運用雜交構樹對尾礦生態(tài)修復和礦區(qū)綠化

彭獻軍++王金山++沈世華

摘 要：礦產(chǎn)資源是我國社會經(jīng)濟發(fā)展的重要支柱，然而礦產(chǎn)資源的開發(fā)同時也是迄今人類最大規(guī)模改變地球表面景觀和破壞地表生態(tài)系統(tǒng)的有組織的人類活動。因此，廢棄礦山的生態(tài)恢復和礦區(qū)生態(tài)綠化是迫切需要解決的問題。本文在河北省唐山鐵礦區(qū)內(nèi)5個試驗地種植試驗的結(jié)果表明，雜交構樹對廢棄礦山和礦區(qū)惡劣生境表現(xiàn)出良好適應性。在不采取工程措施的情況下，通過原土種植，可獲得較高的存活率，后期管護措施簡便、易行，降低了尾礦生態(tài)修復和礦區(qū)綠化的成本。本研究為雜交構樹在礦山地區(qū)的大面積推廣種植提供了理論依據(jù)，在生態(tài)環(huán)境治理、礦區(qū)修復和綠化等方面具有廣泛的應用前景。

關鍵詞：雜交構樹；礦山修復；生態(tài)綠化；尾礦治理

中圖分類號：S792 文獻標識碼：A DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2016.12.024

Application of the Paper Mulberry in Ecological Restoration of Tailings and Mining Area

PENG Xianjun，WANG Jinshan，SHEN Shihua

（Institute of Botany， Chinese Academy of Sciences， Beijing 100093，China）

Abstract： Mineral resources is an important pillar for our country's social and economic development， but mineral resources development is also the largest organized human activity which changes the landscape of the earth's surface and destroys the surface ecological system. Therefore， the ecological restoration of abandoned mine and the mining area ecological greening are urgent. In this study， five iron producing area in Tangshan of Hebei Province were selected for planting experiment. The results showed that paper mulberry can achieve the high survival rate without taking engineering measures and through the original soil planting. In addition， the paper mulberry also exhibited the good adaptability to abandoned mines and mining area environment. The plantation management is simple and easy which can reduce the cost of the ecological restoration of tailings and mining area greening. This research provides the theoretical basis for planting the paper mulberry in restoration of the ecological environment of the mine area.

Key words： paper mulberry； mine restoration； ecological greening； tailings treating

近些年，隨著我國經(jīng)濟的快速增長，對礦產(chǎn)資源的需求不斷增大，開采規(guī)模持續(xù)快速擴大，帶來的環(huán)境污染和生態(tài)破壞問題也日趨嚴峻。大規(guī)模的礦石開采，使生態(tài)系統(tǒng)遭受嚴重破壞：水土流失、山體滑坡等災害的發(fā)生頻率大大增加；地表植被和自然地貌遭到嚴重破壞；尾礦粉堆積如山；土壤微生物環(huán)境受到破壞；水體、大氣的污染日趨嚴重[1-2]。長期以來，政府和企業(yè)投入了巨大的人力、物力和財力，通過大規(guī)模的工程技術手段對尾礦加以改造，通過種植園林綠化植物進行造景和生態(tài)恢復。但是，由于巨大的前期投入和后期不斷增加的養(yǎng)護成本，常用的園林植物，如銀杏、白蠟、刺槐和榆樹等喬木類樹木在尾礦和礦區(qū)難以適應，許多地區(qū)的綠化和生態(tài)修復工程未達預期[3]；在通過工程措施后種植諸如核桃、板栗、山楂和柑橘等經(jīng)濟作物，以實現(xiàn)土地復墾的“工改農(nóng)”方案，則因為較高的生產(chǎn)成本和管護難度，未能大規(guī)模推廣。

雜交構樹具有很強的適應性，能夠耐干旱、耐貧瘠、耐鹽堿、抗污染和病蟲害。作為一種速生樹種，可廣泛用于土地沙（石）漠化和鹽堿地治理[4-5]，具有加速封山造林、優(yōu)化農(nóng)村經(jīng)濟結(jié)構等功能，創(chuàng)造出良好的生態(tài)和經(jīng)濟效益[6]。

雜交構樹耐鹽堿、抗干旱，作為鹽堿地綠化樹種，在河北省唐山市和天津市的濱海鹽堿地以及山東、遼寧等地已經(jīng)有了多年的推廣種植[7]。雜交構樹側(cè)根極其發(fā)達，再生力強，多集中于地表以下30 cm，穿插力強，當年側(cè)根即能伸展2 m 以上。地表根系發(fā)達，對土壤具有很強的固持作用，在貴州省喀斯特石漠化區(qū)，雜交構樹已經(jīng)應用于涵養(yǎng)水源、保持水土、防止土地石漠化和恢復與重建退化喀斯特生態(tài)系統(tǒng)[8]。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)域概況

試驗選址為河北省唐山市的遷西縣和遷安市的鐵礦區(qū)。該試驗地位于燕山沉降帶東段南緣，其地貌特征呈典型的低山丘陵景觀。屬暖溫帶大陸性半濕潤的季風氣候，四季分明，干濕季節(jié)明顯。春季干旱多風，夏季炎熱多雨，秋季天高氣爽，冬季寒冷干燥。年平均氣溫10.1 ℃，7月份平均氣溫25 ℃，1月份平均氣溫-7.8 ℃。初霜期為10月初至11月初，終霜期為4月初至4月底，無霜期一般為183 d，最長為209 d，最短為161 d，多年平均降水量為804.2 mm。氣候條件能夠滿足雜交構樹的生長要求。

1.2 研究材料

試驗所用雜交構樹為中國科學院植物研究所培育的速生、多抗的生態(tài)經(jīng)濟林用樹種。試驗選用株高在20 cm左右的一年生雜交構樹幼苗，方便貯運。另外，以白蠟樹（Fraxinus chinensis）和榆樹（Ulmus pumila）為參照，比較相同生長條件下不同樹種生長量的差異。

1.3 試驗地

1.3.1 試驗地特點 遷西縣興城鎮(zhèn)臺頭村和東荒峪鎮(zhèn)的鐵礦選礦場的試驗地，土壤土層薄，且以裸巖、碎石及砂礫為主，有機質(zhì)、養(yǎng)分和土壤微生物含量低，保水性差，如圖1A所示。遷安市馬蘭莊永盛公司內(nèi)廢棄選礦場試驗地的土壤特點與遷西類似，土質(zhì)特點為碎石、砂礫地，有機質(zhì)養(yǎng)分、土壤微生物含量低；遷安市五重安鄉(xiāng)瑞陽生態(tài)農(nóng)業(yè)大觀園園區(qū)內(nèi)有改造選礦場和尾礦粉堆兩塊試驗地，其中，改造選礦場的土質(zhì)為碎石和薄土，有機質(zhì)養(yǎng)分、土壤微生物含量低；尾礦粉堆以廢棄尾礦粉為主要成分，具有保水性差、缺乏有效營養(yǎng)成分的特點。圖1B所示為尾礦粉堆沙漠化生境的情況。

1.3.2 試驗地整理 在遷西縣境內(nèi)的兩處試驗地均不做土地整理工作，采取原土種植的方式，依地形進行種植試驗。在遷安的試驗地按圖1C所示進行適當?shù)耐恋仄秸?，試驗地邊緣做好護坡措施，創(chuàng)造相對均一的試驗條件，規(guī)范設置試驗小區(qū)。

1.4 苗木定植

雜交構樹幼苗的定植期較長。華北地區(qū)一般在最低氣溫高于10 ℃時的月份均可定植。唐山地區(qū)一般在5—9月完成定植。雜交構樹定植密度選擇100 cm×100 cm株行距為宜，以保證在樹體營養(yǎng)供給的前提下充分利用土地。定植時應避免在陽光強烈的正午進行，宜選擇在每天的傍晚或陰天時進行。定植時，首先去除苗木的營養(yǎng)缽，應盡量保證根系完整不散團。栽植深度不要過深，以掩過原土位置1 cm左右為宜。定植后及時灌足定植水[9]。

1.5 日常管理

苗木定植后，有一個7 d左右的緩苗期，應加強水分調(diào)控，7 d內(nèi)至少澆兩次水。苗木成活后，在生長期內(nèi)根據(jù)實際情況澆水3～4次。北方地區(qū)為保證苗木安全過冬，入冬之前澆封凍水[6]。

2 結(jié)果與分析

依據(jù)各個試驗地不同的地形、土質(zhì)和水肥處理設計3個試驗，對雜交構樹在尾礦和礦區(qū)的適應性和生長勢進行綜合比較分析。

2.1 地形對雜交構樹成活率和生長狀況的影響

遷西縣的試驗地未經(jīng)土地整理，遷安市的試驗地進行了適當?shù)耐恋仄秸却胧?。在遷西縣東荒峪和遷安市馬蘭莊永盛公司這兩處類似土質(zhì)和生態(tài)環(huán)境條件的試驗地各選取50株雜交構樹進行成活率對比試驗，并從中各選取20株進行生長量對比試驗，從一定生長時期（70 d）內(nèi)的株高、地徑和枝葉量3方面對雜交構樹的生長情況進行統(tǒng)計，試驗數(shù)據(jù)采集年份為2010年。由圖2A可以看出：不同地形對雜交構樹的成活率存在一定的影響；定植一個半月后，進行土地整理的相對于未進行土地整理的雜交構樹有著較高的成活率。在兩個月后，樹苗均完成緩苗，成活率趨于穩(wěn)定。圖2B、C、D中馬蘭莊試驗地進行了土地整理，種植3個月后株高平均增加69.95 cm，增幅265.4%；地徑平均增加0.880 4 cm，增幅161.12%；枝量平均增加2.6，葉量平均增加15.2。而東荒峪的試驗地沒有進行土地整理，種植3個月后株高平均增加18.3 cm，增幅101.34%；地徑平均增加0.404 8 cm，增幅136.54%；枝量平均增加1.2，葉量平均增加6.6。

2.2 不同土質(zhì)對雜交構樹生長狀況的影響

在瑞陽生態(tài)農(nóng)業(yè)大觀園的兩處試驗地I （選礦場）和II（尾礦粉堆）各選取供試苗20株進行生長量對比試驗，在70 d的生長時期內(nèi)，對雜交構樹的株高、地徑和枝葉量3個指標進行統(tǒng)計（圖3）。

圖3中選礦場尾礦（Ⅰ）的土層缺失，多碎石、裸巖的破碎生境；尾礦粉堆（Ⅱ）屬于沙漠化生境。兩塊試驗地均進行了土地整理，試驗條件均一。圖3A所示，在3個月的生長期后，選礦場尾礦的雜交構樹株高平均增加73.8 cm，增幅293.22%；地徑平均增加1.64 cm，增幅357.34%；枝量平均增加5.4，葉量平均增加12.6。尾礦粉堆的株高平均增加34 cm，增幅135.76%；地徑平均增加0.37 cm，增幅103.26%；枝量平均增加2.4，葉量平均增加6.4。數(shù)據(jù)結(jié)果表明，選礦場尾礦的雜交構樹長勢要優(yōu)于尾礦粉堆。

2.3 不同水肥條件對雜交構樹成活率和生長狀況的影響

2.3.1 施肥對雜交構樹生長狀況的影響 作物種植的過程中，施肥是一項非常重要的工作，在澆水管理相近的條件下，在河北唐山遷西縣臺頭村和遷安市五重安鄉(xiāng)瑞陽生態(tài)農(nóng)業(yè)大觀園兩地3個試驗地塊各取樣50株，進行施肥對比試驗，選用肥料為磷酸二胺復合肥，試驗數(shù)據(jù)采集年份為2010年。在樹苗成活后施入磷酸二胺復合肥，促長效果明顯。試驗結(jié)果顯示，施肥處理的成活率高于未施肥處理（圖4A）。圖4B、圖4C所示為在施肥或不施肥條件下雜交構樹的株高和地徑的增長情況。Ⅰ和CK-1是來自臺頭村試驗地的數(shù)據(jù)，由于該試驗地的管理存在問題，構樹的生長勢較其他地塊要差。經(jīng)過3個月的生長期施肥組Ⅰ的株高平均增加38.2 cm，增幅205.86%；地徑平均增加0.75 cm，增幅315.46%。對照組CK-1株高平均增加23.6 cm，增幅119.56%；地徑平均增加0.45 cm，增幅179.94%。施肥組長勢優(yōu)于對照組。而選礦場和尾礦粉堆的生長量更大，相比對照的優(yōu)勢也更為顯著。選礦場施肥組Ⅱ株高平均增加178.6 cm，增幅669.42%；地徑平均增加3.28 cm，增幅736.22%。對照組CK-2株高平均增加73.8 cm，增幅315.82%。尾礦粉堆施肥組Ⅲ株高平均增加176.4 cm，增幅732.6%；地徑平均增加3.74 cm，增幅1148.28%。未施肥對照組CK-3株高平均增加34 cm，增幅135.76%；地徑平均增加0.38cm，增幅103.26%。

2.3.2 不同水肥組合處理對雜交構樹生長的影響 試驗采用在一定生長時期（70 d）內(nèi)，從株高和地徑兩方面對雜交構樹的生長情況進行統(tǒng)計。試驗中設置4個處理，每個處理設3個重復；CK為對照組，不澆水不施肥；處理Ⅰ，澆水施肥；處理Ⅱ，施肥不澆水；處理Ⅲ，澆水不施肥。圖5中的A、B兩圖為水肥控制試驗測得的相關數(shù)據(jù)得出的結(jié)果。數(shù)據(jù)采自瑞陽生態(tài)農(nóng)業(yè)大觀園選礦場，試驗數(shù)據(jù)采集年份為2010年。處理Ⅰ株高平均增加了188 cm，增幅789.57%；地徑平均增加3.4 cm，增幅1 013.13%；處理Ⅱ株高平均增加了175 cm，增幅775.9%；地徑平均增加3.24 cm，增幅918.67%；處理Ⅲ株高平均增加了160.67 cm，增幅554.2%；地徑平均增加2.39 cm，增幅520.17%；CK株高平均增加了44 cm，增幅169.17%；地徑平均增加0.87 cm，增幅181.1%。通過數(shù)據(jù)可以看出，雜交構樹的長勢為處理Ⅰ>處理Ⅱ>處理Ⅲ>CK。

2.4 雜交構樹與白蠟、榆樹對比試驗

雜交構樹屬于速生樹種，在水肥供給充足的情況下，年生長量很大，相比其他綠化樹種能夠加速綠化進程。試驗中對雜交構樹和白蠟、榆樹種植后的生長量進行了對比試驗，在遷西縣臺頭村、東荒峪、馬蘭莊永盛公司、重安鄉(xiāng)的瑞陽生態(tài)農(nóng)業(yè)大觀園的改造選礦場和尾礦粉堆5個試驗地同時種植了雜交構樹和白蠟、榆樹，從株高和莖粗兩個方面的生長量進行比對。由圖5C、圖5D可以看出，總體上雜交構樹的生長速度明顯高于傳統(tǒng)綠化樹種白蠟樹和本土的榆樹。而在立地條件相對好的選礦場試驗地優(yōu)勢更為突出。經(jīng)過3個月的生長，株高雜交構樹增量156 cm，白蠟增量88 cm，榆樹增量78 cm；地徑雜交構樹增量1.76 cm，白蠟增量1.05 cm，榆樹增量0.6 cm。

3 討 論

3.1 地形和立地條件影響雜交構樹的生長狀況

雜交構樹根系對土壤的通透性有一定要求，宜選擇土質(zhì)疏松的地塊進行種植[2]。通過遷西縣東荒峪和遷安市馬蘭莊永盛公司這2處試驗地的對比種植，做過土地整理的試驗地種植雜交構樹的成活率總體要優(yōu)于未進行土地整理的地塊，未經(jīng)土地整理種植的構樹苗生長量明顯小于經(jīng)過土地整理的構樹苗。可能是因為進行土地整理后，試驗地塊地勢趨于平坦，土質(zhì)變得疏松，有利于水分的涵養(yǎng)和植物根系的生長。

主干加速木質(zhì)化，葉片較小而厚，顏色暗綠?？赡茉蚴窃诜N植初期，構樹苗根系伸展能力較弱，在不經(jīng)土地整理的情況下根際土壤環(huán)境差，根系吸收水分、養(yǎng)分困難，加上土壤保水、保肥能力差，植株生長減緩。

3.2 不同土質(zhì)明顯影響雜交構樹的生長

通過對比大觀園試驗地的選礦場和尾礦種植雜交構樹的實際效果可以看出，雜交構樹擁有很強的適應能力，種植的成活率均可達到90%，尾礦上種植的成活率稍低，但也在90%以上；同時，樹苗的長勢也相對選礦場地塊要慢一些，樹苗分枝少，樹葉發(fā)黃，新生葉長勢緩慢。分析原因可能是由于尾礦沙地有機質(zhì)含量極低，土壤保水性能差，水肥流失嚴重，導致植株脫水、脫肥，植株營養(yǎng)不良。選礦場、尾礦雖然是破碎生境，但由于存在一定的原有土壤成分，以及長期的自然水分、養(yǎng)分積累，土壤中養(yǎng)分含量明顯高于尾礦粉堆的試驗地。同時，由于尾礦粉堆的沙漠化特性，土壤含蓄水分的能力差，植株容易缺水干旱，不利于生長。因此，與選礦場的破碎生境相比，尾礦粉堆的沙漠化對植物生長影響更為明顯。

3.3 水肥條件制約著雜交構樹的生長狀況

處理Ⅰ進行了日常的澆水施肥管理，水肥得到了滿足。日常澆水管理滿足了植株生長所必需的水分供應，直接促進了植株的生長；同時水分使土壤中物理結(jié)構得到改善，植株在生長過程中更容易伸展根系，有利于植株生長。種植雜交構樹時，配合澆水施用磷酸二胺復合肥，補充了原土中的營養(yǎng)成分，在樹苗成活后迅速供應樹苗生長所需水分，促進了植株的發(fā)育，提高了植株的抗逆性和生長速度。處理Ⅱ長勢優(yōu)于處理Ⅲ是由于在干旱的北方山區(qū)，水分脅迫對植物生長的影響最大，而土壤肥力只有在水分供給正常的情況下才能更好地發(fā)揮出來。因此，雖然處理Ⅲ土壤進行了施肥，但植株長勢并不如處理Ⅱ。

由于試驗區(qū)內(nèi)土壤有機質(zhì)含量低，多干旱貧瘠，植物對養(yǎng)分的吸收困難，所以，在樹苗成活后合理使用有機肥，可以在促進樹苗生長的同時在很大程度上提高樹苗的成活率。有機肥含有大量有機質(zhì)，可促進土壤微生物繁殖，使土壤疏松、通氣，易于排水、耕作，有機肥腐殖質(zhì)中的主要成分腐殖酸，能促使種子發(fā)芽、根系生長和養(yǎng)分吸收并且能促進作物促進光合作用；因此，施用有機肥料，可以明顯提高雜交構樹的存活率和生長速度[6]。

3.4 雜交構樹水土保持的作用明顯

雜交構樹的側(cè)根極其發(fā)達，伸展范圍很大，當年即可達到2 m以上（圖6），可以固持大面積的根際土壤，根系交錯形成良好的網(wǎng)絡。在雨季可以很好地保持住水土，有利于土壤的結(jié)構保持和地形維護。對于破碎生境比如尾礦和宕口的生態(tài)修復有著很好的利用前景[10]。同時，大量的淺層根系對于表層土壤（30 cm）也具備固持作用[6]，這在北方地區(qū)對于防風固沙也有一定作用。

3.5 雜交構樹可以降低尾礦生態(tài)修復工程成本

雜交構樹耐干旱、耐貧瘠，適應性強。根系發(fā)達，枝葉繁茂，喜光，耐修剪砍伐，能凈化空氣[11]。與白蠟和本土樹種在試驗地上進行對比種植，在保證高成活率前提下，在生長速度和生物量上均優(yōu)于白蠟和榆樹。另外，經(jīng)過近幾年的調(diào)查試驗，均未發(fā)現(xiàn)有明顯的病害對雜交構樹造成巨大影響。由于雜交構樹具有以上特性，用作環(huán)境綠化和生態(tài)修復樹種，可大幅度降低種植后期的綠化管理和維護成本，能較好地實現(xiàn)快速綠化的目的。同時，雜交構樹作為先鋒樹種，可以改善當?shù)氐耐寥拉h(huán)境，為日后其他植物的應用提供良好的基礎[12]。

4 結(jié) 論

雜交構樹在位于遷西縣和遷安市的種植基地的種植試驗表現(xiàn)出了非常好的適應性。通過對比試驗，筆者總結(jié)出雜交構樹在礦區(qū)綠化和尾礦生態(tài)修復中應用的栽培管理技術，建立了礦區(qū)生態(tài)園林綠化技術體系。配以適當?shù)墓茏o措施，雜交構樹能夠在廣大的淺山地區(qū)、石（沙）漠化地區(qū)、采礦區(qū)和尾礦區(qū)實現(xiàn)原土種植，原土綠化，豐富礦區(qū)綠化的樹種資源。以雜交構樹為主建立的綠化和生態(tài)修復體系，可減少工程技術措施的應用，且需水量小、易于管護，極大地降低了尾礦生態(tài)修復和礦區(qū)綠化工程成本。隨著國家經(jīng)濟結(jié)構的轉(zhuǎn)型，經(jīng)濟與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的要求愈發(fā)提升，建立生態(tài)友好型工業(yè)發(fā)展的新模式對于中國經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。雜交構樹作為一種既能應用于生態(tài)環(huán)境改造，又有高經(jīng)濟利用價值的樹種，為經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護相協(xié)調(diào)提供了一條新思路。

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