鄂西北地區(qū)礦山生態(tài)修復植被適應性研究

陳剛華，姚志龍，唐傳雄，何秀紅，魏新云，何東文

（湖北省地質(zhì)局第八地質(zhì)大隊，湖北 襄陽 441000）

工業(yè)革命以來，大量以礦產(chǎn)資源為主要生產(chǎn)資料的工廠層出不窮，在工業(yè)生產(chǎn)過程中占用了大量的森林以及居民用地。國外相比國內(nèi)較早展開有關于礦區(qū)生態(tài)修復方面的研究，Lasletf等人曾使用插值方法對比了幾種不同二維空間修復方法的精度，結果顯示，所有修復方法皆存在缺陷，但平滑樣條修復方法與克里金差值修復方法效果較好[1]?？死锝鸩钪敌迯头椒ㄑ菔玖松鷳B(tài)修復質(zhì)量指數(shù)在空間的表現(xiàn)，對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境破壞程度進行劃分處理，結合平滑樣條修復方式，結果顯示，礦區(qū)金屬污染對生態(tài)恢復存在一定的危害性。

本文提出鄂西北地區(qū)礦山生態(tài)修復植被適應性研究。依據(jù)遙感圖像信息表示的實際地物，對地物信息進行提取，采用機器學習法完成植被覆蓋數(shù)據(jù)的自動“學習”，結合現(xiàn)場調(diào)查等手段對不同植被覆蓋樣本進行獲取，更新礦區(qū)生態(tài)修復相關數(shù)據(jù)，了解植被在不同氣象、水文及環(huán)境地質(zhì)條件下的生長狀況。

1 礦山植被覆蓋信息獲取

湖北省鄂西北區(qū)域，主要指的是鄂西北是鄂與豫陜渝的毗鄰地區(qū)，斜倚于大巴山的余脈。主要指湖北省的十堰及襄陽兩市與神農(nóng)架林區(qū)。鄂西北屬于漢江中游地區(qū)，漢江貫穿整個區(qū)域。鄂西北地區(qū)幅員遼闊，人口近千萬。

通過對成像機理與遙感影像、遙感過程與遙感影像的關系分析，采用目視判讀標志法對不同的地物目標進行辨別，從而完成地物性狀的探索與推測[2]。遙感影像上各種地物都有其對應的影像特征，同時該特征也是目視判讀的地物識別依據(jù)，可以稱之為解譯標志，具有直接以及間接兩種標志方式。

遙感圖像分類就是屬性識別與劃分圖像信息，依據(jù)圖像信息表示的實際地物，提取地物信息。單波段中，同種地物圖像的灰度概率呈現(xiàn)正態(tài)分布，一個多維圖像的像素矢量可以抽象成多維空間內(nèi)一點，同一種地物的像素值緊密聚合，所構成的一個點群即為一個地物種類，且通常情況下，點群邊界會存在局部的疊加或交錯[3]。

因為依據(jù)圖像光譜特征完成影像分類有幾率存在盲目性，所以，要再處理一次分類結果。通過分類結果圖像即可導出向量文件，從而得到分類圖內(nèi)向量信息，創(chuàng)建屬性數(shù)據(jù)庫，以適用于地理信息系統(tǒng)，按照量化形式研究土地覆蓋情況。其中，屬性數(shù)據(jù)庫里含有土地編碼、種類、坐標、周長以及面積信息。

本文采用機器學習法完成植被覆蓋數(shù)據(jù)的自動“學習”，現(xiàn)階段的機器學習方法主要包括支持向量機、決策樹、人工神經(jīng)網(wǎng)絡等。而支持向量機在自動學習方面表現(xiàn)出了較好的靈活性，因此此處采用該方法對礦區(qū)土地覆蓋數(shù)據(jù)進行預處理，實現(xiàn)系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的自動化學習。則高維空間內(nèi)的回歸函數(shù)可以表示為：

式（1）中，ω、φ(x )分別表示維向量，b表示偏置量。

若數(shù)據(jù)的訓練集為{xk,yk;k=1,2,...,n}，采用優(yōu)化問題求解方式求解函數(shù)，數(shù)學模型表述方式如下所示：

引入核函數(shù)后，式（2）的對偶表達式可以表示為：

對式（3）進行求解，獲取非線性函數(shù)回歸方式：

為提高礦區(qū)植被覆蓋信息獲取可靠程度，通過遺傳算法對支持向量機進行優(yōu)化，具體優(yōu)化步驟如下所示：

步驟1選擇所要學習與驗證的數(shù)據(jù)樣本集合M，并且選擇其中的前組樣本作為算法下一步的學習樣本。

步驟2設迭代次數(shù)為p，若初始值為零，最大迭代次數(shù)為pmax，最大適應值為emax，標定遺傳算法的變異、交叉概率以及參數(shù)取值。形成初始種群后，通過式（2）～式（5）構建的優(yōu)化模型，并對步驟1選擇的驗證樣本進行預測，其適應值可以表示為：

步驟3令p=p+1，通過各個個體的不同適應度值選出最優(yōu)個體，隨后使用交叉概率的方法完成均勻交叉操作獲得新個體，然后使用變異概率完成變異操作獲得新種群，最后通過獲得不同樣本完成覆蓋數(shù)據(jù)的自動更新。

步驟4當?shù)螖?shù)p與個體的適應度值滿足約束條件，重復步驟3，更新生態(tài)樣本集，若二者的適應度值不滿足約束條件時，將最小適應度值作為最終結果。

2 某礦區(qū)生態(tài)綠化修復工程

2.1 地形地貌

地處構造剝蝕低山區(qū)與漢江河谷平原區(qū)過渡地帶。不穩(wěn)定高邊坡南部為丘陵區(qū)，屬荊山及大洪山余脈，山脈脊線近東西向延伸，與巖層走向、構造線展布方向基本一致，坡角一般為30°，區(qū)域內(nèi)最高點為扁山，海拔459.3m。山體主要由地表人工采石形成，山體平面近于直線型，垂向坡度較陡，近乎直立，局部坡度大于90°。

2.2 地層巖性

項目區(qū)出露地層主要為寒武系中統(tǒng)覃家廟組（∈2q）含泥砂質(zhì)白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r、泥灰?guī)r和寒武系下統(tǒng)天河板組（∈1t）泥質(zhì)條帶灰質(zhì)白云巖，以及第四系人工填土（Qml）和含碎石粉質(zhì)粘土（Q2）。

2.3 地質(zhì)構造

采石場在區(qū)域上地處揚子地臺北緣與南秦嶺—淮陽褶皺帶結合部位。以揚子地臺北緣斷裂為界，北部屬于襄棗斷陷部分，南部屬于大洪山臺褶束部分。場地處襄樊—廣濟斷裂南側，北與南襄盆地相接，山體由構造級別很低的向斜和背斜構成，向斜構造位于山頂，背斜構造橫貫北坡上部，屬于歪斜不協(xié)調(diào)褶曲，褶皺軸近東西向延伸，向西傾伏。背斜樞紐走向299°，傾角24°，軸面傾向NNE，傾角70°～80°，背斜的南翼較短，地層產(chǎn)狀變化大，東端傾角20°，西端傾角80°～88°。而北翼地層產(chǎn)狀較緩，巖層總體傾向350°，傾角30°～40°。

2.4 生態(tài)修復區(qū)域自然條件

礦區(qū)山體主要由地表人工采石形成，山體平面近于直線型，垂向坡度較陡，近乎直立，局部坡度大于90°。坡腳北部緊鄰居民區(qū)和南渠，海拔約70m，臨空面相對高差達69m。

2.5 生態(tài)修復措施

礦區(qū)生態(tài)修復工程范圍主要對裸露山體0m～200m段進行生態(tài)修復。生態(tài)修復坡面寬200m，綠化面積約6500m2。修復措施采用藤蔓植物攀爬的方式，通過對山體進行掛網(wǎng)+坡頂種植懸垂植物+坡腳種植攀緣植物進行坡面覆綠。

2.6 生態(tài)修復植被調(diào)查情況

礦區(qū)生態(tài)環(huán)境修復前的選用植物調(diào)查工作往往容易被忽視，而對植物或動物的調(diào)查，掌握礦區(qū)植物群落的屬性、特征及演替，都顯得尤為重要。植物調(diào)查主要內(nèi)容包括礦山及周邊地區(qū)的植被類型、分部、面積、覆蓋率、生長情況等，有無國家重點保護的或稀有的、受危害的野生植物，當?shù)氐闹饕鷳B(tài)系統(tǒng)類型（森林、草原、沼澤）及現(xiàn)狀，特別要調(diào)查當?shù)氐泥l(xiāng)土物種、優(yōu)勢植物品種。對存在的污染風險的金屬殘留植被、自然恢復植被等。調(diào)查工作可選擇若干地段進行調(diào)查，比如樣地法，是在植物群落中劃定一定面積的若干矩形樣方，對于不同高度不同坡向的選擇典型地段設置若干樣方。調(diào)查樣方內(nèi)植物的高度、蓋度、密度、生物量、利用部位生物量、物候期、生活力、生活型、冠徑等。

2.7 植物種類選擇

（1）鄉(xiāng)土植物能夠很好地適應當?shù)丨h(huán)境，是礦山修復的首選樹種。鄉(xiāng)土植物對本地區(qū)的自然條件最能適應性，最能抵御災難性氣候;另外，鄉(xiāng)土植物種苗易得，免除了到外地采購運輸之苦，還避免了外來病蟲害的傳播危害；鄉(xiāng)土植物的合理栽植，還體現(xiàn)了當?shù)氐牡胤斤L格。因此在選擇植物材料時最先考慮的就是鄉(xiāng)土植物。

圖1 修復工程平面布置圖

為了豐富植物種類，彌補當?shù)剜l(xiāng)土植物的不足，也不應排除優(yōu)良的外來放野生種類，但它們必須是經(jīng)過長期引種馴化，證明已經(jīng)適應當?shù)刈匀粭l件的種類，如原產(chǎn)國外的懸鈴木，刺槐、廣玉蘭、紫穗槐等。

（2）固氮植物也可作為礦山植物景觀設計的先鋒樹種。固氮植物具有較高的經(jīng)濟效益與生態(tài)效益。研究表明，固氮植物每年每1hm2可以固氮50kg～150kg。固氮植物主要包括：與根瘤菌共生的植物，刺槐屬、合歡屬、紫穗槐屬、錦雞兒屬、金合歡屬、胡枝子屬、大豆屬、豌豆屬、菜豆屬和苜蓿屬等；與弗蘭克氏菌共生的植物，楊梅屬、沙棘屬、胡頹子屬、赤楊屬、馬桑屬和木麻黃屬等；與藍藻類共生的植物，蘇鐵屬及少數(shù)古老物種。

（3）選擇適應性強、成活率高，對修復區(qū)環(huán)境有改善作用的植物。根據(jù)修復場區(qū)實際情況選擇適宜樹(草)種，一般應選擇適應性強、抗逆性強、成活率高、生長穩(wěn)定的植物，用于礦山園林綠化的常見樹種如:喬木類，松、柏、垂柳、刺槐等;灌木類，紫穗槐、紫薇、金銀花、紫葉小檗、杜鵑等，果林類，沙棗、杏、李、梅、山楂、桑樹、梨樹、葡萄等。

（4）選擇對修復區(qū)環(huán)境有一定改善作用的樹種。礦山在開采過程中會產(chǎn)生大量煙塵和有害氣體，因此，應選擇對SO2等有毒氣體具有吸收功能或者抗性較強的植物，以及能夠阻滯煙塵、保持水土、防風固沙的植物。礦山的種類也不局限石灰石礦、采石場等，有重金屬污染的礦山，應選擇金屬超富集與耐性植物。

2.8 修復成果

坡面掛網(wǎng)措施為坡面打設錨桿（錨釘），縱向和斜拉鍍鋅鋼絲繩，在山體表面形成爬藤植物攀爬網(wǎng)，便于藤蔓類植物纏繞攀附生長。坡頂布設種植池，種植觀賞性強，花期較長的懸垂類植物對坡頂中上部進行點綴美化。坡腳設置種植池，種植池內(nèi)換客土種植攀援植物和灌木，對坡體中下部進行綠化，通過植被修復措施，礦區(qū)植被覆蓋度達到90以上。

3 修復情況調(diào)查分析

根據(jù)前期現(xiàn)場調(diào)查情況，在生長條件一致的情況下，苗齡越長，生長的速率越快，為了較快達到復綠效果，盡量選擇苗嶺偏大者。本次選用的生態(tài)修復植被種類中包括油麻藤、紫藤、凌霄等。在相同生長環(huán)境下油麻藤生長速率最快，其適應性更強。選擇藤本植物時，應該先了解其攀附方式。

表1 不同藤本植物攀附方式

礦山邊坡可適用團粒噴播、植生槽栽植或者二者結合的方式。

礦區(qū)生態(tài)修復工作中，單一物種的生態(tài)系統(tǒng)過于脆弱，故需要考慮場區(qū)恢復后的生態(tài)多樣性。為此，在植物選擇過程中堅持選擇多種植物的組合形式，如將喬木、灌木、草本植物和藤本植物進行組合，營造適應性強的生態(tài)系統(tǒng)，以實現(xiàn)礦山的生態(tài)修復。修復植物選擇還應該堅持品種鄉(xiāng)土化、適應性強的原則，保證選擇的植物能夠適應本地的生態(tài)系統(tǒng)，如果盲目選擇將出現(xiàn)植物生長不良的情況，選擇的喬木類植物在鄂西北部分地區(qū)生態(tài)修復中已部分投入使用，此類植物適生于低山丘陵地帶，耐水濕，耐高溫，且生長速度較快。在現(xiàn)場巡查發(fā)現(xiàn)，上述植被物種成活率均較高。本區(qū)爬藤爬山虎為落葉，油麻藤為常綠，喬木濕地松、女貞為常綠，其中濕地松、女貞、楠樹為主要樹種。研究區(qū)覆土設計厚度為20cm，在實際施工工程中發(fā)現(xiàn)該厚度難以保證喬木的生存。因此在進行生態(tài)地修復時，要考慮沉實土壤厚度及肥力，以便留有一定余量，保證植物正常生長需要。

對實驗期間礦區(qū)植被覆蓋度優(yōu)化方法的植被覆蓋度增長情況進行觀察，修復后效果如圖所示。

圖2 礦山植被覆蓋情況

4 主要結論

礦山生態(tài)修復是對礦業(yè)廢棄地污染及生態(tài)環(huán)境進行修復，實現(xiàn)對土地資源的再次利用。為今后裸露山體復綠起到示范作用，為其它地區(qū)的山體復綠提供經(jīng)驗。

植被在生態(tài)修復中的效果與當?shù)刈匀粭l件、氣候、地質(zhì)情況關系密切，選擇合適的植被對礦區(qū)生態(tài)修復效果影響較大。在礦區(qū)修復工作中，需要著重強調(diào)植被生態(tài)修復搭配效果，從而滿足

依據(jù)遙感圖像信息表示的實際地物，對地物信息進行提取，采用機器學習法完成植被覆蓋數(shù)據(jù)的自動“學習”，對礦區(qū)植被覆蓋樣本進行獲取，更新礦區(qū)生態(tài)環(huán)境修復過程中植被的覆蓋數(shù)據(jù)。礦區(qū)植被種植后期的發(fā)展趨勢，還需進行長期觀察。在邊坡防護植物物種選擇中，本文僅僅選取了較為單一的植被護坡，未選取植被搭配的物種，根據(jù)邊坡植物防護研究的不斷深入，多種植物組合進行多種群植物邊坡防護是該科學發(fā)展的主流，有利于生物多樣性。因此，在適種試驗中，可組合搭配草種種植護坡，進一步深入研究植被護坡的多種可能性。植物適種是一個長期而漫長的過程，需要長時間的生長發(fā)育觀測，了解其全面的生物學特性及生理特性，本文的研究還停留在淺顯的部分，還需要更多、更全面的研究來進一步了解植被的屬性特性，進而為礦區(qū)生態(tài)修復工作提供理論支持。