, 黄楠, 叶羽真中南大学冶金与环境学院, 长沙 410083
2017年01月24日 收稿; 2017年05月19日 收修改稿
基金项目: 国家自然科学基金（41371475）和国家公益性（环保）行业科研专项（201509048）资助
通信作者: 薛生国, E-mail:sgxue70@hotmail.com, sgxue@csu.edu.cn
摘要: 赤泥堆场是氧化铝工业生产过程产生的强碱性固体废弃物的堆存场所，是一种特殊的退化生态系统。选取华北地区3个典型赤泥堆场，开展植被调查及物种多样性研究，发现赤泥堆放20年后，出现先锋植物入侵现象。调查区域仅25种植物，隶属10科22属，其中禾本科和菊科植物占植物物种数的52%；草本植物占植物物种数的88%，其中一年生植物占物种数的56%；赤泥堆场植被稀疏、单位面积物种极少、物种丰富度和多样性较低，群落组成和结构简单，植物群落类型主要为虎尾草+狗牙根群落、虫实+狗尾草群落。狗牙根具有生长快、分布广、耐盐碱、适应性强等特点，可作为赤泥堆场植被重建先锋物种。研究结果为赤泥堆场生态修复和耐性植物的筛选提供了科学依据。
关键词: 赤泥堆场耐性植物优势种多样性指数生态修复
Plant species diversity in bauxite residue disposal areas
HAN Fusong, WANG Cheng, XUE Shengguo
, HUANG Nan, YE Yuzhen School of Metallurgy and Environment, Central South University, Changsha 410083, China
Abstract: Bauxite residue is an alkaline waste by-product generated in the extraction of alumina from bauxite.Due to large volume and inherent environmental risk, the disposal of bauxite residue has become a major concern for sustainable development of the aluminum industry.Bauxite residue poses numerous physical and chemical limitations to plant establishment in disposal areas.Based on the on-the-spot investigation in bauxite residue disposal areas (BRDAs), the important values and indices of plant species evenness and diversity were calculated.A total of 25 species were found naturally colonized in BRDAs.These species belong to 10 families and 22 genera, among which 14 species were annual.Gramineae and Compositae accounted for 52%of the total species.The plant community in BRDAs showed low species diversity and simple structures.The dominant types of plant community were Chloris virgata Sw.-Cynodon dactylon (L.) Pers community and Corispermum declinatum Steph ex Stev-Setaria viridis (L.)Beauv community.C.dactylon is a dominant species in some BRDAs which grows rapidly and has saline-alkaline tolerance, wide distribution, and a broad ecological amplitude.This species has potential in the revegetation of BRDAs.
Key words: bauxite residue disposal areatolerant plantdominant speciesdiversity indexecological restoration
铝是国民经济发展和国防建设必不可少的战略金属材料，氧化铝是生产铝的主要原料[1-2]。赤泥是氧化铝工业生产过程中产生的固体废弃物，截至2015年，全球赤泥堆存量超过40亿t，并以每年1.2亿t的速度增加；中国是世界最大的氧化铝生产国，赤泥年产生量约7 000万t[3-4]。赤泥处置问题已成为国内外氧化铝行业亟待解决的问题之一。国内外****为此开展了大量的研究，主要集中在制备建材、回收有价金属和开发环保材料等领域。然而，由于赤泥成分复杂、碱性强，综合利用难度大，全球赤泥利用率仅为10%[5-8]，至今仍以堆存为主，仅中国赤泥的堆存量就高达6亿t。赤泥堆存不但占用大量土地、耗费堆场建设及维护费用，而且易造成周边土壤和水体受污染[9-10]。2010年Ajka赤泥库溃坝，100万m3赤泥流入多瑙河，造成匈牙利史无前例的生态灾难[11]。近年来，中国贵州、广西、河南、山西、山东等地均发生过因赤泥堆存引起的环境污染事件。
赤泥堆场是氧化铝工业外排赤泥的堆存场所，是一种典型的矿山废弃地。植物能够促进土壤发育、改善土壤性质、提高土壤肥力，对维持土壤生态系统的结构与功能具有重要意义[12-14]，但由于赤泥碱性强(pH值高达10~12)、盐分含量高、有机质和养分缺乏，一般植物难以生长[3, 15-16]。中国矿山废弃地生态修复在植物群落与物种多样性方面开展了许多研究[17-20]。蔡胜等[21]对浙江省40多个采矿区开展物种多样性研究，发现采矿区植物种类较多，科属组成较分散，菊科植物居多。张立敏等[22]应用中性理论对群落物种多样性进行量化评价。孟广涛等[23]研究发现矿区植被恢复提高了群落物种多样性。针对赤泥堆场，黄玲等[24]研究发现Na+、CO32-为主要盐分离子，赤泥随着堆存时间的增加，0~30 cm的含盐量明显减少。Zhu等[25]发现在自然堆存条件下，赤泥堆场逐渐出现“类土壤”结构，草本植物狗牙根开始定植，有机质含量增加。中国铝业广西分公司通过客土连续覆盖植被护坡工艺技术，在赤泥堆场边坡区域实现了植被定植，植物多样性增加[26]。朱锋等[27]采用物理分组方法研究不同堆存时间赤泥有机碳组分差异，发现自然风化过程增加赤泥有机碳组分的含量，提高赤泥有机碳库的稳定性。国外****在赤泥改良、耐性植物筛选等方面也开展了一些探索性研究。如Courtney等[28]发现植被重建能够显著降低赤泥表层风蚀、水蚀现象，减少环境污染，促进赤泥有机碳库的建立；添加石膏可以提供钙源和微量营养元素，降低赤泥碱性，有利于植被生长[29]。Wong等[30]发现施用磷石膏促进赤泥堆场草本植物的生长；Rengel和Gherardi[31]研究发现在赤泥深层添加锰肥可促进紫花苜蓿(Medicago sativa (L.))的生长；Santini和Fey[32]在圭亚那赤泥堆场发现须芒草(Andropogon yunnanensis Hack.)和香附子(Cyperus rotundus (L.))植物定居；Courtney和Mullen[33]在爱尔兰赤泥堆场发现绒毛草(Holcus lanatus (L.))和红三叶草(Trifolium pratense (L).)等耐性植物。Wehr和Fultonr[34]通过人工引入非洲虎尾草(Chloris gayana Kunth)、狗牙根(Cynodon dactylon (L.) Pers.)、盐地鼠尾粟(Sporobolus virginicus (L.) Kunth)、绢毛相思(Acacia holosericea (L.))等植物，在加拿大赤泥堆场开展植被重建研究，以期提高赤泥堆场物种多样性。牙买加Kirkvine氧化铝企业将赤泥堆存在铝土矿采矿池，4 a后发现15种植物，8 a后发现26种鸟、35种蝴蝶，甚至发现2种哺乳动物，生物多样性大大提高[35]。筛选耐性植物是赤泥堆场植被重建的基础，虽然在赤泥生态化处置和土壤化方面国内外****已经开展了一些的探索性研究，但是缺乏对赤泥堆场物种多样性的系统研究，国内未见报道。本文调查华北地区3个典型氧化铝赤泥堆场的植物物种组成，研究赤泥堆场的植物多样性，为适应强碱性环境的优良耐性植物的筛选、赤泥土壤化处置和堆场植被重建提供科学依据。
1 调查区域与研究方法1.1 研究区域概况3个赤泥堆场所处区域均属于暖温带季风气候，春夏秋冬四季分明。中国铝业河南分公司赤泥堆场(ZBR)位于郑州市，地理坐标北纬34°42′、东经113°23′，年平均气温为14.8 ℃，年平均降水量为645 mm，年平均无霜期209 d；赤泥堆存时间为25 a，粒径在0.04 mm以下的占97.64%，赤泥容重为2.63 g/cm3，比重3.0 g/cm3，孔隙度为12.33%，可交换钠离子比为60.00%，pH值为11.2[24]；赤泥堆场周边为山地，植被完整，植物群落垂直结构较复杂，而堆场两面环山，一面筑坝，光热条件受到限制。中国铝业中州分公司赤泥堆场(JBR)位于焦作市，地理坐标北纬35°24′、东经113°25′，年平均气温为14.5 ℃，年平均降水量560 mm，年平均无霜期216 d；赤泥堆存时间为20 a，粒径在0.02~2 mm之间的占75%，赤泥容重为1.39 g/cm3，比重3.30 g/cm3，孔隙度为58.20%，可交换钠离子比为28.99%，pH值为9.4[36]。赤泥堆场周边为荒山，植被覆盖率较低，草本植物为主。中国铝业山西分公司赤泥堆场(SBR)位于运城市，地理坐标北纬35°36′、东经110°38′，年平均气温为13.5 ℃，年平均降水量为545 mm，年平均无霜期212 d；赤泥堆存时间为20 a，粒径在0.075 mm以下的占95%，赤泥容重为1.49 g/cm3，比重2.35 g/cm3，孔隙度36.60%，可交换钠离子比为27.66%，pH值10.8[37]。赤泥堆场周边空旷，距黄河仅1 km，堆场底部为平地，植被较多，草本植物为主。各赤泥堆场赤泥主要化学成分如表 1所示[37]。
Table 1
 表 1 堆场赤泥主要化学成分Table 1 Chemical constitutions of bauxite residue in disposal areas
| 表 1 堆场赤泥主要化学成分Table 1 Chemical constitutions of bauxite residue in disposal areas | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
1.2 植被调查选择在ZBR、JBR和SBR赤泥堆存超过20 a及以上的代表性地段，随机设置57个面积为1 m×1 m样方，开展植被调查，样方全部位于未经人工修复的赤泥堆存区域，记录各样方内的植物种类、高度、数量和盖度等[38]。样地JBR，在调查时发现堆场有羊群踩踏痕迹，表层可见羊粪。
1.3 物种多样性分析植物种的综合数量指标用重要值表示，物种多样性用Simpson指数和Shannon-Wiener指数表示，选用Patrick丰富度指数和Margalef丰富度指数反映物种种类的多少，Pielou均匀度指数说明各个物种分布的均匀程度[39-41]。计算公式如下：
重要值(%)=(相对频度+相对密度+相对盖度)/3；
相对密度=某一植物种的个体数/全部植物种的个体数× 100%；
相对盖度=某一植物种的盖度/群落中所有种分盖度之和× 100%；
相对频度=某一植物种的频度/全部种的频度之和× 100%。
Simpson指数：
Shannon-Wiener指数:
Patrick丰富度指数：Pa=S；
Margalef丰富度指数:Ma=(S-1)/lnS；
Pielou均匀度指数:
| $J\text{p}=-\sum\limits_{i=1}^{S}{{{p}_{i}}\ln {{p}_{i}}}/\ln S.$ |
所有数据均采用Microsoft Excel 2010进行处理，图表均采用Origin8.0绘制。
2 结果与分析2.1 赤泥堆场的植被组成赤泥堆场植被稀少，物种组成简单，共发现25种植物，隶属10科22属(表 2)，以禾本科和菊科植物为主。其中禾本科植物有8种，占32%，主要有狗牙根、马唐(Digitaria sanguinalis (L.) Scop.)等植物；菊科植物有5种，占20%，常见的菊科植物有苍耳(Xanthium sibiricum Patrin ex Widder)、小蓬草(Conyza canadensis (L.) Cronq.)等，其他科植物种类相对较少。
Table 2
表 2 赤泥堆场植被的物种组成Table 2 Species compositions of vegetation in bauxite residue disposal areas (BRDAs)
| 表 2 赤泥堆场植被的物种组成Table 2 Species compositions of vegetation in bauxite residue disposal areas (BRDAs) |
从生活型(表 3)看，赤泥堆场的植被组成均以草本植物为主，其中一年生和多年生草本分别有14种和8种，占总种数的56%和32%；其余为落叶小灌木，未发现常绿木本和藤本植物。说明自然演替是一个漫长的过程，赤泥堆场处于演替初级阶段，草本植物为优势群丛，适应赤泥堆场环境。
Table 3
表 3 赤泥堆场植物生活型组成Table 3 Plant life-form compositions in BRDAs
| 表 3 赤泥堆场植物生活型组成Table 3 Plant life-form compositions in BRDAs |
2.2 赤泥堆场植物群落优势种及重要值重要值反映植物在群落中所占的优势程度，重要值大的植物，对环境适应能力强，在矿山废弃地中，常为优势种。从重要值(表 4)看，样地JBR内优势种为虎尾草、狗牙根，其重要值分别为25、22，群落类型为虎尾草+狗牙根群落，青蒿和小蓬草在样地分布也较多；样地SBR中狗尾草和虫实重要值最大(24)，其次是马唐(18)，群落类型为狗尾草+虫实，其中常见植物还有华北岩黄耆；而样地ZBR中仅有5种植物，重要值最大的是扫帚菜(58)，南荻、柽柳、猪毛菜、牛筋草重要值分别为14、12、12、4，植被种类呈现明显的单一性，唯一的优势种为扫帚菜。群落中优势种重要值的大小，是反映植物群落结构复杂与否的重要指标之一[39]。3个样地中，样地ZBR中优势种重要值明显大于样地JBR和SBR中优势种的重要值，表明ZBR赤泥堆场群落复杂程度低。3个样地群落类型都为草丛，样地木本植物极少，群落垂直结构简单。重要值大的植物在矿山废弃地的植被构成及生态恢复中有着十分重要的作用[41]，因此，在赤泥堆场植被重建人工引入新物种的同时，也应该加强对原有优势种的保护工作。
Table 4
表 4 赤泥堆场调查区域植物及其重要值Table 4 Plant species and their important values in BRDAs
| 表 4 赤泥堆场调查区域植物及其重要值Table 4 Plant species and their important values in BRDAs | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
2.3 赤泥堆场定居植物的物种多样性物种多样性指数与群落中物种丰富度和均匀度有关，主要体现群落的组织水平、发展阶段、稳定程度[42]。丰富度指数越大，物种数目越多；多样性指数越大，群落组成结构越复杂。从图 1来看，3个赤泥堆场的Ma、Pa变化趋势一致，变化范围较大，D、H′指数变化趋势也基本一致，变化范围较小。样地JBR的Pa和Ma丰富度指数最高(17、5.65)，物种较丰富；样地SBR的Simpson指数和Shannon-Wiener指数较高(0.77、1.81)，表明其群落结构较为复杂，优势种地位明显。植物在边坡分布较多，可能是因为边坡更容易接受风媒带来的水汽和植物种子，以及边坡较高的景观异质性。尽管样地ZBR赤泥堆存年限较久，但各多样性指数均极低。均匀度指数与物种数目关系不大，它反映的是群丛内物种个体数量的分布状况，分布越均匀，指数越大[21]。3个样地中均匀度指数均较低，表明植物在赤泥堆场分布较为分散，植被难以自然定居。
Fig. 1
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| 图 1 赤泥堆场植物多样性指数 Fig. 1 Plant diversity indices in bauxite residue disposal areas 图 1 赤泥堆场植物多样性指数 Fig. 1 Plant diversity indices in bauxite residue disposal areas --> | |
3 讨论在矿山废弃地，由于氮素很大程度反映系统养分状况，氮素及氮循环常处于关键地位[43]。豆科植物与根瘤菌存在共生固氮作用，促进豆科植物对氮的吸收，进而促进物种多样性的增加[44]。Harris等[45]提出豆科植物在矿山废弃地主要表现为两方面作用：其一，豆科植物枯枝落叶及枯死植株为废弃地提供大量有机质，提高土壤氮素积累；其次它可以保护某些先锋物种的生长。然而本研究只发现一种豆科植物(华北岩黄耆)，可能是由于豆科植物本身难以在赤泥堆场生存或者根瘤菌难以在赤泥堆场生存与繁衍，同时形成的根瘤菌是否具有固氮能力也是重要的影响因素[18]。禾本科植物是适应性较强的植物，在铜尾矿、铁尾矿、锑矿和煤矿废弃地都发现禾本科植物是植物群落的主要组分[33, 46-48]。岳建英等[47]发现定居在安太堡煤矿的禾本科植物有硬质早熟禾、羊草、披碱草等。储玲等[48]发现铜陵五公里铜尾矿废弃地的禾本科植物有狗牙根、白茅、狗尾草等。很多禾本科植物具有发达的根状茎，存在联合共生固氮潜能，与其他根际联合固氮相比，禾本科植物内生固氮菌定植于植物体内部，在木质部导管进行固氮作用，表现出更高的固氮效率[49]，并且可以通过细胞膜透性来适应铝胁迫[50]，这些生物学特征可能是某些禾本科植物成为赤泥堆场优势植物的原因。
虽然赤泥堆场已出现植物定居，但是堆场植被自然恢复十分缓慢，植被覆盖率极低。因此，在保护赤泥堆场现有植被的基础上，进行合理的工程治理和耐性植物引种十分必要。杨修等[51]研究发现植被恢复与重建的主要障碍是土壤因子，进行土壤改良可以明显增加植物物种多样性。孝义铝土矿和平果铝业公司通过人工复垦，排土场复垦率达到70%以上[52]。合理的植物配置会增加生物多样性，进而影响到群落演替的进程[53-54]，种植优良耐性植物对加速实现赤泥堆场植被重建和生态修复有着极为重要的现实意义。
畜禽粪便对土壤肥力的增加有显著影响，李江涛等[55]研究发现畜禽粪便能显著增加土壤中有机碳的含量；左文刚等[56]发现随着牛粪施用量的增加，表层土壤＞0.25 mm水稳性团聚体呈增加趋势，含盐量降低，土壤中氮、磷含量呈逐渐上升趋势。土壤肥力是植物生长的必备条件，样地JBR中，植物种类较多，可能是羊群排泄物增强养分供给，促进植物生长。光是最重要的生态因子之一，对植物生长发育有显著影响。胡阳等[57]研究表明光对植物的影响主要从光合作用代谢与生长发育以及结构特征三方面影响植物。样地ZBR两面环山一面筑坝，难以接受充足的阳光，这可能是其物种极少的原因之一。因此, 在植被重建工作中，可考虑适当添加畜禽粪便，创建良好的光热条件，这对植物多样性的增加有积极作用。
4 结论1) 赤泥堆场是一种特殊的退化的生态系统，赤泥堆存20 a后，调查发现已有先锋植物入侵。调查区域发现25种植物，隶属10科，其中禾本科和菊科植物占植物物种数的52%；草本植物占植物物种数的88%，草本植物为优势群丛。
2) 赤泥堆场植被稀疏，群落组成和结构简单，物种多样性低，植物群落类型主要为虎尾草+狗牙根群落、虫实+狗尾草群落。Simpson指数和Shannon-Wiener指数最高仅为0.77、1.81，表明赤泥堆场生态环境恶劣，一般植物难以生长，需要引入适应性强的耐性植物。
3) 样地ZBR赤泥容重较大、碱性较高，物种数量较少，物种多样性较低；样地JBR赤泥容重较小，碱性较低，物种数量较多；样地SBR赤泥可交换钠离子比较低，较适宜植物生长，物种多样性较高。合理的基质改良，改善赤泥理化性质对加速赤泥堆场植被重建具有现实意义。
4) 狗牙根具有易繁殖、生长快、适应强、分布广、耐盐碱等特性，是一种极具前景的赤泥堆场先锋植物，这可为赤泥堆场生态修复提供科学依据和实践参考。
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