马钢姑山铁矿排土场复垦物种选择与土壤的关系

2022-11-08

长期以来, 矿产资源的开发利用在促进国民经济发展的同时, 也造成了水土流失、环境污染、景观破坏等生态环境问题[1～5]。矿山开采已成为迄今最大规模的破坏地表和生态系统的有组织的人类活动[6]。据统计, 全国因采矿破坏土地面积累计已达586万hm2, 破坏耕地约157万hm2, 且仍以每年4万hm2的速度递增, 使本已稀缺的土地资源呈急剧减少的趋势[7～8]。

我国现存大型矿山开采由于历史原因和技术所限, 开发利用过程中形成的露天采坑、排土场和尾矿库等大面积占压、损坏土地, 并对周边环境产生了非常不利的影响[9～11]。随着土地资源的紧缺, 排土场、尾矿库、露天采坑等矿业废弃地的生态恢复和开发利用变的尤为重要[12～14]。排土场做为矿区生态系统的一部分, 其生态恢复的初期目标应该是将其恢复为防护性生态系统, 通过林草措施使其复绿, 以改善不良景观效果[1～2], 此过程主要是通过人为引入林草植被, 短期成林形成防护功能。众多的实践证明, 林草措施是最为有效的生态恢复模式[15～16]。

马钢姑山铁矿钟山排土场是该矿最大的排土场 (现已服务期满) , 占地约20hm2。该排土场是由大量采矿剥离物及上层表土混排堆积而成的, 由于历史和技术原因其未按要求来构建, 使植被恢复和土地复垦难度增加。为了改善矿区生态环境, 该矿在1992～1995年针对人为引入物种进行了研究, 确定了所选物种的生态适应性, 具有一定的参考价值[17]。本研究是在其基础上的延伸, 以期为该矿其它排土场的生态恢复提供指导。

1 实验区概况

钟山排土场为马钢姑山矿的排土场之一, 近年已到服务期。该排土场构建时未进行表土剥离, 大量表土被压于废弃土渣下面, 而岩层及半风化母质均堆在上层, 石砾含量高, 粘土类物质较少, 土壤瘠薄, 水土流失严重。对排土场平台而言, 表层土被严重压实, 容重大, 土壤渗透系数低, 一般植被难以生长。

为了贯彻国家法律法规规定和改善高速路 (马芜高速) 两边的景观, 必须对其进行生态恢复。该排土场通过人为引进植物和自然恢复, 植被覆盖率以达到60%～80%, 以草本和小灌木为主, 其中人工引入的物种为杨树、樟树、葡萄、油桃、构树等, 自然恢复的物种以苍耳、草等草本为主。

1.1 土壤取样

本实验通过对不同堆积时间的土壤进行取样分析, 从而来确定土壤和复垦模式之间的相互关系。土壤取样具体采用S型样线取样, 取样深度0cm～25cm, 每个时段取样个数为15个。然后将所取15个样点的土样混合, 作为该时间段的测定样品。测量指标主要有pH值、电导率、全氮、速效氮、有机质等。取样时间为1995年和2008年。

1.2 复垦模式选定

为了分析复垦模式与土壤之间的关系, 选取的物种分为经济树木、灌木、护坡草本三类, 前期 (1995年) 采用无覆土栽植, 物种详见表1, 后期 (2008年) 为客土栽植, 物种特性详见表2。

2 结果与分析

2.1 排土场土壤状况比较

不同时期的土壤状况分析表明, 两个时段的土壤pH值均在7.0～7.8之间, 体现了该排土场土壤环境为弱碱性。同时排土场中石渣的有机质含量均比其它区域的有机质含量低。前期石渣中全氮含量最高, 而在后期则为风化黄土中含量最高。前期黄粘土中速效磷含量最高, 达到了6mg/kg, 后期则以风化黄土最高, 为118.97g/kg。早期速效钾含量以黑泥沙中最高, 后期则以风化黄土中含量为最高。从同一时期的土壤含量分析来看, 前期各类土样的测定指标的最大值较为分散, 而后期相对集中, 风化黄土各指标值 (pH值除外) 均比其它土样高。后期各类土样中有机质和全氮含量均比前期要高, 这可能与长时间的风化和人为活动有关。

2.2 复垦模式分析

实验结果表明, 所选植物在准盆栽方式下均能成活。在自然条件下, 先锋植物种植均能正常发芽。黑莓在生长后期大部分能开花结果, 但大多数果实成熟之前均自然脱落, 这可能与根系生长环境和肥力不足的有关。杜仲等树木, 在不浇水的状况下, 均全部成活且长势旺盛。边坡种植的弯叶画眉草生长良好, 且保水保土效益明显, 说明其适宜用于排土场边坡的植被恢复。另外, 排土场植被恢复所选的乔木物种均表现了较强的生态适应性。

后期所采用的客土栽植提高了植物的成活率。所选物种以速生乔木、乡土树种及改良物种为主, 其中乔木栽植是该排土场植被恢复的主要模式。实验区选用杨树和香樟块状混交造林, 该模式主要应用于高速公路两边, 从树木成活率和生长状况来看, 该模式具有较好的生态效益和经济效益。另外, 恢复过程中在排土场内部平台种植了部分构树, 生长状况良好, 且自身繁殖更新效果较好, 说明其可以被广泛应用于排土场的生态恢复。

另外, 后期恢复中的果园模式为葡萄园和油桃园模式, 两种果树在栽植早期均能正常成活, 且在2～3年之后均达到了相应的产量, 但葡萄苗木在果实成熟之前存在严重的脱落、果裂和病态症状, 这可能与其所在区域的土壤特性有关。排土场在堆积过程中, 为了保证稳定, 各平台均采用了碾压后向上堆积的工艺, 因此果实脱落可能与根系生长碰到压实层、土壤肥力过低有关。因此在选取物种时应考虑排土场的形成过程, 或对土壤进行人工改良。

草本植物的应用是为了改良土壤和迅速实现植被恢复。选取的三叶草采用撒播方式, 出苗率较高, 但其植株明显较小, 而且叶色发黄, 表现出生长不良的状况, 这可能是受土壤板结和土壤肥力的影响。金针菜种植在平台边坡, 其适应性良好, 可在排土场边角地广泛种植, 具有较好的经济效益。

顶层平台采用全面覆流沙客土种植的模式, 厚度为0.5m。该模式从植物的生长状况来看, 植物长势良好, 完全没有表现出受土壤板结的影响, 这可能与所覆流沙性质有关。该流沙来源于矿山开采过程中的第四系流沙层, 其养分含量相对较高, 能够适应植物的生长, 但该模式成本相对较高且工作量较大, 不利于大范围推广。

从前后两种复垦模式的比较来看, 客土栽植模式更利于植被的生长。选取物种时选用当地乡土树种和改良性草本有利于迅速恢复当地的生态环境, 而且便于管理, 不会产生生物入侵等危害。通过分析, 不同时期的物种选择和复垦模式对于矿区植被恢复都有重要的指导作用, 但还应更加系统完善, 以提高当地的生态效益和经济效益。

4 讨论

4.1 土壤特性对植物生长的影响

土壤为植物的生长提供了必要的养分、水分、温度等。研究表明, 适宜作物生长的理想土壤结构为固、液、气三相比5∶3∶2[18]。土壤紧实度对植物的生长状况影响较大[19], 土壤紧实度过高会增加植物根系的机械阻力, 致使植物根系下扎受阻, 使植物生物量下降[20]。同时土壤容重过大时, 其矿化和硝化作用明显减弱, 主要表现为土壤微生物、土壤动物数量减少, 土壤微生物活性和根瘤菌固氮活性降低[21]。从不同时期的土壤结构来看, 早期排土场其压实作用比后期要小, 较适于多种经济林木的生长。而后期矿山生产运行[22], 排渣量的增加, 由于机械碾压和土体自然沉降, 增加了土壤的紧实度。另外, 排土场土壤肥力较低, 其含量不能满足经济型林木的生长, 这可能也是导致果树落果的重要原因。

4.2 复垦物种的适应性

从所选物种来看, 早期所选物种多为经济性植物, 具有一定的参考价值, 但与乡土树种比起来, 其适应性和抗性相对较差, 还可能引起生物危害[23]。后期复垦所选的物种以速生和乡土树种为主, 其具有广泛的适应性。从生长状况来看, 以用材和绿化为目的的乡土树种栽植生长状况良好, 管理成本相对较低, 可在矿区其它排土场复垦中广泛采用。从土壤养分分析来看, 排土场土壤肥力较低, 需要进行培肥, 因此生态恢复前期应以植被绿化和改良土壤为主, 尽量多采用乡土物种、豆科植物和不进入食物链的物种[24], 这样既能保证生态恢复, 又可保证系统健康。

4.3 人为活动对土壤的影响

不同时期土壤有机质含量的变化可能是由于人为活动引起的。后期栽植和管理中使用了有机肥或无机肥, 这使得测量结果高于早期。同时长时间的风化淋溶, 使得排土场各区域土壤中的某些元素含量增加。从影响速度和作用大小来看, 人为活动影响最大。

5 建议

通过对不同时期的研究结果进行分析, 明确了排土场生态恢复中应注意的两大问题, 即土壤问题和物种选择问题。结合当地实际情况, 应进一步加强后续研究, 为以后同一地区的矿山环境治理提供参考。同时应在排土场复垦过程中, 采用多种农艺方法, 通过合理的耕作制度来改善土壤特性, 增加其可垦性。另外, 应合理规划矿山生产活动, 采用采矿-排土-复垦一体化模式, 边排边复垦, 防止其板结、提高植被覆盖率。

摘要：矿山开采已成为迄今最大规模的破坏地表和生态系统的有组织的人类活动。随着土地资源的紧缺, 矿业废弃地的生态恢复和开发利用变的尤为重要。本实验通过对不同堆积时间的土壤进行取样分析, 从而来确定土壤和复垦模式之间的相互关系。该排土场土壤为弱碱性, 这可能与采矿母岩为碳酸盐有关。排土场中石渣的有机质含量均比其它区域的有机质含量低。从所选物种的栽植方式和生长状况分析来看, 客土种植植物成活率较高, 后期植被恢复所选的速生乔木和乡土物种均表现了较强的生态适应性, 平台上种植的草本生长不良。从复垦所选物种来看, 生态恢复早期应选择生态效益明显的乡土物种, 以起到良好的防护作用, 同时在可能的情况下兼顾经济效益。本研究是在前期研究的基础上进行的, 以期为该矿其它排土场的生态恢复提供指导, 具有一定的借鉴作用。

关键词：植被,排土场,土壤,复垦,模式