不同植被恢復模式下礦山廢棄地的恢復效果研究

韓 煜, 趙 偉, 張淇翔, 王 琦, 史娜娜, 肖能文, 全占軍

(1.中國環境科學研究院, 北京 100012; 2.北京控股磁懸浮技術發展有限公司,北京 100124; 3.中國礦業大學 環境與測繪學院, 江蘇 徐州 221116)

礦產資源是支撐社會發展的重要物質基礎，也是促進國家經濟增長的動力，但礦產資源開發活動也是迄今為止最大規模地破壞陸地生態系統的人類活動[1-2]。由于長期對礦產資源高強度、掠奪式的開采，引發了一系列嚴重的生態環境問題，如土地破壞、植被損毀、環境污染、水土流失、地質災害、生物多樣性降低等[3-4]，造成生態系統退化甚至崩潰，嚴重威脅礦區的可持續發展以及區域生態安全。因此，恢復和重建退化生態系統迫在眉睫。

植被恢復是礦山生態恢復的重要環節，因為退化生態系統的恢復和重建都是以植被恢復為前提[5]。植被恢復不僅對廢棄地起著構建初始植被的作用，還能改善土壤的結構、養分狀況和微生物環境，從而促進整個生態系統結構和功能的恢復。近年來，國內外眾多學者開展了大量有關礦山廢棄地植被恢復的研究，Harris等認為[6]，選擇豆科植物作為恢復先鋒種可以增加土壤中的有機物質并且促進氮素的積累，進而改善廢棄地貧瘠的土壤環境，為后續植物的生長創造有利條件。Reid等研究表明[7]，在金伯利巖尾礦進行植被恢復后，土壤的理化性質與未采取植物措施的尾礦相比均得到不同程度的改良。彭東海等[8]通過對福建金尾礦廢棄地采取不同植被恢復措施，探索植被重建過程中最優植物配置模式，結果表明馬尾松+楓香+本地河灘草的模式植被恢復效果最好，物種多樣性和群落的穩定性較高。

江西省城門山銅礦是我國主要的大型銅礦之一，長期大規模的露天開采，不可避免地對當地生態環境造成了嚴重破壞，對礦山廢棄地的生態恢復已經成為亟待解決的任務。鑒于此，本文以城門山銅礦排土場人工植被恢復群落為研究對象，通過調查分析不同恢復模式下植物群落特征和土壤理化性質，試圖從中篩選出適合銅礦廢棄地的植被恢復模式，為礦山廢棄地的生態恢復提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

城門山銅礦位于江西省九江縣，地理坐標為115°47′19″—115°50′15″E，29°40′8″—29°41′50″N。屬于低山丘陵地貌，地處亞熱帶濕潤季風氣候區，多年平均氣溫17℃，多年平均降雨量1 460 mm，土壤類型以紅壤為主。排土場主要由開采剝離的覆巖、廢石堆積而成，坡度為40°～55°，高度為10～15 m，由于廢石中含有硫化礦物，在空氣和水分作用下氧化后使土壤呈酸性，而且土壤十分貧瘠，缺乏植物生長所需的營養元素。因此，排土場長期處于無植被狀態。為了選擇適宜的廢棄地植被恢復模式，2015年3月設計了大量不同植物治理措施的試驗，在無客土條件下采用石灰對土壤進行改良，不同植物措施的土壤改良方式相同，然后人工種植喬木、撒播草種進行綠化，在陡坡處采用噴播方式，之后在自然狀態下恢復植被，目前已形成7種植物配置模式下的群落類型，見表1。

表1 樣地基本情況

1.2 研究方法

1.2.1 樣地植被和土壤調查 2017年6月，在排土場立地條件(坡位、坡向、海拔等)基本一致的7種不同植被恢復模式的植物群落內設置樣地，分別在樣地的上、中、下部位設3個5 m×5 m的樣方，在每個樣方內隨機設5個2 m×2 m的小樣方，由于喬木高度均低于0.5 m，所以和草本植物一起調查，調查指標包括植物的種類、數量、高度、蓋度，共調查樣方105個。以礦區內未開采區作為對照樣地(CK)，同時將恢復前的排土場作為背景值(BK)，在對照區、恢復前排土場和不同模式樣地內的兩條中心線上采用五點法采集0—20 cm土壤裝入自封袋，共采集土壤樣品45個。

1.2.2 土壤理化性質測定 將土樣在室內風干后挑出根系和雜物，過1 mm土篩備用。速效N用堿解擴散法測定，速效K用乙酸銨浸提—火焰光度法測定，有機質采用重鉻酸鉀容量法—外加熱法測定；重金屬Cu，Pb，Zn，As，Cr和Cd全量采用原子吸收光譜儀測定[9]。

1.2.3 物種多樣性計算方法

(1) 物種重要值計算方法[10]。選用重要值判別物種在群落中的地位，區分該物種是優勢種還是伴生種，計算公式如下：

(1)

(2) 物種多樣性計算方法[11]。選用Margalef豐富度指數、Shannon-wiener多樣性指數和Pielou均勻度指數作為物種多樣性的度量指標，計算公式如下：

(2)

式中：S為群落中的總種數；N為群落中個體總數。

(3)

式中：Pi為第i種個體數占群落中所有種個體數的比例；S為群落中的總種數。

(4)

式中：H為實際觀察的群落多樣性指數；S為群落中的總種數。

1.2.4 數據分析方法 利用SPSS 17軟件進行數據統計分析，采用單因素方差分析LSD法比較不同植被模式下的差異(p=0.05)，采用主成分分析法對不同植被恢復模式的效果進行綜合評價。

2 結果與分析

2.1 不同植被恢復模式下植物群落的變化

2.1.1 物種重要值 從表2可以看出，不同植被恢復模式刺槐的重要值從大到小依次為：模式D>模式A>模式F>模式C>模式B>模式G，表明刺槐在模式D的重要性占比大，在群落競爭中處于優勢地位，而模式B和G中刺槐的重要值分別為2.64%和2.02%，相對較低，說明刺槐在這兩種模式的群落競爭中優勢性較差，這可能是因為田菁和刺槐均為豆科植物，對水肥條件的競爭作用明顯，而草本植物在初期生長較快，從而抑制了刺槐的生長。不同植被恢復模式下草本植物重要值排在前三位的物種有田菁、狗牙根、馬棘和苘麻，其中田菁在模式B，G中的重要值占比最大，分別為44.89%和61.73%，狗牙根在模式E的重要值達到43.82%，苘麻在模式C的重要值為32.63%，使其成為草本群落中的優勢種。同時，所有模式群落中均有田菁、狗牙根和苘麻，除模式E，G外，芭茅在其余5種群落均有出現，馬棘在4種模式中均有出現，表明以上5種植物對礦山廢棄地的生境條件適應能力較強，可以作為植被恢復初期的先鋒植物選用。

表2 不同植被恢復模式物種重要值

2.1.2 物種多樣性 物種多樣性是群落結構和功能復雜性的一種度量，研究植物群落的物種多樣性特征，有利于更好地了解群落的組成、結構、功能、穩定性和演替動態[12]。從豐富度指數來看(圖1)，不同模式差異顯著，模式E，G的物種豐富度明顯低于其余5種模式，這兩種模式的物種數量均較少，而且模式E中沒有喬木。模式D的物種豐富度最高，豐富度指數為1.59，和模式A，B，C，F差異不明顯，這也證明了在人工植被恢復和重建過程中，適當選用喬木和增加植物種類有助于提高植物群落的豐富度[13]。除模式E的多樣性指數(0.5)較低外，其余模式多樣性指數為0.69～0.82，其中模式D最大，不同模式的多樣性指數存在明顯差異，這一結果和豐富度指數相一致。模式F的均勻度指數最高(1.43)，其次是模式B(1.34)和D(1.33)，這三種模式群落中物種分布較均勻，而模式E，G的均勻度指數較低，群落中狗牙根、田菁單一種優勢明顯，物種分布的均勻程度較差，不同模式物種均勻度相差不大，主要是由于人工種植使植物分布比較均勻所致。綜上，在7種植被模式中，模式E，G的豐富度指數、多樣性指數和均勻度指數均處于較低水平，其余5種人工植物群落物種多樣性和均勻度均較高，群落結構和穩定性較好。

2.2 不同植被恢復模式下土壤養分的變化

土壤養分是衡量土壤肥力的重要指標，它主要來源于地上植物的凋落物及地下根系，在維持土壤結構、保障物質循環等方面起著重要作用[14]。對照區的土壤速效K含量為196.54 mg/kg，顯著高于人工植被恢復群落，不同模式速效K含量比恢復前增加了2.5～7.7倍，其含量從大到小排列為模式B>模式C>模式A>模式D>模式E>模式F>模式G(圖2)。植被恢復后速效N含量提高了3.4～7.9倍，其中模式B，C，D，E的速效N含量高于對照區，其余模式低于對照區，這是因為人工恢復植被選用了刺槐、田菁豆科植物，這類植物具有較強的固氮作用，能夠促進土壤氮素的積累。未恢復排土場的土壤有機質含量為0.37%，而對照區為1.96%，不同模式土壤有機質含量由大到小依次為模式B>模式E>模式C>模式D>模式A>模式F>模式G，和恢復之前的排土場相比，植被恢復后土壤有機質含量雖有所增加但仍達不到自然水平(對照區)。植物光合作用固定的碳可以通過凋落物和根系的轉化進入土壤，加快腐殖質的分解和轉化，使得土壤有機質含量增加。不同植被模式的土壤速效K、速效N和有機質含量相比恢復之前均明顯增加，可見人工恢復植被能有效改善土壤的養分狀況。

注：圖中字母表示不同模式下結果差異顯著(p=0.05)。

圖1不同植被模式下物種豐富度指數、多樣性指數和均勻度指數

圖2 不同植被恢復恢復模式下土壤養分含量

2.3 不同植被恢復模式下土壤重金屬的變化

許多研究表明，金屬礦山廢棄地土壤重金屬污染嚴重[15-16]，所以，土壤重金屬污染修復一直也是礦山生態恢復關注的重點。目前，礦山廢棄地的重金屬污染治理主要通過植物吸收、固定和轉化作用來減少土壤中重金屬含量或降低重金屬的生物有效性，從而達到減輕土壤重金屬污染的目的。由圖3可以看出，植被恢復對排土場土壤重金屬的含量有明顯影響，不同模式對重金屬的治理效果存在差異。相對于未恢復的排土場，7種模式的重金屬Cu，Pb，Zn，As，Cr含量均有不同程度的降低，其中Cu，Pb和Zn去除效果最明顯，這3種重金屬含量均比未恢復前減少了50%以上。Cu含量按大小順序排列為模式G>模式B>模式E>模式A>模式F>模式C>模式D，其中模式C，D，F的Cu含量比恢復前下降了86.1%～87.3%，說明刺槐和苘麻對減輕Cu污染的效果較好。不同模式Pb含量依次為模式E>模式C>模式D>模式B>模式F>模式G>模式A，表明刺槐和田菁在治理土壤Pb污染可以起到很好的作用。在所有模式中，苘麻—狗牙根對修復土壤Zn污染的效果最好，Zn含量比恢復前降低了90%以上。恢復后土壤中Cd含量均比恢復前有所增加，這可能是由于重金屬的轉化機制不同導致的，排土場在恢復過程中受到了擾動從而造成了重金屬Cd的釋放。除模式C，E，F，G的Zn含量略低于對照區外，其余模式的重金屬含量仍高于對照區，雖然植被恢復對降低排土場重金屬含量可以發揮一定作用，但是要達到自然狀態水平，仍需要很長一段時間。通過對不同植被模式的土壤重金屬含量分析可以看出，刺槐、苘麻、田菁和狗牙根對降低土壤重金屬含量具有很好的作用，可以作為修復土壤重金屬污染的先鋒植物，其對重金屬污染的修復效果因植物組合的不同而有所差別，如刺槐—苘麻—田菁和刺槐—苘麻—狗牙根治理Cu污染的效果較好，刺槐—田菁—狗牙根對降低土壤中Pb含量的作用明顯，苘麻—狗牙根可以有效修復土壤Zn污染。

圖3 不同植被恢復模式下土壤重金屬含量

2.4 不同植被恢復模式排土場恢復效果綜合評價

各種評價指標從不同方面反映植被恢復模式的差別，但是不同評價指標得出的結論并不相同。因此，綜合上述不同植被恢復模式的物種多樣性指數、土壤養分含量、土壤重金屬含量共12項指標，采用主成分分析法對不同模式礦山廢棄地生態恢復效果進行綜合研究。通過分析，提取出4個主成分變量，其累計貢獻率已達到93.9%，表明提取出的前4個綜合指標能代表所有指標的絕大部分信息，可以用這4個主成分對不同植被恢復模式的物種多樣性和土壤理化性質進行概括分析。通過綜合評價公式，計算出綜合評價值，得出不同植被恢復模式下綜合評價結果。

由表3得出，不同植被恢復模式對排土場生態恢復效果綜合評價為模式B(0.73)>模式D(0.59)>模式C(0.37)>模式A(-0.24)>模式F(-0.34)>模式G(-0.53)>模式E(-0.59)。模式B，C，D的綜合評價值大于0，表明刺槐—田菁—苘麻—狗牙根、刺槐—苘麻—田菁和刺槐—狗牙根—苘麻3種植被恢復模式對排土場生態恢復的效果較好，說明人工進行植被恢復和重建時，應選用喬灌草多種植物組合配置，可以充分發揮不同物種的生態位優勢，提高植被對生態環境的改善效果，有利于退化生態系統的恢復和維持。

表3 不同植被恢復模式綜合評價值及排序

3 結論和討論

生物多樣性是維持生態系統穩定的基礎，物種多樣性的喪失將損害生態系統的結構、功能和過程，提高物種多樣性有利于生態系統的平衡和發展[17]。植被恢復后，模式D群落的物種豐富度和多樣性較高，表明其對恢復生態系統可以發揮較好的作用，模式E和G的物種豐富度和多樣性明顯低于其他5種模式，這可能是因為植物配置不合理而形成單一優勢群落，造成物種豐富度和多樣性較低。通過對物種重要值的調查發現，草本植物田菁、狗牙根、馬棘、芭茅和苘麻在不同群落中出現的次數較多且重要值相對較大，表明這5種植物對礦山廢棄地的生境條件適應能力較強，可以作為植被恢復初期的先鋒植物選用。侯曉龍等[18]研究表明，金礦尾礦庫不同人工植被恢復模式的物種豐富度指數、多樣性指數和均勻度指數呈現相似的變化趨勢，與本研究的結果一致，表明不同礦山廢棄地植物群落的次生演替存在相似的演替方向。

對排土場進行人工植被恢復后，土壤速效K、速效N和有機質含量與恢復之前相比均有明顯提高，其中速效K和有機質含量仍低于對照區，而速效N含量接近對照區。趙洋等[19]研究結果顯示，煤礦排土場人工恢復植被10 a后，土壤全N、全P和有機質含量仍低于撂荒地。說明人工恢復植被能有效改善土壤的養分狀況，但是要達到自然狀態水平仍需要很長的時間，而且在植物配置中搭配豆科植物對于提高土壤中N含量的效果顯著。

植被恢復對治理礦山廢棄地重金屬污染可以發揮較好作用，本次選用的刺槐、苘麻、田菁和狗牙根4種植物能有效降低土壤中的重金屬含量，因此可作為修復重金屬污染土壤的先鋒植物。有研究顯示，刺槐對Cu，Pb，Zn等多種金屬都表現出較強的富集作用，其主要利用根系吸收土壤中的重金屬，刺槐根系對重金屬的積累量可以達到地上部分的2～6倍[20]。而苘麻、田菁和狗牙根是對重金屬具有較高耐受性和富集能力的草本植物，如苘麻植株對Cu，Zn的積累量高達681.15 mg/kg，270.32 mg/kg[21]。不同植被恢復模式對土壤重金屬污染的治理效果存在一定差異，與其他模式相比，刺槐—苘麻—田菁(狗牙根)對Cu污染的治理效果較好，刺槐—田菁—狗牙根對降低Pb含量的作用明顯，而苘麻—狗牙根可以有效修復土壤Zn污染。同時本研究還發現，不同模式下土壤重金屬除Cd外，其他重金屬含量均低于未恢復的排土場，植被恢復造成了排土場Cd的釋放，這與彭東海等[22]研究結論一致。

選擇不同的植被恢復模式，植被恢復與重建的效果也存在較大差異。通過對植物群落結構、土壤養分及重金屬含量進行綜合比較得出，刺槐—田菁—苘麻—狗牙根、刺槐—苘麻—田菁和刺槐—狗牙根—苘麻3種植被恢復模式對排土場生態恢復的綜合效果較好。退化生態系統的恢復應注重植物群落結構，適宜的物種搭配可以加快土壤質量的改善進程[23]。因此，合理的植物配置和適宜的植物選擇是礦山廢棄地生態恢復成功與否的關鍵所在。

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