錳礦修復區(qū)泡桐與欒樹生長與重金屬積累特性

歐陽林男,吳曉芙*,李　蕓,2,馮沖凌,2,陳永華(.中南林業(yè)科技大學環(huán)境科學與工程學院,湖南 長沙40004；2.中南林業(yè)科技大學環(huán)境科學與工程研究中心,湖南 長沙 40004)

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錳礦修復區(qū)泡桐與欒樹生長與重金屬積累特性

歐陽林男1,吳曉芙1*,李蕓1,2,馮沖凌1,2,陳永華1(1.中南林業(yè)科技大學環(huán)境科學與工程學院,湖南 長沙410004；2.中南林業(yè)科技大學環(huán)境科學與工程研究中心,湖南 長沙 410004)

摘要：在湘潭錳礦廢棄地種植泡桐和欒樹,建立了4h m2生態(tài)修復示范區(qū).工程區(qū)基質Mn平均含量高達20041mg/kg,Pb、Zn、Cu、Cd含量也遠超過湖南省和全國的背景值,屬復合型重度污染.污染區(qū)不覆土,苗木移植前每株根際定量施用了含有自污染區(qū)礦渣分離出的抗性菌株的專用有機肥.種植兩年后,泡桐和欒樹成活率均達到83%以上.泡桐生長狀況明顯優(yōu)于欒樹,兩種植物葉的重金屬含量均大于根和莖,泡桐Mn、Cu、Zn的濃度和積累量顯著高于欒樹.5年生泡桐Mn積累量達到2295g/hm2,轉運量系數(shù)為2.32.試驗證明,采用有機菌肥改良根際環(huán)境后,泡桐與欒樹均可作為錳污染區(qū)的修復樹種,而泡桐的生長速率和重金屬的耐受和積累性能優(yōu)于欒樹.

關鍵詞：錳礦區(qū)；植物修復；生物積累量；轉運量系數(shù)

? 責任作者, 教授, wuxiaofu530911@vip.163.com

全球金屬礦業(yè)的長期發(fā)展產(chǎn)生了大量的尾礦渣,在無任何安全處理下隨意堆放的尾礦渣經(jīng)過雨水淋失,使礦區(qū)和周邊土壤積累了過量的重金屬,對區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)和人居環(huán)境帶來潛在的危害[1-4].近年來,國內外學者在重金屬污染土壤生態(tài)修復領域開展了系列研究[5-9],篩選出一些重金屬耐受性好的實地修復備選植物[10-15],但在修復中常用的多為經(jīng)濟價值低的草本植物[16-17],采用用材林木作為修復植物方面的研究與工程實踐較少.

由于大多數(shù)用材林樹種難以在重金屬污染立地條件下正常生長,覆土種植方法成為國內外尾礦庫植被修復的常規(guī)手段[18],基本方法是在尾礦廢渣上覆蓋0.5m以上的土壤,然后植樹造林. 1982年,Pe? narroya SA礦業(yè)公司采用上述方法在Cartagena-La Unión礦區(qū)實施了世界上第一個尾礦生態(tài)修復工程[19].2004年田大倫等[20-21]在湖南湘潭錳礦廢棄地采用覆土種植欒樹建成3hm2的生態(tài)修復示范基地,成為我國錳礦廢棄地欒樹修復的成功先例.覆土種植方法的優(yōu)點是植物成活率高、生長好,植被修復快.缺點是修復成本高,礦區(qū)通常缺少覆土資源,具體實施困難[22].更為重要的是覆土后,由于植物吸收和底層礦渣中重金屬元素隨毛細管水向上遷移會污染表土,嚴重時可使表土成為新的重金屬污染源, Gomez-Ros等[19]研究結果表明,覆土手段不能從根本上控制礦渣污染擴散.

針對上述問題,本研究提出了采用專用有機菌肥改良植物根際微生態(tài)環(huán)境進行植樹造林的方法,自2009年起在湘潭錳礦廢棄地施用了針對污染基質理化性質、污染程度和養(yǎng)分需求配置的專用有機菌肥,混合栽種泡桐和欒樹,建立了4hm2錳礦廢棄地生態(tài)修復示范工程區(qū).本研究基于工程區(qū)基質與植物樣本分析數(shù)據(jù),比較泡桐與欒樹的生長與重金屬積累等特性,為錳污染區(qū)植物修復提供高經(jīng)濟價值的植物資源和實用方法.

1　材料與方法

1.1示范工程區(qū)概況

試驗點為湘潭錳礦尾礦渣堆積廢棄地,低山丘陵地貌,地處112°45′E～112°55′E,27°53N′～28°03′N,典型亞熱帶季風氣候,日最高氣溫為42.2℃,最低為-8℃,年均氣溫為17.4℃;年降水量最高為1912.2mm,最低為1185.5mm,年均降水量為1431.4mm,降水主要集中在4～7月;年蒸發(fā)量最大為1580.9mm,最小為992.2mm,年均蒸發(fā)量為1321.7mm.示范工程區(qū)面積4.53hm2,工程地污染物組成復雜,主要是礦石廢棄物、礦渣和選礦后的尾礦泥,土壤約占混合污染物的40%～50%.

1.2示范區(qū)整地種植

2010年3月在示范工程區(qū)采用推土機推土整地,移植1年生泡桐(Paulownia tomentosa)和欒樹(Koelreuteria paniclata)實生苗,混合間種,株行距為2.0m×2.5m.試驗用苗木由湖南省林科院提供.種植方法為挖穴(0.5m×0.5m×0.5m),穴內施用試驗配置專用的有機菌肥作為底肥,底肥與廢棄地基質均勻混合,比例為1:4.示范工程用有機菌肥主要成分質量比重見表1.有機菌肥中含有自示范工程區(qū)錳礦渣分離純化后篩選得到的土著優(yōu)勢抗性菌種,鑒定為桿菌,革蘭氏陰性,具有很強的耐受和去除Mn的能力[23].示范工程建設前期測定分析了廢棄地樣本,基于廢棄地基質理化性質、養(yǎng)分水平和重金屬污染程度制備了專用有機菌肥,進一步通過盆栽試驗確定了示范工程的施用量.

表1　有機菌肥配置(%)Table 1　Composition of the organic bacterial manure (%)

1.3樣品采集與測定

示范區(qū)整地前采用梅花布點法采集堆積尾礦渣基質樣本,以獲取基質理化性質數(shù)據(jù).整地種植后,在植被修復示范工程區(qū)設置固定標準樣地3塊,每塊面積為667m2.在每塊樣地中選取5株泡桐和欒樹平均木,以代表整體林木的平均水平,測量其胸徑、樹高,計算平均值,分別取其根、莖、葉樣本,將5株植物的根、莖、葉同部位混合,作為欒樹和泡桐根、莖、葉的分析樣本.在對應的泡桐和欒樹植物根際進行基質取樣,以獲取植物根際基質錳背景值,每個采樣點按0～10、10～20、20～30、30～40、40～50cm層次,分別取樣1kg,同時在鄰近礦渣廢棄對照地設置3個樣地,每個樣地設置3個采樣點,按同樣方法采取基質樣本.欒樹與泡桐存活率的測定時間為當年8～9月,植物與基質樣本采集時間為每年5～6月和8～9月.

植物樣品用超純水反復洗凈,風干、殺青后,置80℃烘干至恒重,獲得植物干物質生物量,然后粉碎過100目篩,裝袋密封干燥保存;基質樣品在室內風干,剔除動植物殘體,磨碎過100目篩,裝袋密封干燥保存.植物與基質樣品均采用濕法消解,植物采用濃HNO3-HClO4體系,土壤采用王水-HClO4體系,消解后的樣品用原子吸收分光光度法(AA-7000型)測定Mn、Pb、Cd、Cu、Zn、Cr、K的含量.基質pH值、總氮、總磷、有機質分別采用電位法、半微量凱氏法、鉬銻抗比色法、重鉻酸鉀水浴法測定.每個樣品分析取3個平行樣,用平行樣測定結果的平均值作為基礎數(shù)據(jù),所有數(shù)據(jù)誤差范圍在5%～15%內.

1.4數(shù)據(jù)分析

實驗數(shù)據(jù)分析與處理采用SPSS13.0和Excel2007程序.

以湖南省土壤背景值、中國土壤背景值作為基礎,分析示范工程區(qū)重金屬元素污染程度.

國際上篩選修復植物時,除了植物體內重金屬濃度C外,還涉及2個關鍵指標,轉運系數(shù)TF和生物積累系數(shù)BCF.TF為植物地上與地下部分重金屬濃度的比值,代表從地下部轉移重金屬到地上部的能力[24].BCF為植物體重金屬含量與土壤重金屬含量的比值[25].然而,給定單位面積和植物生長時期,植物去除土壤重金屬的量是植物地上部分的積累量,本研究基于試驗植物各部位積累量計算轉運量系數(shù)(TQ).植物轉運系數(shù)(TF),轉運量系數(shù)(TQ)的計算公式分別為:

式中,C1和C2分別代表植物地上與地下部重金屬含量(mg/kg),U1和U2分別代表植物地上與地下部重金屬積累量(mg/株).

2　結果與討論

2.1工程區(qū)基質養(yǎng)分水平與污染程度

表2給出了尾礦渣堆積區(qū)基質樣本分析的結果.參考報道的中國耕地數(shù)據(jù)[26],工程區(qū)基質樣本呈中性,總鉀含量在正常范圍內,但總氮、總磷含量低,因此,工程區(qū)的植被修復需要補充氮、磷養(yǎng)分.

表2　尾礦渣堆積區(qū)土壤樣本養(yǎng)分水平Table 2　Nutrient content of soil samples collected from the tailing site

與植物生長密切相關的是0～50cm的根際基質,自工程區(qū)基質剖面采集樣本的重金屬含量分析數(shù)據(jù)見表3.基質各層中Mn含量最高,遠遠超過中國和湖南省土壤的背景值,除Cr外,其他4種元素的含量也高于湖南省的背景值,屬復合重金屬重度污染.在0～50cm層中,不同深度樣本間Mn、Cu、Cr的含量差異極顯著(P＜0.01),與礦渣堆積的過程相關,重金屬含量在垂直剖面上的分布沒有明顯的規(guī)律性.

表3　生態(tài)修復區(qū)0～50cm層重金屬含量 (mg/kg)Table 3　Heavy metal content in 0～50cm layers of the ecological restoration site (mg/kg)

2.2工程區(qū)泡桐和欒樹成活率與生物量

表4　生態(tài)修復區(qū)泡桐與欒樹生長狀況Table 4　Growth status of P. fortunei and K. bipinnata at the ecological restoration site

表4給出了示范工程區(qū)和對照區(qū)不同林齡泡桐和欒樹的成活率、平均直徑和樹高.重金屬污染立地條件下林木生長的關鍵在于改善植物根際環(huán)境[27-28].示范工程區(qū)施用了專用有機菌肥作為根際底肥,造林后第2年泡桐和欒樹的成活率均在83%以上,當年補種,第3、4年無植株死亡,植物生長狀況良好.示范工程的對照區(qū)施加了與專用有機菌肥中N、P、K等量的化肥,種植后第2年泡桐和欒樹的成活率均低于22%,次年未補種,成活率遞減,到第4年兩個樹種的成活率均小于5%,成活植物葉呈黃色,生長幾乎停滯.試驗結果證明,示范工程施用的專用有機菌肥具有供肥、降低土壤根際重金屬毒性,持水保溫的功能,可有效提高植物成活率和促進植物生長.

圖1展示了植物單株及各部位生物量.同齡泡桐單株干重遠大于欒樹,5年生泡桐單株干重超過10kg,是欒樹的12.4倍.3年生長期內,泡桐生物量增長速率顯著大于欒樹.泡桐各部位生物量也均大于欒樹的值,其中5年生泡桐的莖干重是同年齡欒樹的15.2倍.泡桐和欒樹的莖干重均大于根和葉,各年齡泡桐的根干重大于葉,差異隨生長時間增加而增大,欒樹的根干重和葉相當.

圖1　生態(tài)修復區(qū)泡桐與欒樹干物質生物量差異Fig.1　Difference in dry matter biomass between P. fortunei and K. bipinnata in ecological restoration site

2.3泡桐與欒樹重金屬含量與積累量

表5為植物修復工程區(qū)3～5年生泡桐和欒樹各部位干重的重金屬含量.檢測元素的含量在兩種植物中的分布為葉＞根＞莖,其中泡桐葉Mn的含量超過500mg/kg,為欒樹的2.37倍.泡桐各部位的Mn、Cu、Zn含量遠高于欒樹,差異極顯著(P＜0.01).3年生長期內,兩種植物各部位的Mn、Pb含量變化不大,Cd、Cu、Zn、Cr含量隨林齡增大而降低,差異不很顯著.

圖2中估測的單位面積泡桐和欒樹重金屬的積累量為單株植物重金屬積累量與每公頃種植密度的乘積.由于工程區(qū)Cr未超標,Zn超標不嚴重,因此圖中只展示了植物Mn、Pb、Cd、Cu積累量的差異與變化趨勢.

單株植物重金屬積累量是植物各部位含量與其生物量乘積之和.由于泡桐的重金屬含量和生物量均高于欒樹,以至泡桐的重金屬積累量成倍地高于欒樹,差異非常顯著,其中,5年生泡桐根、莖、葉的Mn積累量分別為欒樹的40.3、39.2、14.0倍,而其單位面積Mn的總積累量約為2295g/hm2,為欒樹的27.8倍.試驗結果表明泡桐通過莖、葉去除和根部固定基質Mn的能力遠優(yōu)于欒樹.與泡桐和欒樹各部位重金屬含量排序葉＞根＞莖的趨勢不同,植物重金屬積累量排序為莖＞根＞葉,與生物量排序規(guī)律一致,說明生物量是決定重金屬積累量的重要因子.例如,泡桐葉的Mn含量是莖的2.7倍,但葉的生物量僅為莖的0.2,以至于莖對Mn積累量的貢獻為葉的2倍.與圖2植物生物量增長的規(guī)律一致,隨林齡增大,泡桐和欒樹重金屬的積累量成倍增長,差異非常顯著.上述結果表明,植物的重金屬含量大,但若其生物量小,則其去除重金屬的能力不一定強,優(yōu)勢修復植物必須具備重金屬含量高,生長快、生物量大的特點.

表5　生態(tài)修復區(qū)泡桐和欒樹重金屬含量(mg/kg干重)Table 5　Heavy metal contents in P. fortunei and K. bipinnata in ecological restoration site (mg/kg dry matter)

圖2　生態(tài)修復區(qū)泡桐與欒樹重金屬積累量Fig.2　Heavy metal uptake by P. fortunei and K. bipinnata in ecological restoration site

表6　泡桐和欒樹的轉移系數(shù)TF和轉運量系數(shù)TQ值Table 6　Transfer coefficient TF and quantity transfer coefficient TQ of P. fortunei and K. bipinnata

2.4泡桐和欒樹的轉運系數(shù)

表6比較了工程區(qū)3～5年生泡桐和欒樹的轉運系數(shù)TF (植物地上與地下部重金屬濃度的比值)和轉運量系數(shù)TQ (植物地上與地下部重金屬積累量的比值).雖然欒樹各部位重金屬含量小于泡桐,其相應的TF和TQ值卻大于泡桐.在所有林齡點,泡桐Mn的TF值均小于1,而欒樹Mn的TF值在林齡4、5年大于1.值得提及的是,在所有林齡點,兩個樹種所有測試元素的TQ值均大于1, 5年生泡桐和欒樹的TQ值分別為2.32和3.82.說明由于兩個樹種地上部生物量大,使其地上部重金屬的積累量大于地下部的量.泡桐Mn 的TF和TQ值隨林齡增大而微增,但差異不顯著,而欒樹Mn的TF和TQ值隨林齡增大呈現(xiàn)明顯增大的趨勢.兩個樹種Pb的TF和TQ值在林齡4年出現(xiàn)最低值,而其他元素的TF和TQ值隨林齡增大而降低.

2.5討論

有研究表明,利用植物吸收的方法去除土壤基質中重金屬進程緩慢,其自然恢復過程甚至需要上百年時間[22].本研究5年生泡桐每公頃富集錳2294g,對照表3可知,這種富集量很小.因此,在污染礦區(qū)實施生態(tài)修復工程的首要任務是提高植物成活率和促進植物生長,從而達到迅速修復植被與景觀、降低水土流失率的目標.國際上報道了多種超富集植物,其重金屬含量高,轉移系數(shù)大,但生物量小,生長緩慢,而有關樹木吸收重金屬方面的資料較少[28-29].本研究采用的泡桐和欒樹重金屬含量雖遠低于超富集植物的值,修復能力有限,但它們具有一定的重金屬耐受能力,易成活,生長快,生物量大,枯枝落葉重金屬含量低,對環(huán)境的影響小.因此,這兩種木本植物在快速恢復植被和提高污染區(qū)土地利用價值方面可發(fā)揮重要作用.

礦渣基質重金屬濃度極高,且養(yǎng)分貧瘠,除少數(shù)具有抗重金屬污染特性的草本植物能憑各自復雜多樣的耐受機制存活外[30-33],木本植物難以在這種環(huán)境中存活.而本研究泡桐和欒樹成活率高達83%,其存活機制與專用抗重金屬有機菌肥的添加緊密相關.在泡桐和欒樹的根際,有機菌肥與基質比為1:4,有機菌肥組成(表1)包括抗性菌株、吸附介質、有機絡合物和氧化還原酶等物質,因此,有機菌肥除了可為植物提供有效養(yǎng)分外,同時可通過吸附、固定、絡合、氧化和微生物吸收富集等作用降低植物根際微環(huán)境中重金屬的毒性,從而緩解重金屬對植物直接危害.本工程研究結果表明有機菌肥的作用顯著,能有效地提高泡桐和欒樹的存活和生長速率,而有關有機菌肥緩解重金屬毒性的機制及其貢獻率將在后續(xù)的研究中進一步分析與探討.

試驗生長期內,隨生物量增大,兩種植物各部位的Mn、Pb含量變化不大,Cd、Cu、Zn、Cr含量隨林齡增大而降低.出現(xiàn)這一現(xiàn)象說明不同生長時期重金屬元素在植物不同組織的遷移能力和解毒方式存在差異.Sasakiet等[34]在研究水稻Mn積累機制時發(fā)現(xiàn)Nramp5基因是Mn和Cd的傳輸載體.Ma等[35]報道天藍遏藍菜大部分Cd、Zn分布于葉肉組織的原生質液泡中,葉片液泡的區(qū)隔作用可降低Cd、Zn的毒性.有關泡桐和欒樹重金屬的積累、轉運和解毒機理還有待進一步開展深入的研究.

在描述植物耐受和積累重金屬特性時,最能反映植物耐受重金屬能力的指標是植體重金屬濃度(C),C值大,說明植物耐受重金屬能力強,而最能反映植物積累(或固定)重金屬能力的指標是植物體內重金屬的積累量(U),U值大,則說明植物通過吸收去除(或固定)土壤重金屬能力強[33].國際上將植物地上與地下部分重金屬濃度的比值(TF)定義為轉運系數(shù),由于植體濃度反映的是植物耐受重金屬能力,因此TF值實質反映的是植物地上與地下部分耐受重金屬能力的差異,C是強度因子,與植物生物量(G)無關,TF是強度因子的比值,TF值大,只能說明植物地上部分耐受重金屬的能力相對強,不能反映植物轉運重金屬能力的大小.參考TF的概念,本研究采用了植物地上與地下部分重金屬積累量(U)的比值(TQ)來比較植物地上與地下部分積累重金屬能力的差異.U是容量因子,與植物生物量G相關,作為積累量的比值,TQ值大,不僅說明植物地上部分積累重金屬能力相對強,也說明植物向地上轉運重金屬的量大.因此,TQ是反映植物轉運能力的指標.

植物的耐受濃度(C)和轉運量系數(shù)(TQ)是描述植物修復功能的兩個基礎指標,然而植物的C 或TQ值大,都不代表植物去除重金屬的能力強.例如欒樹的TQ大于泡桐的值,但其C值、U值卻小.因此,植體濃度C、轉運量系數(shù)TQ和植物積累量U是分析植物耐受和積累重金屬特性時不可缺少的指標,其中C反映植物的耐受力,TQ反映植物的轉運能力,而U代表植物的去除能力.在實踐中,真正反映植物去除(或固定)土壤重金屬能力的指標是單位時間、單位面積上植物重金屬的積累量,而這一積累量與植物種植密度以及生長時期相關.理論上,優(yōu)勢修復植物應該具有重金屬濃度高、生物量大和生長周期短三大特點[20].本研究中兩個樹種的種植密度和生長時間相同,因此,與欒樹相比,泡桐為更佳的用材林修復樹種.

3　結論

3.1在錳礦渣堆積區(qū)采用專用有機菌肥種植泡桐與欒樹,兩種樹木成活率均達到83%以上,植物生長速度快,能快速恢復污染區(qū)植被與景觀.

3.2泡桐在生長速度、重金屬耐受、吸收去除重金屬方面的表現(xiàn)優(yōu)于欒樹.

3.3植物濃度C、轉運量系數(shù)TQ和積累量U為反映植物耐受和去除重金屬能力的重要指標.

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《中國環(huán)境科學》獲評“2014中國最具國際影響力學術期刊”

2014年12月,中國環(huán)境科學學會主辦的《中國環(huán)境科學》被評為“2014中國最具國際影響力學術期刊”.

“中國最具國際影響力學術期刊”是《中國學術期刊(光盤版)》電子雜志社有限公司、清華大學圖書館、中國學術國際評價研究中心對我國5600余種中外文學術期刊，根據(jù)總被引頻次、影響因子、被引半衰期等計算出的國際影響力綜合評價指標CI進行排序,遴選出的排名前5%的期刊.獲評“中國最具國際影響力學術期刊”的科技類期刊共175種.

自2012年開始此項評選以來，《中國環(huán)境科學》已連續(xù)3年獲此殊榮.

《中國環(huán)境科學》編輯部

Growth and heavy metal accumulation of Paulownia fortunei and Koelreuteria bipinnata in an ecological restoration site of the manganese-ore tailing.

OUYANG Lin-nan1, WU Xiao-fu1*, LI Yun1,2, FENG Chong-ling1,2, CHEN Yong-hua1(1.College of Environmental Science and Engineering, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, China；2.Research Center of Environmental Science and Engineering, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, China). China Environmental Science, 2016,36(3)：908～916

Abstract：A four hectare ecological restoration plot using wood species P. fortunei and K. bipinnata as phytoremediation plants was established in the Xiangtan manganese-ore tailing. The total average content of Mn at the project site was 20041mg/kg. The total average contents of Pb, Zn, Cu and Cd at the site were also much higher than the background values of Hunan province and China, showing a high level of multiple heavy metal contamination. The metal contaminated site was not sealed with normal soil. Before transplanting the seedlings, the rooting areas of the wood species at the experimental site were amended with organic manure containing a tolerant bacterium strain isolated from the mining wastes. In the second year after transplanting, the survival rates of both P. fortunei and K. bipinnata were higher than 83%. Species P. fortunei had apparently a higher growth rate than K. bipinnata. The contents of all measured metal elements were higher in leaves than in roots and stems of both species. The contents and uptake of Mn, Cu and Zn of P. fortunei were significantly higher than those of K. bipinnata. The total manganese uptake of five years old P. fortunei reached 2295g/hm2with a quantity transfer coefficient (the ratio of above to below ground uptake) of 2.32. In combination with the application of organic manure to improve the root growth environment, both P. fortunei and K. bipinnata could be used as phytoremediation tree species for manganese contaminated soil. In comparison, P. fortunei was superior to K. bipinnata as accounted for by their growth rates and nature in metal tolerance and uptake.

Key words：manganese tailings；phytoremediation；bioaccumulation；quantity transfer coefficient

作者簡介：歐陽林男(1990-),女,湖南永州人,博士研究生,主要從事環(huán)境生態(tài)學研究.

基金項目：國家科技惠民計劃項目(2012GS430203);國家十二五科技支撐計劃項目(2014BAC09B00)

收稿日期：2015-06-23

中圖分類號：X171.5,S719

文獻標識碼：A

文章編號：1000-6923(2016)03-0908-09