黑龍江省大興安嶺采金礦廢棄地植被恢復(fù)研究

張東來，張玲

(1.黑龍江省林業(yè)科學(xué)院，哈爾濱，150081；2.黑龍江省林業(yè)科學(xué)研究所，哈爾濱，150081)

黑龍江省大興安嶺采金礦廢棄地植被恢復(fù)研究

張東來1，張玲2*

(1.黑龍江省林業(yè)科學(xué)院，哈爾濱，150081；2.黑龍江省林業(yè)科學(xué)研究所，哈爾濱，150081)

通過對黑龍江省大興安嶺采金廢棄地植被恢復(fù)情況進(jìn)行研究，分析植物恢復(fù)過程中群落結(jié)構(gòu)特點和不同恢復(fù)階段多樣性指數(shù)差異，并對廢棄地植被與土壤養(yǎng)分狀況進(jìn)行分析。結(jié)果表明：恢復(fù)植被現(xiàn)狀為三層結(jié)構(gòu)：①亞高山矮曲林；②山地寒溫性疏帶林；③山地寒溫性針葉林。植被恢復(fù)模式：次生裸地植被恢復(fù)模式為喬木+灌木+草本。喬木樹種為樟子松、興安落葉松、柴樺；灌木為沙棘，草本以隱子草、紫花苜蓿、紫菀、白車軸草和射干為保存率最高。物種多樣性指數(shù)隨植被恢復(fù)時間的增加而增大，物種多樣性指數(shù)與有機質(zhì)、土壤全氮、全磷、速效鉀顯著正相關(guān)。該區(qū)植被自然恢復(fù)是一個漫長的過程，所形成的植被質(zhì)量低劣，人工播種是該區(qū)生態(tài)修復(fù)的必要措施。

黑龍江省；大興安嶺；廢棄地；植被恢復(fù)

0 引言

各種資源的大規(guī)模開采造成土地破壞，在中國乃至世界，都是一個十分嚴(yán)重且受到高度重視的問題[1]。礦產(chǎn)資源的開發(fā)對于國民經(jīng)濟的發(fā)展具有十分重要的意義，但伴隨而來的是礦區(qū)周圍生態(tài)環(huán)境的污染，尤其是礦業(yè)廢棄物大量地產(chǎn)生，含有重金屬的礦業(yè)廢棄物露天堆放后，導(dǎo)致了一系列的重金屬環(huán)境污染問題，對于植被生長以及采礦跡地的復(fù)墾都產(chǎn)生了巨大影響[2-4]。同時，礦山開發(fā)過程中的廢棄物需要大面積的堆置場地，并且因開采冶煉而產(chǎn)生的廢氣，通過大氣循環(huán)后沉淀溶解于土壤，導(dǎo)致對土地的生境嚴(yán)重破壞，從而形成限制植物生長和發(fā)育的環(huán)境因子，使得廢棄地成為不毛之地，給當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境與人類生存造成了極大的威脅。因此，開展采礦廢棄地植被恢復(fù)與重建研究，具有巨大現(xiàn)實和研究意義。采礦項目建設(shè)過程中，區(qū)域土壤結(jié)構(gòu)遭受不同程度地破壞，降低土壤養(yǎng)分含量，從而影響植被的生長[6]。基于以上原因，通過對大興安嶺主要礦區(qū)本底情況調(diào)查數(shù)據(jù)的統(tǒng)計、分析，以實驗區(qū)內(nèi)物種多樣性指數(shù)和土壤理化特征為主要依據(jù)，研究采礦廢棄地土壤養(yǎng)分供應(yīng)與植被恢復(fù)的規(guī)律，為開展植被恢復(fù)、土壤修復(fù)等工作提供理論指導(dǎo)與科學(xué)依據(jù)。

1 樣地概況

古立庫經(jīng)營所隸屬大興安嶺加格達(dá)奇林業(yè)局，位于黑龍江省西北部，大興安嶺南部，伊勒呼里山嶺東南坡，北臨松嶺林業(yè)局，南與內(nèi)蒙古大楊樹林業(yè)局接壤。該區(qū)域植被屬東西伯利亞植物區(qū)系，原始植被以興安落葉松為主要優(yōu)勢種，主要喬木植物種類有興安落葉松Larixgmelini(Rupr.)Rupr.、樟子松Pinussylvestrisvar.mongolica Litv.、岳樺BetulaermaniiCham.、蒙古櫟QuercusmongolicaFisch.Ex Turcz.等。氣候類型屬寒溫帶季風(fēng)氣候，冬季嚴(yán)寒漫長，夏季炎熱短暫，春季來的遲緩，秋季降溫迅速，最低溫度可達(dá)-48℃，年平均氣溫-3℃；每年的10月至次年的3月為全年降水最少的月份，占全年的10%左右；4～9月降水占全年的90%，年平均降水量為600 mm左右，日均最大降水量為86 mm；初霜期始于9月中旬，終霜至5月中旬，降雪可從10月上旬至翌年5月中旬，生長期90～100 d。礦區(qū)主要分布在古利庫河兩岸，該區(qū)域原始土壤類型為棕色針葉林土、棕色森林土、草甸沼澤土、腐殖質(zhì)沼澤土，現(xiàn)屬人為嚴(yán)重擾動后形成的尾礦土，成分以礫石為主，粒徑多集中于0.5～5.0 cm范圍內(nèi)，細(xì)沙含量約占20%～30%，粉砂、粉土約占10%。礦區(qū)內(nèi)以侵蝕、剝蝕、堆積地形為主，水土流失十分嚴(yán)重。

2 研究方法

2.1 野外調(diào)查

在采礦跡地中選擇典型地段，以空間代替時間，采用樣方法隨機取點法，選擇采礦廢棄地及周邊恢復(fù)不同階段(恢復(fù)30 a、恢復(fù)10 a、恢復(fù)3 a)植被為研究對象，每個典型樣地設(shè)5塊標(biāo)準(zhǔn)樣地，樣方面積20 m×20 m，分別調(diào)查植物的高、胸徑、冠幅等。在每個取樣點上分別對表層土壤(0～10 cm)進(jìn)行取樣。將采集到的土壤樣品帶回實驗室風(fēng)干后過篩(根據(jù)實驗需要分別過篩)，分別進(jìn)行各項指標(biāo)的測定。

2.2 測定方法

測定方法[7]如下：土壤有機質(zhì)含量采用重鉻酸鉀-外加熱法；土壤全氮(TN)用凱氏定氮法；土壤全磷采用硫酸-高氯酸消煮-鉬銻抗比色法；速效鉀采用醋酸銨-火焰光度計法，用TAS-990型原子吸收分光光度計進(jìn)行測定。

2.3 數(shù)據(jù)處理

物種多樣性指數(shù)以重要值為基礎(chǔ)，采用辛普森多樣性指數(shù)。數(shù)據(jù)分析利用SPSS13.0和Excel2003處理，用單因素方差(one-way ANOVA)和correlate相關(guān)性分析多樣性指數(shù)與土壤因素的關(guān)系。喬木重要值IVtr=(相對密度+相對顯著度+相對頻度)/3。

灌木和草本植物重要值IVsh=(相對高度+相對蓋度)/2。

辛普森多樣性指數(shù)

3 結(jié)果與分析

3.1 植被現(xiàn)狀

大興安嶺地區(qū)采礦廢棄地植被屬東西伯利亞植物區(qū)系，北部以興安落葉松為主，按海拔分為3個垂直結(jié)構(gòu)為：第一垂直結(jié)構(gòu)代表植被為偃松Pinuspumila(Pall.)Regel矮曲林——“亞高山矮曲林”，草本植物為高山茅香Hierochloealpine(Swartz)Roem et.Schult.、黑果天枦ArctousjaponicasNakai、興安蓼Atraphaxisfrutescens(L.)C.Koch、莎草CyperusrotundusL.、還陽參Crepiscrocea(Lam.)Babc等。

第二垂直結(jié)構(gòu)以優(yōu)勢物種興安落葉松、岳樺、偃松林為代表——“山地寒溫性針葉疏林帶”，灌木層為扇葉樺BetulamiddendorffiiTrautv.et Mey.、越桔Vacciniumvitis-idaeaL.、篤斯越桔VacciniumuliginosumL.，草本層為蒙古蒿AtremisiamongolicaFisch.ex Bess.、花荵PolemoniumliniflorumV.Vassil.、莫石竹Moehringialateriflora(L.)Fenzl等。

第三垂直結(jié)構(gòu)優(yōu)勢種以興安落葉松、樟子松、蒙古櫟為代表——“山地寒溫性針葉林”，草本層為委陵菜PotentillachinensisSer.、小葉樟CalamagrostisangustifoliaKom.、分叉蓼PolygonumdivaricatumL.。

3.2 大興安嶺采礦廢棄地不同植被恢復(fù)階段物種多樣性指數(shù)

大興安嶺采礦廢棄地植被恢復(fù)不同階段，土壤養(yǎng)分狀況存在顯著差異(P<0.05)，表現(xiàn)為植被恢復(fù)30年土壤有機質(zhì)、速效氮、速效磷、速效鉀含量大于植被恢復(fù)3年(見表1)；多樣性指數(shù)存在差異(P<0.05)，即隨著植被恢復(fù)時間的增加，物種多樣性指數(shù)明顯增大(見表2)，群落的演替過程也是植物與土壤相互影響的過程，土壤為植物的存在和發(fā)展提供必要的物質(zhì)基礎(chǔ)，植被的出現(xiàn)是對土壤不斷適應(yīng)和改造的過程[8]。在這個過程中，地上部分植被逐步變化，地下有機物質(zhì)也隨之發(fā)生改變[9]。

表1 大興安嶺采礦廢棄地不同恢復(fù)階段土壤概況

表2 大興安嶺采礦廢棄地不同植被恢復(fù)階段物種多樣性指數(shù)

3.3 植被恢復(fù)模式

在對大興安嶺古利庫地區(qū)廢棄地自然恢復(fù)的植被調(diào)查基礎(chǔ)上，采用不同的造林配置方法，篩選出金礦跡地適宜性造林樹種及組合。喬木選擇適應(yīng)性較強的樟子松、興安落葉松、白樺BetulaplatyphyllaSuk.、柴樺BetulafruticosaPall.；灌木為沙棘HippophaerhamnoidesL.為主要目標(biāo)樹種，同時播種草本植物隱子草Cleistogeneshancei、紫花苜蓿MedicagosativaL.、紫菀AstertataricusL.、白車軸草TrifoliumrepensL.、射干Belamcandachinensis(L.)DC.、石竹DianthuschinensisL.、早熟禾PoaannuaL.、黑心金光菊RudbeckiahirtaL.、紫羊茅FestucarubraL.、羊胡子苔草Carexcallitrichos進(jìn)行立體種植等。結(jié)果見表3，在坡位、水分適中的區(qū)域喬木灌木成活率和存活率較高，可達(dá)70%以上。篩選出適應(yīng)性草本5種，為隱子草、紫羊茅、黑心菊、紫菀、金光菊，存活率達(dá)85%，這些植物的生物學(xué)特性更有利于廢棄地植被恢復(fù)，為下進(jìn)一步群落優(yōu)化相關(guān)配置技術(shù)措施的研究奠定了基礎(chǔ)。

表3 采礦廢棄地人工播種草本植物存活情況調(diào)查表

3.4 大興安嶺采礦廢棄地物種多樣性指數(shù)與環(huán)境關(guān)系

大興安嶺地區(qū)采金礦廢棄地物種多樣性指數(shù)(辛普森指數(shù))與有機質(zhì)、全氮、全磷、速效鉀顯著正相關(guān)。土壤速效鉀物種多樣性指數(shù)之間的線性關(guān)系十分明顯(R2=0.95)(如圖1所示)，呈極顯著的正向相關(guān)，可以認(rèn)為土壤速效鉀含量對大興安嶺采金礦廢棄地優(yōu)勢物的生長起到十分明顯的促進(jìn)作用；土壤有機質(zhì)、全氮、全磷與物種多樣性指數(shù)關(guān)系比較明顯，呈一定程度的正向相關(guān)，可以認(rèn)為土壤養(yǎng)分含量對植物個體的生長、發(fā)育起到一定的促進(jìn)作用。

圖1 大興安嶺古利庫金礦廢棄地物種多樣性與土壤因素關(guān)系Fig.1 The relationship between species diversity and soil factors of Guliku gold mining wasteland in Daxing’an mountains

3 討論與結(jié)論

(1)人工播種可以豐富植物種類，進(jìn)而能夠加速群落演替進(jìn)展[10]。廢棄地植被恢復(fù)以草本灌木為主[11]，因為廢棄地土壤結(jié)構(gòu)性能差，水分和養(yǎng)分含量低，主要選擇耐干旱、繁殖能力強的禾本科、莎草科、菊科等植物[12]。通過提高植被覆蓋率改善廢棄地土壤狀況，促進(jìn)廢棄地植被恢復(fù)。不同植物種類由于生物學(xué)特征不同，對困難立地生存能力也不同。大興安嶺地區(qū)可以以隱子草、紫羊茅、草熟禾等為先鋒草本進(jìn)入恢復(fù)區(qū)域，苔草類等保水、固土、反射大氣輻射適應(yīng)性較好的草本植物，可以作為恢復(fù)過程中逐漸引入，因此，在對廢棄地人工恢復(fù)中，要充分考慮植被的生物學(xué)及生態(tài)學(xué)特征，做到擇優(yōu)盡能。

(2)植被的恢復(fù)可以改變土壤營養(yǎng)狀況，同時土壤質(zhì)地也影響植被恢復(fù)[13-14]。大興安嶺古利庫采金礦地區(qū)，由于其地質(zhì)特征(地形、地貌、地質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)等)被完全破壞，其土壤已不再具有其原始的結(jié)構(gòu)、組成、化學(xué)物理性質(zhì)等特性。該區(qū)土壤結(jié)構(gòu)以礫石、沙、泥質(zhì)土為主，礫石層位于采金帶的中間部位，厚度隨采金的方式不同不等，高可達(dá)數(shù)米，該層空隙大、水分含量低、條件惡劣，植物難以生存；礫石層下部為礫石和砂混合層，該層中存有被礫石或砂表面吸附的單分子水層；再下層為礫石、砂、粘土和水的混合層，在采金船的溜槽口處形成條狀的泥漿溝，該層含有大量的水，促進(jìn)了植被生長，提高了播種成活率。Oliveira等研究認(rèn)為影響廢棄地植被恢復(fù)的主要原因是由于干旱引起的，其次為土壤養(yǎng)分含量。因為低的養(yǎng)分可利用性與干旱相互作用限制植物的生長發(fā)育[15]。Witmann通過對加納金礦廢棄地與未恢復(fù)廢棄地的土壤質(zhì)地、容重、土壤化學(xué)性質(zhì)及植被多樣性指數(shù)進(jìn)行研究，認(rèn)為經(jīng)過植被恢復(fù)的廢棄地土壤團(tuán)聚體更穩(wěn)定，土壤化學(xué)成分含量相對較高，多樣性指數(shù)高于8.1%[16-17]?；谝陨辖Y(jié)論，我們認(rèn)為采金跡地植被恢復(fù)應(yīng)以點播草本植物為最佳。不同采金方式形成地質(zhì)、土壤條件各不相同，造林時要仔細(xì)調(diào)查，采取不同的恢復(fù)模式。

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Study on Vegetation Restoration in Gold Mining Wasteland in Daxing’an Mountains of Heilongjiang Province

Zhang Donglai1；Zhang ling2*

(1.Heilongjiang Academy of Forestry，150081，China；2.Heilongjiang Academy of Forestry，Harbin，150081，China)

The vegetation restoration of gold mining wastelandwere studied in the Daxing’an mountains.The characteristics of structure community and the difference of species diversity in different vegetation restoration stages was investigated.The relationship between restoration of vegetation and soil nutrient were analyzed.The results showed that recovery status of vegetation presented three layer structure：the krummholz forest，the mountain cold warm thin forests and mountain boreal forest.Vegetation restoration patternwas secondary bare land vegetation restoration pattern of arbor+shrub+herb.The arbor species wereLarixgmelini(Rupr.)Rupr.，Pinussylvestrisvar.mongolicaLitv.，andBetulaermaniiCham.The shrub species wereHippophaerhamnoidesL.herbaceous with Cleistogenes hancei，Medicago sativa L.，Aster tataricus L.，Trifolium repens L.and Belamcanda chinensis (L.)of the highest survival rate.It indicated that the species diversity increased with the increase of vegetation restoration time，and species diversity index was significantly positive correlated with soil organic carbon，total nitrogen，total phosphorus and available potassium.Because the vegetation recovery is a long process and the quality of formed vegetation was the poor，artificial seeding is the necessary measures for ecological restoration

Heilongjiang province；Daxing’an mountains；wasteland；vegetation restoration

2016-10-24

黑龍江省應(yīng)用技術(shù)研究與開發(fā)計劃項目(GC14D504)

張東來，碩士，副研究員。研究方向：森林培育。

*通信作者：張玲，碩士，副研究員。研究方向：森林生態(tài)學(xué)經(jīng)濟林方向。E-mail：slyszl@126.com

張東來，張玲.黑龍江省大興安嶺采金礦廢棄地植被恢復(fù)研究[J].森林工程，2017，33(2)：56-59.

S 718.59

A

1001-005X(2017)02-0056-04