额尔齐斯河源流植被受损区生态恢复效果研究

叶尔肯·扎木提

(新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局，新疆 乌鲁木齐 830001)

生态恢复是利用生态系统的自我恢复能力，辅以人工措施，使遭到破坏的生态系统逐渐恢复或使生态系统向良性循环方向发展[1]。对受损区生态恢复效益评价是恢复生态学理论与实践研究中的一个重要组成部分，所谓效益评价是判断恢复措施的生态效益与投入成本间的关系，分析生态恢复工作对生态环境各方面引起的效应[2]。目前已有很多评价方法，如关联矩阵法、层次分析法、加权综合指数法、加乘综合指数法、模糊数学发、灰色系统法[3-9]，但由于各种评价方法的指标体系还没有完全建立，真正应用于实际评价的方法还不多见。本文在前人研究的基础上，研究生态恢复效益评价的内涵、方法、指标体系，旨在推动研究区生态恢复工作继续深化落实，切实提高综合效益，指导同类型受损区生态恢复实践。

关于水源地生态环境日趋恶化的问题，已引起人们的广泛重视。对于额尔齐斯河流域源头两河源保护区，其生态破坏势头没有根本遏制，部分地方出现水量减少、植被破坏严重、大面积石漠化与水土流失现象，这与采矿活动有密切关系。受成矿条件的控制，本区采矿活动主要集中在河床与河漫滩上。采矿活动对受损区的破坏主要变现在地形破坏，土壤细颗粒物质被河水冲洗全部带走，只留下粗大的砾石，随土壤的破会，植被几乎消失殆尽。

本研究基于快速增加受损区内的植被面积，有效提高植被覆盖率，实现生态系统的恢复的目的，选择10种恢复措施，布置2种单一恢复措施样地、18种叠加恢复措施样地，试图回答：(1)随恢复措施的不断叠加，生态效益与经济成本变化的过程？(2)如何利用恢复措施和治理成本的关系选取适宜推广的恢复措施？

1 研究区概况

额尔齐斯河源头两河源国家级自然保护区位于中国的西北边境，与蒙古接壤，为典型的大陆性温带寒冷气候区。由采金造成的植被受损区位于海拔1500～2100 m之间的真草原；土壤类型主要为灰色森林土；建群种是真旱生、广旱生的多年生植物，其中以丛生禾草为主；本区气温较低，年平均温度在-2 ℃左右，年降水量在300～500 mm；区内野生动植物物种丰富，是重要的生物多样性基因库。

从20世纪70～90年代，对矿产资源掠夺式的开采，对本区的生态环境造成了极其严重的破坏，采矿使原本平坦的河道变得支离破碎，沟谷沿岸大面积植被破坏，砾石堆积，成为严重的水土流失区，与河谷两岸秀丽的自然景观形成鲜明的反差。

图1 实验区样地位置Fig.1 Location of the sample site in the experimental area

2 材料与方法

2.1 试验设计

本试验的研究工作于2010年开始，以采矿后植被受损区为研究区，试验面积334.7 hm2。通过大量实地调研，针对地形起伏加大、土壤流失、砾石堆积、天然植被消失殆尽等现象，分别从地形、土壤、地表植被、水分四方面的恢复入手布置恢复试验，共采取88种恢复恢复措施。本文选择2种单一恢复措施(针对生态破坏的某一方面进行恢复的措施，例如：对地形恢复的粗推措施，对土壤恢复的覆土措施)、18种叠加恢复措施(同时对生态破坏的多个方面进行恢复的措施，例如：对地形、土壤恢复所采取的粗推+覆土措施，对土壤和植被恢复所采取的覆土+人工补种措施)的试验样地(每样地面积为4.8 km2)，各样地原始生境相同，地形起伏大、砾石裸露、植被盖度不足1%。

2.1.1 地形整理试验

采矿活动扰动沟坡地表，使地形起伏加大，垂直落差由0 m增大到20～30 m，平均接近5 m，并进一步造成河道阻塞、加剧水土流失、增大滑坡与泥石流等地质灾害风险。针对这一问题，采取了不同类型的地形整理措施。

(1)粗推：利用推土机等机械将含有大块砾石和细小碎石混合尾矿堆推平(垂直落差1 m左右)，对坡度较陡、坡面较长的渣坡，做放坡处理。施工过程中，保留车辙、铲勾痕迹等微地形，以利于灌木、乔木等幼苗生长。

(2)精推：利用推土机、挖掘机等机械将大块砾石搬离受损区，并用推土机和压路机将细小碎石推平压实，地表以下0.5 m内形成致密稳固的尾矿区。对坡度较陡、坡面较长的渣坡，做放坡处理。

2.1.2 土壤恢复试验

受损区地表土壤被剥离、深层土壤流失，沙石裸露，缺乏植被生长的土壤条件。为实现矿区生态恢复，需要创造植被生长的有利条件。为此设置4种恢复措施。

(1)覆土：土源选择当地采金前保留下的地表土、废方，减少二次破坏，覆土厚度2～5 cm。

(2)羊群驻扎：在推平的试验地引羊群驻扎，借助羊粪和粪便中的草种进行恢复，驻扎约300只羊，驻扎时间为7月初，持续20 d，于第2年监测恢复效果。

(3)覆羊粪：在平整后的受损区内，人工均匀撒羊粪，因为羊粪为热性肥料，用量过多会有烧苗现象，所以设置1.5 cm羊粪厚度，1 a后监测恢复效果。

(4)喷泥浆：将土壤、以及含有保水剂、粘合剂、长效有机肥等材料的水分，按4∶6的比例与植被种子均匀混合喷射到边坡，在坡面构建一个具有自生长能力的生态固坡系统。

2.1.3 地表植被恢复试验

受损区内基本无植被覆盖，鉴于补充当地物种可以有效的增加植被盖度和物种多样性，达到“因地制宜”的效果，因此从补充种源、人工补植的角度，设置以下2种恢复措施来促进采金受损区的植被恢复。

(1)人工补种：选择当地常见乔木、灌木树种，西伯利亚落叶松(Larixsibirica)、雪岭云杉(Piceaschrenkiana)、野苜蓿(Medicagofalcata)3种草籽，混合均匀后撒播在治理区，撒播时间每年6月，连续播撒3年。

(2)人工补植：本区光照充足，降水丰富，与波兰、瑞典、德国等同处在世界浆果带上，在土地平整的基础上种植黑加仑(Ribesnigrum)，黑加仑栽植时间为每年5—9月份中旬，采用2～3 a扦插苗穴栽，在定植穴内种植黑加仑幼苗，坑内覆土，一般株行距为1 m×2 m。

2.1.4 水分补给实验

充足有效的水分是植物种子萌发、植株生长发育的前提[10]。为保障补种、喷泥浆拌种植物的成活率，必须加强水分管理，采用了河水漫溢、滴灌2种灌溉方式。

(1)河水漫溢：靠近河道的受损区，通过地形改造，放缓坡度，扩大河水漫溢区，每年漫2～3次。

(2)滴灌：布设滴灌带，在每年的5—8月进行补水，灌溉水量为5～7 m3/hm2。

2.2 野外调查

在2011—2015年间，于每年的8月份(植被生长最旺盛的时期)，对试验区的植被进行连续监测。

2.2.1 植被调查及地上生物量测定

在每种恢复措施样地内随机取5个1 m × 1 m的样方，进行植被调查。记录每个样方内的物种总类(N)、每种的个数(n)、高度(h)和盖度；然后齐地面将草本地上部分剪下，在精度为0.5 g电子天平上称重，为地上部分生物量鲜重，记录数据m鲜，本研究所用地上生物量数据为鲜重。

2.2.2 土石比测定

在上述1 m ×1 m样方中获取地上生物量m鲜后，在样方内选取1个土石比样方(规格：40 cm × 40 cm，深度20 cm)。将样方内土壤和石块全部挖出，用圆木棍将土样碾碎，仔细挑去植物根茎和其他杂物，使土样过5 mm筛目，能过5 mm筛目的土样记作土壤M1，不能过5 mm筛目的土样记作石头M2，分别将二者在在1/1000电子天平上称重，记录M1、M2值，计算土石比W，即：

W=M1/M2

(1)

2.2.3 恢复成本

通过向生态修复工程相关部门的咨询，获得成本资料(价格浮动区间在200～300元/hm2)，见表1。

表1 恢复措施的治理成本Tab.1 Governance costs of recovery measures

2.3 数据处理

2.3.1 物种多样性和相似性计算

根据植被样方调查数据，进行物种多样性、相似性指数计算，其中物种多样性采用Shannon-Wiener指数(H′)，均匀度采用Pielou指数(Jsw)，群落优势度采用Simpson指数(D)。计算公式为:

丰富度指数(Richnessindex)[11]：

(2)

Shannon-Wiener指数(H′)[12]：

H′=-∑PilnPi

(3)

Pielou指数(Jsw)[12]：

(4)

Simpson指数(D)[12]：

(5)

相似性指数：Sorenson指数[13]：

(6)

式中：S为出现在样方中的物种数；Pi=Ni/N(N为群落中所有种的重要值之和；Ni为第i个种的重要值)；C为相似系数；j为两样地共有的物种；a和b分别为废弃矿区与原始草地的物种数。

2.3.2 植被恢复效果评价

植被恢复效益指标是将量纲不同的各指标标准化处理[14]，标准化后各指标值均在0～1之间。选取植被盖度、地上生物量、物种多样性指数、相似性指数计算恢复的生态效益，植被恢复效益指标(E)公式如下：

(7)

式中：Qij为第i项措施的第j个指标。

2.3.3 生态效益评价

运用综合指标法计算生态效益指标(EO)，从各措施样地内地形、土壤(土石比指标)、地表植被(植被盖度、物种多样性、地上生物量、群落相似性)三方面的恢复效果出发，将量纲不同的各指标标准化处理，标准化之后的各指标值均在0～1之间。基于专家打分法，确定出地形、土壤、地表植被的权重，模型由各单因子指标以及对应权重乘积相加。生态效益指标值越高，表示对受损区生态恢复效果越好。

(8)

式中：HR为第H个恢复措施第R个指标，R为第R指标的权重。

2.3.4 生态-经济综合效益指标

矿区恢复最核心的2个问题是恢复效果和治理成本[15]，选择各措施的生态效益指标和成本指标，计算各恢复措施的生态-经济综合效益指标(EOI)。参照APH层次分析法和综合指标法，公式如下：

(9)

式中：∂gEO是生态效益与权重乘积，Cp是第C个成本第p个指标，∂p为第p指标的权重。

3 结果与分析

3.1 单一恢复措施与叠加措施的生态效益比较

采金活动破坏了当地原有的地形，摧毁了土壤和植被[16-17]，引起区域内生态环境的退化。为了修复地形起伏大、砾石堆积、土壤有机质流失、植被丧失等方面导致的生态环境破坏，本研究设置单一措施和叠加措施，进行恢复效果的比较。

由于受损区地表无植被覆盖，生态效益基本为零(图2)；采取单一恢复措施(以地表推平措施为例)后，推平4 a和5 a后样地内的生态效益虽然较受损区分别提高了2倍和4.5倍，但方差分析表明二者与受损区的生态效益差异不显著(P>0.05)，且与原始草地的生态效益相比仍有极显著差异(P<0.01)。

如图2所示，采取叠加措施后的生态效益较单一措施提高了2.9倍，存在极显著差异(P<0.01)，虽仍与原始草地存在一定差距(P<0.01)，但恢复效果显著。可见，只采取单一恢复措施虽然可以改善受损区的生态效益，但与叠加恢复措施相比存在显著不足，这也说明只依靠单一措施进行恢复需要漫长的周期，采取叠加措施可以更有效的恢复受损区的生态效益。

图2 单一恢复措施与叠加措施的生态效益比较Fig.2 Comparison of ecological benefits between single restoration measures and superimposed measures

3.2 叠加恢复措施后生态效益和治理成本的变化趋势

鉴于上文的分析结果，采取单一措施的恢复时间长、治理效果差，要想更快速的实现恢复目标就必须采取多种措施的叠加恢复方式。在大量实地调研的基础上，选择植被恢复效果好的措施，开展对比试验，进一步分析随措施的叠加，生态恢复效果与治理成本之间的关系。

由于地形平整是受损区生态修复的基础，因此，研究中选择的恢复措施分别在粗推措施和精推措施上进行叠加。

如图3可看出，随措施的叠加，治理成本曲线呈上升趋势，生态效益曲线波动幅度较大。第1类生态效益超过成本效益，即恢复效果显著，治理成本低廉；第2类生态效益低于成本效益，即措施当下取得的生态效益小于投入的治理成本。在粗推措施基础上叠加的恢复措施，绝大部分属于第1类；在精推措施基础上叠加的恢复措施，绝大部分属于第2类。

在生态恢复实践中，在资金有限的条件下，建议首选生态效益与成本效益差值大的恢复措施，即措施投入成本低，生态恢复效果好，适宜推广应用。例如：粗推+河水漫溢措施，两者差值为0.26；粗推+覆土+覆羊粪措施，两者差值为0.23；粗推+羊群驻扎措施，两者差值为0.19。

图3 叠加措施生态效益与经济效益变化趋势Fig.3 Variation trend of ecological benefit and economic benefit of superposition measures

3.3 叠加措施的效益评价

为保证受损区生态修复项目向着预期目标发展，本研究选择地形恢复、植被恢复效果显著的措施进行叠加，继续开展实地监测工作、效益评价工作，对已有恢复措施进行改良与优化，对成熟可行的关键措施进行总结提升，转化为应用。

鉴于效益评价研究现状，本研究选用传统的成本效益比较法，计算叠加措施后，生态效益增加值与治理成本增加值之比，得出单位成本生态效益，筛选出适宜本区的恢复措施。

单位治理成本获得的生态效益值越大，即对矿区生态环境改善越显著。由表2可知，叠加河水漫溢措施后，每单位治理成本收获的生态效益为11；叠加喷泥浆措施后，每单位治理成本收获的生态效益为10.5；其次，叠加人工补种措施后，每单位治理成本收获的生态效益为7。

表2 采取单一恢复措施后生态效益与治理成本的关系Tab.2 Relationship between ecological benefits and gover-nance costs after single restoration measures are adopted

4 讨论

单一措施基本上是从某一个方面来考虑，存在一定的缺陷。这与白中科等[16]人在试论矿区生态重建中的观点吻合，即受损区生态环境问题是各种因素相互作用的结果，生态环境综合整治应以实现受损区生态全面恢复为最终目标，叠加措施的治理可以更好更快的实现这一目标。例如粗推+喷泥浆措施，考虑到受损区内砾石裸露，覆土极易被冲刷，坡度越大，植被恢复效果越差[18-20]。实地调查发现，植物多分布在石缝之间，原因是雨水冲刷使得土壤储存在石缝中，为植物生长提供条件，所以本研究为加速这一自然过程设置喷泥浆的恢复措施，土壤在水的作用下直接进入石头的缝隙，这样实际上是土、水和地形三方面修复。

受损区恢复的核心是生态恢复，治理成本是决定该措施能否大范围推广的关键，在开展生态恢复实践时，应尽量选择治理成本低廉(成本指标低)、恢复效果(生态效益指标EO高)显著的措施。例如：在精推基础上的覆土+补植措施，生态效益指标高达0.9，治理成本费约573.62元/hm2，两者差值为-0.23，治理成本高昂，推广难度很大；在粗推的基础上的覆土+补植措施，生态效益指标达0.84，两者差值为0.14，即恢复效果最显著，同时成本约减少233.45元/hm2；这也是生态恢复过程中大面积采取粗推措施的原因。

针对水源地的破坏现状，本文建议建立水源地生态保护和经营机制。水源地内企业的准入由政府审批部门、环保部门以及相应的监管机构三方审查，对可能影响水源地生态环境的企业层层把关，限制准入，从源头上防止水源地的生态破坏；尊重水源地内居民的生态知情权、参与权和监督权，通过听证会、论证会，广泛听取公众的意见，形成水源地保护的公众参与机制；建立相应的水源地生态破坏应急预案，在短时间内判断生态破坏的种类、机制、范围以及可能造成的危害程度，以便及时准确地处理生态破坏事故。

5 结论

(1)生态修复工作要有系统观念，包含水、土、气、生多个角度，地质、土壤、植被、水源等多个系统。根据受损区破坏情况，设计的叠加恢复措施可以使各系统相互促进，协调发展，提高受损区生态系统总体生产力和稳定性。

(2)在低投入的情况下，建议在本区采取粗推+河水漫溢措施、粗推+覆土+覆羊粪措施，治理成本低廉，适宜大范围推广；在资金充足的条件下，建议采取精推+覆土+补植措施。

(3)叠加河水漫溢措施后，每单位治理成本收获的生态效益最高，即在本区治理后，短期内可以看到最有效的生态恢复效果。