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    巖石邊坡生態(tài)恢復(fù)研究綜述

    2016-02-06 13:03:16李妍均
    中國水土保持 2016年12期
    關(guān)鍵詞:坡面巖石植被

    鄒 蜜,李妍均,辜 彬

    (1.重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院 外生成礦與礦山環(huán)境重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400042;2.煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室重慶研究中心,重慶 400042;3.四川大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院,四川 成都610064)

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    巖石邊坡生態(tài)恢復(fù)研究綜述

    鄒 蜜1,2,李妍均1,2,辜 彬3

    (1.重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院 外生成礦與礦山環(huán)境重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400042;2.煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室重慶研究中心,重慶 400042;3.四川大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院,四川 成都610064)

    巖石邊坡;生態(tài)恢復(fù);退化生態(tài)系統(tǒng)

    隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,大面積的自然生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生了較為嚴(yán)重的退化,恢復(fù)生態(tài)學(xué)應(yīng)運(yùn)而生,成為當(dāng)今全球生態(tài)學(xué)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。各種基礎(chǔ)設(shè)施、城鄉(xiāng)交通道路的大規(guī)模建設(shè)形成了大量巖石裸露的邊坡,越來越多的國內(nèi)外專家學(xué)者對這種極度退化的生態(tài)系統(tǒng)開展了生態(tài)恢復(fù)研究,取得了一系列的成果。通過明確巖石邊坡生態(tài)恢復(fù)的概念與原則,討論了巖石邊坡生態(tài)恢復(fù)的限制因子,總結(jié)了現(xiàn)有的研究成果,分析了國內(nèi)研究的不足,并對巖石邊坡生態(tài)恢復(fù)研究的難點(diǎn)和發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。

    1 恢復(fù)生態(tài)學(xué)

    隨著全球人口的持續(xù)增長,經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,人們對自然資源的過度開發(fā)與利用導(dǎo)致了各地的環(huán)境污染和植被破壞等多種問題,造成了生物多樣性的降低、生態(tài)功能的下降,全球大面積的自然生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生了較為嚴(yán)重的退化。因此,如何恢復(fù)與重建退化的自然生態(tài)系統(tǒng),成為各國可持續(xù)發(fā)展的焦點(diǎn)難題,恢復(fù)生態(tài)學(xué)應(yīng)運(yùn)而生。1985年,Aber和Jordan兩位英國學(xué)者提出了“恢復(fù)生態(tài)學(xué)(restoration ecology)”的概念[1]。從20世紀(jì)80年代開始,國內(nèi)外的專家、學(xué)者們廣泛地開展了恢復(fù)生態(tài)學(xué)領(lǐng)域的研究與實(shí)踐,并定義恢復(fù)生態(tài)學(xué)是研究生態(tài)系統(tǒng)退化的原因,退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)與重建的理論、技術(shù)、方法及其生態(tài)學(xué)過程與機(jī)理的學(xué)科。同時(shí)恢復(fù)生態(tài)學(xué)也是一門復(fù)雜的系統(tǒng)工程。

    作為生態(tài)學(xué)一個新的分支,恢復(fù)生態(tài)學(xué)與土壤學(xué)、環(huán)境學(xué)、生物學(xué)、林學(xué)、地學(xué)、農(nóng)學(xué)等多個學(xué)科密切相連。它是運(yùn)用生態(tài)學(xué)的基本原理,結(jié)合多學(xué)科的理論知識而發(fā)展起來的一門綜合性很強(qiáng)的學(xué)科。如今,恢復(fù)生態(tài)學(xué)研究已經(jīng)成為全球生態(tài)學(xué)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)與焦點(diǎn)之一。

    2 巖石邊坡的生態(tài)恢復(fù)

    隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,基礎(chǔ)設(shè)施、交通道路的大規(guī)模建設(shè)加大了對石料資源的開發(fā)利用,開山取石、采礦活動擾亂了山體原有的自然環(huán)境,形成了大量巖石裸露的邊坡。

    2.1 巖石邊坡的特點(diǎn)

    石料、礦藏的開采完全改變了山體的地質(zhì)結(jié)構(gòu)和地貌形態(tài),破壞了自然生態(tài)系統(tǒng),造成了景觀的破碎化。巖石邊坡坡面丟失了原有的植被和植物繁殖體,缺乏土壤基質(zhì)的覆蓋[2],立地條件十分惡劣;自上而下地開挖山體,大部分巖石邊坡未形成規(guī)則的階梯狀開采面[3],導(dǎo)致巖石邊坡的坡度一般在40°以上,有的地方甚至存在反坡[4],邊坡不穩(wěn)定,容易引起泥石流等次生災(zāi)害的發(fā)生。

    2.2 巖石邊坡生態(tài)恢復(fù)的概念

    巖石邊坡作為一種極度退化的生態(tài)系統(tǒng),土壤極度貧瘠、理化結(jié)構(gòu)差[1],巖石的風(fēng)化程度高,因而邊坡自然恢復(fù)的過程是十分緩慢的,通常需要50到100年的時(shí)間,尤其是土壤的恢復(fù)需要更多的時(shí)間——100至1萬年[5]。因此,為了盡快恢復(fù)邊坡的區(qū)域環(huán)境、還原邊坡景觀的完整性,必須對巖石邊坡進(jìn)行生態(tài)恢復(fù)。

    所謂恢復(fù),就是改善和美化受損的景觀[6],使一個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能恢復(fù)到受破壞、干擾之前那種相似或相同的狀態(tài),最終能夠生成一個可以自我調(diào)節(jié)、自我恢復(fù),具有一定生產(chǎn)力的生態(tài)系統(tǒng)[7]。生態(tài)恢復(fù)(ecological restoration)是指幫助已經(jīng)退化或受損的生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行恢復(fù),并改善生態(tài)系統(tǒng)功能的過程[8],使其在為生物提供生存環(huán)境的同時(shí),能夠?yàn)槿祟愄峁┪镔|(zhì)產(chǎn)品和生態(tài)服務(wù)。因此,巖石邊坡的生態(tài)恢復(fù)是以恢復(fù)生態(tài)學(xué)為理論原理,在人為的干預(yù)下,恢復(fù)邊坡原有生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能[9]。

    2.3 巖石邊坡生態(tài)恢復(fù)的限制因子

    嚴(yán)重缺乏土壤基質(zhì)的巖石邊坡,可能因存在某些極端的環(huán)境條件或因子而阻礙植被的生長[10],認(rèn)識并解除這些潛在的問題顯得非常重要,否則整個生態(tài)恢復(fù)過程將不會開始或是在開始多年之后宣告失敗[5]。

    2.3.1 不良的土壤結(jié)構(gòu)

    開山取石、采礦造成的首要影響是破壞了土壤,土壤的短缺是造成高陡巖石邊坡植被恢復(fù)失敗的主要原因[11];同時(shí),也存在土壤質(zhì)地堅(jiān)硬、有機(jī)質(zhì)缺乏等問題[5]。研究表明,容重超過1.8 g/cm3的土壤將抑制植物根系的生長[12]。

    2.3.2 穩(wěn)定性的缺乏

    盡管邊坡的穩(wěn)定性可以通過工程技術(shù)手段得到一定的保障,但是坡面的細(xì)沙或粉粒物質(zhì)依舊很容易受到風(fēng)力侵蝕或水力侵蝕作用而流失,從而影響邊坡的穩(wěn)定性[13]。一旦有了植被覆蓋,這個問題就解決了,但困難的是如何在建植植被期間確保坡面的穩(wěn)定性。

    2.3.3 干 旱

    巖石邊坡坡面基質(zhì)一般較為粗糙、缺乏水分,干旱成為限制坡面植被生長的一個主要因子[14]。有研究發(fā)現(xiàn)[5],將耐旱的植物種植在邊坡坡面富含保水有機(jī)物質(zhì)的凹槽內(nèi),這些植物在建植之后可以長期生存下去,因?yàn)樗鼈兗?xì)長的根系可以深入到基質(zhì)中獲取水分。

    2.3.4 營養(yǎng)物質(zhì)的缺乏

    礦場或采石場開采的材料類型和巖層不同,巖石邊坡坡面的構(gòu)成也不同,因而其固有的營養(yǎng)成分差異較大,有的營養(yǎng)成分豐富而有的成分缺乏,通常磷、鉀、鎂、鈣等營養(yǎng)物質(zhì)的缺乏是永久性的,并且坡面還不可避免地嚴(yán)重缺少氮[5]。雖然這些營養(yǎng)物質(zhì)可以因巖層風(fēng)化而釋放出來,但要?dú)v經(jīng)很長的一段時(shí)間。在許多基質(zhì)上,植被生長受限的一個主要因素是營養(yǎng)不良。

    3 巖石邊坡生態(tài)恢復(fù)的研究進(jìn)展

    3.1 植物種的選擇

    巖石邊坡具有不同的邊坡特性和坡面物理環(huán)境,根據(jù)邊坡特性和氣候條件而選擇植物種及其栽培方式是邊坡生態(tài)恢復(fù)成功的關(guān)鍵考慮因素[15]。

    高而陡峭的巖石邊坡是一種獨(dú)特且極端的生境,必須選擇一些具有特殊機(jī)制和生長行為的植物種來適應(yīng)邊坡嚴(yán)峻的環(huán)境。攀緣物種具有獨(dú)特的攀爬習(xí)性和支撐大面積葉片的細(xì)長莖條,它們可以比其他物種更快地覆蓋坡面,所以在坡面陡峭的巖石邊坡生態(tài)恢復(fù)中應(yīng)該優(yōu)先考慮選用攀緣物種,尤其是草本攀緣物種[10],它比木本攀緣物種具有更快的生長速度,可以形成早期的植被。爬山虎(Parthenocissustricuspidata)和扶芳藤(Euonymusfortunei)已經(jīng)顯示出了對巖石邊坡不利生存環(huán)境的適應(yīng)性[10],它們可以被廣泛地應(yīng)用到巖石邊坡的生態(tài)恢復(fù)中來。

    作為植物生長所需要的最大量的營養(yǎng)元素,氮并不是以礦物質(zhì)而是以有機(jī)質(zhì)的形式存儲在土壤中的,它的短缺會嚴(yán)重抑制植物的生長,這在土地復(fù)墾的初期是十分普遍的現(xiàn)象。有研究表明,功能完善的土壤需要大量的氮素資源,在溫帶地區(qū)1 hm2的土壤需要1 000 kg的氮元素含量,這個量對于自我維系的生態(tài)系統(tǒng)是足夠的[16],但是巖石邊坡的生態(tài)恢復(fù)不能單純地通過施肥的手段來達(dá)到這個氮總量,關(guān)鍵是要選擇種植豆科類或是其他科屬的固氮植物,例如與固氮微生物共生的榿木。只要固氮物種出現(xiàn)在演替過程中,植被的生長、發(fā)育速度就會加快[17]。在溫帶地區(qū),白三葉(Trifoliumrepens)、紅三葉(T.pratense)每年在每公頃土壤中可以輕松地生產(chǎn)出100 kg的氮元素,是非常理想的固氮植物[17-18];木麻黃(Casuarinaequisetifolia)、大葉相思(Acaciaauriculiformis)、赤楊(Alnusincana)等固氮物種可以通過根系、根瘤、凋落物直接向土壤中提供氮資源,將其和非固氮物種一起種植還可以極大地促進(jìn)后者的生長[5]。因此,在營養(yǎng)物質(zhì)缺乏的邊坡進(jìn)行生態(tài)恢復(fù)時(shí),可種植固氮物種以促進(jìn)坡面環(huán)境的改善與有機(jī)物質(zhì)的積累。

    在酸度較高的邊坡環(huán)境中,可以選擇種植極耐酸的禾本科草本物種曲芒發(fā)草(Deschampsiaflexuosa),或是另外一些耐酸物種,如豆科灌木荊豆(Ulex europaeus)、金雀兒(Cytisusscoparius),以及豆科喬木刺槐(Robiniapseudoacacia),這些物種雖然無法在pH值極低的環(huán)境中生存,但可以從一定程度上改善坡面基質(zhì)的酸性環(huán)境[19]。

    在邊坡的生態(tài)恢復(fù)中,常常采用鄉(xiāng)土種進(jìn)行植被重建。鄉(xiāng)土種完全適應(yīng)了當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境與氣候,能夠與其他的物種一起構(gòu)建穩(wěn)定的植物群落,并促進(jìn)植物群落的快速演替;同時(shí),鄉(xiāng)土種對邊坡群落物種多樣性的增加有著不小的貢獻(xiàn),對于外來入侵物種具有化感作用[20],可以減少邊坡植被的管理成本。

    3.2 植物群落的演替

    植物群落的演替是生態(tài)學(xué)研究領(lǐng)域中的經(jīng)典主題[21]。深入研究已恢復(fù)地區(qū)植被演替的驅(qū)動力可以幫助群落向趨于穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)演化,同時(shí)也可以促進(jìn)重要生態(tài)過程的恢復(fù)。

    在巖石邊坡的恢復(fù)中,土壤質(zhì)量、恢復(fù)措施等初始條件,以及氣候條件、鄰近地區(qū)的植物繁殖體資源等環(huán)境狀況是決定植物群落演替的主要驅(qū)動力[2]。在土壤特性沒有成為限制條件的情況下,氣候條件和礦區(qū)周圍保存較好的植被決定著群落演替的不同方向,而與種子庫的距離及物種的擴(kuò)散能力則限制著植物群落的結(jié)構(gòu)[22-23]。

    許多邊坡在生態(tài)恢復(fù)時(shí)采用的快速生長的草本物種會嚴(yán)重制約植物群落的演替進(jìn)度,雖然草本物種可以迅速綠化坡面,但它們與后期入侵物種的競爭妨礙了植物群落的長遠(yuǎn)發(fā)展,使得坡面植被長期處于草本群落的狀態(tài)[24]。由此說明,邊坡植被恢復(fù)所使用的種子混合物中需要加入本地物種,包括灌木物種,以促進(jìn)草本群落的演替。

    隨著植物群落的演替,群落地上生物量不斷地增加[25],植被覆蓋率、物種豐富度、植被多樣性指標(biāo)也隨著顯著上升,并且恢復(fù)的年限越長,其數(shù)值越大。然而有的研究發(fā)現(xiàn),群落物種均勻度卻沒有發(fā)生顯著的變化[26]。

    3.3 土壤的特性

    土壤肥力對植被生長和其生產(chǎn)力具有重要的作用,所以研究土壤肥力特性對于植被的恢復(fù)至關(guān)重要。在黃土地區(qū)的自然恢復(fù)中,灌叢地和林地中土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、有效氮、速效鉀的含量顯著高于其他土地利用類型[27]。隨著恢復(fù)年限的不斷延長,在不同退耕年限的自然邊坡和生態(tài)恢復(fù)后的道路邊坡上,土壤有機(jī)質(zhì)、有效氮、有效磷等主要的土壤養(yǎng)分都會隨著植被的演替而逐漸增加[28]。另外,邊坡坡長、坡位、坡度不同,土壤養(yǎng)分分布特征有較大的差異,從坡頂?shù)狡履_,有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷等土壤養(yǎng)分呈現(xiàn)增長的趨勢,并且邊坡坡長越長、坡面坡度越緩,土壤養(yǎng)分越容易富集[29]。

    3.4 植被與土壤之間的相互作用

    巖石邊坡上一旦建植了植被,它們便可以很容易地提供有機(jī)物,降低土壤容重,同時(shí)將礦物營養(yǎng)成分帶出到坡面,將其積累為可用的形式。更重要的是,一些植物種可以迅速恢復(fù)并積累大量的氮,為原本沒有氮的地區(qū)提供氮資源,供給生態(tài)系統(tǒng)的正常運(yùn)行;同時(shí),植被的恢復(fù)對表層土壤容重的降低、總孔隙度和毛管孔隙度的增加具有積極的作用[27],使得表層土壤養(yǎng)分含量高于深層土壤。因此,植物最重要的貢獻(xiàn)之一就是凈化了土壤,改善了土壤環(huán)境,并通過植物生物量的積累,以有機(jī)質(zhì)的形式輸送給土壤養(yǎng)分,促進(jìn)了土壤中氮、磷、鉀養(yǎng)分和有機(jī)質(zhì)含量的增加[28]。

    土壤中的有機(jī)質(zhì)分解以后,又能夠被其他更多的植物吸收利用,隨著時(shí)間的推移,土壤支持植被生長的潛力得到較大的提升,這在廢棄煤礦早期的恢復(fù)工作中得到了充分的證明[30]。同時(shí),土壤性質(zhì)反過來又會影響植被的生長。眾多研究證明[30-31],土壤水分含量會顯著地影響邊坡植被的恢復(fù)與重建,過多或過少的水分都會引起明顯的問題,其嚴(yán)重性取決于當(dāng)時(shí)的氣候條件,因?yàn)榻涤晔沁吰轮参锷L的主要水源。多余的水會導(dǎo)致土壤飽和,引起洪澇,其產(chǎn)生的較大水壓將使物種的存活率降低,進(jìn)而限制植物的生長[10],但是水分的缺乏同樣會抑制植物的生長。

    4 國內(nèi)生態(tài)恢復(fù)研究的不足

    恢復(fù)生態(tài)學(xué)已然成為國內(nèi)外生態(tài)學(xué)研究領(lǐng)域的焦點(diǎn),就目前的研究現(xiàn)狀來看,美國、西班牙、英國等歐美發(fā)達(dá)國家在邊坡生態(tài)恢復(fù)內(nèi)在機(jī)理的研究中取得了顯著的成就,尤其是在坡面植物種的篩選與配置、土壤基質(zhì)的改良、植物群落演替、土壤特性變化等方面。相對而言,我國邊坡生態(tài)恢復(fù)的研究工作還比較落后,國內(nèi)研究主要集中在生態(tài)恢復(fù)前的基材配比、工藝工法等應(yīng)用技術(shù)方面,對生態(tài)恢復(fù)基礎(chǔ)理論的研究較為匱乏,較少對生態(tài)恢復(fù)過程中植被、土壤的變化進(jìn)行長期監(jiān)測和科學(xué)評價(jià),缺乏對生態(tài)恢復(fù)后植被與土壤的演替規(guī)律及相互作用關(guān)系的認(rèn)識。另外,國內(nèi)大多數(shù)生態(tài)恢復(fù)研究工作所涉及的研究區(qū)域范圍小、研究期限短、內(nèi)容單一,不具備代表性。

    生態(tài)恢復(fù)是一個動態(tài)的過程,植被演替與土壤環(huán)境的變化是相互制約、互為動力的。因此,今后國內(nèi)的生態(tài)恢復(fù)研究工作應(yīng)該充分利用多學(xué)科知識,在較大的時(shí)空尺度下進(jìn)行動態(tài)的、連續(xù)的基礎(chǔ)研究工作;進(jìn)一步加深對生態(tài)恢復(fù)過程中植被演變、土壤恢復(fù),以及二者的耦合機(jī)制的研究,掌握生態(tài)恢復(fù)過程中生態(tài)系統(tǒng)所發(fā)生的動態(tài)變化,以期為國內(nèi)巖石邊坡生態(tài)恢復(fù)提供更多、更好的理論指導(dǎo)與技術(shù)支撐。

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    (責(zé)任編輯 徐素霞)

    重慶市基礎(chǔ)與前沿研究計(jì)劃項(xiàng)目(cstc2014jcyjA80022)

    X171.4;Q948.11

    C

    1000-0941(2016)12-0058-04

    鄒蜜(1988—),女,重慶市人,工程師,碩士,主要研究方向?yàn)樯鷳B(tài)恢復(fù)、土地資源管理。

    2016-01-20

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