赣南稀土矿区植被生态修复评价及模式选择

赣南稀土矿区植被生态修复评价及模式选择王丽艳;王竹益浏光正;岳军伟;金洪平【摘要】本文以目前公开报道的赣南稀土矿区生态治理的典型为研究对象，调查分析稀土矿区不同的植被恢复模式和土壤状况。结果表明，在赣南稀土矿区，构树+胡枝子+香根草和构树+刺槐+百喜草是较好的恢复模式。未经植被恢复的废弃稀土矿区土壤pH值均小于5.0,通过植被恢复后，土壤酸性得到一定的缓和，植被恢复后稀土矿区土壤养分得到改善，速效氮提高了32.90%-128.28%,速效磷提高了56.38%-73.71%,速效钾提高了37.48%-85.75%。【期刊名称】《南方林业科学》【年(卷)，期】2016(044)006【总页数】5页(P49-53)【关键词】稀土矿;恢复模式;植被多样性;土壤养分【作者】王丽艳;王竹益浏光正;岳军伟;金洪平【作者单位】［1］江西省林业科学院，江西南昌330013;［2］上栗县林业局，江西萍乡337009【正文语种】中文【中图分类】S714.7稀土开采为当地经济社会发展做出了重要贡献，却也带来了水土流失、次生灾害严重等一系列的生态环境问题。2011年赣州市对该市的废弃矿山地质环境进行了摸底调查，调查结果显示，全市废弃稀土矿区有302个，稀土矿山破坏面积达78.13km2，由稀土矿开采造成的水土流失破坏面积达7.72km2，两者合计共毁坏土地85.85km2。其中仅治理了15.9km2，大部分稀土废弃地和毁坏土地没有得到治理［1］。本研究选取目前公开报道的赣南地区稀土矿区治理的典型，在实地调查基础上对不同的治理模式作出相应的评价，从而筛选出较适宜的稀土矿植被恢复模式。旨在为稀土矿区环境治理提供理论依据。1.1研究区自然条件研究区域分别位于寻乌县、赣县和南康市。寻乌位于江西省东南端，居于赣、闽、粤三省交接，115°21'22”E~115°54'25"E,24°30'40”N~25°12'10”N。寻乌试验区位于寻乌县文峰乡荷树塘。赣县试验区位于赣江上游的赣县大田乡夏湖村十八湾，114°58'E,北纬25°51'N。地形属丘陵山地，海拔450~500mm，为亚热带季风湿润气候。南康试验区位于南康市北部的坪市乡，坪市乡地处114°33'28"E,26°7'35"N，降雨多集中在4~5月，年均降雨量1500mm左右，地形属丘陵山地，土壤以红壤为主。1.2稀土矿区植被状况寻乌县试验区刘建业等［2］报道了20世纪80年代寻乌县对原来尾砂堆积场的地貌特征进行了整治，根据稀土尾砂的土壤理化状况，采取适应和改良相结合的措施种植植物。不覆表土进行栽植试验，共栽植乔灌草如马尾松Pinusmassoniana、苦楝Meliaazedarach、黄檀（Dalbergiahupeana、胡枝子Lespedezabicolor、马唐草Digitariasanguinalis等包含温州蜜柑Satsumaorange和芙蓉李Prunussalicinasp.在内的11种植物。后期乔木增加了湿地松P.elliottii和枣树Ziziphusimermis两种乔木树种并于行间撒播了雀稗Paspalumthunbergii、狗尾草Setariaviridis、马唐Digitariasanguinalis草籽，且在栽植和撒播乔灌草植物前施钙镁磷肥对尾砂进行土壤改良，期间追施尿素。结果显示乔木以黄檀较适应稀土尾砂地的土壤条件，生长速度较快，半年平均生长高度约72cm,成活率81%,一年半后，平均生长高度约188cm，成活率80%，盖度达70%。其它树种都呈现长势较差，或生长缓慢，或成活率较低。灌木则以胡枝子生长迅速，成活率高，半年平均生长高度约127cm，成活率87%，一年半后，平均生长高度约203cm，成活率81%，盖度达80%。在胡枝子行间撒播的3种牧草雀稗、马唐和狗尾草，前期生长缓慢，后期均快速生长并覆盖地面。果树生长情况显示在稀土尾砂堆积场地栽植果木的难度较大。赣县试验区原土壤是红壤土，地形是红壤坡地，开采前植被是针阔混交林，主要以马尾松、杉木Cunninghamialanceolata、木荷Schimasuperba为主，伴生树种有黄瑞木Adinandramillettii、南方荚遂Viburnumfordiae等，开采稀土后，土壤沙化，植被毁坏，寸草不生。宋祥兰等［4］2006年开始利用桉树的速生性，在废弃稀土矿区采用1年生桉树容器苗进行造林，试图恢复矿区植被。他们在整地的基础上，采用垫客土的办法穴植造林，栽植的同时施复合肥，并在第二年进行追肥。南康县试验区是20世纪80年代离子型稀土矿池浸开采后形成的废弃地，该稀土废弃矿区土壤沙化和酸化，几乎寸草不生。总面积约20hm2，原来是马尾松低产林，伴生有木荷、桃金娘Rhodomyrtustomentosa、山苍子Litseacubeba等阔叶乔木，林下地被以铁芒箕Dicranopterisdichotoma、丝茅Imperatakoenigii为主。因稀土废弃地土壤质地差，需选用抗性强的乡土树种进行植被恢复重建。宋祥兰等［4］人在2011年采用赣南乡土树种构树Broussonetiapapyrifera,并选用灌木油茶Camelliaoleifera、刺槐Robiniapseudoacacia、固氮植物胡枝子、草本百喜草Paspalumnatatu、香根草Vetiveriazizanioides等植物采用乔灌草相结合的模式进行植被恢复。在对矿区地表整治后，采用客土栽植，同时进行施肥的方法构建了以下5种植被恢复模式：1）纯林模式：（M1）构树纯林；2）落叶与常绿混交模式（M2）:构树+油茶；3）落叶、常绿、草本配置模式（M3）:构树+油茶+百喜草；4）乔木草本配置模式（M4）:构树+刺槐+百喜草；5）乔灌草配置模式（M5）:构树+胡枝子+香根草。目前各植被配置模式都取得显著的恢复效果。2.1调查方法根据生态修复区地貌及植被类型布设乔木样地，在乔木样地内设置灌木和草本样方。乔木样地面积为20mx20m,在每个乔木样地内设置3个5mx5m灌木样方；在每个灌木样方对角线交点设置1个草本样方，面积1mxlm。同时设置相应的对照样地并作调查。对各样地胸径22cm的乔木记录树种并进行每木检尺，同时调查植被恢复时间、恢复方式、人工影响方式、林分郁闭度或覆盖度、人工幼林的成活率、保存率等；对灌木、草本记录其种类、高度、覆盖度、数量或多度等。同时记录样地海拔、坡度、坡向、坡位等因子。在每一乔木样地0~20cm土层随机取3份土样混匀，然后将不少于500g的土样带回实验室测定其全N、P、K和速效N、P、K,并测pH值和有机质含量。2.2生态系统成功恢复的指标及评价由于环境条件的巨大差异和评价指标的不完善，受损生态系统恢复评价的衡量指标没有统一标准，现被认可的评价方法多为与原有的天然植被群落进行比较来衡量恢复目标是否达到。2005年国际生态恢复协会公布了9个生态恢复评价指标［5］，认为恢复的生态系统应该具有以下特点：1）本地物种是否出现；2）与当地是否具类似的群落多样性；3）能否具有种群繁殖具有的生境；4）常规功能；5）对自然干扰的恢复能力；6）自我更新能力；7）潜在威胁的消除能力；8）群落长期的稳定性；9）生态景观的完整性［5］。根据研究区具体情况及操作的可行性，笔者选择了以下指标来评价植被生态恢复的效果。2.2.1植被指标。植被指标为多样性指数，该指数基于重要值计算得出。重要值（importancevalue）是以相对多度、相对频度和相对显著度三项指数的综合来表示群类不同种群的相对重要性［6］。它是一个比较客观的数值，能充分地反映不同植物种群中植物种的地位和作用，因而被大家广泛应用［7-11］。重要值计算公式见［12］。以Simpson指数（D）、物种丰富度（S）、Shannon-Wiener指数（H'）、和均匀度指数（E）、作为分析群落物种多样性的指标［13］。计算方法如下：①物种丰富度（S）:物种数目。②Simpson指数（D）:D=1-，P2i,式中：Pi为种i的相对重要值。③Shannon-Wiener指数为种i的重要值；N为种i所在样方的各个种的重要值之和。E=H'/H1max式中H为实际观察的物种多样性指数，H1max为最大的物种多样性指数，H1max=lnS,S为群落中的总物种数。E值越大，多样性越高。2.2.2土壤指标。土壤性质的测定方法：pH采用pH仪测定法；采用重铬酸钾容量法测定土壤有机质；全N采用凯氏定氮法；碱解氮采用碱解扩散法；全磷和速效磷采用钼蓝比色法；全钾和速效钾采用NaOH熔融一火焰火焰光度法［14］。3.1稀土矿区的物种多样性群落的物种丰富度指数（S）、物种多样性指数（H‘）、优势度指数（J）、和均匀度指数（E）数值见下表1。3个地区进行植被恢复后，与对照样地植被数量及多样性指数都得到了提升，表明进行人工植被恢复的成效是显著的。南康的废弃稀土矿区5种植被恢复模式中，物种多样性以构树+胡枝子+香根草恢复模式最高，其多样性指标S、D、H、E分别为5、0.691、1.379、0.679，其次为构树+刺槐+百喜草恢复模式，其多样性指标S、D、H、E分别为5、0.614、1.252、0.664，构树纯林的生物多样性最低。这可能由于M5和M4模式中，胡枝子和刺槐都是豆科植物，具有较强的固氮能力，能改良土壤，促进植物生长。桉树Eucalyptusrobusta栽植在赣县的废弃稀土矿区试验表明，桉树适宜能力强，其成活率高并能满足正常生长，提高了离子型稀土矿区的植被覆盖度，通过一段时间的恢复可能达到一定的郁闭度。寻乌的植被恢复试验时间较长，无论人工恢复后的矿区，还是对照矿区，物种多样性指数均较高。采取恢复措施的样地生物多样性明显高于对照样地，表明当初采取的恢复措施已取得良好的恢复效果。目前矿区主要植被为黄檀、马尾松、胡枝子、马唐、雀稗、铁芒萁、狗尾草等，这些物种已完全适应了尾砂堆积场的环境条件。表明在不用客土的情况下，选择合适的植物材料也可以实现稀土尾砂场的植被恢复。3.2稀土矿区的土壤条件土壤pH值是土壤重要化学性质，土壤营养元素的释放、转化和迁移，都与土壤pH值有关，林木生长都有适宜的pH范围，否则生长受到影响。对土壤pH值检测结果表明，未经过植被恢复的废弃稀土矿区，pH值均小于5.0，通过植被恢复后，土壤酸性得到一定的缓和（表2）。南康研究区中，模式M5和模式M3植被恢复模式对改善土壤酸性效果最好。赣县和寻乌研究区中，进行人工植被恢复后，土壤酸性都得到了缓和。有机质是林木营养元素的重要来源之一。本研究中，有机质含量与试验施肥量有密切关系。表2中，南康5种不同恢复模式的表层土壤有机质平均含量大小顺序为M5>M4>M3>M2>M1,各恢复模式表土层有机质含量均大于对照的0.389%。无论赣县还是寻乌，恢复样地的表土层有机质含量均大于对照样地。土壤全N含量是土壤氮素养分的贮备指标，综合反映了土壤的氮素状况。南康5种不同恢复模式的土壤全氮含量大小顺序为M5=M3>M4>M1>M2,各模式全氮含量相差不大，且模式M2的全氮含量小于对照，表明全氮含量受短期植被恢复或施肥的影响较小。5种不同恢复模式的土壤速效氮含量大小顺序为M5>M3>M4>M1>M2,各模式速效氮含量相差较大，且都远大于对照样地，表明施肥对土壤速效氮的影响较大。寻乌和赣县恢复样地全N和速效N含量均明显大于未进行植被恢复的对照样地。土壤速效P能相对反映土壤磷素供应水平高低，可以判断是否需要施肥的依据，磷肥能促进植物苗期根系的生长。南康试验地的5种不同恢复模式的土壤全磷含量大小顺序为M5>M3>M4>M1=M2，且均大于对照样地。5种不同恢复模式的土壤速效氮含量大小顺序为M5>M1>M3>M2>M4,均大于对照样地，表明施肥对土壤速效磷的影响亦较大。寻乌和赣县恢复样地全P和速效P含量均明显大于未进行植被恢复的对照样地。钾K也是衡量土壤肥力的一个重要指标。表2中，南康5种植被恢复模式0~20cm土壤剖面全K含量大小顺序为M5>M1>M3>M4>M2;速效钾含量大小为M2>M5>M3>M4>M1。无论全K或速效K，恢复样地的含量均大于对照样地，表明植被恢复有助于提高土壤肥力。赣县和寻乌的结果与此相同。综合植被多样性和土壤的各项理化指标，在赣南的废弃稀土矿区，构树+胡枝子+香根草(M5)和构树+刺槐+百喜草(M4)都是较好的植被恢复模式。桉树在植被恢复中效果显著，今后可以把桉树作为稀土矿区植被恢复的优先考虑树种。稀土矿区植被恢复中，构树、刺槐、黄檀、马尾松、胡枝子、马唐、雀稗、铁芒萁、狗尾草、香根草、百喜草等11种植物都是优良的矿区植被恢复材料。李恒凯等［15］人通过定南县岭北稀土矿近20a的遥感影像分析，结果显示，近年来随着稀土开采规模的不断扩大，荒漠化日益严重，局部地区生态环境持续恶化。由于矿区植被由于封山育林政策的贯彻实施，在2004-2010年间定安县32.949hm2疏林地转化成密林地，矿区植被长势良好，但在矿点周围地区植被出现退化现象，可能是稀土开采区造成水土环境污染，导致植被生长的土壤环境受到破坏，进而影响植物的正常生长。因此，今后需要进一步开展稀土开采水土污染治理的相关研究，达到治本的目的。同时，目前几乎所有关于稀土矿区的的治理都是在地表，关于土壤重金属污染、含水层污染造成的污染均未涉及，而土壤、含水层的破坏和污染影响比地质灾害、生态破坏的影响隐蔽，但后果更严重，也更亟需治理。因此，在以后的稀土矿区治理和植被恢复中，土壤重金属污染、水污染将是赣南稀土矿区环境治理的重点。【相关文献】[1]李伟.南方离子型稀土废弃地景观生态恢复研究[D].福州福建农林大学，2014.[2]刘建业，秦泰毓，黄金平，等.寻乌县稀土尾砂堆积场地恢复植被试验初报[J].水土保持通报,1991,11(2):43-50.[3]宋祥兰，吴天明，胡小康，等.离子型稀土残矿区桉树栽培初探[J].中南林业科技大学学报,2013,33(2):16-19.[4]宋祥兰，王兰英，邙先松，等.赣南废弃稀土矿区植被恢复模式试验[J].中南林业科技大学学报，2015,35(6):58-62.[5]许申来，陈利顶.生态恢复的环境效应评价研究进展