礦區(qū)森林生態(tài)生物技術修復工程研究,林業(yè)論文

礦區(qū)森林生態(tài)生物技術修復工程研究,林業(yè)論文森林生態(tài)系統(tǒng)是地球生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分。我們國家采礦業(yè)的發(fā)展給礦區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)帶來嚴重毀壞。截止到2004年，我們國家礦區(qū)直接占用和毀壞的林地面積已達53.2萬hm2;導致森林和林地退化的面積約372.1~531.6萬hm.采礦帶來的生態(tài)環(huán)境問題包括：露天開采直接毀壞地表土層和植被；礦山開采經(jīng)過中廢棄物堆置導致對土地過量占用和對堆置場原有生態(tài)系統(tǒng)的毀壞；礦石廢渣等固體廢物中含毒性、放射性或重金屬成分通過地表水體徑流、大氣飄塵等媒介，對周圍的土地、水域和大氣造成污染等[1].礦區(qū)森林具有內(nèi)涵修養(yǎng)水源、調(diào)節(jié)礦區(qū)小氣候及水土保持功能等生態(tài)功能[2].采礦活動導致的礦區(qū)森林生態(tài)毀壞沒有能及時修復，對礦區(qū)生物生產(chǎn)力、景觀質(zhì)量均有影響；尤其裸露的礦區(qū)地表存在水土流失、土地荒漠化、塵埃飄散帶來的污染擴散等隱患。通過生物技術修復礦區(qū)植被是控制和治理水土流失、復墾利用土地的必要而有效的途徑。礦區(qū)森林生態(tài)生物修復〔forestenvironmentalbioremediationtechnology〕根據(jù)生態(tài)恢復學對退化森林自我恢復能力進行強化、遵循森林演替規(guī)律并借助人工技術加速退化森林的恢復、應用微生物技術促進土壤的改進和植物的生長，是當下礦區(qū)生態(tài)環(huán)境修復技術的研究熱門。本文針對這一研究熱門，對礦區(qū)森林生態(tài)生物技術修復工程進行系統(tǒng)分析，為礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)修復提供借鑒思路。1礦區(qū)森林生態(tài)恢復生物技術工程的理論基礎1.1林業(yè)生態(tài)系統(tǒng)工程學林業(yè)生態(tài)系統(tǒng)工程，是指應用系統(tǒng)工程的基本原理和方式方法，以森林生態(tài)系統(tǒng)為對象，研究在一定自然環(huán)境和社會經(jīng)濟環(huán)境條件下，系統(tǒng)的目的、組成要素、層次構(gòu)造、空間位置、時間順序、數(shù)量比例、運行經(jīng)過，進行仿真模擬，分析評價，提出構(gòu)造優(yōu)化，功能綜合，優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、高效的人工生態(tài)系統(tǒng)方案[3].森林資源和生態(tài)恢復是一項漫長的系統(tǒng)工程[4],礦區(qū)森林生態(tài)環(huán)境的恢復，有必要將礦區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)至于復雜系統(tǒng)背景下進行復雜生態(tài)系統(tǒng)仿真與分析，借鑒和應用系統(tǒng)科學和復雜性研究理論及方式方法，指導礦區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)分析、仿真、預測研究，推動礦區(qū)生態(tài)恢復學向愈加規(guī)范化、集成化、高效化方向發(fā)展。而利用系統(tǒng)工程學對礦區(qū)森林生態(tài)恢復經(jīng)過進行系統(tǒng)分析與仿真，著重點在礦區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)退化、及自組織演化經(jīng)過的分析，找出介入森林生態(tài)恢復生物因子，分析人工技術作用于生物因素加快生態(tài)恢復速率，提高恢復質(zhì)量的可能因素。1.2恢復生態(tài)學恢復生態(tài)學〔Rstorationecology〕是綜合研究環(huán)境生態(tài)恢復的科學原理和技術方式方法的一門新興學科。其目的就是為受損生態(tài)系統(tǒng)提供恢復重建的科學根據(jù)和方式方法支撐，實現(xiàn)受損生態(tài)系統(tǒng)的有效恢復和健康發(fā)展[5].研究經(jīng)過中重點在生態(tài)系統(tǒng)退化的原因、退化生態(tài)系統(tǒng)恢復與重建的技術和方式方法及其生態(tài)學經(jīng)過和機理的研究。在礦區(qū)植被生態(tài)的恢復中，主要應用演替理論和干擾-穩(wěn)定性理論對礦區(qū)生態(tài)生物恢復經(jīng)過牽涉的技術層面進行分析。1.3近自然林業(yè)的森林培育及森林經(jīng)理理念近自然林業(yè)是一種模擬自然、接近自然的森林經(jīng)營形式，同時還是一種兼容林業(yè)生產(chǎn)和森林生態(tài)保衛(wèi)的經(jīng)營形式[6].在森林培育學科中近自然林業(yè)要求盡量利用和促進森林的天然更新，從幼林開場就選擇目的樹種，整個經(jīng)營經(jīng)過中只對選定的目的樹進行單株撫育，其余喬灌草任其自然競爭天然淘汰等造林技術。以近自然林業(yè)為指導的礦區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)重建，在森林培育經(jīng)過中選擇適生鄉(xiāng)土樹種，培育壯苗后進行造林；在造林經(jīng)過中模擬自然森林喬灌草合理配置。2礦區(qū)生物技術修復的技術發(fā)展礦區(qū)森林生態(tài)生物技術修復工程首先對毀壞退化的礦區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)停止人為干擾，在遵循生態(tài)系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)能力與自組織能力使其向有序的方向進行演化規(guī)律基礎上，輔以人工措施，使遭到毀壞的生態(tài)系統(tǒng)逐步恢復或使生態(tài)系統(tǒng)向良性循環(huán)方向發(fā)展的生態(tài)恢復工程[2].生物技術修復包括植物修復〔根系修復〕、微生物修復等類型。與物理修復、化學修復等其他修復技術比照，生物技術具有安全性、非毀壞性和經(jīng)濟性等優(yōu)點[8].美國新澤西州Rutgers大學Raskin教授定義利用植物吸收、聚集、降解、固定環(huán)境中的污染物質(zhì)，進而減少或減輕污染物質(zhì)生物毒性的技術稱為植物修復技術[9],Salt等[10]以為植物修復是利用金屬積累植物去除土壤水體中的重金屬元素和放射性核素的環(huán)境治理技術，并將金屬污染的植物修復方式歸結(jié)于3種:植物吸收〔phytoextraction〕、根濾作用〔rhizofitration〕、植物穩(wěn)定作用〔phytostabilization〕，在礦區(qū)生態(tài)修復中，董士魁以為植被恢復是工礦區(qū)廢棄地生態(tài)恢復的關鍵，理由是所有的自然生態(tài)系統(tǒng)的恢復總是以植被恢復為前提[8].而在植物生長經(jīng)過中，微生物又是決定植物根系生態(tài)環(huán)境的重要生物因素。微生物修復技術是利用微生物的生命代謝活動減少土壤中有毒有害物的濃度或使其完全無害化，進而使受污染的土壤能夠部分或完全地恢復到原始狀態(tài)[8],當前國內(nèi)外在微生物生物技術修復污染退化土壤的研究很多。Fulekar在(Bioremediationtechnology〕一書中,闡述了以微生物為主要工具的生物修復技術在污染修復和環(huán)境保衛(wèi)上的應用[11];實踐應用中，微生物生物技術廣泛應用于原油污染土壤污染物的降解[12]:早在1989年，美國阿拉斯加海域遭到大面積石油污染以后才初次大規(guī)模應用微生物進行污染環(huán)境的修復[13];在礦區(qū)森林生態(tài)恢復中，微生物技術除了應用于污染物質(zhì)的消除外，更重要的是：土壤微生物是土壤的重要組成部分，是反映土壤性質(zhì)和土壤熟化程度的重要標志，且與土壤中的物質(zhì)轉(zhuǎn)化、植被的生長和繁育密切相關[14].在國內(nèi)，江西德興銅礦應用生物技術對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境進行修復有很好的成效。早在1980年代，德興銅礦與科研部門合作，成功在純尾砂上種植了水蠟燭和無葉節(jié)節(jié)草等植物，使尾砂無覆土植被恢復成為可能；2001年根據(jù)自然植被類型及演替規(guī)律，楊修等人在德興銅礦設置試驗地，研究出純尾砂立地下植被恢復的3種形式：植被演替形式、土壤生物改進形式和客土復墾[15],經(jīng)太多年發(fā)展，礦區(qū)492hm2可復墾廢棄地，80%以上都進行了生態(tài)恢復，德興銅礦在2020年正式晉升為國家級綠色礦山單位[16].國外微生物生物技術被廣泛應用于原油污染土壤污染物的降解[12],成功案例早在1989年的美國阿拉斯加海域大面積石油污染事件中，初次大規(guī)模應用微生物進行污染環(huán)境的修復[13].結(jié)合植物修復、微生物修復兩者技術的微生物-植物聯(lián)合修復破損生態(tài)技術則是利用微生物的接種優(yōu)勢，對退化生境，包括土壤、植被等方面進行綜合治理與改進的一項生物技術措施。微生物-植物聯(lián)合修復技術已然成為國內(nèi)外礦區(qū)生態(tài)恢復技術的主要研究方向。當前植物-微生物聯(lián)合修復技術在重金屬污染土壤的修復上、石油污染土壤、富營養(yǎng)化水體治理[17-18]等生態(tài)修復上有所嘗試，在礦區(qū)森林生態(tài)修復的研究則剛剛起步。礦區(qū)森林生態(tài)恢復的目的一是污染土壤的修復、二是地面植被的恢復。植物-微生物聯(lián)合修復技術應用于土壤生態(tài)修復，能夠通過植物與專性菌根的聯(lián)合修復、污染土壤植物與菌根的聯(lián)合修復兩種形式實現(xiàn)[19];應用與植被恢復則能夠通過適地樹種與共生菌種聯(lián)合修復等形式實現(xiàn)。最典型案例是當下微生物肥料工業(yè)化應用推廣力度的加大，華而不實包括固氮菌、磷細菌、鉀細菌肥料及復合菌肥技術等的推廣應用[19].該技術在生態(tài)恢復工程中向植物根系、土壤中接種適宜的微生物，此類微生物能跟植物共生成適應污染及退化立地的根際環(huán)境，利用植物根際微生物的生命活動，一方面增加污染離地的微生物活性的，重新建立和恢復土壤微生物生態(tài)環(huán)境，另一方面利用根際微生物活性，加速退化土壤的基質(zhì)改進，提高土壤肥力，進而提高植被的成活率?；谇笆?，礦區(qū)森林生態(tài)環(huán)境生物技術修復，由單一的植被復墾向充分利用生態(tài)環(huán)境中的植物和微生物資源，進行植物-微生物聯(lián)合修復的技術方向發(fā)展。在礦區(qū)森林生態(tài)生物技術修復工程中可應用得生物技術有：選擇適宜的樹種，在礦區(qū)土壤接種降解污染、促進植物生長的專性菌種，采取效率高的營林技術等。生物技術的應用將是解決我們國家礦區(qū)森林生態(tài)問題經(jīng)濟有效的手段。3系統(tǒng)分析3.1技術流程分析生態(tài)環(huán)境修復是一個復雜的經(jīng)過，它需要把握毀壞生態(tài)構(gòu)造和功能或阻止其恢復的自然或人為因素，調(diào)查修復區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的構(gòu)造和功能的變化，以及對生態(tài)系統(tǒng)有影響的物理、化學和生物經(jīng)過[20].森林生態(tài)恢復所追求的目的不是重現(xiàn)原始環(huán)境，而是根據(jù)森林演替規(guī)律耦合恢復目的、形式、成本、效率、效益，重建一個高水平，可持續(xù)發(fā)展的森林生態(tài)系統(tǒng)。生態(tài)恢復工程的核心問題是系統(tǒng)集成與整合，即在一定系統(tǒng)恢復目的下通過生物集成管理體系對分立的基本原理、形式、信息、技術進行系統(tǒng)復合和集成化工程施行，以實現(xiàn)恢復成本、效益和尺度的優(yōu)化和效率的適化；華而不實，生態(tài)集成管理體系是保障生態(tài)恢復目的實現(xiàn)的機制性條件[21].分析本工程系統(tǒng)的目的、時間順序、運行經(jīng)過，總結(jié)出工程流程圖〔圖1〕，由圖1可知集成管理經(jīng)過重點包括目的確定、系統(tǒng)分析及預測、方案制定、科學研究及恢復效果監(jiān)測與評價等5個方面。3.2系統(tǒng)預測礦區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)是一種受干擾破損退化的森林生態(tài)系統(tǒng)，生境破碎，水土流失嚴重，環(huán)境污染，地表景觀改變，尤其礦區(qū)廢棄地是一種極端裸地。無人為干擾情況下，部分受損程度輕的植被短時間內(nèi)會自我修復；破損嚴重的植被則需要較長時間才能修復；而廢棄裸地、受污染的區(qū)域則需經(jīng)歷土壤自凈，植物群落由先鋒植被到頂級群落漫長的演替年代。礦區(qū)的生態(tài)生物技術修復，牽涉到生態(tài)恢復中的生物因素，包括植被、微生物、及土壤動物。系統(tǒng)分析重點分析前兩項因素的時空變化。從森林生態(tài)系統(tǒng)的時空變化的角度，以森林演替規(guī)律及營林為理論基礎，以生態(tài)環(huán)境剖面圖表現(xiàn)有無生物技術應用條件下礦區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)變化經(jīng)過〔圖2、圖3〕。由圖2、圖3比照可知，正確應用生物技術進行礦區(qū)生態(tài)恢復能夠短期內(nèi)恢復地面植被和微生物種群，可縮短礦區(qū)植被覆蓋、土壤微生物時間80a以上。3.3生物因子分析礦區(qū)的生態(tài)生物技術修復工程，盡可能利用系統(tǒng)中一切生物因素，利用各因素間作用機理及互相關系，研究出適宜的技術形式。因而對系統(tǒng)中生物因子及關系進行梳理很有必要。牽涉到生態(tài)恢復中的生物因素包括植被、微生物、及土壤動物。應用層次分析法建立生物因素的層次構(gòu)造表。位于生態(tài)系統(tǒng)食物鏈上端的地面動物群落，由植物群落的發(fā)展決定，本文不做分析。3.4生物技術分析工礦廢棄地生態(tài)恢復的生物措施有植被修復、微生物技術的應用及土壤動物的應用[22].植被恢復是工礦區(qū)廢棄地生態(tài)恢復的關鍵，根據(jù)詳細環(huán)境條件與需求選擇適宜的樹種在人工輔助措施下，實現(xiàn)植被的自然恢復演替；微生物群落的恢復不僅要恢復該地區(qū)原有的群落，還要接種其他微生物，以除去或減少污染，改進土壤環(huán)境，廢棄地的植物營養(yǎng)非常貧乏，接種能提供營養(yǎng)的微生物對廢棄地的生態(tài)恢復具有很大的促進作用；土壤動物在改進土壤構(gòu)造、增加土壤肥力和促進營養(yǎng)物質(zhì)的循環(huán)等方面有著重要的作用。由表2可知，礦區(qū)生態(tài)恢復中生物技術的應用，在以成熟的理論體系和科研成果為基礎條件上，可構(gòu)成微生物-植物聯(lián)合修復的包括苗木、微生物肥、微生物基質(zhì)、微生物接種輕基質(zhì)容器袋育苗等完成的產(chǎn)業(yè)鏈。4結(jié)果與討論1〕生物技術在石油污染地、重金屬污染地的生態(tài)修復得到廣泛應用；礦區(qū)森林生態(tài)恢復是礦區(qū)生態(tài)恢復最重要環(huán)節(jié)；在礦區(qū)森林生態(tài)恢復經(jīng)過中生物技術可應用到植被恢復、土壤微生物恢復兩大方面。2〕基于林業(yè)系統(tǒng)工程學、恢復生態(tài)學對礦區(qū)森林恢復生物技術工程進行分析，可知集成管理經(jīng)過重點包括目的確定、系統(tǒng)分析及預測、方案制定、科學研究及恢復效果監(jiān)測與評價。3〕在成熟的理論體系和科學研究成果上，生物技術在礦區(qū)森林恢復應用中可構(gòu)成包括生物肥料、優(yōu)抗逆性種苗等相關產(chǎn)業(yè)。以下為參考文獻：[1]國家林業(yè)局森林資源管理司調(diào)研組,王祝雄。全國礦區(qū)植被保衛(wèi)與生態(tài)恢復情況調(diào)研報告[J].林業(yè)經(jīng)濟，2008〔3〕：31-35.[2]孫紅，米鋒，苑洪妍。礦區(qū)廢棄地植被恢復中的森林生態(tài)效益計量分析[J].資源開發(fā)與市場，2020〔8〕：706