李 禮， 劉 燦， 徐龍君

(1.重慶市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，重慶 401147；2.重慶大學 資源及環(huán)境科學學院，重慶 400030)

重慶秀山錳礦廢棄地優(yōu)勢種植物調(diào)查分析

李 禮1,2， 劉 燦1， 徐龍君2

(1.重慶市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，重慶 401147；2.重慶大學 資源及環(huán)境科學學院，重慶 400030)

對重慶秀山錳礦廢棄地進行生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀實地調(diào)查和采樣分析，記錄秀山錳礦區(qū)廢棄地上自然定居的植物，并采集巴天酸模、鐵桿蒿、商陸、土荊芥、小白酒菊、艾、扛板歸、狗牙根等8種主要優(yōu)勢植物樣本.對8種主要優(yōu)勢植物的Mn等重金屬元素含量進行檢測分析，采用生物轉移系數(shù)(BTF)和生物富集系數(shù)(BAF)兩個指標進行其生物學特性研究，確定巴天酸模、鐵桿蒿、商陸三種植物對土壤中Mn元素的生物轉移和富集作用強，篩選出該三種植物適宜作為錳礦區(qū)廢棄地自然生態(tài)恢復的先鋒植物，并提出秀山錳礦廢棄地植被恢復技術措施的建議.圖1，表2，參15.

秀山； 錳礦廢棄地； 先鋒植物； 生態(tài)恢復

錳礦是工業(yè)產(chǎn)業(yè)重要的基礎性大宗原料礦產(chǎn)，是我國國民經(jīng)濟建設的重要戰(zhàn)略物資.隨著錳礦資源的大量開采，在促進經(jīng)濟的快速增長的同時，錳礦資源開發(fā)引起的生態(tài)環(huán)境問題也越來越嚴重[1,2].我國由于生產(chǎn)技術較落后、環(huán)保意識較薄弱、約束與監(jiān)督管理機制不完善等多方面原因，造成的資源浪費與生態(tài)環(huán)境問題較為突出，錳礦開采形成大量廢棄地，地表景觀和土地資源破壞嚴重[3-5].礦區(qū)土壤因營養(yǎng)物質缺乏，錳、鐵、鉻等重金屬元素超標，對植物的根系產(chǎn)生毒理效應，延長錳礦廢棄地的自然植被恢復進程，而受損生態(tài)系統(tǒng)的恢復通常要5～100年[6].錳礦廢棄地的生態(tài)恢復成為生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展中的重要難題.

雖然我國有關礦業(yè)廢棄地生態(tài)恢復的研究有了突飛猛進的發(fā)展，為錳礦廢棄地的生態(tài)恢復提供了一定的理論指導[7-12]，但是總體來說，在錳礦區(qū)生態(tài)恢復和治理方面的理論研究水平仍然落后于實踐的需要，缺乏系統(tǒng)性、長期性和更高理論升華.通過對重慶秀山錳礦廢棄地進行深入跟蹤研究，開展本土優(yōu)勢植物的調(diào)查分析，以期為錳礦廢棄地的生態(tài)恢復措施提供有價值的科學參考.

1 研究區(qū)域概況

1.1 秀山縣錳資源及開發(fā)現(xiàn)狀

秀山縣地處武陵山腹地，渝、湘、黔、鄂四省(市)邊區(qū)結合部，北緯28°9′43″～28°53′5″、東經(jīng)108°43′6″～109°18′58″之間.東鄰湖南省花垣、龍山、保靖三縣，西南連貴州省松桃苗族自治縣，北接重慶市酉陽土家族苗族自治縣，東北角距湖北省來鳳縣僅20余km，全縣幅員面積2 462 km2.秀山錳礦帶跨三省(市)連三縣，錳礦探明儲量在2 400萬t以上，遠景儲量達到5 000萬t，平均品位24.5%左右，與毗鄰的貴州省松桃縣、湖南省花垣縣并稱為中國錳業(yè)“金三角”，為全國最大、最集中的錳礦區(qū)[13].

秀山縣錳礦資源經(jīng)過20多年的開發(fā)利用，錳工業(yè)已發(fā)展成為支撐秀山經(jīng)濟的主要力量，錳礦開采、錳粉加工、電解金屬錳、硅錳合金生產(chǎn)、硫酸生產(chǎn)等企業(yè)眾多，約占全國各類產(chǎn)能總量的六分之一.在秀山縣經(jīng)濟結構中，錳礦業(yè)已占據(jù)秀山工業(yè)的大半壁江山，錳資源加工業(yè)已成為拉動秀山經(jīng)濟增長的重要力量.但隨著錳資源的開采和利用，錳資源可供開采量逐漸減少，保障年限不足.

1.2 主要生態(tài)環(huán)境問題

近些年來，秀山縣錳礦資源開發(fā)利用帶來了各種環(huán)境污染與生態(tài)破壞問題，資源利用、經(jīng)濟發(fā)展、自然環(huán)境之間的矛盾日益突出，嚴重制約了秀山縣錳資源產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，給秀山縣經(jīng)濟發(fā)展帶來了很大的負面影響[3-6].秀山縣錳業(yè)污染的主要來源是錳礦開采和電解錳企業(yè)生產(chǎn)，以及現(xiàn)有錳礦山、尾礦庫、電解錳渣場和河流底泥等堆存污染物的釋放.

錳礦開采企業(yè)產(chǎn)生的廢水普遍呈酸性，其中鐵、錳和懸浮物等污染物嚴重超標，廢水排放對礦區(qū)環(huán)境造成不同程度的水質污染；錳尾礦廢棄量大，占用大量土地，持水保肥能力差，極端貧瘠的土壤中N、P、K和有機質等養(yǎng)分，不利于植物生長，生態(tài)環(huán)境破壞，同時帶來水土流失等環(huán)境安全隱患.電解金屬錳生產(chǎn)排放的廢水、電解錳渣堆放產(chǎn)生的滲濾液，對地下水和河流造成嚴重污染，對周邊原生的生物多樣性產(chǎn)生致命影響，嚴重損害生態(tài)健康.

2 調(diào)查和結果

2.1 秀山錳礦區(qū)廢棄地的優(yōu)勢植物調(diào)查

通過2011～2015年多次在秀山錳礦區(qū)廢棄地進行自然植被的實地調(diào)查和采樣分析，記錄了秀山錳礦區(qū)廢棄地上自然定居的植物，并采集了自然定居主要優(yōu)勢植物樣本.

根據(jù)秀山錳礦區(qū)廢棄地自然生境的植物調(diào)查，共記錄到自然定居植物16科30種.其中菊科植物7種，占自然定居物種的23.3%；禾本科植物5種，占16.7%；蓼科植物4種，占13.3%；其他除了藜科植物有2種外，其余均為1種.秀山錳礦區(qū)廢棄地植物種調(diào)查結果及豐富度記錄見表1.

表1 秀山錳礦區(qū)廢棄地自然定居植物調(diào)查結果Tab.1 Plant survey results of manganese mine wastelands in Xiushan

續(xù)表

科種豐富度生活型蓼科Polygonaceae扛板歸PlygonumperfoliatumD多年生草本萹蓄PolygonumaviculareO一年生草本水蓼PolygouumhydropiperF一年生草本巴天酸模RumexpatientiaD多年生草本豆科Leguminosae雞眼草KummerowiastriataO一年生草本藜科Chenopodiaceae灰菜ChenopodiumalbumF一年生草本土荊芥ChenopodiumambrosioidesD一年生草本馬鞭草科Verbenaceae紫蘇PerillafrutesceasF多年生草本傘形科Umbelliferae竊衣TorilisscabraF一年生或多年生草本蕁麻科Urticaceae粗齒冷水花PileasinofasciataO一年生草本唇形科Labiatae薄荷MenthahaplocalyxO一年生草本薔薇科Rosaceae喜陰懸鉤子RubusmesogaeusF攀援灌木桑科Moraceae構樹BroussonetiapapyriferaF喬木

豐富度等級：D為Dominant，優(yōu)勢種；F為Frequent，常見種；O為Occasional，偶見種.

根據(jù)調(diào)查結果發(fā)現(xiàn)，秀山錳礦區(qū)廢棄地自然定居的植物種基本為草本植物和少量灌木，自然定居的喬木植物很少，主要原因為秀山錳礦區(qū)范圍內(nèi)土壤層普遍較薄且受人為影響頻繁.自然定居的植物當中，鐵桿蒿Artemisiasacrorum、小白酒菊Conyzacanadnsis、艾Artemisiaargyi、商陸Phytolaccaacinosa、狗牙根Cynodondactylon、扛板歸Plygonumperfoliatum、巴天酸模Rumexpatientia、土荊芥Chenopodiumambrosioides等多種植物分布范圍較廣、適應能力較強、生長較快、數(shù)量較多并形成局部小群落，為主要植物種群.它們對土壤中Mn、Cr、Cd等重金屬元素含量較高的環(huán)境和廢棄地的貧瘠、養(yǎng)分不均衡、干旱等不良因子具有較好的適應性，可考慮進行人工傳播將其作為秀山錳礦區(qū)廢棄地自然生態(tài)恢復的先鋒植物.秀山錳礦區(qū)廢棄地自然定居的優(yōu)勢植物種群落照片見圖1.

2.2 秀山錳礦區(qū)生態(tài)恢復先鋒植物的篩選

在秀山錳礦區(qū)廢棄地進行自然植被的實地調(diào)查時，選取秀山縣天源錳礦尾礦庫下游附近生長旺盛、種群繁育和代表性較好的優(yōu)勢種植物進行了樣品采集，主要針對自然定居的鐵桿蒿、小白酒菊、艾、商陸、狗牙根、扛板歸、巴天酸模和土荊芥8種植物，分別采集其地上莖葉和地下根系部分.

植物樣品用蒸餾水清洗干凈后，晾干水分進行稱重；置于烘箱中在105℃條件下殺青30 min，于80℃烘干至恒重后，再次稱重；記錄樣品含水率和含固率.將烘干后的植物樣品進行粉碎處理，用坩堝分別取一定質量樣品置于馬弗爐，在650℃條件下進行灰化30 min，然后使用ICP-MS測定樣品中的全錳含量.分析測定得到8種植物樣品中的Mn含量見表2.

對所調(diào)查分析的錳礦區(qū)8種主要優(yōu)勢植物，采用生物轉移系數(shù)(BTF)和生物富集系數(shù)(BAF)兩個指標進行其生物學特性研究[14,15].植物吸收Mn元素后從根系部分向地上的莖葉部分轉移，這種轉移Mn元素的能力用生物轉移系數(shù)(BTF)進行表征，具體計算方法為植物地上莖葉部分的Mn元素含量除以地下根系部分的Mn元素含量.生物富集系數(shù)(BAF)則是指植物體內(nèi)Mn元素含量(由于植物生物量以莖葉為主，文中以地上莖葉的Mn元素含量計)與所在土壤環(huán)境中Mn元素含量的比值，用以反映該植物對土壤中Mn元素富集能力的強弱.計算得出的BTF和BAF值同樣列于表2.

圖1 秀山錳礦區(qū)廢棄地自然定居的優(yōu)勢植物種群Fig.1 Dominant populations in Xiushan manganese mine wastelands

序號植物種莖葉部分/(mg·kg-1)根系部分/(mg·kg-1)BTFBAF1鐵桿蒿Artemisiasacrorum674.08235.772.860.0182小白酒菊Conyzacanadnsis438.95339.801.290.0123艾Artemisiaargyi327.62630.440.520.0094商陸Phytolaccaacinosa802.56205.133.910.0215狗牙根Cynodondactylon322.70440.370.730.0086扛板歸Plygonumperfoliatum508.14451.021.130.0137巴天酸模Rumexpatientia945.33375.882.510.0258土荊芥Chenopodiumambrosioides480.59270.601.780.013

由表2的調(diào)查分析結果可見，8種植物的生物轉移系數(shù)(BTF)按大小排列為商陸>鐵桿蒿>巴天酸模>土荊芥>小白酒菊>扛板歸>狗牙根>艾.除了艾和狗牙根之外，其余6種植物對Mn元素的生物轉移系數(shù)均大于1.這些植物生長的土壤環(huán)境中Mn元素含量較高，長期結果是使植物對高含量的Mn形成生物耐受性，并具有從地下根部往地上莖葉部分運輸Mn元素的能力，使土壤中的Mn逐漸在植物根部和莖葉中富集.商陸、鐵桿蒿、巴天酸模三種植物的生物轉移系數(shù)均大于2，表明其具有較強的Mn轉移富集能力.8種植物的生物富集系數(shù)(BAF)分析結果表明，植物對土壤中Mn元素的生物富集能力由大到小依次為：巴天酸模>商陸>鐵桿蒿>土荊芥=扛板歸>小白酒菊>艾>狗牙根.8種植物的生物富集系數(shù)均較小，范圍為0.008～0.025，這是由于植物所生長的錳礦區(qū)尾礦庫下游區(qū)域土壤環(huán)境中Mn元素含量高所致.

綜合錳礦區(qū)8種優(yōu)勢植物調(diào)查分析結果，巴天酸模、鐵桿蒿、商陸三種植物對土壤中Mn元素的生物轉移和富集作用強，且植株群落的生物量均較大.巴天酸模為多年生草本植物，植株高1.0～1.5 m，莖葉粗壯；鐵桿蒿為多年生草本植物，半灌木狀群落，植株高0.3～1.0 m，莖葉豐富；商陸為多年生草本植物，植株高0.7～1.0 m，根粗壯，葉寬.因此這三種植物適宜作為錳礦區(qū)廢棄地自然生態(tài)恢復的先鋒植物，可通過人工撒種等方式進行輔助傳播.土荊芥、小白酒菊對Mn元素的生物轉移和富集能力次之，但其植物群落的生物量也比較大，可用作自然生態(tài)恢復先鋒植物的有效補充；艾對土壤中Mn元素的轉移富集能力較差，扛板歸、狗牙根則因其莖葉細長，在地表呈匍匐狀生長，生物量較小，他們可作為植被恢復和自然生態(tài)美觀的重要組成部分.

3 討論和分析

3.1 秀山錳礦廢棄地生態(tài)恢復技術措施

錳礦區(qū)生態(tài)恢復首先要恢復它的自然生態(tài)功能，即恢復生態(tài)系統(tǒng)特有的自然生態(tài)健康功能；其次是恢復生態(tài)系統(tǒng)結構的完整性，即恢復物種多樣性和完整的群落結構；再次是恢復其可持續(xù)性，包括恢復生態(tài)系統(tǒng)的抵抗破壞能力和生態(tài)系統(tǒng)自我恢復能力；另外還有恢復它的景觀、文化和人文特色.

錳礦廢棄地的生態(tài)恢復措施，除了前期的工程復墾技術、生物復墾技術和必要的管理措施，植被恢復技術是較為重要的步驟，而植被恢復的物種選擇又最為關鍵.錳礦廢棄地植被恢復的物種選擇一般分為兩種方法：一是以先鋒植物為主，迅速固土、蓄水，然后逐年補植其他抗性植物種，以營造生境的多樣性，穩(wěn)定生態(tài)系統(tǒng)；二是引入外來植物種，穩(wěn)固地表，改善土壤環(huán)境以有利于土壤其他生物的進入.利用錳礦區(qū)鄉(xiāng)土植物來恢復植被群落對于錳礦廢棄地植被生態(tài)系統(tǒng)的恢復具有十分重要的作用，在實際中可通過觀察在廢棄地什么樣的植物最先自然生長出來并生長旺盛，進而合理選擇植物種類，并作為優(yōu)先考慮的植物.如在秀山錳礦區(qū)，可優(yōu)先選擇擴散種植巴天酸模、鐵桿蒿、商陸、土荊芥、小白酒菊、艾、扛板歸、狗牙根等先鋒植物種.

對重慶秀山錳礦區(qū)裸露廢棄地的自然生態(tài)恢復，以巴天酸模、鐵桿蒿、商陸等植物為主，以土荊芥、小白酒菊、艾、扛板歸、狗牙根等植物為輔，通過人工輔助傳播的方式，盡快使其恢復植被.一方面有效固定土壤中的Mn及其他重金屬元素，防止錳礦區(qū)土壤及水質重金屬污染的加重；另一方面，通過自然定居植物的生長，恢復植被，防止水土流失，增強礦區(qū)環(huán)境的美化.

3.2 結語

自2005年開始國家對“錳三角”地區(qū)的錳污染進行綜合整治以來，投入了大量的資金和工程整改項目，尤其是2011～2012年，重慶市政府對秀山縣錳行業(yè)全面停產(chǎn)，進行環(huán)境污染整治、產(chǎn)業(yè)結構調(diào)整、錳礦開采秩序整治、安全隱患整治，并通過實施《秀山縣電解錳產(chǎn)業(yè)結構調(diào)整規(guī)劃》，重慶秀山縣的錳業(yè)污染得到了全面有效控制.但由于礦區(qū)廢棄地復墾工程量大，以及自然植被恢復的長期性，生態(tài)環(huán)境完全恢復需要一個逐步的過程.通過各級部門、相關企業(yè)和全社會的努力，秀山縣錳業(yè)定能走出一條綠色開發(fā)、清潔生產(chǎn)、生態(tài)經(jīng)濟協(xié)調(diào)持續(xù)的發(fā)展新路.

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Abstract：By field investigation and sampling analysis of the ecological environment of Xiushan manganese mine wasteland,all kinds of resident plants were recorded and eight of them as dominant plants had been screened out,which wereRumexpatientia,Artemisiasacrorum,Phytolaccaacinosa,Chenopodiumambrosioides,Conyzacanadnsis,Artemisiaargyi,PolygonumperfoliatumandCynodondactylon. The contents of metal elements in these plants such as manganese were detected and their biological characteristics were assessed using biological transfer factor(BTF) and biological concentration factor(BAF). It was proved that Rumex patientia Linn,Artemisia sacrorum Ledeb and Phytolacca acinosa had the strongest biological transfer and bioconcentration effects. Thus,these three kinds of plants were chosen as dominant species for ecological restoration at the manganese mine wasteland,and the relevant restoration techniques were proposed.1fig.,2tabs.,15refs.

Keywords：Xiushan;manganese mine wasteland;dominant plant;ecological restoration

Biography：LI Li,male,born in 1983,doctor,senior engineer,research direction: ecological environment monitoring and study.

InvestigationandAnalysisofDominantPlantsatXiushanManganeseMineWastelandinChongqing

LILi1,2，LIUCan1，XULong-jun2

(1. Ecological Environmental Monitoring Center of Chongqing,Chongqing 401147,China;2. College of Resources and Environmental Science,Chongqing University,Chongqing 400030,China)

X171.4

A

2017-06-15

李 禮(1983-)，男，湖南湘潭人，博士，高級工程師，從事生態(tài)環(huán)境監(jiān)測與科研工作.

10.3969/j.issn.2095-7300.2017.03-019