張 寧， 里欣諾， 馬榕悅， 毛偉偉

(1.遼寧生態(tài)工程職業(yè)學(xué)院林學(xué)院， 沈陽(yáng) 110101； 2.遼寧大學(xué)環(huán)境學(xué)院， 沈陽(yáng) 110036)

礦山廢棄地是我國(guó)生態(tài)修復(fù)領(lǐng)域問(wèn)題多、修復(fù)困難的一種主要類型。生態(tài)修復(fù)在礦山修復(fù)中主要包括工程技術(shù)與植被修復(fù)兩個(gè)重要組成，其中植被修復(fù)是礦山生態(tài)修復(fù)比較重要的部分，涉及植物學(xué)、生物學(xué)、環(huán)境科學(xué)等自然學(xué)科，需要多學(xué)科的綜合研究，植被演替理論及植物學(xué)相關(guān)理論是礦山廢棄地植被修復(fù)的重要理論基礎(chǔ)。促進(jìn)礦山退化生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)功能恢復(fù)，進(jìn)行植被恢復(fù)理論和技術(shù)研究，維持自然生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定和持續(xù)發(fā)展，恢復(fù)礦山廢棄地原生植被生態(tài)系統(tǒng)，是礦山生態(tài)系統(tǒng)研究的重要課題，也是生態(tài)修復(fù)的終極目標(biāo)[1]。

撫順西露天礦位于撫順市郊，開(kāi)采已近百年，形成了占地13.2 km2、深度為-480 m的亞洲第一礦坑。調(diào)查地點(diǎn)位于西露天礦北幫，東經(jīng)123°52′34″，北緯41°51′2″，原為西露天礦附屬的一個(gè)工廠，由于經(jīng)常發(fā)生塌方與滑坡等地質(zhì)災(zāi)害而進(jìn)行了拆遷，其邊坡為采礦形成的臺(tái)地與邊坡，除拆遷產(chǎn)生大量的建筑垃圾與生活垃圾的遺留外，其地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，修復(fù)有一定的難度。一方面由于開(kāi)采過(guò)程對(duì)礦山的破壞，造成地表土地退化；另一方面，建筑垃圾與生活垃圾的堆疊，土壤缺失，植被修復(fù)比較困難。如何對(duì)該地表現(xiàn)狀進(jìn)行整地與改良，并選擇合適的抗性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)植物，建植擬自然的植物群落，促進(jìn)破壞區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)功能恢復(fù)，是本項(xiàng)目研究欲解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

1 遼寧地區(qū)礦山修復(fù)背景

1.1 礦山修復(fù)現(xiàn)狀

我國(guó)礦山廢棄地(人工裸地)的治理起步較晚，1988年我國(guó)頒布了《土地復(fù)墾法》可以作為我國(guó)治理礦山裸地的正式起點(diǎn)。據(jù)2004年統(tǒng)計(jì)，遼寧省僅采煤沉陷區(qū)面積約340 km2，全省182家大礦山累計(jì)產(chǎn)生廢礦渣42億m3，占地面積2 200余km2，破壞土地580 km2，然而已修復(fù)的面積不到40 km2，復(fù)墾率不到6%，礦山修復(fù)工作任重而道遠(yuǎn)。截至目前，礦山修復(fù)依然存在修復(fù)效率低下、生態(tài)修復(fù)樹(shù)種選擇不當(dāng)、修復(fù)效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到預(yù)期目標(biāo)等問(wèn)題。

1.2 礦山生態(tài)修復(fù)的主要問(wèn)題

我國(guó)在開(kāi)展礦山裸地修復(fù)工程方面的工作起步較晚，工程技術(shù)比較落后，思想觀念固化，原先很多修復(fù)工程是采用園林景觀綠化工程技術(shù)完成的。通常采取在裸地上直接覆1.0～1.5 m厚的農(nóng)田土，修復(fù)材料多采用水泥和鋼材，植物造景也主要是園林技術(shù)方法。出現(xiàn)造成資金大量浪費(fèi)，人工維護(hù)周期長(zhǎng)，修復(fù)后植被生態(tài)功能弱等亂象。目前，礦山修復(fù)在我國(guó)雖然已有相關(guān)方針政策的監(jiān)督管理，生態(tài)修復(fù)任務(wù)已取得了很大的進(jìn)展，但在礦山生態(tài)修復(fù)方面依然存在大興土木、樹(shù)種選擇不當(dāng)、植被修復(fù)退化嚴(yán)重等問(wèn)題。因此，修復(fù)礦山人工裸地需要研究出真正適合中國(guó)特色的生態(tài)修復(fù)工程技術(shù)和方法[2]。

礦山的開(kāi)采導(dǎo)致原生地表土壤和植被受到徹底破壞，在無(wú)人工干擾的自然條件下，通過(guò)自然恢復(fù)來(lái)實(shí)現(xiàn)破壞區(qū)域的生態(tài)恢復(fù)是非常漫長(zhǎng)的過(guò)程。通過(guò)篩選及合理配置本地耐貧瘠的先鋒植物和適生植物，進(jìn)行植被重建，加強(qiáng)撫育管理，可以縮短群落的演替進(jìn)程[3]。

2 研究地概況

2.1 修復(fù)前現(xiàn)狀

以撫順西露天礦北幫局部生態(tài)修復(fù)工程項(xiàng)目的平盤(pán)垃圾堆場(chǎng)為研究對(duì)象，占地面積6 235 m2，原為工廠拆遷遺留的建筑垃圾、工業(yè)廢渣和生活垃圾堆積地，厚度2～4 m不等，建筑垃圾有殘磚，直徑0.1～1.8 m的水泥混凝土塊、水泥磚塊、砌石塊、水泥、砂礫凝結(jié)板塊、瀝青塊、石棉瓦等。工業(yè)廢渣為鐵屑凝結(jié)塊和鐵屑等，與各類塑料板塊混合厚度為1～2 m。4 m以下是日偽時(shí)期的建筑和工地殘土，未見(jiàn)原巖層。以上各類垃圾總量1.2萬(wàn)～1.5萬(wàn)m3。該修復(fù)平臺(tái)基礎(chǔ)條件差，地表無(wú)適合植物著生的土壤基質(zhì)，如果采取非全面換土，生態(tài)修復(fù)的難度較高。

2.2 生態(tài)修復(fù)工程概況

2007年7月對(duì)該平盤(pán)進(jìn)行造型整地，整地過(guò)程破壞地表的混凝土夾層，并將地表以下1 m深的土壤覆蓋于地表建筑殘土之上，整理后該平盤(pán)上形成四個(gè)高3 m左右的起伏丘陵。由于原土壤基質(zhì)條件惡劣，采取種植坑換土栽植，并在四個(gè)人工山丘上面分別種植火炬樹(shù)林、刺槐林和模擬東北、華北地區(qū)建植的針闊混交林(見(jiàn)圖1)。

圖1 礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)工程(2007年)

2.2.1刺槐林

刺槐林，丘陵相對(duì)道路高3 m，坡度25°，栽植行間距1 m×1 m，樹(shù)高1.5 m，胸徑3～4 cm的截干的刺槐，栽植坑寬0.6 m，深0.8 m。

2.2.2火炬樹(shù)林

火炬樹(shù)林，丘陵相對(duì)道路高4 m，坡度25°，栽植行間距1 m×1 m，樹(shù)高2.0 m，胸徑3～4 cm，栽植坑寬0.6 m，深0.8 m。

2.2.3針闊葉混交林

選擇杉松冷松、色木槭、紅皮云杉、華北樹(shù)種油松和黃檗等植物種，利用鄉(xiāng)土樹(shù)種仿天然在陽(yáng)坡建植了油松闊葉混交林，陰坡建植了云杉、冷杉針闊葉混交林。喬木高2.5～3.0 m，胸徑3～4 cm，栽植行間距1 m×1 m；灌木高0.8～1.0 m，冠幅1.0～1.5 m，栽植行間距1 m×1 m。

2.2.4生態(tài)步行道的建設(shè)

在挖坑種植過(guò)程中產(chǎn)生的殘磚以及地表原有的建筑殘磚統(tǒng)一進(jìn)行收集，并在丘陵下沿鋪設(shè)步行道使用。在透性步行道的磚石縫間直播遼東結(jié)縷草，形成生態(tài)步行道。

2.2.5綠色覆蓋

在土地整理的過(guò)程中從地下挖出多塊1 m×1 m×1 m的水泥石塊，將其堆積在區(qū)域的中心位置作為景觀雕塑，經(jīng)過(guò)人工美化處理后，在其周圍栽植藤本植物五葉地錦，覆蓋石塊表面，形成中心景觀。

3 生態(tài)修復(fù)效果

3.1 調(diào)查方法

基于生態(tài)學(xué)的調(diào)查方法，在刺槐林、火炬樹(shù)林及模擬東北、華北地區(qū)建植的針闊混交林進(jìn)行植物群落調(diào)查，設(shè)置多個(gè)面積為5 m×5 m的樣地，分別記錄樣方喬木層的郁閉度、優(yōu)勢(shì)種，植物的種名、株(叢)數(shù)、高度、蓋度，并設(shè)置1 m×1 m的樣方調(diào)查草本層的植物種類、覆蓋度等數(shù)據(jù)。

3.2 調(diào)查結(jié)果

2021年10月對(duì)該地區(qū)進(jìn)行實(shí)地調(diào)查，具體調(diào)查情況如下：

3.2.1刺槐林

刺槐林郁閉度0.95，平均胸徑13.1 cm，比2007年增加了274%；平均樹(shù)高6.3 m，增加了215%。林下出現(xiàn)多株火炬樹(shù)與榆樹(shù)幼樹(shù)，火炬樹(shù)平均高4.16 m，榆樹(shù)高1.68 m。林下有遷入喬木黃檗，高7.5 m，長(zhǎng)勢(shì)好。刺槐林已演替成刺槐仍然是優(yōu)勢(shì)種的多種喬木的混合林。

3.2.2火炬樹(shù)林

火炬樹(shù)林郁閉度0.95，平均胸徑8.2 cm，比2007年增加了134%；樹(shù)高5.3 m，增加了165%。火炬樹(shù)具有入侵性，萌蘗力強(qiáng)，易發(fā)生遷移[4]。火炬樹(shù)林的火炬樹(shù)最遠(yuǎn)遷移距離超過(guò)23 m，林下出現(xiàn)大片葎草覆蓋，火炬樹(shù)有風(fēng)倒木發(fā)生，其幼樹(shù)大量枯死，表現(xiàn)出衰退跡象，林中有侵入樹(shù)種刺槐、榆樹(shù)等喬木，長(zhǎng)勢(shì)良好?；鹁鏄?shù)純林已演替成火炬樹(shù)非絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的多種喬木的混合林。火炬樹(shù)屬于引進(jìn)種，其在植物群落中具有一定的侵占性，會(huì)造成生物多樣性降低，其在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用具有一定爭(zhēng)議。但火炬樹(shù)具有耐貧瘠、抗性強(qiáng)等特點(diǎn)，對(duì)于生態(tài)環(huán)境惡劣、土壤貧瘠的地方，火炬樹(shù)可以作為先鋒樹(shù)種成為生態(tài)修復(fù)的首選樹(shù)種。

3.2.3模擬東北、華北地區(qū)建植的針闊混交林

森林的郁閉度達(dá)到1.0，灌木層與草本層植物稀少。代表植物有冷杉、紅皮云杉、五角楓、油松、水曲柳、京桃、榆樹(shù)、黃檗等喬木，其中冷杉與紅皮云杉最初修復(fù)時(shí)栽植的規(guī)格與闊葉樹(shù)種一致，由于其生長(zhǎng)速度較慢，在群落競(jìng)爭(zhēng)演替中處于劣勢(shì)，所以長(zhǎng)勢(shì)較弱，而闊葉樹(shù)生長(zhǎng)較好。林下受森林郁閉度影響，草本層植物蓋度只有不到10%，已經(jīng)形成了厚度2 cm的枯枝落葉層。未來(lái)經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的演替，該植物群落的結(jié)構(gòu)還會(huì)發(fā)生變化，還需要進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)與研究。

3.2.4生態(tài)步行道

由于修復(fù)后進(jìn)行了封育管理，原來(lái)用殘磚鋪設(shè)的寬1.5 m的人行步道，其表面已經(jīng)覆蓋了厚1.5 cm的枯枝落葉，有的磚縫還著生了高1.5 m的火炬樹(shù)幼樹(shù)。針闊混交林旁的人行步道甚至被高2 m，冠幅3 m的連翹灌叢遮蔽，無(wú)法通過(guò)?？梢?jiàn)，封育是植被修復(fù)一種非常有效的技術(shù)方法。

3.2.5綠色覆蓋

中心水泥堆砌景觀用五葉地錦進(jìn)行綠色覆蓋后，目前蓋度達(dá)到50%。隨著該景觀周邊的森林群落郁閉度的增加，五葉地錦的生長(zhǎng)出現(xiàn)衰弱跡象。在調(diào)查過(guò)程中發(fā)現(xiàn)火炬樹(shù)林出現(xiàn)五葉地錦纏繞榆樹(shù)向上生長(zhǎng)，高度可達(dá)到8 m，長(zhǎng)勢(shì)較好?？梢?jiàn)，五葉地錦的生長(zhǎng)有向上趨光性的特點(diǎn)。

4 礦山修復(fù)植物群落建植方法

本項(xiàng)目的生態(tài)修復(fù)工程整個(gè)修復(fù)過(guò)程，其采取的工程技術(shù)及植被修復(fù)方法具有一定的創(chuàng)新與試驗(yàn)性，具體總結(jié)如下：

4.1 因地制宜整地，切忌大興土木

開(kāi)采造成山體結(jié)構(gòu)破壞，地裂、塌方、滑坡等地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題，對(duì)于礦山裸地應(yīng)根據(jù)其裸地類型特點(diǎn)，采取削坡、修擋土墻等工程技術(shù)，首先解決礦山邊坡穩(wěn)定性。切忌對(duì)礦山本身地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題未調(diào)查分析的前提下，盲目進(jìn)行大拆大建，可能造成地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題的增加，并大大提高后期的生態(tài)修復(fù)成本。以本研究為例，在邊坡坡度較大但有原生植被固定的邊坡，可根據(jù)實(shí)際情況采取保留植被并進(jìn)行工程措施進(jìn)行邊坡加固，再進(jìn)行植被修復(fù)，形成目前的幾乎完全郁閉的刺槐、火炬樹(shù)的密林邊坡。

4.2 減少生態(tài)破壞，穴土栽植

礦山廢棄地環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題復(fù)雜，往往存在廢石塊兒大而多，土壤基質(zhì)較差，土層薄，植被種植困難的問(wèn)題。為解決此問(wèn)題，修復(fù)過(guò)程常常采取外運(yùn)廢石，內(nèi)輸大量農(nóng)田土，造成污染環(huán)境以及破壞農(nóng)田的雙重問(wèn)題。礦山廢棄地應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)無(wú)污染的廢石在礦山內(nèi)就地處理，可以模擬自然土壤剖面的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將大、中、小礫石從下到上進(jìn)行堆疊，處理形成丘陵山地的地形后再進(jìn)行適量覆土，既節(jié)約了大量成本，還避免了環(huán)境污染與破壞的雙重問(wèn)題。以本項(xiàng)目為例，在整地過(guò)程中挖出的巨石水泥塊，將其集中堆疊并修整美化放置在中心位置作為人造景觀，還深化了生態(tài)修復(fù)主題。

4.3 鄉(xiāng)土植物群落建植

礦山裸地地質(zhì)基礎(chǔ)問(wèn)題突出，植物的選擇與配置由于環(huán)境限制往往比較單一，結(jié)果是修復(fù)過(guò)程緩慢，修復(fù)效果難以達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。因此，礦山應(yīng)根據(jù)其地質(zhì)基礎(chǔ)情況，調(diào)查區(qū)域穩(wěn)定的雜木林植物群落以及頂級(jí)植物群落的群落結(jié)構(gòu)及生境特點(diǎn)，因地制宜建植鄉(xiāng)土植物群落，可以大大加速其植物群落的演替進(jìn)程，縮短森林生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的時(shí)間。以本項(xiàng)目為例，在平盤(pán)上建植的模擬東北、華北的針闊混交林郁閉度高，生物多樣性豐富，森林生態(tài)系統(tǒng)比較穩(wěn)定，達(dá)到了生態(tài)修復(fù)的預(yù)期效果。

4.4 因地選擇優(yōu)勢(shì)先鋒植物

根據(jù)修復(fù)的植物群落目標(biāo)選擇鄉(xiāng)土植物群落進(jìn)行建植，但需要根據(jù)礦山廢棄地地質(zhì)基礎(chǔ)實(shí)際情況進(jìn)行合理的方案選擇。對(duì)于地形復(fù)雜，水土流失嚴(yán)重，或者風(fēng)口等環(huán)境影響因素復(fù)雜的地方，可選擇抗性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)先鋒植物進(jìn)行組合種植或建植。以本項(xiàng)目為例，由于采礦造成土層薄，植被生長(zhǎng)困難，采取挖小種植坑種植優(yōu)勢(shì)抗性植物火炬樹(shù)幼樹(shù)的方法，現(xiàn)已長(zhǎng)成火炬樹(shù)密林，恢復(fù)了一定的森林生態(tài)系統(tǒng)功能。

4.5 藤本植物的栽植與選用

礦山修復(fù)總能碰到懸崖、裸巖等生境類型，過(guò)去往往采取噴漿種植或拉網(wǎng)種植的方法，短時(shí)間能收到“見(jiàn)綠”的效果，但時(shí)間不長(zhǎng)植物就由于缺水和土壤養(yǎng)分而變黃枯死，修復(fù)達(dá)不到預(yù)期還造成資源浪費(fèi)。以本項(xiàng)目為例，選擇五葉地錦進(jìn)行軟覆蓋，對(duì)于垃圾覆蓋的邊坡通過(guò)有機(jī)覆蓋及五葉地錦的軟覆蓋綜合影響，現(xiàn)已形成枯枝落葉層1～2 cm厚的土壤表層，為后續(xù)植物群落的演替提供了地質(zhì)基礎(chǔ)。

5 結(jié)論與展望

從調(diào)查區(qū)域植物群落經(jīng)過(guò)十多年的演替與2007年生態(tài)修復(fù)工程結(jié)束時(shí)相比較，群落的蓋度、結(jié)構(gòu)、物種豐富度及優(yōu)勢(shì)種隨恢復(fù)時(shí)間都發(fā)生了明顯的變化?；鹁鏄?shù)林向榆樹(shù)、刺槐、黃檗等喬木占優(yōu)勢(shì)的雜木林方向發(fā)展，并且形成喬、灌、草、藤本的復(fù)層植物群落結(jié)構(gòu)。刺槐林向刺槐為優(yōu)勢(shì)種的相對(duì)穩(wěn)定的雜木林方向發(fā)展。模擬東北、華北植物區(qū)系而營(yíng)造的針闊混交林目前演替到油松、冷杉和五角楓等植物種共存且相對(duì)穩(wěn)定的雜木林階段。

通過(guò)對(duì)礦區(qū)三塊調(diào)查樣地的調(diào)查研究及植物群落演替規(guī)律的研究發(fā)現(xiàn)，一個(gè)礦山建筑垃圾堆積的廢棄地經(jīng)過(guò)生態(tài)修復(fù)建設(shè)是可以改造成郁閉的森林生態(tài)環(huán)境，使森林生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)不斷完善，森林生態(tài)系統(tǒng)的功能逐漸增強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)礦山廢棄地生態(tài)環(huán)境的徹底改變。因此，研究礦山廢棄地植被群落的演替對(duì)于礦區(qū)生態(tài)修復(fù)建設(shè)具有重要意義。后期還可在此地進(jìn)行長(zhǎng)期的定位觀測(cè)與評(píng)價(jià)，為礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)提供一定的理論與實(shí)踐依據(jù)。