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 21%85%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 20%12， 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。 E-mail： 。 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 4238 ， 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 700850mm，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%， 110mm 的碎石砾约占 10%， 1mm 的石粉约占 15%。实验区内除杠柳（ Periploca sepiun）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 （ Medicago sativa）、 沙打旺 （ Astragalus adsurgens）、中国 沙棘（ Hippophae rhamnoides ssp. sinensis） 、刺 槐 （ Robinia pseudoacacia）、 樟子松 （ Pinus sylvestris var. mongolica）、 白蜡 （ Fraxinus chinensis）、 锦鸡儿 （ Caragana sp.）、小叶杨（ Populus simonii）、白榆（ Ulmus pumila）、 栾树 （ Koelreuteria panaiculata）、 日本落叶松 （ Larix kaempferi）、长白 落叶松 （ Larix olgensis）、胡枝子 （ Lespedeza bicolor）和文冠果 Xanthoceras sorbifolia）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 1.7 hm2 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 4 000m2，对照标准地的造林面积为 4 000m2，裸地的面积为 1 000 m2。 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 21%85%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. 1 The survey of afforestation survival rate and plant growth condition of different plants 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. 1 Configuration patterns of tree species and reclamation measures in experimental plot 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 1.5m 1.5m。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 33% 3.2 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 . 01 0 . 01 2 . 00 10 10 20 20 30 30 40 40 50有机质（ %）0 . 01 . 02 . 03 . 04 . 05 . 06 . 07 . 00 10 10 20 20 30 30 40 40 50全氮 (g/kg)0 . 00 . 51 . 01 . 52 . 02 . 53 . 03 . 54 . 00 10 10 20 20 30 30 40 40 50土层厚度 S o i l D e p t h ( c m )P2O5 （%）裸地 复垦第 1 年 复垦第 2 年0 . 00 . 51 . 01 . 52 . 02 . 53 . 03 . 50 10 10 20 20 30 30 40 40 50土层厚度 S o i l D e p t h ( c m )全钾（%）图 2 植被对煤矸石山废弃地土壤化学性质的影响 Fig. 2 Effects of vegetation on the soil chemical properties 3.2 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. 2 Effects of different reclamation measures and time on the soil chemical properties 化学性质 土层深度 （ cm） 复垦第 1 年 复垦第 2 年 CK A B C CK A B C 有机质 （） 010 5.16 10.62 7.65 7.09 10.77 18.46 12.59 11.73 1020 5.10 13.90 9.94 6.36 10.15 14.84 13.21 12.01 2030 5.14 14.06 12.92 6.53 7.33 14.12 11.36 8.53 化学性质 土层深度 （ cm） 复垦第 1 年 复垦第 2 年 CK A B C CK A B C 3040 4.15 15.51 13.65 5.16 9.74 16.03 13.58 11.33 4050 4.05 11.92 11.00 5.40 9.30 15.85 13.67 10.61 全 N （ g/kg） 010 4.52 4.32 4.57 3.93 5.85 4.94 4.19 3.72 1020 3.70 3.49 3.42 3.12 5.71 3.44 3.09 2.50 2030 4.26 4.03 4.19 3.26 5.24 4.18 3.43 3.01 3040 4.15 4.33 4.44 3.22 5.14 4.57 4.08 2.07 4050 4.06 3.96 4.11 3.09 6.38 3.67 3.89 2.10 P2O5 (%) 010 1.80 1.65 1.28 0.86 2.84 1.23 0.83 0.50 1020 2.75 2.13 1.63 1.16 3.34 1.49 1.09 0.72 2030 2.52 2.24 1.29 0.98 3.22 1.79 1.15 0.75 3040 2.18 1.74 1.39 1.01 1.63 2.10 1.04 0.64 4050 2.91 2.59 1.61 1.29 3.73 1.67 1.06 0.82 全 K (%) 010 2.04 2.29 2.22 3.69 1.26 1.35 1.28 2.79 1020 2.23 1.97 1.99 3.25 1.31 1.03 1.49 2.70 2030 2.44 2.22 1.98 3.15 1.10 1.19 1.15 1.87 3040 2.04 1.83 1.84 3.08 1.08 1.18 0.94 1.80 4050 2.19 1.65 1.56 2.86 1.58 1.37 1.12 2.41 表 3 2003 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. 3 DBH and height growth survey of the main tree between October 2003 and October 2004 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 A 0.38 1.56 1.97 1.22 0.28 0.47 0.69 1.29 B 0.35 1.53 1.97 1.22 0.27 0.43 0.69 1.29 C 0.56 1.80 2.29 1.43 0.32 0.88 1.17 1.30 CK 0.29 1.16 1.85 1.16 0.26 0.34 0.63 0.71 4 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（ Salix matsudana） 、大黄柳（ Salix raddeana） 、樟子松、白榆、小黑杨（ Populus simonii Populus nigra） 、垂柳（ Salix babylonica）、山皂角（ Gleditsia japonica） 、中国沙棘、胡枝子、紫穗槐（ Amorpha fruticosa）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）： 39-46 2 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， 1：44-45 3 束文圣，张志权，蓝崇钰 . 中国矿业废弃地的复垦对策研究（） J. 生态科学， . 2000