礦區(qū)植被恢復研究進展與展望

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 沙漠治理學院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018；2.中國水利水電科學研究院內(nèi)蒙古陰山北麓荒漠草原生態(tài)水文野外科學觀測研究站，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)具有結構簡單、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，則會受到風蝕和水蝕，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。

植被修復是按照生態(tài)學規(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生態(tài)功能的技術領域[3]。礦區(qū)植被修復可有效改良土壤理化性質(zhì)，微生物環(huán)境，恢復礦區(qū)景觀，促進經(jīng)濟發(fā)展、生態(tài)建設與人類生活的協(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域和方向，為礦區(qū)生態(tài)恢復提供參考依據(jù)。

2 數(shù)據(jù)與方法

CNKI是獲取學術信息的重要平臺。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”，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出并轉碼，導出本文研究樣本數(shù)據(jù)庫進行分析。

應用數(shù)據(jù)庫分析功能和CiteSpace軟件對1994～2020年礦區(qū)排土場植被恢復領域研究文獻進行計量分析，揭示研究領域熱點關鍵詞語、突發(fā)熱點關鍵詞，熱點關鍵詞時序圖譜。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)植被恢復的問題已受到廣泛關注。

3.2 熱點關鍵詞

表1根據(jù)關鍵詞屬性篩選出與植被恢復研究區(qū)域、研究方法、影響因素、研究內(nèi)容等相關熱點關鍵詞。之后對熱點關鍵詞進行“Citation /Frequency Burst”檢測，得出1994～2020年礦區(qū)植被恢復研究突發(fā)性關鍵詞(圖2)，依此進一步分析關于礦區(qū)植被恢復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)得到了諸多學者的關注。在研究方法中，學者利用傳統(tǒng)的實地勘測與現(xiàn)代化的信息技術融合使研究內(nèi)容變得更加準確與形象化，今后利用現(xiàn)代科學技術解決研究問題也是學術界發(fā)展的大趨勢。結合圖2可以看到近幾年土壤理化性質(zhì)、復墾植被、土壤酶的活性受到了極高的關注度。可能是因為研究初期大家尚未關注到植被恢復與微生物研究問題，但是隨著研究領域發(fā)展成熟，學者們注意到了植被恢復—土壤—微生物互相作用體系，因此植被恢復與土壤微生物作用也受到諸多學者關注。在閱讀相關文獻[5, 6]中也證實了該點。預測在近幾年植被恢復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)植被恢復研究熱點關鍵詞

圖2 1994～2020年礦區(qū)植被恢復研究突發(fā)性關鍵詞

關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，在關鍵詞共現(xiàn)分析基礎上，按時間片段生成關鍵詞時序圖譜(圖3)。

由圖3可得到：不同時期關于礦區(qū)植被恢復關注重點不同，依此可以將我國礦區(qū)植被恢復研究的演變劃分為初步探索時期、基礎發(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，因此學者們對排土場植被恢復研究較少且未系統(tǒng)化。

(2)基礎發(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，導致大量的環(huán)境問題，只有部分學者開展了少量研究。

(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”技術成為了礦區(qū)排土場科學研究的重要技術支撐，將GIS技術用于廢棄礦區(qū)復墾工程，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墾效果，在科技進步的基礎上，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)植被恢復研究日益成熟，對于植被恢復對土壤物理、化學、生物的影響一直是研究的重要方向，隨著近幾年的發(fā)展，有許多學者關注了更細化的研究方向，如礦區(qū)植被恢復下灌水的調(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)排土場植被恢復關鍵詞時序圖譜

4 研究進展

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

4.1 礦區(qū)植被修復技術

植被恢復后對整個礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性及修復區(qū)土壤均具有重要影響[8]。當前平臺通常采用喬、灌、草相結合的生態(tài)防護技術進行修復，坡面通常采用灌木、草相結合的生態(tài)防護技術進行修復。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]。基于可視化分析結果，重點闡述了草原區(qū)、黃土區(qū)、高寒區(qū)主要植被恢復技術(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]對多種植被恢復技術進行分析，結果表明生物笆+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，結果表明檸條單作對排土場恢復鄉(xiāng)土植被有明顯的促進作用，接不接菌對植被恢復效果無顯著差異，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。礦物開墾使土壤結構得到更嚴重的破壞。張旭生等[13]研究納米鐵對4種植被恢復模式下土壤理化性質(zhì)與酶的影響，結果表明納米鐵對4種植被恢復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種不同植被恢復模式進行比較，認為應該用草、灌、喬相結合的模式。

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)修復中許多植物種的選擇、關鍵修復技術得到限制。大量專家學者們展開研究，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)修復重點治理模式，并表明可將土壤重構與植被恢復技術結合。高志香等[16]、楊鑫光[17]指出覆土與不覆土不是植被恢復的關鍵措施，并提出可以施加有機肥或化肥代替覆土，已達到植被恢復的最佳效果。在適當?shù)臅r候覆蓋無紡布，提高植被恢復效果。

礦區(qū)種類復雜多樣，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)域植被恢復技術。不同環(huán)境中復墾植物的選擇都應遵循以下原則：①恢復初期，盡量多選擇生長周期短、對環(huán)境有較強的適應性、植被抗逆性強，可快速適應所處環(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應將是否對土地復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[18]。

表2 不同類型礦區(qū)植被恢復技術

4.2 植被恢復技術對礦區(qū)土壤的影響

4.2.1 植被恢復對土壤物理性質(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墾地植被-土壤系統(tǒng)的耦合關系及其恢復質(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)在不同植被恢復階段下對水穩(wěn)性團聚體的影響做了分析，結果表明植被恢復可以提高土壤<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，結果表明:植被恢復促進了排土場水穩(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構改良效果不同,草地對于平臺土壤團聚結構改良效果較好。

4.2.2 植被恢復對土壤化學性質(zhì)的影響

土壤是提供植物養(yǎng)分的基礎，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)學者均采用野外調(diào)查和室內(nèi)實驗相結合的方法，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性質(zhì)的測量。多數(shù)學者[22, 28]研究結果均表明植被恢復使土壤孔隙度增加、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的成本。原野[30]對黃土區(qū)碳氮組分特征及逆行研究結果表明：復墾土壤碳、氮組分之間呈正相關，但與全鉀呈現(xiàn)顯著負相關(P<0.05)。

4.2.3 植被恢復對土壤生物性質(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墾后質(zhì)量水平主要因素之一[13]。植被恢復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，并在關于土壤微生物的研究中，大多學者聚焦于植被恢復后土壤理化性質(zhì)與微生物相關性分析。郭洋楠等[32]通過對復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(P<0.05)。陳璐等[33]在研究植被恢復對土壤線蟲群落結構及區(qū)系的影響中表明：人工恢復植被土壤線蟲數(shù)量顯著高于自然植被恢復，線蟲數(shù)量與土壤有機碳、植物種類和數(shù)量呈正相關，與土壤pH值、速效鉀、堿解氮含量呈負相關。孫夢媛等[5]發(fā)現(xiàn)，復墾樣地土壤酶活性和微生物量均比未復墾樣地顯著增加(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)與酶活性呈正相關關系。除脲酶活性外，其他酶活性在恢復樣地和未恢復樣地間并沒有顯著差異，該結論與大多學者[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，不僅結構功能得到破壞而且對環(huán)境也造成污染。為后期土壤復墾工作帶來一定困難。

(2)單純的植被恢復技術對植被的生長、土壤改良效果并不顯著。大多數(shù)學者將灌溉、施肥等人工撫育措施與植被恢復措施綜合，目前，許多學者在研究中發(fā)現(xiàn)中度施肥有利于植被恢復，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用礦區(qū)恢復復合措施具有指導意義。

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技術復合。納米Fe材料、叢枝菌根、PVC板材格構錨桿梁等新型材料出現(xiàn)提高植被恢復效率，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技術復合，將可以作為下階段礦區(qū)植被恢復研究方向之一。

(2)利用高光譜遙感、無人機等技術對植被恢復效果進行監(jiān)測與土壤性質(zhì)測定。目前“3S”、無人機等技術逐漸發(fā)展成熟，但當前只有少部分研究人員將熱紅外，高光譜遙感應用到植被恢復監(jiān)測中，部分學者利用微波遙感、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。深入分析三者關系是下階段礦區(qū)植被恢復重點研究方向。