（环境科学专业论文）矿业废弃地裸露坡面人工植物群落构建及对基质性质的影响.pdf

矿业废弃地裸露坡面人工植物群落构建及对基质性质的影响 下植物地上生物量最大，在缓坡区域植物地上生物量与土壤速效磷显著相关 ( r 2 = 0 9 3 5 ) ；在急陡坡区域植物地上生物量与土壤p h 相关性明显( r 2 = o 7 4 5 ) 。 关键词人工植物群落；植株高度；总盖度；地上生物量；土壤理化性质 i i a b s t r a c t a b s t r a c t t h eb r e a k a g eo fa m o u to fh i l l s i d e sa n dt h ef o r m a t i o no fl o t so fb a r e ds l o p e sw i t h o u tp l a n t c o v e r e da sar e s u l to ft h ep o w e r f u lc o n s t r u c t i o no ft h en a t i o n a li n f r a s t n l c t u r e u n f o r t u n a t e l y , t h ef o r m a t i o no fs l o p ew i l ll a r g e l yd e s t r o yt h el a n d s c a p ee n v i r o n m e n t , e v e nu r g et ot h e l a n d s l i d ea n dc o a s to fs l o p ea n dl e a dt os e r i o u ss o i la n dw a t e rl o s s t h e r e f o r ei th a sb e c o m e t h ei m p e r a t i v ei s s u et h a tt h eb a r e ds l o p ew a st a k e ne c o l o g i c a lr e s t o r a t i o n t h er e s e a r c ha r e al i e si nt h em i n e sw a s t e l a n do ft h eb a c k g r o u n dw i t l lp h o s p h o r u si n c h a o h ud r a i n a g eb a s i n l o t so fb a r e ds t e e ps l o p ea r e aa n dg r a d u a ls l o p ea r e aa c c u m u l a t e db y s t r i p p i n gs o i lh a v ef o r m e db e c a u s eo fl o n g t e r me x p l o i t a t i o n , a n dt h el a n d f o r mw a v e sl a r g e l y w h a t sm o r e ，t h es l o p es o i li n i t i a lc h a r a c t e ri se x p o s e da n dt h ec o n t e n to fg r a i np h o s p h o r u si s h i g h , b u tt h ec o n t e n to fn i t r o g e na n dt h en a t u r a lp l a n tc o v e r a g ei sl o wa n dt h es o i la n dw a t e r l o s si ss e v e r e t h et h e s i sh a sr e s e a r c h e do nt h eb a r e ds l o p eo fb a c k g r o u n da r e aw i t hp h o s p h o r u si n c h a o h ud r a i n a g eb a s i n c y n o d o nd a c t y l o na n dl e s p e d e z ac h i n e n s i sa n dl n d i g o f e r a p s e u d o t i n c t o r i am a t sh a sr e g a r d e da st h et o o ls p e c i e so nt h eb a s i so ft h en a t i v ev e g e t a t i n g s p e c i e s ，a n dt h ed i f f e r e n tm o d e la r t i f i c a lp l a n tc o m m u n i t i e sw e r ec o n s t r u c t e di n d i f f e r e n t g r a d i e n t t h em o r p h o l o g i c a lc h a r a c t e ro fa r t i f i c a lp l a n tc o m m u n i t ya n ds o i lp h y s i c o c h e m i c a l p r o p e r t i e sw e r er e s e a r c h e di nt h et h e s i s ，m o r e o v e rt a k i n gs o m ec o n c l u s i o no nt h i sr e s e a r c h b a s i s ( 1 ) t h ef e l ds u r v e yi n d i c a t e st h a tt h e r ea r e3 8s e c t i o n1 2 9s p e c i e sn a t i v ep l a n t si nt h e r e s e a r c hr e g i o n , b u tt h eg r a m i n e o u sa n dl e g u m i n o u sa n dc o m p o s i t ep l a n t sa r et h em a i np l a n t s c o m p o s i n gn a t i v ep l a n tc o m m u n i t i e si nt h er e s e a r c hr e g i o n , i nw h i c ht h ec y n o d o nd a c t y l o ni s t h ep r i m a r yp r e d o m i n a n ts p e c i e s t h ei m p e r a t ac y l i n d r i c a c y n o d o nd a c t y l o nc o m m u n i t y l o c a t i n g e a s t p a r t a n da s s u m i n gz o n a lo r p l a q u e l i k e d i s t r i b u t i o na n dt h ei m p e r a t a c y l i n d r i c a - s e t a r i av i r i d i sc o m m u n i t yl o c a t i n gw e s tp a r ta n da s s u m i n gp l a q u e l i k ed i s t r i b u t i o n a n dt h ep r u n e l l av u l g a r i s - z o y s i as i n i c ac o m m u n i t yl o c a t i n gf i a tp a r ta n da s s u m i n gz o n a l d i s t r i b u t i o nc o m p r i s e dt h em a i np l a n tc o m m u n i t yo ft h er e s e a r c hr e g i o n t h ec o n t e n to f b a c k g r o u n dp h o s p h o r u si sh i 曲( 1 6 2 m g g ) a n dt h ec o n d i t i o no fs o i la n dw a t e rl o s si ss e r i o u s ( o 1m 3 m 2 ) i nt h er e s e a r c hr e g i o n ( 2 ) c y n o d o n 如c o 砌 i sr e s t r a i n e db yl e s p e d e z ac h i n e n s i sa n di n d i g o f e r ap s e u d o t i n c t o r i a m a t sl i e di ns h r u bl a y e rf o rt h ed i f f e r e n ts e e d i n gm o d e l si nb o 1s t e e ps l o p er e g i o na n dv e r y m 矿业废弃地裸露坡面人工植物群落构建及对基质性质的影响 s t e e ps l o p er e g i o n 。m o r e o v e r , t h et h r e e d i m e n s i o n a lp l a n tn e th a sl i t t l ee f f e c to nt h et h r e e p l a n t si ns t e e ps l o p er e g i o nb u ti s i nf a v o ro ft h eg r o w t ho fl e s p e d e z ac h i n e n s i sa n d l n d i g o f e r ap s e u d o t i n c t o r i am a t sa n dg o e sa g a i n s tt h eg r o w t ho fc y n o d o nd a c t y l o n f i n a l l y , t h eg r a d i e n th a si n f l u e n c e do l lt h eh e i g h ta n dt o t a lc o v e r a g ea n db i o m a s sa b o v e g r o u n do ft h e t h r e ep l a n t si nd i f f e r e n ts e e d i n gm o d e l s ，e s p e c i a l l yi nt h es t e e ps l o p er e g i o n ( t h ea v e r a g e b i o m a s sa b o v e g r o u n do f ( 张d 如疗d a c t y l o na n dl e s p e d e z ac h i n e n s i sa n dl n d i g o f e r a p s e u d o t i n c t o r i am a t sr e s p e c t i v e l yd i f f e r e s2 5 9 m 2 、2 3 5 9 m 2 、1 6 9 m 2 ) ( 3 ) t h er e s t o r a t i o nr e g i o nb yc o n s t r u c t e da r t i f i c i a lp l a n tc o m m u n i t i e si so b v i o u s l yb e t t e rt h a n t h eb l a n kc o n t r a s t i v er e g i o na b o u ti m p r o v e m e n ti nt h es o i lp h y s i c a lp r o p e r t i e se s p e c i a l l yt h e s o i lb u l kd e n s i t y , a n dt h e r ei sas i g n i f i c a n tc o r r e l a t i o nb e t w e e nt h es o i lb u 墩d e n s i t ya n dt h e b i o m a s sa b o v e g r o u n d ( r z = 0 7 0 7 ) ( 4 ) t h eb i o m a s sa b o v e g r o u n dh a si m p a c t e do nt h es o i lc h e m i c a lp r o p e r t i e si nt h eg r a d u a l s l o p er e g i o na n ds t e e ps l o p er e g i o na f t e rt h ec o n s t r u c t i o no fa r t i f i c i a lp l a n tc o m m u n i t i e s a n d t h es o i lt o t a ln i t r o g e nh a v es i g n i f i c a n t l yi n c r e a s e di nc o n t r a s t 、析t ht h eb l a n kc o n t r a s t i v e r e g i o n ( 4 7 ) ( 5 ) t h eb i o m a s sa b o v e g r o u n di nd i f f e r e n ts e e d i n gm o d e l se x i s td i s c r e p a n c y , w h i c hi nt h e t h r e e - d i m e n s i o n a lp l a n tn e ta n dc y n o d o nd a c t y l o na n dl e s p e d e z ac h i n e n s i sa n di n d i g o f e r a p s e u d o t i n c t o r i am a tm o d e li sh i g h e s t a n dt h e r e i sas i g n i f i c a n t l yc o r r e l a t i o nb e t w e e n b i o m a s sa b o v e g r o u n da n ds o i la v a i l a b l ep h o s p h o r u s ( r 2 = o 9 35 ) i nt h eg r a d u a ls l o p er e g i o n , w h a t sm o r e ，t h e r ei sao b v i o u sc o r r e l a t i o nb e t w e e nb i o m a s sa b o v e g r o u n da n ds o i l p h ( r 2 = o 7 4 5 ) i nt h ev e r ys t e e ps l o p er e g i o n k e y w o r d s ： a r t i f i c i a lp l a n tc o m m u n i t i e s ；p l a n th e i g h t ；t o t a lc o v e r a g e ；b i o m a s s a b o v e g r o u n d ；s o i lp h y s i c o c h e m i c a lp r o p e r t i e s i v 第一章引言 1 1 研究背景 1 1 1 山坡破坏概况 第一章引言 随着我国经济建设的快速发展，工业化、城市化进程显著加快，各地的小城镇建设 逐渐向山区推进，特别是西气东输、三峡工程、全国高等级公路网建设等重大基础设施 项目的启动【1 1 ，极大地促进了国民经济的发展【2 ，3 1 。然而在开发山区或丘陵地区的同时， 由于公路、铁路的大量建设，各种矿山的过量开采等，在很大程度上破坏了自然生态【州， 形成了许多无植被覆盖的裸露边坡1 7 ，s 】。边坡的开挖使地表植被遭到破坏，在很大程度 上改变了原始地貌【9 】，造成公路、铁路沿线植被破坏、水土流失、生态失衡1 0 】；同时在 坡度较大或特殊的构造区域，还可能造成山体崩塌、滑坡等，给交通运输带来严重危害。 边坡根据其形成的原因可以分为自然边坡和人工边坡。自然边坡是由地质灾害所引 起的，而人工边坡则是在人类建设活动中产生的，多半发生在工程建设的过程中【l l 】。人 工边坡的产生一方面可以引发滑坡、泥石流等地质灾害，另一方面可以破坏地表植被而 引起水土流失、生物多样性降低等一系列生态环境问题 n j 2 。近年来，随着大规模的工 程建设和矿山开采，以及水利及交通等部门的运营，出现了大量的边坡问题，产生了大 量无法恢复植被的岩土边坡，使边坡治理成为迫在眉睫、急需解决的问题。但是由于在 所形成的人工边坡中大部分为岩石边坡，而且相当一部分的岩石边坡是不稳定的，因此 如何对岩石边坡进行有效的生态防护，恢复植被，减少水土流失，是岩土和生态工程科 研工作者所关心的热点问题【1 3 】。 传统的单纯边坡工程加固措施只追求强度功效，大多采用浆砌片石及喷混凝土等灰 色防护【1 4 1 ，但这些工程措施都会导致原有植被破坏、水土流失、滑坡、边坡失稳等一系 列生态环境和工程问题【1 5 】，破坏自然生态的和谐1 6 1 。近年来随着人们对生态环境保护的 重视和我国经济实力的进一步增强，植被护坡工程技术逐渐被应用到工程建设中去，改 变了传统边坡工程防护技术对生态环境造成的不协调或冲击，减少了生态灾害，保护了 环堵【1 7 ，1 8 1 。 矿业废弃地裸露坡面人工植物群落构建及对基质性质的影响 1 1 2 护坡的必要性 人类的经济社会活动与自然的和谐相处，以实现经济与环境保护的可持续发展，是 人类生存与发展的基本要求。但在人类社会发展的同时，不可避免地将会对生态环境造 成破坏，尤其是公路、铁路、水电等国家基础设施的建设工程中，对山体造成的破坏已 给人类带来很大的危害。因此，实施植被护坡具有以下几个必要性： 1 、生态环境保护的需要 当前，随着我国经济的快速发展，以及“科技兴国战略 的实施，将会对更多的山 体进行开挖，进而产生更多的生态环境问题。因此，开展植被护坡技术的推广与应用， 是我国建造良好的生态环境、实现经济快速健康发展的迫切要求。 2 、护坡工程的需要 在过去的五年里，我国在西部投入大量资金进行铁路、公路建设，在铁路、公路里 程不断扩展带给人们便利的同时，也消耗了大量的人力、财力。据统计，在“十五 期 间仅铁路和公路建设的投资额就将近3 4 0 0 亿元【1 9 1 。而在这些建成的西部铁路和公路中， 大部分都要穿越崇山峻岭，因此边坡工程的实施需要投入大量的资金，倘若再计算其它 辅助工程的建设，则投资金额更高。因此，植被护坡本身所具有的巨大市场潜力需要其 实现产业化，同时也需要加快对植被护坡技术的推广和应用。 3 、经济发展规律的需要 进入到2 1 世纪，人们已充分意识到资源的重要性，因此提出了循环经济、清洁生产 的理论，以适应经济长期发展的需要。而植被护坡在效果上可以像喷射混凝土一样起到 边坡防护的作用，但同时其施工成本比喷射混凝土要低很多，且生态效益是传统的护坡 技术所无法比拟的【2 0 】，因此，植被护坡的推广应用是经济发展规律的客观需要。 1 1 3 人工植物群落研究现状 随着植被护坡技术不断的发展创新，以及在实际的护坡工程中的推广和利用，我国 已开始对公路等基础建设造成的边坡和人工破坏耕地、草原形成的沙地通过建立人工植 物群落来进行生态修复。余海龙【2 1 1 等在呼集高速公路边坡建造人工植被后，对不同年代 人工植被群落特征及其土壤特性进行了研究，结果发现土壤理化性质随着种植时间的延 长而得到明显的改善。近几十年来，我国对科尔沁沙地进行了大量的植被恢复试验和 第一章引言 定位观测。在沙地退化的原因、特征及恢复重建的可行途径等方面取得了大量的科研成 果瞄2 3 1 。曹成有【2 4 】等以4 种典型的人工固沙群落作为研究对象，对探讨了在科尔沁沙地 进行人工植物群落建设对土壤养分和生物活性的影响，结果发现人工植物群落形成之 后，明显地改善了土壤的养分和生物活性。而党兵t 2 5 】等则对榆林沙地如何更好地构造人 工植物群落进行研究。刘丽丹【2 6 】也探讨了花棒对沙地的改良效果。 以上的研究表明我国在对人工植物群落的研究上取得了一定的成果。但总体来看， 宏观表征的研究较多，而对劣质土坡及岩石边坡的生态护坡机理及工程应用方面的研究 较少【2 他9 3 ，尤其是对土地退化的生物学过程及植被恢复过程中土壤与植物相互作用机理 等方面的研究尚显不足。 1 2 植被护坡研究进展 植被护坡的历史源远流长。植被护坡的应用最早出现在中国，在那时受技术的限制， 人们只能使用简单的方法来护坡，比如使用柳树等来加固和保护河岸的边坡。到了1 7 世 纪，随着人们经验的积累，而黄河又是历来洪水泛滥之地，因此中华民族就已经发挥自 己的智慧，利用积累起来的植被护坡技术来保护自己的母亲河【3 0 l 。日本的植被护坡则起 源于对于荒坡的治理，那时的技术也比较单一，只能采用简单的移栽树苗、铺设草皮的 方法，但随着科学技术的发展，对于植被护坡方面的研究与应用日本已慢慢地占据了领 先的地位，并且到目前为止已取得多项植被护坡技术的专利【3 3 1 ，在1 9 9 5 年更是研制出 了植被型多孔混凝土刚。与日本相比，欧美国家则主要针对雨水侵蚀的坡面进行研究， 在此研究上对公路边坡和河堤进行防护。植被护坡技术大约在2 0 世纪3 0 年代传入了中 欧，并且在欧洲迅速发展、盛行，最终在世界范围内都处于领先的地位。经过多代入的 不懈努力，植被护坡技术已在世界范围内得到推广。北美在19 2 6 年就已经针对农林业和 道路建设有关的侵蚀控制【3 5 j 进行研究，并且很好地结合了欧洲的研究经验，为植被护坡 技术的发展做出了贡献。英国则在2 0 世纪4 0 年代末，就使用植被护坡技术来维持陆地景 观、堤岸和公路、铁路修建形成的边坡的稳定性等【3 5 阗。由欧美国家开发的液压喷播技 术1 3 7 ，3 8 1 已广泛应用于植被护坡的工程中。 植被护坡技术在现代中国始于2 0 世纪5 0 年代，主要用于水土保持和防风固沙。尽管 中国在应用上与其它地区有所不同，但所采取的植被护坡原理与方法却是基本相同的。 矿业废弃地裸露坡面人工植物群落构建及对基质性质的影响 植被护坡技术在中国的进一步发展是从上世纪7 0 年代开始的，而进入2 0 世纪以后，植被 护坡快速发展，出现了许多成熟的植被护坡技术。目前经过人们不懈的努力，国内已成 功的研制出植生型生态混凝土，并很好地将此技术与实际的护坡工程相结合 3 9 1 。然而随 着经济的发展和生活水平的提高，人们对环境的要求已不再像以前那样简单，而是提出 了更高的要求：在应用植被护坡技术修复边坡、保护生态环境的同时，还要考虑到边坡 修复后的景观效应【柏】，这在国内的某些地区，尤其是经济发达的地区，已变得越来越明 显。出于人们不断提高的要求和保护环境的责任，中国f 1 2 0 世纪8 0 年代以来，自力更生， 不断尝试，终于发明了三维植被网护坡技术、液压喷播植草护坡技术等一批工程建设与 植被重建相结合的护坡方法，目前这类工程与植被相结合的护坡方法已广泛应用于边坡 防护的工程中。 1 3 常用护坡植物 1 3 1 狗牙根( c y n o d o nd a c t y l o n ) 狗牙根( c y n o d o nd a c t y l o n ) ，又称百慕大草、爬地草、绊根草，属禾本科多年生草 本植物。具有根状茎和匍匐枝，须根细而坚韧，耐践踏，侵占能力强。 狗牙根喜温热气候和潮湿土壤，适合于世界各温暖潮湿和温暖半干旱地区，极耐热 和抗旱( 可耐受4 3 高温) ，但抗寒性差，也不耐阴，最适生长温度为2 0 3 2 ，在日 均温2 4 以上时，生长最快；当日均温下降至6 9 时生长缓慢，开始变黄；当日均温 降低到2 3 时，地上部分开始死亡，但它的根部可以过冬。第二年其过冬部分的体眠 芽会重新萌发生长。 狗牙根营养繁殖能力强大，具有很强的生命力。但种子不易收集，多采用分根茎法 繁殖。在葡匐茎的节处可以生出许多根系，而且在节部还可以形成新的走茎，这样新旧 的葡匐茎就可以在地面上互相交错，形成网状结构，具有很大的覆盖度，迅速占领地面， 进而成为占有绝对优势的植物群落。 狗牙根的最适生长的p h 值在6 0 7 0 之间，喜爱通气性良好而又富有肥力的土壤。 在黏土上的生长状况要比在轻沙壤土上好，而且在弱盐碱地上生长也较快。 狗牙根是我国分布最广泛、生态类型最多的野生暖季型草坪草，主要分布在黄河流 域以南各省【4 l 】，但在华南、华中、西南、西北、华北南部也有分布【4 2 1 。 第一章引言 1 3 2 胡枝子( l e s p e d e z a c h i n e n s i s ) 胡枝子( l e s p e d e z ac h i n e n s i s ) ，又名帚条、二色胡枝子、胡纸条等。自然分布于我 国东北、内蒙古、华北、西北、西南、华南及台湾等。豆科胡枝子属灌木，高0 5 1 5 m ， 分枝繁密，老枝灰褐色，嫩枝黄褐色，疏生短柔毛。 胡枝子为中生性落叶灌木，耐阴、耐寒、耐干旱、耐瘠薄【4 3 】。根系发达，适应性强， 对土壤要求不严格。其生境通常在暖温带落叶阔叶林区的山地和丘陵地带，是这一带地 区的优势种，同时也分布在林缘、无林或在森林破坏后，遭反复砍伐和火烧，森林无法 恢复的地区】。胡枝子常呈丛状、片状分布，覆盖率为4 0 5 0 。与胡枝子伴生的有 榛( c o r y l u sh e t e r o p h l l a ) 、绣线菊( s p i r a e as p p ) 、悬钩子( r a h u s s p ) 、丁香( s y r i n g as p ) 、 照山白( r h o d o d e n d r o nm i c r a n t h u m ) 等灌木。伴生的主要草本植物有野古草( a r u n d i n e l l a h i r t a ) 、鹅观草( r o e g n e r i ak o m j i ) 、蒿类( 么厂- 纪m 西砌s p ) 、大火草( a n e m o n et o m e n t o s a ) 、 地榆( s a n g u i s o r b ao f f i c i n a l i s ) 、歪头草( h c i au n f i n g a ) 等。 胡枝子耐寒性强，无雪覆盖也能耐零下2 8 3 0 的低温。胡枝子根系发达，当年生 植物根系可达8 0 1 0 0 c m ，二年生植株主根入土深度达1 5 0 c m 以上【4 5 l ，幼株根瘤发达， 每株有根瘤4 0 7 0 个。根系7 0 集中在5 - 3 0 c m 的土层中。苗期生长慢，分枝到开花生 长快，日增长速度可达2 - 3 c m ；在开花之后，则以生殖生长为主，生长速度明显减慢， 但植株重量仍在增加。 胡枝子对土壤要求不严格，山地、平原地区都可以种植。但以土层深厚、中性偏酸 的土壤较好。 1 3 3 马棘( i n d i g o f e r ap s e u d o t i n c t o r i am a t s ) 马棘( i n d i g o f e r a p s e u d o t i n c t o r i am a t s ) ，又名野蓝枝子、狼牙草、长穗木蓝。半灌木， 植株高达8 0 1 5 0 c m 。分枝多，小枝被丁字形毛，枝上小叶9 1 1 个，呈椭圆形、倒卵状 椭圆形，长1 2 5 e r a ，花期在5 月，果期在9 1 0 月。 马棘具有抗旱、耐贫脊、生活力强、根系发达、深扎能力强等优点，目前已成为 在高速公路边坡的生态护坡中应用较多的一种植物【4 6 1 。马棘在岩石山、风化石山等 偏碱性土壤中生长良好，每年1 2 月份中旬种子开始成熟，种植以种子直接播种为主， 在每年4 - 6 月和9 1 0 月，选择中低海拔、土层较厚、排水较好的砂质地进行。 矿业废弃地裸露坡面人工植物群落构建及对基质性质的影响 在我国分布于华东、华南、西南以及陕西、山西。 1 4 本研究目的、意义 1 4 1 研究目的 巢湖为我国“三河三湖 重点水污染防治流域之一。导致巢湖富营养化的根源在于 来自点源和非点源的大量氮磷进入巢湖水体。监测表明【4 7 】巢湖湖区水中总氮、总磷含量 分别为2 4 8 m g l 和0 2 2 7 m g l ，水质类别为劣v 类( 重度污染) ；表层沉积物中总氮、 总磷含量平均值为1 0 6 5 m g g 、5 8 7 m g k g 。严重的水质恶化已经对巢湖沿岸的人民群众 的生产、生活造成危害，严重影响了区域社会、经济的可持续发展。 巢湖流域内矿产资源比较丰富，尤其是巢湖北岸地层中的含磷层，广泛分布着一套 古老的含磷变质岩系，含磷变质岩系中的含磷层位在多处构成了中、小型的工业磷矿床。 大规模矿业开采含磷层不仅导致山体破碎，还形成大量疏松、陡峭的裸露区域，强降雨 使这些区域大规模水土流失，导致区域内高磷自然本底中大量的磷随径流进入巢湖，加 速了巢湖水体富营养化进程。 由于地质构造、地形地貌的影响，从磷矿区和含磷地层发源的水系大部分都汇入巢 湖，每年因水土流失进入巢湖的磷近6 0 0 t 1 4 引。近年来，随磷矿和其它矿床开采的加剧， 流域内富磷地区裸露面逐渐增多，每年随水土流失进入巢湖的磷的总量也不断增加。如 何选取本地物种、通过合适的基质调控措施，通过对其他技术集成、结合区域具体特点， 构建快速的人工植物群落，有效减少富磷地区磷的流失，已经成为巢湖富营养化控制亟 待解决的课题。 鉴于巢湖富营养化现状，通过应用不同的生态工程措施( 植被护坡技术) ，构建高 效截磷的植物群落组合，对巢湖流域富磷矿业废弃地陡坡坡面、缓坡坡面进行生态修复 技术研究，了解不同的植被护坡技术对坡面稳定性和理化性质的影响，获得几种快速构 建植物群落的技术。通过植物群落的水土保持功能，拦截裸露坡面泥沙最终实现遏止岩 源性磷向巢湖的排放，减轻巢潮水体的富营养化程度。 第一章引言 1 4 2 研究意义 水是人类赖以生存的资源。近年来，随着人口的增长、经济高速发展、人类社会经 济活动的影响使水资源系统受到很大冲击，水质变劣，富营养化过程加剧，甚至在公路、 铁路、水电等基础设施建设工程的施工中，对生态环境也造成了很大的破坏。究其原因， 大部分是由于人类的活动在很大程度上破坏了植被，使植被无法自我恢复，导致水土流 失，大量的营养物质流入水体，发生富营养化现象，因此实施植被护坡是必不可少的。 人类的生存发展要与自然界和谐相处，经济发展要与环境保护协调共进。这不仅是保护 生态环境、护坡工程产业化的需要，也是适应经济发展规律的客观需要。 1 、揭示人工植物群落形成的变化规律 人工植物群落在建立之后，各种物种中谁更占有优势，哪一个是优势种，各种物种 之间会产生怎样的影响，外部环境条件和人为因素会对植物群落产生怎样的影响，针对 研究区域的具体特点，何种类型的植物群落才是稳定高效的植物群落，这些问题都能在 研究人工植物群落中找到答案。 2 、为开展生态工程建设提供理论依据 植被护坡技术经过不断的研究和发展，已经广泛地应用到实际的工程建设中，也已 取得了良好的效果，但对植物群落内部生物学变化的规律以及人工植物群落的建立所产 生的生态效益研究较少。本研究着重探讨同一物种之间及不同物种之间的相互影响及变 化规律，以及植物与土壤之间的相互影响，为更好地将植被护坡技术应用到生态工程防 护中提供理论依据。 矿业废弃地裸露坡面人工植物群落构建及对基质性质的影响 1 5 本研究的主要内容及技术路线 图1 1 研究的技术路线图 f i gi 1d i s t r i b u t i v ed i a g t a mo f t h et e c h n i c a lr o u t 8 第二章材料和方法 第二章材料和方法 2 0 1 自然植物群落调查 物种组成是植物群落中最重要的特征，因此研究植物群落一般都要从研究物种的组 成开始。根据实验的需要，必须对实验地区较大范围内的植物组成进行调查，搞清楚有 哪些植物在群落中占据优势，然后再从这些土著植物中选择可以应用到实验中的物种。 实验区域具体的植物群落组成见第三章。 在调查了试验地区植物群落的的种类组成之后，选择其中几种土著的禾本科和豆科 植物作为研究对象，采用单一的禾本科植物组合、单一的豆科植物组合、禾本科与豆科 植物的组合作为三种不同的播种方式，进行小区试验，然后对小区的植物群落的种类组 成进行定量的调查分析。 表2 1 物种组成数量特征【4 9 ，钢 t a b l e2 1t h ec h a r a c t e ro f t h ep l a n tc o m m u n i t yi na m o u n t 指标描述 盖度指植物地上部分垂直投影面积占样地面积的百分比 高度 植株地上部分在垂直方向上的度量 地上生物量 是用来衡量植物光合作用产物积累的指标，一般用干重( 6 5 8 0 烘干至恒重) 表示 2 2 植物与土壤样品采集 植物样品的采集主要是测定株高、盖度、地上生物量，测量地上生物量采用样方法， 采集2 0 c m x 2 0 c m 范围内的地上部分：土壤样品使用土钻采集表层1 0 c m 的土壤，呈对角 线采集3 个样品，混匀得到1 个样本。 表2 2 样品检测 t a b l e2 2t h ed e t e r m i n i n gm e t h o d s 样品 检测项目 植物样品 土样样品 高度、盖度、地上生物量 管状采集器，每次采1 0c m 深，每一试验小区按对角线采三个点， 混匀，作为一个土壤样品。 矿业废弃地裸露坡面人工植物群落构建及对基质性质的影响 2 3 土壤理化性质分析 表2 3 土壤理化性质的研究方法 t a b l e2 3 t h er e s e a r c hm e a t h o d so f p h y s i c o c h e m i c a lp r o p e r t i e so f t h es o i l 指标 方法 土壤容重环刀法【5 1 】 土壤含水量烘干法【5 i 】 p h电位测定法【5 1 】 土壤中总氮半微量开氏法【5 1 】 土壤中碱解氮碱解扩散法【5 l 】 土壤中总磷高氯酸一硫酸酸溶一钼锑抗比色法【5 l 】 土壤中速效磷碳酸氢钠一钼锑抗比色法【5 1 1 土壤中有机质灼烧法【5 1 】 2 4 实验试剂和器材 2 4 1 实验试剂 测定土壤理化性质所需试剂 表2 4 测定土壤理化性质所需试剂名称及规格 t a b l e2 4t h en a - - l l ca n ds i z eo f r e a g e n ti nd e t e r m i n a t i o no f s o i lp h y s i c o c h e m i c a lp r o p e r t i e s - l o 第二章材料和方法 2 4 2 实验器材 l 测定土壤理化性质所需实验器材 表2 5 土壤理化分析测定器材名称及型号 t a b l e2 5t h en a m ea n dt ) ，p co f e q u i p m e n ti nd e t e r m i n a t i o no f s o i lp h y s i c o c h e m i c a lp r o p e r t i e s 2 测定植物地上生物量所需实验器材 表2 6 测定植物地上生物量器材名称及型号 t a b l e2 6t h en a l l l ea n dt y p eo f e q u i p m e n ti nd e t e r m i n a t i o no f p l a n tb i o m a s sa b o v e g r o u n d 2 5 数据处理 通过室内试验获得的数据，使用m i c r o s o f te x c e l 软件作图，获得植物株高、总盖度 和地上生物量随时间变化的曲线图，使用s p s s1 8 0 统计软件分析地上生物量与土壤容 重、土壤中氮、磷及有机质之间的相关性以及不同小区土壤理化性质之间的差异性等。 第二三章研究区域自然概况 第三章研究区域自然概况 3 1 巢湖气候 巢湖市属北亚热带湿润季风气候区，位于安徽省中部，江淮丘陵南部，地处东经 1 1 7 0 0 0 ，一1 1 8 0 2 97 和北纬3 0 0 5 6 - 3 2 0 0 2 之间。辖区面临长江，气候温和，雨量适中，光照 充分，热量条件较好，无霜期长；季风气候显著，冬寒夏热，四季分明。年平均气温在 1 5 7 。1 6 1 ，南北差异较小。年降水量在1 0 0 0 1 1 5 8 m m 之间，降水日数年均为1 2 3 5 日， 地域分布为北部偏少南部稍多；季节分布不均，春季占年降水量2 8 - 3 2 ，夏季占 3 8 - 4 4 ，秋季占1 8 一1 9 ，冬季占1 0 一1 1 。本研究区位于巢湖市夏阁镇大庙村， 在锥子山和黄家山之间，为巢湖流域富磷地区小柘皋河上游。该区域矿石为磷灰岩，开 采严重，形成大量的裸露的陡坡区域和由剥离土堆积而成的缓坡区域，地形起伏较大。 图3 1 研究区域图片 f i g 3 1 t h ec o n d i t i o no ft h er e s e a r c ha r e a 3 2 研究区域自然本底状况 在进行实验之前对研究区域的自然本底状况进行了调查。在陡坡、缓坡处共采集了 6 个土样( 每个土样4 个重复) ，测定了总氮，总磷，水溶性磷，有机质4 项指标，具体 如下：总氮0 2 9 。0 8 7m g g ：总磷0 6 2 1 6 2m g g ：水溶性磷0 0 0 0 3 0 0 0 5 1m g g ：有 机质3 5 2 6 0 - 6 1 5 1 8m g g 。 另外在研究区域附近的池塘共采集了8 个水样，测定了5 个指标，具体如下：p h 矿业废弃地裸露坡面人工植物群落构建及对基质性质的影响 6 9 5 7 8 6 ；电导率9 6 0 2 5 6 0 9 s c m 水中悬浮物含量0 0 0 4 5 0 1 3 1 5 9 1 ；悬浮物中磷 0 4 7 9 3 - 3 3 3 7 5 m g g ；过滤水中磷0 0 0 7 9 m g 1 。 对研究区域由于水土流失造成的侵蚀状况进行了调查，结果共有2 条大水沟，一条 宽0 9 2 m ，深0 4 2 m ，东西向；另一条宽3 7 m ，深2 1 m ，南北向。水土流失具体情况如 下图： 图3 2 研究区域水土流失状况 f i g 3 2 t h es o i la n d 旧t c rl o s so f l t a er e s e a r c hr e g i o n s 3 3 研究区域自然定居土著植物分布 3 3 1 土著植物调查 调查表明，目前在研究区域自然定居植物共有3 8 科1 2 9 种，其中禾本科2 4 种、豆 科1 2 种。各科属种见附表。 表中禾本科( 2 4 种) 、豆科( 1 2 种) 、菊科( 1 6 种) 植物是构成研究区域自然定居 植物群落的主要物种，其中狗牙根( c y n o d o nd a c t y l o n ( l i n n j 尸p 陋) 为主要优势种。 3 3 2 土著植物分布特征 研究区域土著植物主要以禾本科植物( 如狗牙根、结缕草等) 、豆科植物( 黄香草木 犀等) 为主，其他科植物较少。目前，在夏秋季节研究区域主要植物群落类型为：白茅 狗牙根群落一主要分布于研究区域的东半部分，一般呈带状或斑块装分布；白茅狗尾 第三章研究区域自然概况 草群落一主要分布于研究区域的西半部分，呈斑块状分布；夏枯草姑缕草群落一主要分 布于研究区域的平地部分，基本呈带状分布。 图3 3 研究区域东半部分的白茅狗牙根群落 f i g3 3 t h ec o g o na n db e r m u d a g r a s sc o m m u n i t yi nt h ee a s tp a r to f t h er e s e a r c hr e g i o n s 第四章人工植物群落的形态学特征 第四章人工植物群落的形态学特征 4 1 人工植物群落构建的理论基础 植物之间的竞争可以分为种内竞争和种间竞争。种内竞争是指同一物种的植物因为 生态位相同，而引起个体对地上( 光线、热量) 和地下资源( 水分、营养物质) 的竞争 【5 2 1 。种内竞争有很多的表现形式，但对植物来说，最主要的是密度效应，即当种群的个 体数量增加时，邻近的个体之间必然会相互影响，结果会导致植物种群趋向于恒定的产 量或者产生自疏的现象。种间竞争是指不同种类的植物由于具有相似的要求，而对空间 和资源进行竞争，结果一方获得优势，另一方受到抑制。在种间竞争的过程中，植物的 生长速率、个体大小都会影响竞争结果。但不管是种内竞争还是种间竞争，都涉及到地 上竞争和地下竞争。在一般情况下，地上竞争只涉及到对光、热的竞