岩石边坡生态恢复研究综述

邹 蜜，李妍均，辜 彬

(1.重庆地质矿产研究院 外生成矿与矿山环境重庆市重点实验室，重庆 400042；2.煤炭资源与安全开采国家重点实验室重庆研究中心，重庆 400042；3.四川大学 生命科学学院，四川 成都610064)



岩石边坡生态恢复研究综述

邹 蜜1,2，李妍均1,2，辜 彬3

(1.重庆地质矿产研究院 外生成矿与矿山环境重庆市重点实验室，重庆 400042；2.煤炭资源与安全开采国家重点实验室重庆研究中心，重庆 400042；3.四川大学 生命科学学院，四川 成都610064)

岩石边坡；生态恢复；退化生态系统

随着全球经济的快速发展，大面积的自然生态系统发生了较为严重的退化，恢复生态学应运而生，成为当今全球生态学研究领域的热点。各种基础设施、城乡交通道路的大规模建设形成了大量岩石裸露的边坡，越来越多的国内外专家学者对这种极度退化的生态系统开展了生态恢复研究，取得了一系列的成果。通过明确岩石边坡生态恢复的概念与原则，讨论了岩石边坡生态恢复的限制因子，总结了现有的研究成果，分析了国内研究的不足，并对岩石边坡生态恢复研究的难点和发展趋势进行了展望。

1 恢复生态学

随着全球人口的持续增长，经济的高速发展，人们对自然资源的过度开发与利用导致了各地的环境污染和植被破坏等多种问题，造成了生物多样性的降低、生态功能的下降，全球大面积的自然生态系统发生了较为严重的退化。因此，如何恢复与重建退化的自然生态系统，成为各国可持续发展的焦点难题，恢复生态学应运而生。1985年，Aber和Jordan两位英国学者提出了“恢复生态学(restoration ecology)”的概念[1]。从20世纪80年代开始，国内外的专家、学者们广泛地开展了恢复生态学领域的研究与实践，并定义恢复生态学是研究生态系统退化的原因，退化生态系统恢复与重建的理论、技术、方法及其生态学过程与机理的学科。同时恢复生态学也是一门复杂的系统工程。

作为生态学一个新的分支，恢复生态学与土壤学、环境学、生物学、林学、地学、农学等多个学科密切相连。它是运用生态学的基本原理，结合多学科的理论知识而发展起来的一门综合性很强的学科。如今，恢复生态学研究已经成为全球生态学研究领域的热点与焦点之一。

2 岩石边坡的生态恢复

随着我国经济的高速发展，基础设施、交通道路的大规模建设加大了对石料资源的开发利用，开山取石、采矿活动扰乱了山体原有的自然环境，形成了大量岩石裸露的边坡。

2.1 岩石边坡的特点

石料、矿藏的开采完全改变了山体的地质结构和地貌形态，破坏了自然生态系统，造成了景观的破碎化。岩石边坡坡面丢失了原有的植被和植物繁殖体，缺乏土壤基质的覆盖[2]，立地条件十分恶劣；自上而下地开挖山体，大部分岩石边坡未形成规则的阶梯状开采面[3]，导致岩石边坡的坡度一般在40°以上，有的地方甚至存在反坡[4]，边坡不稳定，容易引起泥石流等次生灾害的发生。

2.2 岩石边坡生态恢复的概念

岩石边坡作为一种极度退化的生态系统，土壤极度贫瘠、理化结构差[1]，岩石的风化程度高，因而边坡自然恢复的过程是十分缓慢的，通常需要50到100年的时间，尤其是土壤的恢复需要更多的时间——100至1万年[5]。因此，为了尽快恢复边坡的区域环境、还原边坡景观的完整性，必须对岩石边坡进行生态恢复。

所谓恢复，就是改善和美化受损的景观[6]，使一个系统的结构与功能恢复到受破坏、干扰之前那种相似或相同的状态，最终能够生成一个可以自我调节、自我恢复，具有一定生产力的生态系统[7]。生态恢复(ecological restoration)是指帮助已经退化或受损的生态系统进行恢复，并改善生态系统功能的过程[8]，使其在为生物提供生存环境的同时，能够为人类提供物质产品和生态服务。因此，岩石边坡的生态恢复是以恢复生态学为理论原理，在人为的干预下，恢复边坡原有生态系统的结构与功能[9]。

2.3 岩石边坡生态恢复的限制因子

严重缺乏土壤基质的岩石边坡，可能因存在某些极端的环境条件或因子而阻碍植被的生长[10]，认识并解除这些潜在的问题显得非常重要，否则整个生态恢复过程将不会开始或是在开始多年之后宣告失败[5]。

2.3.1 不良的土壤结构

开山取石、采矿造成的首要影响是破坏了土壤，土壤的短缺是造成高陡岩石边坡植被恢复失败的主要原因[11]；同时，也存在土壤质地坚硬、有机质缺乏等问题[5]。研究表明，容重超过1.8 g/cm3的土壤将抑制植物根系的生长[12]。

2.3.2 稳定性的缺乏

尽管边坡的稳定性可以通过工程技术手段得到一定的保障，但是坡面的细沙或粉粒物质依旧很容易受到风力侵蚀或水力侵蚀作用而流失，从而影响边坡的稳定性[13]。一旦有了植被覆盖，这个问题就解决了，但困难的是如何在建植植被期间确保坡面的稳定性。

2.3.3 干 旱

岩石边坡坡面基质一般较为粗糙、缺乏水分，干旱成为限制坡面植被生长的一个主要因子[14]。有研究发现[5]，将耐旱的植物种植在边坡坡面富含保水有机物质的凹槽内，这些植物在建植之后可以长期生存下去，因为它们细长的根系可以深入到基质中获取水分。

2.3.4 营养物质的缺乏

矿场或采石场开采的材料类型和岩层不同，岩石边坡坡面的构成也不同，因而其固有的营养成分差异较大，有的营养成分丰富而有的成分缺乏，通常磷、钾、镁、钙等营养物质的缺乏是永久性的，并且坡面还不可避免地严重缺少氮[5]。虽然这些营养物质可以因岩层风化而释放出来，但要历经很长的一段时间。在许多基质上，植被生长受限的一个主要因素是营养不良。

3 岩石边坡生态恢复的研究进展

3.1 植物种的选择

岩石边坡具有不同的边坡特性和坡面物理环境，根据边坡特性和气候条件而选择植物种及其栽培方式是边坡生态恢复成功的关键考虑因素[15]。

高而陡峭的岩石边坡是一种独特且极端的生境，必须选择一些具有特殊机制和生长行为的植物种来适应边坡严峻的环境。攀缘物种具有独特的攀爬习性和支撑大面积叶片的细长茎条，它们可以比其他物种更快地覆盖坡面，所以在坡面陡峭的岩石边坡生态恢复中应该优先考虑选用攀缘物种，尤其是草本攀缘物种[10]，它比木本攀缘物种具有更快的生长速度，可以形成早期的植被。爬山虎(Parthenocissustricuspidata)和扶芳藤(Euonymusfortunei)已经显示出了对岩石边坡不利生存环境的适应性[10]，它们可以被广泛地应用到岩石边坡的生态恢复中来。

作为植物生长所需要的最大量的营养元素，氮并不是以矿物质而是以有机质的形式存储在土壤中的，它的短缺会严重抑制植物的生长，这在土地复垦的初期是十分普遍的现象。有研究表明，功能完善的土壤需要大量的氮素资源，在温带地区1 hm2的土壤需要1 000 kg的氮元素含量，这个量对于自我维系的生态系统是足够的[16]，但是岩石边坡的生态恢复不能单纯地通过施肥的手段来达到这个氮总量，关键是要选择种植豆科类或是其他科属的固氮植物，例如与固氮微生物共生的桤木。只要固氮物种出现在演替过程中，植被的生长、发育速度就会加快[17]。在温带地区，白三叶(Trifoliumrepens)、红三叶(T.pratense)每年在每公顷土壤中可以轻松地生产出100 kg的氮元素，是非常理想的固氮植物[17-18]；木麻黄(Casuarinaequisetifolia)、大叶相思(Acaciaauriculiformis)、赤杨(Alnusincana)等固氮物种可以通过根系、根瘤、凋落物直接向土壤中提供氮资源，将其和非固氮物种一起种植还可以极大地促进后者的生长[5]。因此，在营养物质缺乏的边坡进行生态恢复时，可种植固氮物种以促进坡面环境的改善与有机物质的积累。

在酸度较高的边坡环境中，可以选择种植极耐酸的禾本科草本物种曲芒发草(Deschampsiaflexuosa)，或是另外一些耐酸物种，如豆科灌木荆豆(Ulex europaeus)、金雀儿(Cytisusscoparius)，以及豆科乔木刺槐(Robiniapseudoacacia)，这些物种虽然无法在pH值极低的环境中生存，但可以从一定程度上改善坡面基质的酸性环境[19]。

在边坡的生态恢复中，常常采用乡土种进行植被重建。乡土种完全适应了当地的环境与气候，能够与其他的物种一起构建稳定的植物群落，并促进植物群落的快速演替；同时，乡土种对边坡群落物种多样性的增加有着不小的贡献，对于外来入侵物种具有化感作用[20]，可以减少边坡植被的管理成本。

3.2 植物群落的演替

植物群落的演替是生态学研究领域中的经典主题[21]。深入研究已恢复地区植被演替的驱动力可以帮助群落向趋于稳定的生态系统演化，同时也可以促进重要生态过程的恢复。

在岩石边坡的恢复中，土壤质量、恢复措施等初始条件，以及气候条件、邻近地区的植物繁殖体资源等环境状况是决定植物群落演替的主要驱动力[2]。在土壤特性没有成为限制条件的情况下，气候条件和矿区周围保存较好的植被决定着群落演替的不同方向，而与种子库的距离及物种的扩散能力则限制着植物群落的结构[22-23]。

许多边坡在生态恢复时采用的快速生长的草本物种会严重制约植物群落的演替进度，虽然草本物种可以迅速绿化坡面，但它们与后期入侵物种的竞争妨碍了植物群落的长远发展，使得坡面植被长期处于草本群落的状态[24]。由此说明，边坡植被恢复所使用的种子混合物中需要加入本地物种，包括灌木物种，以促进草本群落的演替。

随着植物群落的演替，群落地上生物量不断地增加[25]，植被覆盖率、物种丰富度、植被多样性指标也随着显著上升，并且恢复的年限越长，其数值越大。然而有的研究发现，群落物种均匀度却没有发生显著的变化[26]。

3.3 土壤的特性

土壤肥力对植被生长和其生产力具有重要的作用，所以研究土壤肥力特性对于植被的恢复至关重要。在黄土地区的自然恢复中，灌丛地和林地中土壤有机质、全氮、有效氮、速效钾的含量显著高于其他土地利用类型[27]。随着恢复年限的不断延长，在不同退耕年限的自然边坡和生态恢复后的道路边坡上，土壤有机质、有效氮、有效磷等主要的土壤养分都会随着植被的演替而逐渐增加[28]。另外，边坡坡长、坡位、坡度不同，土壤养分分布特征有较大的差异，从坡顶到坡脚，有机质、全氮、全磷等土壤养分呈现增长的趋势，并且边坡坡长越长、坡面坡度越缓，土壤养分越容易富集[29]。

3.4 植被与土壤之间的相互作用

岩石边坡上一旦建植了植被，它们便可以很容易地提供有机物，降低土壤容重，同时将矿物营养成分带出到坡面，将其积累为可用的形式。更重要的是，一些植物种可以迅速恢复并积累大量的氮，为原本没有氮的地区提供氮资源，供给生态系统的正常运行；同时，植被的恢复对表层土壤容重的降低、总孔隙度和毛管孔隙度的增加具有积极的作用[27]，使得表层土壤养分含量高于深层土壤。因此，植物最重要的贡献之一就是净化了土壤，改善了土壤环境，并通过植物生物量的积累，以有机质的形式输送给土壤养分，促进了土壤中氮、磷、钾养分和有机质含量的增加[28]。

土壤中的有机质分解以后，又能够被其他更多的植物吸收利用，随着时间的推移，土壤支持植被生长的潜力得到较大的提升，这在废弃煤矿早期的恢复工作中得到了充分的证明[30]。同时，土壤性质反过来又会影响植被的生长。众多研究证明[30-31]，土壤水分含量会显著地影响边坡植被的恢复与重建，过多或过少的水分都会引起明显的问题，其严重性取决于当时的气候条件，因为降雨是边坡植物生长的主要水源。多余的水会导致土壤饱和，引起洪涝，其产生的较大水压将使物种的存活率降低，进而限制植物的生长[10]，但是水分的缺乏同样会抑制植物的生长。

4 国内生态恢复研究的不足

恢复生态学已然成为国内外生态学研究领域的焦点，就目前的研究现状来看，美国、西班牙、英国等欧美发达国家在边坡生态恢复内在机理的研究中取得了显著的成就，尤其是在坡面植物种的筛选与配置、土壤基质的改良、植物群落演替、土壤特性变化等方面。相对而言，我国边坡生态恢复的研究工作还比较落后，国内研究主要集中在生态恢复前的基材配比、工艺工法等应用技术方面，对生态恢复基础理论的研究较为匮乏，较少对生态恢复过程中植被、土壤的变化进行长期监测和科学评价，缺乏对生态恢复后植被与土壤的演替规律及相互作用关系的认识。另外，国内大多数生态恢复研究工作所涉及的研究区域范围小、研究期限短、内容单一，不具备代表性。

生态恢复是一个动态的过程，植被演替与土壤环境的变化是相互制约、互为动力的。因此，今后国内的生态恢复研究工作应该充分利用多学科知识，在较大的时空尺度下进行动态的、连续的基础研究工作；进一步加深对生态恢复过程中植被演变、土壤恢复，以及二者的耦合机制的研究，掌握生态恢复过程中生态系统所发生的动态变化，以期为国内岩石边坡生态恢复提供更多、更好的理论指导与技术支撑。

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(责任编辑 徐素霞)

重庆市基础与前沿研究计划项目(cstc2014jcyjA80022)

X171.4；Q948.11

C

1000-0941(2016)12-0058-04

邹蜜(1988—)，女，重庆市人，工程师，硕士，主要研究方向为生态恢复、土地资源管理。

2016-01-20