湘潭錳礦區(qū)廢棄地土地質(zhì)量評價與生態(tài)恢復效應研究.pdf

1、在當前人類有組織的所有活動中，礦物開采對自然生態(tài)系統(tǒng)的影響最為深遠。采礦后形成的礦區(qū)廢棄地，生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)解體，功能嚴重退化，生態(tài)風險與環(huán)境威脅突出，需要進行土地復墾和生態(tài)系統(tǒng)修復。目前，發(fā)達國家礦區(qū)生態(tài)恢復和土地復墾率平均達到了55％～65％，美、英、澳等礦產(chǎn)大國更達85％。據(jù)國土資源部統(tǒng)計，我國礦區(qū)土地復墾率已從1988年的2％上升到了2012年的15％左右。但是，礦區(qū)復墾速度仍遠落后于損毀速度，礦業(yè)廢棄地以每年3.3萬～4.7萬hm

2、2的速度遞增。我國現(xiàn)有1500個各類礦區(qū)占用和損壞的土地估計達200萬hm2。
　　加強礦區(qū)土地復墾和生態(tài)恢復研究與技術(shù)推廣應用，是生態(tài)學研究人員面向社會生產(chǎn)實際的重點工作。本研究以已有近100年開采歷史、形成時間已達40余年的湘潭錳礦區(qū)廢棄地為對象，以森林生態(tài)學、景觀生態(tài)學和恢復生態(tài)學為理論依據(jù)，通過對礦區(qū)廢棄地的土壤理化性質(zhì)、現(xiàn)有定居植物生態(tài)特性等進行分析，盆栽試驗篩選出能夠適應礦區(qū)廢棄地惡劣條件的地帶性鄉(xiāng)土樹種，在礦區(qū)廢棄地

3、進行示范造林，通過分析示范基地的林分特征、水土特性和礦物元素生物循環(huán)狀況，確定了礦區(qū)生態(tài)恢復的基本技術(shù)措施。研究結(jié)果表明:
　　(1)湘潭錳礦區(qū)廢棄地土壤質(zhì)地以石質(zhì)粗砂土或砂粉土為主，物理性砂粒(1～0.01mm)在85％以上，物理性粘粒(＜0.01 mm)在15％以下，土壤調(diào)節(jié)水、肥、氣、熱的能力差，可耕性差。限制礦區(qū)廢棄地土壤肥力的主要因子有:礫石含量、水分狀況、有機質(zhì)含量以及全N含量、全P含量。礦區(qū)地下水除pH值和溶解氧低于

4、對照外，主要重金屬污染元素和NH4+、NO3-、PO4-3、SiO3-2等離子的含量都超過了對照，有機污染和重金屬污染嚴重。土壤中Mn、Zn、Cu、Fe、Pb、Ni、Cd和Co的平均含量高，分別是湖南省土壤背景值的179、7、3、6、2、3、3、71倍，以對照區(qū)、湖南省土壤背景值、全國土壤重金屬元素平均值為標準，礦區(qū)廢棄地的土壤綜合污染指數(shù)分別為13.82、75.72和98.05，為重污染等級。礦區(qū)廢棄地中Cd、Mn潛在生態(tài)危害指數(shù)分別

5、為2419.75、373.83，礦區(qū)重金屬綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)高達2949.16，都于極強生態(tài)風險等級。說明礦區(qū)廢棄地土壤質(zhì)量嚴重下降，重金屬Mn、Cd污染嚴重，是植被恢復的主要限制因子。
　　(2)礦區(qū)廢棄地經(jīng)過40余年的自然演替，共有28科53種定居植物，其中草本植物36種，喬木和灌木17種。礦區(qū)整個生態(tài)系統(tǒng)現(xiàn)正處于向亞熱帶常綠闊葉林演替的草灌叢初階段。經(jīng)盆栽實驗，篩選出欒樹和杜英兩個鄉(xiāng)土樹種在重金屬元素含量高、未改良或僅簡單

6、改良的礦區(qū)廢棄地基質(zhì)土壤中正常生長，成活率高、長勢旺盛，可作為礦區(qū)廢棄地生態(tài)恢復的首選植物。
　　(3)在礦區(qū)基質(zhì)土壤不同處理中（①W1:25％礦區(qū)廢棄地土壤+75％自然土;②W2:50％礦區(qū)廢棄地土壤+50％自然土;③W3:75％礦區(qū)廢棄地土壤+25％自然土;④W4:100％礦區(qū)廢棄地土壤;⑤對照(CK)為100％自然土），欒樹和杜英都生長較好。從夏秋兩季各處理中樹種的平均地徑生長量來說，欒樹平均地徑增長量大小順序是W3＞W(wǎng)4＞

7、CK＞W(wǎng)2＞W(wǎng)1，可見重金屬濃度低時對欒樹生長有一定的抑制作用，當濃度增高時則抑制作用可能減弱;杜英平均地徑的增長量大小順序則是CK＞W(wǎng)2＞W(wǎng)1＞W(wǎng)3＞W(wǎng)4，可見不同重金屬土壤摻和濃度下對杜英生長都有一定的抑制作用，并且隨著濃度的增加抑制作用越明顯。
　　(4)礦區(qū)廢棄地生態(tài)恢復樹種的凈光合速率隨著土壤對比試驗方案(W4、W3、W2、W1)的不同，表現(xiàn)出不同的差異性。對于欒樹而言，各處理的夏季凈光合速率(Pn)平均值隨礦區(qū)廢棄地重

8、金屬污染土壤摻合量的增加而增加，W3最大，W1最小;秋季各處理的凈光合速率（Pn）變化趨勢有所改變，隨著污染土壤摻和量的增加，Pn平均值呈先增加再減少再增加趨勢，W2最大，W3最小;夏秋兩季的Pn均高于對照。對杜英而言，在夏季，隨著礦區(qū)廢棄地重金屬污染土壤摻合量的增加，各處理凈光合速率（Pn）平均值先增加后降低，W2最大，W4最小;在秋季，各處理的Pn平均值為W1最大，W4最小;在兩個生長季，所有處理的Pn都低于對照(CK)。試驗結(jié)果還

9、表明礦區(qū)廢棄地的重金屬元素對欒樹的光合作用有一定的促進作用，對杜英的光合作用則有一定的抑制作用。
　　(5)欒樹凈光合速率（Pn）與Mg、Fe、Mn、Zn等重金屬元素都呈正相關(guān)關(guān)系，與葉片N、P、K（全量）、葉綠素含量則呈負相關(guān)關(guān)系，其中N、Mn、Zn元素含量及葉綠素含量和凈光合速率（Pn）的相關(guān)性達到了顯著水平。杜英的凈光合速率（Pn）與P、K、Zn含量都呈正相關(guān)關(guān)系，與N、Mg、Fe、Mn、葉綠素含量則呈現(xiàn)負相關(guān)關(guān)系，凈光合速

10、率與所有礦質(zhì)元素的相關(guān)關(guān)系都沒達顯著水平。
　　(6)在礦區(qū)廢棄地選取0.67hm2的示范基地，按2行欒樹、1行杜英進行生態(tài)恢復營林試驗，共種植欒樹1440株，杜英720株。在礦區(qū)廢棄地極端的生境條件下，欒樹、杜英混交林幼齡階段一年內(nèi)生物量可增加1192.48 kg/hm2，表現(xiàn)出適應性強，生產(chǎn)潛力大的特征，可作為礦區(qū)廢棄地生態(tài)修復的適宜方案。并且，重金屬元素主要積累在樹枝、樹葉和根部（僅樹葉積累量就占70.7％），生物量大、主要

11、被利用的樹干積累重金屬元素最少（僅占4.45％），可以避免重金屬元素因木材利用而再次大量地向環(huán)境中擴散，有利于生態(tài)恢復區(qū)域的林業(yè)生產(chǎn)。
　　(7)對林分生長的環(huán)境狀況、林分的礦質(zhì)元素含量分布及生物循環(huán)特征進行分析，結(jié)果表明，林分自身對元素的利用率高，歸還量多，周轉(zhuǎn)期短，有利于林地生產(chǎn)力維持。植被恢復5年后，礦區(qū)廢棄地土壤有機質(zhì)和營養(yǎng)元素含量增加，含水量增加，土壤堿性減弱。示范基地中杜英根際土、欒樹根際土、林內(nèi)非根際土的有機質(zhì)含量分