（植物学专业论文）湖北省程潮铁矿尾矿废弃地生态恢复初步研究.pdf

硕士学位论文 m a s t e r st f i e s i s 摘要 金属尾矿废弃地是一种典型的退化生态系统生态，它的生态恢复首先依赖 于尾矿废弃地植被的生态恢复，也就是植被重建。然后随着植被的恢复，带来 土壤微生物，土壤动物的数量和种群逐渐增加，直至整个生态系统的恢复。本 文以程湖铁矿尾矿库为试验点，对其复垦的植被进行了恢复生态学研究，研究 表明：在铁矿尾矿地引种豆科植物刺槐相比较而言是较好的生态恢复对策。土 壤种子库的引进有利于先锋植物的入侵和定居。在干旱条件下，禾本科植物和 菊科植物是首先定居的草本先锋植物，同时，在湿地条件下，芦苇和香蒲是适 于生长的草本先锋植物。 而且本文还对植被重建过程中尾矿对于植物在尾矿废弃地生长发育的影 响以及植物对尾矿耐受的生理生化机制进行了探讨。本文通过盆栽实验，在第 一步的实验中选择8 种植物，通过比较其发芽率和3 0 天存活率，最终选择爱 瑞三号似j f “阳甜“玎硪h d c e 口s c l l r e bc v a m d 3 j ，翠碧a 仇j f “c 口甜“门旃玎d c p 口 s c h r e bc v 嘣p l e 钞和花生 ，d c 捃枷p 舶p 口l ) 三种植物进行第二步的实验，设 计3 个处理，即x m 1 0 0 ( 1 0 0 尾矿) 【x 表示三种植物，分别为爱瑞三号( a ) ， 翠碧a ( c ) ，和花生( h ) 】，x m 5 0 ( 5 0 尾矿+ 5 0 土壤) ，x m 0 0 ( 1 0 0 土壤) ，每 个处理四个重复，测定游离脯氨酸含量，叶绿素含量，s d s p a g e ，过氧化物 酶( p o d ) ，过氧化氢酶( c a t ) ，酯酶( e s t ) ，超氧化物歧化酶( s 0 d ) 聚丙烯酰胺 凝胶电泳比较分析以及p o d ，e s t ，s o d 活性分析。 通过比较研究，初步得出以下结论： 1 ) 只要保持适当的水分，植物种子就能够萌发，而且就本次实验的三种 植物来看，纯铁矿尾矿似乎对于种子的萌发较为有利。 2 ) 从植物萌发后的存活率，叶绿素含量和脯氨酸含量等生理性状来看， 尾矿对植物有胁迫作用，对植物生长存在不利影响。存活率，叶绿素含量随尾 矿砂的比例升高而呈下降趋势，而脯氨酸则相反。 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 3 ) s d s p a g e 分析，三种处理下未见有明显的带谱差别，蛋白质以小分子 量成分居多，集中在1 4 4 3 1 k d 之间。但存在浓度的变化，这一点从测定的可 溶性蛋白质含量得到进一步的验证。 4 ) 过氧化物酶，酯酶，超氧化物歧化酶活性分析及过氧化物酶，过氧化 氢酶，酯酶，超氧化物歧化酶聚丙烯酰胺凝胶电泳比较分析：同种植物在三种 处理情况下各酶的同工酶谱和带形没有什么差别，但不同处理下酶的活性存在 差异。 5 ) 爱瑞三号和翠碧a 作为高羊茅的两个不同栽培品种，它们之间 s d s p a g e 以及四种同工酶( p o d ，c a t ，e st ，s o d ) 酶谱没有差异，而它们和花 生之间有着明显的差别。总的来说，爱瑞三号，翠碧a 和花生都可以作为铁矿 尾矿废弃地生态恢复的先锋物种，而这其中尤以花生最为合适。 关键词：尾矿废弃地，生态恢复，自然定居，盆栽，先锋物种 1 1 a b s t r a c t m e t a lm i n e w a s t et a i l i n gd u r n p sa r eat y p i c a ld e g e n e r a t e de c o s y s t e m ，a i l da tf l r s tm e r e s t o r a t i o no ft h e m d e p e n d s 0 nt h e e c o l o g i c a lr e s t o r a t i o no fv e g e t a t i o n ， o r r e h a b i l i t a t i o n l a t e rt h eq u a l l t i t ya n ds p e c i e so fs o na n i m a la n dm i c r o o r g a n i s m i n c r e a s ew i t ht h ed e v e l o p m e n td f v e g e t a t i o n ，a i l di n 也ee n dm ee c 0 1 0 9 i c a ls y s t e m 谢l lb er e s t o r e d i n “sp a p e r 、ed i ds o m ee c o l o g i c “r e s e a r c ho nt h ev e g e t a t i o no f r e h a b i l i t a t i o ni n 也en e l do fc h e n g c h a oi r o nm j n et a i l i n g s ，h u b e ip r o v i n c e 1 1 】e r e s u l ts h o w st h a ti ti sab e t t e rm e a s u r eo fe c o l o g yr e s t o r a t i o nt op l a j l tr 0 6 拥蛔 p s e 甜d o 口c 口c 胁li nm ew a s t e di r o nm i n et a i l i n g s i nt h ed r o u 2 h tc o n d i t i o n ，t h e p l a n c so fg r a m j n e a ea n dc o m p o s i t a ca r et h ep i o n e e rs p e c i e s ，w h i l ei nt h ew e t l a n d e n v i r o m e m7 v p 矗口d ，f 口以m ，括p 陀j ，a 1 1 d 尸而r 职m 打p 5c d 啪埘“九括丹泐a r et h ef i r s t s d e c i e st h a tr e s i d ei nm et 缸l m g s t h em s t u r b a n c eo fh u m a na c t i o nc a na c c e l e r a t e t h er e s t o r a t i o n p r o c e s so f t 王1 ev e g e t a t i o n i v i o r e o v e r ，t h r o u g hp o tc u n u r ee x p e r i m e n t s ，c o m p a r a t i v es t u d vo nt h ee f k c t so f i r o nm i n et a i l i n g so ng m w t ha n dd e v e l o p m e n ta n dp h y s i o l o g i c a lf u n c t i o no ft h r e ek i n d so f p l a m sw a sd o n ea n d 让i ep h y s i o l o g i c a 王a n db i o c h e m i c a lm e c h a n i s mo fm e t a l t o l e 啪c eo f l h e mw a sa n a l y s e di nt h i sp 印e r a tt h ef i r s ts t e po f t h e e x p e r i m e n t s ，w e s e l e c t e d e i g h ts p e c i e s o fp l a l l t st od om et e s t so fg e m l i n a t i o n p e r c e n t a g ea n d s u r v i v a lp e r c e n t a g eo fs e e d l i n g s f r o mw h j c hw es e l e c t e dt h r e es p e c i e st od of u r t h e r s t u d y ，s u c ha sm ef r e ep r 0 1 i n ec o m e n t ，c h l o r o p h y l lc o n t e n t s ，t h es o l v a b l ep r o t e i n c o n t e n t s ，p o l y p r o p y l e n e 一姗i d e e r e c t _ b o a r d e l e c t m p h o r e s i sa 1 1 a l y s i s o ff o u r i s o z y m e s( p e r o x i d a s e ，p o d ；c a t a l a s e ，c a t ；e s t e r a s e ，e s t ；s u p e r o x i d e d i s m u t a s e ，s o d ) ，a c t i v i t i e so ft 1 1 r e ee n z y m e s ( p o d ，e s ta n ds o d l t h et h r e e s p e c i e s o f p l a n t s a r ep e a n u t 叫，d c h i s 卯o g 盯e 口l ) a n da m d 3 伊p s r “c d 酊m 讲刀钟p 口s c l l r e bc va m d 3 ，t r i p l ea 伊b m 甜胛旃门口c p 口s c h r e bc vt r i p l e 剐t 1 1 r e et r e a t m e m s ，x - m 1 0 0 ( 1 0 0 t a i l i n g s ) ，x m 5 0 ( m i n es p o i l 一s o i lm i xi nt h e v o l 啪er a t i oo fl ：1 ，5 0 t a i l i n g s + 5 0 s o i l ) x m 0 0 ( 1 0 0 s o i l ) w e r ed e s i g l l e da n d e a c ht r e a t r i l e n tw a sr e p e a t e df o u rt i m e s t h ef 0 1 l o w i n ga r et h er e s u i t so ft h ei n i t i a l c o n l p a r a t i v es t u d y ： 1 ) i f 山e r ei s s l l i t a b l e q u a n t 时o fw a t e r ，t h e s e e d sc 姐g e r n l i n a t e ，a n di nt h e e x p e r i m e mw ef i n di ts e e m st 1 1 a tt h ep u r ei r o nm i n es d o i lw i l ld oh e a l mt ot h e i i i g e r n l i n a t i o no f p l a n t s 2 ) w a s l e dm i n et a i l i n g s d oh a r i l lt om eg r o w t ha 1 1 d d e v e l 叩m e m o fp l a l l t s c o n s i d e r i n gm ep h y s i o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fs u r v i v a lp e r c e n t a g eo fs e e d l i n g s ， f r e ep r o l i n ec o n t e n ta n dc h l o r o p h y uc o n t e n t s t h es u r v i v a lp e r c e n t a g eo fs e e d l i n g s a n dc h l ( ) r o p h y l lc o n t e n t sr i s ew i 血t 1 1 ei n c r e a s eo ft h ep e r c e m a g eo fw a s t e dm i n e t a i l i n 2 s ，a n dm ec h a n g eo f 矗e ep r o l i n ec o n t e n ti so nt l l ec o n t r a r y 3 ) t h e r ei sn os i 叠n i f i c a n td i 艉r e n c eo fs d sp r o t e i nb a n da “l o n gt h r e et r e a t m e n t so f e a c hp l a n t m o s to fp m t e i n sa r es m a l lm o l e c u l a rw e i 曲to n e s ，a i l dm e i rm o l e c u l a r w e i 2 h t sa r ei nt h er a n g eo f1 4 31 k d h o w e v e r ，t h ec o n c e n t r a t i o nw a sd i f r e r e n t ， w h i c hc l f lb ec o n f i 玎n e db ym es o l v 曲l ep r o t e i nc o m e n t sm e a s u r e db yt h em e t h o do f l o w e r v 4 )s o m ed i f f 色r e n c eo fa c t i v i t i e so ft l r e ee n z y m e s( p e r o x i d a s e ， e s t e r a s ea n d s u p e r o x i d ed i s m u t a s e ) i so b s e r v e db e t w e e nt r e a t m e n t s ，b u ti ti sn o ts i g n m c a n t a t t h es a l l l e t i m e ，b yu s i n gp o i y p r o p y i e n e 咀m i d ee r e c t - b o a r de i e c 仃o p h o r e s i s ，f o i l r i s o z y m e s ( p e r o x i d a s e ，c a t a l a s e ，e s t e r a s ea i l ds u p e r o x i d ed i s m u t a s e ) w e r ea n a l y z e d t h e r ew a sn oe l e c t r o p h o r e t i cd i 丘b r e n c e 锄o n gt h r e et r e a c m e n t so fe a c hp l a n ta 1 1 d t h ee n z y m e - b a l l d sa r es 锄e 5 ) t h ea b o v es t u d ys h o w e dt h a tm e r ei so n l ya1 i 札1 ed i f 挹r e n c eb e t w e e n1 y i p l ea a n da n l d 3i ns o m ek i n d so fr e s u l t s ，b u tt 1 1 e r ei ss i g n m c a j l td i 艉r e n c eb e t w e e n p e a i l u ta 1 1 di na l lk i n d so fr e s u l t s i n c l u d es d s p a g eb a i l d sa n df o u ri s o z n e s b a j l d s t h er e a s o ni st 1 1 a tt r i p l eaa n da m d 3a r et w oc u l t i v 砒e ds p e c i e so f 凡5 m c 口 日，“肘西玎口c p 珂s c h r e b i na 、v o r d ，、et l l i i l l ( t h a tp e a n u t ，t r i p l eaa 1 1 da m d 3a l lc a l l b eu s e da sp i o n e e rs p e c i e si nm e t a i l i n g s ，i nw h i c h ，p e a n u ti st h em o s ts u i t a b l eo n e k e y w o r d s ：w a s t e d m i n e t a i l i n g s ，e c o l o g i c a l r e s t o r a t i o n ， n a t u r a l e s t a b l i s m e n t ，p o tc u l t l l r e ，p i o n e e rs p e c i e s 第一章金属尾矿废弃地恢复生态学研究现状 退化生态系统的形成是由于人类和自然灾害破坏了生态系统的原有特性， 或者是生态系统的结构和功能在于扰的作用下发生位移( d i s p l a c e m e n t ) 。因 此这类生态系统亦可称之为受损生态系统( d a m a g e ds y s t e m ) “。”。金属尾矿废弃 地是一种典型的退化生态系统。金属尾矿废弃地因为物理化学上的一些不良特 性而大多成为寸草不生的不毛之地，不仅压占土地，也是持久而严重的重金属 污染源；由于尾矿砂颗粒细小，易随风飘散，对周围环境产生影响的范围更大。 有研究表明在尾矿库下游风向6 0 0 米处土壤生物酶活性都远低于对照土壤。1 。 尾矿库一般由废弃水库等改成，一旦发生尾矿坝坍塌事故，其后果是非常严重 的，如广西南丹的垮坝事故“3 。金属尾矿废弃地作为一种典型的退化生态系统， 是恢复生态学研究的个热点，也是生态学所要解决的一个难题。 l 会属尾矿废弃地恢复所面临的生态学问题 l l 非生物因素 生态系统的退化常伴随着它的组分土壤退化从而影响退化生态系统恢复 的进程。金属尾矿废弃地是利用各种分选方法选出精矿物后的剩余物排放形成 的，所以尾矿库中真正意义上的土壤己根本不存在；其存在的主要的形态问题 有表土结构过于松散，孔隙率一般高于当地土壤，保水能力差”73 等。如沙金矿 尾矿生态恢复过程中影响苗木成活的主要因素之一就是尾矿颗粒的大小”。 金属矿尾矿废弃地一般都存在重金属污染问题。虽然有些试验表明极微量 的重金属对某些植物生根是有利的，但稍多量的铜、铅、锌等就能完全阻止植 物生长，如铜含量超过0 2 5 m g l 就抑制鹅观草的生根，延迟其种子的萌发。1 ”， 而且如果不经过改良，进行植被重建的幼苗的死亡率很高3 。所以长期以来金 属矿废弃地的土壤较为贫瘠，植被自然恢复缓慢。湖北铜绿山古铜矿在废弃 3 0 0 0 多年之后现有高等植物种类也不过二十几种“。而且有些金属尾矿废弃地 有毒化合物含量严重超标。如杨山冲尾矿库区原有水域氰化物含量高达 72 8 m g l 1 。另外土壤p h 值太低或太高以及土壤盐碱化等因素，这些都会直 接对尾矿废弃地的生态恢复带来困难，而且低p h 值还将增加重金属的可提取 态浓度“1 。 许多尾矿废弃地中几乎没有植物可利用的养分，沙金矿尾矿堆积物中土壤 有机质含量很低，仅占土壤重量的o 6 以下，氮、磷、钾含量很少，土壤为5 6 级。这种情况不适合植物生长，如铝土矿的尾矿泥就不能作为植被恢复的新 耕层“。有些尾矿废弃地如铁矿虽然全磷含量较高，但其他如速效氮、钾含量 很低。土壤肥力依然很低，依然限制了植物的生长”1 。 1 2 生物因素 除了上述土壤条件变差外，生物种类的减少甚至丧失给金属尾矿废弃地生 态恢复带来了更加不利的影响。从群落演替的角度来讲，金属尾矿废弃地处于 演替过程的裸地阶段或者一种原初演替。对植物生长有利的土壤动物如蚯蚓、 线虫、蚂蚁等因为没有植物根系及植物残余物而大部分消失，土壤微生物的数 量也因此大大减少，随着时间的推移和恢复工作的进行，他们才逐渐得到恢复 ( 1 0 2 0 年) “7 ”3 ；鸟类兽类也因为矿山剧烈的人为活动，也很少在这类地区 分布，这些都会影响植被的恢复与重建。 2 我国金属尾矿废弃地的恢复生态学研究现状 由于我国地少人多，退化生态系统面积大，我国的土地复垦工作开始较早， 大约始于2 0 世纪5 0 年代，9 0 年代初我国在恢复生态学方面的研究工作才开始 发展迅速，矿山废弃地的生态恢复研究也逐步开展起来。根据矿种的不同，已 提出了相应的恢复计划和技术，主要恢复措施有物理、化学工程措施与植被恢 复等。迄今为止，我国共复垦各类矿业废弃地约6 0 0 万亩，占工矿废弃地总量 的1 0 左右。1 9 8 8 年我国政府正式颁布了土地复垦规定，1 9 9 4 年我国政府 与澳大利亚政府开展了尾矿库土地复垦技术合作* 。 我国的金属尾矿废弃地的生态恢复还存在很多问题：恢复工作多是重技术 和实践，忽视了恢复生态学的基础理论研究，缺乏综合的科学理论知识和专业 人才；恢复设计单一，目标简单。许多复垦工作的开展只是简单的控制污染， 稳固地表等，很少甚至没有考虑其生态效益。 3 尾矿废弃地的生态恢复理论和方法 3 1 金属尾矿恢复相关的几个重要理论。 2 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 3 1 11 9 8 5 年t i l m a n 提出演替和资源比例假说，认为资源控制生物区系， 生物反过来改变赖以生存的环境“”。人为改变某资源的丰富度可影响资源的 比例，从而影响演替的发展方向。1 9 9 3 年英国利物浦大学的教授b r a d s h a w a d 发表了“r e s t o r a t i o ne c o l o g ya sas c i e n c e ”的文章，确立了恢复生态学在 退化生态系统恢复中的理论指导意义。退化生态系统恢复的研究是以植被动 态，植被演替为理论依据的。尾矿废弃地上先锋植物的入侵，自然植物群落的 演替是一种原生演替，它是在原来没有植物群落占据的地方发生的一种演替， 这是一个很缓慢的过程，有时甚至需要成百上千年5 。而它的生态恢复即加入 了人为的干扰以加速其演替的过程，促进植被的快速建立以至于最后整个生态 系统功能的恢复，实现其自我维持。在金属尾矿废弃地上有机质碳是第一个限 制因子，然后是氮，再其次是硫和磷。根据耐性定律和李比西提出的最小量定 律寻找对水、肥、酸碱度、重金属等的忍耐区间很大的先锋物种，同时分析尾 矿中的关键元素针对性的施肥，对于其他限制因子如酸碱度，重金属污染等也 要采取相应的措施是植被恢复成功的关键。 3 1 2 种群密度制约原理和植物社会学原理 植物群落是生态系统中能流和物质循环的主导者，同时提供动物、微生物 生存的生境和食物：有些学者认为提高播种率和增加物种的数量有利于提高废 弃地植被的存活率和覆盖率。“，而且有研究表明植物种类多的系统比单一物种 的系统更有利于土壤动物多样性的增加以及土壤的改良“2 “。根据种群密度制 约原理，种群密度的过低或过高都会成为种群发展的限制因子，因此我们在进 行生态恢复的过程中，对于种植密度要进行科学的试验，以确定其最佳种植密 度条件。同时考虑到物种之间的竞争，共生等多种关系的存在，在构建高物种 多样性的生态系统时根据植物社会学的原理，也就是要选择物种的匹配问题 ”“。另外生态系统中植物与菌根相互关系的阐明，将是更好的进行尾矿废弃地 生态恢复的一个前提条件”。 3 2 金属尾矿生态恢复方法 3 2 1 土壤改良 对于尾矿矿砂性土壤的处理，可以采取覆盖土壤，施加肥料等物理处理和 化学处理的方法以及生物改良的方法进行。覆盖土壤对任何类型的矿业废弃地 来讲，应该是最简便的办法，这种办法几乎能够解决上述金属尾矿废弃地所面 临的各种问题。这其中土壤覆盖厚度是首先要考虑的问题。厚度过高，成本太 大；太薄又起不到作用。有学者认为一般5 1 0 c m 足以满足植物的萌发和生长 。如引入土壤种子库时，表层土为8 c m “。当然这对草本植物可以，但若要 种植木本植物，厚度可能要在5 0 c m ，甚至1 m 以上“1 。另外有研究表明在对尾 矿进行土壤改良时无论是污泥或是其他的客土当其与尾矿砂的比例为1 ：1 是 对植物的生长最有利”“2 。肥料的施加对于矿业废弃地尤其是金属尾矿废弃地 土壤肥力的改良是有效果的。但是这仅能作为临时改良方法。金属尾矿废弃地 一般含氮量较低“”，而在自然生态系统中，植物吸收的氮素是由土壤中积 累的巨大氮素的有机库提供的( 温带可达1 0 0 0 k g h a ) ，显然，仅靠添加肥料 是无法达到这一水平的。最经济和简便的方法是种植豆科植物和其他固氮植 物，这些植物每年可积累氮1 5 0 k g h a ；据研究表明，固氮树种凋落物的分解及 可利用态n 的释放都比非固氮树种的高几倍。，有利于土壤n 素的积累，提高 土壤肥力。但因固氮植物对缺磷条件敏感，应注意调节。废弃地中也可能缺乏 其他养分，如有效磷和钾等。因此，在对废弃地恢复之前应对土壤进行适当分 析，以便了解土壤养分状况。 金属尾矿一般重金属含量很高，如凡口铅锌矿，其尾矿中总p b 和总z n 的 含量分别达到3 4 3 0 0 m g k g 和3 6 5 0 0 m g k g “。高含量的重金属不仅严重的污染 环境，并限制了植物的生长。对于重金属的处理，有些学者认为施肥可以减轻 重金属对植物的胁迫作用，从而起到土壤改良，促进重金属耐性植物生长的作 用”。但施用肥料以及加石灰的方法其效果是有限的。“。另有研究表明肥料的 添加，如n 、p ，如果和真菌共生相结合，能更好的起到修复作用。现在又有 人提出化学固定法( c h e m i c a li l i l i n o b i l i z a t i o n ) ，主要是通过加入化学物质降 低重金属的可溶度，从而降低植物对重金属的可利用性，效果令人关注。“。在 此类废弃地上种植耐重金属污染的植物应该是一个简单而有效的方法。通过筛 选能对重金属进行超富集的植物进行种植( h y p e r a c c u 删l a t i n gp l a n t s ) ，然后 收割，这样不断的循环进行，就可以逐步清除尾矿中的重金属“。而且选择地 上部分重金属含量大的更有利于植物修复( p h y t o r e m e d i a t i o n ) 。同时种植 4 硕士学位论文 m t e r st h e s i s 前要按土壤化学分析结果进行养分调节，以有利于这些耐受植物的生长，而且 加入与植物共生的真菌如a m ( 丛枝菌根) 真菌、v a m 真菌，能提高各种土壤酶 的活性，并有利于提高植物对重金属的耐受性“。 3 2 2 先锋物种的选择 结合尾矿废弃地的特点，同时保护尾矿的二次利用，以及成本考虑，实施 无土( 纯尾矿砂) 植被生物改良，最后实现生态恢复是比较理想的方法，而这 之- 辛先锋物种的选择是一个关键。其一般的程序如下：首先必须进行广泛的适 宜植物品种资源的调查。据研究调查发现，已有近2 0 0 种植物在不同类型的尾 矿上自然定居。从沼生到旱生的植物都有，其中以菊科和禾本科植物居多，也 有豆科植物。“。然后结合当地自然环境和实地调查初步选择好植物品种在实验 室进行筛选：选中的植物再进行实地田间中试，确定植物的种类，播种量，配 伍原则：最后大规模的种植，进行植被重建。这其中要注意的是：1 植物的种 类要比较多样，而且应该包含固氮物种，充分利用真菌对寄主植物的有利作用， 有研究表明植物种类多的系统比单一物种的系统更有利于土壤动物多样性的 增加以及土壤的改良o8 。2 ；2 所利用的植物种子最好是来自在尾矿上自然定居 的，研究表明他们对重金属更有耐受性，并且这个特征具有可遗传性1 。3 在 播种时包上一层生长调节剂( 细胞分裂素) 会明显提高发芽率以及幼苗定居的 成功率。4 提高播种率和增加物种的数量有利于提高废弃地植被的存活率和 覆盖率1 。 3 3 外来物种的引入 外来物神( e x o t i cs p e c i e so ra h e ns p e c i e s ) 一般来说指通过相对较 近的人类活动而引入的当地以前所不存在的植物或动物，于之相对的是乡土物 种( n a t i v es p e c i e s ) 。对于外来物种在生态恢复中的引入问题作者首先要指 出的是这里所说的外来物种特指已经证明的非乡土物种，而且在需要进行生态 恢复的较大范围内已经有分布的物种。植被恢复中是否引入外来物种是一个颇 具争议的问题“”3 “。 在自然生态系统中，入侵的外来物种一般会与乡土物种竞争并取代它们。 一般来说无论从恢复生态学的概念上或是生物安全的角度来讲，在生态恢复的 过程中外来物种都应该是被尽量避免的。自然生态系统的恢复试图恢复尽可能 多的历史原貌，因此在计划恢复的地点减少和根除外来物种应该是高度可行 的，植被重建应该首先考虑的是适合生长的乡土物种。5 。然而，并不是所有 的外来物种都是有害的。事实上，有一些外来物种甚至能履行先前乡土物种所 扮演的生态学角色。而这些乡土物种现在已经变得稀少或者灭绝。在这种情况 下把那些外来物种除掉的理由是很脆弱的。另外有些外来物种是十几个世纪以 前经人类或其他的非人类的东西引入的并且已经归化，因此它们作为外来物种 的身份是值得争议的。其他的一些物种是适应全新世期间气候的波动而移入或 移出某个地区，它们很少能被认为是外来物种。在文化景观中，外来物种通常 是整个生态系统的一个主要的部分，尤其是庄稼和牲畜，甚至一般的杂草或在 谷类田间生长的杂草，它们一般被人们认为是和那些家养的物种共进化的。因 此这些外来物种在文化景观的恢复中是可以接受的。同时因为即使所有的外来 物种部被从生态恢复的地方清除掉，其被重新侵入的机会是很高的。因此，对 于外来物种的控制其优先权要最好的留给用于控制或根除那些造成最大危害 的物种。这些物种包括很容易移动的并在景观和地区水平上造成生态威胁的入 侵植物以及那些能消灭和取代当地乡土物种的动物。而不是所有的外来物种一 概而论。更重要的是，作者在野外工作发现在尾矿废弃地上一些外来物种生长 良好，而且通常只有它们能最先侵入，形成群落，相同的状况在许多学者的研 究中也可以看到”。”3 。再则因为恢复生态学的目标也是不确定的，什么程度 才叫恢复不好界定”。基于以上几点作者认为在尾矿废弃地这种有机质、营养 元素极端贫乏，基质松散，过酸性甚至重金属含量严重超标的极端生态环境下， 利用外来物种的强侵入性，首先稳固地表，改善土壤环境以有利于土壤其他生 物的进入和生长应该是一个可以考虑的方法。如m y r i c af a y a 侵入缺氮的火山 地固氮增加土壤氮的含量，促进其他植物的生长( v i t o u s e ke ta 1 ，1 9 8 7 ： 1 9 8 9 ) ，再如们8 a ，妇用力j c “拈招用在新西兰温带森林的恢复研究中，虽然它 并不是当地的乡土树种，但取得了很好的效果。( 乳哪鲫口胎a ”抛y ，d 月 ，d ，c 彻，9 _ 鲫) 。当然对外来引入的物种要加强管理，而且要制定一个复杂的 计划，否则会引起外来物种的泛滥，甚至对当地生态系统产生破坏汹1 。在这种 6 情况下，在尾矿废弃地生态恢复的方案中非本地植物被用作一些特别的目的。 例如，作为遮盖作物，保育作物或固氮器。但是这些植物应该是生命周期相对 较短而且不持久的并将能在演替过程中被取代的植物，否则它们的最终去除应 该列入生态恢复的计划中。最终植被恢复的应该是乡土物种，从长远的角度来 看，乡土物种是有优势的，这也是符合保护生物学和恢复生态学的一般原理的 1 _ d i 2 o 4 尾矿废弃地的生态恢复目标制定以及恢复效果的评价 退化生态系统恢复的目标如何确定以及如何对恢复的成果进行科学的评 价也是尾矿废弃地生态恢复所要考虑的一个重要问题，也是恢复生态学所面临 的一个难点。现在对于生态恢复最常用的三个恢复目标是：是否对物种种群进 行了恢复；是否对整个生态系统或者是生态景观进行了恢复：是否对生态系统 的功能进行了恢复。具体来讲恢复的生态系统应有以下几个特点：无需进一步 的帮助或补助，其所含的生物和非生物资源足以维持其继续的发展；能在结构 和功能上自我维持；能经受正常范围内的环境压力和扰动：能与相邻的生态系 统以生物和非生物流的方式相互作用。其它的一些具有和理性并能确认为恢复 方案的目标的应当作为恢复生态系统的必要特征加入列表。例如，生态恢复 的目标之一可能是以一种可维持的方式为社会公益提供专门的天然产品和服 务，在这一方面，恢复的生态系统是作为自然资本获得这些天然产品和服务的 增值；另外一个可能的目标是为稀有物种提供栖息地或者是为选择的物种建立 一个基因库。其他可能的恢复目标可能包括美学礼仪的规定或社会活动的迁就 融合，例如通过在恢复方案中个人的参与来加强整个社会团体。 现在存在三个策略用于生态恢复评价：直接比较，特征分析和轨迹分析。 在直接比较中，经由选择的参数被用于决定或测定参照地和灰腹地。如果对参 照地的描述很彻底，应当有多达二十到三十个包括生物区和非生物的环境的参 数能用于比较。这可能导致当解释有些比较的结果是接近的而其他的则不是时 的含糊。而且还会产生其他一些问题，如有多少个参数必须相似的值，这些值 究竟多接近恢复的目标才令人满意等。最好的方法可能是仔细选择一套一致的 特点，这些特点最好能够共同地完全而简洁地描述一个生态系统。在特征分 析中，评价的特征涉及到前面所提到的九大特征。在这一策略中，来源于预定 的监测和其他的资料的定量或半定量的数据在用于判断哪一个目标已经达到 的程度时非常有用。轨迹分析是一个颇有前途的策略，主要用于解释大批的可 比较数据，还没有得到充分的发展。在这个策略中，在恢复地点周期性收集的 数据被用于建立一种趋势。这些朝向参照系统状况发展的趋势肯定了恢复是按 预定的轨迹进行的。生态恢复评价包括对任何确定的目标的评估，而这些目 标属于文化的，经济的或其他社会所关注的问题。因此，评价的技术应该包括 这些方面的社会科学。社会经济目标的评价对于所有者以及最终对决定是否批 准和资助的政策制定者而言都是很重要的。 另外有些学者认为生态恢复的目标应该具体而且符合实际，有应用的价值 即可“。所以生态恢复的目标应该是灵活的，多样的，切实可行的。对于尾矿 废弃地的生态恢复，也应结合具体恢复要求和恢复时间制定相应的恢复目标。 一般来说可以从其经济效益和生态环境效益两个方面来评价。当然退化生态系 统恢复的终极目标是恢复生态系统的功益，即其生态效益和社会效益的统一。 在我国尾矿废弃地的复垦工作，或是生态恢复工作是否可行其经济效益的 评价是一个非常重要的方面。1 9 9 7 年我国政府规定复垦资金可列入生产成本， 另外国家还制定了“谁复垦谁受益“等鼓励政策，旨在通过复垦的经济效益鼓 励恢复工作的开展。而且这也是许多复垦恢复工作设计的首要目标之一n 。“。 随着我国生态恢复工作的进一步开展，生态环境效益逐渐为生态恢复工作者所 重视。生物多样性指数在矿山废弃地的生态复垦评价中得到应用“。同时在植 被重建过程中关于动物尤其是与土壤肥力相关的土壤动物及微生物也受到关 注”。而在西方国家如美国，其矿业废弃地生态恢复的标准法律上规定采矿废 弃地受影响区域的至少2 0 ，其灌丛覆盖率必须达到l 棵m “”1 。再如澳大利亚， 他们考虑恢复的原则就不只是像我国有些复垦工作所作的简单改善地表及其 视觉效果，或直接种上经济林木以获得经济效益，而是尽量恢复原来有的东西， 尤其是生态系统功能的恢复。当然按广义的恢复概念，终止退化生态系统进一 步退化，即可称之为恢复，或者说是重建( r e c o n s t r u c t i o no r r e h a b “i t a t i o n ) 。同时有人提出用植物的生理生化特征来评价采矿废弃地的 植被重建情况“。结合恢复目标的特点，恢复评价的标准也应该具体，实用， 8 而且应制定短期和长远两个标准。短期标准可以比较简单，如尾矿上的植被覆 盖率，植物的多样性的最低标准。长期的标准当然要复杂的多。从长期的角度 上讲，考虑到植被的演替，盖度和物种多样性等指标都不适合用来评价植被的 状况，这个时候考虑物种的组成以及优势种会更精确一些“。而且结合受损前 生态系统的具体情况和现实的要求，实现适合当地的生态系统的自我维持和高 指数的生物多样性是最终的目标和标准。 华中师范大学1 9 9 9 年开始受到湖北省废物地质处理与环境保护重点实验 室开放研究基金的资助，从事尾矿废弃地植被恢复生态学的研究，2 0 0 0 年受到 湖北省自然科学基金的资助，本项研究是湖北省自然科学基金项目的主要内 容。 本文试图就铁矿尾矿库在人为干预条件下的生态恢复状况的调查以及铁 矿尾矿砂对几种牧草及农作物发育和生理功能影响的比较研究以期能为进 步开展在铁矿尾矿以及其它类型的金属尾矿上重建植被的实践和研究提供科 学依据 第二章湖北省程潮铁矿尾矿库植物自然定居的初步研究 1 研究地区概况与研究方法 1 1 研究地区概况 武钢矿业公司程潮铁矿建于1 9 5 8 年，1 9 6 9 年达到生产铁矿石1 5 0 万吨。自 建矿以来，共征地2 4 x 1 0 4 h m 2 ，土地破坏面积达1 2 5 9 4 h m 2 。其中，郎头湾尾矿库 和杨家湾尾矿库共0 6 9 1 6 h m 2 。郎头湾尾矿坝原为民用水库，1 9 7 0 年建成投产， 1 9 9 2 年堆满退役，堆置标高+ 8 5 米，平均海拔9 3 m 。 郎头湾尾矿库位于湖北省鄂州市东南7 5 k m ，1 1 4 05 4 0 3 7 e ，3 0 01 9 7 5 8 n ， 三面环山，一面筑坝，属亚热带季风气候过渡区，气候湿润，雨量充沛，年平 均气温1 7 2 ，7 月平均气温3 4 2 ，1 月平均气温5 ，年平均降雨量1 3 0 6 m m ， 全年主导风东风，年平均风速2 4 l i l ，s ，年平均湿度7 7 ，年平均气压1 0 1 2 m p a a 尾矿中主要矿物为以长石为主的铝硅酸盐，其次为钙镁碳酸盐和石膏。其 化学成分见表1 。其中有效氮、磷、有机质含量均属极缺的5 6 级左右，p h 值 为68 。 表1 尾矿化学成分【5 1 2 研究方法 2 0 0 0 年至2 0 0 3 年先后六次对复垦地进行实地调查根据引种树种年代的不 同以及同一时期种植的树种长势不同，选择3 个2 0m x 2 0m 的典型样地，分 别命名为样地、样地和样地( 样地、样地为9 6 年复垦地，样地 为9 8 年复垦地。其中9 6 年复垦地中除刺槐外有少量的女贞生长) 。每块样地 划分为1 6 个5m 5m 的相邻的格子样方，调查记录每块样地内乔木和灌木植 物的种数、个体数和胸径等，然后在每个格子样方里分1m 1m 的小样方统 计草本的种数和个体数。调查样地相对位置见图l 。 1 0 图1 尾矿库相对位置示意图 样地样地 样地 2 复垦尾矿库植物定居状况 2 1 人工引种栽培 作为尾矿堆积地，尾矿库常常具有极端生境条件影响植物定居，靠自然恢 复极端困难，通常在生态系统恢复实践中，耐干旱、耐贫瘠、固氮、速生、高 产的草本或灌木是首选种类，因为这类植物可以迅速生长并获得永久植被【5 ”。 在样地引种的树种为：样地、：刺槐( r d 6 拥胁瑚e “如d c d c 蛔l ) ，大叶女 贞( 工喀“s f r “m ，“c f 咖m ) ，垂柳( 踟溉丘曙p 鲥f ) ，法冬青( 月蹦p “甲“旭口) ，大叶 黄杨( 胁。删m “s 彻o ”f c 埘l ) ，棕榈( 开口c 砂c d 伊淞如r f “n 8 f ) ，以刺槐为主， 而在样地选择栽种树种只有刺槐。对样地苗木成活率调查显示，刺槐成活率 为7 9 1 ，均高1 6 m ，但是一般都有明显的受害症状，诸如叶片发黄、顶端枯 死和植株矮化等，这与其它类型为矿废弃地的调查研究比较一致【3 l 】。 2 2 先锋植物自然定居 通过调查发现，在样地内通过人工干预而生长的先锋植物9 科2 2 种( 栽 种除外) 【5 3 】，以禾本科和菊科为主。在1 9 9 6 年复垦的样地上( 样地、样地 ) 除了引种的树种外，通过人工干预而恢复的草本植物有：芦苇( 尸 嘲咿f 膪s c p 卅聊“疗曲) ，香蒲( 聊矗口口川弘s f 归，蛔) ，白茅( 上，l p p r a 缸( ，f 玎西f c 口v 牡m 旬o r ) ， 苦荬菜( 扛e ，拈虎n f f c “肠招) ，鸡眼草( 瓜l m g 加w 砌s 护f 口础) ，狗芽根( n d 如m 出( f d n ) ，荩草( 爿，t 触“d 砌括p f 加) ，牛筋草( e k 甜加pf n 硪c 口) ，窃衣( 而，f 凰 s c d 6 r d ) ，海金沙( 五脚讲“m 伽d f c “珊) ，铁苋菜( 爿c 口o 伊胁d 淞，m 凰) ，黄背草 ( 砌e m e 如t r i a i l d r a v a r i a p o n i c a ) ，小飞蓬( e r