-graphicprojectionofNo．9PitgraphicprojectionwofNo．1lPitgraphicprojectionofNo．12PitNWEELLl1SSS图414号宕口西赤半投影图514号宕口南壁赤平投影图图620号宕口尔壁赤半投影图Fig．4Thewestsidecliff'sstereo—Fig．5Thesouthsidec1i卵sstereo-Fig．6TheeastsidecliffsstereographicprojectionofNo．14PitgraphicprojectionofNo．14PitgraphicprojectionofNo．14Pit图中标尺线表示岩壁坡角，细线表示裂隙产状。作用。植物不仅在缺少水分条件下无法正常生长，其从赤平投影图可以直观地看出：岩壁裂隙面倾向多与根系的代谢还需要有氧环境，在通气性差的条件下，岩壁坡向相反，岩石裂隙的优势方向呈一定角度向下即使土壤含水量高，根系对水分的吸收也会减少[16，指向山体内部。在降水从山顶沿岩壁向下冲刷时，这严重时会影响植物的存活。故裂隙作为水分和空气样的发育方向有利于裂隙截留土壤和水分，保证了植的运移通道和水分的储存空间，其连通状况和储水物对土壤需求的同时，还可以有效补充裂隙中因植物性能对裂隙内植物根系是否能够正常生长有着重要消耗而损失的水分。另一方面，大气降水在冲刷的过的影响。程中携裹山顶表层肥分较高的土壤进入裂隙内部，成为测试岩壁裂隙网络的连通性和导水能力，并大为裂隙中基质养分的主要来源。致推测裂隙浅部水分的运移方向，我们利用水在裂隙2．3岩质边坡裂隙的连通性和导水贮水特性分析中的运移特f生设计了简单的实验：在13号采石场东壁对于边坡岩体来说，其内部水分和空气的传导(图7)图裂隙发育区域布置注水孔和观测孔；顶端1取决于裂隙的连通状况，故这一指标在土壤肥力培号孔为注水孔，直径15cm，深50cm，孔口倾斜向上，育、植物的生命活动和微生物活动过程中起着重要的与壁面竖直方向夹角45。。1号孔以下2l0号孔均为\n\n52东壁南壁西壁东壁南壁西壁东壁南壁西壁聘吩愕l号3东壁南壁¨887n97l187\n第9期贾昊冉，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53裂隙深度／cm裂隙深度／cm(a)生长有植物L(b)深度40cm孔裂隙深度／cm裂隙深度／cm(c)深度50cm孔(d)深度>50emilpl31ij图1O裂隙’温度曲线图Fig．10Thetemperaturecurvediagramontherockfractures(2)无土壤覆盖的部分岩壁裂隙浅部温度相对较【参考文献】高，但在深度达到和超过50cm时，温度以及温度【l】HodacovaD，PrachK．Spoilheapsfrombrowncoalmining：随深度变化的趋势和长有植物的有土壤覆盖裂隙technicalreclamationversusspontaneousre—vegetation[J】．基本相当。RestorationEcology，2003，11：385-391．在地境处于宏观稳定态时，某一物种根群圈所在【2】李绍才，孙海龙．中国岩石边坡植被护坡技术现状及发展趋的特定地境深度范围称作物种的地境稳定层【5J。锦屏势[J】．资源科学，2004(26)：61—66．山采石场立地条件特殊，根据对该地区植物地境结构LiShaocm，SunH~long．Developingtrendandsituationsof的调查，灌木和乔木的根群圈地境稳定层的深度范围techniquetostabilizerockslopewithvegetativecoverinChi——标准为30～50cm左右。na[J]．ResourceScience，2004(26)：6l—66．(inChinese)结合之前的裂隙湿度调查结果，可以看出岩壁裂【3】丰瞻，许文年，李少丽，等．基于恢复生态学理论的裸露山体生态修复模式研究[J]．中国水土保持，2008(4)：23—26．隙在30～50cm深度范围内时，温湿度均相对稳定，温FengZhan，XuWennian，LiShaoli，eta1．Ecological度恒定，湿度大，水分含量高。而50cm以下温湿度曲restorationtechnologyofbaremountmnbasedonrestoration线趋于平缓，即使植物根系在裂隙中受到胁迫作用向ecologytheory【J]．SoilandWaterConservationinChina，深处生长，超出了稳定层的范围，其温湿度条件仍然2008(4)：23—26．(inChinese)是相对适宜的。【41朱克亮．贵州喀斯特石山植被的自然恢复：以公路裸岩陡边坡为例[JJ．山地学报，2011，29(6)：713—720．3结论ZhuKeliang．VegetationnaturalrecoveryinGuizhoukarst(1)锦屏山采石场的岩体岩体裂隙发育，为植物area：acasestudybyhighwayrockyslope【J】．Joumalof根系提供了足够的发育空间；裂隙发育方向指向山体MountainScience，2011，29(6)：713—720．(inChinese)内部，非常有利于岩壁裂隙拦截储存土壤、水分以及【5】徐恒力，孙自永，马瑞．植物地境及物种地境稳定层[J]．地球植物生长所需的养分；不同产状的裂隙相互交织，形成科学，2004(2)：239-245．了连通性良好的裂隙网络，导水和透气的能力都较XuHengh，SunZiyong，MaRui．Plantbelow—ground好，可以为植物生长提供充足的水分和氧气；在该地habitatandstablelayerofplantspeciesinhabitat[J]．EarthScience．2004(2)：239-245．(inChinese)区植物地境稳定层的深度范围内，裂隙中湿度大，水分【6】程勇．江苏省露采矿山岩质边坡生态恢复技术研究【D】．南含量高，温度恒定。京：南京林业大学，2006(2)良好的裂隙发育情况可以人工构建适宜的地ChengYong．StudyonEcologicalRestorationTechniqueof境，保证植被生长状态的稳定，有助于在边坡上形成theRockSlopeoftheOpenMiningMountaininJiangsu有自我调节能力的生态环境，改善高陡岩质边坡的覆Province[D]．Nanjing：NanjingForestryUniversity。2006．(in绿效果。Chinese)\n54杯砣尉敢求第37卷【7】RentchJS，FortneyRH，StephensonSL，eta1．Vegetation—tagesandconstraintsofaspecializedruot-systemmorpholo-siterelationshipsofroadsideplantcommunitiesinWestVgY[J]．NewPhytologist，2008，178：371-381．ginia，USA．JournalofAppfiedEcology，2005，42：129—【14]梁同江．几种灌木根系分布对高速公路生态边坡的影响138．【D】．南京：南京林业大学，2010．【8】赵志明，吴，王喜华．工程边坡绿色防护机制研究fJ1．岩LiangTongjiang．InfluenceofSeveralShrubs’RootSystem石力学与工程学报，2006(2)：299—305．DistributingonProtectionofEcologySlope【D】．Nanjing：ZhaoZhiming，WuGuang，WangXihua．Reseachongreen—NanjingForestryUniversity，2010．(inChinese)ingprotectionmechanismforengineeringslope[J]．Chinese【l5】张超．宁杭高速公路边坡五种灌木根系防护效益研究【DJ．JournalofRockMechanicsandEngineering，2006(2)：299—南京：南京林业大学，2011．305．(inChinese)ZhangChao．ResearchonEcologicalProtectionEffectsof【9】肖盛燮，周辉，凌天清．边坡防护工程中植物根系的加固机FiveKindsofShrubstoNinghangHighwaySideSlope【D】．制与能力分析[J】．岩石力学与工程学报，2006(S1)：2670—Nanjing：NanjingForestryUniversity，2011．(inChinese)2674【l6】MegonigalJP，DayFP．EffectsoffloodingonrootandXiaoShengxie，ZhouHui，LingTianqing．Mechanismandshootproductionofbaldcypressinlargeexperimentalenclo-abilityanalysisofplantrootreinforcementinslopeprotectionsures[J]．Ecology，1992，73(4)：1182-1193．【J】．ChineseJournalofRockMechanicsandEngineering，【l7】陈建余．非稳定饱和一非饱和渗流场数值计算关键技术及2006(S1)：2670—2674．(inChinese)其应用研究【D】．南京：河海大学，2003．【10】HurleyMB，RowarthJS．ResistancetorootgrowthandChenJianyu．StudyonKeyTechniquesinSolvingUnsteadychangesintheconcentrationsofABAwithintherootandSaturated—UnsaturatedSeepageFieldandItsApplication[D]．xylemsapduringroot—restrictionstress[J]．JournalofExper-Nanjing：HohaiUniversity，2003．(inChinese)imentalBotany，1999，50(335)：799-804．[18】韩广轩，周广胜，许振柱．中国农田生态系统土壤呼吸作用【l1】聂云鹏，陈洪松，王克林．土层浅薄地区植物水分来源研究研究与展望fJ1．植物生态学报，2008，32(3)：719—733．方法fJ1．应用生态学报，2010(9)：2427—2433．HanGuangxuan，ZhouGuangsheng，XuZhenzhu．ResearchNieYunpeng，ChenHongsong，WangKelin．Methodsforandprospectsforsoilrespirationoffarmlandecosystemsindeterminingplantwatersourceinthinsoilregion[J]．ChineseChina[J]．JoumalofPlantEcology，2008，32(3)：719-733．JournalofAppliedEcology，2010(9)：2427-2433．(inChi—(inChinese)nese)【191黄长权．向日葵列当寄生机理的研究[DI．哈尔滨：东北农【12】ZwienieckiMA，NewtonM．Rootsgrowinginrockfissures：业大学，2012．theirmorphologicaladaptation[J]．PlantandSoil，1995，172：HuangChangquan．ResearchontheParasiticMechanismof181-187．OrobancheCumanaWalk[D]．Harbin：NortheastAgricultural【13】PootP，LambersH．Shallow-soilendemics：adaptiveadvan—University，2012．(inChinese)(上接第41页)EnvironmentalScience&Technology，2010，33(9)：67～70．【11】ChangXF，HuangJ，ChengC，eta1．Photocatalytic(inChinese)decompositionof4一t—octylphenoloverNaBiO3drivenby【13】WangJY，LiuZH，CaiRX．AnewroleforFeinTiO2visiblelight：catalytickineticsandcorrosionproductsfJ]．hydrosol：acceleratedphotodegradationofdyesundervisibleJournalofHazardousMaterials，2010，173(1／2／3)：765—772．light[JJ．EnvironmentalScienceandTechnology，2008，42【l2】董秋花，刘明阳，赵中一．TiO催化降解结晶紫的降解历程(15)：5759—5764．探究【J1．环境科学与技术，2010，33(9)：67—70．[14】KuramotoN，KitaoT．ThecontributionofsingletoxygentoDongQiuhua，LiuMingyang，ZhaoZhongyi．Degenerationthephotofadingoftriphenylmethaneandrelateddyes【J】．courseofcrystalvioletphotocatalyticdegradedbyTiO2【J】．DyesandPigments，1982，3(1)：49-58．