不同植物對鉛鋅礦廢棄地礦渣抗侵蝕性的影響

董亞輝，戴全厚，鄧伊晗，江莉莉

（1.貴州大學(xué) 林學(xué)院，貴州 貴陽550025；2.河北省水利水電第二勘測設(shè)計(jì)研究院，河北 石家莊050021）

礦產(chǎn)資源的開采給人類提供了巨大財(cái)富的同時(shí)，也給礦區(qū)帶來了一系列生態(tài)環(huán)境問題。礦山占地的原因主要是露天采場及各類礦渣、工業(yè)垃圾等的堆置。一般一座大型礦山平均占地達(dá)1.80×105～2.0×105m2［1］。眾所周知，由于自然和人為因素，在重金屬礦山的開采至廢棄過程中，一方面極易造成嚴(yán)重的環(huán)境污染問題，另一方面，對自然地貌的嚴(yán)重干擾，尤其礦渣的隨意堆放，造成嚴(yán)重的水土流失問題，進(jìn)而形成以廢棄地遺留物擴(kuò)散流失而帶來的擴(kuò)散污染問題。

前人對植物修復(fù)鉛鋅礦廢棄地礦渣的研究，主要集中在超富集植物的選擇、礦區(qū)植物重金屬特性的研究等方面［2］，而針對礦渣上生長植物的水土保持功能研究鮮有報(bào)道，本文借用前人研究土壤抗沖抗蝕的方法［3］，以栽植不同植物的礦渣為研究對象，研究了不同植物對礦渣的綜合固渣能力，旨在為重金屬礦山廢棄地修復(fù)植物選擇提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)容器為直徑20cm，高24cm規(guī)格的塑料培養(yǎng)缽。供試植物是在鉛鋅礦廢棄地適生植物調(diào)查的基礎(chǔ)上選定的，分別為光皮樺（BetulaluminiferaH.Winkl）、醉 魚 草 （BuddlejalindleyanaFort.）、蘆 竹（ArundodonaxLinn.）及五節(jié)芒〔Miscanthusfloridulus（Lab.）Warb.ex Schum et Laut〕。其中光皮樺和醉魚草為野生1年生幼苗，在貴陽清鎮(zhèn)市及花溪區(qū)周邊采集，采集中選擇地徑及苗高基本一致的幼苗；蘆竹和五節(jié)芒為幼芽，于花溪河周邊采集，均為野生。每種植物設(shè)計(jì)15個(gè)重復(fù)，分別掛標(biāo)牌，同時(shí)在植株野外采樣點(diǎn)選擇相同大小的植株作為對照。

盆栽試驗(yàn)基質(zhì)為六盤水市嘉聯(lián)廢棄鉛鋅礦礦渣，用蛇皮袋運(yùn)回，未作處理直接裝盆，每盆10kg。礦渣的基本性質(zhì)如表1所示。

表1 礦渣的基本化學(xué)性質(zhì)

測定試驗(yàn)容器礦渣中生長200d后的光皮樺、醉魚草、五節(jié)芒及蘆竹整盆礦渣的整株拉拔力，礦渣盆的緊實(shí)度及各種植物下的礦渣抗沖抗蝕性，以同期裝盆但未種植植物的礦渣盆作為對照。

1.2 試驗(yàn)方法

（1）植株整株拉拔試驗(yàn)。土壤植株抗拉性試驗(yàn)采用自制的拉力測定裝置，先將花盆帶植物垂直放置于有10cm水深的水盆中，待花盆內(nèi)土壤吸水達(dá)到飽和狀態(tài)后，空去多余的水，用特定的根夾夾住植物的莖底端，通過滑輪與水桶連接，向空桶內(nèi)緩慢加水作為拉力源，記錄根系拉斷時(shí)水和水桶的質(zhì)量，然后測出滑輪的摩擦系數(shù)，將水和水桶的質(zhì)量換算成拉力，即得出根系的抗拉強(qiáng)度［4］。

（2）礦渣緊實(shí)度測定。待花盆內(nèi)礦渣吸水達(dá)到飽和狀態(tài)后，用緊實(shí)度計(jì)（具有彈簧游標(biāo)，并附有各種型號的彈簧與探頭）測定花盆中間（約8cm）礦渣的緊實(shí)程度［5］。本研究采用直徑10mm圓柱探頭，根據(jù)探頭入土深度、探頭類型、彈簧的粗細(xì)，查“土壤緊實(shí)度換算表”即可得到礦渣緊實(shí)度的數(shù)值。

（3）礦渣抗沖試驗(yàn)。礦渣抗沖性指標(biāo)的獲取采用改進(jìn)的原狀土沖刷法，水槽寬20cm，長150cm。具體操作方法是，將植株整盆豎直放置于有10cm水深的水盆中，浸泡至花盆上部有明顯水分滲出而達(dá)到飽和，以便保證沖刷時(shí)直接產(chǎn)生徑流，將達(dá)到飽和的礦渣柱空去多余的重力水，用電子天平稱重，然后將花盆塑料壁沿直徑剪開至底部，去掉上半部盆壁，下半部帶花盆壁用紙箱盒固定，后橫放水槽的末端，使水流最大限度地沖刷礦渣柱的上側(cè)面。試驗(yàn)過程中沖刷坡度保持一致，約為15°，用溢流裝置保持水流速度恒定在8.5L／min，沖刷時(shí)間為5min，5min內(nèi)沖完的以具體沖完的時(shí)間計(jì)算。用電子天平稱量抗沖后含飽和水礦渣柱的重量（含根系），計(jì)算出沖刷走的含飽和水的礦渣重，據(jù)此進(jìn)一步計(jì)算出抗沖系數(shù)，即每沖掉1g含飽和水的礦渣重所需的水量（L），用C（L／g）表示。以同期裝盆但沒有栽植植物的礦渣盆作為對照。

計(jì)算根系對礦渣抗沖性影響的指標(biāo)為土壤抗沖性增強(qiáng)值，用E（enhancement value of antiscouribility）表示，計(jì)算公式為：

式中：E——土壤抗沖性增強(qiáng)值；Ci——含栽植植物根系礦渣的抗沖系數(shù)；C0——空白對照礦渣的抗沖系數(shù)；△C——由于某種植物根系存在而使礦渣抗沖系數(shù)增加的值。那么，E值就是由于礦渣中根系的存在而使礦渣抗沖性增加的倍數(shù)，它能很好地反映某種植物根系對礦渣的抗沖性增強(qiáng)效應(yīng)［6］。

（4）礦渣抗蝕試驗(yàn)。礦渣抗蝕性指標(biāo)的獲取采用改進(jìn)的靜水抗崩解裝置。具體方法是將含植株及對照礦渣盆整盆豎直放置于有10cm水深的水盆中，待礦渣盆吸水飽和，沿花盆直徑剪開，去掉整個(gè)盆壁，用電子天平稱重，然后將整盆垂直放在孔徑為2cm的鐵網(wǎng)網(wǎng)板上，用鐵絲圈支架固定以防止倒塌而不影響崩解，置入靜水中進(jìn)行崩解實(shí)驗(yàn)，時(shí)間以30min為限，30min內(nèi)崩解完的則以具體的崩解時(shí)間計(jì)算。稱量崩解前后含飽和水的礦渣重量（崩解后的礦渣重量也包括崩解掉的根重），計(jì)算崩解掉的含飽和水的礦渣重，崩解速率用單位時(shí)間崩解的含飽和水的礦渣重來衡量，用V（g／min）表示。

衡量根系對礦渣抗蝕性的影響，使用礦渣抗蝕性增強(qiáng)系數(shù)（coefficient of enhancement antierodibility）來計(jì)算，用Ce表示，計(jì)算公式為：

式中：Ce——由于根系的存在而使礦渣崩解速率減緩的系數(shù)，也就是根系對礦渣抗蝕性的增強(qiáng)系數(shù)；V0——對照盆礦渣的崩解速率；Vi——含某種植物根礦渣的崩解速率；△V——由于根系存在而使礦渣崩解速率的減緩值。Ce值的范圍在0～1，其值越接近于1，增強(qiáng)效應(yīng)越顯著［6］。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同植物地下根系分布特點(diǎn)及生物量

羅汝英［7］將林木根系分為三種類型：主直根型、散生根型和水平根型，按照這種根系分類方法，五節(jié)芒和蘆竹均為禾本科植物，根的生長為散生根型，醉魚草的根系偏向于散生根型，光皮樺的根系為主直根型。在盆栽中表現(xiàn)為，蘆竹及五節(jié)芒的根幾乎布滿整盆，根系沿著盆壁形成桶狀，在盆栽核心部分反而較少；醉魚草的根系在盆栽中表現(xiàn)為明顯的區(qū)域性，在整個(gè)栽植盆中，一定的位置完全布滿根系，而在其他部分根系分別明顯減少；光皮樺根系偏向于直根生長，由于側(cè)根還沒有發(fā)育，其在盆栽中多為苗木向下部垂直生長，在盆栽中的核心根系集中分布，而在盆壁周圍明顯減少。

考慮到植物不同根徑的根會(huì)對礦渣不同的作用，對植物的根系按根徑分為＞1mm的中細(xì)根及1mm以下的極細(xì)根兩大類，由表2可知，4種植物的地下生物量大小為蘆竹＞醉魚草＞五節(jié)芒＞光皮樺。而且蘆竹的根系總量明顯大于其他3種植物，4種植物根系中根徑＞1mm與＜1mm的根的生物量比分別為1∶1.21，1∶2.36，1∶6.88，1∶2.28。

表2 不同植物根系生物量及根密度

2.2 不同植物在礦渣上的整株抗拉拔特征

4種植物的整株拉拔力大小為：蘆竹＞五節(jié)芒＞醉魚草＞光皮樺，其中蘆竹的抗拉優(yōu)勢明顯，為203.77N，為五節(jié)芒138.30N的約2倍，醉魚草與苗期光皮樺的整株抗拉拔能力相近，分別為73.12和70.58N。

將4種植株的抗拉拔力，分別與其地上、地下及總生物量指標(biāo)進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果顯示，植株的整株抗拉拔性與植株的生物量密切相關(guān)。其中，與植株的總生物量關(guān)系最為顯著，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.95以上，除此以外，植株的抗拉能力與植株根系生物量呈正相關(guān)關(guān)系，尤其與根徑＞1mm的根系生物量關(guān)系密切，相關(guān)性達(dá)0.89，為顯著正相關(guān)。與根徑＜1mm的根系生物量相關(guān)性為0.85，也為顯著正相關(guān)，分別與地上地下生物量相關(guān)性稍低，均為正相關(guān)。

2.3 不同植物對礦渣緊實(shí)度的影響

從圖1可知，4種盆栽植物的中心礦渣緊實(shí)度大小為：苗期光皮樺＞醉魚草＞無節(jié)芒＞蘆竹＞空白。礦渣上種植植物后，由于根系的固結(jié)、纏繞，使原本顆粒較多，黏性極差的礦渣逐漸結(jié)合在一起，礦渣的緊實(shí)度明顯增加。

圖1 種植不同植物的礦渣緊實(shí)度

土壤緊實(shí)度與植株的擬合關(guān)系顯示，礦渣緊實(shí)度與根系生物量為負(fù)相關(guān)，相關(guān)性顯著（R2＝0.76）。出現(xiàn)這種情況，筆者認(rèn)為因植物生長在固定體積容器中，根系生物量不同，導(dǎo)致根密度分布不同所致。光皮樺及醉魚草根系生物量要遠(yuǎn)小于蘆竹及五節(jié)芒，這2種植物的根系在盆栽礦渣中的生長遠(yuǎn)沒有達(dá)到飽和，更多地表現(xiàn)為對礦渣的固結(jié)、牢籠，更偏向于根系對土壤的加筋作用。而蘆竹及五節(jié)芒的根系生物量過高，在盆栽中的根密度達(dá)到6.99，20.07g／dm3，這樣高的根密度是外界環(huán)境限制所致（盆栽容器固定）。

2.4 不同植物對礦渣抗蝕性的影響

由表3可見，4種植物對礦渣的抗蝕性均有明顯增強(qiáng)效應(yīng)，醉魚草、五節(jié)芒及蘆竹對礦渣抗蝕增強(qiáng)系數(shù)均在0.95及以上，最高的蘆竹達(dá)到0.98，醉魚草對礦渣抗蝕性增強(qiáng)效果稍低，增強(qiáng)系數(shù)為0.67。整體上4種植物對礦渣抗蝕性增強(qiáng)系數(shù)差異性不顯著，尤其醉魚草、五節(jié)芒及蘆竹之間差異不明顯。從崩解結(jié)果來看，在礦渣上種植植物以后，能夠明顯減少礦渣被懸浮崩解的數(shù)量。在沒有種植植物的礦渣，極易被懸浮崩解，可以說是遇水即散，在30min內(nèi)，有3 955g礦渣隨水崩解，而種植植物后，礦渣的崩解量明顯降低，其中蘆竹的降低量最為明顯，只有95g，為空白對照盆的近1／40，植物盆中，減少量最少的為光皮樺，其沖出量約為對照盆的1／3。礦渣上栽植植物后，較之空白對照礦渣，其在靜水中的崩解速率大大降低。

將植物對礦渣抗蝕性增強(qiáng)系數(shù)分別與植物根系總干重、根徑＞1mm及根徑＜1mm的根系生物量進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果顯示，礦渣受侵蝕減緩率與植株根系總重、根徑＜1mm及根徑＞1mm根系生物量呈正相關(guān)關(guān)系，其中礦渣受侵蝕減緩率與植株根徑＜1mm根系生物量呈極顯著相關(guān)，決定系數(shù)R2＝0.951；與植株根徑＞1mm及根系總生物量相關(guān)顯著性有所降低，決定系數(shù)R2分別為0.767和0.864，為正相關(guān)。這說明隨著根系的增多，礦渣在水中的崩解速率會(huì)降低。這同吳淑安等［8］的研究結(jié)果一致，他們發(fā)現(xiàn)有植物根系的土壤，其崩解速率遠(yuǎn)比少根系或缺根系的土壤慢。

表3 種植不同植物的礦渣靜水崩解情況

2.5 不同植物對礦渣抗沖性的影響

4種植物對礦渣的抗沖性均有明顯的增強(qiáng)效應(yīng)，但是不同物種對礦渣的抗沖性增強(qiáng)效應(yīng)不同（表4）?？傮w上看，蘆竹對礦渣抗沖性的增強(qiáng)效果最明顯，為26.63，其次為醉魚草的14.27及五節(jié)芒的4.0，增強(qiáng)效果最弱的為光皮樺的1.46。4種植物對礦渣抗沖性增強(qiáng)效應(yīng)差異性極顯著（p＜0.05）。反映到?jīng)_刷結(jié)果上，礦渣上栽植植物，其根系的纏繞固結(jié)使礦渣被水流沖刷出的量明顯減小，空白礦渣盆在5min內(nèi)，沖出2 901g，種植植物后，沖刷出礦渣量明顯減少，減少量最多的為蘆竹與醉魚草，減少量在2 700g以上，減少量最少的光皮樺，減少量也在1 700g以上。礦渣在自然環(huán)境中多以粗顆粒狀、隨意堆砌的人為坡積體形態(tài)出現(xiàn)，易于被沖刷，尤其在暴雨下，礦渣上往往出現(xiàn)明顯的溝蝕現(xiàn)象?？梢钥闯?，單純花盆中堆砌200d的礦渣，沖走每1g礦渣僅需要0.01L的徑流，而只要有植物生長，沖走每1g礦渣所需要的水量會(huì)成倍地增加。

表4 種植不同植物的礦渣沖刷情況

將植物對礦渣抗沖性增強(qiáng)值與植物根系生物量進(jìn)行擬合分析，結(jié)果顯示，4種植物對礦渣抗沖性增強(qiáng)值與植物根系總生物量呈顯著正相關(guān)，決定系數(shù)R2＝0.898，同 時(shí) 分 別 把 根 直 徑 ＞1mm 及 根 徑＜1mm的根生物量與植物對礦渣抗沖性增強(qiáng)值進(jìn)行擬合，結(jié)果顯示，兩者均與礦渣抗沖性增強(qiáng)值呈顯著正相關(guān)，決定系數(shù)分別為0.833及0.877 5?？傮w上與前人［9－11］研究結(jié)果基本一致。

3 討論

根系與基質(zhì)（大多數(shù)為土壤）緊實(shí)度的相關(guān)研究對土壤緊實(shí)度對植物生長的影響進(jìn)行了分析，譬如，在緊實(shí)土壤中根系生長速度減慢，根型變粗，緊實(shí)度高有利于根系對營養(yǎng)及水分的吸收［12］。有研究表明，部分植物在生長的一定時(shí)期，土壤緊實(shí)度會(huì)隨著植物根系生物量的增加而增大，主要考慮到在固定體積內(nèi)，根系的增加對土壤本身的擠壓［13］。而過高的根密度，會(huì)增加根系的凋謝死亡［12］，也就是增加了根系的死根量，從而增加礦渣有機(jī)質(zhì)含量，使心土熟化，降低礦渣的堅(jiān)實(shí)度和容重。所以在盆栽容器中，由于不同植物根生長特性及容器體積的限定，當(dāng)植物根系達(dá)到一定密度的時(shí)候，會(huì)表現(xiàn)出基質(zhì)緊實(shí)度隨根系生物量增加而增加或降低的現(xiàn)象。結(jié)合鉛鋅礦廢棄地中礦渣隨意堆放且堆放面積、厚度大的現(xiàn)實(shí)，筆者認(rèn)為，蘆竹及五節(jié)芒的栽植，更多地會(huì)表現(xiàn)出對礦渣緊實(shí)度的增加上。

本試驗(yàn)未對植物根系嚴(yán)格分級，但是植物根系對礦渣抗侵蝕性的增強(qiáng)效果卻與植物的總根系生物量成正相關(guān)。筆者認(rèn)為，這一方面是因?yàn)榈V渣本身的特性，即疏散性，只要有根系的存在，就會(huì)對礦渣進(jìn)行纏繞固結(jié)，增加其整體性，尤其在盆栽試驗(yàn)中；另一方面，本次栽植的植物，未出現(xiàn)較粗大的根系（d＞2mm），且根徑＜1mm的根生物量要遠(yuǎn)高于根徑＞1mm的根生物量，按照通用的根系分級法，均屬于細(xì)根的范疇。有研究表明，土壤抗沖性強(qiáng)化值與＜1mm徑級的須根密度關(guān)系最為密切［14］，因此針對本次抗沖試驗(yàn)可以認(rèn)為，在礦渣抗沖貢獻(xiàn)率上，植物＜1mm的根系發(fā)揮主要作用，這與前人研究土壤的結(jié)果相一致。

植物根系的存在，會(huì)增強(qiáng)土壤抗侵蝕能力，前人已做了較多的研究，本次試驗(yàn)的基質(zhì)選為鉛鋅礦廢棄地上的礦渣，由于礦渣與土壤有明顯的物理性狀上的差異，植物根系對礦渣抗侵蝕能力的增強(qiáng)效果更趨于直接和明顯。因此，有必要在自然狀態(tài)下的鉛鋅礦廢棄地礦渣上進(jìn)行不同適生植物的生態(tài)修復(fù)示范，并設(shè)立水土保持監(jiān)測配套設(shè)施，進(jìn)行鉛鋅礦廢棄地水土流失監(jiān)測，以期為今后鉛鋅礦廢棄地生態(tài)修復(fù)全面的效益評價(jià)提供數(shù)據(jù)支持。

4 結(jié)論

（1）盆栽4種植物的根系生物量大小表現(xiàn)為蘆竹＞五節(jié)芒＞醉魚草＞苗期光皮樺，且主要集中在根徑＜1mm的根系上。

（2）植株的抗拉拔能力大小為蘆竹＞五節(jié)芒＞醉魚草＞苗期光皮樺。植株的整株抗拉拔性，與根系生物量密切相關(guān)。4種盆栽植物的中心礦渣緊實(shí)度大小為苗期光皮樺＞醉魚草＞芒草＞蘆竹＞空白。礦渣緊實(shí)度與根系生物量之間為負(fù)相關(guān)，相關(guān)性顯著。

（3）4種植物對礦渣的抗蝕性均有明顯增強(qiáng)效應(yīng)，醉魚草、五節(jié)芒及蘆竹對礦渣抗蝕增強(qiáng)系數(shù)均在0.95及以上，礦渣受侵蝕減緩率與植株根系總重、根徑＜1mm及根徑＞1mm根系生物量呈正相關(guān)關(guān)系。

（4）4種植物對礦渣的抗沖性均有明顯的增強(qiáng)效應(yīng)，但是不同物種對礦渣的抗沖性增強(qiáng)效應(yīng)不同。蘆竹對礦渣抗沖性的增強(qiáng)效果最明顯，增強(qiáng)效果最弱的為苗期光皮樺。4種植物對礦渣抗沖性增強(qiáng)效應(yīng)差異性極顯著（p＜0.05）。植物對礦渣抗沖性增強(qiáng)值與植物根系生物量呈顯著正相關(guān)。

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