矿区森林生态生物技术修复工程研究

　　森林生态系统是地球生态系统的重要组成部分。我国采矿业的发展给矿区森林生态系统带来严重破坏。 截止到 2004 年， 我国矿区直接占用和破坏的林地面积已达 53.2 万 hm2;导致森林和林地退化的面积约 372.1~531.6 万 hm². 采矿带来的生态环境问题包括：露天开采直接破坏地表土层和植被；矿山开采过程中废弃物堆置导致对土地过量占用和对堆置场原有生态系统的破坏； 矿石废渣等固体废物中含毒性、放射性或重金属成分通过地表水体径流、大气飘尘等媒介，对周围的土地、水域和大气造成污染等[1].

　　矿区森林具有涵养水源、调节矿区小气候及水土保持功能等生态功能[2]. 采矿活动导致的矿区森林生态破坏未能及时修复，对矿区生物生产力、景观质量均有影响；尤其裸露的矿区地表存在水土流失、土地荒漠化、尘埃飘散带来的污染扩散等隐患。

　　通过生物技术修复矿区植被是控制和治理水土流失、复垦利用土地的必要而有效的途径。 矿区森林生 态 生 物 修 复 （forest environmental bioremediationtechnology）依据生态恢复学对退化森林自我恢复能力进行强化、遵循森林演替规律并借助人工技术加速退化森林的恢复、应用微生物技术促进土壤的改良和植物的生长， 是当前矿区生态环境修复技术的研究热点。 本文针对这一研究热点，对矿区森林生态生物技术修复工程进行系统分析，为矿区生态系统修复提供借鉴思路。

　　1矿区森林生态恢复生物技术工程的理论基础

　　1.1林业生态系统工程学

　　林业生态系统工程，是指应用系统工程的基本原理和方法，以森林生态系统为对象，研究在一定自然环境和社会经济环境条件下，系统的目标、组成要素、层次结构、空间位置、时间顺序、数量比例、运行过程，进行仿真模拟，分析评价，提出结构优化，功能综合，优质、高产、高效的人工生态系统方案[3].

　　森林资源和生态恢复是一项漫长的系统工程[4],矿区森林生态环境的恢复，有必要将矿区森林生态系统至于复杂系统背景下进行复杂生态系统仿真与分析， 借鉴和应用系统科学和复杂性研究理论及方法，指导矿区森林生态系统分析、仿真、预测研究，推动矿区生态恢复学向更加规范化、集成化、高效化方向发展。 而利用系统工程学对矿区森林生态恢复过程进行系统分析与仿真， 着重点在矿区森林生态系统退化、及自组织演化过程的分析，找出参与森林生态恢复生物因子，分析人工技术作用于生物因素加快生态恢复速率，提高恢复质量的可能因素。

　　1.2恢复生态学

　　恢复生态学（Rstoration ecology）是综合研究环境生态恢复的科学原理和技术方法的一门新兴学科。其目标就是为受损生态系统提供恢复重建的科学依据和方法支撑，实现受损生态系统的有效恢复和健康发展[5]. 研究过程中重点在生态系统退化的原因、退化生态系统恢复与重建的技术和方法及其生态学过程和机理的研究。 在矿区植被生态的恢复中，主要应用演替理论和干扰-稳定性理论对矿区生态生物恢复过程涉及的技术层面进行剖析。

　　1.3近自然林业的森林培育及森林经理理念

　　近自然林业是一种模仿自然、接近自然的森林经营模式，同时还是一种兼容林业生产和森林生态保护的经营模式[6]. 在森林培育学科中近自然林业要求尽量利用和促进森林的天然更新，从幼林开始就选择目的树种，整个经营过程中只对选定的目的树进行单株抚育，其余乔灌草任其自然竞争天然淘汰等造林技术。以近自然林业为指导的矿区森林生态系统重建，在森林培育过程中选择适生乡土树种，培育壮苗后进行造林； 在造林过程中模拟自然森林乔灌草合理配置。

　　2矿区生物技术修复的技术发展

　　矿区森林生态生物技术修复工程首先对破坏退化的矿区森林生态系统停止人为干扰，在遵循生态系统的自我调节能力与自组织能力使其向有序的方向进行演化规律基础上，辅以人工措施，使遭到破坏的生态系统逐步恢复或使生态系统向良性循环方向发展的生态恢复工程[2].

　　生物技术修复包括植物修复（根系修复）、微生物修复等类型。 与物理修复、化学修复等其他修复技术对比，生物技术具有安全性、非破坏性和经济性等优点[8]. 美国新泽西州 Rutgers 大学 Raskin 教授定义“利用植物吸收、聚集、降解、固定环境中的污染物质，从而减少或减轻污染物质生物毒性的技术称为植物修复技术”[9],Salt 等[10]认为植物修复是利用金属积累植物清除土壤水体中的重金属元素和放射性核素的环境治理技术， 并将金属污染的植物修复方式归结于 3 种 : 植 物 吸 收 （phytoextraction）、 根 滤 作 用（rhizofitration）、植物稳定作用（phytostabilization），在矿区生态修复中， 董士魁认为植被恢复是工矿区废弃地生态恢复的关键，理由是所有的自然生态系统的恢复总是以植被恢复为前提[8].

　　而在植物生长过程中，微生物又是决定植物根系生态环境的重要生物因素。 微生物修复技术是利用微生物的生命代谢活动减少土壤中有毒有害物的浓度或使其完全无害化， 从而使受污染的土壤能够部分或完全地恢复到原始状态[8],目前国内外在微生物生物技术修复污染退化土壤的研究很多。 Fulekar 在《Bioremediation technology》一书中 ,阐述了以微生物为主要工具的生物修复技术在污染修复和环境保护上的应用[11];实践应用中，微生物生物技术广泛应用于原油污染土壤污染物的降解[12]:早在 1989 年，美国阿拉斯加海域受到大面积石油污染以后才首次大规模应用微生物进行污染环境的修复[13];在矿区森林生态恢复中， 微生物技术除了应用于污染物质的消除外，更重要的是：土壤微生物是土壤的重要组成部分，是反映土壤性质和土壤熟化程度的重要标志，且与土壤中的物质转化、植被的生长和繁育密切相关[14].

　　在国内，江西德兴铜矿应用生物技术对矿区生态环境进行修复有很好的成效。 早在 1980 年代， 德兴铜矿与科研部门合作， 成功在纯尾砂上种植了水蜡烛和无叶节节草等植物，使尾砂无覆土植被恢复成为可能；2001 年根据自然植被类型及演替规律，杨修等人在德兴铜矿设置试验地， 研究出纯尾砂立地下植被恢复的 3 种模式：植被演替模式、土壤生物改良模式和客土复垦[15],经过多年发展，矿区 492 hm2可复垦废弃地，80%以上都进行了生态恢复， 德兴铜矿在2014 年正式晋升为国家级绿色矿山单位[16]. 国外微生物生物技术被广泛应用于原油污染土壤污染物的降解[12],成功案例早在 1989 年的美国阿拉斯加海域大面积石油污染事件中， 首次大规模应用微生物进行污染环境的修复[13].

　　结合植物修复、微生物修复两者技术的微生物-植物联合修复破损生态技术则是利用微生物的接种优势，对退化生境，包括土壤、植被等方面进行综合治理与改良的一项生物技术措施。 微生物-植物联合修复技术已然成为国内外矿区生态恢复技术的主要研究方向。 目前植物-微生物联合修复技术在重金属污染土壤的修复上、石油污染土壤、富营养化水体治理[17-18]等生态修复上有所尝试，在矿区森林生态修复的研究则刚刚起步。 矿区森林生态恢复的目的一是污染土壤的修复、二是地面植被的恢复。 植物-微生物联合修复技术应用于土壤生态修复，可以通过植物与专性菌根的联合修复、污染土壤植物与菌根的联合修复两种形式实现[19];应用与植被恢复则可以通过适地树种与共生菌种联合修复等形式实现。 最典型案例是当前微生物肥料工业化应用推广力度的加大，其中包括固氮菌、磷细菌、钾细菌肥料及复合菌肥技术等的推广应用[19]. 该技术在生态恢复工程中向植物根系、土壤中接种合适的微生物，此类微生物能跟植物共生成适应污染及退化立地的根际环境，利用植物根际微生物的生命活动，一方面增加污染离地的微生物活性的， 重新建立和恢复土壤微生物生态环境，另一方面利用根际微生物活性，加速退化土壤的基质改良，提高土壤肥力，从而提高植被的成活率。

　　基于前述， 矿区森林生态环境生物技术修复，由单一的植被复垦向充分利用生态环境中的植物和微生物资源，进行植物-微生物联合修复的技术方向发展。 在矿区森林生态生物技术修复工程中可应用得生物技术有：选择合适的树种，在矿区土壤接种降解污染、促进植物生长的专性菌种，采取效率高的营林技术等。 生物技术的应用将是解决我国矿区森林生态问题经济有效的手段。

　　3系统分析

　　3.1技术流程分析

　　生态环境修复是一个复杂的过程，它需要掌握破坏生态结构和功能或阻止其恢复的自然或人为因素，调查修复区生态系统的结构和功能的变化，以及对生态系统有影响的物理、化学和生物过程[20].

　　森林生态恢复所追求的目标不是重现原始环境，而是按照森林演替规律耦合恢复目标、模式、成本、效率、效益，重建一个高水平，可持续发展的森林生态系统。 生态恢复工程的核心问题是系统集成与整合，即在一定系统恢复目标下通过生物集成管理体系对分立的基本原理、模式、信息、技术进行系统复合和集成化工程实施，以实现恢复成本、效益和尺度的优化和效率的适化；其中，生态集成管理体系是保障生态恢复目标实现的机制性条件[21]. 分析本工程系统的目标、时间顺序、运行过程，总结出工程流程图（图 1），由图 1 可知集成管理过程重点包括目标确定、系统分析及预测、方案制定、科学研究及恢复效果监测与评价等 5 个方面。

　　3.2系统预测

　　矿区森林生态系统是一种受干扰破损退化的森林生态系统，生境破碎，水土流失严重，环境污染，地表景观改变，尤其矿区废弃地是一种极端裸地。 无人为干扰情况下，部分受损程度轻的植被短时间内会自我修复；破损严重的植被则需要较长时间才能修复；而废弃裸地、受污染的区域则需经历土壤自净，植物群落由先锋植被到顶级群落漫长的演替年代。 矿区的生态生物技术修复， 涉及到生态恢复中的生物因素，包括植被、微生物、及土壤动物。 系统分析重点分析前两项因素的时空变化。 从森林生态系统的时空变化的角度，以森林演替规律及营林为理论基础，以生态环境剖面图表现有无生物技术应用条件下矿区森林生态系统变化过程（图 2、图 3）。

　　由图 2、图 3 对比可知，正确应用生物技术进行矿区生态恢复可以短期内恢复地面植被和微生物种群， 可缩短矿区植被覆盖、 土壤微生物时间 80 a 以上。

　　3.3生物因子分析

　　矿区的生态生物技术修复工程，尽可能利用系统中一切生物因素， 利用各因素间作用机理及相互关系，研究出合适的技术模式。 因此对系统中生物因子及关系进行梳理很有必要。 涉及到生态恢复中的生物因素包括植被、微生物、及土壤动物。 应用层次分析法建立生物因素的层次结构表。

　　位于生态系统食物链上端的地面动物群落，由植物群落的发展决定，本文不做分析。

　　3.4生物技术分析

　　工矿废弃地生态恢复的生物措施有植被修复、微生物技术的应用及土壤动物的应用[22]. 植被恢复是工矿区废弃地生态恢复的关键，根据具体环境条件与需求选择适宜的树种在人工辅助措施下，实现植被的自然恢复演替；微生物群落的恢复不仅要恢复该地区原有的群落，还要接种其他微生物，以除去或减少污染，改良土壤环境，废弃地的植物营养非常贫乏，接种能提供营养的微生物对废弃地的生态恢复具有很大的促进作用；土壤动物在改良土壤结构、增加土壤肥力和促进营养物质的循环等方面有着重要的作用。

　　由表 2 可知， 矿区生态恢复中生物技术的应用，在以成熟的理论体系和科研成果为基础条件上，可形成微生物-植物联合修复的包括苗木、微生物肥、微生物基质、微生物接种轻基质容器袋育苗等完成的产业链。

　　4结果与讨论

　　1）生物技术在石油污染地、重金属污染地的生态修复得到广泛应用；矿区森林生态恢复是矿区生态恢复最重要环节；在矿区森林生态恢复过程中生物技术可应用到植被恢复、土壤微生物恢复两大方面。

　　2）基于林业系统工程学、恢复生态学对矿区森林恢复生物技术工程进行分析，可知集成管理过程重点包括目标确定、系统分析及预测、方案制定、科学研究及恢复效果监测与评价。

　　3）在成熟的理论体系和科学研究成果上，生物技术在矿区森林恢复应用中可形成包括生物肥料、优抗逆性种苗等相关产业。

　　参考文献：

　　[1] 国家林业局森林资源管理司调研组 ,王祝雄。全国矿区植被保护与生态恢复情况调研报告[J].林业经济，2008（3）：31-35.

　　[2] 孙红，米锋，苑洪妍。矿区废弃地植被恢复中的森林生态效益计量分析[J].资源开发与市场，2012（8）：706-709.

　　[3] 徐国祯 .林业系统工程 [Z]. 北京 : 中国林业出版社 ,2010:299.

　　[4] 王琴芳。广西雨雪冰冻灾害对林业的影响及灾后重建对策[J].中南林业调查规划，2008（3）：17-20.

　　[5] 董世魁，刘世梁，邵新庆，等。恢复生态学[M].北京：高等教育出版社，2009.

　　[6] 沈国舫。 现代高效持续林业 -中国林业发展道路的抉择[J].世界科技研究与发展，1998（2）：38-45.

　　[7] 杨梅，黄晓露。引入近自然林业理念 促进森林培育学科的发展[J].广西农业科学，2010（5）：508-510.