矿山岩石边坡植被恢复中植物配置的研究

陈振峰 程 文 陈增香 潘荣森 胡天寿 孙凯蕾 李东樵

(1.深圳市如茵生态环境建设有限公司，广东 深圳 518057;2.江西铜业股份有限公司永平铜矿，江西 铅山 334506)

0 引言

英、美、澳等发达国家有悠久的开矿历史，在恢复生态学方面也研究得最早，20世纪80年代以来，随着各类生态系统的退化以及相继引发的环境问题加剧，国外开始注重对主采矿废弃地恢复重建的研究［1］。

我国对矿山废弃地生态恢复和重建的研究从20世纪90年代才逐步得到重视，到1994年复垦率仅为13.3%［2］，与发达国家差距较大。在过去20年中，我国在矿山废弃地生态恢复与重建方面开展了卓有成效的探索［2］。而植被配置是生态恢复成功与否的关键因素之一，对于边坡植被恢复效果的长久维持、减少人工养护成本和达到自然景观目标与效果等均具有非常重要的意义。本研究通过选择适宜的苗木、确定合理的栽植密度及植被配置方案，以期解决相关裸露边坡植物护坡及植被恢复技术难题，实现露采边坡植被覆绿，达到固土护坡、保持水土和恢复生态的目的，为历史遗留的大面积露采边坡推广应用植物防护设计和植被恢复工程提供依据和技术支撑，促进矿区生态环境的可持续发展。

1 材料和方法

1.1 材料

试验种子和苗木均采购于当地市场。

1.2 方法

1.2.1 试验地

永平铜矿位于江西省铅山县境内，地处武夷山区，地貌以山地丘陵为主。地势南高北低。多为指状及孤立山丘，最高山脉为露天矿西部的天排山，其海拔标高为474.7 m。

试验地设在江西省永平铜矿，所选的区域为永平铜矿西部露采边坡顶部矽卡岩矿脉区域，正好处于矽卡岩矿脉顶部，高30 m，面积2000 m2，坡度65°～75°。矿区气候温暖潮湿，雨量充沛，属亚热带混合植物区。年平均气温17.9℃，一月平均气温5.6℃，七月平均气温29.3℃，极端最低气温－8.5℃，年平均最低气温13℃，10年统计年平均降雨量1 766.6 mm，日最大降雨量206 mm。矿区主导风向为东风。

1.2.2 采样和岩石性质测定

在岩石边坡中央区域选择采样区，在采样区内按1 m×1 m样方随机布设5个采样点［3］，在每个采样点内采取3个岩石样品，共采15个样品进行试验。

测定和分析方法:pH值用pH酸度计测定［4］;铜、铅、锌含量用HP 3510原子吸收分光光度计测定［5－7］;硫含量用电感耦合等离子体质谱技术测定［8］;水分含量用真空烘箱法测定［9］。

1.2.3 永平矿山废弃地植被恢复边坡绿化植物应用情况调查分析

调查采用典型样地调查法［10］，本次对永平铜矿矿山植被恢复边坡20个植物群落进行调查。并在典型样地内选择具有代表性的1～2个样方进行重点统计与分析，每个样方的面积为400 m2。调查内容包括木本植物、草本植物和藤本植物的种类、各植物的个体数、高度、盖度等。

1.2.4 草本植物和木本植物在铜矿废弃地生长情况

对岩石边坡采取配套工程措施，覆土并喷射有机基材后，根据绿化植物应用情况的调查结果，草本植物选择狗牙根(Cynodon dactylon)、高羊茅(Festuca elata)、芒草(Miscanthus sinensis)和紫花苜蓿(Medicago sativa)，灌本植物选择马棘(Indigofera pseudotinctoria)、胡枝子(Lespedeza bicolor)、猪屎豆(Crotalaria pallida)、紫穗槐(Amorpha fruticosa)和刺槐(Robinia pseudoacacia)，于3月12日在同一块地上喷播草本、木本植物种子，观察植物发芽、出苗时间，分别统计2个月、3个月和4个月时苗木的成活率和株高、冠幅、盖度。

1.2.5 草本植物密度试验

根据草本植物的生长情况，选用狗牙根、高羊茅、芒草，分别在10个样方(100 cm×100 cm)中进行草本植物不同密度的试验，3次重复。同时播种，1个月时，分别统计各样方中植株的数量、盖度和高度。

1.2.6 木本植物密度试验

根据木本植物的生长情况，选用马棘、胡枝子、猪屎豆，播种后，观察植物发芽、出苗时间，分别统计2个月、3个月和4个月时植株的高度和冠幅，3次重复。根据冠幅大小确定木本植物密度。

1.2.7 确定植物种子喷播量

为了保证一定数量的成苗数，需确定一定的播种量，应该考虑种子的发芽率、喷播后的出苗率、成苗率、种子千粒重和净度等。因此，播种量的公式［11］为:

播种量(g/m2)=计划成苗数(株/m2)÷种子发芽率(%)÷喷播出苗率(%)÷喷播成苗率(%)÷1000×种子的千粒重(g)÷种子净度(%) (1)

2 结果与分析

2.1 岩石的性质

该露采边坡为矽卡岩性质及矽卡岩过渡性质，两侧为风化的含硫铁矿的硬质岩，该区域内岩缝处均有大量S渗出，中部为强风化的青灰色的矽卡岩(含大量硫矿物)。从表1可知，该区域岩质中含有大量的硫矿物及氧化还原析出的S，坡面酸性污染严重，pH为3～4。种植植物时主要考虑耐酸性植物，以及豆科植物可以自然固氮，而且还要耐硫。

矿山废弃地中普遍存在重金属污染的问题，土壤中过高含量的重金属元素，会抑制和毒害植物的正常生长发育，常常导致矿山废弃地植被恢复工程失败。表1的检测数据显示，永平铜矿边坡重金属含量未超标，因此，重金属对本试验矿山的植被恢复影响较小。

岩石能供植物利用的有效水分极少，影响植被的生长发育。采样点植物无法生长，与水分供应不足可能也有关系。

由于该矿山废弃地土壤贫瘠、酸性较强，严重制约了植物的正常生长，故需先覆土，并实施基质改良，提高保水保肥能力，再追加肥料，用于补充养分，栽植适合酸性土壤的抗性植物。

表1 岩石边坡的基本理化性质

2.2 永平矿山废弃地植被恢复边坡绿化植物调查分析结果

2.2.1 草本植物应用情况

从表2可知，重要值前三位的草本植物分别为狗牙根、高羊茅、芒草，其中狗牙根出现在每个样方中，且投影面积最大，说明狗牙根适应能力强，对各种条件的耐性较好，生长能力较强，在永平铜矿边坡草本植物中为主，可以作为先锋植物栽种。

表2 永平矿山废弃地边坡绿化草本植物应用情况统计

2.2.2 木本植物应用情况

通过调查统计，所调查的20个样方中共有乔木124株。除表3所列乔木外，还有蜀桧、构树、杉木、棕榈等。从表3可知，其中湿地松出现的频率最高，重要值最高，说明湿地松在此永平铜矿矿山边坡绿化乔木中占有主要地位。其次是马尾松，其出现的次数和重要值次之。

表3 永平矿山废弃地边坡绿化乔木应用情况统计

通过调查统计，所调查的20个样方范围内，灌木的总投影面积为2 523.6 m2。除表4所列灌木外，还有栀子花、月季、四季桂、多花木蓝、紫薇和夹竹桃等。从表4可知，马棘的重要值最大，其次是胡枝子，且马棘和胡枝子的投影面积均比其它灌木高出较多，而马棘和紫穗槐的出现次数较高。

因此，根据永平矿山边坡应用的绿化植物情况，此矿山废弃地宜选择马棘、胡枝子、猪屎豆和紫穗槐等作为木本植物。

表4 永平矿山废弃地边坡绿化灌木应用情况统计

2.2.3 藤本植物应用情况

藤本植物主要有爬墙虎和葛藤，其中爬墙虎应用相对较多，可以应用在较高坡度的岩石边坡上。

2.3 植物生长情况

3月12日喷播种子，在同一边坡喷播的植物生长情况见图1。

图1 喷播植物生长高度随时间变化的关系

从图1可知，草木植物比木本植物发芽早、出苗快，如高羊茅、紫花苜蓿、狗牙根和芒草1周左右就开始发芽，3周时间高度可达10 cm，通常比灌木高。播种10 d后灌木才开始发芽，普遍较草本植物迟缓。因此，草木植物的过密播种往往会影响或抑制木本植物的发芽和幼苗的生长。

在矿山废弃地上进行植物修复，适生植物种的筛选是必要的关键环节，应从生长和生理水平进行综合评价。生长前期，早发芽出苗的草本植物会抑制后发芽的木本植物生长，播种1个月后，灌木快速生长，其生长开始高于草本植物的生长，灌木在草丛中崭露头角后，草本植物对木本植物生长的影响会逐渐消失。如果适当控制草本植物的密度以不影响木本植物的发芽，木本植物的高度就会很快超过草本植物，而且草本植物的过密生长往往会诱发病虫害，从而更加严重地影响木本植物的发芽和幼苗的生长。因此，如何控制播种后前期的草本植物生长密度，是促进木本植物在边坡上能正常生长的关键之一，为了保证木本植物良好生长和边坡快速形成绿色景观，有实验表明灌草混播时，以确定草本和木本盖度分别约65%、35%为宜［11］;同时，如何促进木本植物种子提早发芽是避免或减少草本植物对其影响的重要方式。

2.4 草本植物密度试验

不同植物密度的样方(100 cm×100 cm)中狗牙根、高羊茅、芒草的植株数、盖度和高度情况如图2。

图2 草本植物不同密度样方的植株数、盖度和植株高度的关系

从图2可知，草本植物的盖度随单位面积株数的增加而上升，当高羊茅、狗牙根和芒草单位面积株数分别达到1 230、1 500、920株/m 时，盖度接近100%，之后变化很小。各草本植物的高度基本与种植密度关系不大，普遍为9～15 cm。根据种植经验，植物盖度以65%为宜［11］，即相当于高羊茅的密度约800株/m2，狗牙根约970株/m2，芒草约600株/m2。

2.5 木本植物密度试验

根据木本植株的冠幅确定木本植物的密度，马棘、胡枝子和猪屎豆的生长情况见图3。

图3 木本植物的生长高度与冠幅大小随时间变化的关系

从图3可知，木本植物的冠幅随高度增长而增大，发芽出苗后，1周左右，植株长高约9 cm，冠幅增大约2 cm，两个月时，马棘、胡枝子、猪屎豆的植株高度分别为29、37、34 cm，冠幅分别为 10.8、10.0、13.9 cm，之后木本植物的高度和冠幅继续增大。

根据灌草混播、以草养灌，前期以草本为主的原则，按草本盖度65%，木本盖度35%种植［11］，两个月时马棘、胡枝子、猪屎豆的出苗量宜控制在约30 株/m2、35 株/m2、18 株/m2。根据育苗的数据统计，马棘、胡枝子、猪屎豆的成苗率分别为20%、15%、20%，由此可得马棘、胡枝子、猪屎豆的成活数分别为6 株/m2、6 株/m2、4 株/m2。

2.6 确定植物种子喷播量

草本植物和木本植物进行混播，为了保证边坡的绿化效果和景观效果，应该选择较合适的计划成苗数配置植物，此矿山一般喷播植物计划成苗数配置建议为:

草本植物:高羊茅300株/m2、狗牙根400株/m2、芒草200株/m2;

木本植物:马棘3株/m2、胡枝子3/m2、猪屎豆2株/m2。

再由式(1)确定植物种子用量(g/m2)为:

高羊茅 4.88 g/m2，狗牙根 1.63 g/m2，芒草2.61 g/m2，马棘 2.59 g/m2，胡枝子4.76 g/m2，猪屎豆 1.56 g/m2。

此喷播植物可作为永平铜矿矿山边坡绿化植物种子配比的配置方案，同时还应根据喷播季节等实际情况进行适当调整。由于藤本植物低矮，匍匐生长，枝叶繁盛，其特有的吸盘或气生根能紧紧固定在边坡上，紧密交织的枝叶可缓冲雨水冲刷。故可以将草、灌、藤植物混合种植，利用藤本植物攀爬作用对坡面进行遮蔽以补充，爬墙虎(2～3棵/m)，葛藤(2～3棵/m)，提高植被恢复的效果。

种子喷播前可进行催芽处理，保证出苗快、出苗率高且质量好，播种量可适当减少10%至20%。对部分种子表面具有蜡质或种子硬实率较高的乔灌木种子可进行机械摩擦法或必要的化学处理。

3 结论

(1)试验实施的岩石边坡为矽卡岩性质及矽卡岩过渡性质，因此含有大量的硫矿物，以及长期裸露发生氧化还原反应析出S，导致酸性污染严重，pH为3～4。因此，应选择耐酸性植物，辅以基质改良。

(2)目前永平矿山废弃地边坡绿化植物调查结果及植物生长情况表明，此矿山宜选择草本植物狗牙根、高羊茅、芒草;木本植物马棘、胡枝子、猪屎豆;藤本植物爬墙虎和葛藤。

(3)草本植物发芽出苗较快，木本植物普遍比草本植物发芽晚。由于灌木植物在早期生长较慢，容易被长势较快的草本植物淘汰，而灌木植物相比草本植物具有更好的固土护坡价值，所以在以灌木为目标的生态恢复中必须保证坡面存活足够的灌木植物。在早期利用耐旱性强的先锋草本植物进行快速覆绿，先锋草种如狗牙根等，减少基层水分蒸发量，以尽量利于灌木生长。将草、灌、藤植物混合种植，提高修复的效果。为提高退化环境恢复中的物种多样性，可在试验的基础上不断增加物种引入的数量。

(4)根据试验情况，永平铜矿矿山废弃地岩石边坡喷播绿化植物配置方案建议为:高羊茅(4.88 g/m2)，狗牙根(1.63 g/m2)，芒草(2.61 g/m2)，马棘(2.59 g/m2)，胡枝子(4.76g/m2)，猪屎豆(1.56 g/m2)，爬墙虎(2～3棵/m)，葛藤(2～3棵/m)。

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