露天酸性矿山生态恢复中植物群落构建研究

向华浩，王志强，姚 军，李林熙，陈秋惠，肖 恬，李宏归，丑琉懿

(1.芷兰生态环境建设有限公司，湖南 长沙 410000；2.中南林业科技大学，湖南 长沙 410004)

1 引言

随着经济的快速发展，社会对矿产资源的需求也不断增加，导致我国矿山数量不断增加，开采规模不断扩大。但露天酸性矿山对开采土壤、大气、水体和自然景观造成了严重破坏，因此必需对矿山进行生态恢复。本文选择已经植被恢复治理并获成功的矿山进行研究分析[1]，主要集中在矿山废弃地植被恢复的研究进展[2],矿山环境恢复过程中存在问题的应对措施[3，4],土地复垦，制定科学合理且具有可行性的恢复治理方案，如进一步增加科技以及资金方面的投入[5，6]，以及利用遥感技术，矿山生态复绿植物景观设计[7]。矿山生态恢复的关键是植被和土壤的恢复，恢复植被的最终目的是构建稳定的群落结构。而矿山开采过程中破坏、污染土地，改变了地形和土壤结构，影响了植物生长所必需要水分和土壤环境，导致了植物生长不良，因而对强酸性矿山生态恢复中构建植物群落必需分析其环境特点，并提出合适的植物群落，以利于矿山的生态恢复[8～10]。

2 露天酸性矿山的环境特点

2.1 光环境特点

露天开采的矿山在开采过程中对地形、植被、土壤的破坏严重，因而矿区的光照往往充足，有遮阴的地方较少。

2.2 土壤特点

强酸性矿山土壤有如下几种变化：一是表层土壤被完全破坏，导致土壤缺乏养分；二是表层土壤贫瘠或没有，很难直接满足种植植物的要求；三是营养元素少或不足，不能支撑植物生长；四是土壤酸性较重，一般植物较难适应；五是土壤结构与自然土壤相比差异较大；六是部分矿山重金属含量较高，直接影响植物生长。

2.3 水环境特点

由于自然土壤层被破坏，土壤所具有贮水、蓄水的功能也被破坏。因而矿区的水环境具有如下特点：一是露天水分少，土壤中更少；二是无可补给的地下水；三是水体的酸碱性变化大，易腐蚀共它物品；四是部分水体中重金属含量较高；五是土壤中的水分含量变化大，流失严重；六是表层水分蒸发量大，且受环境因子大；七是水体易发生各种化学反应，形成新的有毒有害物质；八是废水污染问题。随着矿山开采活动进一步深入，使矿山下层的地下水以及矿山周边浅水层的地表水造成破坏。

2.4 地形特点

一是原来地形遭到破坏， 没有自然坡度；二是地形多变，在开采过程中，由于周边环境的不同，地形变化多样；三是矿区内部往往陡峭，为了降低成本，矿区开采时往往坡度较大；四是深度较深，为了增加产量，采矿往往增加了开采的深度，因而绿化时的深度也自然增加；五是地形相对稳定，为了保证安全生产，所有的地形均相对稳定。

3 酸性矿山植物群落构建原则

3.1 生态学原则

矿山生态修复的前提是植物的生长和存活。因而选择植物时，根据当地气候、土壤等条件选择植物，以保证植物的存活，也能有效减少后期的养护成本，并达到与周边景观相融的效果。

3.2 植物抗逆性原则

露天矿山生态修复区域的立地条件比较恶劣，一般情况下植物较难存活，因此要求植物品种具有较强的抗性，包括抗长期干旱、捞短期水涝、抗寒、抗高温等。在后期缺乏维护的情况下，也能够实现正常生长并繁衍。植物抗逆性的强弱直接决定了生态恢复的效果，影响到矿区植物群落的形成和演替。

3.3 先锋植物优先原则

场地内土壤条件较为贫瘠, 在设计上考虑豆科先锋植物 , 一般用于培养基质养分，从而可以提升矿山地区土壤的肥力。从生态修复以及景观营建的角度来思考,首先为了实现绿化工程的前期效果,通常会先选择适应当地气候条件、生长比较迅速的植物来进行前期覆盖。而当规划群落形成并且稳定后,后期在没有人工养护的条件下，植物仍然可以健康生长。

3.4 生物多样性原则

种类多样化的植被群落，其生态稳定性明显优于植被种类单一的植被群落。植物种类的搭配可以选择乔木、灌木、藤本和草本以及地被植物等多层次和多植物种类的组合，这样对矿山自然生态系统的恢复有着极大帮助。

3.5 植物配置合理性原则

植物群落中，乔木、灌木、草本三者结合一体，为多层次植物自然群落，抗外界干扰能力较强，即使植物群落中有一种或几种植物受到病虫害，其他的植物也会在自然演替中填补空白。可以方便迅速达到绿化效果，从而形成具有层次感的植物立体布局。

3.6 群落景观自然性原则

在露天强酸性矿山场地进行植物群落构建，需要充分考虑当地生态环境，如土壤、光照、水分等环境因子。以改善生态环境为前提，植被不仅需要植被恢复还需要营造良好的景观效果。需要尊重植物群落景观自然性原则，从而去实现景观与生态相结合。

4 强酸性矿山植物种类推荐

4.1 生活型植物种类

植物生活型可分为乔、灌、草、藤4个类型。南北不同区域种类不同，南方不同类型植物种类推荐如下。

多推荐有豆科植物，豆科植物种类群巨大，并且种类繁多，大多具有结瘤固氮的能力，如花生、豌豆、苜蓿、蚕豆等植物。而根据其不同的植物生活性种类推荐以下植物。

乔木有黑松(Pinusthunbergii)、侧柏(Platycladusorientalis)、女贞(Ligustrumlucidum)、香樟(Cinnamomumcamphora)、臭椿(Ailanthusaltissima)、山桃(Amygdalusdavidiana)、冬青(Ilexchinensis)、盐肤木(Rhuschinensis)、木荷(Schimasuperba)、木兰科植物乐东拟单性木兰(Parakmerialotungensis)、醉香含笑(Micheliamacclurei)、阔瓣含笑(Micheliaplatypetala)、厚皮香(Ternstroemiagymnanthera)、杜英(Elaeocarpusdecipiens)、枸骨(Ilexcornuta)、桂花(Osmanthusfragrans)、珊瑚树(Viburnumodoratissinum)、鹅掌楸(Liriodendronchinense)、枫香(Liquidambarformosana)、朴树(Celtissinensis)、糙叶树(Aphanantheaspera)、榉树(Zelkovaserrata)、榔榆(Ulmusparvifolia)、榆树(Ulmuspumila)、无花果(Ficuscarica)、构树(Broussonetiapapyrifera)、枫杨(Pterocaryastenoptera)、栓皮栎(Quercusvariabilis)、柿树(Diospyroskaki)、合欢(Albiziajulibrissin)、龙爪槐(Sophorajaponica)、刺槐(Robiniapseudoacacia)、大戟科植物重阳木(Bischofiapolycarpa)、无患子(Sapindussaponaria)、南酸枣(Choerospondiasaxillaris)、苦楝(Meliaazedarach)、楸树(Catalpabungei)、圆柏(Sabinachinensis)、柳杉(Cryptomeriajaponicavar.Sinensis)、马尾松(Pinusmassoniana)、广玉兰(Magnoliagrandiflora)、红楠(Machilusthunbergii)、莽草(Illiciumlanceolatum)、杨梅(Myricarubra)、枇杷(Eriobotryajaponica)等。

灌木有胡枝子(Lespedezabicolor)、木犀科植物小蜡(Ligustrumsinense)、野桐(Mallotustenuifolius)、木兰科的植物含笑(Micheliafigo)、木犀科的植物有金森女贞(Ligustrumjaponicumvar.Howardii)、蜡梅(Chimonanthuspraecox)、木芙蓉(Hibiscusmutabilis)、八仙花(Hydrangeamacrophylla)、马棘(Indigoferapseudotinctoria)、石楠(Photiniaserratifolia)、海桐(Pittosporumtobira)、紫薇(Lagerstroemiaindica)、黄素馨(Jasminummesnyi)、栀子(Gardeniajasminoides)、砂地柏(Sabinavulgaris)、夹竹桃(Neriumoleander)、蚊母树(Distyliumracemosum)等。

藤本有五叶地锦(Parthenocissusquinquefolia)、爬山虎(Parthenocissustricuspidata)、常春藤(Hederanepalensis)、扶芳藤(Euonymusfortunei)、薜荔(Ficuspumila)、常春油麻藤(Mucunasempervirens)、葛藤(Argyreiapierreana)等植物。

4.2 常绿和落叶植物

矿山植物修复选择主要依据植物的4个特性，生态适应性、先锋性、可演替性及持续稳定性、抗逆性、生物多样性。故推荐常绿乔木有侧柏(Platycladusorientalis)、日本扁柏(Chamaecyparisobtusa)、香柏(Sabinapingiivar.wilsonii)。是优良的园林绿化树种。木质软硬适中，细致，有香气，耐腐力强。比如油松(Pinustabuliformis)为浅根性树种，喜光，并且抗瘠薄、抗风，适应在土层深厚、排水良好的酸性、中性或钙质黄土上。青冈栎(Cyclobalanopsisglauca)是壳斗科的常绿乔木，为中性喜光树种。适应性强，对土壤要求不严。幼年生长较慢，5年后生长加快，萌芽力强，耐修剪，深根性，可防风、防火。还有常绿乔木植物选择有黑松(PinusthunbergiiParl)，湿地松(pinuselliottii)，马尾松(PinusmassonianaLamb)，日本五针松(Pinusparviflora)，柳杉(Cryptomeriajaponica)，花柏(Chamaecyparisobtusa)，圆柏(Sabinachinensis)，龙柏(Sabinachinensis)，福建柏(Fokieniahodginsii)、金缕梅科植物蚊母树(Distyliumracemosum)，木莲(ManglietiafordianaOliv.)，夹竹桃(Neriumoleander)，苦槠(Castanopsissclerophylla)，油茶(Camelliaoleifera)，麻栎(Quercusacutissima)，珊瑚树(Viburnumodoratissinum)等。

落叶植物选用枫香(LiquidambarformosanaHance)，性喜光，幼树稍耐阴，耐干旱瘠薄土壤，不耐水涝。南酸枣(Choerospondiasaxillaris)，生长快、适应性强，性喜阳光，略耐阴。适生于酸性或中性土壤，不耐涝。浅根性，萌芽力强，生长迅速。山合欢(Albiziakalkora(Roxb.)Prain)，野桐(Mallotusjaponicus)，檫木(Sassafrastzumu)，山胡椒(Linderaglauca)等。

4.3 基于生态效益、土壤改良和景观方面的选择

强酸性矿山岩土和岩面中存在大量的硫化物，矿山的山体会存在渗水并且泛酸的现象，山体边坡含有大量酸性物残留，需要进行治理，矿区及周边的污染，是因为山体的坡面上出现的酸性渗水，导致土地退化，植被种类的减少。选用植物杨梅和松科植物黑松(Pinusthunbergii)；其次为:高羊茅(Festucaelata)、狗牙根(Cynodondactylon)、黑麦草(Loliumperenne)、紫花苜蓿(Medicagosativa)、弯叶画眉草(Eragrostiscurvula)、(Trifoliumrepens)、马蔺(Irislactea)、茅莓(Rubusparvifolius)等植物。其中宽叶雀稗(Paspalumwettsteinii)适应强酸性土壤生长，狗牙根(Pinusthunbergii)和苇状高羊茅(Festucaelata)则耐土壤酸性及耐贫瘠能力强，生长速度快，可以在短期时间迅速覆盖。土壤改良是酸性矿山修复与整治的关键和前提，可以通过工程技术和生物科技方法来改良土壤；植被品种应首选耐酸、耐旱、耐瘠薄，适应性强,生长快的品种。

5 强酸性矿山植物群落推荐

在酸性矿山区域生态恢复时，不仅要有较强的生态效益，而且还需要有美化的效果。不同类型的植物群落推荐如下。

5.1 乔、灌、草、藤本类型群落

5.1.1 选择乔、灌、草、藤本的要求

(1)选择多种植物类型进行矿山边坡的生态修复,可以增强植被系统的稳定性,利于矿山生态系统的恢复。选择植物时，需组合考虑多种植物，对乔灌木、草本以及藤本等植物进行结合,组成具有规律且相互协调的稳定组.合,构成多样而稳定的植物群落结构，来实现矿山生态环境的修复。

(2)开采后的矿山土壤往往缺乏植物生长所必需的营养成分。矿山复绿一般要求在较短时间内达到边坡绿化的效果,因此会选择-些生长速度快、适应性强的植物。

(3)不同植物的生长适应性不同，矿山修复所选用的植物应更加耐瘠薄,选择抗逆性更强的植物品种，进行合理配比种植,才能适应矿山边坡的生长环境。因此在选择植物种类时,应当根据待修复矿山的气候和土壤条件进行选择,以便保证植物的存活率和矿山绿化效果,使植物生长不会受到外界环境的限制,实现植被的稳定生长。

(4)在早期引入植物进行矿山修复时，应采用环境适应性强、生长速度快的植物种类，对矿山边坡进行绿化覆盖,对植物生长的土壤环境进行改良，进一步为后期乡土植物种植提供良好的基础条件,从而让乡土植物在后期的矿山生态环境恢复中发挥关键性作用，然后形成长期稳定的植被群落。

5.1.2 选择乔、灌、草、藤本群落种类推荐

植物的比例配置也非常重要。植物配置选择中，乔、灌、草相结合是修复强酸性矿山的重要原则。根据植物演替变化，应该先种植先锋植物，首先应该多种植一些草本植物，如禾本科植物弯叶画眉草(Eragrostiscurvula)、鸢尾科植物鸢尾(Iristectorum)，然后是慢慢形成灌木的群落如海桐(Pittosporumtobira)，最后才能形成乔木的群落如蚊母树(Distyliumracemosum)。在植物景观设计，应该考虑长远规划，迅速短期内形成比较好的植物景观，是不符合自然规律演替的。根据强酸性矿山环境特点，利用藤本植物的攀爬与吸附特性，藤本植物一般选择种植在较平整的陡崖边坡上。而边坡覆土绿化技术能提高地表的抗雨水冲刷能力，有效地保持水土，防止水土流失，改良土壤理化性质，达到耕地和林草地的占补平衡，如五叶地锦(Parthenocissusquinquefolia)、凌霄(Campsisgrandiflora)、常春油麻藤(Mucunasempervirens)。

种植榉树(Zelkovaserrata)或者悬铃木(Platanusacerifolia)等树形高大的树种，并穿插种植金叶女贞(Ligustrum×vicaryi)或者小叶黄杨(Buxussinica)等色叶灌木，提高矿产前区的美观性。与此同时，还需要在矿产前区配置花坛或者水池等小品建筑，建造小型游园,为工作人员提供休息游玩的空间。需要选择树形高大、吸尘能力强而且成活率高的树种，并将乔木与灌木配合种植，落叶树种与常青树种配合种植,提高绿化植物防尘的效果。需要注意的是，交叉路口的植物不能对行车视距造成影响。在强酸性矿山厂区的其它道路,需要选择绿化能力较强的树种如乔木珊瑚树(Viburnumodoratissinum)搭配灌木海桐(Pittosporumtobira)或者蚊母树(Distyliumracemosum)，配置麦冬(Ophiopogonjaponicus)，葱兰(Zephyranthescandida.)等草本。攀爬植物选用爬山虎(Zephyranthescandida)在阳面，常绿藤本可以选择常春藤(Hederanepalensis)配置矿区阴面垂直绿化。

5.2 乔、草类型群落

对强酸性矿山厂区的边坡区域进行绿化，能够提高边坡的稳定性,避免边坡受到冲刷。一般来说，边坡种植的植物大都是容易成活而且耐贫瘠的乡土树种。乔木适宜种植夹竹桃(Neriumoleander)、冬青(Ilexchinensis)和海棠(MalusChaenomeles)等树种；配上草本有萱草(Hemerocallisfulva)、鸢尾(IristectorumMaxim)、吉祥草(Reineckiacarnea)、麦冬(Ophiopogonjaponicus)等。

5.3 乔灌植物群落

矿厂区绿化规划人员还需要设置卫生防护林带,进行乔木和灌木的高低搭配、落叶树种和常绿树种的搭配，发挥出卫生防护林带的吸收和净化作用。乔木有马尾松(Pinusmassoniana)、醉香含笑(Micheliamacclurei)、阔瓣含笑(Micheliaplatypetala)、紫楠(Phoebesheareri)、红楠(Machilusthunbergii)、香樟(Cinnamomumcamphora)。灌木有大叶黄杨(Buxusmegistophylla)，海桐(Pittosporumtobira)、山茶(Camelliajaponica)、茜草科植物栀子(Gardeniajasminoides)、千头柏(Platycladusorientalis)、砂地柏(Sabinavulgaris)等。

5.4 草灌植物群落

矿产区域绿化，局部小气候绿地改造绿化，不适应种植大乔木，局部景观改造，选种草灌类型，如红花檵木(Loropetalumchinensevar.rubrum)、胡颓子(Elaeagnuspungens)、洒金东瀛珊瑚(Aucubajaponica)、火棘(Pyracanthafortuneana)、红叶石楠(Photinia×fraseri)、小蜡(Ligustrumsinense)、金叶女贞(Ligustrum×vicaryi)、云南黄素馨(Jasminummesnyi)、锦绣杜鹃(Rhododendronpulchrum)、红千层(Callistemonrigidus)、鹅掌柴(Scheffleraoctophylla)、小檗(Berberisthunbergii)、扁担杆(Grewiabiloba)、榆叶梅(Amygdalustriloba)、胡枝子(Lespedezabicolor)等植物。

6 案例分析

6.1 情况介绍

内蒙古某铁矿尾矿库生态修复区的植被恢复，尾矿库是堆存选矿废弃物的主要场所，不仅占用大量的土地资源，而且形成长期大面积裸露的库面和边坡，是影响区域生态安全和人居环境健康的重要潜在风险源，而内蒙古某铁矿尾矿库位于包头市哈德门和昆都仑河冲洪积扇前缘交汇处，黄河平原分布于尾矿库南500～1000 m被夷平的二级阶地至黄河之间，地势北高南低，平均坡降约 0.4%，是中国最大的尾矿库之一。

尾矿库南部边坡在进行生态修复前，植被覆盖极少，在进行大规模的人工喷播绿化后，大量草本植被生长迅速，形成生态修复区。因此可将木本植物视为修复区的原生植被，而大部分草本植被视为人工恢复植被。尾矿库目前仍在服役期，库内暂不适宜进行植被恢复，需要闭库后才能进行生态修复。尾矿库南部边坡及毗邻的人工湿地工程是尾矿库环境治理的重要内容，人工湿地工程自2015年持续实施到2017年，尾矿库南部边坡植被恢复工程于2017年2月开始，持续到2018年8月生态修复措施主要包括边坡喷播绿化。

6.2 案例总结

不同生态修复区的适生植物种，而案例中的尾矿库有边坡绿化、库外道路和人工湿地3种类型的生态修复区，而生态修复区内共有植物31种，以菊科植物、豆科植物 、禾本科植物和藜科植物为主。其中，草本群落物种较为丰富，数量上占74.2%，并且盖度高度，而木本植物，如灌木数量较少，只占有25.8%。但其盖度高，在植被恢复前期具有十分重要的作用。

除醉马草(Achnatheruminebrians(Hance) Keng)和 芨 芨 草 (Achnatherumsplendens(Trin. ) Nevski )同 属 于 芨 芨 草 属，其余没有相同属的植物种。3类修复区共有植物种为碱蓬，边坡绿化区和库外道路区的共有种为狗尾草(Setariaviridis(L.) Beauv.)、冰草(Agropyroncristatum(L.) Gaertn.)、黄芪(AstragaluspropinquusSchischkin)和白刺(NitrariatangutorumBobr.)，而库外道路区和人工湿地区的共有种为芦苇(Phragmitescommunis(Cav.) Trin. ex Steud.)范围广，灌木类植物较少，且不具备竞争力。人工湿地区包含5种植物，均为草本植物，其中芦苇几乎覆盖全部样方，为该修复区的建群种，在样方内少量分布，植被分布不均匀。

6.3 技术建议

不同类型生态修复区的优势种差异性大。如边坡绿化区的优势种较多，草本植物为苜蓿(MedicagoSativaLinn)、醉马草(Achnatheruminebrians(Hance) Keng)和狗尾草(Setariaviridis(L.) Beauv.)等，木本植物为沙冬青(Ammopiptanthusmongolicus(Maxim. ex Kom.) Cheng f.)、花棒(HedysarumscopariumFisch. et Mey.)和柠条锦鸡儿(CaraganakorshinskiiKom.)。库外道路区优势种主要为草本植物，木本植物只有盐爪爪(Kalidiumfoliatum(Pall.) Moq.)。芦苇(Phragmitescommunis(Cav.) Trin. ex Steud.)为人工湿地区的建群种，需要植物种类多样性。

而边坡绿化区的植物多样性最高，人工湿地区的植物多样性最低。尾矿库生态修复首先要考虑坝体地址的安全问题，在植物种选择和稳定群落构建上，尾矿库生态修复前期可在确保坝体地质安全的前提上，引种原生以木本植物为主，如以沙冬青为主，花棒和柠条锦鸡儿为辅，可以改善土壤条件；乔灌木分层种植，随后引种草本植物，以苜蓿和狗尾草为主、醉马草和碱蓬为辅。以及科学的播种方法上，可采用人工喷播和滴灌等方式提高尾矿库植被恢复效果。

6 总结与分析

植物群落结构及演替过程中为了有利于结合工程技术从而更好的进行矿山生态恢复，研究显示露天酸性矿山生态恢复中喜酸性植被种类更适合，而露天酸性矿山生态恢复中植物群落构建的研究对工程技术措施、植物设计配置以及最后呈现的效果都有着重要的指导意义。现今根据我国经济的发展，我国露天酸性矿山开采具有分布多，分布面广等特点，而矿山一般多分布在城市边缘区域，而分布在城市边的露天酸性矿山开采对城市环境污染以及景观审美的呈现都有着至关重要的影响。城市化的发展改造中最活跃的区域就是城市的边缘区域，相比较其他区域，人类活动也相对更为复杂，同时生态修复过程更为特殊，景观生态问题相比较其他区域也更为突出。露天酸性矿山生态恢复中植物群落构建研究的任务将尤其重要。

强酸性废弃地的生态恢复是环境治理利用的重点工程，而最重要最经济的方法即植物修复，以及生态植物构建是重点所在，为了对今后的矿山生态恢复提供参考价值，分析了植物的演替过程，并提出了露天强酸性矿山生态恢复植物群落构建策略。但同时需要考虑到一些城市边缘区域的强酸性矿山特殊的地理位置，生态恢复在群落构建的基础上又多了更高层次的景观美观需求。目前这方面领域的研究还体现着不足，未来应该不仅仅加强理论研究同时也需要积极地进行实践探索，促使强酸性矿山生态植物群落构建的工作再上新台阶。