祁连山区废弃矿山生态修复效果研究

Study on ecological restoration of the abandoned mines in Qilian Mountain

摘要

目的 了解祁连山区废弃矿山生态修复效果，以期为该地区废弃矿山生态修复及后续管理措施提供参考。 方法 以山丹县曹家口金矿生态修复区为例，对比分析修复区与周边原地貌土壤及植被的差别，探讨该废弃矿山整体修复效果。 结果 周边原地貌（CK）0~20 cm和20~40 cm土层土壤的有机质、速效钾、水解性氮、有效磷、总磷、全钾的含量均高于修复区，且差异显著（P<0.05）；修复区土壤不同土层间除pH外，0~20 cm土层的各项土壤养分指标均显著高于20~40 cm土层土壤（P<0.05）；原地貌（CK）土壤不同土层间除全氮和总磷含量外，其他养分指标均表现为20~40 cm土层略大于0~20 cm土层，差异不显著（P>0.05）；原地貌植被数量、盖度、多样性指数等均高于修复区。 结论 该废弃矿山修复区生态环境仍与周边存在较大差异，需进一步完善优化修复措施。

Abstract

Objective The study was conducted to evaluate the effectiveness of ecological restoration in the abandoned mines in Qilian Mountain area,providing the reference to the ecological restoration and subsequent management of the abandoned mines. Method The present study took the ecological restoration of Caojiakou gold mine in Shandan County as an example, and explored the overall effectiveness of ecological restoration in the abandoned mine by comparing the differences in landform soil and vegetation between the restored and the surrounding original areas. Result The contents of organic matter, available potassium, hydrolytic nitrogen, available phosphorus, total phosphorus, and total potassium in the soil (0~20 cm and 20~40 cm) of the surrounding original landform were significantly higher than those in the restored area (P<0.05).In the restored area, all indicators of soil nutrients except for the pH in the 0~20 cm layer were significantly higher than those in the 20~40 cm layer (P<0.05).In the original landform,except for the total nitrogen and total phosphorus,all soil nutrient indexes were slightly higher in the 20~40 cm soil layer than in the 0~20 cm layer (P>0.05).The coverage and diversity index of vegetation in the original landform were higher than those in the restored area. Conclusion The ecological environment in the restored area of the abandoned mine still differs greatly from the surrounding original area, and thus it is necessary to further improve and optimize the restoration measures.

Graphical abstract

关键词

祁连山 / 废弃矿山 / 生态修复 / 植被状况

Key words

Qilian Mountain / abandoned mine / ecological restoration / vegetation status

祁连山位于青藏高原的东北边缘，地处青藏、蒙新、黄土三大高原的交汇地带，介于河西走廊与青海省柴达木盆地之间，由一系列西北—东南走向的山岭组成。独特的地理位置和气候条件形成了该区域丰富多样的生物种类，是我国西部少有的物种遗传基因库，也是我国西北地区重要的生态安全屏障，在维护我国西部生态安全方面有着举足轻重和不可替代的地位。祁连山素有“万宝山”之称，矿藏资源十分丰富，自上世纪70年代以来，祁连山区大规模的采探矿活动，导致该地区局部植被破坏、水土流失、地表塌陷等生态问题十分突出^［1-2］。进入21世纪，国家逐步大力整治生态环境问题，2017年，我国在祁连山地区开展国家公园体制试点，确定祁连山国家公园总面积5.02万km²，其中，甘肃省片区3.44万km²，占总面积的68.5%。至此祁连山生态环境逐渐改善，区内矿山相继关停，并进行生态修复。

近年来，研究者们针对我国废弃矿山生态修复开展了大量研究，认为废弃矿山生态修复应立足于整个生态系统，统筹考虑系统中各生态要素间相互依存、相互影响、相互制约，坚持“山水林田湖草是一个生命共同体”的理念^［3-4］。要根据矿山所在区域的生态功能定位与生态系统特征，合理选择废弃矿山的修复方式，争取获得最优修复效果^［5］。目前，对于废弃矿山生态修复效果的研究主要集中在修复区土壤改良、植被恢复、生物多样性提高、景观格局改善等方面，研究一般通过对废弃矿山修复区的生态系统与未破坏的生态系统进行对比，以及对不同恢复阶段状态进行对比，从而对生态修复效果进行评价^［6-13］。

由于祁连山特殊的生态功能与地位，该区域内废弃矿山的生态修复效果，势必影响到区域局地或更大范围内的生态系统功能和效益的发挥。为了解现阶段祁连山区废弃矿山生态修复效果，本研究以山丹县曹家口金矿生态修复区为例，通过对矿山整体修复状况进行调查，对比分析修复区与周边原地貌土壤及植被的差别，并结合修复措施，探讨该废弃矿山整体修复效果，总结经验做法，以期为该地区废弃矿山生态修复及后续管理措施提供参考。

1 研究方法

1.1 研究区概况

山丹县曹家口金矿位于张掖市山丹县大马营镇，地处祁连山支脉大黄山主峰南侧，地理坐标为E 101°13′15″~101°15′15″，N 38°22′15″~38°23′15″，为露天开采金矿，矿区面积0.36 km²。该区域地势较高，海拔2 800~3 200 m，属高寒半干旱大陆性气候，多年平均气温3~10 ℃，极端最低气温-33.3 ℃，极端最高气温37.8 ℃。昼夜温差大，降水较充沛，年平均降水95 d，降水量329 mm，平均相对湿度5%。5月~9月为雨季，其中7月~8月为降水高峰。年平均蒸发量1 695 mm，年平均日照时数2 802 h。土壤以亚砂土、亚粘土为主，其中掺杂少量砂、砾石。

1.2 试验方法

1.2.1 样地调查

1.2.1.1 废弃矿山整体修复状况调查

进入矿山进行实地踏查，记录经纬度、海拔等地理信息，记录矿山修复的工程措施和植物措施，并对关键区域进行拍照取景。

1.2.1.2 植被样地调查

灌木：首先划定1个20 m×20 m的标准样地，在样地的四角和中间设置5个2 m×2 m的灌木样方，记录样方内灌木名称、平均高度、平均地径、盖度和株数等。草本：在标准样地内5个灌木样方周边设置5个1 m×1 m的草本小样方，记录不同草本的种类、平均高度、数量及盖度等。因本研究所选区域内尚未发现乔木存在，故未进行乔木样方调查。

1.2.1.3 土壤取样

在矿区的修复地带和周边区域（未遭受污染破坏的原地貌作为对照，对照样地的选取遵从海拔、坡度、坡向等基本一致原则）设置的标准样地内，按“S”形线路布点（共5个样点，每个样点设置3个重复）采集土壤样品，去除表层附着物后，分别采集各点0~20 cm和20~40 cm的土壤样品，置于样品袋内登记编号带回。捡出动植物残留、草根、枯落物及砾石后，风干研磨，用于测定土壤养分指标。

1.2.2 土壤指标测定

土壤指标测定方法及标准见表1。

1.2.3 植被指标计算

选取的物种多样性指标和计算方法如下^［14-15］：

1） Margalef丰富度指数（R）R=（S-1）/lnN

式中：N为总个体数量；S为总物种数量；ln为自然对数，底数2.718 283 8。

2） Shannon-Wiener多样性指数（H´）H´ =-{\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^s}{p}_i\mathrm{l}\mathrm{n}{p}_i

式中：S为总物种数量；p_i 为第i个种在全体物种中的重要性比例，即：p_i=N_i/N，N_i 为第i个种的个体数量，N为观察到的个体总数量，ln为自然对数，底数2.718 283 8。

3） Simpson优势度指数（D）D=\mathrm{1}-{\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^s}{p_i}^{\mathrm{2}}

式中：S为总物种数量；p_i 为第i个种在全体物种中的重要性比例，即：p_i =N_i /N，N_i 为第i个种的个体数量，N为观察到的个体总数量。

4） Pielou均匀度指数（J）J = H´/ lnS

式中：H´为多样性指数；S为总物种数量；ln为自然对数，底数2.718 283 8。

1.3 数据分析

采用Microsoft Excel 2010进行数据统计处理和制图，并采用SPSS 21.0进行数据分析。

2 结果与分析

2.1 生态修复措施及状况分析

2.1.1 工程措施

对矿区地面塌陷区裂缝进行埋填、修整塌陷区边缘，消除地质灾害隐患。清理矿区工业场地，对部分临时建筑进行拆除、推平，清理建筑垃圾。对露天采矿坑进行矿渣回填，矿坑陡坡进行修整、部分区域进行鱼鳞坑整地并客土。

2.1.2 植物措施

矿坑北面陡坡栽植云杉1 300余棵；尾矿库覆土30 cm左右，撒播紫苜蓿（Medicago sativa）、黑麦草（Lolium perenne）等草籽。

2.1.3 修复状况

矿区自2017年开始修复至本研究调查时已有近4 a时间，但矿区整体修复率不足70%，后续修复措施正在规划实施阶段。前期修复中，在露天矿坑陡坡种植云杉（Picea asperata ），由于地势原因，灌溉难度大，云杉长势较差，平均树高不足1.5 m，成活率仅60%左右；尾矿库覆土厚度30 cm左右，无人工灌溉措施，草种生长状况差，总体盖度不足40%；矿区内部分道路尚未进行生态修复。肉眼可见矿区总体生态环境仍与周边存在较大差异。

2.2 土壤修复状况分析

由表2可知，金矿修复区和周边原地貌（CK）的土壤绝大部分指标间均存在显著差异（P<0.05）。具体表现为：在0~20 cm土层，原地貌（CK）土壤的各项指标含量均高于修复区土壤，其中原地貌（CK）土壤的有机质、速效钾、水解性氮、有效磷、总磷和全钾的含量分别高于修复区12.75%、8.64%、6.60%、4.33%、6.18%和29.42%，且显著差异（P <0.05）；在20~40 cm土层，原地貌（CK）土壤的各项指标含量依然高于修复区土壤，其中原地貌（CK）土壤的有机质、速效钾、水解性氮、有效磷、全氮、总磷和全钾的含量分别高于修复区24.09%、25.53%、18.22%、22.36%、5.10%、17.25%和49.34%，且均存在显著差异（P <0.05）。

原地貌（CK）土壤不同土层间除全氮和总磷含量外，其他指标均表现为20~40 cm土层略大于0~20 cm土层（P>0.05）。而修复区土壤不同土层间除pH外，0~20 cm土层的各项指标均显著高于20~40 cm土层（P <0.05），这可能是受修复区覆土厚度影响。

2.3 植被状况分析

通过对金矿废弃地修复区和周边原地貌的植被进行调查，在修复区发现植物种类3种（均为草本植物），隶属3个科，其中：禾本科（Poaceae）2种，为黑麦草（Lolium perenne）和披碱草（Elymus dahuricus）；豆科（Fabaceae）1种，为紫苜蓿（Medicago sativa）。在周边原地貌共发现植物种类11种，其中：草本6种，以菊科（Asteraceae）为主，分别是乳白香青（Anaphalis lactea）、风毛菊（Saussurea japonica）、掌叶橐吾（Ligularia przewalskii）、绒毛草（Holcus lanatus）、薹草（Carex）和蓝花韭（Allium beesianum）；灌木5种，以蔷薇科（Rosaceae）为主，分别是银露梅（Dasiphora glabra）、高山绣线菊（Spiraea alpina）、山生柳（Salix oritrepha）、鬼箭锦鸡儿（Caragana jubata）和甘肃小檗（Berberis kansuensis）。

物种多样性指数是用来描述物种个体出现的紊乱和不确定性的指标，不确定性越高，多样性也越高^［16］。本研究对该废弃矿山修复区进行植物样方调查时，仅发现草本植物，尚未发现灌木及乔木存在（矿坑北面陡坡坡度较大，且栽植的云杉平均树高不足1.5 m，因此未纳入）；周边原地貌生长有草本植物和灌木，未发现乔木存在。由表4可知，修复区内草本植物盖度仅为35%，且丰富度指数、多样性指数、优势度指数和盖度均明显低于原地貌草本植物。原地貌灌木丛的盖度、丰富度指数、多样性指数和优势度指数分别为90%、2.05、1.55和0.78。这表明矿区周边原地貌的植被状况明显优于修复区。

3 讨论与结论

区域生态系统的结构及其稳定性通常决定该区域内废弃矿山的生态修复方式，进而影响修复效果^［17］。祁连山属于生态脆弱敏感区域，整体生态系统稳定性较差^［18-20］。该区域内的废弃矿山在没有人工干预条件下很难恢复到之前的生态状态，因此，在进行生态恢复时势必要采取一定的人工措施。对于矿山废弃地而言，各种环境因子如废弃地土壤条件、坡度坡向、废弃物破碎化程度、光照及水分等都会成为其生态修复过程中的限制性因子^［21］。而土壤作为生态系统最基本的组成成分，对矿山废弃地生态修复起着决定性作用，改良土壤理化性质和营养状况是矿山废弃地生态修复的重要目标^［22-23］。本研究中的废弃矿山在修复过程中虽然对一些重点区域进行了客土，为植被恢复创造了一定的条件，但由于未采取有效的土壤改良及培肥措施，因此，其土壤养分含量仍与周边原地貌存在明显差异。

废弃矿山生态系统修复和重建的基础在于恢复植被，而植被的恢复也势必为土壤的进一步修复提供更加优异的条件，两者相辅相成^［24-26］。相关研究发现，豆科、菊科、禾本科植物是废弃矿山生态修复的先锋物种，具有很强的适应性，对改善土壤理化性质和营养状况效果明显，尤其是具有根瘤和茎瘤的一年生豆科植物，是理想的先锋物种^［27-28］。在本研究中，该废弃矿山修复区人工种植了紫花苜蓿（豆科）、黑燕麦（禾本科）、披碱草（禾本科）3种草本植物，但由于该区域海拔高、蒸发量大，修复区土壤水肥条件差，且无人工灌溉措施，导致修复区植被总体长势较差、盖度低，这也直接影响到该废弃矿山的整体修复效果。综上所述，基于祁连山特殊的生态功能与地位，后续对该区域内废弃矿山的生态修复和管护，要根据矿山所在区域的生态功能区划与生态系统特征，结合修复区生境及当前恢复状态，及时调整相应措施，不断提升该区域内废弃矿山的生态修复效果。

废弃矿山生态修复是一个长期的过程，修复的基础理论研究也有待深入。通过采用时间序列对比和系统间对比的方法，动态监测研究废弃矿山修复效果，从而探索新的修复理念，是当前的研究热点，也是本研究今后努力的方向之一。

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基金资助

甘肃省水利科研课题(甘水科外发〔2018〕70-28)