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耐逆性植物在和平县稀土矿区生态修复中的应用

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qikan006 发表于 2018-8-30 21:22:52 | 显示全部楼层 |阅读模式 打印 上一主题 下一主题
 
摘要:和平县稀土矿区由于采矿过程使植被受毁损,土体受破坏而使功能受损,导致土壤沙化,含菌量极低,且不同程度地存在偏酸和含盐量高的现象,使植物难以生长和形成相对稳定的群落。本研究通过现场施工的方式,发现和初步证实香根草、紫花苜蓿、柱花草、马唐草、虮子草、山毛豆、木豆、翅荚决明、油桐等多种植物具有较强的抗(耐)胁迫能力,是稀土矿区良好的植被恢复物种。根据不同植物的特点,采取不同的配置方式,取得了很好的土壤生态修复效果。
关键词:耐逆性植物;稀土矿;生态修复
近年来对稀土矿的过度滥采,使矿区环境问题日益突出,造成山地荒芜、水土流失、水源污染和下游耕地受毁损等严重恶化的生态环境(王平等, 2008;梁红, 2009)。植物修复(phytoremediation)是利用不同植物吸收、富集、固定和降解土壤和水中的污染物,并通过植被减少或避免水土流失和增加系统中的生物量,从而达到生态恢复或生态改良的技术体系(USEPA, 2000)。植物修复因其效用时期较长、相对成本较低和生态效益明显而日益受到重视。在稀土矿区治理和生态修复措施中,植物修复将是改善受毁损区域生态功能、恢复矿区景观和农林生产潜力的最有效手段。本研究在粤东(和平县下车镇)的稀土矿废弃矿场,以现场施工修复的方式,以柱花草(Stylosanthes scabra)、苜蓿(Medicago sativa)、香根草(Vetiveria zizanioides)、百喜草(Paspalum notatum)、玉米(Zea mays)、山毛豆(Tephrosia candida)、木豆(Cajanus cajan)和翅荚决明(Cassia atala)、望江南(Cassia occidentalis),等草本和灌木,以及本地的马唐草(Digitaria sanguinalis)、虮子草(Leptochloa panacea)、芒草(Miscanthus)、芒箕(Dicranopteris pedata)、野苋(Amaranthus viridis)

马尾松(Pinus massoniana)和油桐(Vernicia fordii Hemsl.)等为试验植物材
料,研究了稀土矿场生态修复过程中植物群落重建、重建植物群落特点、地被植物动态变化及植物群落演替机理,并根据不同植物的特点,采取不同的配置方式,取得了很好的土壤生态修复效果。
1 和平县下车镇稀土矿场的状况
和平县下车镇废弃稀土矿区有2000多亩,由于采矿过程使植被受毁损,土体受破坏而使功能受损,表土和肥力长期被大风刮走和雨水冲走,有机质含量极低,土壤质地劣化,最终导致沙化,含菌量极低,且不同程度地存在偏酸和含盐量高的现象,植物难以生长(李兆龙等. 2013)。采矿过程的尾矿和废水堆填所导致的矿场土壤酸化、高盐和不同程度重金属毒害,也使人工植被难以长期生长和形成相对稳定的群落(Liang et al. 2013)。因此,二十多年来植物一直无法生长,造成了极大的水土流失,已经成为当地严重的环境污染问题(见附图1)。
2  稀土矿区生态修复植物的选择
和平县稀土矿区由于采矿过程使植被受毁损,土体受破坏而使功能受损,导致土壤沙化,含菌量极低,且不同程度地存在偏酸和含盐量高的现象,使植物难以生长和形成相对稳定的群落。因此,只有抗性强的植物才能生存,并且是耐干旱、贫瘠、高温且生长量大和快的植物品种;其次,应选择适合当地生态环境的乡土植物。乡土植物经过长期的生长、驯化,已具备了抵御极端气候因子变化的功能,可增加绿化植物的成活率。本研究通过现场施工的方式,发现和初步证实香根草、紫花苜蓿、柱花草、山毛豆、木豆、翅荚决明、油桐等多种植物,及乡土植物马唐草和虮子草,这些植物具有较强的抗(耐)胁迫能力,且具有适应性强、生长快速、增加土壤有机质、抵抗力和固土力强的特点,综合运用能有效提高土壤生态修复的效果,是稀土矿场良好的植被恢复物种。尤其是在高温多雨的热带和亚热带地区表现更佳,这为植物材料的选择提供了经验和便利。
2.1马唐草(Digitaria sanguinalis)和虮子草(Leptochloa panacea)
本研究在和平县经过近三年的实验,意外发现乡土植物马唐草和虮子草可以在稀土矿区生长,而且抗(耐)胁迫能力强,长势良好,生物量大,是本研究找到的第一种最适稀土矿区种植的良好植物,但该马唐草已经变种,与传统马唐草品种有一定的区别,但非常适合稀土矿区种植,这为以后的其它植物种植提供了可能性。
马唐草为早熟禾科(Poaceae)马唐属(Digitaria)植物。尤指血红色马唐(D. sanguinalis, 即马唐)或略矮的止血马唐(D. ischaemum)。马唐属约300种,多为杂草,分布北美和欧洲,见於草坪、田野和荒地。茎直立或斜生,下部茎节著地生根,蔓延成片,难以拔出。叶被长毛。加利福尼亚马唐(D. californica)在北美西南部作为饲草。马唐草多生于山坡草地和荒野路旁。其分布几遍全国。
虮子草是一种一年生草本植物。国内分布于陕西、河南、江苏、安徽、浙江、台湾、福建、江西、湖北、湖南、四川、云南、广西、广东等省区,多生于田野路边和园圃内。国外分布于分布于全球的热带和亚热带地区。
乡土植物马唐草和虮子草具有非常强的适应性,经过几年的生长、驯化,已具备了抵御极端气候因子变化的功能,是治理稀土矿区的先锋的优良植物,只要在适当的季节和一定的肥力,就能够很好地成长。
2.2香根草(Vetiveria zizanioides)和芒草(Miscanthus)
香根草,又名岩兰草;顾名思义,因其根很香,故名香根草,是一种禾本科多年丛生的草本植物。原产于印度等国,现主要分布于东南亚、印度和非洲等(亚)热带地区,具有适应能力强,生长繁殖快,根系发达,耐旱耐瘠等特性;有“世界上具有最长根系的草本植物”、“神奇牧草”之称;被世界上100多个国家和地区列为理想的保持水土植物。80年代以后,在华南、华东、西南等地香根草被广泛用于治理水土流失。由于香根草生长快,抗性强,具有很好的穿透性、抗拉强度等优良力学性质,可在气温为-10~50℃和年降雨量300~6000mm的地区生长,陆续被用于保护公路、河堤、梯田等。
芒草(学名:Miscanthus)是各种芒属植物的统称,含有约15到20个物种,属禾本科。原生于非洲与亚洲的亚热带与热带地区。其中一个物种中国芒(M. sinensis)的生长范围延伸到了温带亚洲,包括日本与韩国。
本研究中使用的是巨芒草,这是一个原产于日本的天然杂交三倍体种,它的父母本是二倍体的芒和四倍体的荻。在人们对能源植物的探索中,芒草很快脱颖而出,因为相比其他能源作物,芒草生物质产量高,矿物质含量低,燃烧充分,CO2净效应为零,无有害气体释放,有利于缓解温室效应,并有助于保持水土;且芒草耐寒抗旱,对水、肥依赖小,收割处理容易,在本研究中也成为首选的植物先锋,和马唐草一样成为最适合稀土矿区治理的先锋植物。
2.3 苜蓿(Medicago sativa)和柱花草(Stylosanthes scabra)
苜蓿和柱花草属于牧草,能增加土壤中N素的收集、增加土壤有机质、改善土壤微生物的环境及促进土壤的良性循环等作用。
苜蓿是苜蓿属(Medicago)植物的通称。是一种多年生开花植物。其中最著名的是作为牧草的紫花苜蓿(Medicago sativa)。是牲畜饲料。主要成分为大豆黄酮和皂甙类。紫花苜蓿为多年生草本植物,似三叶草,耐干旱,耐冷热,产量高而质优,又能改良土壤,因而为人所知。广泛栽培,主要用制干草、青贮饲料或用作牧草。
柱花草(Stylosanthes scabra)为上等优质牧草,适宜放牧或晒制干草。营养期长,在不同的物候时期都含较高的营养成分,对家畜的发育,育肥和过冬保膘都有很好的作用。柱花草是一种豆科植物。这种植物原产于南美洲巴西、委内瑞拉、巴拿马和加勒比海岸等地。柱花草分枝性强,茎叶稠密,易覆盖地表,对杂草有很强的抑制能力。但在幼苗期,如果杂草太多,则易受到抑制。柱花草种子带荚壳,种皮坚硬,种子出土极缓慢。种子不耐贮藏。柱花草结实力强,极易落粒,耐短时间水渍。
2.4山毛豆(Tephrosia candida)、木豆(Cajanus cajan)和翅荚决明(Cassia atala)和望江南(Cassia occidentalis)
山毛豆,株高1-3M,枝有棱,密生褐色或灰色绒毛。栽培于云南、广西、广东、福建等地。适应性强,耐酸、耐瘠、耐旱,喜阳,稍耐轻霜,适于丘陵红壤坡地种植。以种子繁殖为主。多采用底泥微生物原位生态修复、河岸生态护坡、等进行立体生态修复技术,收到固土护坡,恢复生态的作用。也可以用作绿肥和饲料。
由于木豆速生性强、适应性广、能保持水土、改良土壤,所以木豆在营造乔、灌、草混合林时能发挥重要作用。木豆为多年生木本植物,耐干旱、耐瘠,对土壤要求不严,各类土壤均可种植,适宜的土壤pH值为5.0—7.5。
翅荚决明现广布于全世界热带地区。在我国,分布于广东和云南南部地区 ,生于疏林或较干旱的山坡上。我国热带地区常见栽培。其苞叶和花芽与花瓣具有同样鲜明的黄色,因而整个花序形成被观赏的对象,有较高的观赏价值。园林绿化可丛植、片植于庭院、林缘、路旁、湖缘,其金黄之花,给人以愉悦、亮丽、壮观之美,恰好营造出金秋收获季节那种喜洋洋的氛围。而且多花香艳,沁人心脾,令人振奋。翅荚决明可通过种子与扦插进行繁殖,它原产美洲热带地区,耐干旱,耐贫瘠,适应性强,喜光耐半阴,喜高温湿润气候,不耐寒,不耐强风,宜栽植于通风良好之地。
望江南又名羊角豆、扁决明、山绿豆或波布草,属豆科决明属,是一种一年生草本植物,植物耐干旱和贫瘠,适应性强。原产于美国南部及美洲的热带地区。望江南分布于中国东南部、南部及西南部各省区。常生于河边滩地、旷野或丘陵的灌木林或疏林中,也是村边荒地习见植物。原产美洲热带地区,现广布于全世界热带和亚热带地区。树形优美,具有极强的观赏性。
2.5 马尾松(Pinus massoniana)和油桐(Vernicia fordii Hemsl.)
马尾松是阳性树种,不耐庇荫,喜光、喜温。适生于年均温13-22℃,年降水量800一1800mm,绝对最低温度不到-10℃。根系发达,主根明显,有根菌。对土壤要求不严格,喜微酸性土壤,但怕水涝,不耐盐碱,在石砾土、沙质土、粘土、山脊和阳坡的冲刷薄地上,以及陡峭的石山岩缝里都能生长。为中国长江流域各省重要的荒山造林树种,也是江南及华南自然风景区和普遍绿化及造林的重要树种。
油桐,大戟科。落叶乔木,高3-8米。可提炼桐油。桐油是重要工业用油,制造油漆和涂料,经济价值特高。油桐也是我国特有经济林木,它与油茶、核桃、乌桕并称我国四大木本油料植物。桐油又是重要的出口物资之一,历史上与丝、茶并列为中国三大传统出口商品,无论产量和质量上都雄居世界第一,在国际市场上享有很高的声誉。由于油桐生长快,木材洁白,纹理通直、加工容易,是果材兼用的好树种。因而,大力发展油桐生产是富国富民的重项目。“要快富,栽桐树”这是流传民间已久的谚语了。
3 配置方式
3.1不同美化植物品种的配置
在稀土矿区生态修复中,修复的美观也是一个重点,特别是在邻近公路或村庄的地方,这样可以增加复绿后稀土矿区的美化效果,提高观赏性,为新农村建设增加美景。在稀土矿区治理中发现,马唐草和虮子草具有生长量大,生长速度快,且其下部茎节著地生根,蔓延成片,且特别适合稀土矿区的种植,因此,集中成片种植是优美的草坪。因此,在稀土矿区治理中,地面首先考虑的是种植成片的马唐草和虮子草。并间隔种植望树形优美的江南和木豆,在山脚位置则种植香根草,具有特别的美感。
种植翅荚决明更有特别的美观效果,翅荚决明在我国主要分布于广东和云南南部地区 ,生于疏林或较干旱的山坡上。其苞叶和花芽与花瓣具有同样鲜明的黄色,因而整个花序形成被观赏的对象,有较高的观赏价值。园林绿化可丛植、片植于庭院、林缘、路旁、湖缘,其金黄之花,给人以愉悦、亮丽、壮观之美,恰好营造出金秋收获季节那种喜洋洋的氛围。而且多花香艳,沁人心脾,令人振奋。
不同美化品种的配置,能确保修复出来的稀土矿区本身就是一处美丽的景区,可以成为人民生活休闲的地方,或是公路边上美丽的风景,起到废地新用的作用。
3.2不同矿山高度植物的配置
根据稀土矿区残留矿山的高度,可粗分为坡底(稀土矿山边地)、低坡(<10m)、中坡(10–15 m)、高坡(>20 m)及坡顶平面部位。对于坡底地,通常考虑到水土流失的问题,可种上香根草和芒草,特别是坡底水沟或低洼的位置,由于这两种草根系特别强大,对土壤具有极强的吸附力,特别是芒草本身生长量大,植物本身也有极强的抵抗力,因此,是低坡种植的首选;在低坡和中坡(15–30 m)位置,一般是种植马唐草和虮子草,保证能覆盖地面,减少雨水的冲刷,在种植这两种草的同时,也种植一定的望江南、木豆和翅荚决明,这样在增加土壤吸附力的同时,也能起到特别的美观效果;在高坡位置,种植马唐草和虮子草,减少雨水的冲刷,同时种植马尾桦和油桐;坡顶平面部位,考虑到发展果树等经济作物的需要,因此,采取的治理方法也不同,首先是种植马唐草和虮子草进行土壤覆盖,再种植固N植物苜蓿和柱花草,增加土壤有机质,改善土壤微生物环境,经过二三年的修复后,就可以考虑种植经济作物了。种植时采取挖点的方式,在下面填埋稻草等有机质,后在上面种植经济作物,如油茶,西番莲等,从而达到最终的修复目的—果园用地。
3.3 不同生境的配置
不同植物对环境条件的要求不同,因此在进行修复时应考虑地形条件。北面山坡应选择耐荫植物如香根草等;西面山坡应该选择喜光、耐旱的植物如马尾松、油桐等;在低洼且潮湿的位置宜选择保持水土能力强又芒草、芒基等植物。
3.4草-草灌-草灌乔-乔灌草的配置
本研究对和平县稀土矿区土壤进行了诊断,选点进行水保工程、土壤有机质增补、微生物群落重建、抗(耐)逆性植物筛选及适应性驯化研究,以重建植物群落并达到可持续地植被覆盖,施工中注意草-草灌-草灌乔-乔灌草的配置,充分发挥不同植物的优点,极大提高了修复的效果。通过比较生态修复过程中不同阶段人工植被中植物种类及其相对生长量的增减变化,观察到 草-草灌-草灌乔-乔灌草 的变化趋势,而且在草本植物和灌木中,当地植物逐渐取代外来植物,其重建群落的植物组成也有其自身的特点。因此,草-草灌-草灌乔-乔灌草的配置,为制订以低生理代价和低成本投入获得高效率生态修复的技术提供了科学依据。
3.5土壤- 微生物- 植物协同修复原则
近年来,生态修复过程中土壤微生物与地表植物的相互作用受到较多的关注。生态修复措施对土壤微生物与土壤肥力因子的作用,关系到植物的生长发育和植物群落的结构,从而直接关系到生态修复效果(罗海波等, 2004; 薛萐等, 2007; 张平究等, 2010)。而植被恢复过程中植物群落的演替可能供给土壤微生物在质和量上与原来不一致的碳源和其他营养元素,影响着微生物群落结构(梁红, 2011)。
通过研究生态修复过程中 土壤- 微生物- 植物 的相互作用和协同演化,阐明生态修复过程中植物群落动态变化及其演替的机理,为稀土矿场土地复垦和受毁损生态系统修复提供技术支持。
本研究中,在和平县稀土矿区治理二三年后,随着土壤有机质的增加,土壤微生物的改善,已使治理后的土壤基本上具备耕作条件(Liu et al., 2011);才开始考虑种植经济作物,种植时采取点植方式种植油茶,西番莲,玉米等经济作物,从而成功转化为果园用地。
4 结尾
稀土矿区生态修复是一个完整的生态系统工程,它不仅包括植物,还包括动物与微生物,系统内部之间以及系统与相邻系统之间均发生着物质能量和信息的交换,具有极强的动态性,真正意义上的修复,应该在保证植物种植的基础上,保持生态系统的稳定性,以修复的生物多样性为目标,在土壤-植物-微生物之间,形成物质、信息和能量遁环体系,通过良性循环,进行自我组织和自我修复,使生态修复不仅肯有景观效果,还能修复整个系统的自净能力,从而为整体生态系统的良性发展提供保障。
本项目在对和平县下车镇、平远县仁基镇稀土矿场土壤诊断的基础上,选点进行土壤有机质增补、微生物群落重建、抗(耐)逆性植物筛选及适应性驯化等试验。并根据以上研究的结果,采取相应植物修复措施,重建地表植物群落并达到长期有效的植被覆盖,从而实现了稀土矿场土壤的良性生态修复。

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