湘潭錳礦區(qū)欒樹林重金屬含量動態(tài)變化

胡伊美，王光軍

（1中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南長沙 410004；2南方林業(yè)生態(tài)應(yīng)用技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室）

隨著人類對物質(zhì)和能源需求的急劇增長，采礦規(guī)模不斷擴(kuò)大，尤其是近百年來加速發(fā)展的工業(yè)化生產(chǎn)，使得人類對自然界的能量和物質(zhì)的開采達(dá)到了近乎瘋狂的程度[1]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國礦區(qū)廢棄地面積以每年4.67萬hm2的增速推進(jìn)[2]。金屬礦區(qū)廢棄地的治理、恢復(fù)和利用已受到廣泛的關(guān)注[3]，目前已有的礦區(qū)土壤修復(fù)方法有3大類，分別為物理、化學(xué)和生物修復(fù)方法。其中，用植物修復(fù)法（生物修復(fù)法中的一種）修復(fù)金屬礦區(qū)廢棄地的生境，已經(jīng)成為礦區(qū)修復(fù)的主要方向，用以修復(fù)礦區(qū)廢棄地土壤，使其能夠得以被再利用。礦區(qū)廢棄地的生物修復(fù)狀態(tài)和植物生物修復(fù)能力的研究是評價(jià)一個(gè)礦區(qū)土壤是否能被再利用的重要依據(jù)。因此，土壤中和植物體中重金屬的含量及其化學(xué)計(jì)量的測定和分析，是礦區(qū)土壤恢復(fù)的重要指標(biāo)。

復(fù)羽葉欒樹（Koelreuteria bipinnata Franch）根系發(fā)達(dá)，具有強(qiáng)大的耐干旱、耐鹽堿、耐短期水澇，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)[4]。欒樹的物理學(xué)特性、化學(xué)特性、生物學(xué)特性和藥理學(xué)特性等已被大量研究[5-7]，但其是否可以作為一種具有重金屬超富集能力的潛在樹種，其在重金屬污染土壤中生長的養(yǎng)分循環(huán)和化學(xué)計(jì)量研究非常少[8]。對欒樹修復(fù)錳礦礦區(qū)廢棄地的研究，有助于湖南省甚至全國金屬礦區(qū)廢棄地修復(fù)植被的選擇，為礦區(qū)廢棄地的生態(tài)修復(fù)提供理論基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)地概況

湘潭錳礦礦區(qū)廢棄地于我國湖南省湘潭市，地理位置為 111°58′～113°05′ E，27°20′55″～28°05′40″N。本研究的研究樣地位于湘潭市北向約14 km位置，該錳礦礦渣廢棄地年均溫17.4℃，年降雨量為1431.4 mm。

1.2 材料與方法

1.2.1 植物和土壤樣品采集。在3個(gè)不同林齡（3a、5a、9a）人工林區(qū)域內(nèi)，各設(shè)置固定樣地6個(gè)，樣地面積為400m（220m×20m）。根據(jù)林分調(diào)查數(shù)據(jù)，依據(jù)林木生長級Ⅰ到Ⅴ級和測樹因子標(biāo)準(zhǔn)，每個(gè)樣地選擇6株標(biāo)準(zhǔn)木。從樹干基部將標(biāo)準(zhǔn)木伐倒，通過分層切割法，樹干按照1m間斷分割。從每段樹干上取同樣重量的樹干樣品。從樹冠的東南西北4個(gè)方位，上中下3個(gè)部位，采集葉片樣品。將標(biāo)準(zhǔn)木根系全部挖出，分不同方位和部位采集直徑＜0.2cm的細(xì)根，作為細(xì)根樣品。所有樣品重量，不少于1kg，準(zhǔn)確稱重后，裝于布袋中運(yùn)輸?shù)綄?shí)驗(yàn)室進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)分析。將所有樣品，至于80℃烘箱中烘至恒重，計(jì)算出各器官干重，并求得標(biāo)準(zhǔn)木單株生物量，由此推及到林分生物量和生產(chǎn)力的估算。稱完干重后，將植物樣品粉碎過100目篩，然后保存待用。

在每個(gè)固定樣地內(nèi)，通過五點(diǎn)混合取樣法進(jìn)行取樣。先將每個(gè)取樣點(diǎn)表面的枯枝落葉去除，再挖掘一個(gè)50 cm深的土坑，使用環(huán)刀取樣法，進(jìn)行取樣，分別采集 0～15、15～30、30～45cm 3 個(gè)土層土壤樣品。用塑料自封袋，帶回實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。樣品總數(shù)為3個(gè)林齡×6個(gè)樣地×3個(gè)土層=54個(gè)樣品。去除土壤樣品中所有的根系和石櫟以及雜物，土壤樣品自然溫度下風(fēng)干后，粉碎過60目和100目鋼篩，裝起備用。

1.2.2 分析方法。土壤、欒樹樹干、葉片和細(xì)根N含量采用凱氏定氮法測定，土壤、欒樹樹干、葉片和細(xì)根P含量采用鉬銻6297比色法測定。土壤、欒樹樹干、葉片和細(xì)根微量元素Cd、Mn、Pb、Zn含量均通過日本島津AA-7000型原子吸收分光光度計(jì)測定。

1.2.3 數(shù)據(jù)分析。所有測定的數(shù)據(jù)，包括N、P、Cd、Mn、Pb、Zn含量數(shù)據(jù)，均輸入Excel 2016表格進(jìn)行整理。土壤、欒樹樹干、葉片和細(xì)根 N、P、Cd、Mn、Pb、Zn 含量隨林齡的變化差異性顯著度通過單因素方差分析（One-way ANOVA）進(jìn)行檢驗(yàn)，所有數(shù)據(jù)分析和圖的制作均通過免費(fèi)開放軟件R語言完成。

2 結(jié)果

2.1 土壤各元素隨林齡變化趨勢

湘潭錳礦廢棄地土壤N含量隨著欒樹人工林林齡的增加而顯著增加，由3a林齡土壤的0.59（±0.01）g/kg增加到9年林齡土壤的1.16（±0.03）g/kg。土壤P含量隨著欒樹人工林林齡的增加而顯著降低，由3a林齡土壤的0.37（±0.01）g/kg降低到9年林齡土壤的0.18（±0.01）g/kg。土壤Cd含量隨著欒樹人工林林齡的增加而顯著降低，由3a林齡土壤的16.65 mg/kg降低到9年林齡土壤的0.51mg/kg。土壤Mn含量隨著欒樹人工林林齡的增加而顯著降低，由3a林齡土壤的6195.53mg/kg降低到9年林齡土壤的945.92mg/kg。土壤Pb含量隨著欒樹人工林林齡的增加而顯著降低，由3a林齡土壤的598.86 mg/kg降低到9年林齡土壤的94.54mg/kg。土壤Zn含量隨著欒樹人工林林齡的增加而顯著降低，由3a林齡土壤的6.37mg/kg降低到9年林齡土壤的0.98mg/kg（如圖1所示）。

圖1 湘潭錳礦廢棄地3個(gè)不同林齡（3a、5a、9a）欒樹人工林土壤各元素隨林齡的變化趨勢。

2.2 樹干各元素隨林齡變化趨勢

湘潭錳礦廢棄地不同林齡欒樹人工林的欒樹樹干N含量隨著林齡的增加而顯著降低，由3a生樹干的10.57（±0.81）g/kg增加到9年生樹干的 3.09（±0.41）g/kg。樹干P含量隨著欒樹人工林林齡的增加而降低，由3a年生樹干的1.27（±0.48）g/kg降低到9年生樹干的0.18（±0.17）g/kg；但是，5年生欒樹樹干和9年生欒樹樹干的P含量無顯著差異。樹干Cd含量隨著欒樹人工林林齡的增加而顯著降低，由3a年生樹干的4.09（±0.40）mg/kg降低到 9年林齡土壤的 2.13（±0.47）mg/kg。樹干Mn含量隨著欒樹人工林林齡的增加而先降低后升高，樹干Mn含量從3a年生的386.38（±14.43）mg/kg顯著降低到5年生樹干的89.67（±5.77）mg/kg，再從5年生到9年生不顯著的上升到105.41（±49.44）mg/kg。樹干Pb含量隨著欒樹人工林林齡的增加而增加，從3a年生樹干的11.99（±1.74）mg/kg顯著增加到5年生樹干的33.71（±7.15）mg/kg，再非顯著地上升到9年生樹干的44.74（±16.37）mg/kg。樹干Zn含量隨著欒樹人工林林齡的增加呈先顯著增加后顯著下降的趨勢，而3年生和9年生樹干Zn含量之間不顯著，由3a年生樹干的30.37（±2.36）mg/kg先增加到5年生樹干的65.95（±5.94）mg/kg，再降低到9年生樹干的 29.20（±10.49）mg/kg（如圖2所示）。

圖2 湘潭錳礦廢棄地3個(gè)不同年齡（3a、5a、9a）欒樹樹干各元素隨林齡的變化趨勢

2.3 葉片各元素隨林齡變化趨勢

湘潭錳礦廢棄地不同林齡欒樹人工林的欒樹葉片N含量隨著林齡的增加而顯著降低，由3a生葉片的22.59（±4.32）g/kg增加到9年生葉片的 7.22（±0.33）g/kg。葉片P含量隨著欒樹人工林林齡的增加而顯著降低，由3a年生葉片的1.36（±0.12）g/kg降低到9年生葉片的0.18（±0.05）g/kg。葉片Cd含量隨著欒樹人工林林齡的增加而顯著增加，由3a年生葉片的1.43（±0.38）mg/kg降低到 9年林齡土壤的 3.18（±0.56）mg/kg。葉片Mn含量隨著欒樹人工林林齡的增加而顯著增加，由3a年生葉片的394.02（±7.78）mg/kg增加到9年生葉片的735.48（±41.67）mg/kg。葉片Pb含量從3年生到9年生顯著增加，由3a年生葉片的34.87（±2.80）mg/kg增加到 9年生葉片的 54.80（±0.79）mg/kg，而5年生葉片Pb含量與9年生葉片Pb含量無顯著差異。葉片Zn含量隨著欒樹人工林林齡的增加而增加，由3a年生葉片的59.13（±6.42）mg/kg增加到9年生葉片的83.10（±4.53）mg/kg，但是5年生葉片Zn含量與9年生葉片Zn含量無顯著差異（如圖3所示）。

圖3 湘潭錳礦廢棄地3個(gè)不同年齡（3a、5a、9a）欒樹葉片各元素隨林齡的變化趨勢。

2.4 欒樹細(xì)根各元素隨林齡變化趨勢

湘潭錳礦廢棄地不同林齡欒樹人工林的欒樹細(xì)根N含量隨著林齡的增加而顯著降低，由3a生細(xì)根的10.96（±0.90）g/kg增加到9年生細(xì)根的 4.00（±0.05）g/kg。細(xì)根P含量隨著欒樹人工林林齡的增加而顯著降低，由3a年生細(xì)根的1.64（±0.27）g/kg降低到9年生細(xì)根的0.46（±0.17）g/kg。細(xì)根Cd含量隨著欒樹人工林林齡的呈先增加后下降的趨勢，由3a年生細(xì)根的2.43（±0.79）mg/kg顯著升高到5年生細(xì)根的3.45（±0.35）mg/kg，再降低到 9年林齡土壤的 2.77（±0.78）mg/kg。細(xì)根Mn含量隨著欒樹人工林林齡的增加而增加，3a年生細(xì)根的384.00（±38.59）mg/kg和5年生細(xì)根的357.71（±8.40）mg/kg無顯著差異，顯著升高到9年生細(xì)根的527.06（±11.59）mg/kg。細(xì)根Pb含量隨著欒樹人工林林齡的增加而增加，由3a年生細(xì)根的26.40（±4.46）mg/kg顯著增加到9年生細(xì)根的37.91（±2.03）mg/kg，然而5年生細(xì)根的Pb含量與9年生細(xì)根Pb含量無顯著差異。細(xì)根Zn含量隨著欒樹人工林林齡的增加而顯著增加，由3a年生細(xì)根的25.52（±3.18）mg/kg增加到 9年生細(xì)根的 47.24（±3.23）mg/kg（如圖4所示）。

圖4 湘潭錳礦廢棄地3個(gè)不同年齡（3a、5a、9a）欒樹細(xì)根各元素隨林齡的變化趨勢。

3 結(jié)論與討論

本研究主要是湘潭錳礦礦渣廢棄地的生態(tài)修復(fù)，包括土壤和植被兩大方面。從數(shù)據(jù)分析結(jié)果可知，土壤中大量元素N，也就是植物生長必不可少的N元素，隨著欒樹人工林的林齡增長而顯著增加，表明礦渣廢棄地土壤的肥力得到顯著提高。隨著地下N含量的增加，欒樹樹干、葉片和細(xì)根的N含量反而顯著降低，這是植物對土壤N含量變化的一個(gè)響應(yīng)過程。當(dāng)土壤中N含量較低時(shí)，植物為了維持正常的生長需求，則會吸收并儲存更多的N，供植物生長需要；而當(dāng)土壤N含量升高后，植物體正常的生長需求能夠得到保障，那么植物中的N含量不僅會降低而且會增加其凋落物回收到土壤的量，這樣進(jìn)一步增加了土壤中N的含量。

與土壤N含量隨林齡變化趨勢相反，P同樣作為植物生長所需的重要元素，其隨林齡的變化趨勢則顯著降低。不僅土壤中的P隨著林齡顯著降低，欒樹樹干、葉片和細(xì)根P含量也顯著降低。這可能與植物對P的利用方式以及可供植物利用的P形態(tài)多種多樣相關(guān)。P元素是一種礦質(zhì)元素，不會以氣態(tài)或液態(tài)的形態(tài)存在，只能通過土壤礦物的風(fēng)化過程而來。這樣，隨著植物生物量的增加，則會儲存更多的P在植物體內(nèi)，而降低土壤的P含量。又由于土壤中P含量低，會限制植物的正常生長發(fā)育，植物為維持生長，則會重新分配體內(nèi)的P，那么植物體內(nèi)的P則會降低。

我們同樣對土壤中微量元素Cd、Mn、Pb和Zn含量進(jìn)行了分析。隨著林齡增加，土壤中4種微量元素含量顯著減少。這表明錳礦礦渣廢棄地的重金屬元素含量得到顯著的去除，對錳礦礦渣廢棄地土壤的生態(tài)修復(fù)非常有效。與土壤Cd、Mn、Pb和Zn含量隨林齡顯著降低趨勢相反的是，欒樹樹干、葉片和細(xì)根的Cd、Mn、Pb和Zn含量均隨著林齡的增加而顯著增加，除樹干中Cd、Mn之外。結(jié)果表明。欒樹樹干、葉片和細(xì)根對Pb和Zn的富集作用非常明顯，而葉片和細(xì)根對Cd和Mn的富集作用也很顯著。說明欒樹對重金屬元素的吸收、富集和去除作用很顯著，在將來進(jìn)行礦渣廢棄地的生態(tài)恢復(fù)可采用該樹種來進(jìn)行。

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