王 艷, 王敏超, 代保清

(1. 沈陽師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院, 沈陽 110034; 2. 沈陽市園林科學(xué)研究院, 沈陽 110000)

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資源與環(huán)境

東北煤矸石礦山生態(tài)恢復(fù)的植物選擇探析

王 艷1, 王敏超1, 代保清2

(1. 沈陽師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院, 沈陽 110034; 2. 沈陽市園林科學(xué)研究院, 沈陽 110000)

煤礦開采后形成的煤矸石山帶來了非常嚴(yán)重的生態(tài)問題,國內(nèi)外都對煤矸石山生態(tài)恢復(fù)開展了研究與實踐。分析了煤矸石山的環(huán)境特點及對植物存活與生長的限制因子,包括缺乏正常的土壤結(jié)構(gòu)、煤矸石自燃導(dǎo)致的溫度升高、pH降低、重金屬含量增高等。概述了國內(nèi)外煤矸石礦山恢復(fù)的研究與實踐。煤矸石礦山的生態(tài)恢復(fù)要遵循生態(tài)學(xué)規(guī)律,既要注重構(gòu)建土壤基質(zhì),又要篩選適宜此類生境的植物,而且要注重提高生物多樣性,使人工構(gòu)建的群落能夠穩(wěn)定生長并逐漸達(dá)到平衡。探討了煤矸石礦山生態(tài)恢復(fù)植物選擇的一般原則,總結(jié)了可供東北地區(qū)煤矸石礦山生態(tài)恢復(fù)選擇的植物種類,并對未來煤矸石生態(tài)恢復(fù)應(yīng)該開展的研究工作提出了展望。

煤矸石; 限制因素; 生態(tài)恢復(fù); 植物選擇

0 引 言

我國是煤炭生產(chǎn)和使用大國,因煤炭開采及洗煤排放廢棄物形成的煤矸石山數(shù)量眾多,據(jù)不完全統(tǒng)計,我國的國有煤礦現(xiàn)有矸石山1 500余座,累計堆積量高達(dá)30億噸,占地5 000 hm2[1],且其堆積量還以每年上億噸的速度在增加[2]。這些廢棄矸石山帶來的較為嚴(yán)重的生態(tài)問題,具體表現(xiàn)在:采礦和矸石堆積對土壤和植被的破壞、矸石山釋放SO2和H2S等有毒有害氣體、揚(yáng)塵、容易坍塌、發(fā)熱爆炸等,其淋溶出的重金屬等有毒有害物質(zhì)進(jìn)入河流和農(nóng)田會危害周圍的樹木和農(nóng)作物,危害糧食安全,甚至可導(dǎo)致糧食絕收、寸草不生,酸性礦水排入水體后使水體中的魚蝦絕跡,從而使生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)受損、功能退化,最終危害人的身體健康,并成為制約礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展的重要問題。因此,煤礦區(qū)的生態(tài)恢復(fù)和重建成為了一個重要的研究領(lǐng)域。

煤矸石山的生態(tài)恢復(fù)一般包括土地整形、土壤重建、植被恢復(fù)等幾個過程[3],其中植被的恢復(fù)是一個非常重要的環(huán)節(jié)。由于煤矸石礦山的各項生態(tài)因子嚴(yán)重惡化,具有許多不適宜植物生長的客觀條件,因此合適的植物選擇對于礦區(qū)的生態(tài)恢復(fù)具有至關(guān)重要的意義。矸石山的植被恢復(fù)要考慮一些相關(guān)的生態(tài)學(xué)原理,包括矸石山對植物存活的限制因子分析、植物的生態(tài)適應(yīng)性分析、生物多樣性理論、群落演替理論、景觀生態(tài)學(xué)的相關(guān)理論等。在中國的東北地區(qū),煤矸石礦山較多,且所處地區(qū)具有特殊的氣候和環(huán)境特點,在煤矸石礦生態(tài)恢復(fù)時所能選擇的植物方面更具有特殊的限制性和區(qū)域性特征,本文將對東北地區(qū)煤矸石礦山生態(tài)恢復(fù)植物種類選擇等相關(guān)問題進(jìn)行探討,從而為相關(guān)研究和生產(chǎn)實踐提供指導(dǎo)。

1 煤矸石礦制約植物生長的限制因子分析

煤矸石山是由煤炭開采過程中廢棄的大塊石礫或塊石長期堆放后形成的。對植物來說矸石山的生態(tài)環(huán)境條件極端惡劣,近似于原生裸地,分析其制約植物存活的主要問題在于以下幾個方面:

第一,煤矸石塊及其風(fēng)化物之間空隙大,沒有正常的土壤結(jié)構(gòu),矸石塊不能有效保持水肥,固、液、氣三相的比例失調(diào),作為植物生長基質(zhì)的矸石的營養(yǎng)和水分等極端貧瘠,導(dǎo)致植物存活與生長困難。

第二,煤矸石中含有的黃鐵礦(FeS2)與氧氣接觸后氧化,生成硫酸鹽類、釋放熱量,從而引起煤矸石中殘存的煤自燃,導(dǎo)致矸石基質(zhì)的溫度升高、pH值降低、鹽分含量升高等問題的出現(xiàn)。喜酸微生物的作用能增加黃鐵礦的氧化速度,從而進(jìn)一步降低矸石山的pH值。降雨的淋溶作用也可導(dǎo)致類似問題,相關(guān)研究發(fā)現(xiàn),煤矸石經(jīng)過風(fēng)化和雨水淋溶之后,含鹽量升高,pH可下降到3.5,鋁離子的含量、硫酸鹽和硝酸鹽含量均大幅度增加。這些因素十分不利于植物生長,甚至可導(dǎo)致植物死亡。

第三,煤矸石中含有重金屬成分,包括Cu、Pb、Cd、Zn、Hg、As等,這些重金屬在酸性條件下溶解量加大,隨著降水流入周圍的水體和土壤,帶來環(huán)境風(fēng)險,對矸石山上的植物則產(chǎn)生更加直接的毒害作用。

綜上所述,煤矸石礦山具有諸多不利于植物定居、生長的客觀因素,如果依靠自然恢復(fù),煤矸石礦山可能需要經(jīng)過幾十年甚至上百年的時間才能出現(xiàn)比較穩(wěn)定的群落,所以人為干預(yù)下快速構(gòu)建植物群落是礦山生態(tài)恢復(fù)所必需的。由于上述的不利因素存在,一般要對煤矸石礦山覆土以降低其酸化和鹽化程度后再種植物,即便如此,能夠在這樣的環(huán)境下成功存活的植物種類也非常有限,因此適生植物的篩選和應(yīng)用研究具有重要科學(xué)意義和實踐應(yīng)用價值。

2 國內(nèi)外的相關(guān)探索

2.1 國外的相關(guān)研究

在煤矸石山的生態(tài)治理相關(guān)方面,很多國家都取得了較好的進(jìn)展。德國是最早探索廢棄地植被恢復(fù)的國家,其發(fā)展過程大致經(jīng)過了4個階段:第一階段(20世紀(jì)20年代到1945年)試驗性地進(jìn)行多樹種混合種植;第二階段(1946年到20世紀(jì)60年代)對多種樹木進(jìn)行了生態(tài)適應(yīng)性研究,篩選出赤楊和白楊為適合的喬木樹種;第三階段(20世紀(jì)60年代到1989年)篩選出了橡樹、山毛櫸、楓等作為應(yīng)用的樹種;第四階段為混合型土地復(fù)墾模式,從生態(tài)系統(tǒng)角度使農(nóng)林用地、水域及許多微生物循環(huán)體協(xié)調(diào)統(tǒng)一,研究生態(tài)恢復(fù)前后生態(tài)因子的改變,如開展林地滲透水、地表徑流、土壤營養(yǎng)成分及重金屬含量變化的研究、植物生長過程的定位研究以及動植物種類變化的研究等。

美國礦區(qū)廢棄地植被恢復(fù)特點是在恢復(fù)植被前先改善土壤的理化性質(zhì)、供應(yīng)適量的營養(yǎng)物質(zhì),種植選擇好的植物之后便不再進(jìn)行人工干預(yù),使之在自然恢復(fù)作用下達(dá)到生態(tài)平衡。經(jīng)常采用的植物是將多年生禾本科與豆科植物混播,同時栽植闊葉樹種,若選擇針葉樹種則在播種草本植物一年之后種植。

俄羅斯在矸石礦山恢復(fù)選擇樹種時主要考慮以下幾個方面:即植物的耐寒性、抗旱性、耐貧瘠、抗污染、生長快和具有一定的土壤改良作用,注重所選擇植物的經(jīng)濟(jì)價值和水土保持作用。經(jīng)常選擇包括刺槐在內(nèi)的固氮樹種和其他豆科植物。英國在礦區(qū)廢棄地生態(tài)恢復(fù)中也優(yōu)先選擇具有耐貧瘠特點的豆科植物,還篩選了能適應(yīng)礦區(qū)惡劣環(huán)境條件的樺木和柳樹的優(yōu)良無性系。在生態(tài)修復(fù)方面注重構(gòu)建復(fù)雜的群落結(jié)構(gòu),喬灌草合理配置,以達(dá)到既能有效控制水土流失、又能利用植物修復(fù)土壤結(jié)構(gòu)和肥力的目的。

2.2 國內(nèi)的相關(guān)研究

我國的相關(guān)研究在20世紀(jì)50年代起步,最初的目的是復(fù)墾,即將可進(jìn)行農(nóng)業(yè)耕種作為礦山恢復(fù)的目標(biāo)[4]。20世紀(jì)70 年代開始研究建立穩(wěn)定的礦區(qū)人工植被生態(tài)系統(tǒng),注重生態(tài)改善,例如利用植被減少粉塵污染、調(diào)節(jié)地表徑流等[5]。大規(guī)模的礦山生態(tài)修復(fù)始于20世紀(jì)80年代。此階段有許多礦區(qū)開展了煤矸石山植被恢復(fù)的實踐,如黑龍江鶴崗礦區(qū)于1985—1987年期間對煤矸石山進(jìn)行了闊葉樹造林試驗;山西對陽泉地區(qū)煤矸石山開展了抗旱、耐貧瘠牧草、喬灌木、觀賞植物的栽培試驗,并在王莊煤礦利用20多個喬灌木樹種進(jìn)行了煤矸石山造林試驗研究,開展了植物群落結(jié)構(gòu)與生態(tài)效應(yīng)方面的研究;在撫順煤礦治理中,試種了20余種植物[6],發(fā)現(xiàn)香花槐、火炬樹等樹種成活率較高,并開展了土壤方面的研究[7],發(fā)現(xiàn)復(fù)墾土壤中有機(jī)碳品質(zhì)逐年得到改善,越來越有利于植被生長。

3 煤矸石山選擇植物的原則及種類分析

由于煤矸石山特殊的環(huán)境條件,若完全依靠自然恢復(fù)其進(jìn)程將十分緩慢,所以依靠人為種植適合的植物來快速達(dá)到生態(tài)修復(fù)的效果是必要措施。

3.1 植物選擇的一般原則

煤矸石礦山環(huán)境條件惡劣,故植物的選擇應(yīng)遵循快速綠化優(yōu)先、經(jīng)濟(jì)效益其次的原則,因此所選擇的植物應(yīng)該具有先鋒植物的特點,即生長迅速、抗干擾能力強(qiáng),成活率高,能快速覆蓋地表,從而起到快速改善煤矸石礦山生態(tài)環(huán)境的作用;要具有脅迫忍耐力,即具有抗旱、抗寒、耐熱、耐瘠薄、耐重金屬等特點;具有以側(cè)根發(fā)育為主的特點,能產(chǎn)生不定根、萌蘗能力強(qiáng),有效適應(yīng)煤矸石礦石山淺薄的土層、基質(zhì)條件惡劣的環(huán)境;此外,還應(yīng)考慮以本地鄉(xiāng)土植物為主的原則,使其與當(dāng)?shù)氐脑猩锶郝浣Y(jié)構(gòu)和諧,對于可能造成生物入侵的外來物種要慎重選擇。待先鋒植物將環(huán)境條件改善后,再依靠自然的演替或人為選擇其他植物來進(jìn)一步優(yōu)化、改造群落。

3.2 東北地區(qū)煤矸石礦山可供選擇的植物種類

由于東北煤矸石礦山環(huán)境的特殊性,其生態(tài)恢復(fù)所能選擇的植物除考慮上述原則外,植物的耐酸性、改良土壤的能力、適應(yīng)當(dāng)?shù)剌^為寒冷的氣候等因素也應(yīng)該是考慮的重要因素。東北地區(qū)的氣候特點是四季分明、春季干燥、冬季嚴(yán)寒、溫差較大,結(jié)合煤矸石礦山生態(tài)恢復(fù)的實踐及相關(guān)研究報道,目前在東北地區(qū)煤矸石礦植被恢復(fù)方面可以考慮選擇的植物種類見表1[8-19]。

表1 東北地區(qū)煤矸石礦山生態(tài)恢復(fù)可選擇的植物種類

表1所列植物為適應(yīng)東北氣候的物種,絕大多數(shù)為鄉(xiāng)土植物,且一般都具有耐旱性。其中火炬樹在煤矸石礦山的表現(xiàn)良好,但在應(yīng)用時要注意生態(tài)入侵的問題,慎重選擇。如果考慮到耐矸石山的高溫問題,可考慮選擇的喬木有側(cè)柏、榆樹、刺槐、臭椿,灌木可選擇紫穗槐,草本可選擇高羊茅、沙打旺、紫花苜蓿、馬齒莧、鬼針草等也較適合。若考慮具有吸收重金屬的功能,以達(dá)到在植被恢復(fù)的同時進(jìn)行矸石山生物修復(fù)的目的,則可以選擇草本植物鬼針草(吸收多種重金屬)、千里光及艾蒿(對Zn、Cu、Cd、Pb具有吸收能力)、龍葵(富集Cd)、假酸漿(有效吸收Cu、Pb)、酸模葉蓼與豬毛蒿(吸收Zn)、小飛蓬(吸收Cr)、狗娃花(吸收Cd和Ni)、遏藍(lán)菜(吸收Zn與Cd)、南牡蒿(吸收Cd),白茅 (吸收Pb),蕨(吸收Cu、Pb、Cd)等[20-23]。一些木本植物也可以有效吸收重金屬,如柳屬植物能富集Cd和Al[24],楊樹可富集Zn[25],刺槐、接骨木、臭椿、油松等木本植物對重金屬也具有較強(qiáng)的抗性或吸收能力[26]。從耐鹽性角度考慮,喬木可選擇山皂角、華北衛(wèi)矛、側(cè)柏、山杏,灌木可選擇紫穗槐,藤本可選擇爬山虎,草本可選擇高羊茅、虎尾草、紫花地丁、灰綠藜、車前等。

3.3 煤矸石礦山植被恢復(fù)應(yīng)注重提升生物多樣性及景觀效果

煤矸石山復(fù)墾的目標(biāo)是要建立穩(wěn)定、生態(tài)效益顯著的生態(tài)系統(tǒng)。要實現(xiàn)這個目標(biāo),在生態(tài)恢復(fù)的初始階段就應(yīng)注意建設(shè)具有一定生物多樣性水平的人工群落,要注重喬灌草三個層次的綜合配置,而且每個層次中應(yīng)搭配多種植物,盡量避免種植單一物種。植物多樣性的提高對于穩(wěn)定群落結(jié)構(gòu)、增強(qiáng)系統(tǒng)的功能等方面都發(fā)揮著重要作用。草本植物生長快,容易覆蓋地表,有效減少水土流失;灌木往往具有較強(qiáng)的萌蘗能力,種植灌木能顯著改善煤矸石礦的環(huán)境條件,如保持水分、提高總氮、有效磷、有效鉀等[27];木本植物能發(fā)揮較為強(qiáng)大的生態(tài)作用,例如槐樹能阻止土壤的酸化,增加有機(jī)質(zhì)含量。草本、灌木與喬木互相配合,能最大限度地利用水平空間和垂直空間,使建成的群落呈現(xiàn)出類似自然群落的地上成層性與水平鑲嵌性。研究表明,林草混交能有效改善立地條件,可減少矸石礦山土壤的大孔徑,增加毛細(xì)管,降低水分下滲速率,從而提高保水保肥能力[28]。另外,在構(gòu)建矸石山群落結(jié)構(gòu)時,也可適當(dāng)選擇一些藤本植物,從而形成更加復(fù)雜、穩(wěn)固的群落結(jié)構(gòu),改善環(huán)境,從而有利于當(dāng)?shù)仄渌膭又参镂锓N成功遷入、定居。

值得注意的是,景觀的營造也是生態(tài)修復(fù)與重建的重要內(nèi)容[29],在選擇煤矸石礦山生態(tài)恢復(fù)的植物種類時,應(yīng)重視綠化后的景觀效果[30],在達(dá)到快速覆蓋地表目的同時,應(yīng)結(jié)合園林綠化、景觀造園等相關(guān)理論和成功的實踐經(jīng)驗,盡量考慮礦山生態(tài)恢復(fù)的景觀效果,結(jié)合地形進(jìn)行造景并考慮園林花灌木等植物的選擇與應(yīng)用,在進(jìn)行煤矸石礦山生態(tài)恢復(fù)的同時,起到美化及增強(qiáng)觀賞效果的作用。

4 結(jié) 語

煤矸石礦山的生態(tài)恢復(fù)是一項復(fù)雜的工程,涉及到生態(tài)學(xué)、環(huán)境科學(xué)、地理學(xué)、采礦學(xué)、土壤學(xué)、植物學(xué)、林學(xué)、園林景觀學(xué)、美學(xué)等許多內(nèi)容,所以在選擇合適的植物方面要充分考慮到各方面的因素,借鑒相關(guān)研究的成果、選擇當(dāng)?shù)氐倪m生鄉(xiāng)土物種,充分研究礦石山的生境特點,盡量改善土壤的理化性質(zhì),這樣才能保證生態(tài)恢復(fù)的成功。不同礦區(qū)應(yīng)根據(jù)自身立地條件和特點,合理選擇植物種類。應(yīng)尊重群落自然演替的規(guī)律、充分認(rèn)識退化生態(tài)系統(tǒng)自然恢復(fù)的特點來構(gòu)建人工的群落。

煤矸石山的植被恢復(fù)重建是一個艱難而漫長的過程,不能急于求成,希望1～2年就達(dá)到預(yù)期的效果是不現(xiàn)實的。目前在煤矸石礦山恢復(fù)的植物種類篩選、修復(fù)機(jī)理的研究及應(yīng)用方面都有著很多的不足。未來應(yīng)該繼續(xù)開展植物在不同矸石礦立地適生性的相關(guān)研究,繼續(xù)篩選合適的植物種類,以滿足礦山生態(tài)恢復(fù)實踐的需求。應(yīng)建立矸石山生態(tài)恢復(fù)評價機(jī)制,要從分子水平、組織和器官水平、個體水平等不同層次評價所選擇植物在各種脅迫因子作用下的生理生態(tài)特征、生長及存活情況等,研究重金屬富集及抗性,揭示其適應(yīng)機(jī)理;從宏觀尺度上應(yīng)開展植物的種群動態(tài)、種間關(guān)系、植物-微生物相互作用、群落演替、生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能動態(tài)變化、景觀格局及其所發(fā)揮的生態(tài)效能角度進(jìn)行動態(tài)的、長期的評價,從而為后續(xù)礦山恢復(fù)植物的選擇提供信息更為全面的依據(jù)。

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Analysis of the plant selection for ecological restoration of coal gangue pile in Northeast of China

WANG Yan1, WANG Minchao1, DAI Baoqing2

(1. College of Life Science, Shenyang Normal University, Shenyang 110034, China; 2. Gardening Research Institute of Shenyang, Shenyang 110000, China)

Coal gangue piles from coal mining bring some serious ecological problems. Great attention was given to the ecological restoration of coal gangue pile both in abroad and in China. The environmental characteristics of coal gangue pile and limiting factors for the survival and growth of plants were analyzed including abnormal soil structure, high soil temperature and low pH as well as high content of heavy metals caused by spontaneous combustion of gangue. The related research and practice both inland and abroad were overviewed. The restoration of soil structure and the choice of suitable plants are critical for the ecological restoration of gangue pile. Some general ecological principles should be considered on the restoration work. The selected plant should be adaptable to the habitat of coal gangue pile and the construction of biadiversity should be emphasized. The purpose of all the measures is to promote the growth of plants, to build a stable community and to reach the ecological balance. Some adaptable plant species in the Northeast of China were summarized for the ecological restoration of coal gangue pile. The future researches were also looking forward .

coal gangue; limiting factors; ecological restoration; plant selection

1673-5862(2017)02-0170-05

2016-08-06。

科技部科技基礎(chǔ)性工作專項(2014FY110600-12)。

王 艷(1970-),女,遼寧昌圖人,沈陽師范大學(xué)副教授,博士。

X53

A

10.3969/ j.issn.1673-5862.2017.02.009