公路坡面稳定与土壤重建技术

第五章　坡面稳定与土壤重建技术

土壤重建是坡面植被恢复的重要前提，而坡面稳定又是土壤重建的基础条件，因而坡面植被恢复工程首先是坡面稳定技术和土壤重建技术的应用。即基于原有坡面土壤层分崩离析的立地条件，根据既定的植被恢复目标要求，分别对坡面进行工程防护、表土固定以及人工土壤重建，为后续实施植被建植工程提供先决条件。

第一节　坡面稳定技术

工程开挖形成的边坡不仅造成水土流失和生态破坏，而且坡体的深层、浅层和表层均存在不同类型或不同程度的病害隐患，致使边坡处于不稳定状态，对路基、路面稳定造成严重影响，甚至危及公路行车安全。因此，根据边坡稳定性评价结果，针对边坡特征及病害类型，采取相应的工程措施进行病害治理和稳定处治，既是边坡稳定工程的重要内容，也是坡面植被恢复的基础工程。目前边坡常见的工程治理措施如图5－1所示。

图5－1　常见边坡工程治理措施

一、坡体工程加固

坡体工程加固是针对边坡常见病害的工程处治措施，其目的是保证坡体深层和浅层的稳定，当然同时也是保障坡面稳定的治本之举。在具体工程实施上，坡体加固是通过支挡结构防护技术来实现的，主要是依据岩土力学原理及应用土木工程和机械工程技术，采用刚性或柔性支挡构筑物或机械构件，对坡体的深层和浅层的破坏、失稳进行加固处治，其对消除坡体病害和潜在隐患、维持坡面表层稳定作用显著。但是，坡体加固工程并非一劳永逸，随着时间的推移，岩石风化、混凝土老化、钢筋腐蚀等现象不可避免，从而导致坡体防护强度的逐渐降低，其防护效果越来越差，而且后期养护整治费用也逐年增加。再者，坡体加固工程的目的是提高稳定性和安全强度，往往忽视边坡生态恢复和环境保护的需要，以致构筑物所在之处大都显得突兀、单调，与路域自然环境不相协调，且视觉景观效果差。

在实施坡面植被恢复工程时，对失稳边坡先行进行工程加固至关重要，原因在于只有工程加固措施才能够确保坡体的深层、浅层具有可靠的稳定性，从而为植物在坡面稳定生长提供基本保障。如果坡体不具有足够的稳定性，坡面植物就失去了存在的根基，就不可能在坡面上正常生长，也使得通过坡面植被的恢复来促进边坡生态的恢复这一最终目标化为泡影。因此，从这个角度而言，工程加固是实施坡面植被恢复的充分必要条件，植被恢复必须依赖于工程加固措施的保障。在实施坡面植被恢复工程时，要重视对存有失稳隐患边坡的工程处治这一重要前提，首先通过工程加固措施解决坡体深层或浅层的不稳定问题。否则，坡面植被恢复工程将成为“空中楼阁”，边坡生态恢复也无异于“缘木求鱼”，根本不会产生任何有益的效果和实质性的意义。

二、坡面工程防护

坡面工程防护是在坡体深层和浅层均稳定的基础上，针对坡面表层不稳定的处治措施。坡面工程防护通常有灰浆防护和冲刷防护两种方式，是采用抹面、灌浆、喷浆、砌片石等工艺措施，对坡面的岩石风化剥落、碎落以及少量落石掉块等表层病害进行处治，常用于风化岩层、破碎岩层及软硬岩相间的互层（如砂质岩互层、石灰岩与页岩互层）的路堑边坡的坡面防护，以保证边坡表层的稳定，同时具有减轻坡面溅蚀冲刷、防止水土流失的显著效果（图5－2）。因坡面的工程防护基本上属表层封闭式防护，故需在坡面一定位置处设置泄水孔和伸缩缝，以保证防护工程的稳定和有效。

坡面采用工程防护措施，虽然对减轻坡面修建初期的不稳定和侵蚀的作用及效果显著，但因其也属圬工设施，故存在与坡体加固工程措施相同的缺陷，且因过分追求强度功能，导致坡面形成单调、大面积的土建覆盖层，不但其视觉效果生硬、呆板，而且对路面的热辐射也较大，对边坡区域的小气候环境及生态系统造成了严重的影响。为此，通过对坡面进行植被建植和植被恢复，继而利用生长于坡面的植物对坡面进行防护，已成为国内边坡工程界多年来积极推行的坡面生态防护模式，从而使传统的坡面工程防护措施相形见绌，且有被取而代之的发展趋势。

图5－2　坡面工程防护措施

三、坡面表土固定

坡面植被恢复工程的主要目的就是在坡面上营建稳定的植物群落，以其促边坡生态功能的恢复，并同时发挥植物对坡面特有的防护功能。显而易见，在不稳定或具有潜在不稳定性的边坡上是不能营建植物群落的，虽然加固工程为坡面稳定提供了前提和保障，但对坡面表层土壤因外营力产生的不稳定则无能为力，难以发挥直接、有效的防治作用。而避免坡面侵蚀和崩塌、保持表土的稳定性，对促使坡面植物正常生长发育至关重要。通常，工程开挖后的坡面多为具有一定坡度且凹凸不平、高低错落的斜坡，用于坡面的重建土壤多为不同种类的回填土或人工土壤（植生基材），如果不采取适当的坡面固土措施，就很难保证重建土壤在坡面上的稳定覆盖和植物的正常生长。常用的表土固定方法有工程方法和化学方法。

（一）工程方法

1.构筑框格

构筑框格就是“随坡就势”，通过坡面切刷方施工后，利用专门预制构件（可组合的互嵌结构）以及现浇砼或浆砌块（片）石材料，在坡面上形成一定单元面积和容土深度的骨架构筑物，其内填充客土、人工种植土等。利用框格的围挡作用，减缓坡面水流冲蚀，防止框格内填充土壤的流失。框格常用于无土壤或土壤劣化的坡面（中等坡度以下），一般需要从别处移入种植土进行回填，以营造植物生长发育所需的土壤环境。可利用多种工程材料例如混凝土、钢材、塑料、浆砌石等在坡面上构筑围挡框格，其形状一般有多边形、菱形、拱形、人字形等。框格作为坡面固土构筑物，不仅可应用于土质边坡、岩质土边坡的围挡固土，也可应用于石质边坡的围挡固土，并且可与锚杆或预应力锚索结合形成抗滑框箍作用，用于治理岩质坡体浅层的变形破坏，此时框格兼具坡体工程加固和坡面植物防护的双重功能。此外，近年来随着公路交通行业节能环保举措的大力实施，废旧轮胎也作为一种特殊的框格构件被用于坡面表土固定，因其有固土量大、保水性好以及环保、经济和稳定持久的优点，在较缓边坡的植被建植工程中已得到越来越广泛的应用。坡面框格固土工程应用见图5－3。

图5－3　坡面框格固土工程应用

2.铺挂网材

当在坡度较陡的土石边坡特别是石质边坡上进行植被建植时，因坡面不存在植物生长所需的土壤环境，或土质不适于植物生长需进行土壤重建，而采用框格工程回填种植土的施工难度较大，种植土在坡面上的稳定性也差，此时通常采用客土喷播、植生基材喷播等机械喷播工艺进行坡面的植生。由于坡面的喷敷层厚度通常在10～20cm之间，若不采用附着、固定措施，喷敷层就会发生脱落、滑塌，尤其在雨水冲刷情况下更甚，以致坡面植生失败。为使喷敷层牢固附着在坡面上，通常需先于喷播在坡面上铺挂、敷设植生网材，用于承载、加固客土或植生基材。这不仅可保证植物的初期生长条件，而且植物成长后发达的根系与网材、土壤形成一个加筋复合整体，有效提高坡面表层的长期稳定性。常见的网材种类有三维网、土工网、土工格栅、金属网等，其中金属网因施工简易、造价低、效果好而应用最为普遍。因工程坡面的地质条件一般都较为复杂，如果只采用单一的方法进行防护，往往难以达到理想的目的。因此，时常采用综合防护措施，如在坡面先行框格构筑，后在框格内铺挂网材，使二者发挥各自的防护性能，优势互补，补强增效。坡面铺挂网材的工程应用见第八章中的有关内容。

（二）化学方法

化学方法是指用高分子土壤胶凝剂（也称液态地膜）对坡面进行固土以防止表土侵蚀的方法，多适用于土质缓坡。将胶凝剂喷覆在松散的坡面表土上，在短时间内即可使土壤层形成弹性、多孔胶体固结层，该胶体固结层具有良好的保水、保温、抗冻融性以及极强的抗侵蚀、抗风蚀能力，且速效性、渗透性和亲水性良好。这种化学固土技术为边坡植被防护及水土保持提供了一种有效而可行的防护方法。土壤胶凝剂产品主要有薄膜覆盖、渗透填充和渗透连接3种类型，其对土壤的作用如图5－4所示。

这3种土壤胶凝剂的作用原理分别为：薄膜覆盖性型胶凝剂可在表土上形成一层不透水性的薄膜覆盖层，达到防止表土免受雨水侵蚀的效果；渗透填充型胶凝剂是从土壤表面渗透到一定的深度，使土粒子单体相互聚结，以提高表土的抗侵蚀性；渗透连接型胶凝剂可使土粒相互之间连接起来，增强土壤的黏聚力，以使表土可具有更高的抗侵蚀性。胶凝剂由压力喷雾器直接喷施于坡面，可在较短时间内固结表土，但其胶凝固土的持续时间一般都有限（3～5个月）。因此，需选择配置速生的植物品种，以保证其在从施工初期的播种、发芽到形成植物覆盖期间发挥应有的胶凝、防蚀和固土效果。

图5－4　土壤胶凝剂的作用示意图

OH液就是国外开发的一种坡面化学固土胶凝剂产品。它是通过专用机械，将高分子化工产品HYCEL－OH液用水稀释后与草籽一起喷洒于坡面土壤，使表土随即硬化并固结成弹性固体薄膜，发挥在植草初期对坡面表土的防护作用。经过3～5个月后，其弹性固体薄膜开始逐渐分解，此时草种也经历发芽、生长阶段，后来有一定根系分布的植物即可独立发挥出越来越强的固土护坡作用。OH液固土具有施工简单、迅速、无需后期养护以及防护、绿化效果好等特点，为坡面植被建植和水土保持提供了一种有效、可行的化学防护方法。

第二节　坡面土壤重建

在土壤学中一般将土壤理解为能够生长植物的陆地的疏松表层，它是在母质、气候、植被、地形和地域年龄5种因素综合作用下形成的。坡面土壤由于在公路建设过程中受到机械无序侵入、地下施工翻动，破坏了原有的表土层和腐殖质层，形成了一种特殊的土壤类型——扰动土壤。虽然它出自于自然土壤或半自然土壤，但在成土环境、成土过程、剖面发育形态及物质组成与养分循环等方面均与原始自然土壤有着很大的区别，其质量因人为扰动而出现严重的退化现象。特别边坡开挖后形成的岩质坡面，已基本上演变为一个极端的退化土壤生态系统——裸地。因此，基于坡面立地条件进行土壤改良或重建，是坡面植被恢复的关键所在。

一、坡面土壤特性及重建要求

土壤是坡面植物生长的基础，它不仅是植物的固着基底，同时也是植物生长中不可缺少的水分、无机盐的主要供应者。土壤的物理、化学特性以及水、肥、气、热状况对植物的生长发育有着重要的影响。坡面土壤重建、改良必须以满足植物健康、持续生长需求为前提和出发点。

（一）土壤物质组成

土壤是由固态、液态和气态三相物质构成的综合体，其三者间的比例关系影响着土壤肥力状况，从而影响植物的生长。固相物质由颗粒状的矿物质、有机质和土壤生物组成。三相物质中，固相约占总体积的50%，气相、液相彼此消长，约占总体积的50%。固相90%以上是矿物质颗粒，10%以下是有机质。有机质包裹在矿物质颗粒表面，虽占比例不大，但对土壤肥力状况却有较大影响。液相物质是土壤中溶解有多种养分的水溶液，它提供给植物生长必需的水分和养分，并对二者的流动起着重要作用。气相物质是指土壤中的空气，对于植物根系发育具有重要作用。土壤物质组成如图5－5所示。

土壤三相物质组成是土壤各种性质产生和变化的基础，边坡土壤的重建、改良以及后期追肥的各种技术措施，主要出发点就是改善土壤三相物质的组成比例。

图5－5　土壤物质组成

（二）土壤质地

土壤质地是根据土壤的颗粒（砾、砂粒、粉粒和黏粒）组成划分的土壤类型（表5－1），是土壤中各种大小矿质颗粒的相对含量。土壤一般分为砂土、壤土、黏壤土和黏土四类（表5－2）。不同质地的土壤具有不同的特性，它直接影响土壤透水、保水、保肥、供肥、通气等特性，与植物生长的关系十分密切。砂土类土壤砂粒多、黏粒少，结构疏松，透气透水性较强，但保水保肥性较差，热容量较小，土壤温度变幅较大；黏土类土壤质地黏重，以黏粒和粉砂居多，结构较为致密，土粒间黏结力强，因含黏粒多、颗粒表面积大，故热容量大、保水保肥能力强，但含水量低时较为坚硬，通气透水性能差；壤土类土壤质地较均匀，砂粒、黏粒和粉砂大致等量，粗粉粒含量高，通气透水性较好，有较好的保水保肥能力，兼有砂土和黏土的优点，最适宜植物的生长。

表5－1　我国土粒分级标准

表5－2　国际制土壤分类

对不良质地的边坡土壤（客土、回填土等），通常可采取2种措施加以改良：拌沙、掺黏进行调剂，即通过“泥拌沙”或“沙掺泥”的办法改良质地，改善保水保肥性能；加入施用有机肥，有机物质在土壤中经微生物分解所产生的腐殖质胶体可促进团粒结构的形成，调整土壤的水、肥、气、热状况。

（三）土壤结构

土壤结构是指土壤颗粒排列的状况，可分为团粒结构、块状结构、核状结构、柱状结构、片状结构等。其中，团粒结构是土壤中的腐殖质把矿质单颗粒互相粘结成疏松多孔的、直径为0.25～10mm的团聚体而形成的。因其单粒间形成小孔隙、团聚体间形成大孔隙，小孔隙能保持水分，大孔隙则保持通气，故该结构最适宜植物生长。团粒结构的土壤能够协调土壤中水、肥、气、热之间的平衡，保水保肥能力强。土壤团粒内部的毛细孔隙可保持水分，因毛细管内空气少，主要是嫌气性微生物活动，有机物分解缓慢，故有利于养分的积累和保持；而团粒之间的大空隙则充满着空气，好气性微生物活动旺盛，有机质分解快，可使养分向植物迅速转化。土壤结构如图5－6所示。

图5－6　土壤结构示意图

对于不良结构的边坡土壤可采用改良剂来促进团粒结构的形成，尤其在人工土壤（植生基材）配置中更是必不可缺。

（四）土壤孔隙度

即单位体积土壤内孔隙所占体积的百分比，其大小主要取决于土壤结构和有机质含量。土壤中各种形状的粗细土粒集合和排列成固相骨架，骨架内部有宽窄和形状不同的孔隙，构成复杂的孔隙系统，水和空气共存并充满于其中。因为它直接影响到水分和气体的运动，从而决定根系和土壤生物的活动。结块土壤的孔隙度比团粒结构土壤的孔隙度低得多，后者的团粒间具有丰富的大孔隙，土壤水的运动较为自由，故容易导致干旱。反之，前者孔隙都是粘粒间的小孔隙，则土壤水的运动缓慢，故植物易受水涝和缺氧的影响。

另外，大多数土壤生物需要吸收外部的O2并放出CO2，该气体交换过程必须通过扩散或溶解于土壤水中并随水流排出。土壤通气性也取决于土壤的孔隙度及其分布，孔隙度高的土壤在水分长期过多时，其通气性会变差；而中等以下孔隙度的土壤在孔隙大小适中和水分适度时，其通气性并不很差。理想的土壤孔隙度及分布应既能保持足够的水分，又允许充分的O2和CO2扩散，以满足植物、土壤动物和微生物的要求。理想土壤的孔隙度如图5－7所示。

图5－7　理想土壤的最松排列和最紧排列

对于孔隙度不适合坡面植被建植要求的土壤，可用通过改良土壤团粒的方法，即使用合适的改良剂来调节土壤孔隙度。此外，因土壤孔隙度的改良属于物理改良，工程中还常使用珍珠岩、蛭石、秸秆、炉灰渣、贝壳碎粒等材料。

（五）土壤有机质

有机质是土壤固相的主要组成部分之一，主要来源于土壤中动植物和微生物残体及分泌物、排泄物和人工施肥等，土壤肥力的高低主要取决于有机质含量（一般以有机质占干土重的百分数表示）的多少。有机质对改善土壤物理、化学和生物学性质影响很大，它能促进土壤结构形成，改善土壤空隙度，提高土壤通气和透水、保水、保肥等性能，并有助于消除土壤污染。土壤有机质一般分为非腐殖质和腐殖质两大类，前者是指动、植物残体和部分分解物质，其主要成分是碳水化合物和含氮化合物；后者是土壤微生物分解有机质时，经腐殖化过程重新合成的具有相对稳定性的多聚体化合物，它一般占土壤有机质总量的85%～90%。土壤腐殖质本身的保水、保肥能力超过粘粒，同时又能与矿物质胶体紧密结合，形成具有多孔性的团聚体，有利于土壤团粒结构的形成，改善土壤的物理和化学性状。腐殖质被微生物分解后，成为植物重要的碳源和氮源，土壤中的氮素有99%以上是以腐殖质形态存在的，因此腐殖质对氮素的保存和有效氮的供给十分重要，其经微生物的分解作用（矿化过程），可以转化成无机态供给植物吸收。此外，腐殖质也是植物所需的各种矿物养分的重要来源，它还能与一些微量元素形成络合物，提高这些元素的有效性。

在坡面土壤重建中，有机质是改良客土、配置人工土壤必备的重要组分，其主要来源有草炭、腐叶土、堆肥、糠壳及锯木屑等，这些材料经发酵分解后，可用于坡面土壤有机质的添加或调剂。

（六）土壤养分

植物生长发育所需的养分元素来自土壤，其中一部分为大量养分元素，如氮（N）、磷（P）、钾（K）等；一部分为中、微量养分元素，如钙（Ca）、镁（Mg）、硫（S）、铁（Fe）、锰（Mn）、锌（Zn）、铜（Cu）、硼（B）、钼（Mo）等。氮、磷、钾是土壤中最易缺乏的元素，通常要用施肥来补充。无机肥成分类别及数量土壤中的养分元素大部分保持在不溶性的无机化合物、有机碎屑物、腐殖质中，这些养分要通过缓慢的矿质化和腐殖质化才能成为有效的养分，并为植物所吸收利用。

不同坡质的土壤其养分含量有很大差异，不同的植物对土壤养分含量的需求也不相同。因坡面土壤不可能像耕作土壤那样通过经常翻耕来补充养分，只能在初期的坡面土壤重建阶段实施养分调控，因此通常提倡速效肥与缓释肥一并施用。

（七）土壤pH值

土壤pH值是土壤重要的化学性质，是土壤形成过程中产生的重要属性。不同成土条件下生不同的土壤酸碱性，对植物生长、微生物活动、养分存在状态以及土壤理化性质均有很大影响。土壤pH值就是土壤溶液中的H＋和OH－浓度比例不同所表现出的酸碱特性，土壤pH值多为4.0～9.0，当小于6.5时呈酸性，当大于7.5时呈碱性，介于6.5 ～7.5时呈中性。土壤pH值会影响土壤微生物活动，进而影响土壤养分的有效性和植物生长状况。一般而言，当土壤pH值为6.0～7.0时，土壤微生物活性最强，有机质矿化快、固氮作用强，土壤养分的有效性也最高，对植物生长最适宜。通常，土壤的pH值在4.0以下时容易造成植物发芽、生长不良，pH值在3.0以下时任何植物发芽和生长都很困难。对常用的禾本科植物，土壤的pH值在4.5以上时植物发芽生长一般不受影响，而弱酸性至弱碱性（pH值5.5～6.5）是植物生长的最佳环境。对豆科植物，在微酸性至中性的环境中（pH值6.0～7.0）发芽生长良好，而pH值在5.0以下时发芽生长能力显著下降，这是由于酸性土壤抑制了根瘤菌的活动造成的。

对于不适宜植物生长的酸性或碱性过大的坡面土壤（客土、回填土等），应因地制宜地采取调节、改良措施。对酸性土壤，通常用石灰、沸石等进行改良；对碱性土壤，通常用石膏、硫黄或明矾等进行改良。

二、坡面土壤种类

坡面土壤作为种植土，通常包括表土、客土和人工土壤3类，因各具不同特性，其配置及利用方式也有所不同。

（一）表土

表土是指边坡施工前坡面原生土壤的表层以及当地农用土壤的上表耕作层、林地或灌丛草地根系密集的表层，相当于土壤剖面的A层和AB层，其厚度为20～30cm。表土是土壤中有机质、土壤动物、土壤微生物含量最多的层次，植物扎根于此并从中吸收养分、水分，且具有较好的团粒结构，是一种宝贵的土壤资源。此外，表土最能体现土壤种子库的功能，它所富含的乡土植物种子和繁殖体，是快速恢复当地原生植物群落的重要物质基础，对植被演替更新和生态系统恢复具有重要的意义。相比其他类型土壤，表土的优点在于可使植物发育生长良好、植物群落形成较快、恢复效果更接近原有植被。因而对坡面植被建植工程来讲，使用表土是最有效、最安全的选择，应珍惜、利用这一可带来生物活力的土壤材料。

为了节约土壤资源，充分提高表土利用率，在坡面开挖时必须将表土层单独剥离，集中存放，当边坡工程完工后再将表土回填于坡面进行土壤重建。虽然这在一定程度上提高了工程造价，但从资源有效利用和发达国家的成功经验方面来看，其环境生态效应要远高于表土施工的工程成本。在坡面植被建植工程中，表土的处理回用程序及要求如下。

●制订方案。表土剥离是一项系统工程，由于地理位置的不同，需要对沿线的边坡开挖路线、取弃土场，尤其是对沿线拟占用的农田、山地，逐一进行现场地质勘查、地形测量，计算实施工程量。表土剥离时，既要保证其肥力不遭受损失，也要将其性状改变控制在最小范围内，尽量不改变土壤团粒结构，还要做好充分的保护措施，保证在表土堆放期间内，不发生新的水土流失。因此，应根据现场情况和施工条件，对表土剥离和存放做出完善的计划及操作规程。

●剥离堆放。表土剥离、挖掘采用推土机、铲车等机械施工，一般厚度为30～50cm，将剥离的表土存储在预先确定的临时堆放地点，堆放高度一般不高于5m。为防止堆放表土产生水土流失和风化，其堆面应适当进行压实，必要时还需在其上加盖遮蔽材料。对于边坡开挖施工连续的路段，表土存放地点一般间隔5km设置一个，且取自边坡的表土与取自农田的表土分开存放，因后者一般用于取、弃土场的复耕，而前者直接回填用于坡面植被建植。

●处理回用。因表土剥离施工时的机械挖掘深度往往较大，土中多夹杂一些淋溶层及其以下的成分及砾石、杂质，需将其进行过筛清除和无害化处理。因坡面回填土方需用量大，通常还要另外加入种植土与表土混合，并掺入一定比例的有机质、肥料、改良剂等添加材料，一般表土用量占总回填土方的60%～80%。表土、外加土及添加材料经机械搅拌或人工搅拌均匀后，回填用于坡面植被建植。处理后的表土通常回填、覆盖于坡面的框格构筑物内，利用框格的固土作用防止其流失，保障坡面植物生长发育所需的土壤环境。

（二）客土

1.客土来源及改良

所谓客土，是指非当地原生的、由别处移来用于置换原生土的外地自然土壤，通常是指质地较好的壤土、沙壤土（沙砾含量在5%以下，最大粒径在8mm以下）或人工回填土。客土的使用是因为坡面土壤已经人为扰动后变为退化土质，需根据坡面植被建植要求，将不适合种植的土壤进行人工土壤再造（换土）或质地改良。工程上的客土一般是将部分耕作熟化土壤、大量未经耕作熟化的深层土壤，以及外源土壤与相关添加材料混合而成的。添加材料通常包括纤维材料、各类肥料（无机肥和有机肥）和土壤改良剂（保水剂、黏合剂和土壤稳定剂）等，以达到保证客土的有机质含量、增加植物生长必需的营养元素、提高客土的保水性和稳定性的目的。

客土来源多为施工当地的天然土壤，例如，农田土壤、森林土壤、草原土壤或从别处质地较好的土山、土坡中所开挖出的种植土，也可以是人工配置的回填土。工程中常用工程弃土、渣土及其混合物作为人工回填土。工程弃土主要是被机械挖掘出来的除去表土的原生土壤部分（淀积层、母质层），工程渣土主要是机械开挖所产生的碎渣、碎石等。但对这两种来源的回填土均需进行人工处理、改良，通过人工过筛、搅拌，并加入适量的有机质、植物纤维、改良剂、肥料等添加材料，使其具有良好的保水、保肥、稳定性能以及一定的团粒结构。

客土的人工再造或改良应考虑以下几方面问题：

●具有良好的质地、结构。客土中黏粒、沙粒及黏结剂、改良剂等改良材料的配比合理；通透性、团粒结构良好，适于植物生长；在坡面上有较强的附着力和稳定性，不易滑移、流失。

●具有良好的肥水条件。客土中氮、磷、钾肥料及有机质含量充足，植物纤维、保水剂等添加材料的用量适宜，酸碱性适中，保水性、保肥性强，满足坡面植物生长要求。

●配置满足经济性、生态性原则。坡面植被建植一般所需客土用量很大，但因国家对土地资源利用和生态环境保护政策日趋从紧，故客土的使用应努力减少对天然土壤的依赖，尽量开发利用工程弃土、渣土和市政污泥作为客土主材；此外还需统筹考虑坡面植物品种组成，根据不同植物的生长习性合理设计土层厚度，尽量减少用土规模，以实现资源节约与生态恢复的协调。

2.客土施工

客土一般适用于这3种情况：构筑路堤边坡需回填种植土；土质边坡表面为土壤剖面的淋溶层或淀积层；土石边坡表面为土壤剖面的母质层。客土施工通常采用人工回填、机械喷送两种方式覆盖于坡面，前者多适用于中等及以下坡度土质边坡的土壤重建，必要时需在坡面修建固土构筑物；后者多适用于中等及以上坡度的土质或土石边坡的土壤重建。因客土施工主要目的是进行坡面植被建植，故出现了将客土施工与植被建植相结合的机械建植技术——客土喷播（详见第七章）。客土喷播包括湿法（高压水流）和干法（压缩空气）喷播两种工艺，分别通过泥浆喷射机和灰料喷射机将含有植物种子的客土喷敷于立地条件较差（土壤缺乏或贫瘠）的坡面上，形成适于植物生长的稳定营养层，且具有足够的抗侵蚀、抗冲刷能力，从而实现坡面植被建植的目的。客土喷播技术属于机械建植技术，其工艺见第七章内容。

（三）人工土壤

公路边坡大多为石质边坡或土石边坡，因其坡面极度缺乏土壤基础条件而无法通过常规方式进行植被建植，目前解决此问题的通行方法是在坡面上喷播人工土壤，即将含有植物种子及添加材料的植壤土（由人工专门配置）通过喷播机械喷敷到坡面上，使植物种子基于这种土壤材料基盘在坡面上生长、发育。这种经人工配置、专门用于岩质坡面的土壤材料也称为植生基材，属于具有特殊理化性质及成土与植生功能的复合材料，主要由部分植壤土与有机质、肥料及多种添加剂等非土壤成分共同混合形成。其所含组分经人工配置、喷播后，可在岩质坡面上附着一层既能使植物得以生长发育而又能抵御雨水冲刷的稳定人工土层。作为坡面植物生长的基盘，人工土壤除需具备常规土壤的基本理化特性外，还要求其能够在坡面上长期附着、存留，从而为坡面植物提供与自然土壤条件相似的稳定生长环境。人工土壤的主要作用在于：

●提供岩质坡面植物生长所需的土壤结构；

●提供坡面植物长期生长所需的水分、养分条件；

●保持植生基材组分混合物的稳定；

●与植物相互作用形成坡面的植被封闭和抗侵蚀防护层。

人工土壤是岩质坡面植物赖以生存的重要条件，对石质边坡这一极端的退化土壤生态系统，需应用土壤学、植被生态学理论，通过物理、化学和生物技术及相关技术工艺和工程措施，开展人工土壤结构的重建，以恢复土壤生物多样性，提高土壤理化稳定性，为建立稳定的坡面植物群落提供基础保障。有关人工土壤（植生基材）的问题详见下一节内容。

第三节　人工土壤的组分及配置要求

人工土壤由多种基质组分构成，是一种用于岩质坡面机械建植的复合型基材。其组成和配比是根据不同立地条件以及植被恢复目标而确定的。特别对极度贫瘠和高陡的裸岩坡面而言，其既要具备土壤的一般特性，又要含有较为丰富的营养物质，并具有良好的持水性、透气性、和附着稳定性，使其既能保水、保肥、透气、透水，适于植物生长，又能有效抵抗水蚀和风蚀，抑制水土流失。因此，人工土壤所含各种组分及其配比，是岩质坡面植被建植最为基础和关键的环节。

一、人工土壤的主要特性

（一）强度

强度对人工土壤最为重要，因材料本身具有一定的强度才能有较高的抗侵蚀能力和稳定性。但人工土壤的强度也不宜过高，否则将影响植物根系的发展。相关研究表明，普通土壤材料的无侧限抗压强度达到15kPa时，可经受风吹雨打不致脱落，但在坡面植生喷播工程中，人工土壤的无侧限抗压强度指标应为100～250kPa。在坡度较陡、降水较多或侵蚀程度比较严重的区域，人工土壤的强度值应酌情提高。一般情况下保持在100kPa左右较为合适。

（二）孔隙度

人工土壤中的土壤通过粘结组分的作用，粘聚成一个多孔的稳定体，成为植被材料的固相骨架。而水、空气、微生物等都在骨架内部的孔隙中移动、生活，固相骨架内孔隙的多少，将对植被材料的保水及保肥性能产生影响。同时，材料强度也与孔隙度有关，孔隙多则强度低，抗雨蚀能力差。因此，为了既能保证植物生长良好，又能满足一定的强度要求，人工土壤应具有特殊的孔隙结构，使材料固相、液相、气相之间保持合理的比例，通常孔隙度为40%～50%，而且材料的相对湿容重应控制在1.5内，否则易造成人工土壤在坡面上产生滑坍现象。

（三）稳定性

人工土壤的稳定性包括水稳定性、力稳定性和生物学稳定性。其中力稳定性指在一定外力作用下不致受到完全破坏；生物学稳定性指结构体抗拒微生物对有机物质分解、破碎土粒相连接的能力；水稳定性最为重要，包括其完全饱水和饱水后完全干燥两种情况下的形状变化。从防止水土流失和促进植被生长两方面来看，人工土壤应具有良好的水稳定性。一般土壤在干燥或失水情况下具有很高强度，完全满足100～250kPa的强度要求，但土壤在饱水情况下会出现液化现象，难以保持原有形状。因此，人工土壤应具有良好的饱水形状完整性，即在饱水状态下，材料自身的粘聚力能克服来自水的作用力，仍能保持形状完整。有些土壤在有一定含水率时，具有较好的透气性，但是在饱水浸泡后随水分损失会出现体积收缩，即出现板结现象，这对植物生长非常不利，因而应避免这种不稳定性的存在。

（四）保水性

人工土壤通常是在石质边坡或土石边坡这类立地条件极为恶劣的场合下使用，环境条件缺乏对植生材料的水分补充，且因人工土壤的厚度有限（一般不超过100mm），导致持水量严重不足、水分蒸发迅速。因而植生材料自身的保水性能非常重要，将对坡面的植物生长和植被恢复效果直接产生影响。

（五）土层厚度

不同种类植物的生长对土层厚度即土壤容量有不同的要求。一般来讲，木本植物所需土壤容量较大，而灌木植物次之、草本植物较小。因土层厚度是直接制约植物的生长高度和生存状况的重要因素，在进行坡面土层厚度设计时，不仅要考虑到对土壤的基本要求，还应考虑到不同植物生长对土壤容量的要求，以保证土壤能够提供给植物充足的养分总量、根系发育空间以及土层应有的持水性和保水能力。例如，在北方地区，若土层厚度设计过小的话，一旦缺少及时的浇水养护，坡面土壤水分将很快蒸发散失，导致植物难以成活。根据试验研究结果，我国北方地区坡面植物建植所需的最小土层厚度大致为：草本2～3cm；灌木4～6cm；乔木8～10cm。对不同坡质的人工土壤重建而言，土质边坡一般为3～4cm；土石边坡一般为5～8cm；石质边坡一般为9～13cm。(www.xing528.com)

但是，土层厚度的增加往往受制于边坡的坡度，因为在一定的植被及根系条件下，对于相同厚度的人工土壤，边坡坡度越大，其稳定性越差；同样，对于相同坡度坡面上的人工土壤，土层厚度越大，其稳定性越差。根据稳定性设计参数要求，坡面人工土壤的稳定性系数一般需要达到或超过1.3，在不同坡度条件下，土层厚度存在一个限值（表5－3）。

表5－3　不同坡度人工土层厚度限值

由此可见，当坡度达到70°时，土层厚度只能满足7cm以下要求，这个厚度土壤已经相对单薄，不仅难以在坡面上附着，而且对一些植物也难以满足其生长条件，因此机械喷播并不太适合这一立地条件。而对于30°左右的缓坡，土层厚度可大大超过20cm，这说明这一立地条件下只需简易的客土回填即可满足建植要求，以减少不必要的施工成本，提高经济效益。总之，人工土壤的厚度应视边坡立地条件而定，一般工程上要求机械喷播土层厚度不低于8cm，在网材辅助或其他固土条件下尽可能达到10cm以上最为理想。当然，在立地条件相对差的坡面进行人工土壤重建，无疑将明显增大建植技术难度和增加工程成本，并且最终效果往往难以预期，因而设计时需综合、统筹考虑相关因素。

二、人工土壤的组分

人工土壤通常由基本材料和添加材料组成。前者主要包括植壤土、有机质、肥料等，是植物生长所需的基本条件；后者一般包括土壤改良剂、土壤黏合剂、保水剂、纤维材料等，它们用于营造或优化植物生长环境，是配置人工土壤必不可少的重要组分。人工土壤中各种组分的合理配置是岩质坡面土壤重建的重点内容，配置质量的高低不但影响其在坡面上的稳定附着，而且影响植物种子的发芽、生长，因而是决定坡面植被建植最后能否获得成功的关键因素。

（一）基本材料及要求

1.植壤土

植壤土是人工土壤的骨料。为了降低造价，一般取自工程所在地的自然土壤，尽量使用当地的肥土或熟土（壤土、沙壤土）。配置时先将土壤中的石块、碎石、杂草、杂根等异物剔除，再经粉碎风干过筛（8mm），使其适于喷播机械的作业条件和要求。

2.有机质

有机质是为植物提供养分和根系生长空间的基本材料。对于农田土壤，其中有机质的含量一般占耕层（厚度50cm左右）土壤总量的0.4%～7%，它是土壤的核心成分和土壤肥力的物质基础。但是对坡面人工土壤层而言，其厚度一般只在10cm左右，若要使如此之薄的基盘为植物长期维持养分供应，有机质含量就必须大大高于农田土壤的有机质含量。目前常用的有机质材料有草炭、腐叶土、植物堆肥、饼肥、糠壳、锯木屑等。草炭是由沼泽植物残体构成的疏松堆积物或经矿化而成的腐殖质；腐叶土是植物枝叶经过风化和在土壤中经过微生物分解发酵后形成的营养土；植物堆肥是作物秸秆、杂草树皮、生活垃圾、人畜粪尿等经堆积发酵所形成的腐殖质；饼肥是油料种子经榨油后剩余的残渣；糠壳和锯木屑则是农林产品加工的废弃物。使用这些有机质时，要注意它们的发酵程度，如果是处于未分解状态，应先经发酵后再使用，否则在混入土壤中会自然发酵，发酵过程所释放出来的热量和一氧化碳将对植物种子发芽及生长产生不良影响。

目前工程中最为常用的有机质材料是草炭、腐叶土，但他们属于不可再生的宝贵自然资源，过度采挖会造成水土流失和自然生态环境的破坏，因而利用农业、林业、城市生活中的有机废弃物作为替代材料，将成为今后解决有机质来源受限问题的途径。

3.肥料

肥料主要用来供应植物生长所需的速效养分及长效（缓释）养分，并兼有一定改善土壤性质的作用。根据肥料提供植物养分的特性和营养成分，一般可分为无机肥料（化学肥料）、有机肥料和微生物肥料。

无机肥料又称化肥，主要是呈无机盐形式的肥料，所含的氮、磷、钾等营养元素都以无机化合物的形式存在，如碳酸氢铵、尿素、硫酸铵、钙镁磷肥、硫酸钾、草木灰以及复合肥料、微量元素肥料等。无机肥料的特点是：成分较单纯，养分含量高；大多易溶于水，发生肥效快；施用和运输方便。人工土壤层无机肥的参考用量一般为100～200g/m2。

有机肥料是由天然有机质经微生物分解或发酵而成的肥料，源于植物或动物残体，包括人粪尿、厩肥、蚯蚓肥、堆肥、腐殖酸肥和绿肥等。有机肥料除了含有少量氮、磷、钾等养分外，还能促进形成腐殖质，而腐殖质不仅能提供缓释肥，而且能改善土壤的物理、化学和生物特性，提高土壤保水、保肥和透气性能，为植物生长创造良好的环境。有机肥料的特点是：原料来源广，数量大；养分全面，含量低；肥效缓释、持久，须经微生物分解转化后才能为植物所吸收；土壤改良效果好。工程中常使用鸡粪、家畜粪作为有机肥，但必须经过充分发酵腐熟处理，以免对植物生长发育产生病害或不良影响。人工土壤层有机肥的参考用量一般为0.5～1.5kg/m2。

微生物肥料是由一种或数种有益微生物活细胞制备而成的肥料，也称“菌肥”或“菌剂”。常用的有岩生藻类、土生藻类、纤维素分解菌和固氮菌等组成的生物菌肥。微生物肥料本身不含植物所需的营养元素，它是通过微生物自身的各种活动来改善植物生长环境，发挥土壤潜在肥力，促进植物对养分和水分的吸收与利用，改善植物抗逆性。

考虑到不同植物的生长对营养元素的需求有所差异，而不同肥料对植物生长的营养促进作用也不尽相同，肥料在植被建植中的施用需把握这几点：在使用无机肥料时宜选用复合肥，如磷酸二铵、尿磷钾肥等；如果植被建植以木本植物为主，为了在初期抑制草本植物的生长，则此时应选用含氮较少、含磷较多的复合肥；如果需要尽快形成坡面草被，则在初期要促进草本植物的生长，复合肥的养分配比宜含氮较多、含磷较少；若人工土壤的抗侵蚀能力较差，因易发肥分流失，此时则多用速效肥；若人工土壤的抗侵蚀能力较强，其中又掺入了较多的有机肥料，此时则应使用缓释肥或控释肥，以减少化肥使用量、提高肥分利用率。

人工土壤的肥料选用及配比合理与否非常重要，用量少不能达到应有的效果，用量多则造成浪费且影响植物生长。正确的使用方法是测土施肥，即针对所用土质情况和养分含量，结合植物种类及生长量，计算植物养分需求量与土壤的养分供给量之间的关系，以此再确定各类肥料的配比及用量。

（二）添加材料及要求

1.改良剂

土壤改良剂的主要功效是通过对土壤性状、质地和结构的改善，使土壤的理化性质和生物活性得到改良，从而提高肥料的利用率，促进植物的生长发育。根据其材料性质可分为高分子类（如多糖类衍生物、木质素衍生物、聚丙烯酰胺等）、有机类（秸秆、壳质粗粉、泥炭、竹炭、锯木屑等）、矿物类（如沸石、石灰、石膏、珍珠岩、蛭石、磷石膏等）和其他类型（如城市污泥、炉灰渣等）。土壤改良剂主要用于对性状较差的细密和中等质地土壤的物理改良，例如，为了增加细质地土壤的渗透性和持水能力可加入泥炭；为了使土壤疏松、便于根系穿透可加入珍珠岩、炉灰渣等。土壤改良剂还有其他不同的用途，例如，为了改善酸性土壤而加入沸石、石灰和竹炭等；为了改善碱性土壤而加入石膏、磷石膏等。另外，生物土壤改良剂使用也较为普遍，例如，德国的富利禾（Frisol）改良剂产品，其利用根系微生物的活化作用将固定在有机物质状态中的营养元素分解，供植物吸收利用，与植物的新陈代谢相结合形成营养物质的良性循环，并同时可改善土壤的透气性、导水性，从而使土壤性能得到有效改善。

在人工土壤配置时要尽量避免选择强酸性或强碱性土壤，工程中土壤的改良大都是物理性状的改良。常用的土壤改良剂有珍珠岩、蛭石、沸石、炉灰渣、贝壳碎粒、竹炭、泥炭等。其中，珍珠岩或蛭石的参考用量一般为人工土壤总量的3%～5%；沸石或竹炭的参考用量一般为人工土壤总量的10%左右；泥炭的参考用量一般为人工土壤总量的15%左右。

2.保水剂

保水剂用来贮存并缓慢释放植物生长所需的大量水分。目前主要有丙烯酰胺—丙烯酸盐共聚交联物、淀粉接枝丙烯酸盐共聚交联物两大类，其分子结构有网状分子链，属具保水涵水作用的树脂。保水剂自身虽不溶于水，但能够在土壤中反复进行水分的“吸收—蓄存—释放”过程，遇水时迅速吸收而膨胀成凝胶将水分贮存起来（吸水量可为自身重量的100倍以上），干旱时缓慢释放水分供给植物的根系。不仅如此，因有蓄水作用，可减少可溶性养分的淋溶损失，达到节水节肥、提高水肥利用率的效果；因能发生吸水膨胀和失水收缩现象，土壤可在紧实与疏松状态之间变化，故土壤的物理结构和活性可得到一定的改善。

常用保水剂有以聚丙烯酰胺和聚丙烯酸钠为主要成分的产品，前者多是国外产品，其特点是使用周期和寿命较长，在土壤中的蓄水保墒能力可维持4年左右，但其吸水能力会逐年降低；后者多是国内产品，其特点是吸水倍率高，吸水速度快，在土壤中若充分给水，1小时内便可迅速吸收自重的100～130倍的水分，但保水性能只能保持在2年内有效（第2年的吸水率要降低60%左右）。另外的淀粉接枝丙烯酸盐，使用寿命一般最多维持1年的时间，但吸水倍率和吸水速度等性能极佳，其在遇水后的15～20分钟内即可吸收自重的80～130倍的水分。聚丙烯酰胺型保水剂较为常用，其有颗粒、粉末和细末状产品，相对应的使用方法有拌土、拌种或包衣和沾根，使用量分别为9～15g/m2、1.5～2g/m2、10～20克/株。但保水剂用量也要随区域（半湿润区、干旱区等）、坡度（陡坡、缓坡等）、坡质（土质坡、岩质坡等）和施工方法的不同而作相应的调整。此外，选用保水剂时要综合考虑其吸水倍率、重复使用次数、寿命等指标，并不是吸水倍率越高越好，而是要吸水倍率适中（例如100～200倍）、重复使用次数较多和使用寿命较长（例如2～4年）。

3.黏合剂

黏合剂用于增强人工土壤颗粒之间的聚合能力，防止其在坡面上受到重力和风化作用下而出现流失现象，以增强植物生长基材的稳定性。黏合剂分为有机类和无机类两种，前者主要有高分子聚合物和沥青乳剂，后者包括普通硅酸盐水泥和离子黏合剂等。高分子聚合物是指由聚丙烯酰胺制剂、聚乙烯醇等构成的非离子均聚物，它遇水后可形成溶胶体，通过较强的胶结作用把分散的土壤粒子黏结成稳固的团粒，它不会对土壤的pH值产生影响；沥青乳液是本身加入特殊的添加剂混合后而形成的一种乳剂，具有强烈的黏附作用，能将土粒联结起来，形成较理想的团聚体；普通硅酸盐水泥是指以硅酸钙为主要成分的水泥加入适量的石膏粉制成的水硬性胶凝材料，遇水后发生化学反应，通过结晶作用将土壤粒子粘连在一起，但因其碱性较强，使用时需加入pH缓冲剂进行调节；离子型无机黏合剂由石灰、石膏、明矾等构成，它们与土壤混合后，在水的作用下会发生灰化反应，产生结晶效应生成钙矾石，其与CO2接触又发生氧化反应，结晶效应进一步增强，不仅可以粘连土体，还可以粘连土、沙、砾石的混合物，因而有利于将更多的工程弃土、渣土用于坡面植被建植。有机类黏合剂与无机类黏合剂各有不同特点，如有机类黏合剂的持续作用时间短于无机类黏合剂，且存在成本高、降解难、易龟裂等不足；而无机类黏合剂的抗雨蚀能力很强，成本明显低于高分子材料，特别在坡度大、雨蚀程度比较高的情况下有明显优势。

黏合剂的用量因区域、坡度、坡质、工程种类而异，土质边坡适宜使用有机类黏合剂，而石质边坡适宜使用无机类黏合剂，通常需在施工前进行试验、比选。黏合剂的用量需视产品性能和土壤基质情况而定。一般地，当区域降雨量多、边坡坡度较大时，黏合剂的用量应随之加大。

4.团粒剂

团粒剂是一种特殊的黏合剂，但它改善了常规有机类黏结材料收缩性大、易龟裂，而无机类黏合材料碱性大、易产生板结的缺点，是一种增大土壤黏性、促进团粒结构形成的水溶性高分子长链聚合物，近年来开始逐渐得到推广应用。其具有很强的絮凝性，当遇水中悬浮的土壤颗粒时，一个分子可以吸附多个土壤颗粒，而一个土壤颗粒又可以与多个分子吸附，使土壤形成大体积的絮团，增加土壤中的团聚体，形成一定数量的胶结物质，减少水与土壤的亲和力，形成较好的团聚体和土壤结构。而其不规则的线段在土壤中上下、纵横交错，絮团的体积逐渐增大，使得土壤颗粒在径流中不能被剥离和悬浮，从而侵蚀作用也随之大大减小。不仅如此，因土壤单粒间形成小孔隙、团聚体间形成大孔隙，所以与单粒结构相比总孔隙度较大，而小孔隙能保水保肥，大孔隙则通气透水。团粒结构的土壤形成促进植物生长的微环境，特别有利于幼苗根系的生长及土壤中水肥的吸收、利用。

团粒剂使用时还需掺入团粒稳定剂，其为水融性聚合物，也属于一种土壤改良剂，主要用来增强土壤团粒密度，稳定固化土壤结构，保持土壤团粒特性等。稳定剂与团粒剂结合后，可以有效提高土壤的黏滞力和水分的渗透力，改善土壤的亲水性，从而使蜂窝状的土壤团粒结构更加稳定，不会因为土壤的松散、通透而造成土壤及养分流失，并有利于种子萌发和根系生长。

5.植物纤维

植物纤维是广泛分布在种子植物中的一种厚壁组织，在植物体中主要起机械支持作用。它虽然也是有机质，在其缓慢分解过程中可提供植物生长所需养分，但在人工土壤中还起到增加土壤粒子摩擦力、提高基质的连接性能和抗侵蚀的作用。常用于人工土壤的植物纤维包括农作物秸秆（稻草、麦秸、玉米秸等）、树叶、木屑等，它们由于获取容易、成本低，已成为工程上最常用的植物纤维。此外，也可用经粉碎处理的草炭、麻纤维、椰纤维等，其中椰纤维比一般植物纤维的木质素含量更高，抗腐蚀性、抗拉伸性更强，自然分解时间为5～10年，是配置人工土壤的最佳选择。

植物纤维用于人工土壤前应对其进行发酵处理，以消除对植物生长的影响并降低硬度。此外这些植物还需经机械切割加工，但纤维长度不宜太短，通常在2～3cm之间，以便于喷播机械作业。植物纤维的用量一般为人工土壤总体积的20%～30%。

三、人工土壤的类型

（一）厚层基质喷播

厚层基质喷播也称为有机质喷播，是采用专用机械设备（灰料喷射机），将人工配制的有机质与植物种子（草或草灌组合）、肥料、添加材料等混合，通过压缩空气喷敷到坡面上，形成一种适于植物生长的人工土壤。所谓的“厚层”是指喷敷厚度在8cm以上，“基质”是指喷敷材料组分以有机质材料为主。

1.材料组成

厚层基质喷播技术源于日本的厚层有机基材吹附法，即在植壤土中添加草炭、植物纤维、复合肥、黏合剂、保水剂、改良剂等喷播材料，采用高压喷播工艺将这些复合材料喷敷到坡面上，从而形成坡面人工土壤层。一般情况下各组分的参考配比（重量）为：植物种子1.5%～4%，植壤土10%～25%，泥炭50%～65%，农作物堆肥10%～16%，土壤改良剂4%～6%，保水剂2%～3%，土壤稳定剂3%～5%，复合肥1%～8%（当进行分层喷播时，基层和面层的配比应酌情调整）。由此可见，有机质含量在喷播材料中最高，因而厚层基质喷播是以有机质为主材的。

2.技术特性

自厚层基质喷播技术引进以来，我国已发展有多种不同的材料及工艺，例如TBS（西南交通大学）、PMS（北方林业大学）技术等，但从本质来讲，其基本特性大同小异，主要是不同立地条件下组分的构成和适应性的差异。厚层基质喷播技术具有以下优点：

●可适用于多种类型的边坡。因其可在坡面上形成厚度在8cm以上的人工土壤层，既可以用于岩质坡面，也可以用于土质边坡和土石边坡；既可以用于路堑边坡，也可以用于路堤边坡；既可以用于低、缓边坡，也可用于相对较高、较陡（不超过1∶0.3）的边坡。目前在边坡植被恢复工程中，该技术针对石质边坡的应用最为常见。

●施工初期植被恢复效果显著。因有机质含量丰富，质地、结构良好，非常适合植物种子发芽和快速生长，在水热条件适宜的情况下，施工后1～2个月就可以在坡面上形成70%左右的草被覆盖，植被恢复及景观再造效果显著，且发挥固土护坡、减少水土流失的功能。

●机械化作业程度高，施工速度快。厚层基质喷播所用的主要设备为灰料喷射机，并与空气压缩机、柴油发电机、传送带等设备相连接，采用自动进料、定时搅拌、连续喷射的方式进行作业，日进度可达800～1 000m2（喷播厚度7cm、作业时间10h）。

3.与客土喷播的区别

厚层基质喷播与客土喷播在组分配置上大致相同，但客土的主材是种植土，而厚层基质的主材是有机质，这是二者最大的区别（这也是在本章中将客土视为非“植生基质”而排除在“人工土壤”类型范围之外的原因）。此外，虽然同属于机械喷播技术，但分别解决不同质地边坡的植被建植问题：客土喷播主要用于土质缓坡上的植被建植，虽可以用于风化程度较高的岩质坡面，但因自身比重较大、养分含量和稳定性等存有缺陷，故不宜用于高陡岩质坡面的植被建植；而厚层基质喷播在比重、结构、养分和稳定性等方面比客土更有优势，可以在高陡坡面上获得较好的植被恢复效果（详见第七章）。

（二）植被混凝土喷射

不同植物和不同基岩性状的坡面对人工土壤层厚度的要求也不同，厚层基质喷播所形成的人工土壤厚度往往小于10cm，难以满足不同品种植物生长的要求，因而其对于恢复坡面物种多样性，营建理想的坡面乃至实现边坡生态恢复具有一定的局限性。为此，植被混凝土喷射（喷混植生）技术应运而生。

1.材料组成

植被混凝土是在厚层基质组分配置基础上改进而来的，由植壤土、有机质、水泥、专用添加剂材料等组成。与水泥相比，高分子材料黏结剂因缺水条件和自然降解作用而使其功能、寿命受到影响，会出现土层龟裂、剥落现象，特别是与岩质坡面的附着性较差。而采用水泥代替高分子黏结剂，则可增强土层的基材与植被混凝土的依附性，并提高其抗冲刷能力。目前，在植被混凝土中常用的黏结剂是425＃硅酸盐水泥，因其呈碱性，故需用添加剂进行调节。一般情况下的各组分的参考配比为：植物种子30（g/m2），植壤土80%～90%，有机质（体积比）10%～20%，复合肥0.6%～1.0%，保水剂0.08%～0.1%，425＃水泥5%～12%，改良剂2%～5%（当进行分层喷播时，基层和面层的配比应酌情调整）。植被混凝土中水泥含量较高，植壤土用量也很大，且对植壤土质地有一定要求，一般沙粒含量低于10%，最大粒径小于1.0cm，含水量不超过20%，否则需对其进行改良或粉碎。

近年三峡大学研发了一种含砼绿化添加剂的植被混凝土技术（CBS），其主要配置为：腐殖质＋干粉土＋砂＋长效肥＋保水剂＋砼绿化添加剂（A－B菌）＋水泥，已在多项石质边坡植被恢复工程中得到应用，并取得了较为理想的效果。

2.技术特性

植被混凝土技术主要为石质边坡植被恢复而开发，其与厚层基质技术相比，除植壤土用量较大外，主要区别在于所用的黏结剂、有机质的类型和用量不同，因此具有许多特点：因水泥用量大（5%～12%），喷射形成的土层厚度及强度较高，不易产生龟裂，抗冲刷能力和护坡功能强，适于高陡边坡（坡度大于1∶0.5）；初期孔隙率较小，固结性、保湿性较强，不易干缩开裂；使用专用添加剂，使喷射层具有良好的结构和营养条件，pH值可控制在适于植物生长的范围内；喷射所用设备、工艺与喷锚护坡施工相同，喷射作业距离远，施工简单、易行。

（三）高次团粒喷播

随着边坡生态恢复技术研究的深入及工程实践经验的增加，人们逐渐认识到乔灌木种植不仅具有良好的抗旱、保水、防风沙，降尘土，抗盐碱等优点，而且有生长快、耐贫瘠并对生长环境要求不高等优势，但因一般植生基材无法有效解决坡面表土抗冲刷能力的问题，不能为乔灌木早期生长提供稳定的土质基础，故难以实现以乔灌为主的边坡植被恢复。20世纪80年代，日本彩光株式会社研发的“绿化工法”，即高次团粒（SF）技术，为解决这一瓶颈问题提供了一种可行、有效的途径。

1.技术原理

高次团粒技术引进我国后，对其应用研发主要集中在以仿生学方法为原理的人造土壤配制、以乔灌组合为主的植物种植和专门的施工工艺3个方面。高次团粒土壤基材的形成方法及过程为：在主体植壤土（或客土）材料中添加长键链状活性高分子团粒剂、黏结剂、植物性连续纤维、稳定剂等，并经充分拌和形成泥浆胶体；利用专用喷播设备将泥浆胶体向坡面（植生网材）喷播，当泥浆胶体从喷头高速喷出的瞬间，其中的组分相互发生作用，特别是其中改性后的长键链状高分子团粒剂所具有的超强表面分子张力和亲水性所产生的水解聚合作用，诱发氧化聚合反应，形成电离结合，从而使泥浆胶体的黏结力增强，并牢固附着于坡面（植生网材）上，形成“蜂巢”状团粒结构的人工土壤，为坡面植物提供了优良的生长基层和条件。

高次团粒具有与天然表土相同的土壤结构及特性，固土、肥、水性能强，疏水透气性好，且适宜微生物栖息。如图5－8所示，自然界中沙和重黏土为单粒结构，易板结，保水保肥能力差；团粒结构为粒子的集合体（团粒），团粒内部与团粒之间具有大小不同的孔隙，团粒间的小孔隙具有保持水分、养分的功能，团粒间的大孔隙则发挥着保水、通气的作用。另外，团粒结构中的粒子通过静电的作用吸附大量的养分，团粒间的孔隙中栖息着大量的微生物，为植物提供了良好的生长条件。

图5－8　一般土壤与高次团粒结构的区别

2.技术特性

高次团粒是目前最先进的植被恢复工程材料，具有其他植生基材不可比拟的优良性能，能够有效改善常规方法所存在的若干制约性缺陷，其优势主要表现在以下方面：

（1）高次团粒土壤基材具有独特的理化结构，有利于根系发达的植物与之相互结合、作用，形成盘根错节的根系网，可有效抵抗降雨侵蚀，最大限度地降低水土流失。

（2）植物种植可采用以乔灌木为主、草本为辅进行自然混播，通常可在乡土植物的基础上配置多种乔灌木品种；并非常规的植草、植树方式，而是“以种育苗”，从乔灌播种向“森林化”演替的育林模式，可兼顾当前和长远植被恢复目标，形成草、灌、乔有机结合的多样性植物群落。

（3）因克服了其他喷播方式所存在的品种单一、植被恢复慢、后期养护繁重及易退化的弊端，自然演替功能良好，从而使边坡植物群落的稳定、快速生长、短期成林得以实现。

（4）常规的喷播技术大多只能满足中等坡度以下边坡的植被恢复要求，对于坡度大于60°边坡上的植被恢复往往效果不佳，但高次团粒以其黏结强度高、抗冲刷性能好的优势，可以成功解决75°以上坡度石质边坡的植被恢复难题。

（5）多样化的物种有效抵抗了病虫害，无需施肥洒药，由于是对自然恢复力给予支持，有力促进了自然演替，且无需后期养护，使生态、社会、经济效益得到统一。

（6）高次团粒基材具有施工便捷、后期养护简单的特点，同时所用添加材料多为环保、可自然降解材料，对环境无污染、无破坏。

随着材料技术的不断完善，高次团粒混合纤维护坡技术的适应性不断提高，已逐渐在各种复杂地质、地貌以及难以进行植被恢复的边坡地段得到应用，特别在高陡石质边坡生态恢复工程中得到成功应用，促进了我国边坡生态恢复和防护技术水平的提高。近年来，国内相关行业对高次团粒技术开展了大量的研究、探索和工程实践，比如湖南双胜生态环保有限公司、青岛高次团粒生态技术有限公司、青岛冠中生态股份有限公司、三峡大学护坡绿化研究所等单位，均已开发出各具特色的高次团粒植被护坡技术，正越来越多地应用于国内不同地区及不同立地条件的边坡生态恢复工程。

（四）等离子喷播

针对高陡且坡形复杂的岩质坡面，特别是对于岩堆、碎裂岩、散体岩、极酸性土以及挡土墙、护面墙混凝土结构坡面，因立地条件恶劣难以有效进行植被恢复的现状，近年来出现了等离子喷播技术。该技术采用高压空气输送方式，将植物种子、种植土、有机质、植物纤维、添加剂（保水剂、改良剂等）以及无机固化材料（等离子α）与水混合，按设计厚度喷射到岩石坡面上，其中的钙质无机等离子α固化材料遇水发生化学反应，在岩面形成坚固针状的结晶体，使土壤与坡面紧密地结合在一起，最终形成稳定的且具有保水保肥性能的人工土壤基质。该技术是集岩土工程学、植物学、土壤学、肥料学、高分子化学和环境生态学等多学科于一体的坡面植被恢复工程技术，因其特性显著、适应性强，目前国内已有许多科研、工程机构在进行积极的研发、试验，并成功实施了部分试点工程（如北京绿冠生态园林工程有限公司等）。

1.技术原理

等离子喷播的核心是无机固化材料（等离子α），其含有大量的钙、氧化铝、二氧化硅等，遇水及土壤发生水合反应，凝固成针状结晶，晶体可反复膨胀、干燥龟裂小，不易被风雨侵蚀，即使在高陡岩面不挂网也能形成强固的基盘。主要反应过程及反应方程式如下：

水合反应：CaO＋H2O→Ca（OH）2

因水合反应和消石灰的吸水性使土壤含水量降低，土粒子的膨胀将周围的土进行压缩，使基盘强度提高。

普查兰（灰结）反应：Ca（OH）2＋Al2O3→3CaO·Al2O3·6H2O

土壤中的二氧化硅、氧化铝和石灰成分进行普查兰反应，生成硅酸钙、铝酸钙和水等物质，胶结在土粒子之间。

结晶反应：3CaO＋Al2O3＋3CaSO4→3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O

石灰粉、氧化铝和石膏生成针状结晶，使土粒子结合更加紧密、牢固，增强附着性。

氧化反应：Ca（OH）2＋CO2→CaCO3

残留的石灰成分与土壤中的二氧化碳反应生成碳酸钙，使基盘与岩面牢固结合。

2.技术特性

相对其他人工土壤建植技术，虽然等离子喷播目前尚处于发展阶段，但其所具有的独特性能已引起业内的关注。具体来讲，等离子喷播的优势在于以下几点：

●适应性强。可适用于我国绝大部分地区的气候条件，适合各种表面坚硬、不易风化的硬岩坡面（如花岗岩、闪长岩、中生代砂岩、蛇纹岩、粘板岩）以及易风化、砂土化及龟裂的软岩坡面（如岩浆、凝灰岩、页岩）。

●抗侵蚀力强。等离子喷播形成的土壤与坡面的固结是半永久性的，土壤与岩面结合的化学反应是循环反应，使得结晶愈加紧密，即使在长期的风吹雨打、烈日暴晒情况下，也不会出现高分子黏合剂带来的干硬、龟裂和脱落现象。

●透水性好。因土壤中均匀地分布有钙矾石等结晶物，增加了土壤的孔隙度，因而透水性好，有利于水分、肥分渗透和保持，对植物根系的发育起到促进作用，并降低了后期养护要求。

●施工效率高。可一次性完成覆土、播种、施肥、保墒等工序，一定条件下可省略挂网工序，大大缩短了植被建植的工期；一次性喷播厚度较厚且喷播层固化凝结时间短，有利于尽快发挥防治侵蚀的功能，抑制坡面水土流失。

四、机械喷播

坡面人工土壤的重建、再造是应用喷播技术通过喷播机械实施的。喷播技术最早诞生于美国，用于大面积草坪的快速建植。20世纪60年代初，日本、欧美等发达国家相继采用喷播技术绿化坡面；70年代后，韩国、新加坡和我国开始使用该技术，并且我国从80年代起一直进行喷播技术的研究和工程应用。经过数十年的发展，现已成为一种技术先进、应用普遍、快捷有效的机械建植技术。

机械喷播以水或气流为载体，将植物种子与植生基材组分混合后，通过大功率喷射器喷敷、播洒在坡面上，形成一层毯状物的活性人工土壤。依靠纤维的交织性和浆液的黏性依附在坡面，创造基本植物生长条件，外表形成的稳定保护层既可防止水土流失，还可涵养水分、固定并保护种子，形成植物种子生长的良好培养基。与人工建植相比，喷播技术的优势是在播撒植物种子的同时还能喷送植物生长所需的营养物质，并通过这些营养物质及其相关组分改良土壤，达到促进坡面植被快速恢复的目的。不仅如此，喷播技术还具有机械化程度高、施工效率高、建植质量好等优点，并能在人工难以或无法接近的地带实施作业，因而特别适于陡而高的坡面的植被建植。

喷播时人工土壤的输送载体有高压水流和高压空气两种，对应于载体（动力）的不同，喷播分为湿法喷播（液力泥浆喷播）和干法喷播（气力灰料喷播）。湿法喷播使用的设备是泥浆喷射机，其由动力源（内燃机）、搅拌罐、泵站、空压机和喷射头组成，植生基材和水在搅拌内混合成浆液后，通过泵加压送到喷嘴处，再与压缩空气混合经喷头喷射到坡面上。干法喷播使用的设备主要是转子喷射机，另外配套空气压缩机、水泵共同运行，植生基材（干混合物）由高压空气输送到喷射口，并同时与雾化水混合，然后喷落到坡面上。湿法喷播所形成的土层厚度较干法喷播要薄，一般为3～5cm。若需增加厚度，需待基层稳定后再进行二次喷播。湿法喷播技术对常规的人工土壤类型均适用，而干法喷播技术通常多适用于厚层基材喷播。顺便指出，在本章中尽管未将客土作为“植生基材”纳入“人工土壤”类型范围，但湿法喷播和干法喷播技术对客土喷播均为适用。两种喷播技术工艺原理如图5－9所示。

图5－9　常用喷播技术原理工艺

目前国际上技术领先的喷播机主要产自美国，如芬尼（FINN）、波威（BOWIE）、土宝（TURBO）、安逸（EASE　LAWN）、来客（LESCO）等品牌，也有部分日本等国家的产品。国产喷播机制造技术近年来虽发展迅速，但还是以仿制或引进关键部件进行组装为主，这些非标准化生产制造的喷播机还有若干关键技术仍有待进一步研发、突破。

不同于土质缓边坡，对于坡度较陡、质地坚硬的石质边坡，其上若无承载物，喷播的人工土壤根本不可能在坡面上稳定立足。因此，在坡面上敷设植生网材是机械喷播的必备配套措施。敷设于坡面的植生网材可与人工土壤融为一体，起到加筋支撑作用，且随着植物的发育生长，其根系与网材、植生基质共同形成一个加筋复合土体，使坡面人工土壤的稳定性日趋增强。