石漠化区和采石场共性生态问题研究进展

2017-01-21王普昶王志伟丁磊磊

中国水土保持 2017年9期

关键词：采石场石漠化植被

陈虹，王普昶，王志伟，丁磊磊

(1.贵州省普定县水务局，贵州普定 562100；2.贵州省草业研究所，贵州贵阳 550006)

石漠化区和采石场共性生态问题研究进展

陈虹1，王普昶2，王志伟2，丁磊磊2

(1.贵州省普定县水务局，贵州普定 562100；2.贵州省草业研究所，贵州贵阳 550006)

采石场；石漠化区；生态恢复；共性生态问题；研究进展

石漠化区和采石场都是涉及人类活动的经济环境问题的区域，其特征是基岩广泛裸露、水土流失严重、土地贫瘠和植被稀缺，其本质是土地生物潜能的衰减或丧失，其生境保水性和蓄水性差，渗漏性极强，导致机械性缺水频繁，生物多样性下降和缺失，迁入植物群落难以定居，自然恢复需要几十至上百年的时间且很困难。当前其生态恢复主要存在以下问题：普遍追求植被的快速恢复，侧重于植被栽植技术的研究；大量使用外来物种导致的退化现象和潜在威胁乡土生物多样性；缺乏解除贫瘠和干旱等主要限制性因子的土壤微生物及动物添加类的土壤改良产品；极少见石漠化基岩裸露区恢复的研究；生态恢复成本过高、工艺复杂、效果欠佳。

1 石漠化区和采石场状况

我国的喀斯特面积344万km2(土层覆盖岩石区、植被覆盖岩石区和裸露岩石区)，约占国土面积的36%，占全世界喀斯特面积(2 200万km2)的15.6%；我国西南八省(区)约有51万km2的裸露岩石区，占西南八省(区)土地面积的25.98%，其中贵州有12.66万km2的裸露岩石区，占贵州土地面积的71.89%[1]。石漠化的结果是基岩的广泛裸露，能在各种尺度水平上极大地影响着水文、土壤、生态和经济，引发更多的地质灾害如干旱、洪水、滑坡和地陷，甚至在更大尺度上影响碳平衡和区域气候，严重阻碍了当地农业经济等的可持续发展[1-5]。我国在2008年开展了100个县的飞播造林项目，并在2011年扩展到200个县[5]，各种研究与治理项目的实施使得石漠化面积整体减少7.4%，其中极重度和重度石漠化面积分别减少了41.3%和25.8%，然而还有12万km2没有恢复，这些地方的人口密度高达217人/km2，5 000万人生活处于贫困线以下。因此，石漠化恢复治理仍任重道远。

还有一些地貌景观特征与石漠化十分相似，如采石场。我国城镇化进程的加快和对建筑石料需求的增大，导致了可利用采石场和废弃采石场数量的增加。国土资源公报显示，我国有效的采矿许可证有10.06万个，因石料的大量开采、无序的挖掘、尾矿废渣废石等所造成的水土流失和土地资源的破坏已超过400万hm2[6]，且仍以每年4万hm2的速度增加[7]。2012年以来，“矿山复绿”行动累计治理矿山3 310个，治理面积10.3万hm2。虽然经过治理，但当今采石场总体仍具有规模大、数量多等特征[8]，全国土地复垦率不足12%，其中采石场的生态复垦率更低[9]。国土资源部数据显示，截至2015年全国累计损毁土地303万hm2，已完成治理恢复土地仅81万hm2，治理率为26.7%，全国仍有约220万hm2损毁土地没有得到有效治理。贵州是我国石材资源大省，大理石资源尤为丰富，品种有50多种，特别是海贝花、黑木纹、白木纹、黄木纹、金丝白玉、红龙玉等品种，国内独有，石材资源储量超过100亿m3，覆盖63个县(市、区)。充足的资源、丰富的品种和优越的品质，使石材产业得到了快速发展，采石场数量迅速增加，规模不断扩大。目前处于脆弱的喀斯特生态中心的贵州省有许多采石场迹地等没有得到有效治理恢复，特别是石灰石矿山的开采活动对地表植被、土壤、地形地貌等造成了极大的破坏与影响，使得碳酸钙基岩裸露，原本的青山伤痕累累，由此产生的次生地质灾害和对空气、水体、土壤的污染及景观破碎已经成为贵州省生态文明建设的严重障碍。

2 强度石漠化区和采石场的共性特征

2.1 水土流失严重，基岩裸露，土壤贫瘠、生产力下降

石漠化区域采石场的表观特征是基岩裸露、水土流失严重、植被稀缺、生态环境遭到严重破坏[10]，其本质是土地生产力的下降和丧失[11]。而石漠化的结果是基岩的广泛裸露[2]，实质是土地生产力的下降和丧失[12]，本质上是土地生物潜能的衰减或破坏[13]，涉及水土流失甚至广泛的基岩暴露[5,14]，是土壤生产力的巨大降低[5]和一种典型的土地退化[14]。

2.2 导致水分短缺，生物多样性下降和缺失

喀斯特石漠化地区因土壤浅薄、植被覆盖率低、地表支离破碎和独特的二元结构导致保水性和蓄水性差，渗漏性极强[15]，造成临时性干旱频繁，而且由于降水的季节性不均，地表水利用困难，造成机械性缺水[16]。研究表明：随着石漠化程度的加深，土壤呈现明显的沙化现象，土壤容重逐渐增大，孔隙度、毛管持水量减小[17]，物种均匀度指数、丰富度呈递减趋势[18]，生物多样性减少[19]。因此，喀斯特石漠化的负面环境影响之一就是水分短缺和生物多样性降低[20]。采石场由于土壤和植被剥离导致生物多样性锐减，且石漠化区废弃采石场地质结构为石灰岩，土壤贫瘠、土层薄，土壤不保水[21]，植物生长环境十分恶劣，加之开山采石对采石场山体植被和土壤结构的毁灭性破坏，将采石场的生境变为原生裸地，导致先锋植物群落难以进入，其他植物更是无法在此种恶劣生境条件下生长繁殖[21]。

2.3 导致与经济有关的生境破坏问题

人口和贫困水平强烈影响喀斯特石漠化[14]。虽然有研究认为地下水土流失可能是石漠化的主导，但人类活动常常加速石漠化[4]，且人类活动在石漠化过程中扮演着重要角色。而采石场是为了满足人类对石料的需求而进行的开采活动。两者均导致了与经济有关的生境破坏问题。

2.4 自然恢复漫长且很困难

废弃采石场边坡的群落演替开始于裸露岩石，其模式属于原生演替，演替过程可以延续几十年[22]。一般采矿废弃地，单一依靠生物群落演替进行生态恢复一般需要50～100年，而石漠化区域采石场自然环境恶劣，依靠自然恢复需要的时间远超过100年[10]。采石场自然恢复难度之大、时间之长显然远远超出了人们的想象[21]。石漠化区石灰岩形成土壤的速度是极缓慢的，风化1 cm石灰岩形成0.2 mm的土层需要超过100年的时间[23]，且土壤极易被重力、风[24]和水移走。因此，我们需要适当借助人力[21]，加快石漠化区和采石场的生态恢复。

3 国内外理论与实践研究

美国生态重建学会定义的生态恢复的概念为：将人类所破坏的生态系统恢复成具有生物多样性和动态平衡的本地生态系统，其实质是将人为破坏的区域环境恢复或重建成一个与当地自然环境和谐的生态系统[25]。目前国内外对生态恢复的理论进行了广泛的研究，并开展了相应的实践应用。

3.1 限制性因子理论

自利比希最小因子定律提出以来，限制性因子被广泛研究。杨波发现土壤种子库是滇中废弃采石场生态恢复的限制因子，对采石场进行生态恢复的关键是在雨季来临前人为引入土壤种子库[21]。王琼等采用层次分析法综合评价对废弃采石场生态治理影响最大的因子，首先是土壤有效深度，其次为土壤有机质，然后依次为坡度、年降雨量、土壤质地、土壤水分含量、地表破坏程度、土壤硬度、灌溉条件、改造难易程度和土壤pH值[26]。有研究者探索了最适合矿区植被生长的土层厚度，发现15 cm较为理想，并提出需要针对不同的植物类型进行植被土层厚度的选择，但也有人认为复垦地的土层厚度和植物的生长没有必然的联系，他们发现在生长初期，土层较厚区域的植物生长速度和状态并没有超过土层较薄区域，在部分试验地，甚至出现了土层薄的区域的植物生长速度超过了土层厚的区域[27]。演替资源比率假说认为，在演替初期，养分短缺，植物间竞争的主要是养分，而不是光照，这样有利于那些个体较小的物种生存，并且生物量向根部的投入增加，以竞争到较多的养分[28]。因此，在恢复初期增加植被的养分供应极有必要。石漠化地区和采石场的土壤瘠薄和临时性干旱成为影响当地畜牧业发展和生态恢复的主要限制性因子[16]，因此一方面需要提高土壤保水性能、增加土壤养分，另一方面需要选择水分和养分利用效率高的物种。

3.2 生态适应性理论

乡土物种和适应性强的商业化物种能更好地适应石漠化或采石场生境，而成为先锋物种。也有报道认为出于商业和应用方便的考虑，一般多采用外来的草本植物，这样形成的人工植被虽然早期效果不错，但由于外来物种对恶劣环境的抗性较弱，生物群落稳定性差，因此往往在短期内出现植被退化现象[29]。目前，废弃地植被选择多数是在人为选定若干植物种的基础上，通过植苗试验，选择适生植物种。有人研究4种植入菌根的豆科植物在石灰石采石场的适宜性发现，植被恢复中涉及豆科植物时应添加它们的微共生体[30]。有人在干旱地区石灰石采石场不同树种植入AM菌根后发现，AM菌根能够促进植物对水和养分的吸收，并能增强植物抵抗高温的能力，认为AM菌根能够促进石灰石采石场废弃地的恢复[31]。有人在石灰石采石场选择了3种常绿硬叶灌木并辅以保水剂、肥料和接种菌根进行恢复研究，发现保水剂和肥料适宜在植被恢复中使用[32]。杨旭等发现混交林的土壤水分、有机质、速效磷和速效钾含量均高于豆科纯林，豆科纯林土壤的全氮及速效氮含量均高于混交林，混交林的微生物总数、真菌、细菌、放线菌数量高于纯林，而纯林的固氮菌数量高于混交林[33]。曾庆飞等发现石漠化程度的强弱与真菌群落的复杂度和丰富度均呈负相关关系[34]。王金华等发现根瘤菌能降低石漠化土壤的pH值，明显提高土壤的有机质、N、P、K等营养元素的含量，增加红三叶相对叶绿素含量和生物量，促进根系的生长，增加结瘤数量及根瘤的质量[35]。李军峰等的研究表明，苔藓植物种数随石漠化程度增强而降低，苔鲜植物具有较强的保水作用，可作为岩石表面的先锋植物[36]。刘代军等认为丛枝菌根具有对矿质营养和水分吸收能力强的特殊生理生态功能，接种丛枝菌根真菌后能进一步扩大桑树对矿质营养和水分的吸收与运输，减轻贫瘠干旱胁迫，加快土壤微生物群落构建[37]。熊康宁等发现蜱螨目和弹尾目的抗干扰性、抗旱性较强，在石漠化凋落物的分解中充当重要的角色，可作为改良土壤的动物[38]。

3.3 演潜理论

在“空间代替时间”的前提下，研究采石场的生态演替理论发现，废弃采石场边坡的群落演替开始于裸露岩石，其模式属于原生演替，其演替过程通常为：由禾本科和菊科的草本作为先锋植物构成早期阶段的草本群落，继而出现阳性或者旱生型的灌木群落、乔木群落，随着林下郁闭度的增加，部分阳性植物逐渐被耐阴植物取代而退出演替，最后耐阴的乔木群落重新侵入，演替序列为裸岩→先锋草本群落→草灌群落→简单的复合群落→高级复合群落[22]。

3.4 热力学定律

梁建华发现，常绿和落叶树种的比例将近3∶1时，季节性落叶可保证有机质的来源充分，根瘤固氮作用也可改善岩质边坡的岩土性质，为其他乔灌草提供良好的生境条件[39]。枯落物的产生和翻覆增强营养和有机质汇入土壤[40]。枯落物提高土壤保水性，微生物固氮、分解枯枝落叶和提高养分的有效性，土壤中的环节动物提高肥力，进一步促进植物生长，就形成了小尺度的能量循环。

3.5 种群密度制约及分布格局理论

密度制约原理在植物中主要表现为自疏和他疏[41]。有学者研究了乡土植物种组合的播种密度，发现种子密度太高不能产生更高的植被盖度[42]。

3.6 生态位理论

在植物生活史中，从种子萌发到幼苗成活是其成功定居极为关键的时期，常受到光照、温度、水分和其他生物等因素的影响和制约，而利用护理植物能够提高目标物种定居机率[43]。乔木与灌草更有利于尽早形成林地环境[44]。在华南地区采石场植被恢复的实践中，往往在石壁的下部选择草灌相结合，在石壁部分，若土壤条件不够好，则多种藤、草。梁启英等提出品种的配搭要注意“三结合”，即固氮植物与非固氮植物结合，浅根植物与深根植物结合，上繁植物与下繁植物(贴地生)结合等，在岩石坡上，藤本着生攀援；在岩土坡切沟，草与树混种；在岩土坡底部，多树种混交，取得了采石取土场植被恢复的成功[45]。

3.7 生物多样性理论

生物多样性可促进恢复的生态系统稳定，故引进物种时强调生物多样性。

3.8 缀块-廊道-基底理论

利用现成的石漠化和采石场创造景观。早在中国古代采石废弃地的改造就出现了，浙江绍兴的东湖汉代开采，隋代扩大，清代筑堤逐渐改造成风景名胜，在世界废弃地恢复史上占显著地位[46]。近年，贵州出现的喀斯特公园和地质公园也是此理论的应用。

3.9 自我设计与人为设计理论

自我设计理论认为，只要有足够的时间，随着时间的推移，退化生态系统将根据环境条件合理地组织自己并会最终改变组分。该理论把恢复放在生态系统层次考虑而未考虑缺乏种子库的情况，其恢复的只能是环境决定的群落。随着生态恢复的进行，一年生植物的重要值逐渐减小，多年生植物和灌木的重要值逐渐增大。乔木在生态恢复的后期虽有零星出现，但所占的比重始终很小，这说明在当地矿区进行生态恢复时仅凭自然力几年内难以恢复成森林生态系统，要想恢复成生态功能更强的森林生态系统，采取一定的人工措施是必要的[47]。而人为设计理论把恢复放在个体或种群层次上考虑，通过工程方法和植物重建可直接恢复退化生态系统，但恢复的类型可能是多样的。这一理论把物种的生活史作为植被恢复的重要因子，并认为通过调整物种生活史的方法就可加快植被的恢复。在一些发达国家，诸如美国、英国、德国和日本等，较早开始石质陡坡绿化，并研究出一系列绿化工程技术，如客土喷播、种子喷播、水泥框格、植生袋绿化、厚层基材护坡喷射绿化、生态多孔混凝土绿化和客土袋液压喷播植草等[48]，均是人为设计理论的应用。

4 当前生态恢复存在的主要问题

目前为止，国内的生态恢复技术还不完善，一些发达国家通过长期的理论研究和工程实践，已经形成了较为完整、系统的理论和技术体系，而国内的技术发展则相对滞后[39]。

4.1 植物种植模式单一

生态恢复技术在我国发展时间还不长，治理中普遍追求植被的快速恢复，侧重于植被栽植技术的研究[6]，植物种植模式单一。

4.2 大量使用外来物种

出于商业和应用方便考虑，多采用外来的草本植物，这样形成的人工植被虽然早期效果不错，但一些外来物种对恶劣环境的抗性较弱，生物群落稳定性差，往往在短期内会出现植被退化现象[29]；一些外来物种适应性过强，对本地生物多样性存在潜在威胁，如双穗雀稗等。

4.3 缺乏土壤改良产品

有报道认为，土壤有机质含量、氮含量、毛管持水量、容重和孔隙度与植物多样性具有明显的相关性，在改善土壤理化性质和促进植物多样性恢复方面起着关键作用，土壤养分状况与植物生长密切相关，根据不同石漠化程度土壤养分状况，应该采用针对性施肥的方法来治理石漠化[18，49]。贫瘠和干旱是生态恢复的主要限制性因子，因此一方面需要提高保水性能、增加养分供应，另一方面需要选择水分和养分利用效率高的物种。而土壤改良产品方面的研发仅见施用石灰、石灰石粉和商用土壤调理剂能提高水稻产量10%左右的报道[50]。

4.4 缺乏石漠化基岩裸露区恢复的研究

从大量的文献或图片可发现，基岩裸露区生态恢复研究多出现在采石场，而石漠化恢复研究则多见于有土层的石漠化地区，缺乏石漠化基岩裸露区恢复的研究。

4.5 恢复成本高

采石场与强度石漠化区不仅生态恢复成本过高、工艺复杂、效果欠佳，而且治理过程及后期的运营与维护都需要大量投入[51]。有些干脆自然恢复，如禁牧、封山育林等，但通常而言自然恢复所需时间更长，这与现实需要的生态恢复效果和速度不相称。

(致谢：王普昶研究员对文章结构提出了建设性的意见，在此感谢！)

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(责任编辑孙占锋)

国家自然科学基金项目(31602005)

S157.2