露天酸性礦山生態恢復中植物群落構建研究

向華浩，王志強，姚 軍，李林熙，陳秋惠，肖 恬，李宏歸，丑琉懿

(1.芷蘭生態環境建設有限公司，湖南 長沙 410000；2.中南林業科技大學，湖南 長沙 410004)

1 引言

隨著經濟的快速發展，社會對礦產資源的需求也不斷增加，導致我國礦山數量不斷增加，開采規模不斷擴大。但露天酸性礦山對開采土壤、大氣、水體和自然景觀造成了嚴重破壞，因此必需對礦山進行生態恢復。本文選擇已經植被恢復治理并獲成功的礦山進行研究分析[1]，主要集中在礦山廢棄地植被恢復的研究進展[2],礦山環境恢復過程中存在問題的應對措施[3，4],土地復墾，制定科學合理且具有可行性的恢復治理方案，如進一步增加科技以及資金方面的投入[5，6]，以及利用遙感技術，礦山生態復綠植物景觀設計[7]。礦山生態恢復的關鍵是植被和土壤的恢復，恢復植被的最終目的是構建穩定的群落結構。而礦山開采過程中破壞、污染土地，改變了地形和土壤結構，影響了植物生長所必需要水分和土壤環境，導致了植物生長不良，因而對強酸性礦山生態恢復中構建植物群落必需分析其環境特點，并提出合適的植物群落，以利于礦山的生態恢復[8～10]。

2 露天酸性礦山的環境特點

2.1 光環境特點

露天開采的礦山在開采過程中對地形、植被、土壤的破壞嚴重，因而礦區的光照往往充足，有遮陰的地方較少。

2.2 土壤特點

強酸性礦山土壤有如下幾種變化：一是表層土壤被完全破壞，導致土壤缺乏養分；二是表層土壤貧瘠或沒有，很難直接滿足種植植物的要求；三是營養元素少或不足，不能支撐植物生長；四是土壤酸性較重，一般植物較難適應；五是土壤結構與自然土壤相比差異較大；六是部分礦山重金屬含量較高，直接影響植物生長。

2.3 水環境特點

由于自然土壤層被破壞，土壤所具有貯水、蓄水的功能也被破壞。因而礦區的水環境具有如下特點：一是露天水分少，土壤中更少；二是無可補給的地下水；三是水體的酸堿性變化大，易腐蝕共它物品；四是部分水體中重金屬含量較高；五是土壤中的水分含量變化大，流失嚴重；六是表層水分蒸發量大，且受環境因子大；七是水體易發生各種化學反應，形成新的有毒有害物質；八是廢水污染問題。隨著礦山開采活動進一步深入，使礦山下層的地下水以及礦山周邊淺水層的地表水造成破壞。

2.4 地形特點

一是原來地形遭到破壞， 沒有自然坡度；二是地形多變，在開采過程中，由于周邊環境的不同，地形變化多樣；三是礦區內部往往陡峭，為了降低成本，礦區開采時往往坡度較大；四是深度較深，為了增加產量，采礦往往增加了開采的深度，因而綠化時的深度也自然增加；五是地形相對穩定，為了保證安全生產，所有的地形均相對穩定。

3 酸性礦山植物群落構建原則

3.1 生態學原則

礦山生態修復的前提是植物的生長和存活。因而選擇植物時，根據當地氣候、土壤等條件選擇植物，以保證植物的存活，也能有效減少后期的養護成本，并達到與周邊景觀相融的效果。

3.2 植物抗逆性原則

露天礦山生態修復區域的立地條件比較惡劣，一般情況下植物較難存活，因此要求植物品種具有較強的抗性，包括抗長期干旱、撈短期水澇、抗寒、抗高溫等。在后期缺乏維護的情況下，也能夠實現正常生長并繁衍。植物抗逆性的強弱直接決定了生態恢復的效果，影響到礦區植物群落的形成和演替。

3.3 先鋒植物優先原則

場地內土壤條件較為貧瘠, 在設計上考慮豆科先鋒植物 , 一般用于培養基質養分，從而可以提升礦山地區土壤的肥力。從生態修復以及景觀營建的角度來思考,首先為了實現綠化工程的前期效果,通常會先選擇適應當地氣候條件、生長比較迅速的植物來進行前期覆蓋。而當規劃群落形成并且穩定后,后期在沒有人工養護的條件下，植物仍然可以健康生長。

3.4 生物多樣性原則

種類多樣化的植被群落，其生態穩定性明顯優于植被種類單一的植被群落。植物種類的搭配可以選擇喬木、灌木、藤本和草本以及地被植物等多層次和多植物種類的組合，這樣對礦山自然生態系統的恢復有著極大幫助。

3.5 植物配置合理性原則

植物群落中，喬木、灌木、草本三者結合一體，為多層次植物自然群落，抗外界干擾能力較強，即使植物群落中有一種或幾種植物受到病蟲害，其他的植物也會在自然演替中填補空白。可以方便迅速達到綠化效果，從而形成具有層次感的植物立體布局。

3.6 群落景觀自然性原則

在露天強酸性礦山場地進行植物群落構建，需要充分考慮當地生態環境，如土壤、光照、水分等環境因子。以改善生態環境為前提，植被不僅需要植被恢復還需要營造良好的景觀效果。需要尊重植物群落景觀自然性原則，從而去實現景觀與生態相結合。

4 強酸性礦山植物種類推薦

4.1 生活型植物種類

植物生活型可分為喬、灌、草、藤4個類型。南北不同區域種類不同，南方不同類型植物種類推薦如下。

多推薦有豆科植物，豆科植物種類群巨大，并且種類繁多，大多具有結瘤固氮的能力，如花生、豌豆、苜蓿、蠶豆等植物。而根據其不同的植物生活性種類推薦以下植物。

喬木有黑松(Pinusthunbergii)、側柏(Platycladusorientalis)、女貞(Ligustrumlucidum)、香樟(Cinnamomumcamphora)、臭椿(Ailanthusaltissima)、山桃(Amygdalusdavidiana)、冬青(Ilexchinensis)、鹽膚木(Rhuschinensis)、木荷(Schimasuperba)、木蘭科植物樂東擬單性木蘭(Parakmerialotungensis)、醉香含笑(Micheliamacclurei)、闊瓣含笑(Micheliaplatypetala)、厚皮香(Ternstroemiagymnanthera)、杜英(Elaeocarpusdecipiens)、枸骨(Ilexcornuta)、桂花(Osmanthusfragrans)、珊瑚樹(Viburnumodoratissinum)、鵝掌楸(Liriodendronchinense)、楓香(Liquidambarformosana)、樸樹(Celtissinensis)、糙葉樹(Aphanantheaspera)、櫸樹(Zelkovaserrata)、榔榆(Ulmusparvifolia)、榆樹(Ulmuspumila)、無花果(Ficuscarica)、構樹(Broussonetiapapyrifera)、楓楊(Pterocaryastenoptera)、栓皮櫟(Quercusvariabilis)、柿樹(Diospyroskaki)、合歡(Albiziajulibrissin)、龍爪槐(Sophorajaponica)、刺槐(Robiniapseudoacacia)、大戟科植物重陽木(Bischofiapolycarpa)、無患子(Sapindussaponaria)、南酸棗(Choerospondiasaxillaris)、苦楝(Meliaazedarach)、楸樹(Catalpabungei)、圓柏(Sabinachinensis)、柳杉(Cryptomeriajaponicavar.Sinensis)、馬尾松(Pinusmassoniana)、廣玉蘭(Magnoliagrandiflora)、紅楠(Machilusthunbergii)、莽草(Illiciumlanceolatum)、楊梅(Myricarubra)、枇杷(Eriobotryajaponica)等。

灌木有胡枝子(Lespedezabicolor)、木犀科植物小蠟(Ligustrumsinense)、野桐(Mallotustenuifolius)、木蘭科的植物含笑(Micheliafigo)、木犀科的植物有金森女貞(Ligustrumjaponicumvar.Howardii)、蠟梅(Chimonanthuspraecox)、木芙蓉(Hibiscusmutabilis)、八仙花(Hydrangeamacrophylla)、馬棘(Indigoferapseudotinctoria)、石楠(Photiniaserratifolia)、海桐(Pittosporumtobira)、紫薇(Lagerstroemiaindica)、黃素馨(Jasminummesnyi)、梔子(Gardeniajasminoides)、砂地柏(Sabinavulgaris)、夾竹桃(Neriumoleander)、蚊母樹(Distyliumracemosum)等。

藤本有五葉地錦(Parthenocissusquinquefolia)、爬山虎(Parthenocissustricuspidata)、常春藤(Hederanepalensis)、扶芳藤(Euonymusfortunei)、薜荔(Ficuspumila)、常春油麻藤(Mucunasempervirens)、葛藤(Argyreiapierreana)等植物。

4.2 常綠和落葉植物

礦山植物修復選擇主要依據植物的4個特性，生態適應性、先鋒性、可演替性及持續穩定性、抗逆性、生物多樣性。故推薦常綠喬木有側柏(Platycladusorientalis)、日本扁柏(Chamaecyparisobtusa)、香柏(Sabinapingiivar.wilsonii)。是優良的園林綠化樹種。木質軟硬適中，細致，有香氣，耐腐力強。比如油松(Pinustabuliformis)為淺根性樹種，喜光，并且抗瘠薄、抗風，適應在土層深厚、排水良好的酸性、中性或鈣質黃土上。青岡櫟(Cyclobalanopsisglauca)是殼斗科的常綠喬木，為中性喜光樹種。適應性強，對土壤要求不嚴。幼年生長較慢，5年后生長加快，萌芽力強，耐修剪，深根性，可防風、防火。還有常綠喬木植物選擇有黑松(PinusthunbergiiParl)，濕地松(pinuselliottii)，馬尾松(PinusmassonianaLamb)，日本五針松(Pinusparviflora)，柳杉(Cryptomeriajaponica)，花柏(Chamaecyparisobtusa)，圓柏(Sabinachinensis)，龍柏(Sabinachinensis)，福建柏(Fokieniahodginsii)、金縷梅科植物蚊母樹(Distyliumracemosum)，木蓮(ManglietiafordianaOliv.)，夾竹桃(Neriumoleander)，苦櫧(Castanopsissclerophylla)，油茶(Camelliaoleifera)，麻櫟(Quercusacutissima)，珊瑚樹(Viburnumodoratissinum)等。

落葉植物選用楓香(LiquidambarformosanaHance)，性喜光，幼樹稍耐陰，耐干旱瘠薄土壤，不耐水澇。南酸棗(Choerospondiasaxillaris)，生長快、適應性強，性喜陽光，略耐陰。適生于酸性或中性土壤，不耐澇。淺根性，萌芽力強，生長迅速。山合歡(Albiziakalkora(Roxb.)Prain)，野桐(Mallotusjaponicus)，檫木(Sassafrastzumu)，山胡椒(Linderaglauca)等。

4.3 基于生態效益、土壤改良和景觀方面的選擇

強酸性礦山巖土和巖面中存在大量的硫化物，礦山的山體會存在滲水并且泛酸的現象，山體邊坡含有大量酸性物殘留，需要進行治理，礦區及周邊的污染，是因為山體的坡面上出現的酸性滲水，導致土地退化，植被種類的減少。選用植物楊梅和松科植物黑松(Pinusthunbergii)；其次為:高羊茅(Festucaelata)、狗牙根(Cynodondactylon)、黑麥草(Loliumperenne)、紫花苜蓿(Medicagosativa)、彎葉畫眉草(Eragrostiscurvula)、(Trifoliumrepens)、馬藺(Irislactea)、茅莓(Rubusparvifolius)等植物。其中寬葉雀稗(Paspalumwettsteinii)適應強酸性土壤生長，狗牙根(Pinusthunbergii)和葦狀高羊茅(Festucaelata)則耐土壤酸性及耐貧瘠能力強，生長速度快，可以在短期時間迅速覆蓋。土壤改良是酸性礦山修復與整治的關鍵和前提，可以通過工程技術和生物科技方法來改良土壤；植被品種應首選耐酸、耐旱、耐瘠薄，適應性強,生長快的品種。

5 強酸性礦山植物群落推薦

在酸性礦山區域生態恢復時，不僅要有較強的生態效益，而且還需要有美化的效果。不同類型的植物群落推薦如下。

5.1 喬、灌、草、藤本類型群落

5.1.1 選擇喬、灌、草、藤本的要求

(1)選擇多種植物類型進行礦山邊坡的生態修復,可以增強植被系統的穩定性,利于礦山生態系統的恢復。選擇植物時，需組合考慮多種植物，對喬灌木、草本以及藤本等植物進行結合,組成具有規律且相互協調的穩定組.合,構成多樣而穩定的植物群落結構，來實現礦山生態環境的修復。

(2)開采后的礦山土壤往往缺乏植物生長所必需的營養成分。礦山復綠一般要求在較短時間內達到邊坡綠化的效果,因此會選擇-些生長速度快、適應性強的植物。

(3)不同植物的生長適應性不同，礦山修復所選用的植物應更加耐瘠薄,選擇抗逆性更強的植物品種，進行合理配比種植,才能適應礦山邊坡的生長環境。因此在選擇植物種類時,應當根據待修復礦山的氣候和土壤條件進行選擇,以便保證植物的存活率和礦山綠化效果,使植物生長不會受到外界環境的限制,實現植被的穩定生長。

(4)在早期引入植物進行礦山修復時，應采用環境適應性強、生長速度快的植物種類，對礦山邊坡進行綠化覆蓋,對植物生長的土壤環境進行改良，進一步為后期鄉土植物種植提供良好的基礎條件,從而讓鄉土植物在后期的礦山生態環境恢復中發揮關鍵性作用，然后形成長期穩定的植被群落。

5.1.2 選擇喬、灌、草、藤本群落種類推薦

植物的比例配置也非常重要。植物配置選擇中，喬、灌、草相結合是修復強酸性礦山的重要原則。根據植物演替變化，應該先種植先鋒植物，首先應該多種植一些草本植物，如禾本科植物彎葉畫眉草(Eragrostiscurvula)、鳶尾科植物鳶尾(Iristectorum)，然后是慢慢形成灌木的群落如海桐(Pittosporumtobira)，最后才能形成喬木的群落如蚊母樹(Distyliumracemosum)。在植物景觀設計，應該考慮長遠規劃，迅速短期內形成比較好的植物景觀，是不符合自然規律演替的。根據強酸性礦山環境特點，利用藤本植物的攀爬與吸附特性，藤本植物一般選擇種植在較平整的陡崖邊坡上。而邊坡覆土綠化技術能提高地表的抗雨水沖刷能力，有效地保持水土，防止水土流失，改良土壤理化性質，達到耕地和林草地的占補平衡，如五葉地錦(Parthenocissusquinquefolia)、凌霄(Campsisgrandiflora)、常春油麻藤(Mucunasempervirens)。

種植櫸樹(Zelkovaserrata)或者懸鈴木(Platanusacerifolia)等樹形高大的樹種，并穿插種植金葉女貞(Ligustrum×vicaryi)或者小葉黃楊(Buxussinica)等色葉灌木，提高礦產前區的美觀性。與此同時，還需要在礦產前區配置花壇或者水池等小品建筑，建造小型游園,為工作人員提供休息游玩的空間。需要選擇樹形高大、吸塵能力強而且成活率高的樹種，并將喬木與灌木配合種植，落葉樹種與常青樹種配合種植,提高綠化植物防塵的效果。需要注意的是，交叉路口的植物不能對行車視距造成影響。在強酸性礦山廠區的其它道路,需要選擇綠化能力較強的樹種如喬木珊瑚樹(Viburnumodoratissinum)搭配灌木海桐(Pittosporumtobira)或者蚊母樹(Distyliumracemosum)，配置麥冬(Ophiopogonjaponicus)，蔥蘭(Zephyranthescandida.)等草本。攀爬植物選用爬山虎(Zephyranthescandida)在陽面，常綠藤本可以選擇常春藤(Hederanepalensis)配置礦區陰面垂直綠化。

5.2 喬、草類型群落

對強酸性礦山廠區的邊坡區域進行綠化，能夠提高邊坡的穩定性,避免邊坡受到沖刷。一般來說，邊坡種植的植物大都是容易成活而且耐貧瘠的鄉土樹種。喬木適宜種植夾竹桃(Neriumoleander)、冬青(Ilexchinensis)和海棠(MalusChaenomeles)等樹種；配上草本有萱草(Hemerocallisfulva)、鳶尾(IristectorumMaxim)、吉祥草(Reineckiacarnea)、麥冬(Ophiopogonjaponicus)等。

5.3 喬灌植物群落

礦廠區綠化規劃人員還需要設置衛生防護林帶,進行喬木和灌木的高低搭配、落葉樹種和常綠樹種的搭配，發揮出衛生防護林帶的吸收和凈化作用。喬木有馬尾松(Pinusmassoniana)、醉香含笑(Micheliamacclurei)、闊瓣含笑(Micheliaplatypetala)、紫楠(Phoebesheareri)、紅楠(Machilusthunbergii)、香樟(Cinnamomumcamphora)。灌木有大葉黃楊(Buxusmegistophylla)，海桐(Pittosporumtobira)、山茶(Camelliajaponica)、茜草科植物梔子(Gardeniajasminoides)、千頭柏(Platycladusorientalis)、砂地柏(Sabinavulgaris)等。

5.4 草灌植物群落

礦產區域綠化，局部小氣候綠地改造綠化，不適應種植大喬木，局部景觀改造，選種草灌類型，如紅花檵木(Loropetalumchinensevar.rubrum)、胡頹子(Elaeagnuspungens)、灑金東瀛珊瑚(Aucubajaponica)、火棘(Pyracanthafortuneana)、紅葉石楠(Photinia×fraseri)、小蠟(Ligustrumsinense)、金葉女貞(Ligustrum×vicaryi)、云南黃素馨(Jasminummesnyi)、錦繡杜鵑(Rhododendronpulchrum)、紅千層(Callistemonrigidus)、鵝掌柴(Scheffleraoctophylla)、小檗(Berberisthunbergii)、扁擔桿(Grewiabiloba)、榆葉梅(Amygdalustriloba)、胡枝子(Lespedezabicolor)等植物。

6 案例分析

6.1 情況介紹

內蒙古某鐵礦尾礦庫生態修復區的植被恢復，尾礦庫是堆存選礦廢棄物的主要場所，不僅占用大量的土地資源，而且形成長期大面積裸露的庫面和邊坡，是影響區域生態安全和人居環境健康的重要潛在風險源，而內蒙古某鐵礦尾礦庫位于包頭市哈德門和昆都侖河沖洪積扇前緣交匯處，黃河平原分布于尾礦庫南500～1000 m被夷平的二級階地至黃河之間，地勢北高南低，平均坡降約 0.4%，是中國最大的尾礦庫之一。

尾礦庫南部邊坡在進行生態修復前，植被覆蓋極少，在進行大規模的人工噴播綠化后，大量草本植被生長迅速，形成生態修復區。因此可將木本植物視為修復區的原生植被，而大部分草本植被視為人工恢復植被。尾礦庫目前仍在服役期，庫內暫不適宜進行植被恢復，需要閉庫后才能進行生態修復。尾礦庫南部邊坡及毗鄰的人工濕地工程是尾礦庫環境治理的重要內容，人工濕地工程自2015年持續實施到2017年，尾礦庫南部邊坡植被恢復工程于2017年2月開始，持續到2018年8月生態修復措施主要包括邊坡噴播綠化。

6.2 案例總結

不同生態修復區的適生植物種，而案例中的尾礦庫有邊坡綠化、庫外道路和人工濕地3種類型的生態修復區，而生態修復區內共有植物31種，以菊科植物、豆科植物 、禾本科植物和藜科植物為主。其中，草本群落物種較為豐富，數量上占74.2%，并且蓋度高度，而木本植物，如灌木數量較少，只占有25.8%。但其蓋度高，在植被恢復前期具有十分重要的作用。

除醉馬草(Achnatheruminebrians(Hance) Keng)和 芨 芨 草 (Achnatherumsplendens(Trin. ) Nevski )同 屬 于 芨 芨 草 屬，其余沒有相同屬的植物種。3類修復區共有植物種為堿蓬，邊坡綠化區和庫外道路區的共有種為狗尾草(Setariaviridis(L.) Beauv.)、冰草(Agropyroncristatum(L.) Gaertn.)、黃芪(AstragaluspropinquusSchischkin)和白刺(NitrariatangutorumBobr.)，而庫外道路區和人工濕地區的共有種為蘆葦(Phragmitescommunis(Cav.) Trin. ex Steud.)范圍廣，灌木類植物較少，且不具備競爭力。人工濕地區包含5種植物，均為草本植物，其中蘆葦幾乎覆蓋全部樣方，為該修復區的建群種，在樣方內少量分布，植被分布不均勻。

6.3 技術建議

不同類型生態修復區的優勢種差異性大。如邊坡綠化區的優勢種較多，草本植物為苜蓿(MedicagoSativaLinn)、醉馬草(Achnatheruminebrians(Hance) Keng)和狗尾草(Setariaviridis(L.) Beauv.)等，木本植物為沙冬青(Ammopiptanthusmongolicus(Maxim. ex Kom.) Cheng f.)、花棒(HedysarumscopariumFisch. et Mey.)和檸條錦雞兒(CaraganakorshinskiiKom.)。庫外道路區優勢種主要為草本植物，木本植物只有鹽爪爪(Kalidiumfoliatum(Pall.) Moq.)。蘆葦(Phragmitescommunis(Cav.) Trin. ex Steud.)為人工濕地區的建群種，需要植物種類多樣性。

而邊坡綠化區的植物多樣性最高，人工濕地區的植物多樣性最低。尾礦庫生態修復首先要考慮壩體地址的安全問題，在植物種選擇和穩定群落構建上，尾礦庫生態修復前期可在確保壩體地質安全的前提上，引種原生以木本植物為主，如以沙冬青為主，花棒和檸條錦雞兒為輔，可以改善土壤條件；喬灌木分層種植，隨后引種草本植物，以苜蓿和狗尾草為主、醉馬草和堿蓬為輔。以及科學的播種方法上，可采用人工噴播和滴灌等方式提高尾礦庫植被恢復效果。

6 總結與分析

植物群落結構及演替過程中為了有利于結合工程技術從而更好的進行礦山生態恢復，研究顯示露天酸性礦山生態恢復中喜酸性植被種類更適合，而露天酸性礦山生態恢復中植物群落構建的研究對工程技術措施、植物設計配置以及最后呈現的效果都有著重要的指導意義。現今根據我國經濟的發展，我國露天酸性礦山開采具有分布多，分布面廣等特點，而礦山一般多分布在城市邊緣區域，而分布在城市邊的露天酸性礦山開采對城市環境污染以及景觀審美的呈現都有著至關重要的影響。城市化的發展改造中最活躍的區域就是城市的邊緣區域，相比較其他區域，人類活動也相對更為復雜，同時生態修復過程更為特殊，景觀生態問題相比較其他區域也更為突出。露天酸性礦山生態恢復中植物群落構建研究的任務將尤其重要。

強酸性廢棄地的生態恢復是環境治理利用的重點工程，而最重要最經濟的方法即植物修復，以及生態植物構建是重點所在，為了對今后的礦山生態恢復提供參考價值，分析了植物的演替過程，并提出了露天強酸性礦山生態恢復植物群落構建策略。但同時需要考慮到一些城市邊緣區域的強酸性礦山特殊的地理位置，生態恢復在群落構建的基礎上又多了更高層次的景觀美觀需求。目前這方面領域的研究還體現著不足，未來應該不僅僅加強理論研究同時也需要積極地進行實踐探索，促使強酸性礦山生態植物群落構建的工作再上新臺階。