大兴安岭古利库砂金矿废弃地生态恢复的研究

大兴安岭古利库砂金矿废弃地生态恢复的研究

矿区是指在采矿、采矿和开采生产过程中被破坏、污染且无法处理的区域。目前,针对采矿迹地出现的诸多生态环境问题,采矿迹地的生态恢复与重建已经成为生态学研究及应用的重点。本文系统论述了生态恢复的内涵及重要性、采矿迹地生态恢复技术,结合大兴安岭古利库砂金矿废弃地生态修复的探索与实践,为采矿迹地的生态修复提供了一定的理论依据和先进的技术方法。1采矿废弃地生态重建的意义美国生态重建学会将生态重建(恢复)(EcologicalRestoration)定义为将人类所破坏的生态系统恢复成具生物多样性和动态平衡的本地生态系统(indigenousecosystem),其实质是将人为破坏的环境恢复或重建成一个与当地自然界相和谐的生态系统。还有人认为采矿废弃地生态重建就是使之具有某种形式和一定水平的生产力,维持相对稳定的生态平衡,且与周围景观价值相协调,最终达到生态整体性的目标。可见,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对于以上关于生态恢复内涵的定义,我们还需要清醒的认识到生态系统是很难完全恢复的,因为它有太多的组分,而且组分间存在非常复杂的相互作用。此外,在生态系统恢复过程中,由于物理及生态环境及社会经济因素发生变化,对生态系统的认识也要发生变化,在恢复过程中要考虑恢复的目标与措施进行适应性生态恢复2矿山废弃地植被恢复的建议矿山开采过程中,几乎在所有情况下,开采活动都超过了生态系统的恢复能力,依靠自身恢复是一个缓慢的过程,最少也需要50~100年才能在矿山废弃地恢复植被2.1植物生长特性采矿迹地基质主要存在的生态问题是:表土层破坏,土壤基质物理结构不良、水分缺乏,持水保肥能力差,导致缺乏植物能够自然生根和伸展的介质;极端贫瘠,氮、磷、钾及有机质等营养物质不足或养分不平衡;存在限制植物生长的物质,如重金属等有毒有害物质含量过高,影响植物各种代谢途径;极端pH值或盐碱化等生境条件,影响植物的定居;生物数量和生物种类的减少或丧失,给矿区废弃地恢复带来了更加不利的影响2.1.1地表扰动和地表修复改良矿区受污染土壤的物理方法主要包括表土回填、客土覆盖等。这两种方法对改良土壤都能起到很好的效果,但费用较高,存在很大局限性,在经济条件好、生态环保意识较强的矿区较容易使用表土保护利用:一般认为,回填表土是一种常用且最为有效的措施。在地表扰动破坏前先把表层(30cm)及亚层(30~60cm)土壤取走,加以保存,尽量减少其结构的破坏和养分流失,以便工程结束后再把它们运回原处利用。回填表土所产生的改土和修复效果比较显著,但回填表土也存在较大的局限性,主要因为涉及到表土的采集、存放、二次倒土等大量工程,所需费用很高,管理不便。客土覆盖:采矿迹地土层较薄时或缺少种植土壤时,可以直接采用异地熟土覆盖,直接固定地表土层,并对土壤理化特性进行改良,特别是引进氮素、微生物和植物种子,为植被恢复创造了有利条件。客土作业中尽可能利用城市生活垃圾、水处理产生的污泥等可以收到较好的综合收益。同样因工程费用较高存在一定的局限性。2.1.2化学方法如果废弃地pH值过高或过低时,可以向其中添加化学物质进行中和。在碱性较大的矿区,可以投加FeSO2.1.3生物方法2.1.3.污染物去除技术植物修复技术是一种利用植物自身的生理特性,从环境中吸收或富集一种或多种元素及化合物,并在其体内进行正常代谢,从而达到去除环境中污染物目的的技术。目前,利用植物改良土壤环境的方式主要有根部过滤、植物萃取、植物挥发和植物稳定等2.1.3.对土壤微生物的影响土壤微生物是指在土壤中生活着的种类繁多的微生物,如细菌、放线菌、真菌、土壤藻类和微小动物等,超过10万余种,每克土壤的微生物数以亿计,在土壤中组成一个复杂的食物网系统,是土壤活性酶的重要来源,其主要聚集在表土层中,多以微菌落的形式分布在土壤颗粒和有机物表面及植物根际,直接参与土壤呼吸等各种地球化学循环过程。土壤微生物作为土壤中一个非常重要的组成成分,它对矿山复垦地的土壤性质、土壤肥力的形成以及作物生长都起着至关重要的作用微生物在采矿迹地生态恢复中应用被研究最多的是根瘤菌,内生菌根菌和外生菌根菌。据研究根瘤菌可以为豆科植物提供90%的N源需求外生菌根在北温带森林是很普遍的,大约3%的植物科具有外生菌根,具有外生菌根的植物种类包括裸子植物的松科、柏科,被子植物的壳斗科、桦木科、杨柳科、桃金娘科等,这些种类的植物是北温带森林主要的优势乔灌木微生物改良技术利用了微生物的优势,借助向新建植的植物接种微生物,在改善植物营养条件、促进植物生长发育的同时,利用根际微生物的生命活动,使失去微生物活性的复垦区土壤重新建立和恢复土壤微生物体系,增加土壤生物活性,加速复垦地土壤的基质改良,使生土熟化,提高土壤肥力,从而缩短复垦周期2.2生态功能的恢复—植被重建和景观再造矿区生态环境的恢复和重建的关键是植被的恢复,再现原来的或不同的景观结构。植被的组成、结构和空间配置应遵循恢复生态学、土壤学、群落理论和景观生态学的理论基础,注重植被的生态完整性、植被的多样性、植被间的互惠性和植被的乡土性。根据矿区的气候和再造的土壤条件,在植被恢复的早期演替阶段植物物种的选择应遵循以下原则:应尽可能地使用本地物种,从本地植物种类中筛选出种子发芽率高、抗逆性强、再生能力强、根系发达和能够吸引野生动物的植物;优先选择固氮植物和改良土壤理化性质好的植物;重视生态过程和生态功能的恢复,淡化植被恢复的经济产出。在植被恢复的中期阶段,强化植被的组成、结构、层次和地表覆盖,提高生态系统内稳定提供动植物的食物和养分,逐渐形成恢复区的生态过程和物质循环,提升水土保持功能、自我更新能力和养育当地动植物的能力。此外,在植被重建的过程中,还要考虑与矿区附近植被的空间配置和格局,如果矿区恢复地距离现存的大型植被斑块比较近,就要构建与这些植被斑块的廊道和连接,为生物多样性的保护和生态功能的持续奠定基础景观生态学主要关注比生态系统尺度更大的时空上的问题,强调景观结构、格局、过程、动态与可持续性。景观生态学中的岛屿生物地理学理论和生态水文知识被广泛应用于恢复生态学领域,并导致这两个新兴学科间的联系日益紧密。需要恢复的生态系统与生物群落或种群是在一定的时空尺度下生存的,与之相关的自然过程与各种干扰也是;因此,生态保护与生态恢复项目都要考虑尺度效应。景观生态学有关原理可以为评估退化生态系统的生境功能及破碎化、生态恢复提供参考生态系统及目标,在为植物或动物提出利于定居的空间格局安排方面有重要的作用,但在大尺度生态恢复中的指数选取、量化与预测性方面还有限矿业废弃地景观营造是指以矿业废弃地现有资源为主题,结合矿产企业所具有的企业文化营造相应的人文景观,增加文化的内涵,结合特色旅游,使得自然景观与人文景观、历史景观等相结合而形成新的景观形式。由于矿产企业开采过程对生态环境造成了严重的破坏,因此对矿业废弃地的景观营造要以一定的生态修复为基础,在稳定的植被条件和地质条件下,进行废弃地景观营造,运用现代景观设计手法,使得废弃地能够重新利用并发挥其特有的功效,恢复往日的热闹和活力,富含矿业特色景观的独特游憩空间2.3景观生态重建:从单一、复杂的景观项目开始的全球景观性投资矿产资源开采结束后矿区能否还有生机和活力持续发展以及植被建立后能否自我恢复并达到良性循环,生物多样性重现和生态系统功能的维持成为土地复垦的核心。矿区植被生态恢复与重建的中后期重点就是提高生物多样性和建立完整的生态系统服务功能。在矿区植被初步恢复的基础上,利用植物生态学和景观生态学的理论与技术,注重物种组成、年龄结构和资源利用的多样性,构建空间上植被搭配合理、生态上安全的格局,逐步形成完整的生态过程、物质和能量循环,具有良好的生态系统服务功能和持续的效益产出,再现当地的生物多样性,促进矿区的可持续发展采矿废弃地可持续利用应在保持足够时间的生态恢复与保养的基础上,以对环境干扰较小,改造程度较轻的项目为引导,根据区域自然与社会经济特点以及发展方向来容纳兼容的人类活动,确定开发利用方式,如旅游观光、科普教育等,而禁止改造剧烈的开发项目。目前国际上矿区废弃地生态系统重建主要有几种形式:重建为耕地、林地、旅游休闲用地及牧业用地等。如英国把采矿地转变为国家森林(NationalForest),其中包括了新的房地产、休闲和旅游设施的开发以及绿色产业(Greencompany)。但是这些开发都需要限制在一定的尺度与规模下,不能与国家森林建设相冲突。所可能包括的开发项目包括:旅游、娱乐和休闲设施,林地、公共休闲空间以及野生动物保护区,多样化种植业,乡村产业(包括接待设施、林业和花卉业),商业设施和一定的工业以及一定的居住。而德国矿区景观生态重建从最初的绿化到多功能复垦区域的建立,经历了由简单到综合,由幼稚到成熟的过程,为合理规划土地用途,建立新景观提供了机会,进而满足了逐步提高的人们对娱乐休闲场所的需求。景观设计学在废弃地利用中发挥了重要作用,起到既满足休闲功能如作为公园、运动场地、露宿营地、研究和观察自然生态用地的作用,也顾及到了美学方面的要求3大兴安岭古立库砂矿生态修复工程3.1研究地点的选择大兴安岭地区加格达奇林业局施业区古利库砂金矿采矿废弃地(50°51′35″~50°48′25″N,125°30′58″~125°35′42″E)作为研究的地点。古利库砂金矿采矿主要以沿河流露天机械化溜槽方式开采,采矿后形成大量废弃地,约1000hm3.2金矿区土壤重金属污染特征与评价3.2.1弃地和森林土壤pb、as、cd和cr污染与天然林相比,砂金矿采矿废弃地土壤As、Cd和Cr含量分别增加83%、78%和101%。而砂金矿采矿废弃地土壤Hg含量显著低于森林土壤Hg含量。砂金矿废弃地和森林土壤Pb含量差异不显著。结果表明砂金矿采矿废弃地土壤As、Cd和Cr污染加剧。然而,与我国土壤环境质量标准值相比较,发现大兴安岭地区砂金矿废弃地土壤Hg、As、Pb、Cd和Cr含量均低于其标准值。可见,大兴安岭地区砂金矿废弃地土壤Hg、As、Pb、Cd和Cr污染情况均不严重。砂金矿废弃地土壤重金属含量分布特征在砂金矿废弃地不同取样位置,土壤Hg、As、Pb、Cd和Cr分布特征不一致。土壤As、Cd和Cr含量在砂金矿废弃地不同取样位置无显著差异。3.2.2采矿对土壤重金属污染等级及排放等级的影响砂金矿废弃地土壤重金属污染综合指数与天然林样地相比未达到显著性差异。天然林土壤内梅罗指数P<0.7,土壤重金属污染等级属于清洁(安全)等级,而砂金矿废弃地内梅罗指数P>0.7,土壤重金属污染等级属于尚清洁(警戒限)等级。在砂金矿废弃地不同取样位置,土壤重金属污染内梅罗指数差异不明显。砂金矿废弃地采集的30个土壤样品中,并未发现存在土壤重金属中度和重度污染情况,其中47%属于土壤重金属污染I级,33%属于土壤重金属污染II级,其余20%属于土壤重金属污染III级。大兴安岭地区砂金矿采矿废弃地土壤重金属污染情况并不严重,属于清洁或尚清洁等级,采矿废弃地临近河流水质并未出现污染情况。然而,与大兴安岭天然林土壤相比,砂金矿采矿导致土壤重金属污染等级提高,尤其是导致土壤As、Cd和Cr含量增加,存在一定程度的污染风险。采矿废弃地不同位置土壤重金属含量异质性较大,并且不同取样位置土壤Hg和Pb含量存在显著差异。因此,在矿区废弃地土壤重金属污染评价研究时,应该考虑取样位置对评价结果影响。今后针对大兴安岭砂金矿废弃地植被恢复时,应该重点关注砂金矿废弃地土壤酸碱度、养分和水分等对植物生长的可能限制,而土壤重金属污染的植被富集并不是关键问题。3.3金矿区技术的改进和稳定3.3.1菌根化育苗技术针对古利库金矿采矿迹地土壤养分含量低,土壤中沙砾含量高,蓄水保墒能力差的立地条件,我们选用乡土树种———樟子松作为生态恢复的植物品种。虽然樟子松具有耐旱和耐瘠薄的优势,但是在采矿迹地这种恶劣生态环境中能健康成长还需要菌根化育苗造林技术的辅助。菌根化育苗造林技术就是在植被恢复中进行育苗和造林时配套使用高效菌根制剂的新工艺,与传统的育苗造林技术相比,明显地提高了成苗率及苗木质量和产量,大幅度地提高造林成活率和林木生长,具有高效、低耗、简单、易行和维护地力、加速生态恢复的特点。菌根化育苗技术的关键是高效菌根制剂的制备。通过广泛的樟子松林外生菌根菌的调查,根据子实体的形态鉴定出外生菌根菌47种,其中优势外生菌根菌4种,分别是褐环粘盖牛肝菌、血红铆钉菇[Chroogomphisrutillus(Schaeff.:Fr.)O.K.Miller]、黑紫红菇[Russulaatropurpurea(Krombh.)Britz.]和厚环乳牛肝菌[Suillusgrevillei(Kl.)Sing],褐环粘盖牛肝菌和血红铆钉菇是最为常见的种类。分离和纯化出褐环粘盖牛肝菌菌株为高效菌株,其特点是生长迅速,繁殖容易,易与樟子松形成外生菌根。高活性外生菌根剂的制备主要采用液体培养法,培养基采用改进型PDA培养基(不添加琼脂),pH值在6.5,白天温度控制在25℃(16h),夜晚温度控制在20℃(8h),在能够控温的摇床上使用三角瓶培养。实验室对比“三明治”法和固体三级菌种接种,结果表明“三明治”法较固体三级菌种接种法效果好,“三明治”法在1个月内接种率达95%以上,固体三级菌种接种法达到95%接种率需要3个月以上,但是“三明治”法操作较复杂,需要进一步改进。采矿迹地造林采用3年生容器苗连土坨直接蘸取液体菌根剂接种的方法,效果也比较好,可以显著提高土壤速效养分。土壤有效N含量提高22.6%,有效P含量提高90%。林木的生长势较高,保存率接近98%。3.3.2不同处理对采矿迹地土壤养分含量和实验率的影响,主要有以下食用菌废料、保水剂和粉煤灰对于土壤基质改良具有比较显著的效果。3种改良措施显著提高了土壤的含水率,增强了土壤蓄水保墒的能力。同时还显著增强了土壤的肥力,食用菌废料和粉煤灰增加了土壤速效N的含量,食用菌废料还增加了速效P的含量和有机质的含量,对于土壤的酸化也有显著的改善作用。食用菌废料的施入可以显著改善土壤的酸化程度,土壤的pH值接近7,有利于樟子松的生长。同时食用菌废料可以显著提高土壤的有机质含量,达到4.52g/kg,较其他改良措施可以增加1倍以上。对土壤养分含量也有显著的改善,采矿迹地土壤养分十分贫瘠,速效N和速效P的含量极低,分别为228mg/kg和67.28mg/kg,施入粉煤灰和食用菌废料可以显著提高土壤的速效N,分别达到308mg/kg和286mg/kg;食用菌废料可以显著提高土壤的速效P的含量,较对照提高1.97倍,达到132.47mg/kg;粉煤灰和食用菌废料可以提高土壤速效K的含量,但提高不显著。粉煤灰和食用菌废料对于降低重金属危害也是具有显著效果的。这些指标反映出3种改良措施分别具有不同的改良效果。实验区苗木对3种改良措施的反映不尽相同,施入食用菌废料的植株保存率明显高于其他各个处理,生长旺盛,植株高度和冠幅优于其他处理。保水剂处理在2013年的调查中存活率较高,但是2014年观察发现存活率急剧下降,并且植物的长势不良,植株矮小,当年生长缓慢。连续观察的结果反映出单一的基质改良措施有一定的局限性,需要多种改良措施的协同作用,栽植中必须使用保水剂,施入一定比例的粉煤灰和食用菌废料可能对于土壤的改良效果更加显著。添加牛粪改良土壤储量显著增加了胡枝子根系、新叶、新茎和总生物量,并提高了地上生物量/地下生物量比值;与矿区废弃地未改良土壤相比,草炭改良土壤对胡枝子生长的影响不显著。同样,牛粪改良后土壤披碱草地上和地下生物量、总生物量以及地上生物量/地下生物量比值均显著增加,而草炭改良的土壤对披碱草的生长影响不显著。3.3.3稳定边坡基质研究实验区陡坡为砂质土壤,降雨十分集中,主要在雨季的七八月份,水土流失十分严重,植物难以在陡坡生长。采用植生袋植被生态恢复技术可以快速高效地稳定陡坡基质,其核心是在坡面上营造一个既让植物生长发育又能不被冲刷的表层,实践采用人工铺设生态袋的办法,形成基质层,经过后期养护达到短期内见效生态恢复植被的目的。其方法是将特制的植生袋按一定规律码放在已做好防护支撑的土质、石质和水土易流失的边坡上,并用锚杆将其锚固。袋内的种籽吸收植生袋内的营养后萌芽,植物根系在边坡土壤间生长,并将植生袋之间连接成一个整体,将植生袋与边坡之间进行了有效的固定,从而实现了边坡的防护、水土保持和绿化。3.4在采区生态恢复植物的选择和群落优化配置中的技术研究3.4.1金矿迹地生长适应性金矿迹地具有土壤质地均一,肥力不够,土壤属于季节性干旱土壤,因此根据树种的生物学、生理学及生态学特性与环境立地条件制约条件相结合的方式选择兴安落叶松、樟子松、白桦为主要研究对象,针对物种特性从不同角度对其金矿迹地生长适应性、适宜性进行了论证。结果表明:(1)落叶松生长及保护水土能力较强,金矿迹地立地条件为对其生长规律产生一定的影响,但未表现出种源的显著差异性。落叶松对土壤条件的要求与金矿迹地非极端条件下土壤特征基本吻合,可以作为非极端立地条件下生态功能恢复物种进行选择。(2)樟子松生长迅速,适应性强,耐瘠薄,嗜光照是大兴安岭地区主要的造林树种,其生物学特性符合金矿迹地干旱、石砾含量高、土壤贫瘠等特征,且经过实验验证可以作为金矿迹地人工林营建乔木树种。除季节性水淹地之外,均可正常种植,外界环境条件对其生长有一定影响(生长量可相差16.5%)。3.4.2采矿迹地生态林营造为了能够将筛选出的恢复物种准确的应用到不同立地条件下的恢复模式中,根据不同立地条件的环境因子特征,将立地条件划分为不同类型,根据立地特征制定了不同的恢复模式,主要有采矿迹地生态林植被恢复模式、采矿迹地经济林植被恢复模式和采矿迹地近自然植被恢复模式。结果如下:(1)采矿迹地生态林植被恢复模式中的困难立地标准工程人工林恢复模式适用于水土流失严重,自然灾害发生极其频繁,生态安全无法保障的区域。本项研究通过对不同整地方式下主要适宜性树种生长状况、不同基质改良手段、不同造林方式成活生长状态等方面对极端困难立地条件下人工林工程恢复模式进行了研究。金矿迹地地势平坦化处理会使适宜性树种的生长得到很好地提高,且径生长更明显(20%以上)。食用菌废料各方面指标要远远好于其它方式(14%以上)。金矿迹地天然更新主要植被类型有兴安落叶松林、樟子松林、次生白桦林和杂木林等。金矿迹地自然恢复的最主要趋势是兴安落叶松群落和樟子松群落。筛选出兴安落叶松、白桦、山杨、笃斯越橘、柴桦、丛生苔草作为金矿迹地兴安落叶松群落生态林营造主要树种。筛选出樟子松、兴安落叶松、山杨、胡枝子、丛生苔草作为金矿迹地樟子松群落生态林营造主要树种。(2)采矿迹地经济林植被恢复模式适宜于地势较为平坦(<25°),土壤壤质含量(70%~80%)的区域。沙棘林下土壤有机质及全氮含量要高于没有沙棘的空地对照,土壤容重变小,总空隙度增大土壤结构更加合理。金矿迹地降水对沙棘林地及对照样地冲击指数,土层深度、坡度一致时,沙棘林地的冲刷模数均小于对照,表明其土壤抗冲性能好于对照,且发挥作用的深度可达100cm以下。金矿迹地沙棘的萌蘖能力很强,2年生可达1.35万株/hm(3)采矿迹地近自然植被恢复模式适用于金矿迹地与未被破坏的原始区域的交集地带。金矿迹地边缘生态脆弱区物种组成呈现出极度的单一退化趋势,最边缘处的自然更新区域其主要建群物种仅为4种。生物多样性上森林沼泽群落>沼泽群落>生态脆弱区,与天然演替森林沼泽过渡带相比,金矿迹地沼泽群落在过渡带各生境地段上其多样性指数依次减小了20.7%、5.2%、14.7%和7.9%。白桦作为主要乔木树种数量大,但生长缓慢,柴桦作为先锋物种却没有体现出主体地位,反而在数量上呈现退化的趋势,笃斯越橘作为主要物种也呈现了衰退的状态,而在缺少竞争的情况下的苔草的地位却呈现上升趋势。“白桦+柴桦”系统的完整性,是保障笃斯越橘等湿地常见物种顺利生长更新的关键。随着林型结构的趋于完整,整体来看结实和生长情况随林分的完整,呈现一定的升高趋势。3.5生态修复措施采矿迹地的生态修复首先要全面调查和全面评估采矿迹地的立地条件,根据实际情况采取有针对性的生态恢复策略加速退化生态系统向健康生态系统的演替。比如古利库砂金矿废弃地,此类型采矿迹地的特点为地面有一定坡度,土层厚度一般,土壤中养分含量处于中等水平,有较多数量的砾石,且砾石直径都比较大。我们建议采用两种生态恢复措施:(1)工程复垦型:以工程造林为特点的强力生态修复,这种复垦型的特点在于,大量采用工程措施,不惜投入大量的经费、人力、物力,采用大面积机械整地、旋耕机挖坑、客土回填、大苗栽植等综合措施。实践证明工程复垦在古利库金矿取得了明显的效果。(2)生态复垦型:在砾石含量较多的基质上,栽植耐瘠薄、对水肥条件要求较低的植物,主要使用乡土植物。有菌根的使用菌根剂进行处理,比如樟子松可以使用外生菌根剂;还有具有根瘤菌的植物,比如沙棘,可以提高土壤的养分含量。添加土壤改良剂要根据土壤状况进行有针对性的施用。生态群落的优化配置依据不同的立地条件分别采取生态林植被恢复模式、经济林植被恢复模式和近自然植被恢复模式。经过对古利库金矿采矿迹地生态恢复的研究表明,生态复垦型是高效经济的生态恢复方式。4采矿迹地生态恢复的实践研究21世纪,我们进入了一个前所未有的全球环境发生巨大变化的时代,各种环境问题,生态问题,气候问题是一百年前成立的美国生态学会无法预见的。人类面对的挑战是空前的,全球的生物多样性正以惊人的速度丧失,人口的急速增长,人类对环境的严重污染,温室气体排放所造成的全球极端气候的频现,土地荒漠化加剧等等问题。值得庆幸的是人类及时意识到了问题的严重性,恢复生态学应运而生,人类开始寻求长期的,经济的,有效的解决方法来进行生态系统恢