北京門頭溝采石場(chǎng)廢棄地造林樹種生長(zhǎng)狀況調(diào)查

石麗麗，趙廷寧，王雄賓，谷建才

(1.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，100083，北京;2.河北省石津灌區(qū)管理局，050051，石家莊;3.河北省水利科學(xué)研究院，050051，石家莊;4.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)，071000，河北保定)

長(zhǎng)期進(jìn)行礦產(chǎn)開采，不僅侵占大量土地、產(chǎn)生大量廢棄地［1］，還帶來很多污染［2-5］，導(dǎo)致很多尾礦處置地區(qū)嚴(yán)重缺乏植被［6-7］。植被恢復(fù)被認(rèn)為是減少尾礦環(huán)境危害最有效的方法［7-9］。礦山開采地植被恢復(fù)是礦區(qū)土地復(fù)墾的重要內(nèi)容［10-11］，也是恢復(fù)生態(tài)學(xué)極為關(guān)注的研究領(lǐng)域之一［12-15］。樹種適應(yīng)性評(píng)價(jià)是礦山植被恢復(fù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)［10，15］，挑選適合改造礦山環(huán)境的樹種，做到適地適樹，才能夠使礦山廢棄地生態(tài)恢復(fù)得到預(yù)期的效果。以往對(duì)金屬礦［7，10，16-17］、煤礦［12-14，18］的植被恢復(fù)研究較多，而對(duì)采石場(chǎng)植被恢復(fù)研究較少，而且植被恢復(fù)研究以研究植物多樣性為主，對(duì)礦山廢棄地植被適應(yīng)性，特別是喬木、灌木中的適應(yīng)性研究更是不足;因此，筆者調(diào)查2004年在北京門頭溝廢棄采石場(chǎng)礦山植被恢復(fù)工程中的喬木、灌木樹種生長(zhǎng)情況，并對(duì)其適應(yīng)性進(jìn)行分析，以期為采石場(chǎng)廢棄地植被恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究地點(diǎn)選擇在北京博利達(dá)化石廠的棄礦區(qū)，該棄礦位于北京市門頭溝區(qū)妙峰山鎮(zhèn)擔(dān)禮村狗窩，E 116°0′19.9″，N 39°59′8.9″，占地面積 4 km2。該礦區(qū)從1968年開采，1990年起陸續(xù)關(guān)閉，到2004年已經(jīng)全部關(guān)閉。2004年開始植被恢復(fù)工程，在采石后的礦山廢棄地上進(jìn)行覆土、造林整地、栽植喬灌木，進(jìn)行撫育管理。

研究區(qū)屬中緯度大陸性季風(fēng)氣候，春季干旱多風(fēng)，夏季炎熱多雨，秋季涼爽濕潤(rùn)，冬季寒冷干燥，年平均氣溫10.2℃，最低溫度-15℃，7、8月份溫度最高。研究區(qū)年均降水量600～700 mm，多集中7—8月份，無霜期170～200 d。土壤類型主要為碳酸巖褐土、山地淋溶褐土和山地棕壤。

2 調(diào)查方法

2.1 標(biāo)準(zhǔn)地調(diào)查

2011年9月對(duì)其樹種生長(zhǎng)狀況進(jìn)行調(diào)查，選取具有代表性的樹種設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)地11塊，其中喬木標(biāo)準(zhǔn)地8塊(分別為黃櫨(Cotinus coggygria var.pubescens)林、側(cè)柏(Oriental arborvitae)林、火炬(Rhus typhina Nutt)林、檜柏(Sabina chinensis)+側(cè)柏混交林、杜仲(Eucommia ulmoides)林、油松(Pinus tabulaeformis)林、國(guó)槐(Sophora japonica)林、銀杏(Ginkgo biloba)林)、灌木標(biāo)準(zhǔn)地3塊(分別栽植桃樹(Amygdalus persica)、連翹(Forsythia suspense)、丁香(Syzygium aromaticum L.Merr.EtPerry))，記錄標(biāo)準(zhǔn)地的面積、海拔、立地條件(坡度、坡向)、林分類型、土壤類型等生態(tài)環(huán)境因子。在標(biāo)準(zhǔn)地進(jìn)行每木檢尺，分別記錄樹種名稱、樹高等。標(biāo)準(zhǔn)地概況見表1。

表1 標(biāo)準(zhǔn)地概況Tab．1 General situation of sample plot of different forest stands

2.2 樹高歸一化處理

為了消除由于不同樹種高度區(qū)間不同而產(chǎn)生的影響，本文采用樹高歸一化的處理方法，即

式中:H′為歸一化樹高;hmax為某樹種樹高最大值;hmin為某樹種樹高最小值;hi為實(shí)測(cè)樹高。

將歸一化高度分為 5類:Ⅰ(0～0.20)、Ⅱ(0.21～0.40)、Ⅲ(0.41～0.60)、Ⅳ(0.61～0.80)、Ⅴ(0.81～1.00)。

2.3 適應(yīng)性指數(shù)計(jì)算

適應(yīng)性指數(shù)用方差計(jì)算，即

3 結(jié)果與分析

3.1 植被高度結(jié)構(gòu)分析

3.1.1 喬木樹高結(jié)構(gòu)分析 從各喬木植被類型的高度結(jié)構(gòu)圖(圖1)可知，黃櫨株數(shù)分布差異較大:高度級(jí)Ⅰ的黃櫨小樹較多，占總株數(shù)的48%;高度級(jí)Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ的黃櫨分別占總體的12%、4%、12%和24%。側(cè)柏株數(shù)分布差異較小，分布較均勻，高度級(jí)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ的比例依次為24%、24%、20%和24%，高度級(jí)Ⅴ的側(cè)柏株數(shù)較少，占總體的8%?；鹁娓叨燃?jí)Ⅰ的小樹最多，占總株數(shù)的40%;其次為高度級(jí)Ⅲ，為24%;其余高度級(jí)均較小，高度級(jí)Ⅱ、Ⅳ和Ⅴ的火炬分別占總株數(shù)的12%、8%和16%。檜柏+側(cè)柏混交林株數(shù)分布差異較大，高度級(jí)Ⅳ和Ⅴ的比例較高分別為30%和32%，高度級(jí)Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ的比例分別為16%、8%和14%;高度級(jí)Ⅰ和Ⅴ中，檜柏和側(cè)柏的比例相當(dāng)，高度級(jí)Ⅳ中檜柏比例明顯高于側(cè)柏。杜仲高度級(jí)Ⅳ的比例最大，為40%;其次為高度級(jí)Ⅱ，為28%;其余3個(gè)高度級(jí)的比例均較小，高度級(jí)Ⅰ、Ⅲ和Ⅴ的比例分別為8%、8%和16%。油松株數(shù)分布較均勻，除占總株數(shù)28%的高度級(jí)Ⅲ和占總株數(shù)24%的高度級(jí)Ⅴ外，其余3個(gè)高度級(jí)比例都為16%。國(guó)槐株數(shù)分布差異顯著，高度級(jí)Ⅳ的國(guó)槐占總數(shù)的52%，其余所占比例都較低，高度級(jí)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅴ所占比例分別為12%、8%、16%和12%。銀杏中小樹所占比例較大，高度級(jí)Ⅰ株數(shù)占總株數(shù)的32%;高度級(jí)Ⅳ的銀杏占總數(shù)的28%;其余高度級(jí)所占比例較低，高度級(jí)Ⅱ、Ⅲ和Ⅴ分別為12%、16%和12%。

圖1 各喬木植被類型的高度結(jié)構(gòu)圖Fig．1 Height structure of the arbor species

3.1.2 灌木高度結(jié)構(gòu)分析 從各灌木植被類型的高度結(jié)構(gòu)圖(圖2)中可知，丁香高度級(jí)Ⅴ的個(gè)體最多，占總個(gè)體數(shù)的40%，樹高在1.6～1.7 m之間的丁香比例較大;其次是高度級(jí)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ的個(gè)體術(shù)分布較均勻，均約占總株數(shù)的16%。丁香在此環(huán)境下高生長(zhǎng)已產(chǎn)生分化，競(jìng)爭(zhēng)局面明顯，比較適合目前環(huán)境。連翹高度級(jí)Ⅰ的個(gè)體最多，占總個(gè)體數(shù)的40%;其次是高度級(jí)Ⅳ的個(gè)體，占總株數(shù)的24%;高度級(jí)Ⅱ、Ⅲ的個(gè)體數(shù)均占總株數(shù)的16%;高度級(jí)Ⅴ的個(gè)體為4% ，表明灌木層連翹高度級(jí)Ⅴ中，連翹個(gè)體數(shù)最少。從整體來看，株數(shù)分布差異較大，高度分布差異較小，較適合連翹灌木生長(zhǎng)。桃樹高度級(jí)Ⅳ和Ⅴ的桃樹株數(shù)最多，2個(gè)高度級(jí)占總個(gè)體數(shù)的64%;其次是高度級(jí)Ⅰ的個(gè)體，占總株數(shù)的28%;高度級(jí)Ⅱ和Ⅲ的個(gè)體都為4%，個(gè)體數(shù)較少。桃樹高生長(zhǎng)分異強(qiáng)，桃樹比較適應(yīng)環(huán)境。

圖2 各灌木植被類型的高度結(jié)構(gòu)圖Fig．2 Height structure of the shrub species

3.2 植被適應(yīng)性分析

3.2.1 喬木適應(yīng)性分析 喬木生長(zhǎng)首先表現(xiàn)為高生長(zhǎng)，高生長(zhǎng)的競(jìng)爭(zhēng)狀況在一定程度上說明其對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性。由于不同樹種高度年凈生長(zhǎng)量不同，采用歸一化處理的方法，盡量減弱原始高度影響，并結(jié)合歸一化樹高與適應(yīng)性指數(shù)，對(duì)各喬木樹種高生長(zhǎng)進(jìn)行適應(yīng)性分析。指數(shù)越大說明樹種對(duì)環(huán)境越適應(yīng)，分析結(jié)果見表2，可知，喬木樹種對(duì)門頭溝區(qū)廢棄礦環(huán)境適應(yīng)性由強(qiáng)至弱依次是黃櫨、銀杏、油松、火炬、側(cè)柏、檜柏+側(cè)柏混交林、杜仲、國(guó)槐。其中:黃櫨的適應(yīng)性指數(shù)為0.142 2，是所有樹種中指數(shù)值最大的，說明目前黃櫨對(duì)環(huán)境適應(yīng)性最好;其次為銀杏的適應(yīng)性指數(shù)為0.105 0，說明該地區(qū)的環(huán)境較適應(yīng)其生長(zhǎng)，銀杏生長(zhǎng)良好;油松與火炬指數(shù)值差異較小，對(duì)礦山恢復(fù)后的環(huán)境較適應(yīng);側(cè)柏的指數(shù)值為0.085 8，在該地區(qū)環(huán)境下，已表現(xiàn)出了一定程度競(jìng)爭(zhēng)局面，說明目前側(cè)柏能夠適合此環(huán)境;側(cè)柏與檜柏混交林的指數(shù)值為0.081 1，說明檜柏與側(cè)柏混交林，在此環(huán)境下樹高競(jìng)爭(zhēng)較劇烈，比較適合其生長(zhǎng);杜仲的指數(shù)值為0.068 3，國(guó)槐的指數(shù)值為0.059 7，說明杜仲、國(guó)槐在此環(huán)境下樹高生長(zhǎng)產(chǎn)生了一定的分異，高生長(zhǎng)已形成強(qiáng)烈的競(jìng)爭(zhēng)局面，目前對(duì)生長(zhǎng)環(huán)境適應(yīng)性較差。

表2 不同喬木立地適應(yīng)性綜合分析Tab．2 Comprehensive analysis of site adaptability of different tree species

3.2.2 灌木適應(yīng)性分析 結(jié)合高度級(jí)計(jì)對(duì)各灌木樹種進(jìn)行方差分析。方差越大說明灌木樹種對(duì)環(huán)境越適應(yīng)。分析結(jié)果為:桃樹方差值最大，為0.122 6，說明桃樹環(huán)境適應(yīng)性最強(qiáng);丁香次之，其分差值為0.117 0;連翹較差，其方差值為0.107 6。

4 結(jié)論與討論

評(píng)價(jià)過程中，構(gòu)建了樹木適應(yīng)性指數(shù)，它是根據(jù)樹木生長(zhǎng)規(guī)律來建立的，樹木生長(zhǎng)有其自身的規(guī)律。樹木在生長(zhǎng)前期，首先出現(xiàn)高生長(zhǎng)高峰，之后胸徑才開始進(jìn)入高速生長(zhǎng)階段。根據(jù)樹木生長(zhǎng)的這一性質(zhì)，用同一樹種前期高生長(zhǎng)分異程度，表明了其競(jìng)爭(zhēng)狀況［18］。

通過構(gòu)建適應(yīng)性指標(biāo)對(duì)門頭溝采石場(chǎng)廢棄的植被恢復(fù)中樹種的適應(yīng)性進(jìn)行了評(píng)判，結(jié)果表明:灌木適應(yīng)性總體上比喬木適應(yīng)性強(qiáng)。喬木適應(yīng)性排序?yàn)辄S櫨＞銀杏＞油松＞火炬＞側(cè)柏＞檜柏+側(cè)柏混交林＞杜仲＞國(guó)槐，灌木適應(yīng)性排序?yàn)樘覙洌径∠悖具B翹。通過實(shí)際調(diào)查發(fā)現(xiàn)，利用所構(gòu)建的樹種適應(yīng)性指數(shù)對(duì)門頭溝采石場(chǎng)廢棄地植被進(jìn)行評(píng)判比較符合實(shí)際。

本文建立的樹種適應(yīng)性指數(shù)只是考慮樹高對(duì)其適應(yīng)性的評(píng)價(jià)，未添加評(píng)價(jià)指標(biāo)(如成活率、保存率等)、等級(jí)劃分、權(quán)重等，今后需綜合考慮其他指標(biāo)，完善樹種適應(yīng)性評(píng)價(jià)體系。

［1］ 譚林，龐德慶，丁靜.廢棄礦山植被恢復(fù)模式初探［J］.中國(guó)林業(yè)，2007，58(21):51

［2］ Conesa H M，F(xiàn)az A，Arnaldos R，Initial studies for the phytostabilization of a mine tailing from the Cartagena-La Union Mining District［J］.Chemosphere，2007，66(1):38-44

［3］ 徐占軍，侯湖平，張紹良.采礦活動(dòng)和氣候變化對(duì)煤礦區(qū)生態(tài)環(huán)境損失的影響［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28(5):232-240

［4］ Wang S L，Liao W B，Yu F Q，et al.Hyperaccumulation of lead，Zinc，and Cadmium in plants growing on a lead/Zinc outcrop in Yunnan Province，China［J］.Environmental Geology，2009，58(3):471-476

［5］ Deng H，Ye Z H，Wong M H.Accumulation of lead，zinc，copper and cadmium by 12 wetland plant species thriving inmetal-contaminated sites in China［J］.Environmental Pollution，2004，132(1):29-40

［6］ Mendez M O，Maier R M.Phytoremediation of mine tailings in temperate and arid environments［J］.Reviews in Environmental Science and Biotechnology，2008，7(1):47-59

［7］ 施翔，陳益泰，王樹鳳，等.3種木本植物在鉛鋅和銅礦砂中的生長(zhǎng)及對(duì)重金屬的吸收［J］.生態(tài)學(xué)報(bào)，2011，31(7):1818-1826

［8］ 辜彬，王麗.露天開采礦山生態(tài)環(huán)境治理的基本理論與方法［J］.中國(guó)水土保持科學(xué)，2006，4(增刊 1):134-137

［9］ 王恒，朱雪梅，邵繼榮.淺析如何提高礦區(qū)的生態(tài)效益［J］.中國(guó)水土保持科學(xué)，2008，6(增刊 1):174-175

［10］方向京，王偉，張洪江，等.云南省個(gè)舊錫礦山廢棄地植被恢復(fù)技術(shù)［J］.中國(guó)水土保持科學(xué)，2009，7(6):40-45

［11］楊連昉，潘志龍，徐禮根.保障礦山生態(tài)環(huán)境治理質(zhì)量的措施［J］.中國(guó)水土保持科學(xué)，2008，6(增刊 1):138-140

［12］王曉春，蔡體久，谷金鋒.雞西煤礦矸石山植被自然恢復(fù)規(guī)律及其環(huán)境解釋［J］.生態(tài)學(xué)報(bào)，2007，27(9):3744-3751

［13］劉龍昌，宋蒙亞，徐國(guó)瑞，等.義馬煤礦矸石山植被恢復(fù)土地適宜性評(píng)價(jià)［J］.福建林學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，52(1):70-75

［14］呂春娟，白中科，陳衛(wèi)國(guó).黃土區(qū)采煤排土場(chǎng)生態(tài)復(fù)墾工程實(shí)施成效分析［J］.水土保持通報(bào)，2011，31(6):232-236

［15］韓煜，趙廷寧，陳琳，等.坡面植被恢復(fù)試驗(yàn)示范區(qū)植被群落特征初步研究［J］.水土保持研究，2010，37(4):188-194

［16］袁航，謝立剛.浙江省礦山生態(tài)環(huán)境整治工作進(jìn)展［J］.中國(guó)水土保持科學(xué)，2006，4(增刊 1):116-121

［17］林立金，王禮亮，陳勤水.金屬礦山水土流失防治中植物措施的特殊作用［J］.中國(guó)水土保持科學(xué)，2008，6(增刊1):95-96

［18］張彩霞，許麗，周心澄.阜新礦區(qū)煤矸石山植被恢復(fù)土地適宜性評(píng)價(jià)［J］.水土保持研究，2007(3):246-248