鄂西北地区矿山生态修复植被适应性研究

陈刚华，姚志龙，唐传雄，何秀红，魏新云，何东文

（湖北省地质局第八地质大队，湖北 襄阳 441000）

工业革命以来，大量以矿产资源为主要生产资料的工厂层出不穷，在工业生产过程中占用了大量的森林以及居民用地。国外相比国内较早展开有关于矿区生态修复方面的研究，Lasletf等人曾使用插值方法对比了几种不同二维空间修复方法的精度，结果显示，所有修复方法皆存在缺陷，但平滑样条修复方法与克里金差值修复方法效果较好[1]。克里金差值修复方法演示了生态修复质量指数在空间的表现，对矿区生态环境破坏程度进行划分处理，结合平滑样条修复方式，结果显示，矿区金属污染对生态恢复存在一定的危害性。

本文提出鄂西北地区矿山生态修复植被适应性研究。依据遥感图像信息表示的实际地物，对地物信息进行提取，采用机器学习法完成植被覆盖数据的自动“学习”，结合现场调查等手段对不同植被覆盖样本进行获取，更新矿区生态修复相关数据，了解植被在不同气象、水文及环境地质条件下的生长状况。

1 矿山植被覆盖信息获取

湖北省鄂西北区域，主要指的是鄂西北是鄂与豫陕渝的毗邻地区，斜倚于大巴山的余脉。主要指湖北省的十堰及襄阳两市与神农架林区。鄂西北属于汉江中游地区，汉江贯穿整个区域。鄂西北地区幅员辽阔，人口近千万。

通过对成像机理与遥感影像、遥感过程与遥感影像的关系分析，采用目视判读标志法对不同的地物目标进行辨别，从而完成地物性状的探索与推测[2]。遥感影像上各种地物都有其对应的影像特征，同时该特征也是目视判读的地物识别依据，可以称之为解译标志，具有直接以及间接两种标志方式。

遥感图像分类就是属性识别与划分图像信息，依据图像信息表示的实际地物，提取地物信息。单波段中，同种地物图像的灰度概率呈现正态分布，一个多维图像的像素矢量可以抽象成多维空间内一点，同一种地物的像素值紧密聚合，所构成的一个点群即为一个地物种类，且通常情况下，点群边界会存在局部的叠加或交错[3]。

因为依据图像光谱特征完成影像分类有几率存在盲目性，所以，要再处理一次分类结果。通过分类结果图像即可导出向量文件，从而得到分类图内向量信息，创建属性数据库，以适用于地理信息系统，按照量化形式研究土地覆盖情况。其中，属性数据库里含有土地编码、种类、坐标、周长以及面积信息。

本文采用机器学习法完成植被覆盖数据的自动“学习”，现阶段的机器学习方法主要包括支持向量机、决策树、人工神经网络等。而支持向量机在自动学习方面表现出了较好的灵活性，因此此处采用该方法对矿区土地覆盖数据进行预处理，实现系统监测数据的自动化学习。则高维空间内的回归函数可以表示为：

式（1）中，ω、φ(x )分别表示维向量，b表示偏置量。

若数据的训练集为{xk,yk;k=1,2,...,n}，采用优化问题求解方式求解函数，数学模型表述方式如下所示：

引入核函数后，式（2）的对偶表达式可以表示为：

对式（3）进行求解，获取非线性函数回归方式：

为提高矿区植被覆盖信息获取可靠程度，通过遗传算法对支持向量机进行优化，具体优化步骤如下所示：

步骤1选择所要学习与验证的数据样本集合M，并且选择其中的前组样本作为算法下一步的学习样本。

步骤2设迭代次数为p，若初始值为零，最大迭代次数为pmax，最大适应值为emax，标定遗传算法的变异、交叉概率以及参数取值。形成初始种群后，通过式（2）～式（5）构建的优化模型，并对步骤1选择的验证样本进行预测，其适应值可以表示为：

步骤3令p=p+1，通过各个个体的不同适应度值选出最优个体，随后使用交叉概率的方法完成均匀交叉操作获得新个体，然后使用变异概率完成变异操作获得新种群，最后通过获得不同样本完成覆盖数据的自动更新。

步骤4当迭代次数p与个体的适应度值满足约束条件，重复步骤3，更新生态样本集，若二者的适应度值不满足约束条件时，将最小适应度值作为最终结果。

2 某矿区生态绿化修复工程

2.1 地形地貌

地处构造剥蚀低山区与汉江河谷平原区过渡地带。不稳定高边坡南部为丘陵区，属荆山及大洪山余脉，山脉脊线近东西向延伸，与岩层走向、构造线展布方向基本一致，坡角一般为30°，区域内最高点为扁山，海拔459.3m。山体主要由地表人工采石形成，山体平面近于直线型，垂向坡度较陡，近乎直立，局部坡度大于90°。

2.2 地层岩性

项目区出露地层主要为寒武系中统覃家庙组（∈2q）含泥砂质白云岩、白云质灰岩、泥灰岩和寒武系下统天河板组（∈1t）泥质条带灰质白云岩，以及第四系人工填土（Qml）和含碎石粉质粘土（Q2）。

2.3 地质构造

采石场在区域上地处扬子地台北缘与南秦岭—淮阳褶皱带结合部位。以扬子地台北缘断裂为界，北部属于襄枣断陷部分，南部属于大洪山台褶束部分。场地处襄樊—广济断裂南侧，北与南襄盆地相接，山体由构造级别很低的向斜和背斜构成，向斜构造位于山顶，背斜构造横贯北坡上部，属于歪斜不协调褶曲，褶皱轴近东西向延伸，向西倾伏。背斜枢纽走向299°，倾角24°，轴面倾向NNE，倾角70°～80°，背斜的南翼较短，地层产状变化大，东端倾角20°，西端倾角80°～88°。而北翼地层产状较缓，岩层总体倾向350°，倾角30°～40°。

2.4 生态修复区域自然条件

矿区山体主要由地表人工采石形成，山体平面近于直线型，垂向坡度较陡，近乎直立，局部坡度大于90°。坡脚北部紧邻居民区和南渠，海拔约70m，临空面相对高差达69m。

2.5 生态修复措施

矿区生态修复工程范围主要对裸露山体0m～200m段进行生态修复。生态修复坡面宽200m，绿化面积约6500m2。修复措施采用藤蔓植物攀爬的方式，通过对山体进行挂网+坡顶种植悬垂植物+坡脚种植攀缘植物进行坡面覆绿。

2.6 生态修复植被调查情况

矿区生态环境修复前的选用植物调查工作往往容易被忽视，而对植物或动物的调查，掌握矿区植物群落的属性、特征及演替，都显得尤为重要。植物调查主要内容包括矿山及周边地区的植被类型、分部、面积、覆盖率、生长情况等，有无国家重点保护的或稀有的、受危害的野生植物，当地的主要生态系统类型（森林、草原、沼泽）及现状，特别要调查当地的乡土物种、优势植物品种。对存在的污染风险的金属残留植被、自然恢复植被等。调查工作可选择若干地段进行调查，比如样地法，是在植物群落中划定一定面积的若干矩形样方，对于不同高度不同坡向的选择典型地段设置若干样方。调查样方内植物的高度、盖度、密度、生物量、利用部位生物量、物候期、生活力、生活型、冠径等。

2.7 植物种类选择

（1）乡土植物能够很好地适应当地环境，是矿山修复的首选树种。乡土植物对本地区的自然条件最能适应性，最能抵御灾难性气候;另外，乡土植物种苗易得，免除了到外地采购运输之苦，还避免了外来病虫害的传播危害；乡土植物的合理栽植，还体现了当地的地方风格。因此在选择植物材料时最先考虑的就是乡土植物。

图1 修复工程平面布置图

为了丰富植物种类，弥补当地乡土植物的不足，也不应排除优良的外来放野生种类，但它们必须是经过长期引种驯化，证明已经适应当地自然条件的种类，如原产国外的悬铃木，刺槐、广玉兰、紫穗槐等。

（2）固氮植物也可作为矿山植物景观设计的先锋树种。固氮植物具有较高的经济效益与生态效益。研究表明，固氮植物每年每1hm2可以固氮50kg～150kg。固氮植物主要包括：与根瘤菌共生的植物，刺槐属、合欢属、紫穗槐属、锦鸡儿属、金合欢属、胡枝子属、大豆属、豌豆属、菜豆属和苜蓿属等；与弗兰克氏菌共生的植物，杨梅属、沙棘属、胡颓子属、赤杨属、马桑属和木麻黄属等；与蓝藻类共生的植物，苏铁属及少数古老物种。

（3）选择适应性强、成活率高，对修复区环境有改善作用的植物。根据修复场区实际情况选择适宜树(草)种，一般应选择适应性强、抗逆性强、成活率高、生长稳定的植物，用于矿山园林绿化的常见树种如:乔木类，松、柏、垂柳、刺槐等;灌木类，紫穗槐、紫薇、金银花、紫叶小檗、杜鹃等，果林类，沙枣、杏、李、梅、山楂、桑树、梨树、葡萄等。

（4）选择对修复区环境有一定改善作用的树种。矿山在开采过程中会产生大量烟尘和有害气体，因此，应选择对SO2等有毒气体具有吸收功能或者抗性较强的植物，以及能够阻滞烟尘、保持水土、防风固沙的植物。矿山的种类也不局限石灰石矿、采石场等，有重金属污染的矿山，应选择金属超富集与耐性植物。

2.8 修复成果

坡面挂网措施为坡面打设锚杆（锚钉），纵向和斜拉镀锌钢丝绳，在山体表面形成爬藤植物攀爬网，便于藤蔓类植物缠绕攀附生长。坡顶布设种植池，种植观赏性强，花期较长的悬垂类植物对坡顶中上部进行点缀美化。坡脚设置种植池，种植池内换客土种植攀援植物和灌木，对坡体中下部进行绿化，通过植被修复措施，矿区植被覆盖度达到90以上。

3 修复情况调查分析

根据前期现场调查情况，在生长条件一致的情况下，苗龄越长，生长的速率越快，为了较快达到复绿效果，尽量选择苗岭偏大者。本次选用的生态修复植被种类中包括油麻藤、紫藤、凌霄等。在相同生长环境下油麻藤生长速率最快，其适应性更强。选择藤本植物时，应该先了解其攀附方式。

表1 不同藤本植物攀附方式

矿山边坡可适用团粒喷播、植生槽栽植或者二者结合的方式。

矿区生态修复工作中，单一物种的生态系统过于脆弱，故需要考虑场区恢复后的生态多样性。为此，在植物选择过程中坚持选择多种植物的组合形式，如将乔木、灌木、草本植物和藤本植物进行组合，营造适应性强的生态系统，以实现矿山的生态修复。修复植物选择还应该坚持品种乡土化、适应性强的原则，保证选择的植物能够适应本地的生态系统，如果盲目选择将出现植物生长不良的情况，选择的乔木类植物在鄂西北部分地区生态修复中已部分投入使用，此类植物适生于低山丘陵地带，耐水湿，耐高温，且生长速度较快。在现场巡查发现，上述植被物种成活率均较高。本区爬藤爬山虎为落叶，油麻藤为常绿，乔木湿地松、女贞为常绿，其中湿地松、女贞、楠树为主要树种。研究区覆土设计厚度为20cm，在实际施工工程中发现该厚度难以保证乔木的生存。因此在进行生态地修复时，要考虑沉实土壤厚度及肥力，以便留有一定余量，保证植物正常生长需要。

对实验期间矿区植被覆盖度优化方法的植被覆盖度增长情况进行观察，修复后效果如图所示。

图2 矿山植被覆盖情况

4 主要结论

矿山生态修复是对矿业废弃地污染及生态环境进行修复，实现对土地资源的再次利用。为今后裸露山体复绿起到示范作用，为其它地区的山体复绿提供经验。

植被在生态修复中的效果与当地自然条件、气候、地质情况关系密切，选择合适的植被对矿区生态修复效果影响较大。在矿区修复工作中，需要着重强调植被生态修复搭配效果，从而满足

依据遥感图像信息表示的实际地物，对地物信息进行提取，采用机器学习法完成植被覆盖数据的自动“学习”，对矿区植被覆盖样本进行获取，更新矿区生态环境修复过程中植被的覆盖数据。矿区植被种植后期的发展趋势，还需进行长期观察。在边坡防护植物物种选择中，本文仅仅选取了较为单一的植被护坡，未选取植被搭配的物种，根据边坡植物防护研究的不断深入，多种植物组合进行多种群植物边坡防护是该科学发展的主流，有利于生物多样性。因此，在适种试验中，可组合搭配草种种植护坡，进一步深入研究植被护坡的多种可能性。植物适种是一个长期而漫长的过程，需要长时间的生长发育观测，了解其全面的生物学特性及生理特性，本文的研究还停留在浅显的部分，还需要更多、更全面的研究来进一步了解植被的属性特性，进而为矿区生态修复工作提供理论支持。