門頭溝區(qū)龍泉鎮(zhèn)煤矸石山植被恢復(fù)中的樹種選擇

侯 巍，楊 莉，胡 雪，肖玉玲，秦 越，肖 萌

(1.北京林豐源生態(tài)環(huán)境規(guī)劃設(shè)計院有限公司，北京 100083； 2.北京國信智業(yè)工程顧問有限公司，北京 100044)

門頭溝區(qū)龍泉鎮(zhèn)煤矸石山植被恢復(fù)中的樹種選擇

侯 巍1，楊 莉2，胡 雪1，肖玉玲1，秦 越1，肖 萌1

(1.北京林豐源生態(tài)環(huán)境規(guī)劃設(shè)計院有限公司，北京 100083； 2.北京國信智業(yè)工程顧問有限公司，北京 100044)

煤矸石山；植被恢復(fù)；樹種選擇；門頭溝區(qū)

為篩選出可在煤礦廢棄地生長的先鋒樹種，以及適宜在煤礦廢棄地環(huán)境生長的景觀樹種，在北京市門頭溝區(qū)龍泉鎮(zhèn)的滑石道矸石山的平臺上選擇了10種抗逆性強的樹種作為供試材料，通過測定株高、地徑、冠幅生長量等生長指標和葉綠素含量、超氧化物歧化酶(SOD)活性、過氧化氫酶(CAT)活性等生理指標，對10種植物的適應(yīng)性指標測定值進行了綜合研究、分析及評價。結(jié)果表明：不同樹種的年生長量(株高、冠幅、地徑等)和生理指標(葉綠素含量、SOD和CAT酶活性)均不同，呈現(xiàn)出極顯著的物種差異；荊條和千頭椿的生長適應(yīng)性較強，在煤礦廢棄地植被恢復(fù)中可將其作為先鋒樹種，元寶楓、紫葉小檗、檸條和珍珠梅也較適應(yīng)在煤礦廢棄地環(huán)境中生存，可用來豐富礦區(qū)廢棄地生態(tài)恢復(fù)中樹種的多樣性，提高礦區(qū)廢棄地的自然景觀效果。

礦產(chǎn)資源是社會發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，礦產(chǎn)資源的開采曾是北京的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)，為北京地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展和社會進步作出了巨大貢獻。但在礦產(chǎn)資源大量開采過程中，破壞了礦區(qū)的自然生態(tài)環(huán)境，嚴重污染了當?shù)卮髿?、水體、土壤環(huán)境[1]。

近年來，為使惡化的礦區(qū)生態(tài)環(huán)境得以修復(fù)，實現(xiàn)自然生態(tài)平衡，改善人居環(huán)境，使經(jīng)濟、社會和環(huán)境協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展，世界各國對礦區(qū)廢棄地生態(tài)治理均高度重視，相繼開展了對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的治理工作[2]。植被恢復(fù)是生態(tài)恢復(fù)治理中的重要措施，而選擇適生的樹種是植被恢復(fù)的基礎(chǔ)。

由于煤矸石廢棄地立地條件差、土壤瘠薄、保水保肥能力差，以及煤矸石自身的酸堿度、自燃性等特征，因此應(yīng)首先采取削坡、修建排水溝、建設(shè)擋墻等工程措施，消除煤礦廢棄地的安全隱患，并在其上進行客土改良，恢復(fù)煤礦廢棄地的土壤環(huán)境，然后再在煤礦廢棄地進行植被恢復(fù)，選擇生長快、抗旱抗逆性強的樹種進行種植[3]。

本研究擬在門頭溝區(qū)龍泉鎮(zhèn)的滑石道矸石山的平臺上選擇一塊區(qū)域作為試驗基地，選擇10種抗逆性強的樹種作為供試植物，通過測定株高、地徑、冠幅生長量等生長指標和葉綠素含量、超氧化物歧化酶(SOD)活性、過氧化氫酶(CAT)活性等生理指標[4]，對10種植物的適應(yīng)性指標測定值進行綜合研究、分析及評價，篩選出可在煤礦廢棄地生長的先鋒樹種，以及適宜在煤礦廢棄地環(huán)境生長的景觀樹種，以豐富礦區(qū)廢棄地的樹種多樣性，提高礦區(qū)廢棄地的自然景觀效果，同時也為生態(tài)恢復(fù)的樹種選擇提供科學、準確的信息。

1 研究區(qū)概況

1.1 項目區(qū)位置

門頭溝區(qū)屬于北京市遠郊區(qū)，地處北京市西南部，位于東經(jīng)115°25′00″～116°10′07″、北緯39°48′34″～40°10′37″之間。門頭溝區(qū)龍泉鎮(zhèn)煤矸石山植被恢復(fù)及景觀建設(shè)工程涉及的三處煤矸石山位于門頭溝區(qū)龍泉鎮(zhèn)范圍內(nèi)。龍泉鎮(zhèn)處在門頭溝新城(簡稱“門城”)地區(qū)的西北部，九龍山下。門頭溝區(qū)在新城規(guī)劃中將龍泉鎮(zhèn)劃為新城建設(shè)區(qū)。

門頭溝區(qū)龍泉鎮(zhèn)煤矸石山植被恢復(fù)及景觀建設(shè)工程已于2012年底建設(shè)完成，將堆積了300余萬m3的三處煤矸石山改造成為集居民休閑、健身、娛樂、避險為一體的遺址公園，實現(xiàn)綠化面積28.93 hm2，栽種了各類喬灌木約6.4萬株。

項目涉及的三處煤矸石山分布在九龍山山腳與門頭溝路之間，呈東北—西南走向分布。最東邊為東龍門矸石山，東龍門矸石山的東面為向陽街，南面正對增裕路，延伸至城區(qū)南部；最西邊為滑石道矸石山，滑石道矸石山的東南面為居住小區(qū)；東北偏北方向為石港矸石山，矸石撒落在九龍山腳上部被破壞的坡面上，形成了煤矸石山。

本試驗地設(shè)在滑石道矸石山的平臺上?；理肥浇ㄔO(shè)面積約為46.33 hm2，背靠九龍山，南側(cè)有東西走向的門頭溝路，東、南兩側(cè)居民區(qū)較多。矸石山由東、西兩座并列的山體組成，中間隔一道山谷，兩座山體南北兩側(cè)均有道路相連。

1.2 地形地貌

項目涉及的三處煤矸石山坡腳下部地形復(fù)雜，居民區(qū)不斷由平地向南坡擴展，形成一個個臺地。東龍門矸石山大體上為圓錐狀，矸石山的北坡已被破壞，矸石山下有平臺，矸石山相對高度為70 m；滑石道矸石山由東西兩座并列的山體組成，中間隔一道山谷，兩座山體南北兩側(cè)均有道路相連，東部矸石山基本保存圓錐狀，相對高度39 m，平均坡度為40°～45°，西部矸石山相對高度94 m，由多層相互交錯的矸石堆組成，坡度均在30°～45°之間，并有部分平臺；石港矸石山處于九龍山遭到破壞的坡面上，地貌分為東西兩部分，西部為煤矸石堆放地，煤矸石堆放在山坡上，相對高度為97 m，坡度為40°～45°，地面有房屋建筑和兩座磚窯。

1.3 土壤、植被情況

項目區(qū)處在低山丘陵區(qū)，周邊土壤為山地淋溶褐土、碳酸鹽褐土。矸石山礫石較多，沒有土壤。

項目區(qū)周邊植被，喬木有山杏、臭椿、榆樹等，灌木有荊條、酸棗等，草本以白草、狗尾草為主。

1.4 水文情況

龍泉鎮(zhèn)東部有永定河，南部有一條從西部山區(qū)流向東部永定河的排洪水渠，除雨季外其他季節(jié)均干涸無水。故項目區(qū)不能借助該兩處自然水源用于植被恢復(fù)工程，需打井解決水源問題。

1.5 氣象情況

龍泉鎮(zhèn)屬于門頭溝區(qū)新區(qū)，氣候?qū)僦芯暥却箨懶约撅L氣候，春季干旱多風，夏季炎熱少雨，秋季涼爽濕潤，冬季寒冷干燥。年平均氣溫11.7 ℃，極溫最高為40.2 ℃、最低為-19.5 ℃，冬季漫長，達169 d。春秋境內(nèi)風霜頻繁，平均風速2.7 m/s，8級以上大風年均21次，無霜期200 d左右，年均日照時數(shù)2 470 h，多年平均降水量500 mm，年際變化大。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗材料

本試驗主要選取了2010年在門頭溝區(qū)龍泉鎮(zhèn)三處廢棄煤矸石山上種植的荊條、紫葉小檗、千頭椿、珍珠梅、丁香、檸條、白蠟樹、黃櫨、油松、元寶楓10種抗逆性強的適生樹種作為供試材料，栽植時的苗木規(guī)格見表1。

植被恢復(fù)前期，采取削坡、修建格賓擋墻和土工格室、敷設(shè)管線等工程措施對矸石山進行了整治。由于煤矸石山的矸石風化不完全，顆粒較粗，結(jié)構(gòu)松散，不保水肥，土地貧瘠，因此為保證植物成活，進行了客土改良，客土厚度為40 cm。

表1 10種木本植物苗木規(guī)格

2.2 試驗方法

在滑石道矸石山上測量出1.5 hm2的地塊作為試驗區(qū)域。供試的10種植物，每種選取10株進行相關(guān)試驗。分別于2012年9月和2013年10月在野外測定10種植物的株高、冠幅及地徑并記錄，計算其年生長量。根據(jù)當時的栽植表，結(jié)合實際統(tǒng)計苗木的成活率。2013年9月采集10種植物的葉片，裝在冰壺中，帶回室內(nèi)進行生理指標測定。生理指標的測定主要采用分光光度法、氮藍四唑(NBT)光化還原法[5]和高錳酸鉀滴定法[6]。

2.2.1 生長指標測定

在野外統(tǒng)計10種植物的成活率，測定10種植物的株高、地徑和冠幅年生長量情況，并記錄。

2.2.2 葉綠素含量測定

高等植物體內(nèi)有葉綠素a和葉綠素b兩種葉綠素，二者均易溶于乙醇、乙醚、丙酮和氯仿。本試驗利用分光光度法測定10種植物體中葉綠素的含量。

稱取一定量的植物葉片，首先將葉片表面的污物清理干凈，并去除葉片的中脈，然后剪碎待用。

量取2 g剪碎的葉片，將剪碎的葉片及少量石英砂、碳酸鈣粉、3 mL的95%乙醇一同放入研缽中，仔細研磨制成勻漿；再將10 mL乙醇加在勻漿中并繼續(xù)研磨到組織變白時為止。然后靜置于桌面三五分鐘。

取1張濾紙，放在漏斗中，然后用乙醇浸濕濾紙。將提取液沿玻璃棒緩慢倒入漏斗中，再將濾液倒至100 mL容量瓶中；最后對研缽、玻璃棒及殘渣用少量乙醇反復(fù)沖洗，一起倒入漏斗中。

吸取少量乙醇，慢慢沖洗濾紙上殘留的葉綠體色素至容量瓶中，直到將濾紙沖洗干凈時停止。最后用乙醇定容至100 mL，搖勻待用。

稱取上述葉綠體色素的提取液，分別在不同的波長下測定其吸光度，用95%乙醇作為空白進行對照試驗。

分別計算10種植物體中葉綠素a、葉綠素b及總?cè)~綠素的含量，并記錄。

2.2.3 酶活性測定

(1)提取酶液。稱取新鮮植物葉片0.5 g，放在研缽中，將1 mL磷酸緩沖液(pH值=7.8，0.05 mol/L)加入研缽中，將研缽置于冰浴中進行研磨，然后再在研缽中加入4 mL磷酸緩沖液，最后將研磨液慢慢移入離心管中，等待平衡。在0～4 °C低溫環(huán)境下進行離心20 min，轉(zhuǎn)速12 000 r/min，然后冷藏保存。

(2)SOD活性測定。取1支試管，用滴管量取上清液0.02 mL加入其中；再準備2支試管作為對照試管，在其中也加入0.02 mL的緩沖液；然后在3支試管中均加入3 mL的反應(yīng)液。分別將1支對照的試管放在黑暗中，另外2支試管置于4 000 lx日光燈下反應(yīng)20～30 min(若溫度高則可減少反應(yīng)時間，溫度低則應(yīng)延長反應(yīng)時間)，最后對比3支試管中反應(yīng)液的顏色。

(3)CAT活性測定。稱取0.03 mL上清液加入比色杯中，對照加磷酸0.03 mL，加反應(yīng)液3 mL，然后在240 nm波長的環(huán)境下馬上讀一下數(shù)值。每間隔1 min讀取并記錄數(shù)值。

2.2.4 綜合評價

在植物適應(yīng)性評價中，隸屬函數(shù)法是一種較為常用的對植物適應(yīng)性多個測定指標進行全面性的、綜合性的分析與評價的方法，其評價結(jié)果較為準確、可靠[7]。因此，本試驗利用隸屬函數(shù)值法，對10種植物的生長、生理適應(yīng)性指標進行綜合分析，確定植物的適應(yīng)能力[8]。計算公式為

若為負值，則采用反隸屬函數(shù)，計算方法為

式中：Zij為i樹種j指標的隸屬函數(shù)值；Xij為i樹種j指標的測定值；Ximin、Ximax分別為i樹種指標最小值、最大值。

3 結(jié)果與分析

3.1 成活率調(diào)查

從表2可以看出：試驗中的10種植物，千頭椿和元寶楓的成活率在80%以上，表明在煤礦廢棄地環(huán)境中這兩種植物能較快適應(yīng)并生長；珍珠梅的成活率最低，僅為24.6%；另外7種植物的成活率均在60%～80%之間，說明這些植物也比較適宜在煤礦廢棄地的環(huán)境中生長。

表2 10種植物生長指標測定值

注：同列數(shù)據(jù)后不同字母表示相互間差異極顯著(0.01水平)，下同。

3.2 生長適應(yīng)性表現(xiàn)

從表2可以看出，10種植物的株高年生長量在0.50～8.36 cm之間。其中：株高年生長量最大的是荊條，為8.36 cm，極顯著高于其他9種植物；紫葉小檗、千頭椿和丁香的株高年生長量較高，均在3 cm以上，極顯著高于其余6種植物；元寶楓和油松的株高年生長量均在2 cm以上，極顯著高于白蠟樹、黃櫨、珍珠梅、檸條；黃櫨及檸條株高年生長量極顯著低于其他的8種植物。

10種植物的地徑年生長量在0～1.15 cm之間。其中：紫葉小檗的地徑年生長量最大，為1.15 cm；紫葉小檗、千頭椿、白蠟樹、黃櫨地徑年生長量極顯著高于其他6種植物；元寶楓、珍珠梅、檸條次之，地徑年生長量極顯著高于荊條、丁香、油松；油松基本沒有增長。

10種植物的冠幅年生長量在2.33～10.18 cm之間。其中：荊條的年生長量最大，為10.18 cm，千頭椿和珍珠梅的年生長量較大，均在9 cm以上，此3種植物冠幅年生長量極顯著高于其他7種植物；其次為丁香，冠幅年生長量為5.30 cm，極顯著高于其余6種植物；再次為紫葉小檗，冠幅年生長量為3.35 cm，極顯著高于油松、白蠟樹、元寶楓、檸條；檸條冠幅年生長量最低，為2.33 cm。

3.3 生理適應(yīng)性表現(xiàn)

植物的生理功能直接影響其生長表現(xiàn)。10種植物的生理指標(葉綠素含量、SOD和CAT活性)測定值見表3。

3.3.1 葉綠素含量

葉綠素是一類與光合作用有關(guān)的最重要的色素，是反映葉片生理狀態(tài)的重要指標，其含量的變化與植物的生長、抗逆性有密切關(guān)系。從表3中可以看出，10種植物總?cè)~綠素含量在0.25～1.49 mg/g之間，在1.0 mg/g以上的植物從大到小依次為：檸條、荊條、千頭椿、元寶楓，其余植物的總?cè)~綠素含量在1.0 mg/g以下?？?cè)~綠素含量最大的植物是檸條，為1.49 mg/g，極顯著高于其他9種植物；其次為荊條，總?cè)~綠素含量1.15 mg/g，極顯著高于其余8種植物；再次為千頭椿和元寶楓，極顯著高于剩下的6種植物；白蠟樹總?cè)~綠素含量最低，為0.25 mg/g，極顯著低于其他9種植物。10種植物中葉綠素a與葉綠素b的比值都在2.0以上，表明這些樹種易于在光照充足、干旱的環(huán)境中生長。

表3 10種植物葉綠素含量和酶活性測定值

3.3.2 SOD和CAT活性

SOD和CAT均是植物體內(nèi)的主要抗氧化酶。SOD是活性氧清除反應(yīng)過程中第一個發(fā)揮作用的抗氧化酶。CAT普遍存在于植物的所有組織中，其功能是催化細胞內(nèi)過氧化氫的分解?；钚愿?，表明其抗氧化能力強，在逆境中，保護膜結(jié)構(gòu)完整，證明植物具有較強的生命力。

從表3中可以看出，10種植物的SOD含量在34.79～239.01 U/g之間。其中：珍珠梅SOD活性最高，為239.01 U/g，極顯著高于其他9種植物；荊條SOD活性次之，為223.87 U/g，極顯著高于其余8種植物；之后依次為丁香、黃櫨及元寶楓，SOD活性均在100 U/g以上，極顯著高于剩下的5種植物；白蠟樹SOD活性最低，僅為34.79 U/g，極顯著低于其他9種植物。

10種植物的CAT含量在0.07～0.66 mg/(g·min)之間。其中：千頭椿CAT活性最高，為0.66 mg/(g·min)，極顯著高于其他9種植物；荊條CAT活性次之，為0.47 mg/(g·min)，極顯著高于其余8種植物；再次為白蠟樹，其CAT活性為0.13 mg/(g·min)，極顯著高于剩下的7種植物。

3.4 生長與生理適應(yīng)性綜合評價

利用隸屬函數(shù)法，計算出10種植物的隸屬函數(shù)值，并算出平均值。對10種植物的均值進行排序，均值越大表明其適應(yīng)性越強，詳見表4。

表4 10種植物綜合評價值

從表4中可以看出：供試的10種植物中，荊條和千頭椿的隸屬函數(shù)值均值較大，分別為0.92和0.84，說明這兩種植物對煤礦廢棄地環(huán)境的適應(yīng)性較強，在進行礦區(qū)廢棄地植被恢復(fù)中可將此類植物作為先鋒樹種利用；元寶楓、紫葉小檗、珍珠梅、檸條的隸屬函數(shù)值均值均在0.4以上，表明此類植物也較適應(yīng)煤礦廢棄地環(huán)境，可用來豐富礦區(qū)廢棄地環(huán)境的樹種多樣性和景觀多樣性。

4 結(jié)論和討論

4.1 結(jié) 論

北京礦產(chǎn)資源的開采形成了大量的裸露山體和廢棄礦場，對礦區(qū)的自然景觀及生態(tài)環(huán)境造成了嚴重破壞，并帶來了一系列的社會和經(jīng)濟問題。門頭溝區(qū)龍泉鎮(zhèn)煤矸石山植被恢復(fù)及景觀建設(shè)工程是在生態(tài)恢復(fù)的基礎(chǔ)上，建設(shè)城市休閑健身公園。

本試驗選取了10種植物，通過測定株高、地徑、冠幅的年生長量等生長指標和葉綠素含量、SOD活性、CAT活性等生理指標，進行綜合分析評價，篩選出了適宜在煤礦廢棄地生長的先鋒樹種及景觀樹種，為礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)樹種選擇提供了科學依據(jù)。

研究結(jié)果表明：不同樹種的年生長量(株高、冠幅、地徑等)和生理指標(葉綠素含量、SOD和CAT活性)均呈現(xiàn)出極顯著的差異。通過對10種植物的隸屬函數(shù)值均值進行排序，可知荊條和千頭椿的生長適應(yīng)性較強，在煤礦廢棄地植被恢復(fù)中可將其作為先鋒樹種；元寶楓、紫葉小檗、檸條和珍珠梅也較適應(yīng)煤礦廢棄地環(huán)境，可用來豐富礦區(qū)廢棄地生態(tài)恢復(fù)中樹種的多樣性，提高礦區(qū)廢棄地的自然景觀效果。

4.2 討 論

在后續(xù)廢棄礦山治理過程中還應(yīng)做到以下幾個方面：

(1)加強礦山廢棄地上樹種生長狀況的研究，在試驗的基礎(chǔ)上不斷增加物種引入的數(shù)量，選取更多的生理生化指標并結(jié)合生長指標，對樹種適應(yīng)性進行系統(tǒng)性、全面性的綜合評價，從而提高研究結(jié)果的科學性和準確性，為礦區(qū)廢棄地的生態(tài)重建篩選出更多適生樹種和景觀樹種。

(2)加強對恢復(fù)植被的撫育管理，使其能長期發(fā)揮穩(wěn)定的生態(tài)效益。

(3)充分利用礦區(qū)廢棄地生態(tài)修復(fù)后形成的林木景觀資源、土地資源，加大生態(tài)旅游、種養(yǎng)殖業(yè)、休閑公園等后續(xù)產(chǎn)業(yè)的開發(fā)利用，并形成產(chǎn)業(yè)鏈，以更好地帶動地區(qū)經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。

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(責任編輯 徐素霞)

S157.2

A

1000-0941(2017)10-0021-05

侯巍(1981—)，男，吉林九臺市人，工程師，主要從事水影響評價、水土保持方案編制和監(jiān)測工作。

2017-05-15