湘潭锰矿区废弃地土地质量评价与生态恢复效应研究

摘要

在当前人类有组织的所有活动中，矿物开采对自然生态系统的影响最为深远。采矿后形成的矿区废弃地，生态系统结构解体，功能严重退化，生态风险与环境威胁突出，需要进行土地复垦和生态系统修复。目前，发达国家矿区生态恢复和土地复垦率平均达到了55％～65％，美、英、澳等矿产大国更达85％。据国土资源部统计，我国矿区土地复垦率已从1988年的2％上升到了2012年的15％左右。但是，矿区复垦速度仍远落后于损毁速度，矿业废弃地以每年3.3万～4.7万hm2的速度递增。我国现有1500个各类矿区占用和损坏的土地估计达200万hm2。
　　加强矿区土地复垦和生态恢复研究与技术推广应用，是生态学研究人员面向社会生产实际的重点工作。本研究以已有近100年开采历史、形成时间已达40余年的湘潭锰矿区废弃地为对象，以森林生态学、景观生态学和恢复生态学为理论依据，通过对矿区废弃地的土壤理化性质、现有定居植物生态特性等进行分析，盆栽试验筛选出能够适应矿区废弃地恶劣条件的地带性乡土树种，在矿区废弃地进行示范造林，通过分析示范基地的林分特征、水土特性和矿物元素生物循环状况，确定了矿区生态恢复的基本技术措施。研究结果表明:
　　(1)湘潭锰矿区废弃地土壤质地以石质粗砂土或砂粉土为主，物理性砂粒(1～0.01mm)在85％以上，物理性粘粒(＜0.01 mm)在15％以下，土壤调节水、肥、气、热的能力差，可耕性差。限制矿区废弃地土壤肥力的主要因子有:砾石含量、水分状况、有机质含量以及全N含量、全P含量。矿区地下水除pH值和溶解氧低于对照外，主要重金属污染元素和NH4+、NO3-、PO4-3、SiO3-2等离子的含量都超过了对照，有机污染和重金属污染严重。土壤中Mn、Zn、Cu、Fe、Pb、Ni、Cd和Co的平均含量高，分别是湖南省土壤背景值的179、7、3、6、2、3、3、71倍，以对照区、湖南省土壤背景值、全国土壤重金属元素平均值为标准，矿区废弃地的土壤综合污染指数分别为13.82、75.72和98.05，为重污染等级。矿区废弃地中Cd、Mn潜在生态危害指数分别为2419.75、373.83，矿区重金属综合潜在生态危害指数高达2949.16，都于极强生态风险等级。说明矿区废弃地土壤质量严重下降，重金属Mn、Cd污染严重，是植被恢复的主要限制因子。
　　(2)矿区废弃地经过40余年的自然演替，共有28科53种定居植物，其中草本植物36种，乔木和灌木17种。矿区整个生态系统现正处于向亚热带常绿阔叶林演替的草灌丛初阶段。经盆栽实验，筛选出栾树和杜英两个乡土树种在重金属元素含量高、未改良或仅简单改良的矿区废弃地基质土壤中正常生长，成活率高、长势旺盛，可作为矿区废弃地生态恢复的首选植物。
　　(3)在矿区基质土壤不同处理中（①W1:25％矿区废弃地土壤+75％自然土;②W2:50％矿区废弃地土壤+50％自然土;③W3:75％矿区废弃地土壤+25％自然土;④W4:100％矿区废弃地土壤;⑤对照(CK)为100％自然土），栾树和杜英都生长较好。从夏秋两季各处理中树种的平均地径生长量来说，栾树平均地径增长量大小顺序是W3＞W4＞CK＞W2＞W1，可见重金属浓度低时对栾树生长有一定的抑制作用，当浓度增高时则抑制作用可能减弱;杜英平均地径的增长量大小顺序则是CK＞W2＞W1＞W3＞W4，可见不同重金属土壤掺和浓度下对杜英生长都有一定的抑制作用，并且随着浓度的增加抑制作用越明显。
　　(4)矿区废弃地生态恢复树种的净光合速率随着土壤对比试验方案(W4、W3、W2、W1)的不同，表现出不同的差异性。对于栾树而言，各处理的夏季净光合速率(Pn)平均值随矿区废弃地重金属污染土壤掺合量的增加而增加，W3最大，W1最小;秋季各处理的净光合速率（Pn）变化趋势有所改变，随着污染土壤掺和量的增加，Pn平均值呈先增加再减少再增加趋势，W2最大，W3最小;夏秋两季的Pn均高于对照。对杜英而言，在夏季，随着矿区废弃地重金属污染土壤掺合量的增加，各处理净光合速率（Pn）平均值先增加后降低，W2最大，W4最小;在秋季，各处理的Pn平均值为W1最大，W4最小;在两个生长季，所有处理的Pn都低于对照(CK)。试验结果还表明矿区废弃地的重金属元素对栾树的光合作用有一定的促进作用，对杜英的光合作用则有一定的抑制作用。
　　(5)栾树净光合速率（Pn）与Mg、Fe、Mn、Zn等重金属元素都呈正相关关系，与叶片N、P、K（全量）、叶绿素含量则呈负相关关系，其中N、Mn、Zn元素含量及叶绿素含量和净光合速率（Pn）的相关性达到了显著水平。杜英的净光合速率（Pn）与P、K、Zn含量都呈正相关关系，与N、Mg、Fe、Mn、叶绿素含量则呈现负相关关系，净光合速率与所有矿质元素的相关关系都没达显著水平。
　　(6)在矿区废弃地选取0.67hm2的示范基地，按2行栾树、1行杜英进行生态恢复营林试验，共种植栾树1440株，杜英720株。在矿区废弃地极端的生境条件下，栾树、杜英混交林幼龄阶段一年内生物量可增加1192.48 kg/hm2，表现出适应性强，生产潜力大的特征，可作为矿区废弃地生态修复的适宜方案。并且，重金属元素主要积累在树枝、树叶和根部（仅树叶积累量就占70.7％），生物量大、主要被利用的树干积累重金属元素最少（仅占4.45％），可以避免重金属元素因木材利用而再次大量地向环境中扩散，有利于生态恢复区域的林业生产。
　　(7)对林分生长的环境状况、林分的矿质元素含量分布及生物循环特征进行分析，结果表明，林分自身对元素的利用率高，归还量多，周转期短，有利于林地生产力维持。植被恢复5年后，矿区废弃地土壤有机质和营养元素含量增加，含水量增加，土壤碱性减弱。示范基地中杜英根际土、栾树根际土、林内非根际土的有机质含量分别为106.793g/kg、45.50g/kg、37.875g/kg，都要高于林外对照土壤的18.86g/kg，主要重污染元素Mn、Ni、Cd、Zn等的下降幅度达到70％以上，Cu的下降幅度也有40％，说明生态恢复对土壤的化学性质及重金属元素有着明显的改善作用。经过植物修复后的矿区废弃地，土壤营养条件和生态环境得到了改善，基本实现了对矿区废弃地进行生态恢复的研究与示范目的。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 矿区废弃地的土壤质量与生态系统状况

1．1．1 矿区废弃地土壤理化性质

1．1．2 矿区废弃地土壤养分状况

1．1．3 矿区废弃地土壤重金属污染情况

1．1．4 矿区废弃地生态系统及其自然演替

1．2 矿区废弃地生态恢复的主要技术手段

1．2．1 物理化学修复

1．2．2 生物恢复

1．2．3 植物修复

1．3 国内外矿区废弃地复垦与生态恢复的研究状况

1．3．1 国外矿区废弃地生态恢复研究现状

1．3．2 我国矿区生态恢复研究现状

1．4 矿区废弃地生态恢复研究发展趋势及展望

1．4．1 矿区废弃地生态恢复研究中存在的不足

1．4．2 矿山生态恢复研究发展趋势

2 研究目的、研究内容与技术路线

2．1 研究目的与意义

2．1．1 研究目的

2．1．1 研究意义

2．2 研究对象

2．3 主要研究内容

2．3．1 矿区废弃地土壤质量分析与评价

2．3．2 矿区废弃地生态恢复树种筛选与土质改良措施

2．3．3 矿区废弃地生态恢复的生物技术措施

2．3．4 矿区废弃地生态恢复效应检测与生态恢复技术体系构建

2．4 研究技术路线

2．5 研究方法

3 湘潭锰矿区废弃地土壤质量分析与评价

3．1 材料与方法

3．1．1 样品采集

3．1．2 样品分析

3．1．2 土壤肥力评价方法

3．1．3 土壤重金属污染评价方法

3．2 湘潭锰矿区废弃地土壤性状分析

3．2．1 土壤物理性质

3．2．2 土壤水文性状

3．2．3 土壤化学性质

3．3 矿区废弃地水质分析

3．4 湘潭锰矿区废弃地土壤肥力评价

3．5 土壤重金属污染评价

3．6 土壤重金属潜在生态危害评价

3．7 本章小结

4 矿区废弃地生态恢复树种筛选

4．1 材料与方法

4．1．1 矿区废弃地定居植物调查方法

4．1．2 筛选试验的基质土壤

4．1．3 筛选试验的试验树种

4．1．4 筛选试验矿区基质土壤的处理

4．1．5 筛选试验管理与树种生长观察

4．1．6 样品分析方法与数据处理方法

4．2 矿区废弃地定居植物分析

4．2．1 矿区废弃地定居植物种类及分布状况

4．2．2 矿区废弃地主要定居植物养分含量分析

4．3 矿区废弃地抗逆树种筛选

4．3．1 盆栽试验树种的生长状况

4．3．2 盆栽试验树种的营养状况

4．3．3 盆栽试验树种对主要重金属污染元素的吸收作用

4．4 筛选树种在不同基质土壤改良方案中的生长状况

4．4．1 不同试验方案中盆栽树种的生长状况

4．4．2 不同试验方案中树种增高状况

4．4．3 不同试验方案中树种地径增长状况

4．5 本章小结

5 生态恢复树种的光合响应机制

5．1 研究方法

5．1．1 试验方案

5．1．2 主要光合指标的测定方法

5．2 生态恢复树种不同重金属污染土壤条件下的光合响应情况

5．2．1 净光合速率的日变化

5．2．2 蒸腾速率的日变化

5．2．3 气孔导度日变化

5．2．4 胞间CO2浓度日变化

5．2．5 光合作用的季节变化

5．3 生态恢复树种净光合速率与各因子的相关性分析

5．3．1 栾树、杜英净光合速率与土壤重金属含量的相关性

5．3．2 净光合速率与生理因子和环境因子的相关性

5．4 本章小结

6 矿区废弃地生态恢复树种生长性状分析

6．1 材料与方法

6．1．1 矿区恢复树种生长量测定

6．1．2 矿区恢复树种生物量测定

6．1．3 矿区恢复林分生产力测算

6．2 矿区生态恢复树种的生长性状分析

6．2．1 矿区生态恢复树种的单株生物量

6．2．2 矿区生态恢复林分的生物量

6．3 本章小结

7 矿区废弃地生态恢复效果检测与分析

7．1 研究方法

7．1．1 取样方法

7．1．2 测试方法

7．1．3 数据分析

7．2 生态恢复效果分析

7．2．1 生态恢复示范基地土壤养分分析

7．2．2 生态恢复示范基地土壤重金属元素含量分析

7．2．3 生态恢复试验林的营养元素分析

7．2．4 生态恢复试验林中林木的重金属元素含量

7．2．5 生态恢复试验林营养元素积累与分配状况分析

7．2．6 生态恢复试验林重金属元素积累与分配状况分析

7．2．7 生态恢复试验林营养元素与重金属元素生物循环特征分析

7．2．8 生态恢复示范基地土壤变化情况

7．3 本章小结

8 主要研究结论及研究工作展望

8．1 主要研究结论

8．2 今后研究设想

9 研究创新点

参考文献

攻读学位期间主要学术成果

致谢