撫仙湖流域磷礦開采廢棄地恢復灌草叢的物種配置研究

趙敏慧,楊禮攀,楊中寶,王 躍

(1.玉溪師范學院 云南玉溪 653100;2.云南中醫學院,昆明 650500)

撫仙湖流域磷礦的露天開采在澄江縣已有20余年的歷史。磷礦開采所引發的水土流失除對本區域產生影響外,還會對更大范圍內的土地利用、水文條件產生影響[1]。同時礦山廢棄地對土地的侵占和環境污染已成為區域社會經濟發展的制約因素[2-4]。

植被所表現出的固持土壤、保持水土、凈化環境的功能是生態建設的重要目標,同時也產生較好的生態、經濟和社會效益,成為礦山生態恢復和重建的核心。而恢復植被群落內如果物種配置不當,將使林木不易成活或樹木長期生長不良,起不到森林的防護作用,使經濟受到巨大損失[5]。在土壤水分極缺乏而貧瘠的磷礦開采廢棄地上做高大植物群落的人工恢復,成活率必將不理想,也是不經濟的,但做草本或灌木的恢復,可在短期內提高地表的植被覆蓋率,實現對裸露地的水土截留。因此,為遏制磷礦開采對撫仙湖造成的污染,本文選取研究區1～5 a磷礦廢棄地草本植物群落,分析其群落自然演替的形成規律和特征,研制恢復灌草叢群落的物種配置方案,為后續灌木林地的演替和恢復打好基礎。

1 研究區概況

撫仙湖磷礦開采區位于撫仙湖東北角,玉溪市澄江縣城東,東經 102°56′-103°01′,北緯 24°37′-24°46′。開采區面積7 244.27 hm2,占流域總面積的10.28%,總儲量4億t,品位高,易開采。本區屬亞熱帶高原季風氣候,干濕季節分明,雨熱同季,年平均氣溫16.5℃,最冷月1月平均氣溫8.3℃,最熱月7月平均氣溫20.5℃,年降水量 900～1 200 mm,年日照時數為2 141.8 h。土壤有紅壤、黃棕壤、水稻土,以紅壤為主。地帶性植被是以殼斗科(Fagaceae)、樟科(Lauraceae)、茶科(Theaceae)、木蘭科(Magnoliaceae)植物為優勢種的半濕潤常綠闊葉林。磷礦開采廢棄地面積119.70 hm2,雖只占開采區面積的1.65%,但因常年深度剝離式的開采方式對地表植被破壞較大,又缺乏有利的開采面恢復措施,雨季表土隨徑流流失,增加了撫仙湖的污染負荷。

2 研究方法

野外調查依分散典型取樣原則,在磷礦開采廢棄地上,以空間代替時間系列,選取1～5 a磷礦廢棄地草本植物群落設置樣地。樣地形狀不限,依地形而定,共設置樣地16個,單個面積 25 m2(5 m×5 m)。在設置的每個樣地內,用法瑞學派方法調查其植物種類、每種植物的存在度、多優度、群集度、高度及群落蓋度。存在度用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ五級表示,種的多優度用+～5六級表示,生活型采用Raunkiaer系統表示[6]。然后依據樣地中各植物的多優度和群集度、高度及種蓋度的大小確定其在群落中的優勢地位,進而分析磷礦開采廢棄地自然恢復1～5 a的草本群落各階段的物種結構特征和自然演替規律。

3 植物群落的自然形成及各植物種在群落中的地位分析

3.1 植物群落自然演替規律及群落特征

在磷礦開采廢棄地上,以空間代替時間系列,選擇1～5 a磷礦開采廢棄地16個面積5 m×5 m的草本植物群落作樣地調查,分析各時間段自然恢復植被群落特征及各群落中優勢種和亞優勢種,結果見表1(16個樣方中各物種特征見文獻[7])。

表1 磷礦開采廢棄地1～5 a自然恢復植被群落特征

從表1可看出,1～5 a磷礦廢棄地的16個樣地均只有草本層一層,但群落蓋度和高度隨自然恢復年限的延長而增加。1 a廢棄地有物種10～17種,2 a有10～16種,3 a有4～20種,4～5 a為11～22種。總的看來,16個樣地中出現58種植物,廢棄3年以上的群落物種數略有增加,但種類成分混雜,物種數目變化不大,處于由菊科、禾本科和豆科的蝶形花亞科的的先鋒植物為優勢的草本植物階段。根據群落優勢種的不同,廢棄1 a的磷礦地植被為細柄野蕎、紅莖馬唐-牛尾蒿群落,2 a為牛尾蒿-加蓬群落,3 a為牛尾蒿-加蓬、紫莖澤蘭-牛尾蒿、波葉山螞蝗-牛尾蒿群落,4～5 a為牛尾蒿-波葉山螞蝗、滇蔗茅群落等。群落演替雖為草本植物階段,但隨著多年生草本植物如菊科的牛尾蒿(Artemisia d ubia)、禾本科的滇蔗茅(Erianthus rockii),特別是蝶形花科半灌木狀的波葉山螞蝗(Desmodium sequax)的個體數量、高度、蓋度的增加、群落內部環境及土壤理化性狀得到進一步改善,為下一階段灌木的進入作好了準備。

在1～5 a磷礦廢棄地植物群落中,牛尾蒿從第1年入侵、定居、繁殖、競爭,一直到第5年都占有優勢,表明撫仙湖流域磷礦廢棄地1～5 a內植物群落的形成過程,是先鋒植物的入侵定居和發展的過程,表現為喜陽耐旱植物的入侵到半灌木狀波葉山螞蝗的出現和群集。在局部淹水區出現牛毛氈(Eleocharis asicularis)和披散門荊(Equisetum clif f lisum)并形成優勢,這是局部小生境水濕條件所致。

3.2 各植物種在群落中的地位分析

磷礦開采和廢棄過程中,土壤耕作層被破壞,夾雜較多尾礦石、保水保肥性能差,土壤微生物和動物區系多樣性降低,而光照又充足,只有自然恢復的先鋒草本植物才能適應廢棄地這樣惡劣的生態環境。從表2可看出,磷礦廢棄地1～5 a植物群落存在度4級及以上的植物中均包括了各群落的優勢種和亞優勢種,它們以1年生植物占優勢,其次是地面芽植物,這些植物冬季以種子越冬或地上部分全枯死,以適應磷礦開采廢棄地旱季土壤水分較缺乏的狀況。同時大多喜光陽性,耐干旱,適生于干濕季明顯,無盛暑和酷寒的氣候條件,既能適應酸性及石灰性土壤,也能夠適應礦山廢棄地土壤貧瘠,滲透率大,水資源流失嚴重等環境特點。因此灌草叢是一類做礦山恢復的理想群落類型。

表2 磷礦開采廢棄地1～5 a自然恢復群落存在度4級及4級以上物種

4 灌草叢群落內的物種配置

4.1 物種選擇原則

灌草叢是裸地向灌木林地演替的次生植被類型,對防止水土流失起到一定的作用。在水肥極貧瘠的采伐陡坎區、平臺斜坡區及尾礦石堆放區進行灌草叢的人工恢復時,應按“藤灌草結合”的原則,選擇既要具有固坡、防止水土流失等生態防護作用,又有利于景觀美化的物種,才可以保證恢復植被的成活率,短期內有效的提高物種多樣性和地表植被覆蓋度,降低水土流失量,為后續灌木林地的演替和恢復打好基礎。具體選擇的物種需具有以下特點：(1)根系發達、生長快;(2)適應性強、抗逆性好;(3)具固氮能力;(4)當地優良的鄉土先鋒物種;(5)種源易于人工繁殖,易栽易管。

4.2 物種配置方案

磷礦開采廢棄地恢復灌草叢群落,理論上可選用各樣地物種存在度4級及以上物種做恢復,但在實際人工恢復中,考慮到廢棄地上出現的大多物種屬于在無人為干擾情況下較易自動進入廢棄地的本地雜草,在物種配置中就不再考慮。

半灌木狀波葉山螞蝗和多年生草本滇蔗茅(Erianthusrockii),因其物種蓋度和高度相對較大,對廢棄地干、貧小環境的改善更為快速應被選用。同時配置在撫仙湖流域適應性較強的車桑子(Dodonaea viscoa)、馬桑(Coriaria Sinica)2種灌木,及能大面積匍匐、攀援于石頭、山壁上,具旺盛的萌生能力的藤草植物,如地石榴(Ficus ticoua)、葛根(Pueraria lobata)、白三葉(Trif olium repens),可快速實現對裸露土地的覆蓋,提高物種多樣性,加快廢棄地植被恢復的進程。

具體選種的物種在礦區土地復墾后分3個地段來施行：一是在開采陡坎區,沿等高線帶狀整地,選用配置的優勢藤、草物種高密度種植,以起到陡坡垂直綠化,截水保水的作用;二是在開采斜坡區,同時種植配置的藤、灌和草植物,以提高群落的物種多樣性,改善恢復區干旱、貧瘠的小環境;三是在待恢復地段附近找一片水肥條件較好的區域做補植區,其上栽種待恢復群落成活率高、具美化效果的1～2類灌木做后備補充。這樣,通過營造結構合理的藤、灌和草群落,加上后期的科學管理,為后續灌木林地的演替和恢復打好基礎。具體物種配置見表3。

表3 灌草叢群落物種配置表

5 結語

磷礦開采場和尾礦石堆積場由于土壤理化性狀被破壞,土層中石塊多空隙大,土壤貧瘠且水土流失量大,自然恢復需要較長的時間,直接恢復森林植被成活率較低。灌草叢是裸地向灌木林地演替的過渡植被類型,對防止水土流失起到一定的作用。

在磷礦開采廢棄地上進行灌草叢群落的人工恢復時,除栽種廢棄地自然演替中出現的優勢多年生草本植物和小灌木外,還應配置研究區耐貧瘠、干旱、萌生性強,護坡、護土效果良好和生長迅速的其它藤、灌植物,以實現對裸露地的水土截留,保證恢復植被的成活率,短期內有效的提高物種多樣性和地表植被覆蓋度,為后續灌木林地的演替和恢復打好基礎。但灌草叢的土壤抗侵蝕性仍然很差,水土流失情況仍然嚴重,恢復后應進一步加強封育管理,待土壤水肥狀況改善后,盡快增植其它喬灌樹種,以增加土壤抗侵蝕性,恢復其森林生態系統的功能。

[1] 卞正富,張國良,胡喜寬.礦區水土流失及其控制研究[J].土壤侵蝕與水土保持學報,1998,4(4)：31-36.

[2] 藍崇鈺,束文圣,孫慶業.采礦地的復墾[M]//陳昌篤.持續發展與生態學.北京：中國科技出版社,1993：132-138.

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[4] Wong M H.Environmental impacts of iron ore tailings：the case of Tolo Harbour,HongKong[J].Environmental Management,1981,5：135-145.

[5] 呂福軍,王曉輝.通遼市科爾沁區適宜林種結構和樹種配置的探討[J].內蒙古民族大學學報：自然科學版,2003,18(1)：50-52.

[6] 云南大學生態地植物研究室.昆明西山青崗櫟(Cyclobanopsetum glaucoidis)群叢的初步研究[C]//昆明：云南大學學術論文集.1965.

[7] 楊禮攀,王寶榮,楊樹華.撫仙湖流域區磷礦開采廢棄地植物群落演替的研究[J].西部林業科學,2004,33(1)：94-98.