桂林石灰?guī)r礦山采損巖質(zhì)邊坡復(fù)綠植物的優(yōu)選研究

周 航 梁德賢，2 唐久龍 胡駿鵬 龐淇元 葉立志 韋建行 肖麗鳳

（1.桂林理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院；2.自然資源部南方石山地區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境修復(fù)工程技術(shù)創(chuàng)新中心）

礦山長(zhǎng)期無序、野蠻開采形成了大量裸露巖質(zhì)邊坡，破壞了原有的植被覆蓋層，進(jìn)一步加重了水土流失、滑坡、泥石流的發(fā)生，因此礦山生態(tài)環(huán)境修復(fù)刻不容緩。生態(tài)修復(fù)過程中達(dá)到的理想狀態(tài)一般是植物與環(huán)境之間相互促進(jìn)協(xié)同進(jìn)化，然而植物的選擇直接影響協(xié)同進(jìn)化的關(guān)系，因此合理選擇植物十分重要［1］。

國內(nèi)外對(duì)特定區(qū)域或限定條件范圍下植物選擇研究頗多，而研究方法多是基于實(shí)驗(yàn)探究的定量分析。田宇等［2］針對(duì)黃岡市露天礦山提出選擇復(fù)綠植物需要遵循“因地制宜”的生態(tài)原則、鄉(xiāng)土樹種優(yōu)先原則和生物多樣性原則。白光宇等［3］認(rèn)為在選擇復(fù)綠植物時(shí)，如果鄉(xiāng)土植物無法滿足要求，可以適當(dāng)引進(jìn)適應(yīng)能力強(qiáng)的優(yōu)良植物品種。層次分析法是一種定性和定量相結(jié)合、系統(tǒng)化和層次化的分析方法，其應(yīng)用思路為將植被生長(zhǎng)所需的溫度、光照、水分和土壤進(jìn)行排序，經(jīng)綜合分析來決定種復(fù)綠植被［4］。這與人們對(duì)某一復(fù)雜決策問題的思維與判斷過程大體一致［5］。牛鵬飛［6］提出在進(jìn)行桂林石灰?guī)r采礦場(chǎng)植被恢復(fù)時(shí)，應(yīng)選取當(dāng)?shù)厣L(zhǎng)能力較強(qiáng)的植物。韋銀澤［7］選用小葉女貞樹、爬山虎和草籽等復(fù)綠植被，采用灌草結(jié)合的方式對(duì)桂林荔浦某石灰?guī)r礦山采損區(qū)進(jìn)行復(fù)綠。劉詩云等［8］選用爬山虎種植在坡腳的方式對(duì)桂林永福石灰?guī)r礦山采損區(qū)進(jìn)行掩蓋復(fù)綠。盤小新［9］認(rèn)為桂林某石灰?guī)r礦山采損區(qū)應(yīng)采用播撒草籽方式進(jìn)行生態(tài)復(fù)綠。可以看出，現(xiàn)有的對(duì)桂林石灰?guī)r礦山采損生態(tài)脆弱區(qū)的復(fù)綠植物選擇與配置研究?jī)H僅停留在經(jīng)驗(yàn)，很少采用統(tǒng)計(jì)決策方法進(jìn)行復(fù)綠植物的選擇，建立完整的復(fù)綠植物選擇與配置流程。

本文針對(duì)桂林市礦山采損巖質(zhì)邊坡土壤貧瘠、溫度高、水土流失嚴(yán)重等特點(diǎn)，建立了巖質(zhì)邊坡生態(tài)修復(fù)植物評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，以野外調(diào)查得到的鄉(xiāng)土植物為研究對(duì)象，運(yùn)用層次分析法和TOPSIS法進(jìn)行草本植物、灌木、喬木及藤本植物的優(yōu)選。

1 區(qū)域概況

研究區(qū)位于廣西的東北部，南嶺山系西南部區(qū)域，包括臨桂、靈川2個(gè)縣份以及桂林市區(qū)的部分廢棄礦山采損巖質(zhì)邊坡。該區(qū)屬于中亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)的桂東北北部氣候區(qū)，光照充足，年日照時(shí)數(shù)在1 300～1 600 h；年平均氣溫17.8～20.2℃，1月最冷，平均氣溫5～9℃，最低氣溫-3.0～-7.5℃。7月最熱，平均氣溫26～29℃，最高氣溫38.3～40.4℃；雨量充沛，年平均降水日數(shù)166 d，年平均降雨量1 820.5～2 004.4 mm，年平均蒸發(fā)量為1 490～1 905 mm，年平均相對(duì)濕度76%。雨熱同季，氣候溫和濕潤(rùn)，水熱條件皆良好，夏長(zhǎng)冬短，適宜植物生長(zhǎng)發(fā)育。

研究區(qū)域內(nèi)礦山采損巖質(zhì)邊坡原生植物多為草本、灌木及喬木。區(qū)內(nèi)土壤貧瘠，主要土壤類型為石灰土和紅壤土，其均缺少部分植物生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)成分；區(qū)內(nèi)各邊坡特征不同，有許多陡坡種植難度大，植物生長(zhǎng)環(huán)境艱苦；區(qū)內(nèi)全年溫度較高，大多植物難以完成群落演替。基于各種自然地質(zhì)環(huán)境條件，需要設(shè)定不同的要求以選擇植物優(yōu)勢(shì)種，完成群落演替，最終達(dá)到礦山修復(fù)目的。

2 研究方法

2.1 野外調(diào)查方法

本研究利用樣方法對(duì)研究區(qū)進(jìn)行野外踏勘調(diào)查。對(duì)每一個(gè)邊坡選取2～3個(gè)樣方，總共調(diào)查了38個(gè)巖質(zhì)邊坡并設(shè)置了94個(gè)大小不一的樣方，采集植物的株數(shù)、每株植物遮陰面積、植物遮陰總面積和取樣面積等數(shù)據(jù)，運(yùn)用App詳細(xì)記錄植物的種類、長(zhǎng)勢(shì)、生態(tài)特征等植物信息。對(duì)于無法確定的植物種類，現(xiàn)場(chǎng)拍照記錄采集葉片標(biāo)本后帶回室內(nèi)，對(duì)照廣西植物志進(jìn)行鑒定。

將采集到的所有信息按照植被類型分類整合處理，計(jì)算植物的密度（株/m2）、株數(shù)/叢數(shù)、平均蓋度（%）、相對(duì)優(yōu)勢(shì)度以及不同植物類型中喬木、藤本、灌木和草本植物的重要值等指標(biāo)，根據(jù)植物群落優(yōu)勢(shì)種測(cè)度公式［10］計(jì)算得到群落物種優(yōu)勢(shì)種數(shù)量，并最終排序得到各種類植物的優(yōu)勢(shì)種。

2.2 植物選擇方法

運(yùn)用層次分析法確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)因子的權(quán)重，運(yùn)用TOPSIS法得到各植物的綜合評(píng)分，將評(píng)分排序得到桂林石灰?guī)r礦山采損巖質(zhì)邊坡復(fù)綠植物的優(yōu)勢(shì)種。

2.2.1 層次分析法

根據(jù)研究區(qū)的生態(tài)環(huán)境特征確定評(píng)價(jià)指標(biāo)因子，結(jié)合研究區(qū)的自然地質(zhì)環(huán)境情況確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重。

2.2.1.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)因子的確定

由于裸露的巖質(zhì)邊坡缺少土、水、肥等植物生存的基本條件，在其生態(tài)治理過程中，要求選擇的植物能夠在惡劣環(huán)境中正常生長(zhǎng)，它們常具有耐旱、耐高溫、耐貧瘠、耐寒、耐鹽堿、耐污染等特點(diǎn)［11］。結(jié)合桂林市自然環(huán)境特征，查閱文獻(xiàn)、咨詢植物學(xué)專家，最終確定主準(zhǔn)則層的四大準(zhǔn)則：抗逆性、生物特性、經(jīng)濟(jì)價(jià)值和景觀價(jià)值；指標(biāo)層的耐旱性、耐貧瘠性和光照強(qiáng)度3項(xiàng)隸屬于準(zhǔn)則層的抗逆性，覆蓋度、根系固土能力和植物密度3項(xiàng)隸屬于準(zhǔn)則層的生物特性，種苗價(jià)值、栽種價(jià)值2項(xiàng)隸屬于準(zhǔn)則層的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，景觀效果隸屬于準(zhǔn)則層的景觀價(jià)值。

2.2.1.2 建立AHP層次結(jié)構(gòu)模型

確定指標(biāo)因子后，構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)模型，見圖1。

2.2.1.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重確定

在礦山巖質(zhì)邊坡原生植物的調(diào)查中，針對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)，覆蓋度和植物密度可由數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得到，而其他7個(gè)指標(biāo)的量化數(shù)據(jù)要根據(jù)專家打分、問卷調(diào)查和查閱文獻(xiàn)3種方法綜合確定。首先對(duì)各元素利用Saaty1～9標(biāo)度法兩兩對(duì)比打分構(gòu)建判斷矩陣，再對(duì)矩陣分別進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，最終用特征值法得到各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重值。主觀賦值法主觀性較強(qiáng)，但層次分析法運(yùn)用數(shù)學(xué)分析的方法對(duì)權(quán)重進(jìn)行了修正，降低了主觀影響，使權(quán)重結(jié)果更科學(xué)合理［12］。

2.2.2 TOPSIS法

采用優(yōu)劣解距離法（TOPSIS）計(jì)算評(píng)價(jià)對(duì)象的綜合評(píng)分。TOPSIS法是一種接近理想解的排序方法。首先根據(jù)各評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)每一個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象進(jìn)行打分建立原始數(shù)據(jù)矩陣，其次將得到的矩陣標(biāo)準(zhǔn)化處理，找到所有方案中的最優(yōu)方案和最差方案，獲得各評(píng)價(jià)對(duì)象與最優(yōu)、最差方案的距離，最后計(jì)算各評(píng)價(jià)對(duì)象與最優(yōu)方案的相對(duì)接近度，結(jié)合各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重獲得最終評(píng)分［13］。該法能夠充分利用原始數(shù)據(jù)的信息，結(jié)果能精確地反映各評(píng)價(jià)方案之間的差距。

根據(jù)各評(píng)價(jià)指標(biāo)內(nèi)容，桂林市巖質(zhì)邊坡原生植物調(diào)查情況綜合制定評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)。每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)分為3個(gè)等級(jí)，分別為優(yōu)、良和差，對(duì)應(yīng)分值為7、4和1分。具體復(fù)綠植物選擇評(píng)價(jià)指標(biāo)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)見表1。

3 復(fù)綠植物優(yōu)勢(shì)種選擇

3.1 植被的組成

根據(jù)樣方調(diào)查資料統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，研究區(qū)內(nèi)的植物共計(jì)143種，隸屬于56科115屬，豆科植物種占總數(shù)的11%，菊科和禾本科分別占總數(shù)的10%和8%。根據(jù)調(diào)查結(jié)果統(tǒng)計(jì)，草本植物種類最多，有61種，占總數(shù)的43%；其次是灌木植物種，有50種，占總數(shù)的35%；喬木植物種有20種，占總數(shù)的14%；灌木植物種最少，只有12種，僅占總數(shù)的8%。

整理野外調(diào)查數(shù)據(jù)可以得出，鬼針草和狗尾草密度均大于100株/m2，其中87種植物密度小于1株/m2，有54種植物密度在1～100株/m2；牡荊頻度最高為0.531 9，其余植物頻度均小于0.5。有17種植物頻度在0.1～0.5，余下的125種植物頻度均小于0.1，最小為0.010 6；種間優(yōu)勢(shì)度野菊最高為12.58，其次是牡荊和鬼針草。有19種植物優(yōu)勢(shì)度大于1，有63種植物優(yōu)勢(shì)度在0.1～1，剩下61種植物優(yōu)勢(shì)度小于1。

經(jīng)過對(duì)野外調(diào)查結(jié)果計(jì)算處理得到不同種植物特征，見圖2。

3.2 復(fù)綠植物優(yōu)選

3.2.1 各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

各判斷矩陣權(quán)重值如表2～表5所示，4個(gè)判斷矩陣CR值均小于1，滿足一致性檢驗(yàn)。采用圖1建立的植物選擇評(píng)價(jià)體系，各指標(biāo)權(quán)重值如表6所示。

3.2.2 各評(píng)價(jià)對(duì)象綜合得分

通過查閱文獻(xiàn)以及咨詢植物專家對(duì)各評(píng)價(jià)對(duì)象按照復(fù)綠植物選擇評(píng)價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)分，結(jié)合各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重計(jì)算得到各復(fù)綠植物的綜合得分指數(shù)并排序，詳細(xì)結(jié)果見圖3。

根據(jù)綜合得分指數(shù)來看，得分指數(shù)較高的植物為桂林市礦山巖質(zhì)邊坡適宜復(fù)綠植物。可以看出適宜的草本復(fù)綠植物為狗尾草（0.052 1）、艾（0.052 1）、鬼針草（0.048 1）、黃茅（0.046 4），適宜的灌木復(fù)綠植物為牡荊（0.072 5）、苧麻（0.062 2）、雙莢決明（0.06）、檵木（0.06），適宜喬木復(fù)綠植物為構(gòu)樹（0.153 4）、山槐（0.113 3），適宜的藤本復(fù)綠植物為葛（0.144 2）、絡(luò)石（0.118 5）。

3.3 復(fù)綠植物優(yōu)勢(shì)種

通過計(jì)算得到桂林市礦山巖質(zhì)邊坡復(fù)綠植物的優(yōu)勢(shì)種有12種（圖4），草本植物的優(yōu)勢(shì)種有鬼針草（11.7%）、狗尾草（9.3%）、野菊（4.97%）、黃茅（4.04%），灌木植物的優(yōu)勢(shì)種有牧荊（7.2%）、紅葉山麻桿（3.58%）、苧麻（2.66%）、野桐（2.41%），喬木的優(yōu)勢(shì)種有構(gòu)樹（1.85%）、花椒（0.67%），藤本的優(yōu)勢(shì)種為龍須藤（2.79%）、地錦（0.6%）。

對(duì)比復(fù)綠植物優(yōu)勢(shì)種和復(fù)綠植物評(píng)分結(jié)果，兩者相差不大，說明本方法運(yùn)用在植物選擇中可行。綜合二者結(jié)果，最終選定狗尾草、鬼針草、黃茅、藎草、牡荊、野桐、苧麻、雙莢決明、構(gòu)樹、山槐、絡(luò)石和龍須藤12種植物作為桂林市礦山巖質(zhì)邊坡復(fù)綠植物。

4 結(jié)語

通過對(duì)桂林市石灰?guī)r礦山采損巖質(zhì)邊坡周邊的原生植物特征的調(diào)查分析，了解到研究區(qū)主要的植物有56科115屬143種，基本形成了喬、灌、草搭配的生長(zhǎng)模式。利用層次分析法從抗逆性、生物特性、經(jīng)濟(jì)價(jià)值及景觀價(jià)值4個(gè)方面為礦山生態(tài)修復(fù)鄉(xiāng)土植物選擇提供科學(xué)依據(jù)；利用TOPSIS法對(duì)植物進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)并得到綜合評(píng)分，最終針對(duì)桂林石灰?guī)r礦山的巖質(zhì)邊坡的特點(diǎn)以及桂林市自然環(huán)境特征選擇了狗尾草、鬼針草、黃茅、鳳尾蕨、荊條、野桐、苧麻、牡荊、構(gòu)樹、榆樹、地錦和葛作為復(fù)綠植物進(jìn)行生態(tài)修復(fù)工作。