CN105960878A - 一种以乡土景观植物修复退田还湖湿地土壤的方法 - Google Patents

Abstract

一种以乡土景观植物修复退田还湖湿地土壤的方法，植物群落的主要配置方式包括以下4种：1）景观植物乔灌草混种模式，即上层木+中层木+地被植物；2）景观植物乔灌混种模式，即上层木+中层木+原有地被植物；3）灌草混种模式，即中层木+地被植物；4）地被植物单一种模式，引种地被植物+原有地被植物。本发明引种速生乡土景观树种，能快速适应生长环境、形成景观、成为群落优势物种，控制外来物种入侵；改善农田土壤物理结构、营养状况、消除（降解）残留的有毒有害污染物，达到自然条件下土壤污染净化，实现自修复，即发挥土壤‑植物系统降解净化作用。

Description

一种以乡土景观植物修复退田还湖湿地土壤的方法

技术领域

本发明涉及一种退化湖泊湿地土壤人工辅助修复的方法，尤其是涉及一种利用抗污、去污性强的乔灌草乡土景观植物配置模式修复退田还湖湿地土壤与植被的方法。

背景技术

作为重要的湿地类型，内陆淡水湖泊,具有调节江河径流、净化水质、维护生物多样性和改善生态环境等多种生态服务的功能。然而,近百年来,由于自然因素和人类活动的影响，对湖区资源不合理的开发利用,尤其是20世纪70年代以来，我国各湖泊的围湖造田势头愈来愈大，导致湖泊面积迅速萎缩,湖泊的调节能力严重衰退,湖区洪涝灾害加剧。因此,1998年洪灾后,湖南省适时地提出了洞庭湖区退田还湖计划,并开始逐步实施,至今已产生巨大生态效应。

退田还湖是将围垦湖边或湖内淤地改造成的农田恢复为湖面或滩地的工程措施。作为构成湿地生态系统重要环境因子之一的湿地土壤，有着其特殊的理化性质，这些性质对于湿地生态系统平衡的维持和演替具有重要作用。停耕前的农田在生产中广泛使用农药、地膜、化肥等农用化学品,造成多种有机物对土壤的复合污染。因此，将停耕后农田恢复成自然湿地，最重要环节是恢复湿地土壤的理化性质，将农田土壤中残留的有机污染物和过量N、P净化、去除，防止其扩散进入湖泊，污染水体。

国内目前有关退田还湖的研究主要集中在自然恢复过程的水文特征、土壤理化性质、生态承载力，而对人工引种植被辅助修复退化湿地土壤的研发欠缺。湿地植被作为湿地生态系统中的初级生产者,对湿地土壤、生态系统结构和功能起着重要的支撑作用,它可以通过为其他生物提供食物及栖息环境等功能,直接参与湿地生态系统的物质循环；通过根系与微生物或微小动物的相互作用改变土壤结构，因此引种、构建适宜的湿地植物群落，是退化湿地土壤修复的基础。而植物群落作为湿地生态系统的主体,其生长状况、种类组成、群落结构和景观质量,在很大程度上决定了湿地多种功能的发挥。植物种类与植被类型是污染土壤修复成败的前提。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提供一种能快速恢复湿地植被，修复土壤，恢复生态功能，依靠土壤-植物系统的降解净化作用，实现持久性有机污染物自修复的以乡土景观植物修复退田还湖湿地土壤的方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是，一种以乡土景观植物修复退田还湖湿地土壤的方法，利用乡土景观植物配置模式修复退田还湖湿地土壤，选择对有机污染物耐受性较强、无机N、P肥去除效果好的景观植物，采用随机区组设计，在退耕土壤上构建不同配置模式的植物群落,配置组合后的植物能与其周边自然湿地本底植物及其土壤环境有机衔接。

选择与拟修复退耕农田立地环境相近、物种多样性丰富、对农田残留有机和无机污染物具有净化作用的乡土观赏植物构建结构稳定、可自我更新的植物群落修复土壤，使其向着原有的湿地环境状态恢复，并恢复湿地生态功能。

植物群落的主要配置方式包括以下4种：1)景观植物乔灌草混种模式，即上层木+中层木+地被植物；2)景观植物乔灌混种模式，即上层木+中层木+原有地被植物；3)灌草混种模式，即中层木+地被植物；4)地被植物单一种模式，引种地被植物+原有地被植物。

所述的景观植物必须是速生(氮磷吸收能量大)、抗逆性强、耐水湿、根际微环境对残留有机污染物具有净化作用、景色季相变化丰富的乡土树种。上层木(乔木)优选水杉、池杉、垂柳、红叶石楠、栾树、枫香、乌桕、香樟、桂花树、广玉兰、红叶李等中的至少一种。中层木(灌木)优选杜鹃、月季、红花继木、紫薇、山矾、石榴、含笑、木槿、火棘、竹类等中的至少一种。地被植物(一年生或多年生草本植物)优选水芹菜、山荞麦、野大豆、紫花苜蓿、鸢尾、矢车菊、蒲公英等中的至少一种。

进一步，景观植物的混种模式为上层木、中层木的株间混种。上层木、中层木与地下植被进行块状混配。

进一步，保持修复土壤具有较稳定的N、P、K含量(养分库)、较高的持水力，选用上层木垂柳、栾树、乌桕，与中层木杜鹃、月季、木槿、火棘、杨梅、竹类，与地下植被山荞麦、野大豆、紫花苜蓿的混配。

进一步，对农田残留有机污染物和重金属具较好的净化作用的乡土观赏植物选用杜鹃、月季、红花继木、红叶石楠、紫花苜蓿、野大豆和鸢尾构建复合群落。

进一步，快速形成景观、土壤净化能力较强，选用上层木：水杉、池杉、垂柳、栾树、枫香、乌桕、香樟和广玉兰；中层木:月季、继木、木绣球、山矾、木槿和火棘；地被植物野大豆、紫花苜蓿和鸢尾。

进一步，所述乡土景观植物是选择自对农田残留有机污染物、过量氮磷有富集作用、生态适应幅度大的乡土景观植物中的至少二种。

进一步，选用不同种类的乔、灌、草景观植物混种模式构建复合植物群落。

进一步，乔灌草植物的混种模式为所述上层木、中层木和地被植物的混种。

进一步，净化土壤中的有机污染物，选用不同中层木与地被植物的混种模式。

进一步，提高土壤剖面持水性能，选用上层木水杉、池杉和/或柳树，与中层木山矾、木槿和/或月季株间混种。

进一步，提高土壤脲酶、磷酸酶活性，快速平衡土壤营养元素，选用栾树、枫香、乌桕、木槿、紫花苜蓿、野大豆、鸢尾中的至少两种混种，或是桂花、广玉兰、香樟、木槿、竹类、紫薇、木绣球、紫花苜蓿、野大豆、鸢尾中的至少两种混种。

所述土壤为退耕农田退化湿地土壤，土壤有机质含量低于湖南省标准值，难降解、残留的持久性有机污染物(persistent organic pollutants POPs(主要是多氯联苯类化合物)等含量较高。

所述的乔、灌木种植方法可为移植。

地被草本植物种植方法一般为直接播种，株距一般为0.2-0.5m，在试验期间采用常规的田间管理。

所述乡土景观植物配置类型与植物优选组成具体如表1所示。

表1植物配置与植物组成

对表1的说明如下：第一种配置模式为上层木+中层木+地被植物，此种模式可分为三种模式，分别为：①落叶乔木(耐水湿)+常绿灌木+地被植物，②常绿上层木+落叶灌木(耐水湿)+地被植物，③落叶上层木(耐旱型)+灌木+地被植物；第①种配置模式落叶乔木(耐水湿)+常绿灌木+地被植物，落叶乔木(耐水湿)选择水杉(Metasequoia glyptostroboides)、池杉(Taxodium ascendens)和垂柳(Salix babylonica)；常绿灌木选择杜鹃Rhododendronsimsii、月季Rosa chinese、红花继木Loropetalum chinense var.rubrum和红叶石楠Photinia×fraseri Red robin；地被植物选择紫花苜蓿Medicago sativa、野大豆Glycinesoja和鸢尾Iris tectorum。表格中的其他配置模式方法相同。

本发明利用抗逆性强，生长迅速的乡土植物，在残留复合有机污染物退耕农田上建立可快速去除土壤丰富N、P，净化土壤残留有机污染物的植物群落，恢复退化湿地土壤的理化性质。

本发明基于提高生物多样性与景观可持续性原理、选择具有景观及生态价值的乔灌草乡土植物、采用科学合理的、近自然配置规则，构成本发明技术的总体思路。植物群落构建后，定期随机采取土壤与植物样，测定修复前后根际土壤的理化特性、植株地上、地下部分氮磷含量，计算对土壤有机污染物和N、P的去除率(富集率)；同时观测群落构建前后的水土流失量，计算群落对有机污染物的固化率。

研究表明，所述植物对持久性有机污染物具有较强的抗逆性和广泛的生态适应能力，尤其是豆科类植物野大豆、紫花苜蓿对多种多氯联苯类化合物具有降解转化作用。本发明充分利用上述植物抗逆性较强、易于成活、根系发达、生物量大及对氮磷及有机污染的吸收、富集、固化、降解能力强等特性，达到阻拦有机污染物和重金属向其周边非污染区域扩散的目的；并且上述植物均为乡土植物，种植成活率高、生长旺盛，整个生长过程不需要进行特殊管理；同时，所选乡土植物自我更新(种子萌发力、根蘖繁殖力)力强，维持群落结构稳定，能有效防止外来生物入侵。

本发明乡土植物在残留复合有机污染物的农田土壤中，通过对污染物的吸收、积累、分配、转化、挥发和降解等降低有机污染的毒性和在水土环境中的传播。构建起基于土壤-微生物-植物系统功能的POPs污染土壤自修复新思路与技术。

本发明的有益效果：1)乡土植物配置方法近自然、科学合理，提高了退耕农田的植物多样性，不存在生物入侵风险，且易于与周边景观相融；2)本发明构建的乔灌草近自然湿地植物群落，根系分布由浅至深，对土壤修复较全面；3)本发明选用植物均为本地物种，植物材料来源方便，繁殖管理容易，可规模化应用推广；4)利用景观植物修复退化湿地，修复土壤、恢复湿地功能，同时具有持久的景观和社会效益，有利于在退田还湖区应用推广。

本发明基于提高生物多样性与可持续发展的植物景观原理、利用乡土景观植物配置模式修复退田还湖湿地土壤，使其向着原有湿地环境状态恢复的方法。选择对农田残留有机农药具有耐受、降解作用、对丰富氮磷具有吸收富集能力、速生的乡土景观植物在退耕还湖农田土壤上构建乔灌草近自然植物群落。引种速生乡土景观树种能快速适应生长环境、形成景观、成为群落优势物种，控制外来物种入侵；改善农田土壤物理结构、营养状况、消除(降解)残留的有毒有害污染物，达到自然条件下土壤污染净化，实现自修复，即发挥土壤‐植物系统降解净化作用，实现持久性有机污染物自修复的新思路。同时，防止有机和无机污染向水体扩散，导致水体污染。构建的退田还湖湿地修复模式，土壤、水体修复同步，景观自然更新且可持续。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明进行详细说明。

本试验地点设在津市市李家铺镇，唐家咀村，该地区属中亚热带向北亚热带过渡的季风潮湿气候区。四季分明，干湿明显，雨量丰沛，日照充足。多年平均降水量为1164.3mm；多年平均日照时数1770.6h；水面平均蒸发量1320.3mm，陆地平均蒸发量726.8mm；多年平均气温16.6℃，极端最高气温40.5℃(1972年8月27日)，极端最低气温-13.5℃(1977年1月30日)；平均无霜期272d；平均雾日17d。

试验区内陆生植被比较破碎，群落均不典型，各类群落的面积大小不一。地层结构单一，土壤为由水耕熟化发育成淹育型水稻土，红壤粘粒含量高，缺乏有机质，土壤结构不良，不具水稳性，虽然持水性较强，但无效水多，持水能较低，土壤抗侵蚀能力较弱，通过建立良好的植被结构，增加有机质，改善土壤性状和功能，土壤保蓄性和缓冲性会进一步改善，能够很好地发挥湖泊屏障作用。

试验区域:试验区总面积为33000m²，试验区划分为20m*50m的方块，采用随机区组设计，每个种区设计4种配置模式(上层木+中层木+地被植物、上层木+中层木+原有地被植物、中层木+地被植物、引种地被植物+原有地被植物)，以自然恢复区为对照。每种配置模式设计3个重复，同时设3个对照区，共计15个试验小区。将试验区的土壤耕作成数条沟槽与大垄间隔的条状小区，大垄相互平行，间距L＝1.0m。2013年12月至2015年12月上旬，根据不同的配置组合将植物等面积比例种植在不同试验区域，乔、灌木种植方法为嫁接和扦插苗移栽，草本植物为直接播种。每种配置模式设计条状、块状、株间混种3种不同混(间)植方式，上层木种株行距2×2m，中层木株行距株距1×0.5m，草本株行距0.2×0.5m。试验研究期间进行常规田间管理。

土壤理化特性的事先检测：栽种植物前，对退耕田土壤取样，土检测分析土壤的理化性质，调查种植前退耕田植物多样性；对检测值进行综合评价分析，计算不同配置组合下试验区土样的原始值(与土壤质量相关的物理、化学与生物指标)。种植成活后，分不同季节调查分析土壤理化特性与生物指标。

实施例1(参见表1中ASH1、ASH2、ASH3)：上层木+中层木+地被植物混种模式：

所述植物不同配置根系分布由浅入深，对土壤修复程度较深，不同配置具景观季相变化丰富，景观效果好。层次结构复杂、季相变化明显的植物群落,其景观价值高于结构简单的群落。

实施例2(参见表1中AS1、AS2、AS3)：上层木+中层木+原有地被植物：保留原有地被植物，地面覆盖快，保水效果较好，引进乔灌景观植物，丰富物种多样性，避免因栽植少量的植物,而破坏野生状态的自然多样性。

实施例3(参见表1中SH1、SH 2、SH3)：中层木+地被植物：中层木易成活，快速形成优势。

实施例4：引种地被植物+自然地被植物(1年生植物+多年生植物)：师法自然，模拟潜在植被,顺应进化演替规律,并创造更新种扩展空间的环境条件。

采用环刀分层(0－25cm、25－50cm)采集原状土,以测定土壤相关物理性质。同时,按对角线取5个点的混合样采集土壤样品1kg左右,重复3次；土样风干、去杂、过筛后测定土壤养分含量、土壤酶活性及土壤重金属含量与有机污染物含量。

土壤水分物理性质测定：用酒精燃烧法测定土壤自然含水量,环刀法测定土壤密度,毛管持水量、总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度的计算方法为(中国科学院南京土壤研究所,1978):

毛管持水量＝环刀内水分重量/环刀内干土质量×100(％)；

总孔隙度＝(l-土壤密度/土壤比重)×100(％)；

毛管孔隙度＝毛管持水量×土壤密度(％)；

非毛管孔隙度＝总孔隙度-毛管孔隙度(％)。

土壤主要化学养分：重铬酸钾法测定有机质,扩散吸收法测定全氮,铝锑抗比色法测定全磷,火焰光度计法测定全钾(中华人民共和国林业行业标准,1999)；

土壤中的多环芳烃采用超声萃取法提取，高效液相色谱测定。土壤重金属元素全量采用原子吸收分光光度法测定。

产流量观测区边安装自动气象站，记录降雨量、雨强和降雨历程等气象数据。每次降雨后及时观测集水池的集流深度，计算地表产流量；由产流量和降雨量推算径流系数，即径流系数＝地表径流量降雨量×100％。

产沙量将集水池内泥水搅拌30min，取中层径流泥沙样品500ml，105℃下烘干、称重，由含沙量推算每次降雨小区内土壤流失量；将1年内各小区土壤侵蚀量相加、换算成t/km²，即为侵蚀模数。

降雨量、径流量和泥沙量观测时段为2014-2015年汛期(5-9月)。采用MicrosoftExcel和SPSS16.0统计分析软件进行数据处理与分析。

表2至表6分别列出了不同配置模式下，土壤的理化性质及对水土流失防控效果。

表2数据分析显示，不同植物配置模式下，土壤中的有机质、TN、TP、TK存在差异，但均较自然恢复的对组的肥力高，尤其是有机质含量显著高于自然恢复和草本群落模式。其中以配置I中的ASH3(栾树、枫香、乌桕、红叶李、山矾、火棘、石榴、含笑、紫花苜蓿、野大豆和鸢尾)改善土壤的肥力效果最好，其次是配置II中的AS2，再次是SH1。三个配置模式的共同点是，植物组成中有阔叶落叶乔木或灌木，地被植物中含有豆科植物野豆和紫花苜蓿，落叶有助于提高土壤中有机碳的含量，而豆科植物具有固氮功能；在三类配置模式中，引种了地被植物的群落土壤含氮量均高于没有引种地被植物的土壤，进一步说明豆科植物的固氮作用，可提高土壤肥力。

表2不同配置模式下土壤主要养分的变化

表3分析是不同配置模式下主要土壤酶活性。土壤酶不仅是外源有机物质腐解转化的驱动力,也是土壤有机质化、土壤结构及其物理性状演变与保持的驱动力。其活性一直是评价土壤生产力和土壤质量的重要指标，如土壤脲酶、磷酸酶与土壤有机质、全氮、全磷分别有着显著的相关关系。不同植物配置下，土壤酶活性差异较大，其中配置I中的ASH2(桂花、广玉兰、香樟、木槿、竹类、紫薇、木绣球、紫花苜蓿、野大豆和鸢尾)土壤中的过氧化氢酶和蔗糖酶活性最高，其次是ASH3；脲酶和磷酸酶活性高是配置是ASH1(水杉、池杉、垂柳、杜鹃、月季、红花继木、红叶石楠、紫花苜蓿、野大豆和鸢尾)，其次是ASH2。土壤酶活力与土壤养分水平的高低基本一致。综合考虑，配置IASH2土壤中四种酶的活性均较高。

表3：不同配置模式下土壤主要酶活性的变化

表4是不同植物配置模式下土壤的主要物理指标。土壤容重与孔隙状况等土壤物理指标决定土壤的通气性、透水性和植物根系的穿透性，是土体构造的重要指标；毛管持水量则与土壤保水性能密切相关。表4为不同植物配置模式下土壤水分物理性指的主要指标。不同配置模式对土壤总孔隙度、毛管孔隙度及非毛管孔隙度均存在重要影响。其中配置I中的ASH2、ASH3，配置II中的AS2、AS3对提高土壤孔隙度效果最明显，即可以提高土壤的持水力。

表4：不同配置模式下土壤水分物理性质

一些植物对持久性有机污染物具有较强的抗逆性和广泛的生态适应能力，尤其是豆科类植物野大豆、紫花苜蓿对多种多氯联苯类化合物具有降解转化作用。而单一植物通常只对一种或少数几种污染物具有净化或是富集作用，多种植物构建的复合群落可以对土壤中的复合污染物具有净化效果。表5是不同配置模式下对土壤主要污染物的净化作用。ASH1对Pb有较好去除率，SH1(杜鹃、月季、红花继木、红叶石楠、紫花苜蓿、野大豆和鸢尾)对Pb、Cu、Cd及多氯联苯类化合物均具有较强的去除率，ASH3(栾树、枫香、乌桕、红叶李、山矾、火棘、石榴、含笑、紫花苜蓿、野大豆和鸢尾)对多氯联苯类化合类有较高的去除率，同时对几种重金属元素亦有较高的去除率。

表5：不同配置模式下对土壤主要重金属和有机物的去除率

植物具有固土作用，控制水土流失，防止有机污染物和重金属扩散，不同配置模式的水土保持效果见表6。

表6不同配置模式植物群落的土壤流失量

表6结果表明，10种植物配置组合与对照相比，均具有很强的水土保持作用，有效控制重金属和有机污染物随地表径流扩散。其中，配置I中的ASH2(常绿乔木灌草组合)土壤流失量最低，水土保持能力最强，引入草本植物丰富原有地被植物亦能提高水土保持率。

从以上实例看出，上述选择的景观植物在退耕土壤中均生长良好，植株通过根部的阻留作用、植物体的吸收转化作用，可有效地净化污染土壤，同时，强大的根系控制水土流失，阻止重金属随径流扩散至非污染区。

由于植物生长时间较短，污染去除率的差异并不显著(p>0.05)，土壤生态质量，如种群丰富度、多样性指数、优势性指数、均匀度指数、杂草等指标变化不明显。但可以看到，乔灌草混种模式对主要重金属污染元素和机污染物的去除率均高于灌草、草草群落模式；另外，引种豆科植物有助于提高土壤肥效和对污染物的去除率。不同的植物在土壤修复过程中起到了协同作用，配置科学合理，提高了退耕土壤的修复效率。

本发明为退耕湿地土壤恢复与治理提供了一种新的植物混种模式，兼具生态效应与景观效应，可以将其应用到退耕农田、过渡放牧湿地、湖泊落差带的湿地土壤的植被恢复和景观修复。

Claims (10)

1.一种以乡土景观植物修复退田还湖湿地土壤的方法，其特征在于，植物群落的主要配置方式包括以下4种：1）景观植物乔灌草混种模式，即上层木+中层木+地被植物；2）景观植物乔灌混种模式，即上层木+中层木+原有地被植物；3）灌草混种模式，即中层木+地被植物；4）地被植物单一种模式，引种地被植物+原有地被植物。

2.根据权利要求1所述的以乡土景观植物修复退田还湖湿地土壤的方法，其特征在于，所述上层木为水杉、池杉、垂柳、红叶石楠、栾树、枫香、乌桕、香樟、桂花、广玉兰、红叶李中的至少一种；所述中层木为杜鹃、月季、红花继木、紫薇、山矾、石榴、含笑、木槿、火棘、竹类、红叶石楠、木绣球中的至少一种；所述地被植物为水芹菜、山荞麦、野大豆、紫花苜蓿、鸢尾、矢车菊、蒲公英中的至少一种。

3.根据权利要求1或2所述的以乡土景观植物修复退田还湖湿地土壤的方法，其特征在于，保持修复土壤具有较稳定的N、P、K含量、较高的持水力，选用上层木垂柳、栾树和乌桕，与中层木杜鹃、月季、木槿、火棘、杨梅和竹类，与地下植被山荞麦、野大豆和紫花苜蓿的混配。

4.根据权利要求1或2所述的以乡土景观植物修复退田还湖湿地土壤的方法，其特征在于，对农田残留有机污染物和重金属具较好的净化作用的乡土观赏植物选用杜鹃、月季、红花继木、红叶石楠、紫花苜蓿、野大豆和鸢尾构建复合群落。

5.根据权利要求1或2所述的以乡土景观植物修复退田还湖湿地土壤的方法，其特征在于，快速形成景观、土壤净化能力较强，选用上层木：水杉、池杉、垂柳、栾树、枫香、乌桕、香樟和广玉兰；中层木:月季、继木、木绣球、山矾、木槿和火棘；地被植物野大豆、紫花苜蓿和鸢尾。

6.根据权利要求1或2所述的以乡土景观植物修复退田还湖湿地土壤的方法，其特征在于，提高土壤剖面持水性能，选用上层木水杉、池杉和/或柳树，与中层木山矾、木槿和/或月季株间混种。

7.根据权利要求1或2所述的以乡土景观植物修复退田还湖湿地土壤的方法，其特征在于，提高土壤脲酶、磷酸酶活性，快速平衡土壤营养元素，选用栾树、枫香、乌桕、木槿、紫花苜蓿、野大豆、鸢尾中的至少两种混种，或是桂花、广玉兰、香樟、木槿、竹类 、紫薇、木绣球、紫花苜蓿、野大豆、鸢尾中的至少两种混种。

8.根据权利要求1或2所述的以乡土景观植物修复退田还湖湿地土壤的方法，其特征在于，地被草本植物种植方法为直接播种，株距一般为0.2-0.5m。

9.根据权利要求1或2所述的以乡土景观植物修复退田还湖湿地土壤的方法，其特征在于，景观植物的混种模式为上层木、中层木的株间混种。

10.根据权利要求1或2所述的以乡土景观植物修复退田还湖湿地土壤的方法，其特征在于，上层木、中层木与地下植被进行块状混配。