巖石邊坡生態恢復研究綜述

鄒 蜜，李妍均，辜 彬

(1.重慶地質礦產研究院 外生成礦與礦山環境重慶市重點實驗室，重慶 400042；2.煤炭資源與安全開采國家重點實驗室重慶研究中心，重慶 400042；3.四川大學 生命科學學院，四川 成都610064)

?

巖石邊坡生態恢復研究綜述

鄒 蜜1,2，李妍均1,2，辜 彬3

(1.重慶地質礦產研究院 外生成礦與礦山環境重慶市重點實驗室，重慶 400042；2.煤炭資源與安全開采國家重點實驗室重慶研究中心，重慶 400042；3.四川大學 生命科學學院，四川 成都610064)

巖石邊坡；生態恢復；退化生態系統

隨著全球經濟的快速發展，大面積的自然生態系統發生了較為嚴重的退化，恢復生態學應運而生，成為當今全球生態學研究領域的熱點。各種基礎設施、城鄉交通道路的大規模建設形成了大量巖石裸露的邊坡，越來越多的國內外專家學者對這種極度退化的生態系統開展了生態恢復研究，取得了一系列的成果。通過明確巖石邊坡生態恢復的概念與原則，討論了巖石邊坡生態恢復的限制因子，總結了現有的研究成果，分析了國內研究的不足，并對巖石邊坡生態恢復研究的難點和發展趨勢進行了展望。

1 恢復生態學

隨著全球人口的持續增長，經濟的高速發展，人們對自然資源的過度開發與利用導致了各地的環境污染和植被破壞等多種問題，造成了生物多樣性的降低、生態功能的下降，全球大面積的自然生態系統發生了較為嚴重的退化。因此，如何恢復與重建退化的自然生態系統，成為各國可持續發展的焦點難題，恢復生態學應運而生。1985年，Aber和Jordan兩位英國學者提出了“恢復生態學(restoration ecology)”的概念[1]。從20世紀80年代開始，國內外的專家、學者們廣泛地開展了恢復生態學領域的研究與實踐，并定義恢復生態學是研究生態系統退化的原因，退化生態系統恢復與重建的理論、技術、方法及其生態學過程與機理的學科。同時恢復生態學也是一門復雜的系統工程。

作為生態學一個新的分支，恢復生態學與土壤學、環境學、生物學、林學、地學、農學等多個學科密切相連。它是運用生態學的基本原理，結合多學科的理論知識而發展起來的一門綜合性很強的學科。如今，恢復生態學研究已經成為全球生態學研究領域的熱點與焦點之一。

2 巖石邊坡的生態恢復

隨著我國經濟的高速發展，基礎設施、交通道路的大規模建設加大了對石料資源的開發利用，開山取石、采礦活動擾亂了山體原有的自然環境，形成了大量巖石裸露的邊坡。

2.1 巖石邊坡的特點

石料、礦藏的開采完全改變了山體的地質結構和地貌形態，破壞了自然生態系統，造成了景觀的破碎化。巖石邊坡坡面丟失了原有的植被和植物繁殖體，缺乏土壤基質的覆蓋[2]，立地條件十分惡劣；自上而下地開挖山體，大部分巖石邊坡未形成規則的階梯狀開采面[3]，導致巖石邊坡的坡度一般在40°以上，有的地方甚至存在反坡[4]，邊坡不穩定，容易引起泥石流等次生災害的發生。

2.2 巖石邊坡生態恢復的概念

巖石邊坡作為一種極度退化的生態系統，土壤極度貧瘠、理化結構差[1]，巖石的風化程度高，因而邊坡自然恢復的過程是十分緩慢的，通常需要50到100年的時間，尤其是土壤的恢復需要更多的時間——100至1萬年[5]。因此，為了盡快恢復邊坡的區域環境、還原邊坡景觀的完整性，必須對巖石邊坡進行生態恢復。

所謂恢復，就是改善和美化受損的景觀[6]，使一個系統的結構與功能恢復到受破壞、干擾之前那種相似或相同的狀態，最終能夠生成一個可以自我調節、自我恢復，具有一定生產力的生態系統[7]。生態恢復(ecological restoration)是指幫助已經退化或受損的生態系統進行恢復，并改善生態系統功能的過程[8]，使其在為生物提供生存環境的同時，能夠為人類提供物質產品和生態服務。因此，巖石邊坡的生態恢復是以恢復生態學為理論原理，在人為的干預下，恢復邊坡原有生態系統的結構與功能[9]。

2.3 巖石邊坡生態恢復的限制因子

嚴重缺乏土壤基質的巖石邊坡，可能因存在某些極端的環境條件或因子而阻礙植被的生長[10]，認識并解除這些潛在的問題顯得非常重要，否則整個生態恢復過程將不會開始或是在開始多年之后宣告失敗[5]。

2.3.1 不良的土壤結構

開山取石、采礦造成的首要影響是破壞了土壤，土壤的短缺是造成高陡巖石邊坡植被恢復失敗的主要原因[11]；同時，也存在土壤質地堅硬、有機質缺乏等問題[5]。研究表明，容重超過1.8 g/cm3的土壤將抑制植物根系的生長[12]。

2.3.2 穩定性的缺乏

盡管邊坡的穩定性可以通過工程技術手段得到一定的保障，但是坡面的細沙或粉粒物質依舊很容易受到風力侵蝕或水力侵蝕作用而流失，從而影響邊坡的穩定性[13]。一旦有了植被覆蓋，這個問題就解決了，但困難的是如何在建植植被期間確保坡面的穩定性。

2.3.3 干 旱

巖石邊坡坡面基質一般較為粗糙、缺乏水分，干旱成為限制坡面植被生長的一個主要因子[14]。有研究發現[5]，將耐旱的植物種植在邊坡坡面富含保水有機物質的凹槽內，這些植物在建植之后可以長期生存下去，因為它們細長的根系可以深入到基質中獲取水分。

2.3.4 營養物質的缺乏

礦場或采石場開采的材料類型和巖層不同，巖石邊坡坡面的構成也不同，因而其固有的營養成分差異較大，有的營養成分豐富而有的成分缺乏，通常磷、鉀、鎂、鈣等營養物質的缺乏是永久性的，并且坡面還不可避免地嚴重缺少氮[5]。雖然這些營養物質可以因巖層風化而釋放出來，但要歷經很長的一段時間。在許多基質上，植被生長受限的一個主要因素是營養不良。

3 巖石邊坡生態恢復的研究進展

3.1 植物種的選擇

巖石邊坡具有不同的邊坡特性和坡面物理環境，根據邊坡特性和氣候條件而選擇植物種及其栽培方式是邊坡生態恢復成功的關鍵考慮因素[15]。

高而陡峭的巖石邊坡是一種獨特且極端的生境，必須選擇一些具有特殊機制和生長行為的植物種來適應邊坡嚴峻的環境。攀緣物種具有獨特的攀爬習性和支撐大面積葉片的細長莖條，它們可以比其他物種更快地覆蓋坡面，所以在坡面陡峭的巖石邊坡生態恢復中應該優先考慮選用攀緣物種，尤其是草本攀緣物種[10]，它比木本攀緣物種具有更快的生長速度，可以形成早期的植被。爬山虎(Parthenocissustricuspidata)和扶芳藤(Euonymusfortunei)已經顯示出了對巖石邊坡不利生存環境的適應性[10]，它們可以被廣泛地應用到巖石邊坡的生態恢復中來。

作為植物生長所需要的最大量的營養元素，氮并不是以礦物質而是以有機質的形式存儲在土壤中的，它的短缺會嚴重抑制植物的生長，這在土地復墾的初期是十分普遍的現象。有研究表明，功能完善的土壤需要大量的氮素資源，在溫帶地區1 hm2的土壤需要1 000 kg的氮元素含量，這個量對于自我維系的生態系統是足夠的[16]，但是巖石邊坡的生態恢復不能單純地通過施肥的手段來達到這個氮總量，關鍵是要選擇種植豆科類或是其他科屬的固氮植物，例如與固氮微生物共生的榿木。只要固氮物種出現在演替過程中，植被的生長、發育速度就會加快[17]。在溫帶地區，白三葉(Trifoliumrepens)、紅三葉(T.pratense)每年在每公頃土壤中可以輕松地生產出100 kg的氮元素，是非常理想的固氮植物[17-18]；木麻黃(Casuarinaequisetifolia)、大葉相思(Acaciaauriculiformis)、赤楊(Alnusincana)等固氮物種可以通過根系、根瘤、凋落物直接向土壤中提供氮資源，將其和非固氮物種一起種植還可以極大地促進后者的生長[5]。因此，在營養物質缺乏的邊坡進行生態恢復時，可種植固氮物種以促進坡面環境的改善與有機物質的積累。

在酸度較高的邊坡環境中，可以選擇種植極耐酸的禾本科草本物種曲芒發草(Deschampsiaflexuosa)，或是另外一些耐酸物種，如豆科灌木荊豆(Ulex europaeus)、金雀兒(Cytisusscoparius)，以及豆科喬木刺槐(Robiniapseudoacacia)，這些物種雖然無法在pH值極低的環境中生存，但可以從一定程度上改善坡面基質的酸性環境[19]。

在邊坡的生態恢復中，常常采用鄉土種進行植被重建。鄉土種完全適應了當地的環境與氣候，能夠與其他的物種一起構建穩定的植物群落，并促進植物群落的快速演替；同時，鄉土種對邊坡群落物種多樣性的增加有著不小的貢獻，對于外來入侵物種具有化感作用[20]，可以減少邊坡植被的管理成本。

3.2 植物群落的演替

植物群落的演替是生態學研究領域中的經典主題[21]。深入研究已恢復地區植被演替的驅動力可以幫助群落向趨于穩定的生態系統演化，同時也可以促進重要生態過程的恢復。

在巖石邊坡的恢復中，土壤質量、恢復措施等初始條件，以及氣候條件、鄰近地區的植物繁殖體資源等環境狀況是決定植物群落演替的主要驅動力[2]。在土壤特性沒有成為限制條件的情況下，氣候條件和礦區周圍保存較好的植被決定著群落演替的不同方向，而與種子庫的距離及物種的擴散能力則限制著植物群落的結構[22-23]。

許多邊坡在生態恢復時采用的快速生長的草本物種會嚴重制約植物群落的演替進度，雖然草本物種可以迅速綠化坡面，但它們與后期入侵物種的競爭妨礙了植物群落的長遠發展，使得坡面植被長期處于草本群落的狀態[24]。由此說明，邊坡植被恢復所使用的種子混合物中需要加入本地物種，包括灌木物種，以促進草本群落的演替。

隨著植物群落的演替，群落地上生物量不斷地增加[25]，植被覆蓋率、物種豐富度、植被多樣性指標也隨著顯著上升，并且恢復的年限越長，其數值越大。然而有的研究發現，群落物種均勻度卻沒有發生顯著的變化[26]。

3.3 土壤的特性

土壤肥力對植被生長和其生產力具有重要的作用，所以研究土壤肥力特性對于植被的恢復至關重要。在黃土地區的自然恢復中，灌叢地和林地中土壤有機質、全氮、有效氮、速效鉀的含量顯著高于其他土地利用類型[27]。隨著恢復年限的不斷延長，在不同退耕年限的自然邊坡和生態恢復后的道路邊坡上，土壤有機質、有效氮、有效磷等主要的土壤養分都會隨著植被的演替而逐漸增加[28]。另外，邊坡坡長、坡位、坡度不同，土壤養分分布特征有較大的差異，從坡頂到坡腳，有機質、全氮、全磷等土壤養分呈現增長的趨勢，并且邊坡坡長越長、坡面坡度越緩，土壤養分越容易富集[29]。

3.4 植被與土壤之間的相互作用

巖石邊坡上一旦建植了植被，它們便可以很容易地提供有機物，降低土壤容重，同時將礦物營養成分帶出到坡面，將其積累為可用的形式。更重要的是，一些植物種可以迅速恢復并積累大量的氮，為原本沒有氮的地區提供氮資源，供給生態系統的正常運行；同時，植被的恢復對表層土壤容重的降低、總孔隙度和毛管孔隙度的增加具有積極的作用[27]，使得表層土壤養分含量高于深層土壤。因此，植物最重要的貢獻之一就是凈化了土壤，改善了土壤環境，并通過植物生物量的積累，以有機質的形式輸送給土壤養分，促進了土壤中氮、磷、鉀養分和有機質含量的增加[28]。

土壤中的有機質分解以后，又能夠被其他更多的植物吸收利用，隨著時間的推移，土壤支持植被生長的潛力得到較大的提升，這在廢棄煤礦早期的恢復工作中得到了充分的證明[30]。同時，土壤性質反過來又會影響植被的生長。眾多研究證明[30-31]，土壤水分含量會顯著地影響邊坡植被的恢復與重建，過多或過少的水分都會引起明顯的問題，其嚴重性取決于當時的氣候條件，因為降雨是邊坡植物生長的主要水源。多余的水會導致土壤飽和，引起洪澇，其產生的較大水壓將使物種的存活率降低，進而限制植物的生長[10]，但是水分的缺乏同樣會抑制植物的生長。

4 國內生態恢復研究的不足

恢復生態學已然成為國內外生態學研究領域的焦點，就目前的研究現狀來看，美國、西班牙、英國等歐美發達國家在邊坡生態恢復內在機理的研究中取得了顯著的成就，尤其是在坡面植物種的篩選與配置、土壤基質的改良、植物群落演替、土壤特性變化等方面。相對而言，我國邊坡生態恢復的研究工作還比較落后，國內研究主要集中在生態恢復前的基材配比、工藝工法等應用技術方面，對生態恢復基礎理論的研究較為匱乏，較少對生態恢復過程中植被、土壤的變化進行長期監測和科學評價，缺乏對生態恢復后植被與土壤的演替規律及相互作用關系的認識。另外，國內大多數生態恢復研究工作所涉及的研究區域范圍小、研究期限短、內容單一，不具備代表性。

生態恢復是一個動態的過程，植被演替與土壤環境的變化是相互制約、互為動力的。因此，今后國內的生態恢復研究工作應該充分利用多學科知識，在較大的時空尺度下進行動態的、連續的基礎研究工作；進一步加深對生態恢復過程中植被演變、土壤恢復，以及二者的耦合機制的研究，掌握生態恢復過程中生態系統所發生的動態變化，以期為國內巖石邊坡生態恢復提供更多、更好的理論指導與技術支撐。

[1] 彭少麟.恢復生態學與退化生態系統的恢復[J].中國科學院院刊,2000(3):188-192.

[2] Heras M D L,Nicolau J M,Espigares T.Vegetation succession in reclaimed coal-mining slopes in a Mediterranean-dry environment[J].Ecological Engineering,2008,34(2):168-178.

[3] 楊振意,薛立,許建新.采石場廢棄地的生態重建研究進展[J].生態學報,2012,32(16):5264-5274.

[4] 楊冰冰,夏漢平,黃娟,等.采石場石壁生態恢復研究進展[J].生態學雜志,2005,24(2):181-186.

[5] Bradshaw A.Restoration of mined lands—using natural processes[J].Ecological Engineering,1997,8(4): 255-269.

[6] Palmer M A,Ambrose R F,N LeRoy Poff.Ecological theory and community restoration ecology[J].Restoration Ecology,2010,5(4):291-300.

[7] Edwards K.Primary succession and ecosystem rehabilitation[J].Restoration Ecology,2004,12(3):464-465.

[8] Society for Ecological Restoration International Science & Policy Working Group.The SER International Primer on Ecological Restoration[M].Tucson:Society for Ecological Restoration International,2004:3.

[9] Milgrom T.Environmental aspects of rehabilitating abandoned quarries:Israel as a case study[J].Landscape and Urban Planning,2008,87(3):172-179.

[10] Wang Zhongqiang,Wu Lianghuan,Liu Tingting.Revegetation of steep rocky slopes:planting climbing vegetation species in articially drilled hole[J].Ecological Engineering,2009,35(7):1079-1084.

[11] Bochet E,García-Fayos P.Factor controlling vegetation establishment and water erosion on motorway slopes in Valencia,Spain[J].Restoration Ecology,2004,12(2):166-174.

[12] Ayerst J M.The effect of compaction on the revegetation of spoil heaps[J].Reclamation Review,1978,1:27-30.

[13] Bradshaw A.The use of natural processes in reclamation—advantages and difficulties[J].Landscape and Urban Planning,2000,51(2-4):89-100.

[14] Meira-Neto J A A,Clemente A,Oliveira G,et al.Post-fire and post-quarry rehabilitation successions in Mediterranean-like ecosystems:Implications for ecological restoration[J].Ecological Engineering,2011,37(8):1132-1139.

[15] Andrés P,Jorda M.Mitigation strategies in some motorway embankments (Catalonia,Spain)[J].Restoration Ecology,2000,8(3):268-275.

[16] Marrs R H,Roberts R D,Skefington R A,et al.Nitrogen and the development of ecosystems[M]//Lee J A, McNeill S, Rorison I H. Nitrogen as an Ecological Factor.Oxford:Blackwell,1983:113-136.

[17] Dancer W S,Handley J F,Bradshaw A D.Nitrogen accumulation in kaolin mining wastes in Cornwall:Ⅱ.Forage legumes[J].Plant and Soil,1977,48(2):303-314.

[18] Palmer J P,Iverson L R.Factors affecting nitrogen fixation by white clover (Trifoliumrepens) on colliery spoil[J].Journal of Applied Ecology,1983,20(1):287-301.

[19] Costigan P A,Bradshaw A D,Gemmell R P.The reclamation of acidic colliery spoil:Ⅰ. Acid production potential[J].Journal of Applied Ecology,1981,18(3):865-878.

[20] Novák J,Prach K.Artificial sowing of endangered dry grassland species into disused basalt quarries[J].Flora-Morphology,Distribution,Functional Ecology of Plants,2010,205(3):179-183.

[21] Clememts F E.Plant Succession and Indicators[M]. New York:Wilson,1928:453.

[22] Parrotta J A,Knowles O H.Restoring tropical forests on lands mined for bauxite:Examples from the Brazilian Amazon[J].Ecological Engineering,2001,17(2):219-239.

[23] Novák J,Konvicka M.Proximity of valuable habitats affects succession patterns in abandoned quarries[J].Ecological Engineering,2006,26(2):113-122.

[24] Holl K D.Long-term vegetation recovery on reclaimed coal surface mines in the eastern USA[J].Journal of Applied Ecology,2002,39(6):960-970.

[25] 葉文培,李先琨,呂仕洪,等.漓江流域紅壤區生態恢復過程中植被結構動態和生物量變化[J].生態與農村環境學報,2006,22(1):5-10.

[26] Zhang Jintun,Dong Yiru,Stokes A.Factors affecting species diversity of plant communities and the restoration process in the loess area of China[J].Ecological Engineering,2010,36(3):345-350.

[27] Jiao Feng,Wen Zhongming,An Shaoshan.Changes in soil properties across a chronosequence of vegetation restoration on the Loess Plateau of China[J].Catena,2011,86(2):110-116.

[28] 余海龍,顧衛,江源,等.半干旱區高速公路邊坡不同年代人工植被群落特征及其土壤特性研究[J].中國生態農業學報,2007,15(6):22-25.

[29] 魏孝榮,邵明安.黃土高原溝壑區小流域坡地土壤養分分布特征[J].生態學報,2007,27(2):603-612.

[30] Knabe W.Investigation of soils and tree growth in five deep-mine refuse piles in the hard coal region of the Ruhr[M]//Hutnik R J,Davis G.Ecology and Reclamation of Devastated Land.Vol 1.New York:Gordon and Breach,1973:307-324.

[31] Huang Yilong,Chen Liding,Fu Bojie,et al.Evapotranspiration and Soil Moisture Balance for Vegetative Restoration in a Gully Catchment on the Loess Plateau,China[J].Pedosphere,2005,15(4):509-517.

(責任編輯 徐素霞)

重慶市基礎與前沿研究計劃項目(cstc2014jcyjA80022)

X171.4；Q948.11

C

1000-0941(2016)12-0058-04

鄒蜜(1988—)，女，重慶市人，工程師，碩士，主要研究方向為生態恢復、土地資源管理。

2016-01-20