礦區(qū)植被恢復(fù)研究進展與展望

史鵬莉，劉艷萍，楊振奇，郭建英，劉海龍

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 沙漠治理學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018；2.中國水利水電科學(xué)研究院內(nèi)蒙古陰山北麓荒漠草原生態(tài)水文野外科學(xué)觀測研究站，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010038；3.鄂爾多斯市固體廢物與土壤生態(tài)環(huán)境技術(shù)中心，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)

1 引言

我國“富煤、少氣、貧油”的國情特點決定了煤炭在很長一段時間內(nèi)的主體能源地位[1]。我國大多數(shù)礦區(qū)具有結(jié)構(gòu)簡單、埋藏淺、易于開采、儲存資源量大等特點，十分有利于整裝開發(fā)、規(guī)模化開采。但礦區(qū)在開采過程中對大量棄土棄渣進行處理時產(chǎn)生了排土場，這些排土場如果不進行生態(tài)恢復(fù)，則會受到風(fēng)蝕和水蝕，產(chǎn)生沙塵暴和水土流失等一系列環(huán)境問題，不僅損害了當?shù)氐木坝^格局、生態(tài)系統(tǒng)，且對的社會經(jīng)濟產(chǎn)生不利的影響[2]。因此，進一步協(xié)調(diào)能源經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護是各地能源發(fā)展過程中突出的問題之一。

植被修復(fù)是按照生態(tài)學(xué)規(guī)律，利用植物自然演替、人工播種或兩者兼顧，使受到人類破壞、污染或自然毀損而產(chǎn)生的生態(tài)脆弱區(qū)重新建立植物群落并恢復(fù)生態(tài)功能的技術(shù)領(lǐng)域[3]。礦區(qū)植被修復(fù)可有效改良土壤理化性質(zhì)，微生物環(huán)境，恢復(fù)礦區(qū)景觀，促進經(jīng)濟發(fā)展、生態(tài)建設(shè)與人類生活的協(xié)調(diào)和可持續(xù)發(fā)展。目前尚未有綜述類的文章對這一研究內(nèi)容文獻發(fā)表動態(tài)和熱點關(guān)鍵詞進行分析整理。筆者基于CNKI數(shù)據(jù)庫借助CiteSpace[4]軟件，對1994年以來礦區(qū)植被恢復(fù)研究內(nèi)容進行計量分析，系統(tǒng)梳理了研究進展并討論了當前及未來重點研究的領(lǐng)域和方向，為礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)提供參考依據(jù)。

2 數(shù)據(jù)與方法

CNKI是獲取學(xué)術(shù)信息的重要平臺。本研究數(shù)據(jù)來源于CNKI核心合集，文獻檢索條件為：主題=“礦區(qū)排土場植被恢復(fù)”，搜索到文獻372篇(1994～2020年)。刪除會議報告、科技成果等一些無效文章，總計272篇。根據(jù)CiteSpace要求文獻格式對目標文獻進行導(dǎo)出并轉(zhuǎn)碼，導(dǎo)出本文研究樣本數(shù)據(jù)庫進行分析。

應(yīng)用數(shù)據(jù)庫分析功能和CiteSpace軟件對1994～2020年礦區(qū)排土場植被恢復(fù)領(lǐng)域研究文獻進行計量分析，揭示研究領(lǐng)域熱點關(guān)鍵詞語、突發(fā)熱點關(guān)鍵詞，熱點關(guān)鍵詞時序圖譜。在Excel中統(tǒng)計文獻年度發(fā)表量繪制文獻發(fā)表動態(tài)(圖1)。

3 文獻計量結(jié)果

3.1 文獻發(fā)表動態(tài)

分析文獻產(chǎn)出趨勢圖(圖1)可以明顯看出在研究初期文獻產(chǎn)出數(shù)量比較少，隨著時間推移文獻數(shù)量整體呈上升趨勢，特別是在2011年以后，整體有大幅度的上升。在2015年文獻產(chǎn)出量達到最大，由此說明近10年來對于礦區(qū)植被恢復(fù)的問題已受到廣泛關(guān)注。

3.2 熱點關(guān)鍵詞

表1根據(jù)關(guān)鍵詞屬性篩選出與植被恢復(fù)研究區(qū)域、研究方法、影響因素、研究內(nèi)容等相關(guān)熱點關(guān)鍵詞。之后對熱點關(guān)鍵詞進行“Citation /Frequency Burst”檢測，得出1994～2020年礦區(qū)植被恢復(fù)研究突發(fā)性關(guān)鍵詞(圖2)，依此進一步分析關(guān)于礦區(qū)植被恢復(fù)研究熱點的趨勢變化。

圖1 1994～2020年研究文獻產(chǎn)出趨勢

表1表明黃土區(qū)、錫林郭勒草原區(qū)、鄂爾多斯等地區(qū)是研究問題涉及的主要區(qū)域，并且由圖2看出，黃土區(qū)2015～2016年熱度突然大幅增加，可能是因為該區(qū)煤炭資源豐富且易開采，如平朔露天煤礦、神府煤田等，在開采過程中嚴重破壞了土壤質(zhì)量、植被生長等，并結(jié)合“青山綠水就是金山銀山”理念，因此該年段黃土區(qū)得到了諸多學(xué)者的關(guān)注。在研究方法中，學(xué)者利用傳統(tǒng)的實地勘測與現(xiàn)代化的信息技術(shù)融合使研究內(nèi)容變得更加準確與形象化，今后利用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)解決研究問題也是學(xué)術(shù)界發(fā)展的大趨勢。結(jié)合圖2可以看到近幾年土壤理化性質(zhì)、復(fù)墾植被、土壤酶的活性受到了極高的關(guān)注度?？赡苁且驗檠芯砍跗诖蠹疑形搓P(guān)注到植被恢復(fù)與微生物研究問題，但是隨著研究領(lǐng)域發(fā)展成熟，學(xué)者們注意到了植被恢復(fù)—土壤—微生物互相作用體系，因此植被恢復(fù)與土壤微生物作用也受到諸多學(xué)者關(guān)注。在閱讀相關(guān)文獻[5, 6]中也證實了該點。預(yù)測在近幾年植被恢復(fù)與微生物的作用將會一直處于熱點研究話題中。

表1 1994～2020年礦區(qū)植被恢復(fù)研究熱點關(guān)鍵詞

圖2 1994～2020年礦區(qū)植被恢復(fù)研究突發(fā)性關(guān)鍵詞

關(guān)鍵詞時序圖可用來反映某一研究主題隨時間變化的主要研究內(nèi)容，也能夠在一定程度上反映某一時間段內(nèi)的研究趨勢[7]。因此運行CiteSpace，在關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析基礎(chǔ)上，按時間片段生成關(guān)鍵詞時序圖譜(圖3)。

由圖3可得到：不同時期關(guān)于礦區(qū)植被恢復(fù)關(guān)注重點不同，依此可以將我國礦區(qū)植被恢復(fù)研究的演變劃分為初步探索時期、基礎(chǔ)發(fā)展時期、發(fā)展研究階段和快速發(fā)展階段4個時期，以充分了解礦區(qū)植被恢復(fù)研究的各個發(fā)展階段。

(1)初步探索時期(20世紀90年代初至2001年)：20世紀90年代我國正處于發(fā)展的初級階段，人類還沒有對資源進行大量的開采，環(huán)境未得到嚴重破壞，因此學(xué)者們對排土場植被恢復(fù)研究較少且未系統(tǒng)化。

(2)基礎(chǔ)發(fā)展時期(2001～2010年)：隨著經(jīng)濟的發(fā)展，人類對于資源的需求量加大因此進行大量的開采，但是由于國家監(jiān)管力度低且人類環(huán)境保護意識落后，使煤炭處在不斷消耗階段，導(dǎo)致大量的環(huán)境問題，只有部分學(xué)者開展了少量研究。

(3)發(fā)展研究階段(2010～2016年)：在“十二五”規(guī)劃中，煤炭業(yè)進入了“大整合”時期，要發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟，保護礦區(qū)生態(tài)環(huán)境。利用“3S”技術(shù)成為了礦區(qū)排土場科學(xué)研究的重要技術(shù)支撐，將GIS技術(shù)用于廢棄礦區(qū)復(fù)墾工程，通過遙感監(jiān)測礦區(qū)植被覆蓋度，大大減少了野外調(diào)查工作量且直觀反映復(fù)墾效果，在科技進步的基礎(chǔ)上，將傳統(tǒng)的實地勘測與遙感影像融合，使礦區(qū)植被恢復(fù)研究得到了大幅度發(fā)展。

(4)快速發(fā)展階段(2016年至今)：礦區(qū)植被恢復(fù)研究日益成熟，對于植被恢復(fù)對土壤物理、化學(xué)、生物的影響一直是研究的重要方向，隨著近幾年的發(fā)展，有許多學(xué)者關(guān)注了更細化的研究方向，如礦區(qū)植被恢復(fù)下灌水的調(diào)控、微地形的重塑、對土壤微生物、土壤酶活性等影響。

圖3 1994～2020礦區(qū)排土場植被恢復(fù)關(guān)鍵詞時序圖譜

4 研究進展

對可視化結(jié)果進行深入分析，結(jié)果表明礦區(qū)排土場植被恢復(fù)研究主要聚焦于以下幾方面，作者對相關(guān)內(nèi)容進行闡述。

4.1 礦區(qū)植被修復(fù)技術(shù)

植被恢復(fù)后對整個礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性及修復(fù)區(qū)土壤均具有重要影響[8]。當前平臺通常采用喬、灌、草相結(jié)合的生態(tài)防護技術(shù)進行修復(fù)，坡面通常采用灌木、草相結(jié)合的生態(tài)防護技術(shù)進行修復(fù)。其中，喬木通常選擇刺槐、榆樹、油松等樹種，灌木通常選擇火炬樹、紫穗槐、胡枝子、荊條等，草本通常選擇耐貧瘠的紫花苜蓿、黑麥草等[9, 10]?；诳梢暬治鼋Y(jié)果，重點闡述了草原區(qū)、黃土區(qū)、高寒區(qū)主要植被恢復(fù)技術(shù)(表2)。

草原礦區(qū)的開采嚴重破壞了草原生態(tài)系統(tǒng)。邵田田等[11]對多種植被恢復(fù)技術(shù)進行分析，結(jié)果表明生物笆+人工混合播種植被生長狀態(tài)最佳，并指出豆科小葉錦雞兒與檸條錦雞兒是草原礦區(qū)不可缺少的植物種。曲翰霆等[12]對植被接不接菌進行對比分析，結(jié)果表明檸條單作對排土場恢復(fù)鄉(xiāng)土植被有明顯的促進作用，接不接菌對植被恢復(fù)效果無顯著差異，主要影響土壤真菌數(shù)量。

黃土礦區(qū)屬于生態(tài)脆弱區(qū)，是我國重要的煤炭生產(chǎn)基地。礦物開墾使土壤結(jié)構(gòu)得到更嚴重的破壞。張旭生等[13]研究納米鐵對4種植被恢復(fù)模式下土壤理化性質(zhì)與酶的影響，結(jié)果表明納米鐵對4種植被恢復(fù)模式下的堿性磷酸酶活性有不同程度促進作用，王尚義等[14]對4種不同植被恢復(fù)模式進行比較，認為應(yīng)該用草、灌、喬相結(jié)合的模式。

在高寒礦區(qū)，由于高寒地區(qū)的高原、高寒、高海拔，并且存在大量的凍土，在礦區(qū)修復(fù)中許多植物種的選擇、關(guān)鍵修復(fù)技術(shù)得到限制。大量專家學(xué)者們展開研究，王佟等[15]針對青海木里煤田提出水系連通、引水代填、關(guān)鍵層再造以及依山就勢4種具有高原高寒特色的生態(tài)修復(fù)重點治理模式，并表明可將土壤重構(gòu)與植被恢復(fù)技術(shù)結(jié)合。高志香等[16]、楊鑫光[17]指出覆土與不覆土不是植被恢復(fù)的關(guān)鍵措施，并提出可以施加有機肥或化肥代替覆土，已達到植被恢復(fù)的最佳效果。在適當?shù)臅r候覆蓋無紡布，提高植被恢復(fù)效果。

礦區(qū)種類復(fù)雜多樣，地理位置分布范圍廣。由于部分礦區(qū)分布位置特殊，需要特殊考慮種植植被限制條件，上述重點闡述了幾個典型區(qū)域植被恢復(fù)技術(shù)。不同環(huán)境中復(fù)墾植物的選擇都應(yīng)遵循以下原則：①恢復(fù)初期，盡量多選擇生長周期短、對環(huán)境有較強的適應(yīng)性、植被抗逆性強，可快速適應(yīng)所處環(huán)境的植被；②生物多樣性可提高環(huán)境穩(wěn)定性，應(yīng)對多種植物類型進行不同組合種植;③氮元素是使植被生長所需的重要元素之一，應(yīng)優(yōu)先選擇具有較強固氮能力的植被；④優(yōu)先選擇優(yōu)良鄉(xiāng)土植被和建群植物，也可適度引進合適的外來植被；⑤應(yīng)將是否對土地復(fù)墾有積極作用作為選擇植被必要條件，之后在考慮價格與景觀效應(yīng)[18]。

表2 不同類型礦區(qū)植被恢復(fù)技術(shù)

4.2 植被恢復(fù)技術(shù)對礦區(qū)土壤的影響

4.2.1 植被恢復(fù)對土壤物理性質(zhì)的影響

土壤物理性質(zhì)直接影響著土壤質(zhì)量，成為制約植被生長狀況的因素之一。植被恢復(fù)可以改善土壤的物理性質(zhì)，兩者互相作用、互相影響。李霖等[19]采用植被-土壤耦合模型,綜合評價尾礦庫壩復(fù)墾地植被-土壤系統(tǒng)的耦合關(guān)系及其恢復(fù)質(zhì)量。趙佳琪等[20]對冀東礦區(qū)尾礦基質(zhì)粒徑研究表明：植被恢復(fù)改變了尾礦基質(zhì)粒徑組成，促進了尾礦基質(zhì)顆粒的細化，其中沙棘林對尾礦基質(zhì)粒徑組成的改良效果最好，0～30 cm土層黏粒、粉粒和極細砂粒含量、分形維數(shù)均大于裸尾礦樣地(P<0.05)。大量研究結(jié)果表明不同植被覆蓋對土壤水穩(wěn)性團聚體分布及其有機碳含量有顯著影響[21, 22]，黃石德等[23]對廢棄礦區(qū)在不同植被恢復(fù)階段下對水穩(wěn)性團聚體的影響做了分析，結(jié)果表明植被恢復(fù)可以提高土壤<0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量，隨著年限推移，不同徑級的團聚體有機碳含量均顯著增加。唐駿等[24]對土壤團聚體穩(wěn)定性進行分析，結(jié)果表明:植被恢復(fù)促進了排土場水穩(wěn)性團聚體的形成,平臺0～20 cm土層水穩(wěn)性大團聚體數(shù)量(R0.25)、平均重量直徑(MWD)和幾何平均直徑(GMD)均顯著高于裸地，分形維數(shù)(D)在平臺和邊坡均顯著低于裸地;不同植被類型對平臺土壤團聚結(jié)構(gòu)改良效果不同,草地對于平臺土壤團聚結(jié)構(gòu)改良效果較好。

4.2.2 植被恢復(fù)對土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

土壤是提供植物養(yǎng)分的基礎(chǔ)，植被吸收土壤養(yǎng)分用于生長，植物生長以后經(jīng)過生物量積累和腐化多土壤進行反饋，進一步改善土壤營養(yǎng)狀況。植物和土壤能夠相互作用、相互促進，這一現(xiàn)象在許多研究中均得以證實[25～27]。大多數(shù)學(xué)者均采用野外調(diào)查和室內(nèi)實驗相結(jié)合的方法，首先對不同分層土壤進行野外取樣，帶回實驗室進行土壤相關(guān)性質(zhì)的測量。多數(shù)學(xué)者[22, 28]研究結(jié)果均表明植被恢復(fù)使土壤孔隙度增加、使土壤養(yǎng)分增加，pH值減小，土壤養(yǎng)分的增加是由于微生物分解植被的枯落物將營養(yǎng)歸還給土壤。高志香等[29]進行不同覆土處理對高寒礦區(qū)露天煤礦排土場植被和土壤特征的影響研究，結(jié)果表明土壤養(yǎng)分中全氮、速效氮、速效鉀和有機質(zhì)對高寒煤礦區(qū)排土場植被生長狀況影響很大。并提出覆土和不覆土樣地植被特征和土壤理化性質(zhì)綜合指標差異顯著，可以通過施肥與追施化肥降低植被恢復(fù)的成本。原野[30]對黃土區(qū)碳氮組分特征及逆行研究結(jié)果表明：復(fù)墾土壤碳、氮組分之間呈正相關(guān)，但與全鉀呈現(xiàn)顯著負相關(guān)(P<0.05)。

4.2.3 植被恢復(fù)對土壤生物性質(zhì)的影響

土壤微生物生命周期短，其對土壤理化性質(zhì)任何微小變化和土壤壓力都非常敏感[31]。因此土壤微生物多樣性是衡量土壤復(fù)墾后質(zhì)量水平主要因素之一[13]。植被恢復(fù)對微生物的影響重點研究內(nèi)容集中于土壤微生物與土壤酶活性，并在關(guān)于土壤微生物的研究中，大多學(xué)者聚焦于植被恢復(fù)后土壤理化性質(zhì)與微生物相關(guān)性分析。郭洋楠等[32]通過對復(fù)墾植被土壤微生物多樣性及特征研究發(fā)現(xiàn)：放線菌數(shù)量與中性磷酸酶、過氧化氫酶呈顯著正相關(guān)(P<0.05)。陳璐等[33]在研究植被恢復(fù)對土壤線蟲群落結(jié)構(gòu)及區(qū)系的影響中表明：人工恢復(fù)植被土壤線蟲數(shù)量顯著高于自然植被恢復(fù)，線蟲數(shù)量與土壤有機碳、植物種類和數(shù)量呈正相關(guān)，與土壤pH值、速效鉀、堿解氮含量呈負相關(guān)。孫夢媛等[5]發(fā)現(xiàn)，復(fù)墾樣地土壤酶活性和微生物量均比未復(fù)墾樣地顯著增加(顯著性水平P<0.05)。李智蘭[34]研究表明，礦區(qū)土壤蔗糖酶、脫氫酶、脲酶、堿性磷酸酶活性和微生物數(shù)量均隨復(fù)墾年限的增加有所增加，并且細菌占到微生物總數(shù)的99.3%以上，張衛(wèi)熊等[35]在對甘南高寒草甸采礦活動及植被恢復(fù)方式對土壤有機質(zhì)和酶活性影響研究中表明：采礦活動會使土壤酶活性顯著下降，土壤有機質(zhì)與酶活性呈正相關(guān)關(guān)系。除脲酶活性外，其他酶活性在恢復(fù)樣地和未恢復(fù)樣地間并沒有顯著差異，該結(jié)論與大多學(xué)者[5, 36]研究有些沖突，可能是因為研究區(qū)的氣候因素使得動植物生長周期長及礦區(qū)微量元素含量偏高，而土壤pH偏高和微量元素較高的都會抑制土壤酶的活性。

5 存在的不足與研究展望

5.1 存在的不足

(1)隨著年份的推移，部分材料被雨水侵蝕，不僅結(jié)構(gòu)功能得到破壞而且對環(huán)境也造成污染。為后期土壤復(fù)墾工作帶來一定困難。

(2)單純的植被恢復(fù)技術(shù)對植被的生長、土壤改良效果并不顯著。大多數(shù)學(xué)者將灌溉、施肥等人工撫育措施與植被恢復(fù)措施綜合，目前，許多學(xué)者在研究中發(fā)現(xiàn)中度施肥有利于植被恢復(fù)，但是并沒有確定最適灌水量，如果灌水量太多，不僅造成水資源的浪費，還可能出現(xiàn)產(chǎn)沙產(chǎn)流現(xiàn)象，造成水土流失等環(huán)境問題。

(3)傳統(tǒng)植被恢復(fù)監(jiān)測手段耗費大量人力物力財力且監(jiān)測時間序列短。另外，現(xiàn)有測量土壤水分、養(yǎng)分的方法中，大多都將土樣帶回實驗室采用烘干法、傳統(tǒng)養(yǎng)分法測量，利用這些方法如果進行長時間序列監(jiān)測，工作量大且耗時長監(jiān)測數(shù)據(jù)也非常有限。

(4)缺乏植被—土壤—微生物三者深入耦合分析。目前對植被—土壤—微生物任何兩者之間的耦合關(guān)系有深入的分析，但對三者互相作用機制的深入研究比較少。在恢復(fù)過程中三者可能具有相互促進、相互抑制的作用，深入分析可能對后期應(yīng)用礦區(qū)恢復(fù)復(fù)合措施具有指導(dǎo)意義。

5.2 研究展望

基于上述闡述存在的研究不足，筆者認為還應(yīng)該從以下方面進行深入研究：

(1)將環(huán)境友好型、納米等新材料與植被恢復(fù)技術(shù)復(fù)合。納米Fe材料、叢枝菌根、PVC板材格構(gòu)錨桿梁等新型材料出現(xiàn)提高植被恢復(fù)效率，納米Fe可吸收土壤中的重金屬增加土壤微生物含量。PVC板材格構(gòu)錨桿梁耐酸、耐堿、施工方法簡便、便于后期維護，因此將新型材料與植被恢復(fù)技術(shù)復(fù)合，將可以作為下階段礦區(qū)植被恢復(fù)研究方向之一。

(2)利用高光譜遙感、無人機等技術(shù)對植被恢復(fù)效果進行監(jiān)測與土壤性質(zhì)測定。目前“3S”、無人機等技術(shù)逐漸發(fā)展成熟，但當前只有少部分研究人員將熱紅外，高光譜遙感應(yīng)用到植被恢復(fù)監(jiān)測中，部分學(xué)者利用微波遙感、星載 Hyperion高光譜影像數(shù)成功反演土壤含水量、土壤有機質(zhì)含量。因此利用高科技進行監(jiān)測和土壤性質(zhì)反演十分必要。

(3)明確草原礦區(qū)植被耗水特征，確定灌溉量閾值。干旱半干旱地區(qū)水資源匱乏，若在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上制定出雨養(yǎng)植被的方法，將非常有意義，但如果天然降水達不到植被所需用水量，確定最適灌溉量以滿足植物的生長需求，進一步提升植被恢復(fù)效果。

(4)植被—土壤—微生物之間相互作用，相互影響機制的研究。植被枯枝落葉經(jīng)過微生物的處理，將無機質(zhì)轉(zhuǎn)化為有機質(zhì)，使土壤養(yǎng)分增加。土壤含水量直接影響這植物生長狀況，植物根系根瘤細菌有固氮的作用。深入分析三者關(guān)系是下階段礦區(qū)植被恢復(fù)重點研究方向。