極端困難立地植被綜合恢復技術研究[J]

極端困難立地植被綜合恢復技術研究 王兵 1，趙廣東 1，蘇鐵成 2，白秀蘭 1，李剛 2 （ 1. 中國林業(yè)科學研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護研究所， 100091，北京； 2. 撫順礦務局林業(yè)處， 113004，遼寧撫順） 摘要 ：近年來，我國的森林覆蓋率大幅度提高，生態(tài)環(huán)境明顯改善，因此煤矸石山廢棄地極端困難立地的植被恢復問題成了今后造林的主要任務。為了篩選出適合煤矸石山廢棄地的造林樹種和復墾措施，在遼寧省撫順市，研究了 不同植物在煤矸石山造林成活率、土壤化學性質隨復墾年限的變化和復墾措施對土壤化學性質和植物胸徑、樹高年凈生長 量的影響。結果表明：（ 1）不同植物在煤矸石山廢棄地的成活率在 21%85%之間，其中白榆和沙打旺的成活率分別為 81%和 85%，而小葉楊、刺槐、欒樹的成活率均在 70%左右；（ 2）植被能明顯提高煤矸石山廢棄地不同土層的有機質、全 N、 P2O5 含量，但提高程度隨土層深度、養(yǎng)分種類和復墾年限的不同而不同；（ 3）在 同一土層，生物復合肥料、菌劑和保水劑均顯著提高土壤有機質含量（ p 0.01）并顯著降低土壤 P2O5 含量（ p 0.01）；只有 保水劑可引起土壤全 K 含量的明顯升高；（ 4） 生物復合肥料、菌劑和保水劑均顯著提高 白榆、 小葉楊、刺槐、欒樹 樹高和胸徑的年凈生長量，但保水劑的提高程度最高。 關鍵詞 ：端困難立地；植被恢復；技術 煤矸石是井工開采和洗煤排放的廢棄物 ， 迄今為止 ， 將其作為建筑和工業(yè)原料的直接利用率不到 20%12， 大量煤矸石不斷堆積形成矸石山。對煤矸石山而言，表層的風化矸石僅為 5 10cm，下部均為未風化的矸石，矸石中的含碳量大、地溫高，極易自燃，而且土壤的透水性強、蒸發(fā)量大，因此立地條件極端困難。全國現(xiàn)有矸石山 1500 多座 ， 占地約 10000hm2， 采礦活動及其廢棄物的排放，不僅占用甚至破壞土地資源，而且?guī)?來了一系列影響深遠的環(huán)境問題 3，如空氣、地表水、地下水和土壤質量的下降，生態(tài)系統(tǒng)退化，生物多樣性喪失，景觀受到破壞，農作物減產 4，并威脅到人體健康。因此礦區(qū)廢棄地的土地復墾一向為世界經濟發(fā)達國家所重視，而我國對礦區(qū)土地復墾和環(huán)境整治的重視較晚，目前土地復墾率僅 2%左右，與世界先進國家礦區(qū)土地復墾率達 65%以上相比，差別很大 5。 而對煤矸石山實施林業(yè)復墾 ， 進行造林綠化 ， 恢復植被 ， 建立起穩(wěn)定的人工植物群落是煤矸石山治理根本途徑和煤礦區(qū)生態(tài)重建的前提與核心 6。 但至目前為止 ， 盡管全國已有十幾座煤矸石 山得到綠化 ， 取得了初步成效并積累了一定的實踐經驗，但研究主要集中在煤矸石山的立地特征 1， 7、 適生植物種類選擇 813等方面，但不同復墾措施對植物生長和土壤化學性質的影響研究還不多見。 本文的研究內容主要包 王兵（ 1965），男，研究員，中國林業(yè)科學研究院森林生態(tài)環(huán)境研究所，主要從事生態(tài)系統(tǒng)關鍵過程長期觀測與模擬研究。 E-mail： 。 括：（ 1）不同植物在煤矸石山造林成活率的差別；（ 2）植被對不同復墾年限條件下土壤化學性質的影響；（ 3）不同復墾措施對土壤化學性質和植物胸徑、樹高年凈生長量的影響，以期為篩選出適合當?shù)孛喉肥綇U棄地的復墾措施提供基礎理論依據(jù)。 1 試驗地概況 研究區(qū)位于遼寧省撫順市東部，東經 123 39 125 28，北緯 41 41 4238 ， 屬北溫帶季節(jié)風性大陸氣候，平均溫度 4 7，極端最高溫度 39.6，極端最低溫度 -40.5，日照時數(shù) 2255 2517h， 10積溫 2900，無霜期 125 150d，降水量 700850mm，平均相對濕度 71%。實驗區(qū)海拔 180 200m，面積 1333hm2，地勢較起伏，相對高差在 5 10m 以內。實驗區(qū)表層于 1985 年停止排矸，區(qū)內煤矸石以綠頁巖、油頁巖為主要成分，另有少量表土、煤頁巖、凝灰?guī)r等。表層矸石粒徑為： 10mm 的石塊約占 75%， 110mm 的碎石礫約占 10%， 1mm 的石粉約占 15%。實驗區(qū)內除杠柳（ Periploca sepiun）為灌木外，其余 32 種植物均為弱生草類，總蓋度在 40%左右，分布不均，局部尚有裸巖分布。 2 材料與方法 2001 年 4 月，在遼寧省撫順市東矸石山選取 6.3hm2 廢棄地，根據(jù)煤矸石山立地條件的干燥、少土、地表溫度高等特點，從本地及省內其它干旱地區(qū)選擇了 紫花苜蓿 （ Medicago sativa）、 沙打旺 （ Astragalus adsurgens）、中國 沙棘（ Hippophae rhamnoides ssp. sinensis） 、刺 槐 （ Robinia pseudoacacia）、 樟子松 （ Pinus sylvestris var. mongolica）、 白蠟 （ Fraxinus chinensis）、 錦雞兒 （ Caragana sp.）、小葉楊（ Populus simonii）、白榆（ Ulmus pumila）、 欒樹 （ Koelreuteria panaiculata）、 日本落葉松 （ Larix kaempferi）、長白 落葉松 （ Larix olgensis）、胡枝子 （ Lespedeza bicolor）和文冠果 Xanthoceras sorbifolia）等 14 種喬、灌、草植物，除紫花苜蓿和沙打旺采用直播造林外，其余各樹種均采用 2a 生植苗造林，植苗穴規(guī)格為：坑口徑 50cm，坑深 50cm。因跡地有大量弱生草本植物殘體，所以造林前進行跡地整理。 2002年生長季節(jié)、 2003 年生長季節(jié)和 2004 年生長季節(jié)，對局部草本植物生長旺盛區(qū)域進行割草撫育。 2001 年 9 月，在 6.3hm2 廢棄地中， 14 種喬、灌、草植物各隨機選取 50 80 株，調查各自的造林成活率。根據(jù) 2001 年造林成活率調查結果，同時考慮到植被恢復演替的規(guī)律和將來的生態(tài)效益， 2002 年 4 月選擇小葉楊 、白榆、刺槐和欒樹為主要造林樹種，在 1.6hm2實驗標準地內，進行不同復墾措施的集約化經營試驗。在 1.7 hm2 實驗標準地中，應用保水劑、生物菌劑、生物復合肥料等 3 種措施的造林面積均為 4 000m2，對照標準地的造林面積為 4 000m2，裸地的面積為 1 000 m2。 2002 年 10 月、 2003 年 10 月和 2004 年 10 月，在實驗標準地內，從地表向下按 0 10、10 20、 20 30、 30 40、 40 50cm 等 5 個層次，分別進行挖取土樣，取樣數(shù)量為 30 50個點。 在國 家林業(yè)局森林生態(tài)環(huán)境重點實驗室，測定每個土樣的有機質、全 N、 P2O5 和全 K含量。有機質含量用重鉻酸鉀容量法測定 9，全 N 含量用微量凱氏定氮法測定，全 P 和全 K均采用原子吸收法測定 5。 2003 年 10 月和 2004 年 10 月，在 1.7hm2 實驗標準地中，各隨機選取不同復墾措施下的小葉楊、白榆、欒樹和刺槐 30 50 株，應用測樹學的方法，調查樹高和胸徑。 3 結果與分析 3.1 適宜煤矸石山廢棄地的植物種選擇 選擇優(yōu)良植物種是提高煤矸石山廢棄地植物復墾質量的關鍵。煤矸石山廢棄地立地條件差、高溫、高地熱、環(huán)境污染 嚴重，植物栽培時，應該選擇耐干旱貧瘠、抗污染、抗性強的鄉(xiāng)土植物種和歷經多年馴化適應的栽培植物種。根據(jù) 2002年 10月主要植物種成活率調查結果，不同植物在煤矸石山廢棄地的成活率在 21%85%之間。其中，白榆和沙打旺的成活率最高，分別為 81%和 85%；紫花苜蓿、小葉楊、刺槐、欒樹的成活率次之，分別為 76%、 71%、70%和 67%；而日本落葉松和華山落葉松的成活率最低，分別為 15%和 21%（表 1）。 表 1 主要植物種基本情況和成活率調查 Tab. 1 The survey of afforestation survival rate and plant growth condition of different plants 名稱 科名 性狀 根系 生長速度 種植方式 成活率 紫花苜蓿 豆科 多年生草本 側根發(fā)達 快 播種 76% 沙打旺 豆科 多年生草本 側根發(fā)達 快 播種 81% 圖 1 實驗標準地樹種不同配置模式和復墾措施 Fig. 1 Configuration patterns of tree species and reclamation measures in experimental plot 說明：圖 1 中，楊樹（小葉楊）、白榆、欒樹和刺槐帶狀混交。每帶 2 行，株行距均為 1.5m 1.5m。圖中 A、 B、 C 分別代表應用生物復合肥料、生物菌劑、保水劑 3 種不同的復墾措施； CK 代表對照實驗，下同。 名稱 科名 性狀 根系 生長速度 種植方式 成活率 沙棘 胡頹子科 落葉小喬木 根系發(fā)達 快 移栽 49% 刺槐 豆科 落葉灌木 深根 快 移栽 70% 樟子松 松科 常綠喬木 深根 中 移栽 38% 白蠟 木犀科 落葉喬木 深根 中 移栽 40% 錦雞兒 豆科 落葉灌 木 深根 中 移栽 28% 小葉楊 楊柳科 落葉喬木 深根 快 移栽 71% 白榆 榆科 落葉喬木 深根 中 移栽 85% 欒樹 無患子科 落葉喬木 深根 中 移栽 67% 日本落葉松 松科 落葉喬木 深根 慢 移栽 15% 長白落葉松 松科 落葉喬木 深根 慢 移栽 21% 胡枝子 豆科 落葉小灌木 深根 中 移栽 45% 文冠果 無患子科 落葉小灌木 深根 中 移栽 33% 3.2 植被對煤矸石山廢棄地土壤化學性質的影響 圖 2是未采用任何復墾措施，植被（圖 1中的 CK）復墾 第 1年和第 2年后 土壤與裸地土壤化學性質的對比分析。 可以看出，植物復墾能夠明顯改善煤 矸石山廢棄地的有機質、全 N、P2O5等養(yǎng)分含量，改善程度隨土壤層厚度和養(yǎng)分種類的改變而不同。在 0 10、 1020、 2030、3040、 40 50cm的不同土層厚度條件下，土壤中的有機質、全 N、 P2O5含量隨復墾年限的增加而增加，均表現(xiàn)為復墾第 2年 復墾第 1年 裸地，且兩兩之間差異極顯著（ p 0.01。但對土壤中的全 K含量而言，復墾第 1年和裸地之間的差異不顯著（ p 0.1），但復墾第 2年的土壤全 K含量要明顯低于復墾第一年和裸地土壤中的全 K含量（ p 0.01，說明土壤全 K含量隨復墾年限的增加而 呈現(xiàn)降低趨勢。） 0 . 02 . 04 . 06 . 08 . 01 0 . 01 2 . 00 10 10 20 20 30 30 40 40 50有機質（ %）0 . 01 . 02 . 03 . 04 . 05 . 06 . 07 . 00 10 10 20 20 30 30 40 40 50全氮 (g/kg)0 . 00 . 51 . 01 . 52 . 02 . 53 . 03 . 54 . 00 10 10 20 20 30 30 40 40 50土層厚度 S o i l D e p t h ( c m )P2O5 （%）裸地 復墾第 1 年 復墾第 2 年0 . 00 . 51 . 01 . 52 . 02 . 53 . 03 . 50 10 10 20 20 30 30 40 40 50土層厚度 S o i l D e p t h ( c m )全鉀（%）圖 2 植被對煤矸石山廢棄地土壤化學性質的影響 Fig. 2 Effects of vegetation on the soil chemical properties 3.2 不同復墾年限和復墾措施對土壤化學性質的影響 與對照相比較，不同復墾措施均可顯著提高土壤有機質含量（ p 0.01），但在同一土層，生物復合肥料對土壤有機質含量的提高程度最大，菌劑次之，保水劑最小。在復墾第 1年和復墾第 2 年，應用生物復合肥料、菌劑和保水劑的土壤兩兩間的有機質含量均有極顯著差異（ p 0.01），即 A B C。隨著復墾時間的延長，不同復墾措施對土壤有機質含量的提高程度逐漸減小，而在同一土層，以應用保水劑土壤 中的有機質含量的降低程度最低。 在復墾第 2 年，在同一土層，不同復墾措施均引起土壤中全 N 含量明顯降低，應用生物復合肥料、菌劑和保水劑的土壤全 N 含量降低的大小順序為 C B A，且土壤兩兩間的全 N 含量均有明顯差異（ p 0.05）。在復墾第 2 年，與對照相比較，保水 劑引起土壤全 N含量的降低程度最大，菌劑次之，生物復合肥料最??；而在復墾第 1 年，與對照相比較，只有保水劑引起土壤全 N 含量明顯降低，而生物復合肥料、菌劑對土壤全 N 含量的影響均不明顯。 與對照相比較，不同復墾措施均可明顯降低土壤 P2O5 含量（ p 0.01），無 論在復墾第 1年還是復墾第 2 年， 應用生物復合肥料、菌劑和保水劑的土壤全 N 含量降低的大小順序均為 C B A。 與對照相比，無論在復墾第 1 年還是復墾第 2 年， 應用生物復合肥料和菌劑均沒有引起土壤全 K 含量的明顯變化（ p 0.1），但保水劑卻引起了土壤全 K 含量的明顯升高。 3.4 不同復墾年限和復墾措施對主要樹種胸徑和樹高生長的影響 不同復墾措施，能夠明顯改善煤矸石山廢棄地主要造林樹種樹高、胸徑的年凈生長量（表3）。當應用生物復合肥料時，小葉楊、白榆、欒樹和刺槐胸徑的年凈生長量，分別比各自的對照提高了 31.0%、 34.5%、 6.5%、 5.2%；當應用生物菌劑時，小葉楊、白榆、欒樹和刺槐的胸徑，分別比各自的對照提高了 20.7%、 31.9%、 6.5%、 5.2%；當應用保水劑時，小葉楊、白榆、欒樹和刺槐的胸徑，分別比各自的對照提高了 93.1%、 55.2%、 23.8%、 23.3%。 當應用生物復合肥料時，小葉楊、白榆、欒樹和刺 槐樹高的年凈生長量，分別比各自的對照提高了 7.7%、 38.2%、 9.5%、 81.7%；當應用生物菌劑時，小葉楊、白榆、欒樹和刺槐的胸徑，分別比各自的對照提高了 3.8%、 26.5%、 9.5%、 81.6%；當應用保水劑時，小葉楊、白榆、欒樹和刺槐的胸徑，分別比各自的對照提高了 23.1%、 158.8%、 85.7%、 83.1%。顯然，與對照相比較，當使用保水劑時， 小葉楊、白榆、欒樹和刺槐胸徑和樹高年生長量提高程度均最高。 表 2 不同復墾年限和復墾措施對土壤化學性質的影響 Tab. 2 Effects of different reclamation measures and time on the soil chemical properties 化學性質 土層深度 （ cm） 復墾第 1 年 復墾第 2 年 CK A B C CK A B C 有機質 （） 010 5.16 10.62 7.65 7.09 10.77 18.46 12.59 11.73 1020 5.10 13.90 9.94 6.36 10.15 14.84 13.21 12.01 2030 5.14 14.06 12.92 6.53 7.33 14.12 11.36 8.53 化學性質 土層深度 （ cm） 復墾第 1 年 復墾第 2 年 CK A B C CK A B C 3040 4.15 15.51 13.65 5.16 9.74 16.03 13.58 11.33 4050 4.05 11.92 11.00 5.40 9.30 15.85 13.67 10.61 全 N （ g/kg） 010 4.52 4.32 4.57 3.93 5.85 4.94 4.19 3.72 1020 3.70 3.49 3.42 3.12 5.71 3.44 3.09 2.50 2030 4.26 4.03 4.19 3.26 5.24 4.18 3.43 3.01 3040 4.15 4.33 4.44 3.22 5.14 4.57 4.08 2.07 4050 4.06 3.96 4.11 3.09 6.38 3.67 3.89 2.10 P2O5 (%) 010 1.80 1.65 1.28 0.86 2.84 1.23 0.83 0.50 1020 2.75 2.13 1.63 1.16 3.34 1.49 1.09 0.72 2030 2.52 2.24 1.29 0.98 3.22 1.79 1.15 0.75 3040 2.18 1.74 1.39 1.01 1.63 2.10 1.04 0.64 4050 2.91 2.59 1.61 1.29 3.73 1.67 1.06 0.82 全 K (%) 010 2.04 2.29 2.22 3.69 1.26 1.35 1.28 2.79 1020 2.23 1.97 1.99 3.25 1.31 1.03 1.49 2.70 2030 2.44 2.22 1.98 3.15 1.10 1.19 1.15 1.87 3040 2.04 1.83 1.84 3.08 1.08 1.18 0.94 1.80 4050 2.19 1.65 1.56 2.86 1.58 1.37 1.12 2.41 表 3 2003 年 10 月 2004 年 10 月主要造林樹種胸徑生長和樹高生長情況調查表 Tab. 3 DBH and height growth survey of the main tree between October 2003 and October 2004 配套措施 胸徑增加 /cm 樹高增加 /m 小葉楊 白榆 欒樹 刺槐 小葉楊 白榆 欒樹 刺槐 A 0.38 1.56 1.97 1.22 0.28 0.47 0.69 1.29 B 0.35 1.53 1.97 1.22 0.27 0.43 0.69 1.29 C 0.56 1.80 2.29 1.43 0.32 0.88 1.17 1.30 CK 0.29 1.16 1.85 1.16 0.26 0.34 0.63 0.71 4 結論與討論 廢棄礦區(qū)生態(tài)恢復復 墾技術，主要包括物理、化學以及生物等 3 大類，但無論哪種類型，都應以最少的投入，最短的時間而且獲得最大的效益為前提。植物復墾技術是生物技術的重要方面，是恢復礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的必由之路 15。 在遼寧省撫順市煤矸石山廢棄地，白榆、沙打旺、小葉楊、刺槐、欒樹的成活率均在70%左右，適合于在煤矸石山廢棄地生長，與刺槐、小葉楊、旱柳（ Salix matsudana） 、大黃柳（ Salix raddeana） 、樟子松、白榆、小黑楊（ Populus simonii Populus nigra） 、垂柳（ Salix babylonica）、山皂角（ Gleditsia japonica） 、中國沙棘、胡枝子、紫穗槐（ Amorpha fruticosa）等 14較適宜于東北地區(qū)礦區(qū)的結論基本一致，但日本落葉松和長白落葉松的成活率，僅為15%和 21%，不適宜于撫順矸石山造林；樟子松的成活率僅為 31%，略高于日本落葉松和長白落葉松，但與在 20 年以上的矸石山上成功栽培樟子松的結論 16不太一致。可見，由于停止排矸的時間不同，矸石山土壤物理性質和化學性質有所不同，因此，不同煤矸石山的適宜復墾植物種不同。 有關研究表明，隨著復墾年限的增加，復 墾土壤有機質、全氮、有效磷均呈現(xiàn)逐年增加趨勢，土壤容重逐年下降，而土壤全磷、全鉀、速效鉀、土壤 pH 值、交換量， Cu、 Zn、Mn、 Fe 等微量元素的有效態(tài)含量變化不明顯 11。在遼寧省撫順市煤矸石山廢棄地的初步研究表明，不同 植物均能夠明顯提高煤矸石山廢棄地不同土層有機質、全氮、 P2O5 的含量。 許多研究證明，通過種植牧草和大量施用有機肥、化肥，可加速復墾土壤的熟化，促進土壤理化性狀逐年改善，土壤生產力得到提高 16。不同復墾區(qū)的有機質、 N、 P、 K 等養(yǎng)分含量、微生物總量、牧草產量等以種植豆科植物區(qū)禾本科區(qū)， 覆土 20cm 區(qū)覆土 10cm區(qū)不覆土區(qū) 17。在干旱半干旱區(qū)，使用蓄水袋造林明顯好于對照，造林成活率、苗木生長量與對照有明顯差異 19。通過添加土壤活性改良劑，可以提高種基盤基質的透水性和吸速率，降低其表面蒸發(fā)量，并能促進植物的地上部分生長 20。筆者對生物復合肥料、生物菌劑、保水劑對煤矸石山廢棄地土壤化學性質和植物生長進行了研究，這方面的研究在國內還很少見。雖然只是比較了復墾初期不同措施條件下樹種胸徑和樹高的差別，但已發(fā)現(xiàn)了植物復墾措施的重要地位。有關不同復墾措施下土壤理化性狀、植物的多方面生長指 標，將在今后進一步研究，以篩選出適合當?shù)孛喉肥綇U棄地的最佳復墾措施。 5 參考文獻 1 蘇光全，何書金，郭煥成 . 礦區(qū)廢棄地土地資源適宜性評價 J. 地理科學進展， 1998， 17（ 4）： 39-46 2 王孝本，林玉利 . 煤礦矸石山生態(tài)系統(tǒng)的演替 J. 國土與自然資源研究， 2000， 1：44-45 3 束文圣，張志權，藍崇鈺 . 中國礦業(yè)廢棄地的復墾對策研究（） J. 生態(tài)科學， . 2000