礦山巖石邊坡植被恢復(fù)中植物配置的研究

陳振峰 程 文 陳增香 潘榮森 胡天壽 孫凱蕾 李東樵

(1.深圳市如茵生態(tài)環(huán)境建設(shè)有限公司，廣東 深圳 518057;2.江西銅業(yè)股份有限公司永平銅礦，江西 鉛山 334506)

0 引言

英、美、澳等發(fā)達(dá)國(guó)家有悠久的開礦歷史，在恢復(fù)生態(tài)學(xué)方面也研究得最早，20世紀(jì)80年代以來，隨著各類生態(tài)系統(tǒng)的退化以及相繼引發(fā)的環(huán)境問題加劇，國(guó)外開始注重對(duì)主采礦廢棄地恢復(fù)重建的研究［1］。

我國(guó)對(duì)礦山廢棄地生態(tài)恢復(fù)和重建的研究從20世紀(jì)90年代才逐步得到重視，到1994年復(fù)墾率僅為13.3%［2］，與發(fā)達(dá)國(guó)家差距較大。在過去20年中，我國(guó)在礦山廢棄地生態(tài)恢復(fù)與重建方面開展了卓有成效的探索［2］。而植被配置是生態(tài)恢復(fù)成功與否的關(guān)鍵因素之一，對(duì)于邊坡植被恢復(fù)效果的長(zhǎng)久維持、減少人工養(yǎng)護(hù)成本和達(dá)到自然景觀目標(biāo)與效果等均具有非常重要的意義。本研究通過選擇適宜的苗木、確定合理的栽植密度及植被配置方案，以期解決相關(guān)裸露邊坡植物護(hù)坡及植被恢復(fù)技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)露采邊坡植被覆綠，達(dá)到固土護(hù)坡、保持水土和恢復(fù)生態(tài)的目的，為歷史遺留的大面積露采邊坡推廣應(yīng)用植物防護(hù)設(shè)計(jì)和植被恢復(fù)工程提供依據(jù)和技術(shù)支撐，促進(jìn)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。

1 材料和方法

1.1 材料

試驗(yàn)種子和苗木均采購于當(dāng)?shù)厥袌?chǎng)。

1.2 方法

1.2.1 試驗(yàn)地

永平銅礦位于江西省鉛山縣境內(nèi)，地處武夷山區(qū)，地貌以山地丘陵為主。地勢(shì)南高北低。多為指狀及孤立山丘，最高山脈為露天礦西部的天排山，其海拔標(biāo)高為474.7 m。

試驗(yàn)地設(shè)在江西省永平銅礦，所選的區(qū)域?yàn)橛榔姐~礦西部露采邊坡頂部矽卡巖礦脈區(qū)域，正好處于矽卡巖礦脈頂部，高30 m，面積2000 m2，坡度65°～75°。礦區(qū)氣候溫暖潮濕，雨量充沛，屬亞熱帶混合植物區(qū)。年平均氣溫17.9℃，一月平均氣溫5.6℃，七月平均氣溫29.3℃，極端最低氣溫－8.5℃，年平均最低氣溫13℃，10年統(tǒng)計(jì)年平均降雨量1 766.6 mm，日最大降雨量206 mm。礦區(qū)主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|風(fēng)。

1.2.2 采樣和巖石性質(zhì)測(cè)定

在巖石邊坡中央?yún)^(qū)域選擇采樣區(qū)，在采樣區(qū)內(nèi)按1 m×1 m樣方隨機(jī)布設(shè)5個(gè)采樣點(diǎn)［3］，在每個(gè)采樣點(diǎn)內(nèi)采取3個(gè)巖石樣品，共采15個(gè)樣品進(jìn)行試驗(yàn)。

測(cè)定和分析方法:pH值用pH酸度計(jì)測(cè)定［4］;銅、鉛、鋅含量用HP 3510原子吸收分光光度計(jì)測(cè)定［5－7］;硫含量用電感耦合等離子體質(zhì)譜技術(shù)測(cè)定［8］;水分含量用真空烘箱法測(cè)定［9］。

1.2.3 永平礦山廢棄地植被恢復(fù)邊坡綠化植物應(yīng)用情況調(diào)查分析

調(diào)查采用典型樣地調(diào)查法［10］，本次對(duì)永平銅礦礦山植被恢復(fù)邊坡20個(gè)植物群落進(jìn)行調(diào)查。并在典型樣地內(nèi)選擇具有代表性的1～2個(gè)樣方進(jìn)行重點(diǎn)統(tǒng)計(jì)與分析，每個(gè)樣方的面積為400 m2。調(diào)查內(nèi)容包括木本植物、草本植物和藤本植物的種類、各植物的個(gè)體數(shù)、高度、蓋度等。

1.2.4 草本植物和木本植物在銅礦廢棄地生長(zhǎng)情況

對(duì)巖石邊坡采取配套工程措施，覆土并噴射有機(jī)基材后，根據(jù)綠化植物應(yīng)用情況的調(diào)查結(jié)果，草本植物選擇狗牙根(Cynodon dactylon)、高羊茅(Festuca elata)、芒草(Miscanthus sinensis)和紫花苜蓿(Medicago sativa)，灌本植物選擇馬棘(Indigofera pseudotinctoria)、胡枝子(Lespedeza bicolor)、豬屎豆(Crotalaria pallida)、紫穗槐(Amorpha fruticosa)和刺槐(Robinia pseudoacacia)，于3月12日在同一塊地上噴播草本、木本植物種子，觀察植物發(fā)芽、出苗時(shí)間，分別統(tǒng)計(jì)2個(gè)月、3個(gè)月和4個(gè)月時(shí)苗木的成活率和株高、冠幅、蓋度。

1.2.5 草本植物密度試驗(yàn)

根據(jù)草本植物的生長(zhǎng)情況，選用狗牙根、高羊茅、芒草，分別在10個(gè)樣方(100 cm×100 cm)中進(jìn)行草本植物不同密度的試驗(yàn)，3次重復(fù)。同時(shí)播種，1個(gè)月時(shí)，分別統(tǒng)計(jì)各樣方中植株的數(shù)量、蓋度和高度。

1.2.6 木本植物密度試驗(yàn)

根據(jù)木本植物的生長(zhǎng)情況，選用馬棘、胡枝子、豬屎豆，播種后，觀察植物發(fā)芽、出苗時(shí)間，分別統(tǒng)計(jì)2個(gè)月、3個(gè)月和4個(gè)月時(shí)植株的高度和冠幅，3次重復(fù)。根據(jù)冠幅大小確定木本植物密度。

1.2.7 確定植物種子噴播量

為了保證一定數(shù)量的成苗數(shù)，需確定一定的播種量，應(yīng)該考慮種子的發(fā)芽率、噴播后的出苗率、成苗率、種子千粒重和凈度等。因此，播種量的公式［11］為:

播種量(g/m2)=計(jì)劃成苗數(shù)(株/m2)÷種子發(fā)芽率(%)÷噴播出苗率(%)÷噴播成苗率(%)÷1000×種子的千粒重(g)÷種子凈度(%) (1)

2 結(jié)果與分析

2.1 巖石的性質(zhì)

該露采邊坡為矽卡巖性質(zhì)及矽卡巖過渡性質(zhì)，兩側(cè)為風(fēng)化的含硫鐵礦的硬質(zhì)巖，該區(qū)域內(nèi)巖縫處均有大量S滲出，中部為強(qiáng)風(fēng)化的青灰色的矽卡巖(含大量硫礦物)。從表1可知，該區(qū)域巖質(zhì)中含有大量的硫礦物及氧化還原析出的S，坡面酸性污染嚴(yán)重，pH為3～4。種植植物時(shí)主要考慮耐酸性植物，以及豆科植物可以自然固氮，而且還要耐硫。

礦山廢棄地中普遍存在重金屬污染的問題，土壤中過高含量的重金屬元素，會(huì)抑制和毒害植物的正常生長(zhǎng)發(fā)育，常常導(dǎo)致礦山廢棄地植被恢復(fù)工程失敗。表1的檢測(cè)數(shù)據(jù)顯示，永平銅礦邊坡重金屬含量未超標(biāo)，因此，重金屬對(duì)本試驗(yàn)礦山的植被恢復(fù)影響較小。

巖石能供植物利用的有效水分極少，影響植被的生長(zhǎng)發(fā)育。采樣點(diǎn)植物無法生長(zhǎng)，與水分供應(yīng)不足可能也有關(guān)系。

由于該礦山廢棄地土壤貧瘠、酸性較強(qiáng)，嚴(yán)重制約了植物的正常生長(zhǎng)，故需先覆土，并實(shí)施基質(zhì)改良，提高保水保肥能力，再追加肥料，用于補(bǔ)充養(yǎng)分，栽植適合酸性土壤的抗性植物。

表1 巖石邊坡的基本理化性質(zhì)

2.2 永平礦山廢棄地植被恢復(fù)邊坡綠化植物調(diào)查分析結(jié)果

2.2.1 草本植物應(yīng)用情況

從表2可知，重要值前三位的草本植物分別為狗牙根、高羊茅、芒草，其中狗牙根出現(xiàn)在每個(gè)樣方中，且投影面積最大，說明狗牙根適應(yīng)能力強(qiáng)，對(duì)各種條件的耐性較好，生長(zhǎng)能力較強(qiáng)，在永平銅礦邊坡草本植物中為主，可以作為先鋒植物栽種。

表2 永平礦山廢棄地邊坡綠化草本植物應(yīng)用情況統(tǒng)計(jì)

2.2.2 木本植物應(yīng)用情況

通過調(diào)查統(tǒng)計(jì)，所調(diào)查的20個(gè)樣方中共有喬木124株。除表3所列喬木外，還有蜀檜、構(gòu)樹、杉木、棕櫚等。從表3可知，其中濕地松出現(xiàn)的頻率最高，重要值最高，說明濕地松在此永平銅礦礦山邊坡綠化喬木中占有主要地位。其次是馬尾松，其出現(xiàn)的次數(shù)和重要值次之。

表3 永平礦山廢棄地邊坡綠化喬木應(yīng)用情況統(tǒng)計(jì)

通過調(diào)查統(tǒng)計(jì)，所調(diào)查的20個(gè)樣方范圍內(nèi)，灌木的總投影面積為2 523.6 m2。除表4所列灌木外，還有梔子花、月季、四季桂、多花木藍(lán)、紫薇和夾竹桃等。從表4可知，馬棘的重要值最大，其次是胡枝子，且馬棘和胡枝子的投影面積均比其它灌木高出較多，而馬棘和紫穗槐的出現(xiàn)次數(shù)較高。

因此，根據(jù)永平礦山邊坡應(yīng)用的綠化植物情況，此礦山廢棄地宜選擇馬棘、胡枝子、豬屎豆和紫穗槐等作為木本植物。

表4 永平礦山廢棄地邊坡綠化灌木應(yīng)用情況統(tǒng)計(jì)

2.2.3 藤本植物應(yīng)用情況

藤本植物主要有爬墻虎和葛藤，其中爬墻虎應(yīng)用相對(duì)較多，可以應(yīng)用在較高坡度的巖石邊坡上。

2.3 植物生長(zhǎng)情況

3月12日噴播種子，在同一邊坡噴播的植物生長(zhǎng)情況見圖1。

圖1 噴播植物生長(zhǎng)高度隨時(shí)間變化的關(guān)系

從圖1可知，草木植物比木本植物發(fā)芽早、出苗快，如高羊茅、紫花苜蓿、狗牙根和芒草1周左右就開始發(fā)芽，3周時(shí)間高度可達(dá)10 cm，通常比灌木高。播種10 d后灌木才開始發(fā)芽，普遍較草本植物遲緩。因此，草木植物的過密播種往往會(huì)影響或抑制木本植物的發(fā)芽和幼苗的生長(zhǎng)。

在礦山廢棄地上進(jìn)行植物修復(fù)，適生植物種的篩選是必要的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，應(yīng)從生長(zhǎng)和生理水平進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。生長(zhǎng)前期，早發(fā)芽出苗的草本植物會(huì)抑制后發(fā)芽的木本植物生長(zhǎng)，播種1個(gè)月后，灌木快速生長(zhǎng)，其生長(zhǎng)開始高于草本植物的生長(zhǎng)，灌木在草叢中嶄露頭角后，草本植物對(duì)木本植物生長(zhǎng)的影響會(huì)逐漸消失。如果適當(dāng)控制草本植物的密度以不影響木本植物的發(fā)芽，木本植物的高度就會(huì)很快超過草本植物，而且草本植物的過密生長(zhǎng)往往會(huì)誘發(fā)病蟲害，從而更加嚴(yán)重地影響木本植物的發(fā)芽和幼苗的生長(zhǎng)。因此，如何控制播種后前期的草本植物生長(zhǎng)密度，是促進(jìn)木本植物在邊坡上能正常生長(zhǎng)的關(guān)鍵之一，為了保證木本植物良好生長(zhǎng)和邊坡快速形成綠色景觀，有實(shí)驗(yàn)表明灌草混播時(shí)，以確定草本和木本蓋度分別約65%、35%為宜［11］;同時(shí)，如何促進(jìn)木本植物種子提早發(fā)芽是避免或減少草本植物對(duì)其影響的重要方式。

2.4 草本植物密度試驗(yàn)

不同植物密度的樣方(100 cm×100 cm)中狗牙根、高羊茅、芒草的植株數(shù)、蓋度和高度情況如圖2。

圖2 草本植物不同密度樣方的植株數(shù)、蓋度和植株高度的關(guān)系

從圖2可知，草本植物的蓋度隨單位面積株數(shù)的增加而上升，當(dāng)高羊茅、狗牙根和芒草單位面積株數(shù)分別達(dá)到1 230、1 500、920株/m 時(shí)，蓋度接近100%，之后變化很小。各草本植物的高度基本與種植密度關(guān)系不大，普遍為9～15 cm。根據(jù)種植經(jīng)驗(yàn)，植物蓋度以65%為宜［11］，即相當(dāng)于高羊茅的密度約800株/m2，狗牙根約970株/m2，芒草約600株/m2。

2.5 木本植物密度試驗(yàn)

根據(jù)木本植株的冠幅確定木本植物的密度，馬棘、胡枝子和豬屎豆的生長(zhǎng)情況見圖3。

圖3 木本植物的生長(zhǎng)高度與冠幅大小隨時(shí)間變化的關(guān)系

從圖3可知，木本植物的冠幅隨高度增長(zhǎng)而增大，發(fā)芽出苗后，1周左右，植株長(zhǎng)高約9 cm，冠幅增大約2 cm，兩個(gè)月時(shí)，馬棘、胡枝子、豬屎豆的植株高度分別為29、37、34 cm，冠幅分別為 10.8、10.0、13.9 cm，之后木本植物的高度和冠幅繼續(xù)增大。

根據(jù)灌草混播、以草養(yǎng)灌，前期以草本為主的原則，按草本蓋度65%，木本蓋度35%種植［11］，兩個(gè)月時(shí)馬棘、胡枝子、豬屎豆的出苗量宜控制在約30 株/m2、35 株/m2、18 株/m2。根據(jù)育苗的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，馬棘、胡枝子、豬屎豆的成苗率分別為20%、15%、20%，由此可得馬棘、胡枝子、豬屎豆的成活數(shù)分別為6 株/m2、6 株/m2、4 株/m2。

2.6 確定植物種子噴播量

草本植物和木本植物進(jìn)行混播，為了保證邊坡的綠化效果和景觀效果，應(yīng)該選擇較合適的計(jì)劃成苗數(shù)配置植物，此礦山一般噴播植物計(jì)劃成苗數(shù)配置建議為:

草本植物:高羊茅300株/m2、狗牙根400株/m2、芒草200株/m2;

木本植物:馬棘3株/m2、胡枝子3/m2、豬屎豆2株/m2。

再由式(1)確定植物種子用量(g/m2)為:

高羊茅 4.88 g/m2，狗牙根 1.63 g/m2，芒草2.61 g/m2，馬棘 2.59 g/m2，胡枝子4.76 g/m2，豬屎豆 1.56 g/m2。

此噴播植物可作為永平銅礦礦山邊坡綠化植物種子配比的配置方案，同時(shí)還應(yīng)根據(jù)噴播季節(jié)等實(shí)際情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。由于藤本植物低矮，匍匐生長(zhǎng)，枝葉繁盛，其特有的吸盤或氣生根能緊緊固定在邊坡上，緊密交織的枝葉可緩沖雨水沖刷。故可以將草、灌、藤植物混合種植，利用藤本植物攀爬作用對(duì)坡面進(jìn)行遮蔽以補(bǔ)充，爬墻虎(2～3棵/m)，葛藤(2～3棵/m)，提高植被恢復(fù)的效果。

種子噴播前可進(jìn)行催芽處理，保證出苗快、出苗率高且質(zhì)量好，播種量可適當(dāng)減少10%至20%。對(duì)部分種子表面具有蠟質(zhì)或種子硬實(shí)率較高的喬灌木種子可進(jìn)行機(jī)械摩擦法或必要的化學(xué)處理。

3 結(jié)論

(1)試驗(yàn)實(shí)施的巖石邊坡為矽卡巖性質(zhì)及矽卡巖過渡性質(zhì)，因此含有大量的硫礦物，以及長(zhǎng)期裸露發(fā)生氧化還原反應(yīng)析出S，導(dǎo)致酸性污染嚴(yán)重，pH為3～4。因此，應(yīng)選擇耐酸性植物，輔以基質(zhì)改良。

(2)目前永平礦山廢棄地邊坡綠化植物調(diào)查結(jié)果及植物生長(zhǎng)情況表明，此礦山宜選擇草本植物狗牙根、高羊茅、芒草;木本植物馬棘、胡枝子、豬屎豆;藤本植物爬墻虎和葛藤。

(3)草本植物發(fā)芽出苗較快，木本植物普遍比草本植物發(fā)芽晚。由于灌木植物在早期生長(zhǎng)較慢，容易被長(zhǎng)勢(shì)較快的草本植物淘汰，而灌木植物相比草本植物具有更好的固土護(hù)坡價(jià)值，所以在以灌木為目標(biāo)的生態(tài)恢復(fù)中必須保證坡面存活足夠的灌木植物。在早期利用耐旱性強(qiáng)的先鋒草本植物進(jìn)行快速覆綠，先鋒草種如狗牙根等，減少基層水分蒸發(fā)量，以盡量利于灌木生長(zhǎng)。將草、灌、藤植物混合種植，提高修復(fù)的效果。為提高退化環(huán)境恢復(fù)中的物種多樣性，可在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上不斷增加物種引入的數(shù)量。

(4)根據(jù)試驗(yàn)情況，永平銅礦礦山廢棄地巖石邊坡噴播綠化植物配置方案建議為:高羊茅(4.88 g/m2)，狗牙根(1.63 g/m2)，芒草(2.61 g/m2)，馬棘(2.59 g/m2)，胡枝子(4.76g/m2)，豬屎豆(1.56 g/m2)，爬墻虎(2～3棵/m)，葛藤(2～3棵/m)。

［1］李永庚，蔣高明.礦山廢棄地生態(tài)重建研究進(jìn)展［J］.生態(tài)學(xué)報(bào)，2004(1):95 －100.

［2］黃銘洪.環(huán)境污染與生態(tài)恢復(fù)［M］.北京:科學(xué)出版社，2003:153－155.

［3］中華人民共和國(guó)農(nóng)業(yè)部.NY/T 1121.1－2006土壤檢測(cè)第1部分:土壤樣品的采集、處理和貯存［S］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

［4］劉芬.株洲地區(qū)土壤pH測(cè)定方法研究［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù)，1998(1):84－88.

［5］徐亞萍，伍自明.原子吸收分析法測(cè)定硫鐵礦中鉛、鋅、銅試驗(yàn)［J］.精細(xì)化工中間體，1981，04:53 －60.

［6］ Robbed G A，Robison J D F.Acid drainage from mines［J］.Geographical Journal，1995，16(1):47 －54.

［7］ Williamson N A，Johnson M S，Bradshaw A D.Mine Wastes Reclamation［M］.London:Mining Journal Books Ltd.，1992.

［8］蔣天成，劉守廷.ICP－AES快速測(cè)定土壤中硫含量［J］.光譜實(shí)驗(yàn)室，2007，2(24):99 －102.

［9］中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB/T 23561.6－2009煤和巖石物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)定方法第6部分:煤和巖石含水率測(cè)定方法［S］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

［10］顧文蕓.高速公路路體綠化研究［D］.南京:南京林業(yè)大學(xué)，2003.

［11］雷海清，柏明娥.礦山廢棄地植被恢復(fù)的實(shí)踐與發(fā)展［M］.北京:中國(guó)林業(yè)出版社，2010:127－128.