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极端困难立地植被综合恢复技术研究[J]

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极端困难立地植被综合恢复技术研究[J]

极端困难立地植被综合恢复技术研究王兵1,赵广东1,苏铁成2,白秀兰1,李刚2(1.中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所,100091,北京2.抚顺矿务局林业处,113004,辽宁抚顺)摘要近年来,我国的森林覆盖率大幅度提高,生态环境明显改善,因此煤矸石山废弃地极端困难立地的植被恢复问题成了今后造林的主要任务。为了筛选出适合煤矸石山废弃地的造林树种和复垦措施,在辽宁省抚顺市,研究了不同植物在煤矸石山造林成活率、土壤化学性质随复垦年限的变化和复垦措施对土壤化学性质和植物胸径、树高年净生长量的影响。结果表明(1)不同植物在煤矸石山废弃地的成活率在2185之间,其中白榆和沙打旺的成活率分别为81和85,而小叶杨、刺槐、栾树的成活率均在70左右(2)植被能明显提高煤矸石山废弃地不同土层的有机质、全N、P2O5含量,但提高程度随土层深度、养分种类和复垦年限的不同而不同(3)在同一土层,生物复合肥料、菌剂和保水剂均显著提高土壤有机质含量(p<0.01)并显著降低土壤P2O5含量(p<0.01)只有保水剂可引起土壤全K含量的明显升高(4)生物复合肥料、菌剂和保水剂均显著提高白榆、小叶杨、刺槐、栾树树高和胸径的年净生长量,但保水剂的提高程度最高。关键词端困难立地植被恢复技术煤矸石是井工开采和洗煤排放的废弃物,迄今为止,将其作为建筑和工业原料的直接利用率不到2012,大量煤矸石不断堆积形成矸石山。对煤矸石山而言,表层的风化矸石仅为5~10cm,下部均为未风化的矸石,矸石中的含碳量大、地温高,极易自燃,而且土壤的透水性强、蒸发量大,因此立地条件极端困难。全国现有矸石山1500多座,占地约10000hm2,采矿活动及其废弃物的排放,不仅占用甚至破坏土地资源,而且带来了一系列影响深远的环境问题3,如空气、地表水、地下水和土壤质量的下降,生态系统退化,生物多样性丧失,景观受到破坏,农作物减产4,并威胁到人体健康。因此矿区废弃地的土地复垦一向为世界经济发达国家所重视,而我国对矿区土地复垦和环境整治的重视较晚,目前土地复垦率仅2左右,与世界先进国家矿区土地复垦率达65以上相比,差别很大5。而对煤矸石山实施林业复垦,进行造林绿化,恢复植被,建立起稳定的人工植物群落是煤矸石山治理根本途径和煤矿区生态重建的前提与核心6。但至目前为止,尽管全国已有十几座煤矸石山得到绿化,取得了初步成效并积累了一定的实践经验,但研究主要集中在煤矸石山的立地特征1,7、适生植物种类选择813等方面,但不同复垦措施对植物生长和土壤化学性质的影响研究还不多见。本文的研究内容主要包王兵(1965~),男,研究员,中国林业科学研究院森林生态环境研究所,主要从事生态系统关键过程长期观测与模拟研究。Emailwangbingforestry.ac.cn。括(1)不同植物在煤矸石山造林成活率的差别(2)植被对不同复垦年限条件下土壤化学性质的影响(3)不同复垦措施对土壤化学性质和植物胸径、树高年净生长量的影响,以期为筛选出适合当地煤矸石山废弃地的复垦措施提供基础理论依据。1试验地概况研究区位于辽宁省抚顺市东部,东经123°39′~125°28′,北纬41°41′~42°38′,属北温带季节风性大陆气候,平均温度4~7℃,极端最高温度39.6℃,极端最低温度40.5℃,日照时数2255~2517h,≥10℃积温2900℃,无霜期125~150d,降水量700~850mm,平均相对湿度71。实验区海拔180~200m,面积1333hm2,地势较起伏,相对高差在5~10m以内。实验区表层于1985年停止排矸,区内煤矸石以绿页岩、油页岩为主要成分,另有少量表土、煤页岩、凝灰岩等。表层矸石粒径为>10mm的石块约占75,1~10mm的碎石砾约占10,<1mm的石粉约占15。实验区内除杠柳(Periplocasepiun)为灌木外,其余32种植物均为弱生草类,总盖度在40左右,分布不均,局部尚有裸岩分布。2材料与方法2001年4月,在辽宁省抚顺市东矸石山选取6.3hm2废弃地,根据煤矸石山立地条件的干燥、少土、地表温度高等特点,从本地及省内其它干旱地区选择了紫花苜蓿(Medicagosativa)、沙打旺(Astragalusadsurgens)、中国沙棘(Hippophaerhamnoidesssp.sinensis)、刺槐(Robiniapseudoacacia)、樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)、白蜡(Fraxinuschinensis)、锦鸡儿(Caraganasp.)、小叶杨(Populussimonii)、白榆(Ulmuspumila)、栾树(Koelreuteriapanaiculata)、日本落叶松(Larixkaempferi)、长白落叶松(Larixolgensis)、胡枝子(Lespedezabicolor)和文冠果Xanthocerassorbifolia)等14种乔、灌、草植物,除紫花苜蓿和沙打旺采用直播造林外,其余各树种均采用2a生植苗造林,植苗穴规格为坑口径50cm,坑深50cm。因迹地有大量弱生草本植物残体,所以造林前进行迹地整理。2002年生长季节、2003年生长季节和2004年生长季节,对局部草本植物生长旺盛区域进行割草抚育。2001年9月,在6.3hm2废弃地中,14种乔、灌、草植物各随机选取50~80株,调查各自的造林成活率。根据2001年造林成活率调查结果,同时考虑到植被恢复演替的规律和将来的生态效益,2002年4月选择小叶杨、白榆、刺槐和栾树为主要造林树种,在1.6hm2实验标准地内,进行不同复垦措施的集约化经营试验。在1.7hm2实验标准地中,应用保水剂、生物菌剂、生物复合肥料等3种措施的造林面积均为4000m2,对照标准地的造林面积为4000m2,裸地的面积为1000m2。2002年10月、2003年10月和2004年10月,在实验标准地内,从地表向下按0~10、10~20、20~30、30~40、40~50cm等5个层次,分别进行挖取土样,取样数量为30~50个点。在国家林业局森林生态环境重点实验室,测定每个土样的有机质、全N、P2O5和全K含量。有机质含量用重铬酸钾容量法测定9,全N含量用微量凯氏定氮法测定,全P和全K均采用原子吸收法测定5。2003年10月和2004年10月,在1.7hm2实验标准地中,各随机选取不同复垦措施下的小叶杨、白榆、栾树和刺槐30~50株,应用测树学的方法,调查树高和胸径。3结果与分析3.1适宜煤矸石山废弃地的植物种选择选择优良植物种是提高煤矸石山废弃地植物复垦质量的关键。煤矸石山废弃地立地条件差、高温、高地热、环境污染严重,植物栽培时,应该选择耐干旱贫瘠、抗污染、抗性强的乡土植物种和历经多年驯化适应的栽培植物种。根据2002年10月主要植物种成活率调查结果,不同植物在煤矸石山废弃地的成活率在2185之间。其中,白榆和沙打旺的成活率最高,分别为81和85紫花苜蓿、小叶杨、刺槐、栾树的成活率次之,分别为76、71、70和67而日本落叶松和华山落叶松的成活率最低,分别为15和21(表1)。表1主要植物种基本情况和成活率调查Tab.1Thesurveyofafforestationsurvivalrateandplantgrowthconditionofdifferentplants名称科名性状根系生长速度种植方式成活率紫花苜蓿豆科多年生草本侧根发达快播种76沙打旺豆科多年生草本侧根发达快播种81图1实验标准地树种不同配置模式和复垦措施Fig.1Configurationpatternsoftreespeciesandreclamationmeasuresinexperimentalplot说明图1中,杨树(小叶杨)、白榆、栾树和刺槐带状混交。每带2行,株行距均为1.5m1.5m。图中A、B、C分别代表应用生物复合肥料、生物菌剂、保水剂3种不同的复垦措施CK代表对照实验,下同。名称科名性状根系生长速度种植方式成活率沙棘胡颓子科落叶小乔木根系发达快移栽49刺槐豆科落叶灌木深根快移栽70樟子松松科常绿乔木深根中移栽38白蜡木犀科落叶乔木深根中移栽40锦鸡儿豆科落叶灌木深根中移栽28小叶杨杨柳科落叶乔木深根快移栽71白榆榆科落叶乔木深根中移栽85栾树无患子科落叶乔木深根中移栽67日本落叶松松科落叶乔木深根慢移栽15长白落叶松松科落叶乔木深根慢移栽21胡枝子豆科落叶小灌木深根中移栽45文冠果无患子科落叶小灌木深根中移栽333.2植被对煤矸石山废弃地土壤化学性质的影响图2是未采用任何复垦措施,植被(图1中的CK)复垦第1年和第2年后土壤与裸地土壤化学性质的对比分析。可以看出,植物复垦能够明显改善煤矸石山废弃地的有机质、全N、P2O5等养分含量,改善程度随土壤层厚度和养分种类的改变而不同。在0~10、1020、2030、3040、40~50cm的不同土层厚度条件下,土壤中的有机质、全N、P2O5含量随复垦年限的增加而增加,均表现为复垦第2年复垦第1年裸地,且两两之间差异极显著(p<0.01=。但对土壤中的全K含量而言,复垦第1年和裸地之间的差异不显著(p>0.1),但复垦第2年的土壤全K含量要明显低于复垦第一年和裸地土壤中的全K含量(p<0.01=,说明土壤全K含量随复垦年限的增加而呈现降低趋势。)0.02.04.06.08.010.012.00~1010~2020~3030~4040~50有机质()0.01.02.03.04.05.06.07.00~1010~2020~3030~4040~50全氮g/kg0.00.51.01.52.02.53.03.54.00~1010~2020~3030~4040~50土层厚度SoilDepthcmP2O5()裸地复垦第1年复垦第2年0.00.51.01.52.02.53.03.50~1010~2020~3030~4040~50土层厚度SoilDepthcm全钾()图2植被对煤矸石山废弃地土壤化学性质的影响Fig.2Effectsofvegetationonthesoilchemicalproperties3.2不同复垦年限和复垦措施对土壤化学性质的影响与对照相比较,不同复垦措施均可显著提高土壤有机质含量(p<0.01=),但在同一土层,生物复合肥料对土壤有机质含量的提高程度最大,菌剂次之,保水剂最小。在复垦第1年和复垦第2年,应用生物复合肥料、菌剂和保水剂的土壤两两间的有机质含量均有极显著差异(p<0.01),即A>B>C。随着复垦时间的延长,不同复垦措施对土壤有机质含量的提高程度逐渐减小,而在同一土层,以应用保水剂土壤中的有机质含量的降低程度最低。在复垦第2年,在同一土层,不同复垦措施均引起土壤中全N含量明显降低,应用生物复合肥料、菌剂和保水剂的土壤全N含量降低的大小顺序为C>B>A,,且土壤两两间的全N含量均有明显差异(p<0.05)。在复垦第2年,与对照相比较,保水剂引起土壤全N含量的降低程度最大,菌剂次之,生物复合肥料最小而在复垦第1年,与对照相比较,只有保水剂引起土壤全N含量明显降低,而生物复合肥料、菌剂对土壤全N含量的影响均不明显。与对照相比较,不同复垦措施均可明显降低土壤P2O5含量(p<0.01),无论在复垦第1年还是复垦第2年,应用生物复合肥料、菌剂和保水剂的土壤全N含量降低的大小顺序均为C>B>A。与对照相比,无论在复垦第1年还是复垦第2年,应用生物复合肥料和菌剂均没有引起土壤全K含量的明显变化(p>0.1),但保水剂却引起了土壤全K含量的明显升高。3.4不同复垦年限和复垦措施对主要树种胸径和树高生长的影响不同复垦措施,能够明显改善煤矸石山废弃地主要造林树种树高、胸径的年净生长量(表3)。当应用生物复合肥料时,小叶杨、白榆、栾树和刺槐胸径的年净生长量,分别比各自的对照提高了31.0、34.5、6.5、5.2当应用生物菌剂时,小叶杨、白榆、栾树和刺槐的胸径,分别比各自的对照提高了20.7、31.9、6.5、5.2当应用保水剂时,小叶杨、白榆、栾树和刺槐的胸径,分别比各自的对照提高了93.1、55.2、23.8、23.3。当应用生物复合肥料时,小叶杨、白榆、栾树和刺槐树高的年净生长量,分别比各自的对照提高了7.7、38.2、9.5、81.7当应用生物菌剂时,小叶杨、白榆、栾树和刺槐的胸径,分别比各自的对照提高了3.8、26.5、9.5、81.6当应用保水剂时,小叶杨、白榆、栾树和刺槐的胸径,分别比各自的对照提高了23.1、158.8、85.7、83.1。显然,与对照相比较,当使用保水剂时,小叶杨、白榆、栾树和刺槐胸径和树高年生长量提高程度均最高。表2不同复垦年限和复垦措施对土壤化学性质的影响Tab.2Effectsofdifferentreclamationmeasuresandtimeonthesoilchemicalproperties化学性质土层深度(cm)复垦第1年复垦第2年CKABCCKABC有机质(%)0105.1610.627.657.0910.7718.4612.5911.7310205.1013.909.946.3610.1514.8413.2112.0120305.1414.0612.926.537.3314.1211.368.53化学性质土层深度(cm)复垦第1年复垦第2年CKABCCKABC30404.1515.5113.655.169.7416.0313.5811.3340504.0511.9211.005.409.3015.8513.6710.61全N(g/kg)0104.524.324.573.935.854.944.193.7210203.703.493.423.125.713.443.092.5020304.264.034.193.265.244.183.433.0130404.154.334.443.225.144.574.082.0740504.063.964.113.096.383.673.892.10P2O50101.801.651.280.862.841.230.830.5010202.752.131.631.163.341.491.090.7220302.522.241.290.983.221.791.150.7530402.181.741.391.011.632.101.040.6440502.912.591.611.293.731.671.060.82全K0102.042.292.223.691.261.351.282.7910202.231.971.993.251.311.031.492.7020302.442.221.983.151.101.191.151.8730402.041.831.843.081.081.180.941.8040502.191.651.562.861.581.371.122.41表32003年10月~2004年10月主要造林树种胸径生长和树高生长情况调查表Tab.3DBHandheightgrowthsurveyofthemaintreebetweenOctober2003andOctober2004配套措施胸径增加/cm树高增加/m小叶杨白榆栾树刺槐小叶杨白榆栾树刺槐A0.381.561.971.220.280.470.691.29B0.351.531.971.220.270.430.691.29C0.561.802.291.430.320.881.171.30CK0.291.161.851.160.260.340.630.714结论与讨论废弃矿区生态恢复复垦技术,主要包括物理、化学以及生物等3大类,但无论哪种类型,都应以最少的投入,最短的时间而且获得最大的效益为前提。植物复垦技术是生物技术的重要方面,是恢复矿区生态环境的必由之路15。在辽宁省抚顺市煤矸石山废弃地,白榆、沙打旺、小叶杨、刺槐、栾树的成活率均在70左右,适合于在煤矸石山废弃地生长,与刺槐、小叶杨、旱柳(Salixmatsudana)、大黄柳(Salixraddeana)、樟子松、白榆、小黑杨(PopulussimoniiPopulusnigra)、垂柳(Salixbabylonica)、山皂角(Gleditsiajaponica)、中国沙棘、胡枝子、紫穗槐(Amorphafruticosa)等14较适宜于东北地区矿区的结论基本一致,但日本落叶松和长白落叶松的成活率,仅为15和21,不适宜于抚顺矸石山造林樟子松的成活率仅为31,略高于日本落叶松和长白落叶松,但与在20年以上的矸石山上成功栽培樟子松的结论16不太一致。可见,由于停止排矸的时间不同,矸石山土壤物理性质和化学性质有所不同,因此,不同煤矸石山的适宜复垦植物种不同。有关研究表明,随着复垦年限的增加,复垦土壤有机质、全氮、有效磷均呈现逐年增加趋势,土壤容重逐年下降,而土壤全磷、全钾、速效钾、土壤pH值、交换量,Cu、Zn、Mn、Fe等微量元素的有效态含量变化不明显11。在辽宁省抚顺市煤矸石山废弃地的初步研究表明,不同植物均能够明显提高煤矸石山废弃地不同土层有机质、全氮、P2O5的含量。许多研究证明,通过种植牧草和大量施用有机肥、化肥,可加速复垦土壤的熟化,促进土壤理化性状逐年改善,土壤生产力得到提高16。不同复垦区的有机质、N、P、K等养分含量、微生物总量、牧草产量等以种植豆科植物区>禾本科区,覆土20cm区>覆土10cm区>不覆土区17。在干旱半干旱区,使用蓄水袋造林明显好于对照,造林成活率、苗木生长量与对照有明显差异19。通过添加土壤活性改良剂,可以提高种基盘基质的透水性和吸速率,降低其表面蒸发量,并能促进植物的地上部分生长20。笔者对生物复合肥料、生物菌剂、保水剂对煤矸石山废弃地土壤化学性质和植物生长进行了研究,这方面的研究在国内还很少见。虽然只是比较了复垦初期不同措施条件下树种胸径和树高的差别,但已发现了植物复垦措施的重要地位。有关不同复垦措施下土壤理化性状、植物的多方面生长指标,将在今后进一步研究,以筛选出适合当地煤矸石山废弃地的最佳复垦措施。5参考文献1苏光全,何书金,郭焕成.矿区废弃地土地资源适宜性评价J.地理科学进展,1998,17(4)39462王孝本,林玉利.煤矿矸石山生态系统的演替J.国土与自然资源研究,2000,144453束文圣,张志权,蓝崇钰.中国矿业废弃地的复垦对策研究(Ⅰ)J.生态科学,.2000,19(2)24284姜必亮,王伯荪.可持续发展的生态学透视J.生态科学,2000,19(1)65695何书金,郭焕成,韦朝阳等.中国煤矿区的土地复垦J.地理研究,1996,15(3)23326彭少麟.恢复生态学与植被重建J.生态科学,1996,15(2)26317王世绩,刘雅荣,刘建伟等.矿区复垦造林田的立地基本特征J.土壤通报,1995,26(1)31338苏铁成.矸石山复垦造林树种选择的试验研究J.林业科技通讯,1998,124269陈龙乾,邓喀中,唐宏等.矿区泥浆泵复垦土壤化学特性的时空演化规律J.中国矿业大学学报,2000,29(3)2626510陈龙乾,邓喀中,唐宏等.矿区泥浆泵复垦土壤物理特性的时空演化规律J.土壤学报,2000,38(2)27728311张乃明,武雪萍,谷晓滨等.矿区复垦土壤养分变化趋势研究J.土壤通报,2003,34(1)586012冯金生,范俊娥,赵景逵等..阳泉煤矸石山复垦种草的研究J.山西农业大学学报,1995,15(4)37037413洪坚平,谢英荷,林大仪等.绿肥牧草对矸石山生态环境的改善J.农村生态环境,1996,12(4)555714孙翠玲,顾万春,郭玉文.煤矸石山废弃地生态环境恢复林业复垦技术的研究J.资源科学,1999,21(3)687115周树理.矿山废地复垦与绿化.北京中国林业出版社,1995.16王孝本.在废旧矿区矸石山种植樟子松的初探J.林业科技,2000,25(6)161717洪坚平,谢英荷,林大仪等.不同复垦措施对矸石山培肥熟化的研究J.土壤肥料,1996,4424418李根柱,韩海荣,张增志.使用新材料蓄水渗膜造林试验研究初报J.中国水土保持科学,2003,1(4)10110519杨喜田,董惠英,山四喜成等.播种造林种基盘基质的改良研究J.中国水土保持科学,2003.1(4)8791

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