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    北京首云铁矿山废弃地植被修复调查研究

    关键词:风景园林;铁矿山废弃地;植被修复;植被特征;物种多样性

    Key words:landscape architecture; iron mine wasteland; vegetation restoration; vegetation characteristics; species diversity

    摘要:选取北京首云铁矿山废弃地为研究对象,通过实地调查结合生态学的研究方法对铁矿山废弃地生态修复植被的物种构成特征、植物群落模式及修复效果展开研究。结果表明,研究地共记录北京首云铁矿山植物种类103种,隶属于41科85属。其中废弃地自然修复区植被以自然生长的灌草丛为主,物种共计67种,菊科、禾本科、豆科为优势科;废弃地人工修复区植被物种共计82种,草本植物多为自然生长物种,菊科、禾本科、豆科和蔷薇科为优势科。由于立地条件及人工修复措施的差异,4种不同类型废弃地修复植被特征存在明显差异。通过分析植被覆盖度及物种多样性,发现人工修复区植被恢复效果明显优于自然修复区,且草本植物多样性水平显著高于乔木和灌木。最后针对矿山废弃地植被生态修复和景观化改造提出了建议。

    Abstract:Taking Shouyun Iron Mine Wasteland in Beijing as the research area, the plant species composition and plant community patterns and effect of revegetation were researched through investigation. The results are as follows: The number of plant species in the research area was 103, belonging to 41 families and 85 genera. The natural revegetation zone given priority to grassland bush had 67 species, and Compositae, Gramineae, Leguminosae were the dominant families. The artificial revegetation zone that a majority of herbs were natural species had 82 species, and Compositae, Gramineae, Leguminosae, Rosaceae are the dominant families as well. Revegetation characteristics in four kinds of wasteland had obvious difference due to different site conditions and artificial restoration measures. Effects of artificial revegetation were significantly better than natural revegetation by analyzing the vegetation coverage and species diversity, and the species diversity of herbaceous plants was dramatically higher than that of trees and shrubs. Finally the paper gave some proposes for vegetation ecological restoration and landscaping of mine wasteland.

    内容:

    矿山废弃地生态修复是生态恢复学研究的一项重要内容,其目的是利用生态修复相关理论和技术体系,将因采矿活动破坏的生态系统恢复到接近于矿山开采前的自然状态,或重建成符合人类某种有益用途的状态,抑或恢复成与其周围环境相协调的其他状态[1]。而生态系统的恢复和重建是以植被恢复为前提,因此植被修复成为矿山废弃地生态修复的基础。植被演替理论长期以来都是植物修复研究的重要内容,陈芳清等[2]发现矿山废弃地自然修复植物群落是通过先锋植物的入侵、定居与竞争形成的,植物群落的形成和演替过程按照演替序列分为3个阶段。当矿山废弃地自然修复植物群落处于前期阶段时,抗逆性强的草本植物会成为先锋物种, 随着时间的推移,灌木和乔木逐渐出现,植物覆盖度和物种多样性逐渐提高,在此过程中植物群落中各物种优势度呈现动态变化[3-5],同时适宜的乡土植物也在不断变化,因此植物群落演替到更高阶段时的物种构成可以作为植被修复初期物种选配的重要参照[6]。在植被修复措施方面,对于植物物种选配和种植技术,大量研究表明豆科、菊科、禾本科植物是矿山废弃地生态修复的先锋物种;赵方莹[7]的研究表明,矿山废弃地植被修复物种通过拟自然的配置方式,实行乔灌草复层混交,可以有效提高植被覆盖率、土壤肥力以及恢复植被生物多样性;魏远等[8]研究表明,对于土壤水分缺乏的矿山废弃地,可采用容器苗造林技术、保水剂技术,以及ABT生根粉技术等各类抗旱栽植技术;生物技术也被大量应用于促进矿山废弃地修复植被成活的技术中,实践证明AM菌根能够促进植物对养分的吸收,提高植物抗逆性,在矿山废弃地酸性土壤中植入根瘤菌和种植乡土豆科植物可以显著提高植被的成活率[9-10]。此外,闫德明[11]的研究表明合理有效的人工修复措施能够快速实现植被修复。但也有大量研究证实矿山废弃地通过自然修复方式得到的植被物种多样性高于人工修复方式,尽管自然修复的过程十分漫长,但从长远的效果来看,自然修复要优于人工修复[3,12-14]。
    北京现有矿山300余处,矿山废弃地面积达4 900hm2,且大部分处在北京“生态涵养发展带”上[15]。铁矿开采集中分布在密云境内,大量废弃地的存在严重威胁区域生态安全,当前北京地区的铁矿山废弃地正在积极采取一系列生态修复措施改善矿山生态环境,力争恢复其潜在生态功能[16]。本研究以北京首云铁矿山废弃地为研究对象,对矿山植被展开实地调查,深入了解北京地区矿山废弃地生态修复植被的物种构成特征、植物群落模式及修复效果,为矿山废弃地植被生态修复和景观化改造提供理论依据。

    1  研究地概况
    北京首云铁矿位于北京市密云巨各庄镇,占地面积248.8hm2,地处低山丘陵地带,属暖温带大陆性季风气候,年平均气温11.3℃,年降雨量620mm;植被类型为暖温带针阔叶混交林,由于历史上的长期砍伐,原有暖温带森林生态系统严重退化,现有植被均为次生群落。几十年来矿山开采形成的废弃地主要集中在运输道路沿线、排土场区、开采区和尾矿库区,2004年该矿山开始采取规模化的生态修复措施,对道路沿线、排土场、开采区以及尾矿库坝面等部分裸露的废弃地进行植被修复。该矿山现已成为集生产、科普、休闲娱乐、观光于一体的国家级矿山公园——首云国家矿山公园。

    2  研究方法
    2.1  样点选择及调查方法
    根据北京首云铁矿山废弃地主要用地类型、立地条件和可达性,基于生态学的科学调查方法,采用样方法进行植被调查。通过分层随机抽样进行样点选择,共选取植被调查样点48个。植被调查中每个样点选取10m×10m的标准地作为乔木调查样方,在乔木样方对角选取2个5m×5m的灌木样方,同时在乔木样方中心及4个角选取5个1m×1m的草本样方。植被调查过程中记录乔木的种类、株数、胸径、冠幅、高度及生长势等;记录灌木的种类、株数、冠幅、高度及生长势等;记录草本植物种类、盖度、高度及生长势等,并记录每个样点的海拔、坡向、坡度、经度和纬度等信息。
    2.2  数据处理
    采用Excel2013进行数据处理。通过分析物种优势度对植物物种分布和群落构成特征进行探讨。采用重要值来衡量物种在群落中的优势度,公式为:
    Pi=(Di+Fi+Ei)/3
    式中,Pi为物种i的重要值;Di为物种i的相对密度;Ei为物种i的相对显著度;Fi为物种i的相对频度。
    通过分析植物物种多样性水平,对不同区域及不同植被修复方式的修复效果进行对比研究。采用常见的Shannon-Wiener多样性指数(H)和Simpson多样性指数(D)来衡量植物物种多样性水平。
    Shannon-Wiener指数:


    Simpson指数:


    式中,Pi为物种i的重要值。

    3  结果与分析
    3.1  总体物种构成
    本研究记录北京首云铁矿山植物种类103种,隶属于41科85属。乔木种类总数15种,隶属于11科12属,其中常绿针叶乔木3种、落叶阔叶乔木12种;灌木种类总数27种,隶属于16科34属;草本种类总数58种,隶属于21科50属;木质藤本植物共3种。菊科、豆科是重要的优势科,两者物种数占物种总数的27.15%(表1);所含物种数在2~9种的科共计16个,如禾本科、蔷薇科、木犀科、柏科、藜科和萝藦科等,占总科数的39.02%,这些科所含物种数占总物种数的比例最大,为49.51%;其余23个科均为单种科,所含物种数占总物种数的比例仅22.33%。物种所属科的分布存在较大差异,物种间的异质性较强,表明矿山废弃地植被修复的物种来源广泛。
    自然修复区植被以适应性强的自然生长植物为主,物种共67种,其中乔木8种、灌木10种、草本49种。菊科所含物种数最多,占自然修复物种总数的19.4%,其次是禾本科和豆科,表明菊科、禾本科、豆科是较适合矿山废弃地自然修复的先锋物种。人工修复区植物种类显著多于自然修复区,共82种,其中菊科、豆科、禾本科、蔷薇科所包含的物种数较多。人工修复所选用的植物共36种,包含乔木14种、灌木15种、草本植物6种及藤本植物五叶地锦,植被经过一定年限的生长发育,场地中除人工修复所选用的植物物种外,还有大量自然生长的物种,其中大部分为草本植物。
    3.2  不同类型废弃地植被修复特征
    3.2.1  道路沿线废弃地
    在矿山建设生产过程中,由于道路的重建和调整等因素,道路沿线形成部分开挖式的坡面,表层以土石混合物为主,含一定量土壤。自然修复植被以灌草群落为主,也有少部分区域由于修复时间较长形成了乔灌草复层群落。乔木层以臭椿、榆树为主,灌木层中榆树、孩儿拳头(Grewia biloba)和荆条(Vitex negundo var. heterophylla)是优势种,草本层优势种是大籽蒿(Artemisia sieversiana)、地肤(Kochia scoparia)和野艾蒿(Artemisia lavandulaefolia)(表2,图1)。
    道路沿线废弃地在人工修复过程中采用人工覆盖山皮土进行客土改良,并通过播种与栽植相结合的方式进行植被修复,形成乔灌草复层植被结构。乔木层物种主要为侧柏、油松、红花刺槐(Robinia×ambigua ‘Idahoensis’)、臭椿、银白杨、加杨(Populus×canadensis)、山杏、金银木等,灌木层物种主要有连翘、荆条、紫丁香、黄刺玫、紫穗槐、胡枝子等,草本层中人工选用的植物仅存萱草和鸢尾,其余均为自然生长的植物,其中大籽蒿、萱草、鸢尾、狗尾草(Setaira viridis)、猪毛蒿(Artemisia scoparia)是草本层中重要的优势物种,人工栽植的沙打旺(Astragalus adsurgens)、黑麦草(Lolium perenne)等逐渐被狗尾草、大籽蒿等自然生长的草本植物所取代(表2,图2)。
    3.2.2  排土场区废弃地
    排土场区废弃地是堆放剥采废石的场地,大部分区域以大小不一的碎石为主,缺少土壤成分,形成了坡度较大的碎石坡面。该区自然修复的植被生长稀疏,以草本植物群落为主,零星分布一些乔灌木,形成乔草群落、灌草群落以及乔灌草群落;乔木层中榆树占据绝对优势,灌木层中榆树也有很高优势度,草本层分布着大量榆树小苗,表明榆树是排土场区植被自然修复的重要先锋植物;杠柳(Periploca sepium)、荆条、臭椿、多花胡枝子(Lespedeza floribunda)等是灌木层的重要物种,狗尾草、稗、白莲蒿(Artemisia sacrorum)、猪毛蒿、地肤、黄花蒿(Artemisia annua)、大籽蒿等是草本层的重要物种(表3,图3)。
    排土场区废弃地在进行人工修复过程中,采用人工覆盖山皮土层后铺设生态植被毯以及结合种植坑客土改良技术等工程措施进行植被修复。当前该人工修复区植被以灌木和草本植物为主,形成大面积草坡景观和灌丛景观,草坡以人工栽植的地被菊(Dendranthema morifolium)、紫花苜蓿(Medicago sativa)、沙打旺及五叶地锦等为主,同时分布有大量自然生长的草本植物,如狗尾草、野艾蒿、野燕麦(Avena fatua)、稗、二月兰等,草坡中也零星分布着榆树、臭椿、荆条等自然生长的乔灌木及人工栽植的山杏、火炬树、刺槐等;灌丛以人工种植的荆条和紫穗槐为主,间种少量胡枝子,同时分布着一定量的榆树灌丛,下层以自然生长的草本植物为主,如猪毛蒿、黄花蒿、野艾蒿、白莲蒿等,灌丛边缘靠近道路的区域种植有连翘、沙地柏等具有一定观赏性的植物(表3,图4)。
    3.2.3  开采区废弃地
    开采区废弃地是以开采后的裸岩和风化物为主形成的坡面,坡度一般为70°或更陡。经过长期的风化作用,岩石裂隙发育良好的区域形成适于植物生长的风化物,风化物表面生长着自然修复的植物群落,植被稀疏,以草本植物群落为主,零星分布一些灌丛。灌木层有榆树、荆条、臭椿和酸枣4种植物,草本植物以白莲蒿、狗尾草、鬼针草(Bidens pilosa)、稗、卷柏(Selaginella tamariscina)、无芒雀麦(Bromus inermis)、小飞蓬(Conyza canadensis)等为主(表4,图5)。
    开采区废弃地在进行人工修复过程中,对于坡度过大的裸露岩质边坡采取挂网客土喷播结合栽植的手段,所选用物种主要有:荆条、臭椿、紫花苜蓿、胡枝子等;在坡脚和坡度较缓的区域则栽植山杏、金银木、丁香、连翘、鸢尾、萱草、沙地柏等观赏性较好的物种。当前该人工修复区以灌草和乔灌草复层群落为主,臭椿、榆树、山杏是乔木层优势种,其中榆树为自然生长形成;灌木层的优势物种是荆条、榆树和臭椿;草本层优势种不明显,狗尾草、稗、沙地柏、地被菊、白莲蒿等均具有一定优势(表4,图6)。榆树作为自然生长的物种,成为群落中重要的优势种,紫花苜蓿、萱草、鸢尾等人工修复过程中应用的植物随着群落的生长演替,优势度逐渐降低,而自然生长的草本植物优势度不断上升,表明人工修复植被正在朝着自然群落的方向演替。
    3.2.4  尾矿库坝面废弃地
    尾矿库坝面是由尾矿砂经长期堆积碾压所形成的,坝面坡度约为20°,主要由不含土壤成分的粒径细微粉砂组成。在自然状态下,尾矿库坝面废弃地几乎寸草不生,而经过人工修复后形成了大面积覆盖的植被。人工修复采用客土大苗和生态植被毯等措施,选用的植物主要有荆条、紫穗槐、杞柳(Salix integra)、紫花苜蓿、沙打旺、黑麦草、胡枝子、波斯菊等。当前尾矿库植被以灌木和草本植物形成的大片灌丛和草坡为主,并零星分布着乔木状的刺槐和榆树。灌丛群落中荆条、紫穗槐和胡枝子具有明显优势度,与人工修复所应用的物种构成相似。草坡中紫花苜蓿、紫穗槐(幼苗)、狗尾草、野艾蒿、波斯菊、猪毛蒿是重要的优势种,人工选用的紫花苜蓿长期以来都保持着较高的优势度,但其他植物如沙打旺、黑麦草等优势度较低,而自然生长的狗尾草、野艾蒿具有较高优势度,表明尾矿库人工修复植被也在逐渐朝着自然群落的方向演替(表5,图7)。
    3.3  植被修复效果分析
    通过对道路沿线、排土场、开采区及尾矿库坝面修复植被的覆盖度进行分析,发现人工修复植被的覆盖度明显高于自然修复植被。通过对植物物种多样性进行对比分析,发现人工修复植被的物种多样性水平高于自然修复植被,且草本植物的多样性水平显著高于灌木和乔木层(图8)。这些都表明人工修复措施有效改良了废弃地的立地条件,创造了利于植物生长的环境,同时人工种植的植物尤其是适应性强的乡土物种,可在短时间内构建可见的植物群落,为群落演替和形成稳定的植被体系创造条件,有利于自然植被的生长,尤其能够促进多年生草本植物的生长。而自然修复的植物群落结构则相对简单,尚处在群落次生演替的初级阶段,以稀疏的灌草丛为主,多样性水平较低且稳定性较差,这个群落演替初期阶段会持续很长时间。由此可见人工修复显著加快了矿山废弃地生态修复的进程。

    4  结论与讨论
    物种构成结果表明,豆科、菊科、禾本科植物是矿山废弃地植被修复的重要物种,且物种间异质性较明显,为矿山废弃地植被修复提供了较多的基础植物材料。榆树、臭椿、荆条、刺槐等适应性较强的植物可以考虑作为矿山废弃地植被修复的建群种,促进多样性和稳定性群落的构建;油松、银白杨、连翘、紫丁香、紫穗槐、胡枝子、紫花苜蓿、波斯菊、鸢尾、萱草等适应性强且具有一定观赏性的物种,对于北京地区矿山废弃地植被修复有着很高的应用价值。草本植物所占比例及多样性水平显著高于乔木和灌木,在植被自然修复区域中,草本植物占主导地位且人工修复的植物群落中也出现大量自然生长的草本植物,如大籽蒿、狗尾草、野艾蒿、鬼针草、白莲蒿等,表明草本植物在矿山废弃地表现出更强的适应性。从短期效果来看,矿山废弃地人工修复植被效果显著优于自然修复植被,而要与周围自然山林融为一体,恢复生态系统的完整性和稳定性则需要漫长的自然修复过程,因此需要充分认识矿山废弃地植被结构特征及自然变化规律,结合成熟的人工修复措施,加快植被修复的进程。
    采取生态修复技术实现矿山废弃地的重建和复垦,在土地资源稀缺的今天是远远不够的,其再生模式应从城市化进程、社会需求及景观生态等角度出发探寻新思路,因此越来越多的矿山废弃地正朝着被改造建设成为矿山公园的方向发展。首云铁矿山废弃地作为国家矿山公园也正积极采取一系列生态修复和景观化措施来展现其所应具备的观光游憩、科普教育及生态保护等实质性功能,因此对其植被生态修复和植物景观营建提出了更高要求。1)生态修复中要以适应性强且具有地域特色的乡土植物为主,并选用优良外来物种,实现乡土物种与外来物种的有机结合,提高物种多样性。2)注重近期与远期效益的结合,在生态修复初期选择地上部分较矮、根系发达、生长较快且在短期可实现植被覆盖的物种,以草本植物和灌木为主。同时植被生态修复每一阶段的相关措施都要可行有效,防止出现植被退化现象。3)因地制宜地构建拟自然的植物群落模式,以更高演替阶段的植物群落作为参照来选配植被修复初期的物种,注重乔、灌、藤本和草本植物多层次有机结合,构建多样性水平较高的植物群落。4)将矿山废弃地植被生态修复与景观化打造相结合,合理营造具有主题特色的植物景观:在游人活动的集中区域注重植物观赏性和景观空间营造,充分考虑植物的季相特征和区域色彩协调性,营造富于美感和变化的植物群落,给予游人丰富的景观体验;在远离游人活动的区域则保留自然修复植被,采取适当的人工修复措施促进植被修复,适量配置乔灌草植物丰富植物层次,形成管理粗放且富于自然野趣的植物景观,实现矿山废弃地土地资源优化配置的多重目标。

    注:文中图片均由关军洪绘制或拍摄。

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    (编辑/刘欣雅)