巖石邊坡生態(tài)恢復(fù)研究綜述

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

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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