廢棄礦山生態(tài)恢復(fù)下不同植被模式的恢復(fù)效果研究

陳金龍

(中國(guó)前寒武系省級(jí)地質(zhì)自然保護(hù)區(qū)管護(hù)局，云南 昆明 650600)

1 引言

礦業(yè)是支撐社會(huì)向前發(fā)展的重要產(chǎn)業(yè)，但同時(shí)也是對(duì)環(huán)境破壞最為嚴(yán)重的一種人為活動(dòng)。現(xiàn)階段困擾地方環(huán)境治理的采礦區(qū)環(huán)境修復(fù)問題主要由傳統(tǒng)廢棄礦坑和偷采盜采形成的礦坑為主，從礦坑環(huán)境治理進(jìn)程角度來看，多數(shù)舊時(shí)期留下的廢棄礦坑均已經(jīng)實(shí)現(xiàn)生態(tài)恢復(fù)治理，但偷采、盜采等活動(dòng)留下的環(huán)境破壞問題仍未杜絕。對(duì)此，本文以昆明市海口林場(chǎng)廢棄礦山植被恢復(fù)造林工程為例，提出了幾種植被配置治理方案，并分析出最適于當(dāng)?shù)厥褂玫囊环N植被配置，以提高其廢棄礦山生態(tài)恢復(fù)的效率與效果。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)概況

礦區(qū)位于昆明市海口林場(chǎng)中寶林區(qū)與昆陽磷礦交界處，地理位置東經(jīng)102°28′～102°38′，北緯24°43′～24°56′。 因歷史原因及多年來偷采磷礦石破壞林地形成的采礦跡地，所以導(dǎo)致該地區(qū)林木稀疏且存在較多礦坑和堆渣場(chǎng)。項(xiàng)目區(qū)周邊分布的天然喬木樹種主要有云南松林、華山松林、滇油杉、旱冬瓜。主要灌木樹種有南燭、杜鵑、芒種花、小鐵子、川梨、野牡丹、黃杞、矮楊梅、水紅木、小檗、鹽膚木等。主要草本有紫莖澤蘭、金茅、刺茅、藎草、龍膽草、蕨類等。項(xiàng)目區(qū)多為露天開采區(qū)，80%面積地表破碎不平，最大坑形成地表直徑約100 m，深50 m倒圓錐體；局部區(qū)域坡度>60°。實(shí)際可用土地面積較少，急需對(duì)其進(jìn)行整治。

在無客土環(huán)境條件下使用石灰對(duì)治理區(qū)域的土壤進(jìn)行改良，然后通過人工種植喬木和撒播草種的方式加速地區(qū)綠化恢復(fù)，現(xiàn)階段部分地區(qū)已經(jīng)形成7種不同植物配置模式的群落類型，詳見表1所示。

表1 樣地植被配置的基本情況

2.2 研究方法

2.2.1 案例地區(qū)的土壤與植被調(diào)查

在案例地區(qū)廢棄礦坑立地條件基本一致的情況下，設(shè)置7種不同植被生態(tài)恢復(fù)的試驗(yàn)樣地，并將樣地劃分為上、中、下3個(gè)等級(jí)分別設(shè)置1個(gè)5 m×5 m的樣方，然后在每個(gè)樣方的空間里隨機(jī)設(shè)置5個(gè)2 m×2 m的小樣方，因案例地區(qū)喬木幼苗均低于0.5 m，所以本文將喬木幼苗與草本植物作為同一普查對(duì)象進(jìn)行調(diào)查，調(diào)查指標(biāo)涵蓋植物的種類、范圍內(nèi)植物的數(shù)量、植物種群的郁閉度和群體高度，全部實(shí)地調(diào)查的樣方數(shù)為105個(gè)[1～4]。以案例地區(qū)下未遭到破壞的區(qū)域作為試驗(yàn)對(duì)照樣地，并用“CK”代替，將恢復(fù)前的廢棄礦坑作為試驗(yàn)的背景值“BK”，試驗(yàn)五點(diǎn)法采集CK、BK和不同植被模式樣地內(nèi)的兩條中心線上的土壤，并將其裝入紙質(zhì)密封袋中密封，其中土壤采集樣品為45個(gè)[5,6]。

2.2.2 試驗(yàn)地區(qū)土壤理化性質(zhì)的測(cè)定

將采集土樣置于室內(nèi)風(fēng)干然后剔除土壤中的根系和其他雜物，使用1 mm的土篩將塊徑較大的泥土或石塊進(jìn)行過濾[7]。使用堿解擴(kuò)散法對(duì)土壤中速效氮含量進(jìn)行測(cè)定；使用乙酸銨浸提—火焰光度法對(duì)速效鉀進(jìn)行檢測(cè)；使用原子吸收光譜儀對(duì)土壤中的重金屬進(jìn)行檢測(cè)；使用重鉻酸鉀容量法—外加熱法對(duì)有機(jī)質(zhì)進(jìn)行測(cè)定[8～11]。

2.2.3 試驗(yàn)區(qū)物種多樣性的計(jì)算方法

(1)物種重要值的評(píng)定方法。借助重要值評(píng)定的方式對(duì)試驗(yàn)區(qū)下物種個(gè)體在群落中的地位進(jìn)行判斷，以此分析植被配置模式中該物種屬于優(yōu)勢(shì)種還是伴生種，即：

(1)

(2)物種多樣性計(jì)算方法。使用豐富度指數(shù)“M”、多樣性指數(shù)“H”和均勻度指數(shù)“P”代表物種多樣性的度量指標(biāo)[12]，即：

(2)

式(2)中：S表示群落中的總植被種數(shù)；N表示群落中植被個(gè)體的總數(shù)。

(3)

式(3)中：Pi表示第i種植被的個(gè)體數(shù)占樣地群落所有物種個(gè)體數(shù)的比例。

(4)

式(3)中：H表示實(shí)地觀察種群的多樣性指數(shù)。

2.2.4 數(shù)據(jù)分析

對(duì)上述分析主語利用SPSS21.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，利用單因素方差分析對(duì)本文采用7種植被模式的差異性進(jìn)行評(píng)定(p=0.05)，通過主成分分析法實(shí)現(xiàn)對(duì)上述結(jié)果的綜合評(píng)價(jià)[13～15]。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同植被配置模式下對(duì)試驗(yàn)區(qū)植物群落的影響

從豐富度指數(shù)角度來看(圖1)，不同植被模式的環(huán)境恢復(fù)效果差異顯著，模式4下的物種豐富度最高，其豐富度指數(shù)可達(dá)到1.57，證明適當(dāng)增加植物種類和喬木融合可在一定程度上提高當(dāng)?shù)刂参锶郝涞呢S富度。除本文采用模式5外，其余所有模式下的物種多樣性指數(shù)均在0.67～0.81之間，此結(jié)果與豐富度指數(shù)一致。模式6下均勻度指數(shù)最高，可達(dá)到1.42，其中，模式下狗牙根與田菁物種的單一種種群優(yōu)勢(shì)明顯，但該物種在試驗(yàn)地中的分布均勻程度相對(duì)較差，造成該現(xiàn)象的主要原因在于人工種植存在一定規(guī)律所致。綜上可知，在所提7種植被模式下除模式5、7外其他所有模式的種群群落結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性均較為良好。

圖中小寫字母為不同配置模式下結(jié)果差異顯著(p=0.05)

多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)

3.2 不同植被配置模式下對(duì)土壤養(yǎng)分的變化

試驗(yàn)區(qū)土壤活力變化情況如圖2所示。CK中土壤的速效鉀含量約為195.53 mg/kg，明顯高于人工恢復(fù)群落的土壤速效鉀含量，不同模式下土壤的速效鉀含量大小排列為：模式2>模式3>模式1>模式4>模式5>模式6>模式7。7種模式下土壤速效氮的含量大小排列為：模式2>模式3>模式4>模式5>模式1>模式6>模式7，其中2、3、4、5模式下的氮含量大于CK的主要原因在于植被模式選用刺槐、田菁等豆科植物能夠起到固氮的作用。7種模式下土壤的有機(jī)質(zhì)含量大小排列為：模式2>模式5>模式3>模式4>模式1>模式6>模式7。由此可證明不同植被配置對(duì)廢棄礦山試驗(yàn)地土壤速效鉀、速效氮和有機(jī)質(zhì)的含量提升存在差異，但均表示出正向發(fā)展趨勢(shì)。

圖2 不同植被配置下土壤的養(yǎng)分含量情況

3.3 不同植被配置下廢棄礦山的恢復(fù)效果綜合評(píng)價(jià)

結(jié)合上述7種植被模式的12項(xiàng)指標(biāo)，運(yùn)用主成分分析法進(jìn)行7種模式下廢棄礦山生態(tài)恢復(fù)效果的綜合研究。通過分析獲得4個(gè)主成分變量，其變量之和占比總貢獻(xiàn)率的83.9%，證明得出的4個(gè)綜合指標(biāo)可以代表所有指標(biāo)的絕大部分信息，因此本文將4個(gè)主成分對(duì)7種模式生態(tài)恢復(fù)效果進(jìn)行概括分析。通過綜合評(píng)價(jià)公式獲得綜合評(píng)價(jià)值，如表2所示。

表2 不同植被配置實(shí)際恢復(fù)模式的綜合評(píng)價(jià)

由表1數(shù)據(jù)可得，不同的植被模式配置對(duì)廢棄礦山生態(tài)恢復(fù)效果綜合評(píng)價(jià)存在顯著影響，綜評(píng)排名大小排列為：模式2(0.72)>模式4(0.57)>模式3(0.36)>模式1(-0.23)>模式6(-0.33)>模式7(-0.52)>模式5(-0.58)。其中，模式2、3、4的綜評(píng)均大于0，由此可證明狗牙根+刺槐+田菁+苘麻、田菁+刺槐+苘麻與狗牙根+刺槐+苘麻等3種植被模式配置對(duì)廢棄礦山的生態(tài)恢復(fù)效果影響較好。因此，在人工干預(yù)廢棄礦山植被恢復(fù)項(xiàng)目中應(yīng)多選擇喬、灌、草的植被組合模式，以此發(fā)揮物種在各階層下的生態(tài)位優(yōu)勢(shì)，提高植被配置對(duì)廢棄礦山生態(tài)恢復(fù)的效果。

4 結(jié)論與討論

本文重點(diǎn)對(duì)案例地區(qū)廢棄礦山的生態(tài)恢復(fù)植被配置及恢復(fù)效果進(jìn)行研究，從已有的生態(tài)恢復(fù)種群植被模式中分離出7種模式，將其應(yīng)用在案例地區(qū)廢棄礦山的治理工程中，并得出如下結(jié)論：

(1)模式2下植被配比的物種豐富度和多樣性最高，表明此模式最適合案例地區(qū)廢棄礦山環(huán)境恢復(fù)工程使用。模式5和模式7排名最低的原因在于物種配比較為單一，進(jìn)而導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)速度較慢，無法在短時(shí)間內(nèi)形成較為完善的林地生態(tài)系統(tǒng)。

(2)經(jīng)過人工干預(yù)后廢棄礦山土壤中的速效鉀、速效氮和其他有機(jī)物的含量逐漸上升，其中豆科類植被對(duì)提高土壤中氮含量的影響效果最大。

(3)刺槐、苘麻、狗牙草和田菁等植物能夠有效降低土壤中重金屬含量，因此可將其作為廢棄礦山區(qū)域治理的先鋒植物。

由上述分析可以得知，不同的植被配置對(duì)廢棄礦山的生態(tài)恢復(fù)效果是存在差異的，因此在進(jìn)行廢棄礦山環(huán)境整治工程之前，應(yīng)當(dāng)明確地區(qū)土壤與周邊環(huán)境的特點(diǎn)，選擇合適的植被模式進(jìn)行整治，以期提高廢棄礦山環(huán)境治理的效率與質(zhì)量。