門頭溝區龍泉鎮煤矸石山植被恢復中的樹種選擇

侯 巍，楊 莉，胡 雪，肖玉玲，秦 越，肖 萌

(1.北京林豐源生態環境規劃設計院有限公司，北京 100083； 2.北京國信智業工程顧問有限公司，北京 100044)

門頭溝區龍泉鎮煤矸石山植被恢復中的樹種選擇

侯 巍1，楊 莉2，胡 雪1，肖玉玲1，秦 越1，肖 萌1

(1.北京林豐源生態環境規劃設計院有限公司，北京 100083； 2.北京國信智業工程顧問有限公司，北京 100044)

煤矸石山；植被恢復；樹種選擇；門頭溝區

為篩選出可在煤礦廢棄地生長的先鋒樹種，以及適宜在煤礦廢棄地環境生長的景觀樹種，在北京市門頭溝區龍泉鎮的滑石道矸石山的平臺上選擇了10種抗逆性強的樹種作為供試材料，通過測定株高、地徑、冠幅生長量等生長指標和葉綠素含量、超氧化物歧化酶(SOD)活性、過氧化氫酶(CAT)活性等生理指標，對10種植物的適應性指標測定值進行了綜合研究、分析及評價。結果表明：不同樹種的年生長量(株高、冠幅、地徑等)和生理指標(葉綠素含量、SOD和CAT酶活性)均不同，呈現出極顯著的物種差異；荊條和千頭椿的生長適應性較強，在煤礦廢棄地植被恢復中可將其作為先鋒樹種，元寶楓、紫葉小檗、檸條和珍珠梅也較適應在煤礦廢棄地環境中生存，可用來豐富礦區廢棄地生態恢復中樹種的多樣性，提高礦區廢棄地的自然景觀效果。

礦產資源是社會發展的物質基礎，礦產資源的開采曾是北京的主導產業，為北京地區經濟發展和社會進步作出了巨大貢獻。但在礦產資源大量開采過程中，破壞了礦區的自然生態環境，嚴重污染了當地大氣、水體、土壤環境[1]。

近年來，為使惡化的礦區生態環境得以修復，實現自然生態平衡，改善人居環境，使經濟、社會和環境協調、可持續發展，世界各國對礦區廢棄地生態治理均高度重視，相繼開展了對礦區生態環境的治理工作[2]。植被恢復是生態恢復治理中的重要措施，而選擇適生的樹種是植被恢復的基礎。

由于煤矸石廢棄地立地條件差、土壤瘠薄、保水保肥能力差，以及煤矸石自身的酸堿度、自燃性等特征，因此應首先采取削坡、修建排水溝、建設擋墻等工程措施，消除煤礦廢棄地的安全隱患，并在其上進行客土改良，恢復煤礦廢棄地的土壤環境，然后再在煤礦廢棄地進行植被恢復，選擇生長快、抗旱抗逆性強的樹種進行種植[3]。

本研究擬在門頭溝區龍泉鎮的滑石道矸石山的平臺上選擇一塊區域作為試驗基地，選擇10種抗逆性強的樹種作為供試植物，通過測定株高、地徑、冠幅生長量等生長指標和葉綠素含量、超氧化物歧化酶(SOD)活性、過氧化氫酶(CAT)活性等生理指標[4]，對10種植物的適應性指標測定值進行綜合研究、分析及評價，篩選出可在煤礦廢棄地生長的先鋒樹種，以及適宜在煤礦廢棄地環境生長的景觀樹種，以豐富礦區廢棄地的樹種多樣性，提高礦區廢棄地的自然景觀效果，同時也為生態恢復的樹種選擇提供科學、準確的信息。

1 研究區概況

1.1 項目區位置

門頭溝區屬于北京市遠郊區，地處北京市西南部，位于東經115°25′00″～116°10′07″、北緯39°48′34″～40°10′37″之間。門頭溝區龍泉鎮煤矸石山植被恢復及景觀建設工程涉及的三處煤矸石山位于門頭溝區龍泉鎮范圍內。龍泉鎮處在門頭溝新城(簡稱“門城”)地區的西北部，九龍山下。門頭溝區在新城規劃中將龍泉鎮劃為新城建設區。

門頭溝區龍泉鎮煤矸石山植被恢復及景觀建設工程已于2012年底建設完成，將堆積了300余萬m3的三處煤矸石山改造成為集居民休閑、健身、娛樂、避險為一體的遺址公園，實現綠化面積28.93 hm2，栽種了各類喬灌木約6.4萬株。

項目涉及的三處煤矸石山分布在九龍山山腳與門頭溝路之間，呈東北—西南走向分布。最東邊為東龍門矸石山，東龍門矸石山的東面為向陽街，南面正對增裕路，延伸至城區南部；最西邊為滑石道矸石山，滑石道矸石山的東南面為居住小區；東北偏北方向為石港矸石山，矸石撒落在九龍山腳上部被破壞的坡面上，形成了煤矸石山。

本試驗地設在滑石道矸石山的平臺上。滑石道矸石山建設面積約為46.33 hm2，背靠九龍山，南側有東西走向的門頭溝路，東、南兩側居民區較多。矸石山由東、西兩座并列的山體組成，中間隔一道山谷，兩座山體南北兩側均有道路相連。

1.2 地形地貌

項目涉及的三處煤矸石山坡腳下部地形復雜，居民區不斷由平地向南坡擴展，形成一個個臺地。東龍門矸石山大體上為圓錐狀，矸石山的北坡已被破壞，矸石山下有平臺，矸石山相對高度為70 m；滑石道矸石山由東西兩座并列的山體組成，中間隔一道山谷，兩座山體南北兩側均有道路相連，東部矸石山基本保存圓錐狀，相對高度39 m，平均坡度為40°～45°，西部矸石山相對高度94 m，由多層相互交錯的矸石堆組成，坡度均在30°～45°之間，并有部分平臺；石港矸石山處于九龍山遭到破壞的坡面上，地貌分為東西兩部分，西部為煤矸石堆放地，煤矸石堆放在山坡上，相對高度為97 m，坡度為40°～45°，地面有房屋建筑和兩座磚窯。

1.3 土壤、植被情況

項目區處在低山丘陵區，周邊土壤為山地淋溶褐土、碳酸鹽褐土。矸石山礫石較多，沒有土壤。

項目區周邊植被，喬木有山杏、臭椿、榆樹等，灌木有荊條、酸棗等，草本以白草、狗尾草為主。

1.4 水文情況

龍泉鎮東部有永定河，南部有一條從西部山區流向東部永定河的排洪水渠，除雨季外其他季節均干涸無水。故項目區不能借助該兩處自然水源用于植被恢復工程，需打井解決水源問題。

1.5 氣象情況

龍泉鎮屬于門頭溝區新區，氣候屬中緯度大陸性季風氣候，春季干旱多風，夏季炎熱少雨，秋季涼爽濕潤，冬季寒冷干燥。年平均氣溫11.7 ℃，極溫最高為40.2 ℃、最低為-19.5 ℃，冬季漫長，達169 d。春秋境內風霜頻繁，平均風速2.7 m/s，8級以上大風年均21次，無霜期200 d左右，年均日照時數2 470 h，多年平均降水量500 mm，年際變化大。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗材料

本試驗主要選取了2010年在門頭溝區龍泉鎮三處廢棄煤矸石山上種植的荊條、紫葉小檗、千頭椿、珍珠梅、丁香、檸條、白蠟樹、黃櫨、油松、元寶楓10種抗逆性強的適生樹種作為供試材料，栽植時的苗木規格見表1。

植被恢復前期，采取削坡、修建格賓擋墻和土工格室、敷設管線等工程措施對矸石山進行了整治。由于煤矸石山的矸石風化不完全，顆粒較粗，結構松散，不保水肥，土地貧瘠，因此為保證植物成活，進行了客土改良，客土厚度為40 cm。

表1 10種木本植物苗木規格

2.2 試驗方法

在滑石道矸石山上測量出1.5 hm2的地塊作為試驗區域。供試的10種植物，每種選取10株進行相關試驗。分別于2012年9月和2013年10月在野外測定10種植物的株高、冠幅及地徑并記錄，計算其年生長量。根據當時的栽植表，結合實際統計苗木的成活率。2013年9月采集10種植物的葉片，裝在冰壺中，帶回室內進行生理指標測定。生理指標的測定主要采用分光光度法、氮藍四唑(NBT)光化還原法[5]和高錳酸鉀滴定法[6]。

2.2.1 生長指標測定

在野外統計10種植物的成活率，測定10種植物的株高、地徑和冠幅年生長量情況，并記錄。

2.2.2 葉綠素含量測定

高等植物體內有葉綠素a和葉綠素b兩種葉綠素，二者均易溶于乙醇、乙醚、丙酮和氯仿。本試驗利用分光光度法測定10種植物體中葉綠素的含量。

稱取一定量的植物葉片，首先將葉片表面的污物清理干凈，并去除葉片的中脈，然后剪碎待用。

量取2 g剪碎的葉片，將剪碎的葉片及少量石英砂、碳酸鈣粉、3 mL的95%乙醇一同放入研缽中，仔細研磨制成勻漿；再將10 mL乙醇加在勻漿中并繼續研磨到組織變白時為止。然后靜置于桌面三五分鐘。

取1張濾紙，放在漏斗中，然后用乙醇浸濕濾紙。將提取液沿玻璃棒緩慢倒入漏斗中，再將濾液倒至100 mL容量瓶中；最后對研缽、玻璃棒及殘渣用少量乙醇反復沖洗，一起倒入漏斗中。

吸取少量乙醇，慢慢沖洗濾紙上殘留的葉綠體色素至容量瓶中，直到將濾紙沖洗干凈時停止。最后用乙醇定容至100 mL，搖勻待用。

稱取上述葉綠體色素的提取液，分別在不同的波長下測定其吸光度，用95%乙醇作為空白進行對照試驗。

分別計算10種植物體中葉綠素a、葉綠素b及總葉綠素的含量，并記錄。

2.2.3 酶活性測定

(1)提取酶液。稱取新鮮植物葉片0.5 g，放在研缽中，將1 mL磷酸緩沖液(pH值=7.8，0.05 mol/L)加入研缽中，將研缽置于冰浴中進行研磨，然后再在研缽中加入4 mL磷酸緩沖液，最后將研磨液慢慢移入離心管中，等待平衡。在0～4 °C低溫環境下進行離心20 min，轉速12 000 r/min，然后冷藏保存。

(2)SOD活性測定。取1支試管，用滴管量取上清液0.02 mL加入其中；再準備2支試管作為對照試管，在其中也加入0.02 mL的緩沖液；然后在3支試管中均加入3 mL的反應液。分別將1支對照的試管放在黑暗中，另外2支試管置于4 000 lx日光燈下反應20～30 min(若溫度高則可減少反應時間，溫度低則應延長反應時間)，最后對比3支試管中反應液的顏色。

(3)CAT活性測定。稱取0.03 mL上清液加入比色杯中，對照加磷酸0.03 mL，加反應液3 mL，然后在240 nm波長的環境下馬上讀一下數值。每間隔1 min讀取并記錄數值。

2.2.4 綜合評價

在植物適應性評價中，隸屬函數法是一種較為常用的對植物適應性多個測定指標進行全面性的、綜合性的分析與評價的方法，其評價結果較為準確、可靠[7]。因此，本試驗利用隸屬函數值法，對10種植物的生長、生理適應性指標進行綜合分析，確定植物的適應能力[8]。計算公式為

若為負值，則采用反隸屬函數，計算方法為

式中：Zij為i樹種j指標的隸屬函數值；Xij為i樹種j指標的測定值；Ximin、Ximax分別為i樹種指標最小值、最大值。

3 結果與分析

3.1 成活率調查

從表2可以看出：試驗中的10種植物，千頭椿和元寶楓的成活率在80%以上，表明在煤礦廢棄地環境中這兩種植物能較快適應并生長；珍珠梅的成活率最低，僅為24.6%；另外7種植物的成活率均在60%～80%之間，說明這些植物也比較適宜在煤礦廢棄地的環境中生長。

表2 10種植物生長指標測定值

注：同列數據后不同字母表示相互間差異極顯著(0.01水平)，下同。

3.2 生長適應性表現

從表2可以看出，10種植物的株高年生長量在0.50～8.36 cm之間。其中：株高年生長量最大的是荊條，為8.36 cm，極顯著高于其他9種植物；紫葉小檗、千頭椿和丁香的株高年生長量較高，均在3 cm以上，極顯著高于其余6種植物；元寶楓和油松的株高年生長量均在2 cm以上，極顯著高于白蠟樹、黃櫨、珍珠梅、檸條；黃櫨及檸條株高年生長量極顯著低于其他的8種植物。

10種植物的地徑年生長量在0～1.15 cm之間。其中：紫葉小檗的地徑年生長量最大，為1.15 cm；紫葉小檗、千頭椿、白蠟樹、黃櫨地徑年生長量極顯著高于其他6種植物；元寶楓、珍珠梅、檸條次之，地徑年生長量極顯著高于荊條、丁香、油松；油松基本沒有增長。

10種植物的冠幅年生長量在2.33～10.18 cm之間。其中：荊條的年生長量最大，為10.18 cm，千頭椿和珍珠梅的年生長量較大，均在9 cm以上，此3種植物冠幅年生長量極顯著高于其他7種植物；其次為丁香，冠幅年生長量為5.30 cm，極顯著高于其余6種植物；再次為紫葉小檗，冠幅年生長量為3.35 cm，極顯著高于油松、白蠟樹、元寶楓、檸條；檸條冠幅年生長量最低，為2.33 cm。

3.3 生理適應性表現

植物的生理功能直接影響其生長表現。10種植物的生理指標(葉綠素含量、SOD和CAT活性)測定值見表3。

3.3.1 葉綠素含量

葉綠素是一類與光合作用有關的最重要的色素，是反映葉片生理狀態的重要指標，其含量的變化與植物的生長、抗逆性有密切關系。從表3中可以看出，10種植物總葉綠素含量在0.25～1.49 mg/g之間，在1.0 mg/g以上的植物從大到小依次為：檸條、荊條、千頭椿、元寶楓，其余植物的總葉綠素含量在1.0 mg/g以下。總葉綠素含量最大的植物是檸條，為1.49 mg/g，極顯著高于其他9種植物；其次為荊條，總葉綠素含量1.15 mg/g，極顯著高于其余8種植物；再次為千頭椿和元寶楓，極顯著高于剩下的6種植物；白蠟樹總葉綠素含量最低，為0.25 mg/g，極顯著低于其他9種植物。10種植物中葉綠素a與葉綠素b的比值都在2.0以上，表明這些樹種易于在光照充足、干旱的環境中生長。

表3 10種植物葉綠素含量和酶活性測定值

3.3.2 SOD和CAT活性

SOD和CAT均是植物體內的主要抗氧化酶。SOD是活性氧清除反應過程中第一個發揮作用的抗氧化酶。CAT普遍存在于植物的所有組織中，其功能是催化細胞內過氧化氫的分解。活性高，表明其抗氧化能力強，在逆境中，保護膜結構完整，證明植物具有較強的生命力。

從表3中可以看出，10種植物的SOD含量在34.79～239.01 U/g之間。其中：珍珠梅SOD活性最高，為239.01 U/g，極顯著高于其他9種植物；荊條SOD活性次之，為223.87 U/g，極顯著高于其余8種植物；之后依次為丁香、黃櫨及元寶楓，SOD活性均在100 U/g以上，極顯著高于剩下的5種植物；白蠟樹SOD活性最低，僅為34.79 U/g，極顯著低于其他9種植物。

10種植物的CAT含量在0.07～0.66 mg/(g·min)之間。其中：千頭椿CAT活性最高，為0.66 mg/(g·min)，極顯著高于其他9種植物；荊條CAT活性次之，為0.47 mg/(g·min)，極顯著高于其余8種植物；再次為白蠟樹，其CAT活性為0.13 mg/(g·min)，極顯著高于剩下的7種植物。

3.4 生長與生理適應性綜合評價

利用隸屬函數法，計算出10種植物的隸屬函數值，并算出平均值。對10種植物的均值進行排序，均值越大表明其適應性越強，詳見表4。

表4 10種植物綜合評價值

從表4中可以看出：供試的10種植物中，荊條和千頭椿的隸屬函數值均值較大，分別為0.92和0.84，說明這兩種植物對煤礦廢棄地環境的適應性較強，在進行礦區廢棄地植被恢復中可將此類植物作為先鋒樹種利用；元寶楓、紫葉小檗、珍珠梅、檸條的隸屬函數值均值均在0.4以上，表明此類植物也較適應煤礦廢棄地環境，可用來豐富礦區廢棄地環境的樹種多樣性和景觀多樣性。

4 結論和討論

4.1 結 論

北京礦產資源的開采形成了大量的裸露山體和廢棄礦場，對礦區的自然景觀及生態環境造成了嚴重破壞，并帶來了一系列的社會和經濟問題。門頭溝區龍泉鎮煤矸石山植被恢復及景觀建設工程是在生態恢復的基礎上，建設城市休閑健身公園。

本試驗選取了10種植物，通過測定株高、地徑、冠幅的年生長量等生長指標和葉綠素含量、SOD活性、CAT活性等生理指標，進行綜合分析評價，篩選出了適宜在煤礦廢棄地生長的先鋒樹種及景觀樹種，為礦區生態恢復樹種選擇提供了科學依據。

研究結果表明：不同樹種的年生長量(株高、冠幅、地徑等)和生理指標(葉綠素含量、SOD和CAT活性)均呈現出極顯著的差異。通過對10種植物的隸屬函數值均值進行排序，可知荊條和千頭椿的生長適應性較強，在煤礦廢棄地植被恢復中可將其作為先鋒樹種；元寶楓、紫葉小檗、檸條和珍珠梅也較適應煤礦廢棄地環境，可用來豐富礦區廢棄地生態恢復中樹種的多樣性，提高礦區廢棄地的自然景觀效果。

4.2 討 論

在后續廢棄礦山治理過程中還應做到以下幾個方面：

(1)加強礦山廢棄地上樹種生長狀況的研究，在試驗的基礎上不斷增加物種引入的數量，選取更多的生理生化指標并結合生長指標，對樹種適應性進行系統性、全面性的綜合評價，從而提高研究結果的科學性和準確性，為礦區廢棄地的生態重建篩選出更多適生樹種和景觀樹種。

(2)加強對恢復植被的撫育管理，使其能長期發揮穩定的生態效益。

(3)充分利用礦區廢棄地生態修復后形成的林木景觀資源、土地資源，加大生態旅游、種養殖業、休閑公園等后續產業的開發利用，并形成產業鏈，以更好地帶動地區經濟的可持續發展。

[1] 武雄,韓兵,管清花,等.北京市固體礦山生態環境現狀及修復對策[J].地學前緣,2008,15(5):324-329.

[2] 王麗艷,劉光正,張正梁,等.煤矸石廢棄地生態恢復植物種的篩選[J].林業實用技術,2012(10):5-8.

[3] 程小琴,趙方瑩.門頭溝區煤礦廢棄地自然恢復植被數量分類與排序[J].東北林業大學學報,2010,38(11):75-79.

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(責任編輯 徐素霞)

S157.2

A

1000-0941(2017)10-0021-05

侯巍(1981—)，男，吉林九臺市人，工程師，主要從事水影響評價、水土保持方案編制和監測工作。

2017-05-15