废弃矿山边坡生态修复中植物群落配置设计——以太行山北段为例

陈 影, 张 利, 董加强， 赵文廷

(1.河北农业大学 国土资源学院, 河北 保定 071000; 2.河北省地矿局第四水文工程地质大队, 河北 沧州 061000)

废弃矿山边坡生态修复中植物群落配置设计
——以太行山北段为例

陈 影1, 张 利1, 董加强2， 赵文廷1

(1.河北农业大学 国土资源学院, 河北 保定 071000; 2.河北省地矿局第四水文工程地质大队, 河北 沧州 061000)

废弃矿山边坡生态修复的最终目的是建立稳定的植物群落，这就要求根据不同的生态修复方式、方法和不同植物的生物生态特性和群落演替规律，对修复目标植物群落进行合理的配置设计。在对太行山北段白云岩矿山基质、水文、气候等生态要素充分调查基础上，对矿山边坡植物群落演替规律进行了研究。结果表明：(1) 太行山北段白云岩矿山边坡生态退化的成因为矿山开采导致的边坡植被的消退，而目前的修复方式以草本植物修复为主。(2) 在对目标植物群落类型进行归纳分类的基础上，总结了生态修复的设计原则，即乔灌草结合的立体生态系统，这样解决了植物在恢复生长时期受基质流失和水分不足的问题，生物多样性将得到较好的恢复。

矿山边坡; 生态修复; 植物群落; 恢复生态学

矿山开采造成的环境问题，是人类工程活动引发的各类环境问题中最为主要的问题之一[1]。美国及其它发达国家很早就注意到了开矿对环境造成的危害及其引发的其他社会矛盾[2]。边坡生态修复是近年来发展起来的一门边坡防护新技术。近几年国家花大量投资治理废弃矿山高边坡，还自然以本来面目，恢复生态平衡，使人与自然和谐共处，也是建设生态文明的重大举措之一[3]。目前，针对不同废弃矿山边坡有许多边坡生态修复方法，如液压喷播、植被混凝土护坡绿化、三维植被网喷播植草、厚层基材喷射植被护坡、边坡植被护坡绿化等[4]。这些方法在生态修复初期，植物生长旺盛，水土保持效果也不错，然而随着时间的推移，植物就会出现衰退现象，难以形成稳定的植物群落[5]。究其原因，一是在生态修复过程中较多采用草本型植物，对灌木、藤本植物等的应用较少，群落物种多样性较低；二是生境基质的供水供肥持续性差，因而植物对该种基质的适合度较低。生态恢复的目标也不仅仅是种树种草，而是建立一个能够自我维护、运行良好的完整生态服务系统[6-7]，这就要求我们不但栽种植物，还应该进行合理配置，建立稳定的植物群落，恢复健康的生态景观。

边坡生态修复的最终目的是恢复其生态平衡，因此在边坡生态修复中不仅要考虑控制滑坡、泥石流等自然灾害的需求，同时更应考虑未来群落演替的类型[8]，根据不同的生态修复方案和植物群落的演替规律，对目标植物群落进行合理的设计。但目前边坡生态景观修复中大多仍以草本植物为主要选种植物，形成的群落植被类型较单一，生态景观较单调，群落稳定性差。针对这些问题，依据恢复生态学基本原理，结合多年的生态修复研究与工程实践，在对废弃矿山边坡植物群落演替规律进行研究的基础上，对目标植物群落类型进行分类，总结其设计原则与方法。

1 废弃矿山边坡生态修复目标植物类型

恢复生态学的理论主要包括: 生态系统的结构理论、限制因子原理、生态适宜性原理与生态位原理、生物多样性原理、生物群落演替理论等。在进行废弃矿山边坡目标植物群落类型设计时应以上述原理为指导，找出不同矿山坡面生态修复的限制因子，再针对不同的限制因子，设计不同的植物群落类型，进而选择不同的植物种。此外，在进行群落类型设计时还应注意选择不同生态位的物种，尽量用适宜性强的本地物种等。

所谓目标植物群落，就是根据不同边坡类型、护坡要求和景观效果确定的生态修复后的植物组成和层次目标[9]。按建群种类型和层次，目标植物群落类型可分为特殊型植物群落、草本型植物群落、草灌型植物群落和乔灌型植物群落。

1.1 特殊型植物群落及其生态效应

特殊型植物群落主要针对的是为生态景观要求较高的区域而设计的以景观植物为主要种植物种的群落类型。一些景观小品，如公园、交通岛、高速公路入口处等，其对景观效果要求较高，在进行边坡生态修复时除了考虑稳固边坡的要求外，还要根据周围的环境条件建立合适的植物群落类型。在选择植物种类时要着重考虑景观效果好的花卉、灌木以及一些有特殊寓意的植物，注意在形状、颜色、空间、方向上的搭配和对比，利用比拟与联想的方式突出景观韵味。观赏型植物群落是相对稳定的群落，不要求演替进程，但更注重其稳定。

1.2 草本型植物群落及其生态效应

草本型植物群落是以草本植物为主的植物群落类型，也是目前废弃矿山边坡修复中应用最多最广的群落类型。草本植物易成活，生长快，经济性好，能在短期内覆盖矿山缓坡面，起到保护坡面的效果。作为植物群落构建的优先选择物种，其快速的生长能减弱矿山边坡土壤的毒性，促进土壤代谢，使其更有利于植物生长，为当地其它物种的栽种创造有利条件，从而逐步实现植物群落的自然演替，达到生态的稳定状态，最终恢复生态系统平衡。草本植物群落适用于周围为较干旱草原、农地或较陡峭岩石坡面的生态修复。目前，在边坡生态修复中常用的冷季型草本植物有多年生黑麦草(LoliumperenneL.)、白三叶(Trifoliumrepens)、高羊茅(Festucaarundinacea)、草剪股颖(AgrostismatsumuraeHack. ex Honda)、狗尾草(Setariaviridis)等，暖季型草本植物有结缕草(ZoysiasinicaHance)、狗牙根(Gramigna)、百喜草(Paspalumnatatu)等。在矿山边坡生态修复工程中可根据当地的自然立地条件选择冷季型和暖季型草种混合种植。

草灌型植物群落是以灌木为主要群种、草本植物为铺垫种群的多样性群落类型。在矿山边坡生态修复初期，草本植物生长较快，可以充分发挥其治理前期的护坡效果，并且草本植物生长起来后的枯枝落叶可以为灌木的生长提供营养。因为灌木的生长条件比较严格，所以灌木一般适宜采用栽植的方法，若采用与草本植物混合种植的方式，栽种时一定要控制好草本植物的间距，使草本植物和灌木有相对协调一致的生长空间。灌木的根系较草本植物更发达，且不易退化，所以能够起到更好的防护边坡的作用，从而可以加快植物群落自然演替的进程，使其最终形成稳定、高效的植物群落。草灌型植物群落适用于较平缓坡面、都市郊区、采石场、公路或铁路边坡、近水岸坡等的生态修复。在矿山边坡生态修复中常用的灌木有紫穗槐(Amorphafruticosa)、胡枝子(LespedezabicolorTurcz)、迎春(Jasminumnudiflorum)、沙棘(HippophaerhamnoidesLinn)、锦鸡儿(CaraganaroseaTurcz)、刺槐(RobiniapseudoacaciaL)、连翘(ForsythiasuspensaVahl)、夹竹桃(Folium et Cortex Nerii Indici)、柠条(CaraganaKorshinskiiKom)、沙柳(SalixcheilophilaSchneid)、黄荆(VitexnegundoL)等。

1.4 乔灌型植物群落及其生态效应

乔灌型植物群落是以乔木为主要种植物种，辅以草灌的群落类型。乔灌型植物群落比草本型植物群落和草灌型植物群落物种更丰富、群落更加稳定。乔木和灌木相比，其根系更发达，防护矿山边坡作用更好，但其缺点是因其自重较大，在较陡的边坡上栽植容易增大边坡负荷，造成边坡不稳定，反而不利于坡面加固。因此，乔灌型植物群落适用于周围为平缓坡面、森林、弃土(弃渣)堆、填土坡面等的生态修复，但不适用于高陡矿山边坡。生态修复中常用的乔木有侧柏(Platyclaclus)、法桐(Londinensiplanumligna)、小叶杨(PopulussimoniiCarr)、银杏(Ginkgo)、马尾松(PinusmassonianaNeedlePowder)、毛赤杨(Alnussibirica)、日本桤木(Japanesealder)、日本白桦(JapaneseBetulaplatyphyllaSuk)、小叶丁香(Syringamicrophylla)、赤松(Pinussylvestris)、杨树(Populus)、垂柳(Salixbabylonica)等。

2 矿山边坡目标植物群落类型设计原则

矿山边坡植物群落类型设计的总原则是建立符合当地的立地条件，因地制宜，因势生机的形成与周围环境和谐一致的植物群落。根据恢复生态学原理和生态工程设计与构建方法，设计合理的矿山边坡植物群落类型应满足以下几个原则[10]：

2.1 自然、科学性原则

在图2所示变电站馈线，图中变电站A所属10 kV馈线1，与之相联络的分别是变电站B、变电站C所属10 kV联络线1、联络线2。考虑极端情况，且暂不考虑10 kV馈线1的分段方式和网架结构，若变电站A全站停电，通过联络线倒负荷方式，在满足联络线1、联络线2不过载且变电站B、变电站C不过载的情况下，馈线1上的所有负荷可通过变电站B、C转供，从而实现变电站A所属所有10 kV馈线的负荷全转移。因此根据馈线负荷全转移的定义，可以得出满足馈线负荷全转移的基本条件[5]：

矿山边坡生态修复的植物群落类型要符合当地的自然环境，尽量做到恢复植被与当地原有植被相协调一致。因此就要求在植物群落类型确定前，先对当地的植被情况与气候等做详细调查，从而根据当地实际情况确定适合当地立地条件的植物物种，并根据有关工程项目的科学原理与技术要求进行合理的组合。

2.2 安全性原则

植物群落类型设计方案应与矿山边坡类型相结合，并且所选物种不会对边坡稳固和周边环境构成威胁。在物种选择上要尽量选择当地物种，避免大量引进外来物种，尤其是侵入性强的植物物种，如火炬树等，以免将来造成大量物种入侵。

2.3 功能性原则

边坡生态修复的目的是通过工程等手段，恢复原有的植物类型，建立生态平衡，从而达到边坡稳定和防治水土流失的目的。根据边坡特点，植物群落类型配置设计时应考虑植物的功能和特点，尽量选择具有水土保持功能、具有一定固坡能力和耐寒耐旱并具有一定景观观赏价值的植物类型。

2.4 经济性原则

经济是基础，主要体现在要充分利用地形，因地制宜、巧于因借，如设计中尽可能利用原有的自然地形，往往比进行大量土地整理工作节省经费，而且较为优美。在材料的经济使用上，多节省建筑材料，多用植物是一个主要的办法。

3 太行山北麓满城县段白云岩矿山边坡植物群落类型的设计与示范

3.1研究区基质、水文、植被概况

3.1.1 基质

(1) 地层及分布。矿区内除局部地段表层为第四系坡残积土外，出露地层主要为上元古界蓟县系雾迷山组白云岩，没有发现岩浆岩出露。矿区周围山前地带出露地层主要为第四系晚更新统冲积洪积黄土，土层厚度一般几米至十几米。黄土下伏地层为第四系早中更新统碎石土及蓟县系雾迷山组白云岩或燧石条带白云岩。本区黄土具有轻微湿陷性，岩溶和土洞不发育。

(2) 土壤条件。区域基质调查时取得土壤试验样品60件，营养元素试验结果：氮元素为20～30 mg/kg，磷元素为0.57～2.52 mg/kg，钾元素为31.28～130.86 mg/kg，有机质含量为0.66～4.93 mg/kg，pH值7.21～8.08。矿山及周边主要土壤类型为碳酸盐褐土、褐土性土、典型褐土。自然边坡主要为褐土性土，土质松疏，土壤肥力较低，土层厚度10—30 cm。丘陵间黄土台地主要为典型褐土和碳酸盐褐土，呈复区分布，土层深厚。如何给松软基质增加刚性骨架，保持基底稳定，增加土壤肥力，是基质修复的要点。

(3) 矿山土地待修复类型。研究区土地待复垦类型主要是采矿用地及受其影响的天然牧草地。总面积130.41 hm2。其中，采矿用地为59.13 hm2，占项目工作区总面积的29.19%，天然牧草地71.28 hm2，占项目区总面积的35.18%。

3.1.2 水文 研究区位于界河流域，属于大清河水系。但该区域距界河较远，且地面高程比界河高很多，因此不受界河洪水的影响。矿山内主要水流为降雨形成的面流。在面流作用下，相对低的次级小型沟谷内及残坡堆积物堆积较厚的区段，冲刷作用较明显。如何使矿山堆积坡保持水分防止水土流失，如何营造保水缓冲条件，保证覆被植物能在短时间内存活并健康成长，是生态修复要点。

3.1.3 植被 矿区及周围为白云岩丘陵地带，土层较薄，自然植被覆盖率较低。以灌丛为主，主要有荆条、酸枣等木本植物，以及荩草、狗尾草、虎尾草、阿尔泰紫菀、苍耳、节节草、鹅观草等草本植物，藤本植物主要有山葡萄。只在沟谷或黄土阶地边缘土层较厚的地段，生长着乔木，主要有侧柏、刺槐、椿树、榆树等。

3.2 研究区边坡植物群落类型的设计

3.2.1 京昆高速沿线植物种植设计 已经建成并投入运营的京昆高速从河北省满城等县通过，因此分布在该段沿线的许多建筑用白云岩矿山被突显出来，矿山的无序利用严重破坏了高速公路两侧的自然景观，造成矿山地质环境问题及地质灾害安全隐患，同时也影响了高速公路的交通运输安全。因此，必须依靠人工方法恢复植物群落。此区域应以建立灌草型植物群落为宜，避免栽植乔木。因为乔木自身重量较大，栽植乔木反而会导致边坡的不稳。在物种选择上应以一些根系发达、水土保持效果好、耐干旱、耐贫瘠的物种为首选，并对其进行垂直结构上的合理搭配，形成一个物种丰富、景观富于变化的植物群落，可以利用荆条、连翘、龙爪槐、紫穗槐、迎春等植物使其在垂直和水平方向上进行物种、形态、颜色的配置。

3.2.2 废弃矿山堆积平台、堆积坡、残丘植物群落类型的配置与设计 废弃矿山堆积平台、堆积坡、残丘等的坡度通常较缓，植物较易扎根，因此生态景观修复也较容易。在进行这些缓坡生态修复植物群落类型选择并进行配置设计时要根据周围环境选择合适的重建形式，然后再进行植物群落类型设计。由于这些地区的大部分区域都是废矿渣等，不利于植物生长，在物种选择时要选择一些具有土壤改良能力的能固氮，并且不需要很厚土层的植物。如要恢复为林地，就要以乔灌型植物群落为目标植物群落，在生态修复时可选择一些生长快、有土壤改良作用的草本植物作为前期物种来控制边坡的水土流失和改善土壤质量，然后再选择一些当地的乔木和灌木物种，逐渐恢复成乔灌草结合的立体生态系统。在进行白云岩矿山堆积区生态修复时，首先进行土壤简单人为改良，再种植荩草、狗尾草、芨芨草等当地草本型植物，发挥其前期护坡效果，待草本植物的枯枝落叶为灌木的生长提供充足营养之后，再种植荆条、龙爪槐、迎春、砂柳、柠条、连翘等灌木，不断加快植物循环演替。

3.2.3 矿山高陡边坡植物群落类型的配置与设计

由于矿山高陡边坡十分陡峭，表面又比较光滑，且昼夜、夏冬温差大，几乎无任何土壤或松散基质，没有边坡保水保肥能力，决定了其生态修复是矿山废弃地边坡生态恢复的关键。因此，在进行此区域植物群落类型配置与设计时，应根据边坡的岩性、坡度、表面形态等特点进行植物种选择。矿山废弃地高陡边坡植物群落应以建立藤本、小灌木及草本型植物群落为主，在边坡小平台、空穴处或裂缝处适量栽种一些藤本植物和小灌木，主要包括：山葡萄、爬山虎、荆条，起到点缀的效果。

3.2.4 矿山掌子面坡顶坡脚植物群落类型的设计

在开挖的坡顶上，修筑种植槽保持水分，并回填种植土，在种植槽内种植垂吊藤本植物——爬山虎，于山顶形成条状绿化带，藤本植物下垂也可覆盖部分裸露岩体，其景观视觉效果生动鲜活。同样，在坡脚的种植槽中，栽植爬山虎、油麻藤、三角梅等攀缘、带花物种，形成协调的景观植物群落。

3.2.5 废弃矿坑植物群落类型的设计 废弃矿坑修复采用改进的全覆土造地生态重建技术。这种方法是完整基岩土地复垦与生态重建最直接有效的办法。从异地运进土壤，添加经过筛选的植被的肥料并覆盖在平台之上。为此应首先对采矿平台进行适当平整，然后再覆土造地。这种方法宜按照就近不破坏取土区土地使用的原则，客土厚度50—60 cm(对已复垦的采矿平台，当其覆土厚度不满足要求时，应补足植物生长所需要的土层厚度)，经过熟化和培肥之后，种植谷子、玉米等庄稼甚至种植核桃、山杏等物种。

4 结 论

废弃矿山边坡生态修复不是简单的植物修复，还必须提供其适于生存的基质、水文等外部物理环境[11-12]。这对处于生长初期的植物来说是及其重要的。而至于植被的修复，不仅要求以本地物种为主的合理选配，也要求时间上与其生长期相吻合。实际上，矿山边坡生态修复是一个系统工程，废弃矿山边坡生态修复已经从最初的边坡绿化逐渐发展到对其生态系统的恢复，植物群落类型也已从单一的以草本植物为主的群落类型向乔、灌、草结合的物种多样性群落类型转变。在生态修复工程中，注重植物群落类型设计，将会有效改善生态结构和生态功能，促进植物群落的循环演替进程，为构建一个健康稳定的植物群落提供保障。

[1] 王永生.矿山地质环境治理存在问题及对策[J].南方国土资源,2009(12):36-37.

[2] 胡振琪,赵艳玲,毕银丽.美国矿区土地复垦[J].中国土地,2001(6):43-44.

[3] 李晶,高照良,张小娟,等.宝牛高速公路路域植被恢复效果调查分析[J].水土保持研究,2012,19(6):100-104.

[4] 许文年,夏振尧,戴方喜,等.恢复生态学理论在岩质边坡绿化工程中的应用[J].中国水土保持,2005(4):31-33.

[5] 宋林旭,汪婷,周明涛,等.灌木在边坡生态防护中的作用[J].中国水土保持,2005(7):34-35.

[6] 陈梓玄,李占斌,李鹏.陕北府谷新田煤矿开发建设项目生态修复效益动态评价[J].水土保持研究,2011,18(2):21-25.

[7] 赵广琦,崔心红,张群,等.河岸带植被重建的生态修复技术及应用[J].园林科技,2010(2):23-29.

[8] 刘龙,江玉林.公路植被群落诱导技术初探[J].公路交通科技:应用技术版,2007(7):17-20.

[9] 吴长文,章梦涛.裸露山体缺口生态治理[M].北京:科学出版社,2007.

[10] 吴少儒,许文年,王路根,等.喷射护坡绿化技术的物种选择[J].中国水土保持,2006(6):41-43.

[11] 徐学选,刘普灵,琚彤军,等.黄土丘陵区燕沟流域水土流失治理的水沙效应[J].农业工程学报,2012,28(3):113-117.

[12] 陈云峰,张彦辉,郑西强.巢湖崩岸湖滨基质—水文—生物一体化修复[J].生态学报,2012,32(9):2960-2964.

StudyontheDesignMethodofPlantCommunityfortheEcologicalRestorationofSlopeinAbandonedMine

CHEN Ying1, ZHANG Li1, DONG Jia-qiang2, ZHAO Wen-ting1

(1.InstituteofLandandResources,AgriculturalUniversityofHebei,Baoding,Hebei071001,China; 2.No.4HydrogeologyandEngineeringGeologyTeamofHebeiGeologicalandMineralResourceBureau,Cangzhou,Hebei061000,China)

The ultimate objective of abandoned mine slope ecological restoration is to establish a stable plant community，so it requires to follow the succession law of ecological restoration in different ways and plant configuration, and reasonably design the plant community. We have done a lot of jobs in the northern Taihang Mountain dolomite mine matrix, hydrology, climate and other ecological factors and in a large number of practical investigation, and research for plant community succession on the mine slope of on the basis of the law, we have analyzed the causes of northern Taihang Mountain dolomite mine slope ecological degradation and the key problems. Based on classification of plant communities, the plants in the recovery growth period overcame problems on matrix loss and water shortage, biodiversity will get better restored.

slope mine; ecological restoration; plant community; restoration ecology

2013-10-15

：2013-11-27

国家公益性基金项目(201411103);国家重点基础研究发展规划资助项目(2005CB121107)；河北省科技支撑计划项目(132276329)

陈影(1981—),男,河北献县人,博士,讲师,主要从事土地资源持续利用、矿山生态环境修复等教学与研究。E-mail:chenqy_2005@163.com

赵文廷(1963—),男,河北承德人,教授,主要从事矿山生态环境修复等研究工作。E-mail:zwting.happy@163.com

X171.4

：A

：1005-3409(2014)04-0154-04