（生态学专业论文）海南岛东部滨海砂矿废弃地植被恢复效应的比较研究.pdf

摘；：要 近几十年来，在全球变化和人为作用不断加强的背嘬下，海岸侵蚀和退化是当今全 球海岸带普遍存在的灾害现象。我国的海岸线状况也不容朱观，其中采矿选矿等人为进 行的生产活动对滨海岸的生态平衡造成干扰，使待气候变化、海岸侵蚀、环境质量下降 以及滨海湿地退化；严重地威胁沿海地区人们的经济和生活的正常进行因此，大面积 的采矿废弃地亟待进行恢复重建。 本项研究对海南岛东北部文昌市境内的国营岛东林场的宝邑作业医内靠海地段的 采矿废弃地的滨海裸砂地上设置的两个比较棒她进行比较。海南岛东部海岸钛错砂矿废 弃地采用种植木麻黄进行植被恢复，奉交透过对有残余有西瓜藤蔓和稀土肥料处理根部 后种植的木麻黄林地( 处理林她 。与没有经迷住何处理措施钓木麻黄林地( 对照林地) j 在经过三年的生长后进行比较研究j 比较砩究的主要内容为：( 1 ) 两个林地中木麻黄 林木的树高、基径、胸径等生长指标；( 2 ) 两个林地中光强、水分、盐度等生长指标 两个林地中的土壤和植物系统中养分元素的含量；( 3 ) 两个林地中的土壤和植物系统 中养分元素的分布格局；( 4 ) 两个林地中的土壤和植物系统中养分元素随季节的变化 动态； ( 5 ) 两个林地土壤中有机质的含量等。 f 络果显示：( 1 ) 处理林地木麻黄林木的树高、基径、胸径均显著大于对照林地；( 2 ) 处理林地植物一土壤系统中各分室的养分元素n 、p 、k 浓度均大于对照棒地对应值；( 3 ) 两个林地植物一土壤系统中各分室的养分元素n 、p 、k 的分布格局均为：叶 粗枝 根 士， ( 4 ) 两个林地植物一土壤系统各分室的养分元素有着相似的季节动态变化。( 5 ) 处理 林地土壤中有机质的含量要高于对照林地的相应值。 因此：处理林地的植被恢复方式与对照林地植被恢复方式相比，前者更有利于滨海 岸锆钛砂矿废弃地植被的恢复。综上历述= ：对于这种滨海砂矿开采废弃地来说，通过人 为的调控措施，可以获得较好的植被恢复效果。 关键词：海南岛；海岸砂矿i 生态恢复；木麻黄林；养分元素 a b s t r a c t h lt h en e 缸y e a r s ，e r o s i o n 姐dd e 伊a d a t i 叩o ft h cc 0 鹅ta r ec o m m o np h e n o m e n ai nt h e w o d d o nl h eb a c k 毋0 u n d0 fg l o b a lc h a n g c sa i l da r t i f i c i a le 疵c t hc h i n a ，i ti sn o ts a i l g i l i n i l y t h a tt h e 朋b i o s i so ft h ec o a s ti si 玎t e r f c r e n c c db ym i n c d 1 飞er c s u l t0 fw b i c hc h a n g co ft h e 吐衄a t e ；啪s i 咖o ff h cc o 雏t ；d e g r a d a t i o n0 ft h c v i r o n m e n t a iq u a l i t yi n d c xa n dr e 目e s s i o no f t h ew c tl 姐di nt h ec 0 够tt h r c a t c 船t h ee c o n o m i ce n t i t y 柚dl i f co fp e o p l el i v i n g 伽m c c 0 弱t 1 1 l e r c f o i 岛a 擎e a tp a r to fc o a s t a lm i n i n gs i t c s 躺r e 咖口c dc r i t i c a l l y 1 1 l e r ej s ec o m p a r i s o n 彻t h et w oc o m p 翦a 的ef o 】螂纽w l l i c ha r ci nt h ec o a s t a lm i n i n g s i t c a rb yt 崦ai nt h cb a o y cw 幽gz o n ei n 也e 咖df 砌i nt l i ee a s t n 0 砒e mo f h a i 啪i s l 柚d t h ev e g c l a t i o nw 鹤r e s t o 栅b yu s i n g ，伽口e 倒妇p 理向妇o nt h em i n i l i g s i t c 缸t b ee a s t a s tq fh a i 嘲l s l a n d ，kt h i sa r t i c l e ，ac o m p a r a t i v es t u d yw a sc o n d u c t e do n t h e 打c 咖e n t 岔雌s tw i t hw i t h e r c dw a t e n n e l o nv i n e sa 耐m r ec a r t hf c r t i l i z e ra n dt h eb l a n k f o f c 盘w i t h o u t 跹y 仃c a t m 如ta f t c r3y c a 巧o fv e g c t a t i o np 喇o d t h ec o n t e m sa r cp m c e c d e d t h a t ：( j ) t h e 印w t h i n d e xo f t h c t r c a t m e n t f o r e s t 锄d t h e b l a n k f o r e s t 。( 2 ) t h ec o n c c n t r a t i o n s o fm i t r i e n te l e m 姐t sn ，p 矩dki nd i f ! e r e n tc o m p 砌恤e n 谯o ft h el r e a t m e n tf b r c s ta n dt h e b l a n l 【f o r e s t ； ( 3 ) t h cd i s t r i b u t i o np a t t 锄so f 哪t r i e m si nb o t hf o r c s t s ；( 4 ) t h ed y n a m i c s p a t t e m so f 如t r i e n t s i n t h e 抑o f o i e s 协( 5 ) t h e 咖c e n n a t i so f e l e m e n t s c i n b o t h f o r e s t s 1 喇r 髓u l t ss h 删c dm a t ；1 ( 1 ) m c 笋。叭hi n d e x i g h t ，d i 锄c t e r b e 鹤t h e j g h ta n d b 弱i l d i a m e t e r ) o ft h et r c a t m e n tf o 慨tw e f ea us i 驴硒c a n t l yg a t e rt h 柚t h o s eo ft h eb l a n kf o r c s t ； ( 2 ) t h ec o l l c e n t r a t j o n so f 删t r i e n te l e m e n 谯n ，pa n dki nd i f f e r c n tc o m p a n i n e n t s 、v e r ca l l h i g 如r m a n t h o s e i n t l l e b 硒1 l 【向r c s t ；( 3 ) t h e d i s t r i b u t i o n p a t t e m s o f n u t r i c n t s i nb o t h f o f c s 协 w e r c 勰：n c c d l e b r a n c h r o o t s o i l ； ( 4 ) t h c r ew 懿s i m n a rd y n a m i c sp a t t e m so fn u t r i e n t si n t h et w of 0 形s 髓曼t h ev c 删i o nr e g t o r a t i o ns t a t i nt h e 订c a t m e n tf o r c s tw a sb a t t e rt h a nt h a t i i it h cb l 姐kf 酗嚣t ：( 5 ，m e 奄j 如c c n t m t i o 地。o fd 锄髓t sco f t f c a t m e n tf o r e s tw e r eg f c 越e r t h a 血t h o s eo ft h eb l a n k 缸e s t 7 t h e r c f o ”，i li sb e t t c ro f ，t h ew 4 y s l 哩啦f o rt h e 缸c a t m e n tf o r e s tt h a nw h i c ho ft h e b l 龌kf o r e s t kaw 0 1 d ，i tw i l lb e 碍c c i v e db c l t 珏e f f e c tb ym a n a g e m e n tl ot h j sk i n do fs “e t y p e k e vw o r d s ：h a i 啪i s l a n d ； c 0 硒t a lm i n i n gs i t e s ； e c o l o g i c a lr e s t o ，a t i o n ； ( 舢r 啦4e q 泌e 聊d 妇f o r c s t ； n u t r i 皿te i e m e n t s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进彳亍的研究工作及取得的研究成 果。除文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研 究成果，也不包含为获得海南师范大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名韭日 期：垃：墨。f 8 学位论文著作权声明 本论文作者声明： 口本论文全部成果均为本人和指导教师合作研究取得，本人和指导教师都有权使 用本成果学术内容( 有第三方约定者除外) 。 口本论文为指导教师指导下，本人独自完成。本人独 学位论文作者签名：雄 日 期：垫2 ：妊f 6 指导教师签 日 7 同平p b ，x 谨 岔 钐卯 f ， 作权。 学位论文版权使用授权书 本学位论文f 哲j e 全了解海南师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即：海南 师范大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子文本，允许论 文被查阅和借阅。本人授权海南师范大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：砸 日 期：趔2 ，土，f c 指导教师签名： 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 海岸带生态恢复、采矿废弃地生态恢复的研究进展 ， 1 ，1 1 海岸带的生态退化 由于海岸带自然要素和生态过程的复杂性，海岸带成为一个既有别于一般陆地生态 系统又不同于典型海洋生态系统的独特生态系统。海岸带由于其丰富的自然资源、特殊 的环境条件以及良好的地理位置。成为区位优势最明显、人类社会与经济活动最活跃的 地带【l 】。海岸侵蚀和退化是当今全球海岸带普遍存在的灾害现象。澳大利亚的b i m 教授 根据世界3 9 个沿海国家的7 3 名研究人员提供的岸线变化资料撰写了一份著名的“百年 来的岸线变化”报告，其认为在过去的l o oa 内世界各国海岸带普遍存在海岸役蚀现象。 1 9 8 4 年国际地理学会海岸环境委员会提交的一份报告进一步指出，当前世界沙质海岸 线约有7 0 以上处于侵蚀后退状态，且平均速率达到1 0 妇。其中约有2 0 的甚至超 过1 m a 2 】。 我国的海岸线状况也不容乐观。王颖指出，我国砂质海岸4 曼蚀现象始于2 0 世纪5 0 年 代末期p 】，其侵蚀范围一直星不断扩大趋势。据统计：目前。已有近7 0 的沙质海滩 和大部分处于开阔水域的淤泥质潮滩处于侵蚀后退状态。黄巧华等指出，侵蚀岸线长度 己占全国大陆岸线总长度的1 3 以上【2 1 。沿岸植被类型稀少【3 】。任海等对海岸线的生态退 化进行研究后提出，海岛在干扰下极易退化且不易恢复的观点；海岸带的生态环境较为 脆弱，风暴潮和海啸等时常给沿岸居民带来毁灭性的灾难【4 】；叶功富等在对海岸带退化生 态系统的恢复与海岸带综合管理进行了研究后指出，海岸侵蚀还造成水土流失和居民生 活环境的不断恶化【“。 1 1 2 海岸带采矿废弃地的生态退化 f o 锄a nr t t 等对美国的采矿地进行了大范周的研究之后指出，采矿地起人类为了 获得矿产资源而对土地进行剧烈改造的区域f 5 】，从景观生态学的角度来讲，海岸采矿废 弃地是剧烈人为干扰后的一种特殊的景观类型。刘海龙通过对采矿废弃地的生态恢复与 可持续景观方面进行探讨研究后指出，采矿废弃地形成就是因为采矿活动破坏和占用了 土地，并且非经治理而无法使用。在开采前后，采矿地会表现出十分不同的景观。还指 出采矿行为对该地区的影响，甚至都远远超出了当地生态系统的自我恢复能力1 6 】。 海南师范大学硕士学位论文 功n gh l 在对采矿地区的理论和实践的研究方面提出；在采矿之前，当地生态系统 通过生物之间、生物与环境之间的相互作用以及生态系统内的自我组织、自我调整都达 到相对稳定状态，具有正常的生产功能和保护功能。而在采矿后，景观的稳定性往往会 被破坏，景观的改变超出了自然系统的自我调节能力和物种的适应能力【饥。 f ub 等详细地总结海岸带采矿废弃地具有的特征：采矿的行为往往会造成周围的 景观异质性增强、生态系统的稳定性被破坏。即：干扰会导致生态系统的退化。其最明 显的标志是生产系统生产力下降、生物多样性降低、土壤养分维持能力和物质循环效率 的降低、外来物种的入侵和非乡土固有种优势度的增加等嘲。w uj g 等指出了景观破 碎化、污染扩散和迁移以及生态过程连续性等都会受到很大程度的影响【”。 1 1 3 海岸带采矿废弃地的生态恢复 生态恢复豹定义 为了减少海岸带资源破坏和避免生态环境进一步地恶化，利用人工措施对已受到破 坏和退化的海岸带进行生态恢复是改善海岸带现状的重要途径之一 1 0 1 。海岸带生态恢复 的理论基础是恢复生态学，即根据生态学原理，通过一定的生物、生态以及工程的技术与 方法，人为地改变和切断生态系统退化的主导因子或过程，调整、配置和优化系统内部及 其外界的物质、能量和信息的流动过程和时空次序，使生态系统的结构、功能和生态学 潜力尽快成功地恢复到一定的或原有乃至更高的水平。 生态恢复由于具有理论性又具有实践性，因此，从不同的角度常产生不同的理解。 然而，定义都强调，受损生态系统要恢复到理想状态才为生态恢复。但是，在现实中是 很难实现的。采矿废弃地的生态恢复与重建的核心在于恢复生态系统的结构和功能，进 而提高生态系统生产力和稳定性。因此，通过工程技术和生物技术等措施进行生态恢复 与重建，使之恢复到可以再利用的状态【1 l 】。 生态恢复研究的发展过程 生态恢复研究最早起源于1 0 0 多年前的山地、草原、森林和野生动物等自然资源管 理研究，其中加世纪初的水土保持、森林采伐后再植的理论与方法一直沿用至今2 j 。 我国早期的恢复生态研究是中国科学院华南植物研究所余作岳等人于1 9 5 9 年在广州 沿海侵蚀台地上开展退化生态系统的植被恢复技术研究【l l 】。我国对采矿废弃地生态恢复 的研究起步较晚，开始手二十世纪八十年代，九十年代以后才初步形成一定的规树1 2 i 。 海岸带采矿废弃地生巷恢复的理论研究 2 第一章绪论 恢复生态学认为恢复是破坏过程的逆向演替，遮一逆向演瞀可能是沿着被破坏时的 轨迹复归，也可能是沿着一种新路径去恢复，可能是自然地进行，也可能是必须借助人 工支掩和诱导的过渡过程。由于生态恢复在大多数情况下是在极端条件下进行的，可能 ， 不是一步到位，而需要通过一串目标来实现，所队递向演替大多数需要以第二种方式为 主，恢复生态学方法的主要理论就是说明如何实现这一逆向演替过程。 + 自我设计与人为设计理论( s e l f d e s i 弘- 蜘嘲喀鼬s i 驴t h l 期叻是恢复生态学的重要理 论1 1 2 1 。自我设计理论认为：只要有足够的时间，随着时问的进程，退化生态系统将根据 环境条件合理的组织自己并会最终改变其组分；而人为设计理论认为：通过工程方法和 植被重建可直接恢复退化的生态系统，但恢复的类型可能是多样的。生态恢复还应用了 生态学理论，包括限制因子原理( 寻找生态系统恢复的关键因子) 、生态位原理( 合理安 排生态系统中物种及其空间配置) 、演替理论以及生态适应性理论等1 1 3 1 。 近半个世纪以来，世界发达国家对矿区废弃地治理非嵩霉挽。丑o b b srj 等指出， 当前走在理论和时问前列的是欧洲和北美，在实践中走在前列的还有新西兰、澳洲以及 中国。其中欧洲偏重矿山恢复【1 4 l 。周进生等在探讨和比较了国内外的发展矿业的途径和 道路后指出，澳大利亚是世界的矿业大国之一，其矿业产值令全球关注，更令人关注的 是其矿区的生态恢复的技术研究目前在国际上处于领先地位。这与澳大利亚的政府重视 恢复采矿废弃地、严格管理生产矿区的生态环境以及坚持走可持续生态旷业之路不无关 烈”l 。出于对海岸自然景观的保护，美国早已经人工堆积海岸沙丘，以便保护海滩【1 6 l 。 而因为我国是一个人口众多的大国，所以，对于采矿废弃地生态恢复着重于对土地的综 合利用f 捌。刘海龙指出，对于采矿废弃地的生态恢复主要体现在促使采矿废弃地的生态 和经济价值的再生、对区域生态系统的健康、地方经济的可持续发展以及人民生活水平 的提高的方面【“。 余作岳等经过4 0 多年的系统研究提出，“在一定的人工启动下，热带极度退化的 森林可以恢复：退化生态系统的恢复可分三步走：恢复过程中植物多样性导致动物和微 生物多样性，植物多样性是生态系统稳定的基础；森林恢复过程中结构与功能不同步恢 复”等观点l l l 】。 海岸采矿废弃地生态恢复的技术研究 由于采矿选矿等人为进行的生产活动对海岸的干扰很是严重，主要表现为：表土和 植被往往被破坏的面目全非甚至整体的生态系统都受到损坏。噪矿废弃地中的主要营养 元素的缺乏，难以由自然过程中得到恢复。所以，必须要通过人为方式介入和调控来进 3 海南师范大学硕士学位论文 行恢复。其中，利用自然演替将是行之有效的途径1 1 4 1 。 壤作为植物生长的基质，对其进行改良，这是生态恢复与重建的关键。生态系统 恢复或重建首先应该控制水土流失，提高土壤肥力，改造土壤理化结构。针对采矿废弃地 的土壤状况，可以直接改良或者重新覆土进行改良。而长期的对土壤进行改良必须依靠 植物，利用固氮植物和菌根植物改良废弃地是经济效益与生态效益俱佳的方法。然后才 是植被的恢复。对于海岸带的生态恢复来说，最好的办法就是利用当地的天然植被类型 【1 2 1 。其优点是可以增加森林的稳定性，但自然恢复时限太长，所以，就需要人为的介入 进行恢复。这种办法就是生态恢复。即：通过入工的方法、参照自然规律、创造良好的 环境以恢复天然的生态系统。主要是重新创造，引导或加速自然演化过程。在恢复的过 程中，还必须要考虑到生物间的相互关系，同时采取适当的方法促进并建立这种良好的 关系，这种恢复才是长这的恢复f 1 刁。 1 2 海南岛海岸带采矿废弃地生态恢复的研究进展 1 2 1 海南岛海岸带的生态退化 海南岛位于我国南海的茵北部，界于1 8 。1 0 0 4 ”2 0 。9 4 0 ”n 以及1 0 8 。3 6 4 3 ” 1 1 2 02 3 1 ”e 之间。全岛面积约为3 39 2 0 平方公里【3 1 。海南岛海岸线全长有1 6 1 8 千米，沿 线多为沉积性海岸，面积达3 7 0 0 多平方公里，约占全岛面积的百分之十一。海岸线有8 0 的为砂质海岸，并且没有剖面层次【2 】。 金羽等在对海南岛的海岸带退化现状及其原因得分析研究中指出，海南岛的海岸带 退化的主要表现为：海岸侵蚀以及海岸的生态系统局部退化【“、海岸防护林段带以及海 岸带土地局部或大部出现沙化和贫瘠化等。其退化的主要原因为自然因素与人为干扰共 同作用的结果。其中，人为因素占主要方面【1 8 】。黄巧华等对海南岛的海岸侵蚀研究后指 出，在海南岛的砂质海岸线上，有一半以上因侵蚀而后退；主要集中在文昌( 邦塘) 、 三亚湾、洋浦半岛、海口湾以及南渡江口等岸段。此外，由于受海岸带基质、风力、海 浪等特点以及气候的影响，沿滩植物类型相对较少f 2 】。刘强等在对海南岛海岸带生态退 化机理研究的基础上，提出了对海南岛东部海岸带采矿废弃地的生态恢复对策【1 9 】。以及 对海南岛本土的多种微量元素以及稀土元素的分析研究。除此之外，发现本岛砂土土壤 养分含量以及多种元素含量极其缺乏阻捌。郑中华对滨海流动砂土营造木麻黄林的林 带效应进行研究后指出窿养分会量极低的土壤e 弛植木麻黄往左漫崖堕塑盐屋坌堂 4 第一章绪论 要的f 纠。 1 2 2 海南岛海岸采矿废弃地的生态退化 海南岛海岸采矿废弃地的生态退化现状也不容乐观。 海南岛海岸线以砂质海岸为主，没有剖面层次。滨海砂土的特点是呈灰白色或者灰 黄色物理性砂粒：剖面发育层次极不明显、松散无结构：透水性强、表土比较干燥、底 土湿润、传热性能低；土温变化幅度和昼夜温差大；土壤养分含量极低阎。 海南岛的东部，从文昌至三亚的海岸线上，分布着极其丰富的第四纪钛铁矿和锆石 资源【2 4 】。刘强等对海南岛海岸带退化生态系统恢复机理效应进行了大量的研刭盏嘲，指 出，在本土土壤基础条件下，大肆地进行采矿和选矿的生产活动后，造成采矿地满目疮 痍、支离破碎的景观特征，采矿时候移去植被并对土质进行了剧烈影响，导致结构缺损、 功能失调的退化生态系统。采矿地几乎都是光裸沙地，自然恢复植被几乎不可能，生态恢 磊 复重建任务十分艰巨1 1 ”。 ， 此外，陔区处于台风多发并集中登陆的地理区域。台风登陆时，随风产生大量的风 沙流。风沙化的加剧及生态环境的恶化，严重威胁着人口密集、农业发达的东部沿海地 区人们的经济和生活。大面积的砂矿开采废弃地亟待进行恢复重建。 1 2 3 海南岛海岸采矿废弃地生态恢复的理论研究 海南岛恢复的短期利益包括：重建生产、生活以及生态系统，保护稀有种、避免物 种的消失。恢复的长期利益包括：重建海南岛的生物群落，再现海南岛生态系统的营养 循环，恢复海岛的进化过程i4 1 。而且，海南岛的恢复至少是一个群落或生态系统水平的 恢复，而不能只限于种群和个体水平，但合适的种群管理体系可帮助海南岛生态环境的 恢复。为了加快恢复，我们就必须要有人为的介入和调控。 一般地，海南岛海岸的生态恢复过程如下：了解海岛退化前的物理、生物、气候、 古植物、文化、经济背景；确定恢复的目标：理解海岛恢复的过程：使用适合于海岛恢复 的技术；制订海岛恢复计划并实施；改造生境并引入适宜的乡土种；海南岛恢复后的 管理。此外，在海岛恢复过程中还可开展淡水再利用、风能发电、生态旅游等活动。以配 合海南岛恢复活动1 4 1 。 5 海南师范大学硕士学位论文 1 2 4 海南岛海岸采矿废弃地生态恢复的技术研究 鉴于以上对海南岛生态恢复研究理论的工作基础上，岑奋等具体分析本岛海岸滨海 砂土咐自然条件，并且对海南岛的木麻黄示范林进行分析研耕矧。采矿的活动对海岸的 干扰很是严重，表土和植被往往被破坏的面目全非，整体的生态系统受到损坏，利用自 然演替是行之有效的途径【6 1 。 因此，生态系统恢复或重建首先应该控制水土流失，提高土壤肥力，改造土壤理化结 构。然后才是植被的恢复。已经有学者在对其采矿、选矿对砂土的主要影响推测的基础 上，对砂矿开采废弃地的土壤退化机理进行了深入研究，已经寻找出生态恢复的对策【1 9 1 。 植物种选择的研究 在选择树种时除考虑地带性规律外，还坚持以下原则，如耐寒性、抗旱性、耐贫瘠、 生长快和一定的土壤改良作用等，所选的植物种类应具有抗污染、速生、发育良好、保 持水土、和保健卫生、绿化及经济功能等特性。大量的资料表明，固氮树种能适应严酷 的立地条件，是一种优良的先锋树种【加l 。 木麻黄( 口s 啪，伽4 叼“括r f 脚妇) ，原产于澳大利亚和太平洋诸岛，上世纪5 0 年代 引种我国。木麻黄是种常绿乔木，由于其能耐干旱、耐盐、瘦瘠以及潮汐、盐碱的优良 特性【1 6 1 ，木麻黄的小枝代替退化了的小叶的功能，蒸腾量小；菌根发达；具有固氮的 能力：生长迅速，在砂土上三年生长即能郁闭成林；根系发达，能起到防风固沙的作用 【1 9 1 ，成为我国沿海海岸防护林带的主要树种。综上所述：目前，海南岛的防护林大都采 用人工种植的木麻黄林。 土壤改良的研究 朱天英通过对单叶蔓荆植物对滨海砂土养分和木麻黄生长影响的研究后指出，单叶 蔓荆根系发达，枯枝落叶丰富，多年栽植，对土壤具有明显改良的作用，也可以改善当 地的气候环境。调查表明，单叶蔓荆植被具有明显的降低地表层风沙流动的作用，起了 良好的固沙的作用，增大湿度，改善植被生长的微气候，有利于林木的生长。蔓荆植物 加客土对木麻黄的生长以及生物量也存在极其显著的影响i2 6 1 。因此，在砂土上先种植蔓 荆植被是促进木麻黄生长的一种行之有效的途径。也是沿海封口地段营造防护林的一种 优良的先锋固沙的植被。 海岸采矿废弃地生态恢复评价因子的研究 采矿疲弃地植被的自然恢复是非常缓慢的，座该采取积极的a 工企瓜的赴法来加t 蔓 6 第一章绪论 植被的建植过程和缩短水土流失过程。而植物生长在很大程度上受土地自然属性的影 响。植物能否生长或生长的好坏是由气候、土壤、水文等自然条件决定的。目前，人们 对土地自然适宜性的认识基本上集中在定性分析上【1 晒蕊2 6 1 将土地自然逡宜性用一 些可测量的定量指标将其明确地表征出来，并构成指标体系，怼土地自然适宜性水平进 行定量分析与评价，增强了土地适宜性评价在研究和实际应用中的指导作用，从而为采 矿废弃地生态恢复的设计与实箍提供定量支持。 海岸采矿废弃地生态恢复评价因子的选择 海岸采矿废弃地生态恢复评价因子主要包括士壤方面韵评价指标和微环境指标以 及植物一土壤组成的生态系统中养分元紊的物质循环等方面。 1 3 生态恢复中生态系统的功能变化 生态系统的恢复主要包括结构的恢复和功能的恢复两个方面。以前的研究大都集中 在结构方面，而少鉴于功能方面。尤其是关于海岸采矿废弃地生态恢复中的养分循环的 方面。 当前走在理论和时间前列的是欧洲和北美，其中欧洲偏重矿山恢复，而中国则因人 口众多强调农业的综合利用1 1 5 1 。任海认为，积极的恢复就要求人们成功的引入生物并建 立生态系统功能。广义的恢复目标是通过恢复生态系统的功能并补充生物组分使受损的 生态系统回到一个更自然条件下( n r c ) 。从生态系统的组成成分角度来看，主要包括 生物和非生物系统的恢复。生态系统的恢复技术就包括植被( 物种的引入、品种改良、 植物快速繁殖以及林分改造) 消费者( 捕食者的引进以及病虫害的控制) 和分解者( 微 生物的引种以及控制) 的重建技术和生态规划技术( g p s ，g 硌，r s ) 的应用，要综合 考虑实际情况，通过恢复其结构迸而恢复其功能。而积极的恢复就要求人们成功的引入 生物并建立生态系统功斛1 2 】。 1 3 1 生态恢复中的物质循环动态 生态系统功能的恢复主要包括物质循环、能量流动以及信息的传递等方面。物质循 环是其中最为主要的方面。 “生物循环”与“生物地球化学循环”构成生态系统物质循环的两个层次。在研究 中一般把重点放在植物生长必需的多种养分元素上。对它们两言，这种循环又往往被称 为“养分循环”。“养分循环”在森林生态系统功能研究中重要性不言而喻。还是目前一 些学科热点和全球变化生物多样性恢复生态学等研究中不可忽略的课题【2 7 l 。 7 海南师范大学硕士学位论文 森林生态系统中氮元素的转化与循环不仅是生物地球化学循环的重要组成部分，也 是森林生态系统氮元素的循环中最重要和最活跃的过程f 2 刁。一直以来，土壤中氮元素被 认为是最易耗竭和限制植物生长营养元素之一。在森林生态系统中，氮元素成为许多地 区树木生长最重要限制因子鲫。 聂艳丽通过对根分泌物对土壤磷的活化和影响进行研究后指出，磷元素是生态系统 中植物必需的大量元素之一，不仅是植物体内许多重要化合物的重要组成部分，而且还 以多种途径参与植物体内各种代谢过程，它起着其他元素不可替代的作用【。胡玉佳通 过对海南岛的青梅林的种群和结构进行研究后指出，磷元素的缺乏会比其它任何物质的 缺乏都更会限制地球表面任何地区的生产力嘲l 。 郭丽琢等通过对对植物体内的钾循环与再循环的研究后指出，钾元素是生态系统中 植物体内主要的矿质元素之一，在植物体内不形成稳定的化合物，因而移动性很强，具 有随生长中心的转移而转移的特点，即植物体内的钾是可以反复利用的【3 0 i 。于明坚等通 过对青冈常绿阔叶林钾的生物化学循环研究后指出，钾元素的流动性和淋溶性是所有的 金属离子中最强的。每年的降水在钾元素的生物循环中的重要性主要体现在其淋溶作用 上p 1 1 。刑雪荣等通过对植物养分的利用效率的研究后总结出，由于钾元素的可淋溶性和 移动性很强；穿透雨水的冠层淋溶是养分元素循环的最重要途径。在森林中，钾元素淋 溶量占林内养分雨淋溶总量平均仅约为1 2 ，但其中的养分浓度很高且集中在根系吸收 的有效范围之内，因而对于树木养分供应和循环具有重要意义。钾元素浓度的季节变化 基本上反映了降水淋溶的影响。钾元素淋溶量随季节而变化，因森林类型和气候而异【3 2 】。 王妍等通过对森林生态系统碳通量研究后指出，陆地生态系统是“温室气体”的一 个主要排放源【3 3 1 ，宋燕燕等对陆地碳循环模型进行比较分析后指出，陆地碳循环是全球 变化研究的重要内容i 矧。森林生态系统作为陆地生态系统最大的碳库p 2 1 。周国模等通过 对森林土壤碳库进行研究后指出，森林土壤有机碳库是全球碳循环的重要组成部分滞j 。 周存字通过对大气主要温室气体的汇源进行研究后指出，碳元素的循环流动是从简单的 地球化学循环进入到复杂的生物地球化学循环，而生物圈和土壤圈在碳元素的循环过程 中扮演着越来越重要的角色削。温度是影响植物生长、发育和功能的重要环境因子。是 调节许多陆地生态系统生物地球化学过程的关键因素之一。 1 3 2 海南岛海岸采矿废弃地生态恢复中的物质循环动态 采矿废弃地中的主要营养元素的缺乏，难以由自然过程中得到恢复。所以，通过人 为方式的介入和调控就显得十分的必要1 1 2 1 。作为植物生长的基质，对土壤进行改良，这 8 第一章绪论 是生态恢复与重建的关键。针对采矿地上的土壤状况，可以直接改良或者重新覆土进行 改良。长期的改良必须依靠植物，利用固氮植物和菌根植物改良废弃地是经济效益与生 态效益俱佳的方法。 原产于澳大利亚和太平洋诸岛的木麻黄( ，自懈g 秽函哟匦妇) ，已经引种我国将 近百年的历史了。由于其生长迅速，根系发达并且具有固氮的能力，能耐干旱、耐盐、 瘦瘠以及潮汐、盐碱的优良特性1 1 6 1 ，成为我国沿海海岸尤其是海南岛海岸防护林带的 主要树种。 虽然木麻黄作为一种速生树种，但是，它的弊端也逐渐地暴露出来；叶功富通过对 滨海砂地湿地松和木麻黄林的混交林进行研究后发现，木麻黄单一树种构成的防护林带 结构简单，对环境适应能力较差，林分稳定性下降，病虫害时有发生f 3 刁。还对人工木麻 黄林营养元素含量的时问变异进行了研究后，得出了不同的营养元素在不同年龄阶段的 分布规律 3 s 1 ；此外，对木麻黄林生态系统营养元素的地化循环进行研究后指出，生物循 环比地球化学循环速度更快、强度更大【3 9 1 。郑达贤等通过对滨海人工木麻黄林迹地土壤 性质和林地更新等方面进行研究后指出，导致木麻黄后代出现衰退的一个主要原因是营 养元素的缺乏f 删。沙济琴等对木麻黄中1 2 种元素的积累和循环特征进行了研究f 4 。对 了解木麻黄生长过程及其衰退原因奠定了一定基础。 为了克服木麻黄纯林的弊端，叶功富开展混交林种植试验，以及种弼关系调控技术 研究以期改善防护林结构，增加防护林树种多样性和景观多样性，增强林带稳定性和防 护功能，保持林带防护功能连续性，达到林地持续利用的目标p 7 l 。徐俊林已对混交效果 进行了验证研究1 4 2 j ，邓义等曾提到青梅可以作为与木麻黄混交的树种，但未做实验尝试 【4 3 l 刘强等对多种微量元素和稀土元素的混合进行了研究，表明滨海砂土相对于海南岛 其它类型的土壤来说含量是最低的【2 1 1 。随后，刘强等还做了对海南岛滨海砂土上3 代木 麻黄林生态系统中稀土元素含量和分布的探讨，指出幼林对稀土元素摄取是很强烈的； 并且得出了人为采用施加稀土元素的处理方式对树木的生长有着促进作用的结论【2 2 l 。除 此之外，刘强等还对海南岛滨海砂土上木麻黄生态系统中多种微量元素进行了分析研 究，结果表明：海南岛滨海砂土上木麻黄一土壤的生态系统中多种微量元素的量是相当 低的【矧。 目前，对于这一退化类型的生态系统的定位观测实验及其恢复重建技术效应的研究 却少之又少。尤其是对于在生态系统恢复过程中，生态系统功能中养分元素的动态方面， 9 海南师范大学硕士学位论文 以海南岛海岸防护林带的植物土壤生态系统中的养分元素的动态为研究对象却鲜见 报道。本项研究对已在海南岛东部海岸钛锆砂矿废弃地种植的木麻黄林进行分析：通过 对有残余西瓜藤蔓和稀土肥料处理根部后形成的木麻黄林地( 处理林地) 与没有经过任 何处理措施的木麻黄林地( 对照林地) 进行比较研究。对其恢复过程中植物一土壤生态 系统中n 、p 、k 等养分元素以及有机c 元素的动态变化进行比较研究，研究的结果对 加速对该类型的废弃地的植被恢复有着重要的理论意义与实践指导意义。除此之外，为 以后关于类似的退化生态系统进行植被恢复提供方法和技术参考。 1 4 本章小结 本章节综述了在全球海岸线普遍退化和侵蚀的大背景下，海岸带是脆弱的生态系 统，受干扰后自然恢复能力差，尤其是在采矿后形成的废弃地，由于基质受到强烈地扰 动，生态系统受到极度的破坏，几乎完全丧失了自我恢复的能力，因此，也一直以来是 恢复生态学领域研究的重要内容。 然而，对于此类退化生态环境生态恢复的定位观测却少之又少，尤其是对于海南 岛海岸防护林带的植物一土壤生态系统中的养分元素的动态研究却未见报道。海南岛东 部海岸采矿废弃地采用人工种植木麻黄恢复植被：通过对有残余西瓜藤蔓和稀土肥料处 理后的处理林地与未经任何处理的对照林地比较研究，对其植物一土壤生态系统中n 、 p 、k 养分元素以及c 元素的动态变化进行比较研究，为以后的此类退化的生态系统进 行植被恢复提供方法和技术支持。 1 0 墨三主二甄鍪塑壹擞薹蹩 第二章研究粥材料和方法 2 1 研究地自然概况 2 1 1 气候条件 海南岛东部的降雨量主要集中在5 1 0 月。，约占全年降雨量的7 5 9 0 ；并且有 明显的干湿季节之分】。作为研究区国营岛东林场( 1 9 。4 1 2 0 吣n ，l l o 。4 2 l l r 0 2 e ) 位于本岛东北部的文昌市境内。海拔为1 0 m 以下，年平均气温为2 4 一2 5 年降雨量为1 6 0 0 m m 1 8 0 0 | i n m 【2 0 】。 2 1 2 地貌现状 由于矿区开采生产工艺的特殊要求，任何一个矿区的建设都将不同程度地改变矿区 的地貌地形，破坏矿区的地表景观【蚓。研究区的采矿方式主要为土法开采，而选矿为土 制流槽水力冲洗、螺旋水洗等【州。因此，采矿后的地表植被均已被破塥，砂体已被翻松 散：砂质裸露、草木不生。在这些人为干扰的作用下，砂矿开采区演变成了一个风沙化 的环境。露天采矿和冲洗场就成了工洼地f 9 j ，到处是满目刨痍，支离破碎的景象。 再加上该地区又处于台风多发并集中登陆的地理位置。台风季节时风大雨暴；降雨 量在2 0 0 0 2 4 0 0 m m ：多为台风雨，集中在7 、8 月台风盛期，台风季节降雨量占年降雨量 的3 6 5 0 【2 0 1 。集中而大量的降雨，致使该地区的采矿地几乎都是光裸砂地。自然恢复 植被几乎不可能，生态恢复重建任务十分艰巨。 2 1 3 土壤现状 研究地的类型属于滨海裸砂地。土壤类型为滨海砂土，其特点为：呈灰白色或者灰 黄色物理性砂粒；剖面发育层次极不明显；松散无结构；透水性强，表土比较干燥，底 土湿润，传热性能低：土温变化幅度和昼夜温差大【1 1 l 。此外，这种砂土呈微酸性或者微 碱性，养分含量极低；而且砂土淋溶迅速，养分流失大f 堋，保肥保水能力差，干旱；砂 性大，砂粒间极其松散，更易随风飞扬。 海南岛的东部从文昌至三亚的海岸线上，分布着极其丰富的第四纪钛铁矿和锆石资 源【4 5 】。8 0 年代以来，钛矿开采点在东南沿海约3 0 0 公里的地带共有5 0 0 余处。在开采钛锆 矿之前，滨海地带是木麻黄为乔木、还有灌木草丛等植被，覆盖率达6 0 7 0 。采矿方 式主要为土法开采，选矿用土制流槽水力冲洗，螺旋水洗等【2 q 。由于这种采矿和选矿的方 式，采矿时候移去植被并对土质进行了剧烈影响，导致结构缺损、功能失调的退化生态 海南师范大学硕士学位论文 系统【1 9 1 。采矿、选矿等活动对砂土的主要影响雄瓣为：( 1 ) 改变土壤的水分含量。原来 覆盖植被的林下微气候环境中的气温、土湿、水分、太阳辐射强度等因子在移去植被后 都发生了剧烈变化；空气流动加剧，土壤的辐射增强，土温升高，湿度减低，使不易保水 的砂质土壤更趋于干旱化。( 2 ) 改变土壤的质地。细微的粘粒及腐殖质流失，土壤粘结 性和可塑性下降以及保水能力减弱。( 3 ) 改变土壤的养分元素的含量。本岛滨海砂土 养分比较缺乏，保水保肥能力差【1 9 1 。本已贫瘠的砂土在选矿反复的淘洗过程中，营养元 素可能会流失地更多。除此之外，由于钛、锆矿物中，钛、锆均难于形成可溶性的化合 物。所以，钛、锆迁移入尾矿、废矿中并且星离子状态的量微不足道1 4 6 】。虽然在这种土 壤中钛、锆对生物的影响十分有限，但也不能完全排除其作用1 1 9 1 。 使得本已贫瘠的砂土在选矿淘洗过程中，可能流失更多的营养元素而变的更加的贫 瘠。再加上该地区又处于台风多发并集中登陆的她理位置。集中而大量的降雨，又使土 壤中的营养元素流失加剧，致使该地区的采矿地几乎都是光裸砂地，自然恢复植被几乎 不可能，生态恢复重建任务十分艰巨。 2 1 4 植被现状 2 0 0 2 年，对海南岛东部海岸钛锆砂矿废弃地采用人工种植木麻黄林进行恢复植被。 主要的技术处理措施为：在没有经过任何处理根部措施的滨海裸砂地上，直接种植木麻 黄从而形成木麻黄林地，“即：对照林地；同时，在有残余西瓜藤蔓和经过稀土肥料处理 根部后形成的木麻黄林地，即：处理林地。由于处理措施不同，因此，林地类型也不同。 从而形成了不同的植被现状。 2 2 研究样地设置 文昌市境内的国营岛东林场( 1 9 。4 1 2 0 。0 8 n 。1 1 0 。4 2 1 1 l 。0 2 e ) 位于海南岛东 北部，年平均气温2 4 2 5 ，年乎均降雨量1 6 0 0 | l l m 1 8 0 0 m m l l 9 】。在宝邑作业区靠海 地段的采矿废弃地的滨海裸砂地上，设置两个比较林地，海拔均在1 0 m 以下。对照林地 是2 0 0 2 年7 月直接栽种木麻黄袋苗形成的林地，无任何处理；处理林地是2 0 0 2 年7 月 栽种经过将6 0 克的高效配方稀土复合剂( 湖南省稀土农用研究中心研制) 与6 0 公斤水 混匀配成0 1 的稀土溶液浸泡处理根部后的木麻黄袋苗形成的林地，栽种前砂土上残 留有枯萎的西瓜藤蔓。 2 3 研究方法 2 3 1 野外测量和采集。 茎三兰婴壅堕堑燮查鎏 生长量的测定：随机测量两林地内木麻黄林木的树高、基径以及胸径。 环境因子的测定：随机测定两林地内光照强度、土壤水分、土壤盐度以及土壤温度。 植物和土壤的取样：分别对随机选取的5 个取样点周围3 - 5 棵树木上取样；枝样为 取自不同高度( 一般为1 7 米) 和粗细的枝条的混合样：叶样为取自不同高度和方位叶 的混合样；根样为直径细于5 咖根的混合样。土壤取样为在两林地内沿“s ”型路线设 5 个取样点，取o 2 0 m m 深度的土壤。采样和测量工作为一年，即：2 0 0 5 年4 月、7 月、 1 0 月和2 0 0 6 年1 月。 2 3 2 化学分析 土壤样和植物样的处理：将采回的根样进行清洗、风干；除去枝样和叶样中的腐败 成分的杂质；将风干后的植物样置于7 0 。c 烘箱烘至恒重，用粉碎机磨成粉末以备分析用。 土样自然风干后研磨，过1 0 0 目筛以备分析用。 养分元素的测定分析：土壤样和植物样均采用浓硫酸一双氧水法进行消煮。用半微 量凯氏定氮法测定土壤样和植物样的全氮浓度，使用的仪器为上海纤检仪器设备厂生产 的k d n 一2 c 型定氮仪。钼锑抗显色法测定土壤样和植物样的全磷浓度，使用的仪器为上海 尤尼柯仪器有限公司生产的7 2 0 0 型分光光度计。用火焰光度法测定土壤样和植物样的 全钾浓度，使用的仪器为惠普上海分析仪器有限公司生产的原子吸收3 5 l o 型分光光度 计。用油浴加热一k 2 c r o ，容量法测定土样的有机质浓度i