陳 虹，王普昶，王志偉，丁磊磊

(1.貴州省普定縣水務(wù)局，貴州 普定 562100；2.貴州省草業(yè)研究所，貴州 貴陽 550006)

石漠化區(qū)和采石場共性生態(tài)問題研究進(jìn)展

陳 虹1，王普昶2，王志偉2，丁磊磊2

(1.貴州省普定縣水務(wù)局，貴州 普定 562100；2.貴州省草業(yè)研究所，貴州 貴陽 550006)

采石場；石漠化區(qū)；生態(tài)恢復(fù)；共性生態(tài)問題；研究進(jìn)展

石漠化區(qū)和采石場都是涉及人類活動的經(jīng)濟(jì)環(huán)境問題的區(qū)域，其特征是基巖廣泛裸露、水土流失嚴(yán)重、土地貧瘠和植被稀缺，其本質(zhì)是土地生物潛能的衰減或喪失，其生境保水性和蓄水性差，滲漏性極強(qiáng)，導(dǎo)致機(jī)械性缺水頻繁，生物多樣性下降和缺失，遷入植物群落難以定居，自然恢復(fù)需要幾十至上百年的時間且很困難。當(dāng)前其生態(tài)恢復(fù)主要存在以下問題：普遍追求植被的快速恢復(fù)，側(cè)重于植被栽植技術(shù)的研究；大量使用外來物種導(dǎo)致的退化現(xiàn)象和潛在威脅鄉(xiāng)土生物多樣性；缺乏解除貧瘠和干旱等主要限制性因子的土壤微生物及動物添加類的土壤改良產(chǎn)品；極少見石漠化基巖裸露區(qū)恢復(fù)的研究；生態(tài)恢復(fù)成本過高、工藝復(fù)雜、效果欠佳。

1 石漠化區(qū)和采石場狀況

我國的喀斯特面積344萬km2(土層覆蓋巖石區(qū)、植被覆蓋巖石區(qū)和裸露巖石區(qū))，約占國土面積的36%，占全世界喀斯特面積(2 200萬km2)的15.6%；我國西南八省(區(qū))約有51萬km2的裸露巖石區(qū)，占西南八省(區(qū))土地面積的25.98%，其中貴州有12.66萬km2的裸露巖石區(qū)，占貴州土地面積的71.89%[1]。石漠化的結(jié)果是基巖的廣泛裸露，能在各種尺度水平上極大地影響著水文、土壤、生態(tài)和經(jīng)濟(jì)，引發(fā)更多的地質(zhì)災(zāi)害如干旱、洪水、滑坡和地陷，甚至在更大尺度上影響碳平衡和區(qū)域氣候，嚴(yán)重阻礙了當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)等的可持續(xù)發(fā)展[1-5]。我國在2008年開展了100個縣的飛播造林項(xiàng)目，并在2011年擴(kuò)展到200個縣[5]，各種研究與治理項(xiàng)目的實(shí)施使得石漠化面積整體減少7.4%，其中極重度和重度石漠化面積分別減少了41.3%和25.8%，然而還有12萬km2沒有恢復(fù)，這些地方的人口密度高達(dá)217人/km2，5 000萬人生活處于貧困線以下。因此，石漠化恢復(fù)治理仍任重道遠(yuǎn)。

還有一些地貌景觀特征與石漠化十分相似，如采石場。我國城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快和對建筑石料需求的增大，導(dǎo)致了可利用采石場和廢棄采石場數(shù)量的增加。國土資源公報顯示，我國有效的采礦許可證有10.06萬個，因石料的大量開采、無序的挖掘、尾礦廢渣廢石等所造成的水土流失和土地資源的破壞已超過400萬hm2[6]，且仍以每年4萬hm2的速度增加[7]。2012年以來，“礦山復(fù)綠”行動累計治理礦山3 310個，治理面積10.3萬hm2。雖然經(jīng)過治理，但當(dāng)今采石場總體仍具有規(guī)模大、數(shù)量多等特征[8]，全國土地復(fù)墾率不足12%，其中采石場的生態(tài)復(fù)墾率更低[9]。國土資源部數(shù)據(jù)顯示，截至2015年全國累計損毀土地303萬hm2，已完成治理恢復(fù)土地僅81萬hm2，治理率為26.7%，全國仍有約220萬hm2損毀土地沒有得到有效治理。貴州是我國石材資源大省，大理石資源尤為豐富，品種有50多種，特別是海貝花、黑木紋、白木紋、黃木紋、金絲白玉、紅龍玉等品種，國內(nèi)獨(dú)有，石材資源儲量超過100億m3，覆蓋63個縣(市、區(qū))。充足的資源、豐富的品種和優(yōu)越的品質(zhì)，使石材產(chǎn)業(yè)得到了快速發(fā)展，采石場數(shù)量迅速增加，規(guī)模不斷擴(kuò)大。目前處于脆弱的喀斯特生態(tài)中心的貴州省有許多采石場跡地等沒有得到有效治理恢復(fù)，特別是石灰石礦山的開采活動對地表植被、土壤、地形地貌等造成了極大的破壞與影響，使得碳酸鈣基巖裸露，原本的青山傷痕累累，由此產(chǎn)生的次生地質(zhì)災(zāi)害和對空氣、水體、土壤的污染及景觀破碎已經(jīng)成為貴州省生態(tài)文明建設(shè)的嚴(yán)重障礙。

2 強(qiáng)度石漠化區(qū)和采石場的共性特征

2.1 水土流失嚴(yán)重，基巖裸露，土壤貧瘠、生產(chǎn)力下降

石漠化區(qū)域采石場的表觀特征是基巖裸露、水土流失嚴(yán)重、植被稀缺、生態(tài)環(huán)境遭到嚴(yán)重破壞[10]，其本質(zhì)是土地生產(chǎn)力的下降和喪失[11]。而石漠化的結(jié)果是基巖的廣泛裸露[2]，實(shí)質(zhì)是土地生產(chǎn)力的下降和喪失[12]，本質(zhì)上是土地生物潛能的衰減或破壞[13]，涉及水土流失甚至廣泛的基巖暴露[5,14]，是土壤生產(chǎn)力的巨大降低[5]和一種典型的土地退化[14]。

2.2 導(dǎo)致水分短缺，生物多樣性下降和缺失

喀斯特石漠化地區(qū)因土壤淺薄、植被覆蓋率低、地表支離破碎和獨(dú)特的二元結(jié)構(gòu)導(dǎo)致保水性和蓄水性差，滲漏性極強(qiáng)[15]，造成臨時性干旱頻繁，而且由于降水的季節(jié)性不均，地表水利用困難，造成機(jī)械性缺水[16]。研究表明：隨著石漠化程度的加深，土壤呈現(xiàn)明顯的沙化現(xiàn)象，土壤容重逐漸增大，孔隙度、毛管持水量減小[17]，物種均勻度指數(shù)、豐富度呈遞減趨勢[18]，生物多樣性減少[19]。因此，喀斯特石漠化的負(fù)面環(huán)境影響之一就是水分短缺和生物多樣性降低[20]。采石場由于土壤和植被剝離導(dǎo)致生物多樣性銳減，且石漠化區(qū)廢棄采石場地質(zhì)結(jié)構(gòu)為石灰?guī)r，土壤貧瘠、土層薄，土壤不保水[21]，植物生長環(huán)境十分惡劣，加之開山采石對采石場山體植被和土壤結(jié)構(gòu)的毀滅性破壞，將采石場的生境變?yōu)樵愕?，?dǎo)致先鋒植物群落難以進(jìn)入，其他植物更是無法在此種惡劣生境條件下生長繁殖[21]。

2.3 導(dǎo)致與經(jīng)濟(jì)有關(guān)的生境破壞問題

人口和貧困水平強(qiáng)烈影響喀斯特石漠化[14]。雖然有研究認(rèn)為地下水土流失可能是石漠化的主導(dǎo)，但人類活動常常加速石漠化[4]，且人類活動在石漠化過程中扮演著重要角色。而采石場是為了滿足人類對石料的需求而進(jìn)行的開采活動。兩者均導(dǎo)致了與經(jīng)濟(jì)有關(guān)的生境破壞問題。

2.4 自然恢復(fù)漫長且很困難

廢棄采石場邊坡的群落演替開始于裸露巖石，其模式屬于原生演替，演替過程可以延續(xù)幾十年[22]。一般采礦廢棄地，單一依靠生物群落演替進(jìn)行生態(tài)恢復(fù)一般需要50～100年，而石漠化區(qū)域采石場自然環(huán)境惡劣，依靠自然恢復(fù)需要的時間遠(yuǎn)超過100年[10]。采石場自然恢復(fù)難度之大、時間之長顯然遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了人們的想象[21]。石漠化區(qū)石灰?guī)r形成土壤的速度是極緩慢的，風(fēng)化1 cm石灰?guī)r形成0.2 mm的土層需要超過100年的時間[23]，且土壤極易被重力、風(fēng)[24]和水移走。因此，我們需要適當(dāng)借助人力[21]，加快石漠化區(qū)和采石場的生態(tài)恢復(fù)。

3 國內(nèi)外理論與實(shí)踐研究

美國生態(tài)重建學(xué)會定義的生態(tài)恢復(fù)的概念為：將人類所破壞的生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)成具有生物多樣性和動態(tài)平衡的本地生態(tài)系統(tǒng)，其實(shí)質(zhì)是將人為破壞的區(qū)域環(huán)境恢復(fù)或重建成一個與當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境和諧的生態(tài)系統(tǒng)[25]。目前國內(nèi)外對生態(tài)恢復(fù)的理論進(jìn)行了廣泛的研究，并開展了相應(yīng)的實(shí)踐應(yīng)用。

3.1 限制性因子理論

自利比希最小因子定律提出以來，限制性因子被廣泛研究。楊波發(fā)現(xiàn)土壤種子庫是滇中廢棄采石場生態(tài)恢復(fù)的限制因子，對采石場進(jìn)行生態(tài)恢復(fù)的關(guān)鍵是在雨季來臨前人為引入土壤種子庫[21]。王瓊等采用層次分析法綜合評價對廢棄采石場生態(tài)治理影響最大的因子，首先是土壤有效深度，其次為土壤有機(jī)質(zhì)，然后依次為坡度、年降雨量、土壤質(zhì)地、土壤水分含量、地表破壞程度、土壤硬度、灌溉條件、改造難易程度和土壤pH值[26]。有研究者探索了最適合礦區(qū)植被生長的土層厚度，發(fā)現(xiàn)15 cm較為理想，并提出需要針對不同的植物類型進(jìn)行植被土層厚度的選擇，但也有人認(rèn)為復(fù)墾地的土層厚度和植物的生長沒有必然的聯(lián)系，他們發(fā)現(xiàn)在生長初期，土層較厚區(qū)域的植物生長速度和狀態(tài)并沒有超過土層較薄區(qū)域，在部分試驗(yàn)地，甚至出現(xiàn)了土層薄的區(qū)域的植物生長速度超過了土層厚的區(qū)域[27]。演替資源比率假說認(rèn)為，在演替初期，養(yǎng)分短缺，植物間競爭的主要是養(yǎng)分，而不是光照，這樣有利于那些個體較小的物種生存，并且生物量向根部的投入增加，以競爭到較多的養(yǎng)分[28]。因此，在恢復(fù)初期增加植被的養(yǎng)分供應(yīng)極有必要。石漠化地區(qū)和采石場的土壤瘠薄和臨時性干旱成為影響當(dāng)?shù)匦竽翗I(yè)發(fā)展和生態(tài)恢復(fù)的主要限制性因子[16]，因此一方面需要提高土壤保水性能、增加土壤養(yǎng)分，另一方面需要選擇水分和養(yǎng)分利用效率高的物種。

3.2 生態(tài)適應(yīng)性理論

鄉(xiāng)土物種和適應(yīng)性強(qiáng)的商業(yè)化物種能更好地適應(yīng)石漠化或采石場生境，而成為先鋒物種。也有報道認(rèn)為出于商業(yè)和應(yīng)用方便的考慮，一般多采用外來的草本植物，這樣形成的人工植被雖然早期效果不錯，但由于外來物種對惡劣環(huán)境的抗性較弱，生物群落穩(wěn)定性差，因此往往在短期內(nèi)出現(xiàn)植被退化現(xiàn)象[29]。目前，廢棄地植被選擇多數(shù)是在人為選定若干植物種的基礎(chǔ)上，通過植苗試驗(yàn)，選擇適生植物種。有人研究4種植入菌根的豆科植物在石灰石采石場的適宜性發(fā)現(xiàn)，植被恢復(fù)中涉及豆科植物時應(yīng)添加它們的微共生體[30]。有人在干旱地區(qū)石灰石采石場不同樹種植入AM菌根后發(fā)現(xiàn)，AM菌根能夠促進(jìn)植物對水和養(yǎng)分的吸收，并能增強(qiáng)植物抵抗高溫的能力，認(rèn)為AM菌根能夠促進(jìn)石灰石采石場廢棄地的恢復(fù)[31]。有人在石灰石采石場選擇了3種常綠硬葉灌木并輔以保水劑、肥料和接種菌根進(jìn)行恢復(fù)研究，發(fā)現(xiàn)保水劑和肥料適宜在植被恢復(fù)中使用[32]。楊旭等發(fā)現(xiàn)混交林的土壤水分、有機(jī)質(zhì)、速效磷和速效鉀含量均高于豆科純林，豆科純林土壤的全氮及速效氮含量均高于混交林，混交林的微生物總數(shù)、真菌、細(xì)菌、放線菌數(shù)量高于純林，而純林的固氮菌數(shù)量高于混交林[33]。曾慶飛等發(fā)現(xiàn)石漠化程度的強(qiáng)弱與真菌群落的復(fù)雜度和豐富度均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系[34]。王金華等發(fā)現(xiàn)根瘤菌能降低石漠化土壤的pH值，明顯提高土壤的有機(jī)質(zhì)、N、P、K等營養(yǎng)元素的含量，增加紅三葉相對葉綠素含量和生物量，促進(jìn)根系的生長，增加結(jié)瘤數(shù)量及根瘤的質(zhì)量[35]。李軍峰等的研究表明，苔蘚植物種數(shù)隨石漠化程度增強(qiáng)而降低，苔鮮植物具有較強(qiáng)的保水作用，可作為巖石表面的先鋒植物[36]。劉代軍等認(rèn)為叢枝菌根具有對礦質(zhì)營養(yǎng)和水分吸收能力強(qiáng)的特殊生理生態(tài)功能，接種叢枝菌根真菌后能進(jìn)一步擴(kuò)大桑樹對礦質(zhì)營養(yǎng)和水分的吸收與運(yùn)輸，減輕貧瘠干旱脅迫，加快土壤微生物群落構(gòu)建[37]。熊康寧等發(fā)現(xiàn)蜱螨目和彈尾目的抗干擾性、抗旱性較強(qiáng)，在石漠化凋落物的分解中充當(dāng)重要的角色，可作為改良土壤的動物[38]。

3.3 演潛理論

在“空間代替時間”的前提下，研究采石場的生態(tài)演替理論發(fā)現(xiàn)，廢棄采石場邊坡的群落演替開始于裸露巖石，其模式屬于原生演替，其演替過程通常為：由禾本科和菊科的草本作為先鋒植物構(gòu)成早期階段的草本群落，繼而出現(xiàn)陽性或者旱生型的灌木群落、喬木群落，隨著林下郁閉度的增加，部分陽性植物逐漸被耐陰植物取代而退出演替，最后耐陰的喬木群落重新侵入，演替序列為裸巖→先鋒草本群落→草灌群落→簡單的復(fù)合群落→高級復(fù)合群落[22]。

3.4 熱力學(xué)定律

梁建華發(fā)現(xiàn)，常綠和落葉樹種的比例將近3∶1時，季節(jié)性落葉可保證有機(jī)質(zhì)的來源充分，根瘤固氮作用也可改善巖質(zhì)邊坡的巖土性質(zhì)，為其他喬灌草提供良好的生境條件[39]?？萋湮锏漠a(chǎn)生和翻覆增強(qiáng)營養(yǎng)和有機(jī)質(zhì)匯入土壤[40]?？萋湮锾岣咄寥辣Ｋ裕⑸锕痰?、分解枯枝落葉和提高養(yǎng)分的有效性，土壤中的環(huán)節(jié)動物提高肥力，進(jìn)一步促進(jìn)植物生長，就形成了小尺度的能量循環(huán)。

3.5 種群密度制約及分布格局理論

密度制約原理在植物中主要表現(xiàn)為自疏和他疏[41]。有學(xué)者研究了鄉(xiāng)土植物種組合的播種密度，發(fā)現(xiàn)種子密度太高不能產(chǎn)生更高的植被蓋度[42]。

3.6 生態(tài)位理論

在植物生活史中，從種子萌發(fā)到幼苗成活是其成功定居極為關(guān)鍵的時期，常受到光照、溫度、水分和其他生物等因素的影響和制約，而利用護(hù)理植物能夠提高目標(biāo)物種定居機(jī)率[43]。喬木與灌草更有利于盡早形成林地環(huán)境[44]。在華南地區(qū)采石場植被恢復(fù)的實(shí)踐中，往往在石壁的下部選擇草灌相結(jié)合，在石壁部分，若土壤條件不夠好，則多種藤、草。梁啟英等提出品種的配搭要注意“三結(jié)合”，即固氮植物與非固氮植物結(jié)合，淺根植物與深根植物結(jié)合，上繁植物與下繁植物(貼地生)結(jié)合等，在巖石坡上，藤本著生攀援；在巖土坡切溝，草與樹混種；在巖土坡底部，多樹種混交，取得了采石取土場植被恢復(fù)的成功[45]。

3.7 生物多樣性理論

生物多樣性可促進(jìn)恢復(fù)的生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定，故引進(jìn)物種時強(qiáng)調(diào)生物多樣性。

3.8 綴塊-廊道-基底理論

利用現(xiàn)成的石漠化和采石場創(chuàng)造景觀。早在中國古代采石廢棄地的改造就出現(xiàn)了，浙江紹興的東湖漢代開采，隋代擴(kuò)大，清代筑堤逐漸改造成風(fēng)景名勝，在世界廢棄地恢復(fù)史上占顯著地位[46]。近年，貴州出現(xiàn)的喀斯特公園和地質(zhì)公園也是此理論的應(yīng)用。

3.9 自我設(shè)計與人為設(shè)計理論

自我設(shè)計理論認(rèn)為，只要有足夠的時間，隨著時間的推移，退化生態(tài)系統(tǒng)將根據(jù)環(huán)境條件合理地組織自己并會最終改變組分。該理論把恢復(fù)放在生態(tài)系統(tǒng)層次考慮而未考慮缺乏種子庫的情況，其恢復(fù)的只能是環(huán)境決定的群落。隨著生態(tài)恢復(fù)的進(jìn)行，一年生植物的重要值逐漸減小，多年生植物和灌木的重要值逐漸增大。喬木在生態(tài)恢復(fù)的后期雖有零星出現(xiàn)，但所占的比重始終很小，這說明在當(dāng)?shù)氐V區(qū)進(jìn)行生態(tài)恢復(fù)時僅憑自然力幾年內(nèi)難以恢復(fù)成森林生態(tài)系統(tǒng)，要想恢復(fù)成生態(tài)功能更強(qiáng)的森林生態(tài)系統(tǒng)，采取一定的人工措施是必要的[47]。而人為設(shè)計理論把恢復(fù)放在個體或種群層次上考慮，通過工程方法和植物重建可直接恢復(fù)退化生態(tài)系統(tǒng)，但恢復(fù)的類型可能是多樣的。這一理論把物種的生活史作為植被恢復(fù)的重要因子，并認(rèn)為通過調(diào)整物種生活史的方法就可加快植被的恢復(fù)。在一些發(fā)達(dá)國家，諸如美國、英國、德國和日本等，較早開始石質(zhì)陡坡綠化，并研究出一系列綠化工程技術(shù)，如客土噴播、種子噴播、水泥框格、植生袋綠化、厚層基材護(hù)坡噴射綠化、生態(tài)多孔混凝土綠化和客土袋液壓噴播植草等[48]，均是人為設(shè)計理論的應(yīng)用。

4 當(dāng)前生態(tài)恢復(fù)存在的主要問題

目前為止，國內(nèi)的生態(tài)恢復(fù)技術(shù)還不完善，一些發(fā)達(dá)國家通過長期的理論研究和工程實(shí)踐，已經(jīng)形成了較為完整、系統(tǒng)的理論和技術(shù)體系，而國內(nèi)的技術(shù)發(fā)展則相對滯后[39]。

4.1 植物種植模式單一

生態(tài)恢復(fù)技術(shù)在我國發(fā)展時間還不長，治理中普遍追求植被的快速恢復(fù)，側(cè)重于植被栽植技術(shù)的研究[6]，植物種植模式單一。

4.2 大量使用外來物種

出于商業(yè)和應(yīng)用方便考慮，多采用外來的草本植物，這樣形成的人工植被雖然早期效果不錯，但一些外來物種對惡劣環(huán)境的抗性較弱，生物群落穩(wěn)定性差，往往在短期內(nèi)會出現(xiàn)植被退化現(xiàn)象[29]；一些外來物種適應(yīng)性過強(qiáng)，對本地生物多樣性存在潛在威脅，如雙穗雀稗等。

4.3 缺乏土壤改良產(chǎn)品

有報道認(rèn)為，土壤有機(jī)質(zhì)含量、氮含量、毛管持水量、容重和孔隙度與植物多樣性具有明顯的相關(guān)性，在改善土壤理化性質(zhì)和促進(jìn)植物多樣性恢復(fù)方面起著關(guān)鍵作用，土壤養(yǎng)分狀況與植物生長密切相關(guān)，根據(jù)不同石漠化程度土壤養(yǎng)分狀況，應(yīng)該采用針對性施肥的方法來治理石漠化[18，49]。貧瘠和干旱是生態(tài)恢復(fù)的主要限制性因子，因此一方面需要提高保水性能、增加養(yǎng)分供應(yīng)，另一方面需要選擇水分和養(yǎng)分利用效率高的物種。而土壤改良產(chǎn)品方面的研發(fā)僅見施用石灰、石灰石粉和商用土壤調(diào)理劑能提高水稻產(chǎn)量10%左右的報道[50]。

4.4 缺乏石漠化基巖裸露區(qū)恢復(fù)的研究

從大量的文獻(xiàn)或圖片可發(fā)現(xiàn)，基巖裸露區(qū)生態(tài)恢復(fù)研究多出現(xiàn)在采石場，而石漠化恢復(fù)研究則多見于有土層的石漠化地區(qū)，缺乏石漠化基巖裸露區(qū)恢復(fù)的研究。

4.5 恢復(fù)成本高

采石場與強(qiáng)度石漠化區(qū)不僅生態(tài)恢復(fù)成本過高、工藝復(fù)雜、效果欠佳，而且治理過程及后期的運(yùn)營與維護(hù)都需要大量投入[51]。有些干脆自然恢復(fù)，如禁牧、封山育林等，但通常而言自然恢復(fù)所需時間更長，這與現(xiàn)實(shí)需要的生態(tài)恢復(fù)效果和速度不相稱。

(致謝：王普昶研究員對文章結(jié)構(gòu)提出了建設(shè)性的意見，在此感謝！)

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(責(zé)任編輯 孫占鋒)

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31602005)

S157.2

A

1000-0941(2017)09-0012-05

陳虹(1989—)，女，貴州晴隆縣人，助理工程師，學(xué)士，主要從事水保與水利工程管理工作；通信作者丁磊磊(1987—)，男，新疆瑪納斯縣人，助理研究員，碩士，主要從事喀斯特資源利用與生態(tài)管理研究。

2017-03-10