湘潭錳礦區(qū)廢棄地土地質(zhì)量評(píng)價(jià)與生態(tài)恢復(fù)效應(yīng)研究.pdf

1、在當(dāng)前人類(lèi)有組織的所有活動(dòng)中，礦物開(kāi)采對(duì)自然生態(tài)系統(tǒng)的影響最為深遠(yuǎn)。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?chē)?yán)重退化，生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)與環(huán)境威脅突出，需要進(jìn)行土地復(fù)墾和生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)。目前，發(fā)達(dá)國(guó)家礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)和土地復(fù)墾率平均達(dá)到了55％～65％，美、英、澳等礦產(chǎn)大國(guó)更達(dá)85％。據(jù)國(guó)土資源部統(tǒng)計(jì)，我國(guó)礦區(qū)土地復(fù)墾率已從1988年的2％上升到了2012年的15％左右。但是，礦區(qū)復(fù)墾速度仍遠(yuǎn)落后于損毀速度，礦業(yè)廢棄地以每年3.3萬(wàn)～4.7萬(wàn)hm

2、2的速度遞增。我國(guó)現(xiàn)有1500個(gè)各類(lèi)礦區(qū)占用和損壞的土地估計(jì)達(dá)200萬(wàn)hm2。
　　加強(qiáng)礦區(qū)土地復(fù)墾和生態(tài)恢復(fù)研究與技術(shù)推廣應(yīng)用，是生態(tài)學(xué)研究人員面向社會(huì)生產(chǎn)實(shí)際的重點(diǎn)工作。本研究以已有近100年開(kāi)采歷史、形成時(shí)間已達(dá)40余年的湘潭錳礦區(qū)廢棄地為對(duì)象，以森林生態(tài)學(xué)、景觀生態(tài)學(xué)和恢復(fù)生態(tài)學(xué)為理論依據(jù)，通過(guò)對(duì)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(jìn)行分析，盆栽試驗(yàn)篩選出能夠適應(yīng)礦區(qū)廢棄地惡劣條件的地帶性鄉(xiāng)土樹(shù)種，在礦區(qū)廢棄地

3、進(jìn)行示范造林，通過(guò)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(fù)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(jī)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(duì)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(guò)了對(duì)照，有機(jī)污染和重金屬污染嚴(yán)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(duì)照區(qū)、湖南省土壤背景值、全國(guó)土壤重金屬元素平均值為標(biāo)準(zhǔn)，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(jí)。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(dá)2949.16，都于極強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。說(shuō)明礦區(qū)廢棄地土壤質(zhì)量嚴(yán)重下降，重金屬M(fèi)n、Cd污染嚴(yán)重，是植被恢復(fù)的主要限制因子。
　　(2)礦區(qū)廢棄地經(jīng)過(guò)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(gè)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(shí)驗(yàn)，篩選出欒樹(shù)和杜英兩個(gè)鄉(xiāng)土樹(shù)種在重金屬元素含量高、未改良或僅簡(jiǎn)單

6、改良的礦區(qū)廢棄地基質(zhì)土壤中正常生長(zhǎng)，成活率高、長(zhǎng)勢(shì)旺盛，可作為礦區(qū)廢棄地生態(tài)恢復(fù)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(duì)照(CK)為100％自然土），欒樹(shù)和杜英都生長(zhǎng)較好。從夏秋兩季各處理中樹(shù)種的平均地徑生長(zhǎng)量來(lái)說(shuō)，欒樹(shù)平均地徑增長(zhǎng)量大小順序是W3＞W(wǎng)4＞

7、CK＞W(wǎng)2＞W(wǎng)1，可見(jiàn)重金屬濃度低時(shí)對(duì)欒樹(shù)生長(zhǎng)有一定的抑制作用，當(dāng)濃度增高時(shí)則抑制作用可能減弱;杜英平均地徑的增長(zhǎng)量大小順序則是CK＞W(wǎng)2＞W(wǎng)1＞W(wǎng)3＞W(wǎng)4，可見(jiàn)不同重金屬土壤摻和濃度下對(duì)杜英生長(zhǎng)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(fù)樹(shù)種的凈光合速率隨著土壤對(duì)比試驗(yàn)方案(W4、W3、W2、W1)的不同，表現(xiàn)出不同的差異性。對(duì)于欒樹(shù)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(shì)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(shì)，W2最大，W3最小;夏秋兩季的Pn均高于對(duì)照。對(duì)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(gè)生長(zhǎng)季，所有處理的Pn都低于對(duì)照(CK)。試驗(yàn)結(jié)果還

9、表明礦區(qū)廢棄地的重金屬元素對(duì)欒樹(shù)的光合作用有一定的促進(jìn)作用，對(duì)杜英的光合作用則有一定的抑制作用。
　　(5)欒樹(shù)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(fù)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(dá)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(fù)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(méi)達(dá)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(shù)、1行杜英進(jìn)行生態(tài)恢復(fù)營(yíng)林試驗(yàn)，共種植欒樹(shù)1440株，杜英720株。在礦區(qū)廢棄地極端的生境條件下，欒樹(shù)、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(yīng)性強(qiáng)，生產(chǎn)潛力大的特征，可作為礦區(qū)廢棄地生態(tài)修復(fù)的適宜方案。并且，重金屬元素主要積累在樹(shù)枝、樹(shù)葉和根部（僅樹(shù)葉積累量就占70.7％），生物量大、主要

11、被利用的樹(shù)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(kuò)散，有利于生態(tài)恢復(fù)區(qū)域的林業(yè)生產(chǎn)。
　　(7)對(duì)林分生長(zhǎng)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(jìn)行分析，結(jié)果表明，林分自身對(duì)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(fù)5年后，礦區(qū)廢棄地土壤有機(jī)質(zhì)和營(yíng)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(shù)根際土、林內(nèi)非根際土的有機(jī)質(zhì)含量分