東北煤矸石礦山生態恢復的植物選擇探析

王 艷, 王敏超, 代保清

(1. 沈陽師范大學 生命科學學院, 沈陽 110034; 2. 沈陽市園林科學研究院, 沈陽 110000)

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資源與環境

東北煤矸石礦山生態恢復的植物選擇探析

王 艷1, 王敏超1, 代保清2

(1. 沈陽師范大學 生命科學學院, 沈陽 110034; 2. 沈陽市園林科學研究院, 沈陽 110000)

煤礦開采后形成的煤矸石山帶來了非常嚴重的生態問題,國內外都對煤矸石山生態恢復開展了研究與實踐。分析了煤矸石山的環境特點及對植物存活與生長的限制因子,包括缺乏正常的土壤結構、煤矸石自燃導致的溫度升高、pH降低、重金屬含量增高等。概述了國內外煤矸石礦山恢復的研究與實踐。煤矸石礦山的生態恢復要遵循生態學規律,既要注重構建土壤基質,又要篩選適宜此類生境的植物,而且要注重提高生物多樣性,使人工構建的群落能夠穩定生長并逐漸達到平衡。探討了煤矸石礦山生態恢復植物選擇的一般原則,總結了可供東北地區煤矸石礦山生態恢復選擇的植物種類,并對未來煤矸石生態恢復應該開展的研究工作提出了展望。

煤矸石; 限制因素; 生態恢復; 植物選擇

0 引 言

我國是煤炭生產和使用大國,因煤炭開采及洗煤排放廢棄物形成的煤矸石山數量眾多,據不完全統計,我國的國有煤礦現有矸石山1 500余座,累計堆積量高達30億噸,占地5 000 hm2[1],且其堆積量還以每年上億噸的速度在增加[2]。這些廢棄矸石山帶來的較為嚴重的生態問題,具體表現在:采礦和矸石堆積對土壤和植被的破壞、矸石山釋放SO2和H2S等有毒有害氣體、揚塵、容易坍塌、發熱爆炸等,其淋溶出的重金屬等有毒有害物質進入河流和農田會危害周圍的樹木和農作物,危害糧食安全,甚至可導致糧食絕收、寸草不生,酸性礦水排入水體后使水體中的魚蝦絕跡,從而使生態系統的結構受損、功能退化,最終危害人的身體健康,并成為制約礦區可持續發展的重要問題。因此,煤礦區的生態恢復和重建成為了一個重要的研究領域。

煤矸石山的生態恢復一般包括土地整形、土壤重建、植被恢復等幾個過程[3],其中植被的恢復是一個非常重要的環節。由于煤矸石礦山的各項生態因子嚴重惡化,具有許多不適宜植物生長的客觀條件,因此合適的植物選擇對于礦區的生態恢復具有至關重要的意義。矸石山的植被恢復要考慮一些相關的生態學原理,包括矸石山對植物存活的限制因子分析、植物的生態適應性分析、生物多樣性理論、群落演替理論、景觀生態學的相關理論等。在中國的東北地區,煤矸石礦山較多,且所處地區具有特殊的氣候和環境特點,在煤矸石礦生態恢復時所能選擇的植物方面更具有特殊的限制性和區域性特征,本文將對東北地區煤矸石礦山生態恢復植物種類選擇等相關問題進行探討,從而為相關研究和生產實踐提供指導。

1 煤矸石礦制約植物生長的限制因子分析

煤矸石山是由煤炭開采過程中廢棄的大塊石礫或塊石長期堆放后形成的。對植物來說矸石山的生態環境條件極端惡劣,近似于原生裸地,分析其制約植物存活的主要問題在于以下幾個方面:

第一,煤矸石塊及其風化物之間空隙大,沒有正常的土壤結構,矸石塊不能有效保持水肥,固、液、氣三相的比例失調,作為植物生長基質的矸石的營養和水分等極端貧瘠,導致植物存活與生長困難。

第二,煤矸石中含有的黃鐵礦(FeS2)與氧氣接觸后氧化,生成硫酸鹽類、釋放熱量,從而引起煤矸石中殘存的煤自燃,導致矸石基質的溫度升高、pH值降低、鹽分含量升高等問題的出現。喜酸微生物的作用能增加黃鐵礦的氧化速度,從而進一步降低矸石山的pH值。降雨的淋溶作用也可導致類似問題,相關研究發現,煤矸石經過風化和雨水淋溶之后,含鹽量升高,pH可下降到3.5,鋁離子的含量、硫酸鹽和硝酸鹽含量均大幅度增加。這些因素十分不利于植物生長,甚至可導致植物死亡。

第三,煤矸石中含有重金屬成分,包括Cu、Pb、Cd、Zn、Hg、As等,這些重金屬在酸性條件下溶解量加大,隨著降水流入周圍的水體和土壤,帶來環境風險,對矸石山上的植物則產生更加直接的毒害作用。

綜上所述,煤矸石礦山具有諸多不利于植物定居、生長的客觀因素,如果依靠自然恢復,煤矸石礦山可能需要經過幾十年甚至上百年的時間才能出現比較穩定的群落,所以人為干預下快速構建植物群落是礦山生態恢復所必需的。由于上述的不利因素存在,一般要對煤矸石礦山覆土以降低其酸化和鹽化程度后再種植物,即便如此,能夠在這樣的環境下成功存活的植物種類也非常有限,因此適生植物的篩選和應用研究具有重要科學意義和實踐應用價值。

2 國內外的相關探索

2.1 國外的相關研究

在煤矸石山的生態治理相關方面,很多國家都取得了較好的進展。德國是最早探索廢棄地植被恢復的國家,其發展過程大致經過了4個階段:第一階段(20世紀20年代到1945年)試驗性地進行多樹種混合種植;第二階段(1946年到20世紀60年代)對多種樹木進行了生態適應性研究,篩選出赤楊和白楊為適合的喬木樹種;第三階段(20世紀60年代到1989年)篩選出了橡樹、山毛櫸、楓等作為應用的樹種;第四階段為混合型土地復墾模式,從生態系統角度使農林用地、水域及許多微生物循環體協調統一,研究生態恢復前后生態因子的改變,如開展林地滲透水、地表徑流、土壤營養成分及重金屬含量變化的研究、植物生長過程的定位研究以及動植物種類變化的研究等。

美國礦區廢棄地植被恢復特點是在恢復植被前先改善土壤的理化性質、供應適量的營養物質,種植選擇好的植物之后便不再進行人工干預,使之在自然恢復作用下達到生態平衡。經常采用的植物是將多年生禾本科與豆科植物混播,同時栽植闊葉樹種,若選擇針葉樹種則在播種草本植物一年之后種植。

俄羅斯在矸石礦山恢復選擇樹種時主要考慮以下幾個方面:即植物的耐寒性、抗旱性、耐貧瘠、抗污染、生長快和具有一定的土壤改良作用,注重所選擇植物的經濟價值和水土保持作用。經常選擇包括刺槐在內的固氮樹種和其他豆科植物。英國在礦區廢棄地生態恢復中也優先選擇具有耐貧瘠特點的豆科植物,還篩選了能適應礦區惡劣環境條件的樺木和柳樹的優良無性系。在生態修復方面注重構建復雜的群落結構,喬灌草合理配置,以達到既能有效控制水土流失、又能利用植物修復土壤結構和肥力的目的。

2.2 國內的相關研究

我國的相關研究在20世紀50年代起步,最初的目的是復墾,即將可進行農業耕種作為礦山恢復的目標[4]。20世紀70 年代開始研究建立穩定的礦區人工植被生態系統,注重生態改善,例如利用植被減少粉塵污染、調節地表徑流等[5]。大規模的礦山生態修復始于20世紀80年代。此階段有許多礦區開展了煤矸石山植被恢復的實踐,如黑龍江鶴崗礦區于1985—1987年期間對煤矸石山進行了闊葉樹造林試驗;山西對陽泉地區煤矸石山開展了抗旱、耐貧瘠牧草、喬灌木、觀賞植物的栽培試驗,并在王莊煤礦利用20多個喬灌木樹種進行了煤矸石山造林試驗研究,開展了植物群落結構與生態效應方面的研究;在撫順煤礦治理中,試種了20余種植物[6],發現香花槐、火炬樹等樹種成活率較高,并開展了土壤方面的研究[7],發現復墾土壤中有機碳品質逐年得到改善,越來越有利于植被生長。

3 煤矸石山選擇植物的原則及種類分析

由于煤矸石山特殊的環境條件,若完全依靠自然恢復其進程將十分緩慢,所以依靠人為種植適合的植物來快速達到生態修復的效果是必要措施。

3.1 植物選擇的一般原則

煤矸石礦山環境條件惡劣,故植物的選擇應遵循快速綠化優先、經濟效益其次的原則,因此所選擇的植物應該具有先鋒植物的特點,即生長迅速、抗干擾能力強,成活率高,能快速覆蓋地表,從而起到快速改善煤矸石礦山生態環境的作用;要具有脅迫忍耐力,即具有抗旱、抗寒、耐熱、耐瘠薄、耐重金屬等特點;具有以側根發育為主的特點,能產生不定根、萌蘗能力強,有效適應煤矸石礦石山淺薄的土層、基質條件惡劣的環境;此外,還應考慮以本地鄉土植物為主的原則,使其與當地的原有生物群落結構和諧,對于可能造成生物入侵的外來物種要慎重選擇。待先鋒植物將環境條件改善后,再依靠自然的演替或人為選擇其他植物來進一步優化、改造群落。

3.2 東北地區煤矸石礦山可供選擇的植物種類

由于東北煤矸石礦山環境的特殊性,其生態恢復所能選擇的植物除考慮上述原則外,植物的耐酸性、改良土壤的能力、適應當地較為寒冷的氣候等因素也應該是考慮的重要因素。東北地區的氣候特點是四季分明、春季干燥、冬季嚴寒、溫差較大,結合煤矸石礦山生態恢復的實踐及相關研究報道,目前在東北地區煤矸石礦植被恢復方面可以考慮選擇的植物種類見表1[8-19]。

表1 東北地區煤矸石礦山生態恢復可選擇的植物種類

表1所列植物為適應東北氣候的物種,絕大多數為鄉土植物,且一般都具有耐旱性。其中火炬樹在煤矸石礦山的表現良好,但在應用時要注意生態入侵的問題,慎重選擇。如果考慮到耐矸石山的高溫問題,可考慮選擇的喬木有側柏、榆樹、刺槐、臭椿,灌木可選擇紫穗槐,草本可選擇高羊茅、沙打旺、紫花苜蓿、馬齒莧、鬼針草等也較適合。若考慮具有吸收重金屬的功能,以達到在植被恢復的同時進行矸石山生物修復的目的,則可以選擇草本植物鬼針草(吸收多種重金屬)、千里光及艾蒿(對Zn、Cu、Cd、Pb具有吸收能力)、龍葵(富集Cd)、假酸漿(有效吸收Cu、Pb)、酸模葉蓼與豬毛蒿(吸收Zn)、小飛蓬(吸收Cr)、狗娃花(吸收Cd和Ni)、遏藍菜(吸收Zn與Cd)、南牡蒿(吸收Cd),白茅 (吸收Pb),蕨(吸收Cu、Pb、Cd)等[20-23]。一些木本植物也可以有效吸收重金屬,如柳屬植物能富集Cd和Al[24],楊樹可富集Zn[25],刺槐、接骨木、臭椿、油松等木本植物對重金屬也具有較強的抗性或吸收能力[26]。從耐鹽性角度考慮,喬木可選擇山皂角、華北衛矛、側柏、山杏,灌木可選擇紫穗槐,藤本可選擇爬山虎,草本可選擇高羊茅、虎尾草、紫花地丁、灰綠藜、車前等。

3.3 煤矸石礦山植被恢復應注重提升生物多樣性及景觀效果

煤矸石山復墾的目標是要建立穩定、生態效益顯著的生態系統。要實現這個目標,在生態恢復的初始階段就應注意建設具有一定生物多樣性水平的人工群落,要注重喬灌草三個層次的綜合配置,而且每個層次中應搭配多種植物,盡量避免種植單一物種。植物多樣性的提高對于穩定群落結構、增強系統的功能等方面都發揮著重要作用。草本植物生長快,容易覆蓋地表,有效減少水土流失;灌木往往具有較強的萌蘗能力,種植灌木能顯著改善煤矸石礦的環境條件,如保持水分、提高總氮、有效磷、有效鉀等[27];木本植物能發揮較為強大的生態作用,例如槐樹能阻止土壤的酸化,增加有機質含量。草本、灌木與喬木互相配合,能最大限度地利用水平空間和垂直空間,使建成的群落呈現出類似自然群落的地上成層性與水平鑲嵌性。研究表明,林草混交能有效改善立地條件,可減少矸石礦山土壤的大孔徑,增加毛細管,降低水分下滲速率,從而提高保水保肥能力[28]。另外,在構建矸石山群落結構時,也可適當選擇一些藤本植物,從而形成更加復雜、穩固的群落結構,改善環境,從而有利于當地其他的動植物物種成功遷入、定居。

值得注意的是,景觀的營造也是生態修復與重建的重要內容[29],在選擇煤矸石礦山生態恢復的植物種類時,應重視綠化后的景觀效果[30],在達到快速覆蓋地表目的同時,應結合園林綠化、景觀造園等相關理論和成功的實踐經驗,盡量考慮礦山生態恢復的景觀效果,結合地形進行造景并考慮園林花灌木等植物的選擇與應用,在進行煤矸石礦山生態恢復的同時,起到美化及增強觀賞效果的作用。

4 結 語

煤矸石礦山的生態恢復是一項復雜的工程,涉及到生態學、環境科學、地理學、采礦學、土壤學、植物學、林學、園林景觀學、美學等許多內容,所以在選擇合適的植物方面要充分考慮到各方面的因素,借鑒相關研究的成果、選擇當地的適生鄉土物種,充分研究礦石山的生境特點,盡量改善土壤的理化性質,這樣才能保證生態恢復的成功。不同礦區應根據自身立地條件和特點,合理選擇植物種類。應尊重群落自然演替的規律、充分認識退化生態系統自然恢復的特點來構建人工的群落。

煤矸石山的植被恢復重建是一個艱難而漫長的過程,不能急于求成,希望1～2年就達到預期的效果是不現實的。目前在煤矸石礦山恢復的植物種類篩選、修復機理的研究及應用方面都有著很多的不足。未來應該繼續開展植物在不同矸石礦立地適生性的相關研究,繼續篩選合適的植物種類,以滿足礦山生態恢復實踐的需求。應建立矸石山生態恢復評價機制,要從分子水平、組織和器官水平、個體水平等不同層次評價所選擇植物在各種脅迫因子作用下的生理生態特征、生長及存活情況等,研究重金屬富集及抗性,揭示其適應機理;從宏觀尺度上應開展植物的種群動態、種間關系、植物-微生物相互作用、群落演替、生態系統結構及功能動態變化、景觀格局及其所發揮的生態效能角度進行動態的、長期的評價,從而為后續礦山恢復植物的選擇提供信息更為全面的依據。

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Analysis of the plant selection for ecological restoration of coal gangue pile in Northeast of China

WANG Yan1, WANG Minchao1, DAI Baoqing2

(1. College of Life Science, Shenyang Normal University, Shenyang 110034, China; 2. Gardening Research Institute of Shenyang, Shenyang 110000, China)

Coal gangue piles from coal mining bring some serious ecological problems. Great attention was given to the ecological restoration of coal gangue pile both in abroad and in China. The environmental characteristics of coal gangue pile and limiting factors for the survival and growth of plants were analyzed including abnormal soil structure, high soil temperature and low pH as well as high content of heavy metals caused by spontaneous combustion of gangue. The related research and practice both inland and abroad were overviewed. The restoration of soil structure and the choice of suitable plants are critical for the ecological restoration of gangue pile. Some general ecological principles should be considered on the restoration work. The selected plant should be adaptable to the habitat of coal gangue pile and the construction of biadiversity should be emphasized. The purpose of all the measures is to promote the growth of plants, to build a stable community and to reach the ecological balance. Some adaptable plant species in the Northeast of China were summarized for the ecological restoration of coal gangue pile. The future researches were also looking forward .

coal gangue; limiting factors; ecological restoration; plant selection

1673-5862(2017)02-0170-05

2016-08-06。

科技部科技基礎性工作專項(2014FY110600-12)。

王 艷(1970-),女,遼寧昌圖人,沈陽師范大學副教授,博士。

X53

A

10.3969/ j.issn.1673-5862.2017.02.009