随着西部大开发战略2.0的不断深入推进，西部地区逐渐成为我国能源与矿产资源的主要接替区^[1]。普朗尾矿区所在地为云南省迪庆洲香格里拉市格咱乡，最低海拔2 400 m，该地区年均气温6.6 ℃，年均降水量600 mm，年均无霜期142 d。气候多变，地质结构复杂，主要灾害有地震、低温、干旱等。随着普朗铜矿矿山开采力度不断加大以及配套基础设施建设的不断推进，对当地生态环境破坏比较严重(图 1a)。此前，开展了一些生态修复研究工作，采用现阶段最广泛应用的客土喷播技术，但生态基材配比及组成不合理，已经施工完毕的区域并没有达到预期的生态修复效果(图 1b)。

在基材制备及植生性能表征方面，学者们进行了很多尝试。卢敦华等^[2]考虑水、土壤、水泥和有机质与粗纤维的混合物等4种成分在基材中的作用，通过正交试验找出了对应于试验指标的最优工艺条件和最佳配比方案。肖衡林等^[3]以生态基材组分中的泥炭、纤维、水泥、土壤改良剂和保水剂等开展了多指标多因素正交试验，探索各因素和水平对狗牙根的发芽和生长状况的影响规律。Xu等^[4]研发一种以聚丙烯酰胺(polyacrylamide, PAM)、羧甲基纤维素和粉煤灰为主要成分合成生态土壤基质，用于高寒高海拔地区岩质边坡喷播，为植被生长提供良好环境。蓝群力等^[5]提出一种新型组合结构与材料，将喷射混合料基础层、客土层与植生层组合为一体。唐淳雨^[6]采用正交试验，探究了腐殖土、蛭石、稻壳炭、保水剂等参数对基材土壤硬度、pH、出芽率、稳渗率、总孔隙率及干密度影响规律，得出最优配比，该配比使植株的平均出芽率得到有效提高。Luo等^[7]尝试将水泥用作新型生态保护材料中的粘合剂。这种新型材料的配方，既能满足边坡植被的生存要求，又能降低成本，提高早期生态保护的强度。综上，针对不同的工程概况以及资源在地性，学者们研发了不同种类的客土喷播基材，但是针对滇西北高海拔、高寒山区矿山开采工程扰动岩质边坡生态基材以及生态修复成功案例较少。

笔者釆用室内试验边坡模拟试验和高寒山区基地试验等手段，以植物的发芽率、植物生长高度2项指标以及基地生长态势等作为评判植生基材的植生性能，依据正交试验结果分别得出结构层和面层的最优配比，以期为高寒岩质陡边坡的修复提供一种方便配置、可靠性强的生态护坡基材，丰富高寒岩质边坡生态修复基材的种类；同时，为高寒、高陡岩质边坡生态修复的现场试验作指导。

1 材料及试验 1.1 试验材料

生态护坡基材主要由粉煤灰陶粒、土、有机肥料、核桃壳颗粒、纤维、聚苯乙烯泡沫颗粒(expendable polystyrene, EPS)、土壤改良高次团粒剂PAM、保水剂等组分组成。

1) 粉煤灰陶粒。粉煤灰陶粒为山东慢生活农业科技有限公司生产，粒径为10~15 mm，密度为274 kg/m³。

2) 纤维。稻草节为云南昆明本地农民自己生产的稻草节和谷壳，稻草节长度控制在4~6 cm，松散堆积的稻草节密度约为60 kg/m³；谷壳长方向的直径为12 mm, 堆积密度约为100 kg/m³。

3) 核桃壳颗粒。增强颗粒增加基材的力学性能以及抗冲刷性能。为云南昆明本地农民自己生产的核桃壳颗粒，直径大小5~10 mm, 堆积密度约为780 kg/m³。

4) 基质土。取自云南农业大学后山试验基地^[8](E 102°45′5″、N 25°8′7″)的红土壤，密度为1.23 g/cm³，其中黏粒(＜0.002 mm)、粉粒(≥0.002~0.020 mm)和沙粒(≥0.020~2.000 mm) 分别占39.47%、35.32%和25.21%。

5) 控释肥。为施可丰牌子的长效缓释复合肥，其中氮(N)≥18%，磷(P₂O₅)≥9%，钾(K₂O)≥9%。

6) EPS颗粒。为无锡会通轻质材料股份有限公司生产的EPS颗粒，直径为1~2 mm，密度为20 kg/m³。

7) 土壤改良高次团粒剂。为法国埃森生产的聚丙烯酰胺PAM，白色颗粒，固体含量＞97%，分子量为600~2 000，特性黏度17.50~19.40，水解度12.50%~30.50%，过滤比＜1.5，黏度≥38，溶解速度＜1.5。

8) 保水剂。为法国埃森生产的保水剂，粒径为粉状、细微粒、颗粒，有效固体含量85%~90%，外观密度0.85 g/cm³，特殊密度1.10 g/m³，最大吸水倍数为500倍，使用寿命为5年，无毒，阳离子交换能力4.60 meq/g。

9) 植物种子。鉴于滇西北高寒地区特殊的气候特征，护坡草种一般选用冷季型草种。本试验使用草种为高羊茅(Festuca arundinacea), 其须根发达，抗旱、抗寒、抗贫瘠能力强，分蘖能力强。

1.2 正交试验设计

采用正交试验方案探明各组分及主要影响因素对生态基材及植物植生性能的影响。考虑现场作业流程，生态基材分为结构层和面层2层进行制备，结构层正交试验和面层正交试验，分别记作A组和B组。

1) A组基材结构层。以陶粒和核桃壳颗粒、谷壳和稻草节、EPS、土壤改良剂、保水剂等5个组分作为考察指标的主要影响因素，每种因素取4个水平，不考虑其因素的交互作用，试验方案见表 1和表 2，制备16种不同成分含量的基材结构层。对结构层进行正交试验时面层基质保持不变，面层基质成分质量比为谷壳(9.009%)：土壤改良剂(0.004 5%)：保水剂(0.004 5%)：土壤颗粒(90.09%)。

2) B组基材面层。以稻草节、谷壳、EPS、土壤改良剂和保水剂等5个组分作为考察指标的主要影响因素，每种因素4个水平，不考虑其因素的交互作用，试验方案见表 3和表 4，制备16种不同成分含量的基材面层，对面层进行正交试验时结构层基质保持不变，结构层基质成分质量比为陶粒(10%)：核壳(10%)：谷壳(10%)：稻草节(5%)：土壤团粒剂(1%)：保水剂(0.5%)：土壤颗粒(63.27%)：肥料(0.13%)。

1.3 试验过程

1) 边坡模拟小车。图 2所示的小车进行试验研究，坡度可以按实际情况进行调节，坡度为45°。试验中把小车平均分成8份试验地块，同时用隔板相互隔开。

2) 配料。按照表 1~4，根据试验块称量出所需的组分质量进行混合。

3) 试验块。将每组试验块所需的材料搅拌均匀后，填充入相应试验块内，做好标记，如图 2所示。

4) 播种。单一植物高羊茅, 播种量为20.00 g/m²。

5) 植物生长环境。试验所在地为云南农业大学本部校区，海拔1 930 m，年均气温14.5 ℃，试验时植物生长温度在13~25 ℃之间，每隔2 d对试验田进行灌溉，每车每次浇灌8 L水。

6) 观测记录。将选用的植物种子均匀的播种到每1个方格间里，播种后，按照一定时间间隔，对1号~16号配比基材中植物种子的发芽率、生长情况及覆盖度进行连续观测并记录。

1.4 植生性能测试

以高羊茅种子发芽率、植株生长高度等作为评判试验基材植生性能优劣的指标。采用5点取样法，每个取样点大小为10 cm×10 cm的正方形区域，将5个点的算术平均值作为高羊茅在该基材条件下的植生性能。

种子发芽率：自播种开始，采用5点取样法统计高羊茅的发芽情况，直到达到最大出芽率停止记录。

生长高度：自播种开始，采用5点取样法统计高羊茅的植株高度，2周后进行第1次高度测量，其余每隔3 d进行测量1次植株生长高度。

采用Minitab数据分析软件进行极差分析^[9]。

2 结果与分析 2.1 基材发芽率

自播种后开始记录高羊茅的发芽情况，直到达到最大出芽率。从试验过程记录来看，不同基材的高羊茅刚开始生长规律基本相同，在播种的第3天开始发芽，在第14天后绝大部分达到最大发芽数，之后，高羊茅株数基本维持不变(图 3)。

从图 3a中可以看出：高羊茅在A9基材中拥有最大发芽株数，发芽数为1 313株，最小发芽基材是A2，发芽数为963株，平均发芽数为1 151株，高于平均发芽水平的有A7、A8、A9、A10、A11、A12、A13、A14和A15，其中，A1、A2与A4发芽率最低，均低于1 050；A9与A11出芽率较高，均超过1 250株；最高发芽株数与最低发芽株数之比达到1.36。

从图 3b中可以看出：高羊茅在B3基材中拥有最大发芽数，发芽数为1 260株，最小发芽基材是B13，发芽数为945株，平均发芽数为1 095株，高于平均发芽水平的有B1、B2、B3、B4、B5、B6、B11和B12。其中B13、B15和B16发芽率最低，均低于1 040；B2和B3发芽率最高，均超过1 140株；最高发芽率与最低发芽率之比达到1.33。

2.2 基材高羊茅生长高度

图 4为生态基材在不同时期下的高羊茅生长高度。从图 4a来看，虽然不同基材不同阶段中高羊茅生长快慢不一样，但高羊茅在每种基材中生长规律基本类似，其在第27天左右的时候，经历第1次生长快速期。该生长快速期持续大约6~8 d时间。由于播种季节处于夏季，气候温暖湿润，一直处于良好生长阶段，在播种后57 d左右高羊茅生长高度达最高，由于基材肥料不足随后开始下降到播种后60 d左右趋于平稳，后继续缓慢增长。

播种2周后，高羊茅平均高度达到2.97 cm，具有一定强度而且具有良好的水土保持能力(图 4b)。30 d后，高羊茅高度已经超过5 cm，土壤和植物根系复合体已经具有良好的抗侵蚀能力(图 4c)；45 d后，高羊茅平均高度大于8 cm，已具备很好的抗流水侵蚀能力(图 4d和图 5)。

从图 4a还可以看出，A组基材在播种后18 d之内，高羊茅在16种基材中的生长高度基本相同，随后开始逐渐拉开差距。到第30天的时候，在A9基材中达到最高，高度6.54 cm，在A7基材中的高度为3.70 cm，在A1~A16基材中，高度超过5.11 cm的有A1、A4、A9、A10、A11、A13、A15和A16(图 4c)；到第45天的时候，高度在8 cm左右的有A1、A2、A5、A6、A9、A10和A16，其余都大于6.50 cm；到第57天时候，高度大于9.10 cm的有A1、A5、A6、A9、A10和A15，此时高羊茅的高差为4.2 cm。由此，通过对比高羊茅几个不同生长时期可以知道，高羊茅在基材A1、A9和A10中生长最好；在A5、A6、A15和A16中生长次好；在A7、A8中生长最差；在其他基材中生长情况居中。

对基材在第15、30和45天的生长高度进行统计，各A组基材高羊茅在不同时间节点高度生长规律如表 5所示。随着时间推移，高羊茅的生长高度逐渐增大，各基材的高羊茅高度的标准偏差也逐渐增大，各基材高羊茅高度和平均值相比差异均不显著。

图 6为面层(B组)生态基材高羊茅的生长曲线。从图 6a来看：在第21天左右的时候，大部分高羊茅经历第一次生长快速期，到第27天左右时全部高羊茅开始快速生长该生长期持续大约6~8 d时间。与A组基材类似，由于播种季节处于夏季，气候温暖湿润，高羊茅一直处于良好生长阶段，在播种后57 d左右高羊茅生长高度最高，由于基材肥料不足随后开始下降到播种后60 d左右趋于平稳。播种2周后，高羊茅平均高度为2.88 cm，具有良好的稳定固土能力(图 6b)。第30天后，高羊茅平均高度为4.64 cm，高羊茅生长高度呈现出明显的两级分化(图 6c)；第45天后，高羊茅平均高度超过6.50 cm，已经具有良好的抗水流侵蚀能力(图 6d和图 7)。

从图 6a还可以看出B组基材，在播种18 d之内，16种基材中的高羊茅高度基本接近，约2.99 cm，在第21天左右的时候，大部分高羊茅开始生长快速期，到第27天左右时全部高羊茅开始快速生长，到第30天的时候，最高的高羊茅高度达到7.46 cm(B2基材)，最矮的仅为2.12 cm(B12基材)，高差为5.34 cm；在B1~B16基材中，高度超过4.64 cm的有B1、B2、B3、B4、B5、B6和B7，其他都低于平均值(图 6c)出现了明显的两级分化；到第45天的时候，高度超过8 cm的有B1、B2、B3、B4、B6和B7；到第57天的时候，高度超过9.50 cm的有B1、B2、B3、B4、B5、B6和B7，高差为5.86 cm。对比可发现，在不同阶段高羊茅生长较好的为：B1、B2、B3、B4、B5、B6和B7；较差的为B11、B12、B13、B14、B15、B16，出现了明显的两级分化；其他的生长一般。

对基材在第15、30和45天的生长高度进行统计，分析各B组基材高羊茅在不同时间节点高度生长规律(表 6)，可以看到：随着时间推移，高羊茅的生长高度逐渐增大，各基材的高羊茅高度的标准偏差也逐渐增大，从差异性显著分析来看，各基材高羊茅高度和平均值相比差异均也不显著。

2.3 基材正交试验极差分析与讨论

极差的大小反映正交试验中各因素对试验影响的大小，极差越大该因素对试验的影响越大。正交试验结果分析中，选取A、B组高羊茅最大发芽幼苗数和播种57 d后的最高生长高度作为基准指标，分别对基准指标给出相对分值，分值计算方法^[10]为：(生长高度/最高生长高度)×100、(发芽株数/最大发芽株数)×100。将二者的分值按指定的权重计算出综合分值(表 7和表 8)。基于此得出结构层和基材面层的正交试验极差分析结果(表 9和表 10)。

从表 9极差分析来看：各组分对基材的植生性能影响较大，其中当陶粒和核桃壳颗粒的质量分数为15%时，高羊茅的综合表现最好，但质量分数超过15%时，基材粒化程度增大，导致基材的气相比例太大不利于水分的保持，限制高羊茅的植生性能。粉煤灰陶粒具有多孔、质轻、表面强度高的特殊构造，可以起到储水、调水的功能，满足植物含水以及透气的需要，另外陶粒的强度比较高，将其加入到基材中可以显著改善基材的力学性能。核桃壳在基材中可以提高基材的力学性能，同时可以实现农林废弃物的资源化利用。谷壳和稻草节为植物提供养分又具有较好的连接和缓冲作用。但植生性能与谷壳和稻草节含量呈负相关，原因是当谷壳和稻草节含量增大时，土颗粒含量减小，在短时间内谷壳和稻草节不能及时腐化，降低基材的短时有效肥力需求。植生性能与基材中土壤改良剂呈正相关, 改良剂PAM使土壤形成团粒结构以利于植物的生长。经过PAM改良后的土壤具有团粒结构，能协调热、气、水、肥诸肥力因素，给植物生长提供良好环境。EPS主要对基材的抗冻性能起重要作用，对植物的植生性能表现不明显。本研究中对基材进行定期浇水，导致保水剂对植生性能并没有发生积极的作用，但是在现场试验中由于雨水缺乏，保水剂的作用不能忽略。

从表 9的极差大小顺序可知陶粒和核壳含量应取第3水平；谷壳和稻草节含量取第1水平；EPS含量应取第3水平；PAM取第4水平；保水剂取第2水平(A₃B₁C₃D₄E₂)，即A9基材，高羊茅高度最高。又根据极差大小得到结构层基材中对高羊茅生长的状况影响大小的主次关系为：A＞D＞B＞C＞E。

从极差分析来看，高羊茅的植生性能与基材中的稻草节含量呈负相关关系，当谷壳和稻草节含量较大时，在一定时间内谷壳和稻草节不能及时腐化，使基材的气相比例加大而不利于水分的保持，降低土壤的短时肥力而高羊茅在发芽和开始生长阶段对土壤所需肥力要求较高。

从表 10极差分析可知：稻草节应取第1水平；谷壳含量取第3水平，EPS含量取第2水平；PAM取第3水平；保水剂取第2水平。故最优配为F₁G₃H₂I₃J₂，B2与B3组基材配比接近最优配比，经试验证明得分也是最高的分别为95分和91分。面层基材中对高羊茅生长状况因素影响大小的主次关系为：F＞J＞G＞I＞H。

2.4 基材结构形貌及基地试验验证

1) 根-土复合体互作用机理。图 8为生态基材中各组分及根系等对土体抗雨水冲刷的增强示意图。可以看到，在根系还未成形时，生态基材在陶粒、稻草节、核桃壳以及谷壳之间的相互作用下，给基材提供了一定的抗雨水冲刷的能力，但是彼此间的相互作用联系相对薄弱，基材空隙较大，在强降雨及强地表径流作用下，基材的抗雨水冲刷侵蚀破坏的能力较弱。但是当植物根系不断延伸到基材内部以及风化岩面和裂隙后，多根系相互交叉形成网格包络，将陶粒、稻草节、核桃壳、谷壳以及土体颗粒等有机联系成为一个整体结构，同时较好地将生态基材锚固在岩质边坡表面，起到“绿色锚杆”的作用，显著提升基材的抗雨水冲刷能力以及基材在边坡的长期稳定性。随着时间的推移，稻草节以及谷壳被逐渐分解又能够为植物的生长提供必要的养分。植物根系在汲取养分的同时继续壮大自身的根须系统，进而将陶粒和核桃壳紧紧包裹在一起，形成根-土复合体持续提高基材的水土保持能力，从而提高生态护坡基材的耐久性。

2) 基地试验验证。为了评判基材在高寒山区的适应性，在室内试验的基础上，结合迪庆藏族自治州香格里拉市格咱乡普朗尾矿区现场施工条件，利用室内植生性能最优的生态护坡基材组合进行基地试验验证。基地试验采用的基材配比为：结构层A9+面层B2；在试验中采用PZ-7B混凝土干喷机(喷油双螺杆压缩机)喷播生态基材，基材喷射分2次喷射(图 9b)，第1次喷射结构层，喷射后进行挂网加固基材防止脱落；挂网后进行面层喷射，面层喷射完成后进行人工播种(图 9c)，在60°坡面进行不同植物优选(高羊茅、胡枝子(Lespedeza davurica)、锦鸡儿(Caragana sinica)、黑麦草(Lolium multiflorum)、苜蓿(Medicago sativa)、紫穗槐(Amorpha fruticosa))。

图 10为现场基地试验植生性能及边坡稳定性试验结果，从整体来看：在高陡岩石坡面基材均未出现大块整体脱落情况。从坡面植物生长态势来看：高羊茅长势最好，黑麦草次之，苜蓿、紫穗槐、胡枝子和锦鸡儿仅有少量发芽并长出来，这主要是因为种子失去了活力，这说明在现场试验过程中可以优先选用高羊茅和黑麦草作为先锋物种。

3 结论与讨论

1) 通过小车边坡模拟试验，采用正交试验设计和极差分析发现，对高羊茅生长状况影响大小顺序为陶粒、核壳＞PAM＞谷壳、稻草节＞EPS＞保水剂。其中，陶粒和核桃壳颗粒各7.50 g、谷壳和稻草节分别为2.50 g和1.25 g、EPS取0.10 g、PAM取1.50 g、保水剂取0.50 g为结构层基材的最优配比。

2) 通过正交极差分析发现，面层基材中对高羊茅生长的状况影响大小的主次顺序为稻草纤维＞保水剂＞谷壳＞PAM＞EPS，其中，稻草纤维取2.50 g、谷壳取7.50 g、EPS取0.30 g、PAM取0.40 g、保水剂0.20 g为面层基材的最优配比。。

3) 基地植生性能试验表明，此生态基材牢固稳定未出现脱落情况，现场试验过程中可以优先选用高羊茅和黑麦草作为先锋物种。但是，有必要结合第3阶段的现场护坡试验再次验证此基材在高寒高海拔岩质边坡生态修复的合理性和可靠性。