桂林石灰岩矿山采损岩质边坡复绿植物的优选研究

周 航 梁德贤，2 唐久龙 胡骏鹏 庞淇元 叶立志 韦建行 肖丽凤

（1.桂林理工大学地球科学学院；2.自然资源部南方石山地区矿山地质环境修复工程技术创新中心）

矿山长期无序、野蛮开采形成了大量裸露岩质边坡，破坏了原有的植被覆盖层，进一步加重了水土流失、滑坡、泥石流的发生，因此矿山生态环境修复刻不容缓。生态修复过程中达到的理想状态一般是植物与环境之间相互促进协同进化，然而植物的选择直接影响协同进化的关系，因此合理选择植物十分重要［1］。

国内外对特定区域或限定条件范围下植物选择研究颇多，而研究方法多是基于实验探究的定量分析。田宇等［2］针对黄冈市露天矿山提出选择复绿植物需要遵循“因地制宜”的生态原则、乡土树种优先原则和生物多样性原则。白光宇等［3］认为在选择复绿植物时，如果乡土植物无法满足要求，可以适当引进适应能力强的优良植物品种。层次分析法是一种定性和定量相结合、系统化和层次化的分析方法，其应用思路为将植被生长所需的温度、光照、水分和土壤进行排序，经综合分析来决定种复绿植被［4］。这与人们对某一复杂决策问题的思维与判断过程大体一致［5］。牛鹏飞［6］提出在进行桂林石灰岩采矿场植被恢复时，应选取当地生长能力较强的植物。韦银泽［7］选用小叶女贞树、爬山虎和草籽等复绿植被，采用灌草结合的方式对桂林荔浦某石灰岩矿山采损区进行复绿。刘诗云等［8］选用爬山虎种植在坡脚的方式对桂林永福石灰岩矿山采损区进行掩盖复绿。盘小新［9］认为桂林某石灰岩矿山采损区应采用播撒草籽方式进行生态复绿。可以看出，现有的对桂林石灰岩矿山采损生态脆弱区的复绿植物选择与配置研究仅仅停留在经验，很少采用统计决策方法进行复绿植物的选择，建立完整的复绿植物选择与配置流程。

本文针对桂林市矿山采损岩质边坡土壤贫瘠、温度高、水土流失严重等特点，建立了岩质边坡生态修复植物评价指标体系，以野外调查得到的乡土植物为研究对象，运用层次分析法和TOPSIS法进行草本植物、灌木、乔木及藤本植物的优选。

1 区域概况

研究区位于广西的东北部，南岭山系西南部区域，包括临桂、灵川2个县份以及桂林市区的部分废弃矿山采损岩质边坡。该区属于中亚热带季风气候区的桂东北北部气候区，光照充足，年日照时数在1 300～1 600 h；年平均气温17.8～20.2℃，1月最冷，平均气温5～9℃，最低气温-3.0～-7.5℃。7月最热，平均气温26～29℃，最高气温38.3～40.4℃；雨量充沛，年平均降水日数166 d，年平均降雨量1 820.5～2 004.4 mm，年平均蒸发量为1 490～1 905 mm，年平均相对湿度76%。雨热同季，气候温和湿润，水热条件皆良好，夏长冬短，适宜植物生长发育。

研究区域内矿山采损岩质边坡原生植物多为草本、灌木及乔木。区内土壤贫瘠，主要土壤类型为石灰土和红壤土，其均缺少部分植物生长所需的营养成分；区内各边坡特征不同，有许多陡坡种植难度大，植物生长环境艰苦；区内全年温度较高，大多植物难以完成群落演替。基于各种自然地质环境条件，需要设定不同的要求以选择植物优势种，完成群落演替，最终达到矿山修复目的。

2 研究方法

2.1 野外调查方法

本研究利用样方法对研究区进行野外踏勘调查。对每一个边坡选取2～3个样方，总共调查了38个岩质边坡并设置了94个大小不一的样方，采集植物的株数、每株植物遮阴面积、植物遮阴总面积和取样面积等数据，运用App详细记录植物的种类、长势、生态特征等植物信息。对于无法确定的植物种类，现场拍照记录采集叶片标本后带回室内，对照广西植物志进行鉴定。

将采集到的所有信息按照植被类型分类整合处理，计算植物的密度（株/m2）、株数/丛数、平均盖度（%）、相对优势度以及不同植物类型中乔木、藤本、灌木和草本植物的重要值等指标，根据植物群落优势种测度公式［10］计算得到群落物种优势种数量，并最终排序得到各种类植物的优势种。

2.2 植物选择方法

运用层次分析法确定各评价指标因子的权重，运用TOPSIS法得到各植物的综合评分，将评分排序得到桂林石灰岩矿山采损岩质边坡复绿植物的优势种。

2.2.1 层次分析法

根据研究区的生态环境特征确定评价指标因子，结合研究区的自然地质环境情况确定各评价指标权重。

2.2.1.1 评价指标因子的确定

由于裸露的岩质边坡缺少土、水、肥等植物生存的基本条件，在其生态治理过程中，要求选择的植物能够在恶劣环境中正常生长，它们常具有耐旱、耐高温、耐贫瘠、耐寒、耐盐碱、耐污染等特点［11］。结合桂林市自然环境特征，查阅文献、咨询植物学专家，最终确定主准则层的四大准则：抗逆性、生物特性、经济价值和景观价值；指标层的耐旱性、耐贫瘠性和光照强度3项隶属于准则层的抗逆性，覆盖度、根系固土能力和植物密度3项隶属于准则层的生物特性，种苗价值、栽种价值2项隶属于准则层的经济价值，景观效果隶属于准则层的景观价值。

2.2.1.2 建立AHP层次结构模型

确定指标因子后，构建层次结构模型，见图1。

2.2.1.3 评价指标权重确定

在矿山岩质边坡原生植物的调查中，针对评价指标，覆盖度和植物密度可由数据统计得到，而其他7个指标的量化数据要根据专家打分、问卷调查和查阅文献3种方法综合确定。首先对各元素利用Saaty1～9标度法两两对比打分构建判断矩阵，再对矩阵分别进行一致性检验，最终用特征值法得到各评价指标权重值。主观赋值法主观性较强，但层次分析法运用数学分析的方法对权重进行了修正，降低了主观影响，使权重结果更科学合理［12］。

2.2.2 TOPSIS法

采用优劣解距离法（TOPSIS）计算评价对象的综合评分。TOPSIS法是一种接近理想解的排序方法。首先根据各评价指标的评价标准对每一个评价对象进行打分建立原始数据矩阵，其次将得到的矩阵标准化处理，找到所有方案中的最优方案和最差方案，获得各评价对象与最优、最差方案的距离，最后计算各评价对象与最优方案的相对接近度，结合各评价指标权重获得最终评分［13］。该法能够充分利用原始数据的信息，结果能精确地反映各评价方案之间的差距。

根据各评价指标内容，桂林市岩质边坡原生植物调查情况综合制定评分标准。每个评价指标分为3个等级，分别为优、良和差，对应分值为7、4和1分。具体复绿植物选择评价指标评分标准见表1。

3 复绿植物优势种选择

3.1 植被的组成

根据样方调查资料统计结果表明，研究区内的植物共计143种，隶属于56科115属，豆科植物种占总数的11%，菊科和禾本科分别占总数的10%和8%。根据调查结果统计，草本植物种类最多，有61种，占总数的43%；其次是灌木植物种，有50种，占总数的35%；乔木植物种有20种，占总数的14%；灌木植物种最少，只有12种，仅占总数的8%。

整理野外调查数据可以得出，鬼针草和狗尾草密度均大于100株/m2，其中87种植物密度小于1株/m2，有54种植物密度在1～100株/m2；牡荆频度最高为0.531 9，其余植物频度均小于0.5。有17种植物频度在0.1～0.5，余下的125种植物频度均小于0.1，最小为0.010 6；种间优势度野菊最高为12.58，其次是牡荆和鬼针草。有19种植物优势度大于1，有63种植物优势度在0.1～1，剩下61种植物优势度小于1。

经过对野外调查结果计算处理得到不同种植物特征，见图2。

3.2 复绿植物优选

3.2.1 各评价指标权重

各判断矩阵权重值如表2～表5所示，4个判断矩阵CR值均小于1，满足一致性检验。采用图1建立的植物选择评价体系，各指标权重值如表6所示。

3.2.2 各评价对象综合得分

通过查阅文献以及咨询植物专家对各评价对象按照复绿植物选择评价指标标准进行评分，结合各评价指标权重计算得到各复绿植物的综合得分指数并排序，详细结果见图3。

根据综合得分指数来看，得分指数较高的植物为桂林市矿山岩质边坡适宜复绿植物。可以看出适宜的草本复绿植物为狗尾草（0.052 1）、艾（0.052 1）、鬼针草（0.048 1）、黄茅（0.046 4），适宜的灌木复绿植物为牡荆（0.072 5）、苎麻（0.062 2）、双荚决明（0.06）、檵木（0.06），适宜乔木复绿植物为构树（0.153 4）、山槐（0.113 3），适宜的藤本复绿植物为葛（0.144 2）、络石（0.118 5）。

3.3 复绿植物优势种

通过计算得到桂林市矿山岩质边坡复绿植物的优势种有12种（图4），草本植物的优势种有鬼针草（11.7%）、狗尾草（9.3%）、野菊（4.97%）、黄茅（4.04%），灌木植物的优势种有牧荆（7.2%）、红叶山麻杆（3.58%）、苎麻（2.66%）、野桐（2.41%），乔木的优势种有构树（1.85%）、花椒（0.67%），藤本的优势种为龙须藤（2.79%）、地锦（0.6%）。

对比复绿植物优势种和复绿植物评分结果，两者相差不大，说明本方法运用在植物选择中可行。综合二者结果，最终选定狗尾草、鬼针草、黄茅、荩草、牡荆、野桐、苎麻、双荚决明、构树、山槐、络石和龙须藤12种植物作为桂林市矿山岩质边坡复绿植物。

4 结语

通过对桂林市石灰岩矿山采损岩质边坡周边的原生植物特征的调查分析，了解到研究区主要的植物有56科115属143种，基本形成了乔、灌、草搭配的生长模式。利用层次分析法从抗逆性、生物特性、经济价值及景观价值4个方面为矿山生态修复乡土植物选择提供科学依据；利用TOPSIS法对植物进行客观评价并得到综合评分，最终针对桂林石灰岩矿山的岩质边坡的特点以及桂林市自然环境特征选择了狗尾草、鬼针草、黄茅、凤尾蕨、荆条、野桐、苎麻、牡荆、构树、榆树、地锦和葛作为复绿植物进行生态修复工作。