淮南潘集煤矿区植被恢复模式及其土壤修复效应研究

摘要

矿区废弃地的生态恢复己经受到世界各国的广泛关注，大量未经治理的矿区废弃地是造成环境污染、水土流失和土地荒漠化的重大隐患，给人类生存构成了严重的威胁。潘集区位于安徽省淮南市，是以煤炭、电力、化工为主要产业的属一次性能源型重工业城区。煤炭产业为潘集经济、社会发展做出了巨大贡献的同时，由于无节制的过度开采造成了大面积的土地塌陷、荒芜，使矿区生态和环境日益恶化，影响了矿区正常的农业生产、区域经济发展及人民生活水平的提高，加强对废弃矿区受损生态系统的恢复与重建，已经成为生态学的重要研究课题。
　　 本研究以恢复生态学为理论基础，通过实地调查监测，结合实验室相关指标测定，对淮南潘集煤矿区的植被恢复模式及土壤修复效应进行了探讨。研究内容主要包括以下四个方面:①淮南潘集煤矿区现状植被特征;②淮南潘集煤矿区植被恢复模式研究;③淮南潘集煤矿区植被恢复模式下的土壤修复效应;④淮南潘集煤矿区植被恢复模式优化。主要研究结论如下:
　　 1、淮南潘集煤矿区现状植被特征
　　 (1)淮南潘集煤矿区种子植物共有37科79属97种，分别占安徽植物科、属、种总数的22.70％、8.80％、3.88％，说明淮南潘集煤矿区是一个生物多样性非常贫乏的地区。该区种子植物科的组成优势现象明显，以单种科为主，优势科为豆科Leguminosae，禾本科Gramineae，菊科Compositae，蔷薇科Rosaceae，大戟科Euphorbiaceae，杨柳科Salicaceae，这6科共含有40属50种，分别占该地区种子植物属、种总数的50.63％和51.55％，该区种子植物属的组成中，以单种属为主，优势属为蒿属Artemisia，蓼属Polygonum和杨属Populus。属的地理成分含有12个分布型和5个变型，温带成分占该区属总数的61.19％，居明显优势，说明属的特征是以温带成分为主，兼有向热带过渡的性质。该区97种种子植物，可划分为12个分布型和5个变型，热带成分与温带成分在该区各占种总数的32.50％和66.25％，热带成分进一步减弱，反映了该区种子植物种的热带成分与温带成分的交汇与兼容，同时又以北温带分布型为主的性质。
　　 (2)该区自然演替过程中，豆科Leguminosae，蔷薇科Rosaceae为优势科，植被恢复时宜多采用豆科Leguminosae，蔷薇科Rosaceae等优势科植物种类，该区植被地理成分分布规律是热带分布类型的植物容易迅速在矿区定居下来，具有先锋植物的优良属性，然而热带性质在科级、属级、种级层次方面的比重逐渐降低，而温带性质则相应递增。
　　 (3)采用经典样方法对淮南潘集煤矿区不同恢复阶段废弃地原生植物演替状况进行了统计分析，结果显示，随着自然原生演替年限的增加，物种种类逐渐增加，群落层次也趋于复杂，逐渐由灌草2层过渡为乔灌草3层，各种物种多样性指数数值也逐渐升高。
　　 (4)自然演替的淮南潘集煤矿区植被恢复水平仍处于较低阶段，故人工演替仍然是改善煤矿区生态环境的有效途径。淮南潘集煤矿区自然演替的植物多为先锋植物，进行煤矿区植被恢复，宜借鉴自然演替的植被恢复规律，多选择先锋植物与乡土植物，群落层次宜采用复层结构，只有植物种类，种植数量，结构丰富，才能营造物种多样性丰富的恢复类型。
　　 2、淮南潘集煤矿区植被恢复模式研究
　　 (1)淮南潘集煤矿区植物具有种类贫乏，结构单一，层次单调等问题，文章以基础生态学，景观生态学与恢复生态学理论为指导思想，并将其贯彻到每个恢复模式中，以期筛选出适合淮南潘集煤矿区的生态型植被恢复模式。
　　 (2)在详细研究淮南潘集煤矿区植被的种类组成，群落外貌，群落结构，物种重要值，物种多样性，丰富度，频度，均匀度等指标的基础上，设计了5种煤矿区植被恢复模式，分别是以防灾为主的植物群落模式(MS1)，以固氮耐瘠薄为主的植物群落模式(MS2)，以复合生态农林业为主的植物群落模式(MS3)，以科普保健为主的植物群落模式(MS4)与以矿区景观生态唯美为主的植物群落模式(MS5)。
　　 (3)以群落组成，群落结构与群落功能为指标体系，完成了5种淮南潘集煤矿区植被恢复模式的构建，具体论述了5种恢复模式的设计要点，并结合案例设计出各种恢复模式。
　　 3、淮南潘集煤矿区植被恢复模式下的土壤修复效应
　　 (1)在煤矿区废弃地上植被自然恢复对土壤的修复作用不佳，具体表现在物理性状方面，0～60cm，土壤容重平均值在1.12～1.28g/cm3，总孔隙度较低，在45.27～48.23之间，毛管孔隙度，非毛管孔隙度表现出与总孔隙度相同的变化趋势，含水量规律表现为，表层土壤的含水量略高于底层土壤的含水量，且为递减规律，即0～20cm层＞20～40cm层＞40～60cm层，经统计分析表明煤矿区Ⅰ类废弃地上在植被恢复前土壤的各项物理指标都比较接近，没有显著差异。
　　 (2)化学性状方面，在煤矿区废弃地上土壤化学指标均有较高的相似性，且处于较低水平。0～60cm，有机质含量很低，仅在0.76～1.52％之间，全氮含量为0.32～0.85g/kg，全磷含量为0.21～0.55g/kg，全钾含量为0.93～1.06g/kg，速效氮含量为16.75～24.54mg/kg，有效磷含量为7.11～10.27mg/kg，速效钾含量为66.26～81.34mg/kg，pH值变化范围为7.74～8.54。经统计分析表明煤矿区Ⅰ类废弃地上土壤营养元素属于严重缺乏阶段，主要表现为磷钾元素的缺失，无论是全磷，还是有效磷，无论是全钾，还是速效钾都维持在很低的水平，而且氮肥也处于缺乏状态。
　　 (3)生化性状方面，参与氮循环的关键酶，脱氢酶含量0～60cm为0.8658～1.3868μL/L，由于土壤中的微生物是土壤中的脱氢酶的主要来源，说明在植被恢复前废弃地上土壤微生物的数量比较少，作为土壤中一种较为广泛存在的水解酶，脲酶还是土壤中唯一对尿素的转化有着重大影响的酶，0～60cm其含量为0.0721～0.0935mg/100g，说明煤矿区Ⅰ类废弃地上土壤肥力和有机质含量均处于较低状态，过氧化氢酶0～60cm含量为0.7533～0.8246mL/g，而过氧化氢酶是一种重要的氧化还原酶，由生物呼吸过程和有机物的生物化学氧化反应而产生，对于土壤和生物都有毒害作用，说明废弃地上土壤对于毒力的抵抗性仍然需要改善。
　　 (4)不同植被恢复模式均能改善土壤物理性状，表现为植被恢复能够降低土壤容重，增加土壤总孔隙度，毛管孔隙度与非毛管孔隙度，并能够使土壤含水量得到显著改善，修复成效上，以固氮耐瘠薄为主的植物群落模式(MS2)＞以防灾为主的植物群落模式(MS1)＞以矿区景观生态唯美为主的植物群落模式(MS5)＞以复合生态农林业为主的植物群落模式(MS3)＞以科普保健为主的植物群落模式(MS4)。
　　 (5)不同植被恢复模式均能改善土壤化学性状，从恢复模式来看，变化趋势一般是以固氮耐瘠薄为主的植物群落模式(MS2)以防灾为主的植物群落模式(MS1)＞以矿区景观生态唯美为主的植物群落模式(MS5)＞以复合生态农林业为主的植物群落模式(MS3)＞以科普保健为主的植物群落模式(MS4)，以固氮耐瘠薄为主的植物群落模式(MS2)植被恢复模式对于氮素的改善效应最为明显，这与该恢复模式中配置了大量的固氮植物有关，而在煤矿区植被恢复过程中适度引种固氮植物可能是一条行之有效的技术途径。
　　 (6)不同植被恢复模式对土壤酶活性均有较显著的影响，其土壤酶活性随着植物种类的变化而变化，以固氮耐瘠薄为主的植物群落模式(MS2)对于土壤酶活性的增益效应最为显著，其次为以防灾为主的植物群落模式(MS1)。土壤酶的活性在季节的变化上，脱氢酶与过氧化氢酶的活性表现一致，其活性均具有明显的季节变化，各种恢复模式土壤中均表现为7月＞10月＞4月＞1月，即是夏季＞秋季＞春季＞冬季，而土壤脲酶活性的季节变化上稍有不同，表现为10月＞7月＞4月＞1月，可表现为秋季＞夏季＞春季＞冬季。
　　 4、淮南潘集煤矿区植被恢复模式优化
　　 (1)在淮南潘集煤矿区试验点，根据抗干旱、耐瘠薄与能够耐盐碱等的要求，筛选出了适宜在煤矿区栽植的乔木树种为刺槐、臭椿，侧柏、小叶杨，灌木树种有紫穗槐、荆条、胡枝子、沙棘、黄刺玫、连翘，藤本植物有爬山虎、金银花、扶芳藤，草本植物为阔叶山麦冬、紫花苜蓿、草木犀、大花金鸡菊、小飞蓬等。
　　 (2)覆土10cm并适度提高土壤的疏松度，整地方式为大坑为最有利的土壤基质改良措施。建议的群落结构为下层以豆科和禾本科草本植物为主，上层以木本植物为主的复层结构。植物种植方式为，植物类型选择容器苗，栽植季节选择春季，使用ABT生根粉进行促根为适宜的改良手段。
　　 (3)矿区废弃地是生态环境严重损害的区域，同一般的植被演替过程即可完成植被恢复的区域不同，矿区废弃地的植被恢复以及优化都需要相应的修复技术做保障。通过土壤基质改良技术，植物选择改良技术，植物配置改良技术，植物种植改良技术，植被恢复管理的探讨，并在研究区实际案例的支持下，完成了对不同类型煤矿区废弃地植被恢复的技术改良与模式优化的成果集成。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 选题背景及研究意义

1．1．1 选题背景

1．1．2 研究意义

1．2 研究综述

1．2．1 矿区综合治理研究进展

1．2．2 矿区区域生态建设研究进展

1．2．3 矿区景观生态建设研究进展

1．2．4 矿区植被恢复研究进展

1．2．5 矿区植被恢复对土壤性状影响的研究进展

1．2．6 研究不足与展望

1．3 研究内容、方法与技术路线

1．3．1 研究内容

1．3．2 研究方法

1．3．3 技术路线

2 淮南潘集煤矿区概况

2．1 自然环境

2．2 社会经济

2．3 生态环境

3 淮南潘集煤矿区现状植被特征

3．1 淮南潘集煤矿区立地类型划分

3．2 样地调查

3．3 数据处理

3．3．1 重要值的计算方法

3．3．2 物种多样性的测度方法

3．4 淮南潘集煤矿区植物多样性特征

3．4．1 植物多样性分析

3．4．2 植物科的统计

3．4．3 植物属的统计

3．4．4 植物种的地理成分

3．5 不同立地类型植被特征

3．5．1 煤矿区Ⅰ类废弃地植被特征

3．5．2 煤矿区Ⅱ类废弃地植被特征

3．5．3 煤矿区Ⅲ类废弃地植被特征

3．5．4 煤矿区Ⅳ类废弃地植被特征

3．5．5 煤矿区Ⅴ类废弃地植被特征

3．6 煤矿区各类废弃地植被特征规律

3．7 小结

4 淮南潘集煤矿区植被恢复模式研究

4．1 植被恢复的理论基础

4．1．1 基础生态学理论

4．1．2 景观生态学理论

4．1．3 恢复生态学理论

4．1．4 植物群落学理论

4．2 淮南潘集煤矿区植被恢复模式

4．2．1 以防灾为主的植物群落模式

4．2．2 以固氮耐瘠薄为主的植物群落模式

4．2．3 以复合生态农林业为主的植物群落模式

4．2．4 以科普保健为主的植物群落模式

4．2．5 以矿区景观生态唯美为主的植物群落模式

4．3 小结

5 淮南潘集煤矿区植被恢复模式下的土壤修复效应

5．1 淮南潘集煤矿区的土壤特征

5．1．1 土壤物理性质分析

5．1．2 土壤化学性质分析

5．1．3 土壤生化性质分析

5．2 不同植被恢复模式对土壤物理性质的影响

5．2．1 土壤容重的变化特征

5．2．2 土壤总孔隙度的变化特征

5．2．3 土壤毛管孔隙度的变化特征

5．2．4 土壤非毛管孔隙度的变化特征

5．2．5 土壤含水量的变化特征

5．3 不同植被恢复模式对土壤化学性质的影响

5．3．1 土壤有机质含量的变化特征

5．3．2 土壤全氮含量的变化特征

5．3．3 土壤全磷含量的变化特征

5．3．4 土壤全钾含量的变化特征

5．3．5 土壤速效氮含量的变化特征

5．3．6 土壤有效磷含量的变化特征

5．3．7 土壤速效钾含量的变化特征

5．3．8 土壤pH值的变化特征

5．4 不同植被恢复模式对土壤生化性质的影响

5．4．1 土壤脱氢酶活性的变化特征

5．4．2 土壤脱氢酶活性的季节变化

5．4．3 土壤脲酶酶活性的变化特征

5．4．4 土壤脲酶酶活性的季节变化

5．4．5 土壤过氧化氢酶酶活性的变化特征

5．4．6 土壤过氧化氢酶酶活性的季节变化

5．5 小结

6 淮南潘集煤矿区植被恢复模式优化

6．1 植被恢复的土壤基质改良

6．2 植被恢复的植物种类改良

6．3 植被恢复的植物群落配置改良

6．3．1 单层群落

6．3．2 双层群落

6．3．3 多层群落

6．4 植被恢复的植物种植改良

6．4．1 植物类型对植被恢复成效的影响

6．4．2 种植季节对植被恢复成效的影响

6．4．3 促根技术对植被恢复成效的影响

6．4．4 种植方式对植被恢复成效的影响

6．5 各类废弃地植被恢复模式优化

6．5．1 各恢复模式恢复成效

6．5．2 各恢复模式优化技术集成

6．5．3 煤矿区Ⅰ类废弃地植被恢复模式优化

6．5．4 煤矿区Ⅱ类废弃地植被恢复模式优化

6．5．5 煤矿区Ⅲ类废弃地植被恢复模式优化

6．5．6 煤矿区Ⅳ类废弃地植被恢复模式优化

6．5．7 煤矿区Ⅴ类废弃地植被恢复模式优化

6．6 小结

7 结论与建议

7．1 研究主要结论

7．1．1 淮南潘集煤矿区现状植被特征

7．1．2 淮南潘集煤矿区植被恢复模式研究

7．1．3 淮南潘集煤矿区植被恢复模式下的土壤修复效应

7．1．4 淮南潘集煤矿区植被恢复模式优化

7．2 主要创新点

7．3 建议

参考文献

附录 A 淮南潘集煤矿区植物名录

附录 B：攻读博士学位期间参加的课题和发表的论文

致谢