门头沟区龙泉镇煤矸石山植被恢复中的树种选择

侯 巍，杨 莉，胡 雪，肖玉玲，秦 越，肖 萌

(1.北京林丰源生态环境规划设计院有限公司，北京 100083； 2.北京国信智业工程顾问有限公司，北京 100044)

门头沟区龙泉镇煤矸石山植被恢复中的树种选择

侯 巍1，杨 莉2，胡 雪1，肖玉玲1，秦 越1，肖 萌1

(1.北京林丰源生态环境规划设计院有限公司，北京 100083； 2.北京国信智业工程顾问有限公司，北京 100044)

煤矸石山；植被恢复；树种选择；门头沟区

为筛选出可在煤矿废弃地生长的先锋树种，以及适宜在煤矿废弃地环境生长的景观树种，在北京市门头沟区龙泉镇的滑石道矸石山的平台上选择了10种抗逆性强的树种作为供试材料，通过测定株高、地径、冠幅生长量等生长指标和叶绿素含量、超氧化物歧化酶(SOD)活性、过氧化氢酶(CAT)活性等生理指标，对10种植物的适应性指标测定值进行了综合研究、分析及评价。结果表明：不同树种的年生长量(株高、冠幅、地径等)和生理指标(叶绿素含量、SOD和CAT酶活性)均不同，呈现出极显著的物种差异；荆条和千头椿的生长适应性较强，在煤矿废弃地植被恢复中可将其作为先锋树种，元宝枫、紫叶小檗、柠条和珍珠梅也较适应在煤矿废弃地环境中生存，可用来丰富矿区废弃地生态恢复中树种的多样性，提高矿区废弃地的自然景观效果。

矿产资源是社会发展的物质基础，矿产资源的开采曾是北京的主导产业，为北京地区经济发展和社会进步作出了巨大贡献。但在矿产资源大量开采过程中，破坏了矿区的自然生态环境，严重污染了当地大气、水体、土壤环境[1]。

近年来，为使恶化的矿区生态环境得以修复，实现自然生态平衡，改善人居环境，使经济、社会和环境协调、可持续发展，世界各国对矿区废弃地生态治理均高度重视，相继开展了对矿区生态环境的治理工作[2]。植被恢复是生态恢复治理中的重要措施，而选择适生的树种是植被恢复的基础。

由于煤矸石废弃地立地条件差、土壤瘠薄、保水保肥能力差，以及煤矸石自身的酸碱度、自燃性等特征，因此应首先采取削坡、修建排水沟、建设挡墙等工程措施，消除煤矿废弃地的安全隐患，并在其上进行客土改良，恢复煤矿废弃地的土壤环境，然后再在煤矿废弃地进行植被恢复，选择生长快、抗旱抗逆性强的树种进行种植[3]。

本研究拟在门头沟区龙泉镇的滑石道矸石山的平台上选择一块区域作为试验基地，选择10种抗逆性强的树种作为供试植物，通过测定株高、地径、冠幅生长量等生长指标和叶绿素含量、超氧化物歧化酶(SOD)活性、过氧化氢酶(CAT)活性等生理指标[4]，对10种植物的适应性指标测定值进行综合研究、分析及评价，筛选出可在煤矿废弃地生长的先锋树种，以及适宜在煤矿废弃地环境生长的景观树种，以丰富矿区废弃地的树种多样性，提高矿区废弃地的自然景观效果，同时也为生态恢复的树种选择提供科学、准确的信息。

1 研究区概况

1.1 项目区位置

门头沟区属于北京市远郊区，地处北京市西南部，位于东经115°25′00″～116°10′07″、北纬39°48′34″～40°10′37″之间。门头沟区龙泉镇煤矸石山植被恢复及景观建设工程涉及的三处煤矸石山位于门头沟区龙泉镇范围内。龙泉镇处在门头沟新城(简称“门城”)地区的西北部，九龙山下。门头沟区在新城规划中将龙泉镇划为新城建设区。

门头沟区龙泉镇煤矸石山植被恢复及景观建设工程已于2012年底建设完成，将堆积了300余万m3的三处煤矸石山改造成为集居民休闲、健身、娱乐、避险为一体的遗址公园，实现绿化面积28.93 hm2，栽种了各类乔灌木约6.4万株。

项目涉及的三处煤矸石山分布在九龙山山脚与门头沟路之间，呈东北—西南走向分布。最东边为东龙门矸石山，东龙门矸石山的东面为向阳街，南面正对增裕路，延伸至城区南部；最西边为滑石道矸石山，滑石道矸石山的东南面为居住小区；东北偏北方向为石港矸石山，矸石撒落在九龙山脚上部被破坏的坡面上，形成了煤矸石山。

本试验地设在滑石道矸石山的平台上。滑石道矸石山建设面积约为46.33 hm2，背靠九龙山，南侧有东西走向的门头沟路，东、南两侧居民区较多。矸石山由东、西两座并列的山体组成，中间隔一道山谷，两座山体南北两侧均有道路相连。

1.2 地形地貌

项目涉及的三处煤矸石山坡脚下部地形复杂，居民区不断由平地向南坡扩展，形成一个个台地。东龙门矸石山大体上为圆锥状，矸石山的北坡已被破坏，矸石山下有平台，矸石山相对高度为70 m；滑石道矸石山由东西两座并列的山体组成，中间隔一道山谷，两座山体南北两侧均有道路相连，东部矸石山基本保存圆锥状，相对高度39 m，平均坡度为40°～45°，西部矸石山相对高度94 m，由多层相互交错的矸石堆组成，坡度均在30°～45°之间，并有部分平台；石港矸石山处于九龙山遭到破坏的坡面上，地貌分为东西两部分，西部为煤矸石堆放地，煤矸石堆放在山坡上，相对高度为97 m，坡度为40°～45°，地面有房屋建筑和两座砖窑。

1.3 土壤、植被情况

项目区处在低山丘陵区，周边土壤为山地淋溶褐土、碳酸盐褐土。矸石山砾石较多，没有土壤。

项目区周边植被，乔木有山杏、臭椿、榆树等，灌木有荆条、酸枣等，草本以白草、狗尾草为主。

1.4 水文情况

龙泉镇东部有永定河，南部有一条从西部山区流向东部永定河的排洪水渠，除雨季外其他季节均干涸无水。故项目区不能借助该两处自然水源用于植被恢复工程，需打井解决水源问题。

1.5 气象情况

龙泉镇属于门头沟区新区，气候属中纬度大陆性季风气候，春季干旱多风，夏季炎热少雨，秋季凉爽湿润，冬季寒冷干燥。年平均气温11.7 ℃，极温最高为40.2 ℃、最低为-19.5 ℃，冬季漫长，达169 d。春秋境内风霜频繁，平均风速2.7 m/s，8级以上大风年均21次，无霜期200 d左右，年均日照时数2 470 h，多年平均降水量500 mm，年际变化大。

2 试验材料与方法

2.1 试验材料

本试验主要选取了2010年在门头沟区龙泉镇三处废弃煤矸石山上种植的荆条、紫叶小檗、千头椿、珍珠梅、丁香、柠条、白蜡树、黄栌、油松、元宝枫10种抗逆性强的适生树种作为供试材料，栽植时的苗木规格见表1。

植被恢复前期，采取削坡、修建格宾挡墙和土工格室、敷设管线等工程措施对矸石山进行了整治。由于煤矸石山的矸石风化不完全，颗粒较粗，结构松散，不保水肥，土地贫瘠，因此为保证植物成活，进行了客土改良，客土厚度为40 cm。

表1 10种木本植物苗木规格

2.2 试验方法

在滑石道矸石山上测量出1.5 hm2的地块作为试验区域。供试的10种植物，每种选取10株进行相关试验。分别于2012年9月和2013年10月在野外测定10种植物的株高、冠幅及地径并记录，计算其年生长量。根据当时的栽植表，结合实际统计苗木的成活率。2013年9月采集10种植物的叶片，装在冰壶中，带回室内进行生理指标测定。生理指标的测定主要采用分光光度法、氮蓝四唑(NBT)光化还原法[5]和高锰酸钾滴定法[6]。

2.2.1 生长指标测定

在野外统计10种植物的成活率，测定10种植物的株高、地径和冠幅年生长量情况，并记录。

2.2.2 叶绿素含量测定

高等植物体内有叶绿素a和叶绿素b两种叶绿素，二者均易溶于乙醇、乙醚、丙酮和氯仿。本试验利用分光光度法测定10种植物体中叶绿素的含量。

称取一定量的植物叶片，首先将叶片表面的污物清理干净，并去除叶片的中脉，然后剪碎待用。

量取2 g剪碎的叶片，将剪碎的叶片及少量石英砂、碳酸钙粉、3 mL的95%乙醇一同放入研钵中，仔细研磨制成匀浆；再将10 mL乙醇加在匀浆中并继续研磨到组织变白时为止。然后静置于桌面三五分钟。

取1张滤纸，放在漏斗中，然后用乙醇浸湿滤纸。将提取液沿玻璃棒缓慢倒入漏斗中，再将滤液倒至100 mL容量瓶中；最后对研钵、玻璃棒及残渣用少量乙醇反复冲洗，一起倒入漏斗中。

吸取少量乙醇，慢慢冲洗滤纸上残留的叶绿体色素至容量瓶中，直到将滤纸冲洗干净时停止。最后用乙醇定容至100 mL，摇匀待用。

称取上述叶绿体色素的提取液，分别在不同的波长下测定其吸光度，用95%乙醇作为空白进行对照试验。

分别计算10种植物体中叶绿素a、叶绿素b及总叶绿素的含量，并记录。

2.2.3 酶活性测定

(1)提取酶液。称取新鲜植物叶片0.5 g，放在研钵中，将1 mL磷酸缓冲液(pH值=7.8，0.05 mol/L)加入研钵中，将研钵置于冰浴中进行研磨，然后再在研钵中加入4 mL磷酸缓冲液，最后将研磨液慢慢移入离心管中，等待平衡。在0～4 °C低温环境下进行离心20 min，转速12 000 r/min，然后冷藏保存。

(2)SOD活性测定。取1支试管，用滴管量取上清液0.02 mL加入其中；再准备2支试管作为对照试管，在其中也加入0.02 mL的缓冲液；然后在3支试管中均加入3 mL的反应液。分别将1支对照的试管放在黑暗中，另外2支试管置于4 000 lx日光灯下反应20～30 min(若温度高则可减少反应时间，温度低则应延长反应时间)，最后对比3支试管中反应液的颜色。

(3)CAT活性测定。称取0.03 mL上清液加入比色杯中，对照加磷酸0.03 mL，加反应液3 mL，然后在240 nm波长的环境下马上读一下数值。每间隔1 min读取并记录数值。

2.2.4 综合评价

在植物适应性评价中，隶属函数法是一种较为常用的对植物适应性多个测定指标进行全面性的、综合性的分析与评价的方法，其评价结果较为准确、可靠[7]。因此，本试验利用隶属函数值法，对10种植物的生长、生理适应性指标进行综合分析，确定植物的适应能力[8]。计算公式为

若为负值，则采用反隶属函数，计算方法为

式中：Zij为i树种j指标的隶属函数值；Xij为i树种j指标的测定值；Ximin、Ximax分别为i树种指标最小值、最大值。

3 结果与分析

3.1 成活率调查

从表2可以看出：试验中的10种植物，千头椿和元宝枫的成活率在80%以上，表明在煤矿废弃地环境中这两种植物能较快适应并生长；珍珠梅的成活率最低，仅为24.6%；另外7种植物的成活率均在60%～80%之间，说明这些植物也比较适宜在煤矿废弃地的环境中生长。

表2 10种植物生长指标测定值

注：同列数据后不同字母表示相互间差异极显著(0.01水平)，下同。

3.2 生长适应性表现

从表2可以看出，10种植物的株高年生长量在0.50～8.36 cm之间。其中：株高年生长量最大的是荆条，为8.36 cm，极显著高于其他9种植物；紫叶小檗、千头椿和丁香的株高年生长量较高，均在3 cm以上，极显著高于其余6种植物；元宝枫和油松的株高年生长量均在2 cm以上，极显著高于白蜡树、黄栌、珍珠梅、柠条；黄栌及柠条株高年生长量极显著低于其他的8种植物。

10种植物的地径年生长量在0～1.15 cm之间。其中：紫叶小檗的地径年生长量最大，为1.15 cm；紫叶小檗、千头椿、白蜡树、黄栌地径年生长量极显著高于其他6种植物；元宝枫、珍珠梅、柠条次之，地径年生长量极显著高于荆条、丁香、油松；油松基本没有增长。

10种植物的冠幅年生长量在2.33～10.18 cm之间。其中：荆条的年生长量最大，为10.18 cm，千头椿和珍珠梅的年生长量较大，均在9 cm以上，此3种植物冠幅年生长量极显著高于其他7种植物；其次为丁香，冠幅年生长量为5.30 cm，极显著高于其余6种植物；再次为紫叶小檗，冠幅年生长量为3.35 cm，极显著高于油松、白蜡树、元宝枫、柠条；柠条冠幅年生长量最低，为2.33 cm。

3.3 生理适应性表现

植物的生理功能直接影响其生长表现。10种植物的生理指标(叶绿素含量、SOD和CAT活性)测定值见表3。

3.3.1 叶绿素含量

叶绿素是一类与光合作用有关的最重要的色素，是反映叶片生理状态的重要指标，其含量的变化与植物的生长、抗逆性有密切关系。从表3中可以看出，10种植物总叶绿素含量在0.25～1.49 mg/g之间，在1.0 mg/g以上的植物从大到小依次为：柠条、荆条、千头椿、元宝枫，其余植物的总叶绿素含量在1.0 mg/g以下。总叶绿素含量最大的植物是柠条，为1.49 mg/g，极显著高于其他9种植物；其次为荆条，总叶绿素含量1.15 mg/g，极显著高于其余8种植物；再次为千头椿和元宝枫，极显著高于剩下的6种植物；白蜡树总叶绿素含量最低，为0.25 mg/g，极显著低于其他9种植物。10种植物中叶绿素a与叶绿素b的比值都在2.0以上，表明这些树种易于在光照充足、干旱的环境中生长。

表3 10种植物叶绿素含量和酶活性测定值

3.3.2 SOD和CAT活性

SOD和CAT均是植物体内的主要抗氧化酶。SOD是活性氧清除反应过程中第一个发挥作用的抗氧化酶。CAT普遍存在于植物的所有组织中，其功能是催化细胞内过氧化氢的分解。活性高，表明其抗氧化能力强，在逆境中，保护膜结构完整，证明植物具有较强的生命力。

从表3中可以看出，10种植物的SOD含量在34.79～239.01 U/g之间。其中：珍珠梅SOD活性最高，为239.01 U/g，极显著高于其他9种植物；荆条SOD活性次之，为223.87 U/g，极显著高于其余8种植物；之后依次为丁香、黄栌及元宝枫，SOD活性均在100 U/g以上，极显著高于剩下的5种植物；白蜡树SOD活性最低，仅为34.79 U/g，极显著低于其他9种植物。

10种植物的CAT含量在0.07～0.66 mg/(g·min)之间。其中：千头椿CAT活性最高，为0.66 mg/(g·min)，极显著高于其他9种植物；荆条CAT活性次之，为0.47 mg/(g·min)，极显著高于其余8种植物；再次为白蜡树，其CAT活性为0.13 mg/(g·min)，极显著高于剩下的7种植物。

3.4 生长与生理适应性综合评价

利用隶属函数法，计算出10种植物的隶属函数值，并算出平均值。对10种植物的均值进行排序，均值越大表明其适应性越强，详见表4。

表4 10种植物综合评价值

从表4中可以看出：供试的10种植物中，荆条和千头椿的隶属函数值均值较大，分别为0.92和0.84，说明这两种植物对煤矿废弃地环境的适应性较强，在进行矿区废弃地植被恢复中可将此类植物作为先锋树种利用；元宝枫、紫叶小檗、珍珠梅、柠条的隶属函数值均值均在0.4以上，表明此类植物也较适应煤矿废弃地环境，可用来丰富矿区废弃地环境的树种多样性和景观多样性。

4 结论和讨论

4.1 结 论

北京矿产资源的开采形成了大量的裸露山体和废弃矿场，对矿区的自然景观及生态环境造成了严重破坏，并带来了一系列的社会和经济问题。门头沟区龙泉镇煤矸石山植被恢复及景观建设工程是在生态恢复的基础上，建设城市休闲健身公园。

本试验选取了10种植物，通过测定株高、地径、冠幅的年生长量等生长指标和叶绿素含量、SOD活性、CAT活性等生理指标，进行综合分析评价，筛选出了适宜在煤矿废弃地生长的先锋树种及景观树种，为矿区生态恢复树种选择提供了科学依据。

研究结果表明：不同树种的年生长量(株高、冠幅、地径等)和生理指标(叶绿素含量、SOD和CAT活性)均呈现出极显著的差异。通过对10种植物的隶属函数值均值进行排序，可知荆条和千头椿的生长适应性较强，在煤矿废弃地植被恢复中可将其作为先锋树种；元宝枫、紫叶小檗、柠条和珍珠梅也较适应煤矿废弃地环境，可用来丰富矿区废弃地生态恢复中树种的多样性，提高矿区废弃地的自然景观效果。

4.2 讨 论

在后续废弃矿山治理过程中还应做到以下几个方面：

(1)加强矿山废弃地上树种生长状况的研究，在试验的基础上不断增加物种引入的数量，选取更多的生理生化指标并结合生长指标，对树种适应性进行系统性、全面性的综合评价，从而提高研究结果的科学性和准确性，为矿区废弃地的生态重建筛选出更多适生树种和景观树种。

(2)加强对恢复植被的抚育管理，使其能长期发挥稳定的生态效益。

(3)充分利用矿区废弃地生态修复后形成的林木景观资源、土地资源，加大生态旅游、种养殖业、休闲公园等后续产业的开发利用，并形成产业链，以更好地带动地区经济的可持续发展。

[1] 武雄,韩兵,管清花,等.北京市固体矿山生态环境现状及修复对策[J].地学前缘,2008,15(5):324-329.

[2] 王丽艳,刘光正,张正梁,等.煤矸石废弃地生态恢复植物种的筛选[J].林业实用技术,2012(10):5-8.

[3] 程小琴,赵方莹.门头沟区煤矿废弃地自然恢复植被数量分类与排序[J].东北林业大学学报,2010,38(11):75-79.

[4] 廖蓓.煤矿废弃地生态恢复与景观设计研究[D].上海:上海大学,2013:50-51.

[5] 邹琦.植物生理学实验指导[M].北京:中国农业出版社,2000:17-29.

[6] 张宪政.作物生理研究学[M].北京:农业出版社,1992:46-68.

[7] 刘华,王峰,李娜,等.隶属函数值法对12个树种抗旱性的综合评价[J].农学学报,2010(10):39-41.

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(责任编辑 徐素霞)

S157.2

A

1000-0941(2017)10-0021-05

侯巍(1981—)，男，吉林九台市人，工程师，主要从事水影响评价、水土保持方案编制和监测工作。

2017-05-15