泥炭土改良鉛鋅礦渣下植物修復(fù)效果研究

李建彬，陳永華，湯春芳，龔紫薇，何 蔚

（中南林業(yè)科技大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

我國(guó)是世界主要的鉛鋅生產(chǎn)大國(guó)，鉛鋅生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生大量的尾礦渣嚴(yán)重威脅周?chē)纳鷳B(tài)環(huán)境[1-3]。由于礦渣土壤物理結(jié)構(gòu)不良、極端貧瘠的土壤環(huán)境[4-5]，導(dǎo)致很少植物能在此重污染的土壤中存活，因此礦區(qū)重金屬污染土壤通常用有機(jī)物料配合重金屬抗性植物進(jìn)行改良修復(fù)。根際是根系與土壤界面微域土區(qū)[6]，一些重金屬抗性植物不同于超富集植物，能夠通過(guò)生理限制根際重金屬進(jìn)入根部或地上部從而能夠耐受底物中的高金屬濃度[7]。已有研究表明夾竹桃Nerium oleanderL.是常見(jiàn)的常綠旱生植物物種，具有很強(qiáng)的抗干旱和污染脅迫能力，可以在缺乏營(yíng)養(yǎng)的土壤中生長(zhǎng)。夾竹桃地上部分可以規(guī)避土壤中Pb、Zn、Cu等多種重金屬[8]，被報(bào)道是一種植物穩(wěn)定修復(fù)潛力植物[9-10]。泡桐Paulownia fortunei具有很高的重金屬抗性[11-15]，生長(zhǎng)速度快，結(jié)合有機(jī)改良在廣東地區(qū)重金屬?gòu)U棄冶煉場(chǎng)地已有應(yīng)用[16]。苧麻Boehmeria nivea是一種適應(yīng)性強(qiáng)的多年生宿根性草本植物，根系生物量大，宿根年限可達(dá)10～30 a以上，對(duì)Pb、Cd等重金屬有很高的抗性[17]，廣泛用于可水土流失控制和生態(tài)恢復(fù)[18]。本研究以這三種抗性植物材料結(jié)合泥炭改良研究其修復(fù)效果。

1 材料與方法

1.1 材 料

鉛鋅礦渣采自湖南省郴州市資興尾礦庫(kù)，礦渣基質(zhì)土壤多石礫砂土、土壤結(jié)構(gòu)差，養(yǎng)分及保水保肥很低，偏堿性。泥炭土為中性或偏酸性黑色有機(jī)肥，購(gòu)自長(zhǎng)沙市紅星花卉市場(chǎng)，在不同濃度配比劑（表1）濃度條件下，于長(zhǎng)沙校區(qū)對(duì)耐性木本植物泡桐Paulownia fortunei、夾竹桃Nerium oleander和苧麻Boehmeria nivea進(jìn)行露天盆栽試驗(yàn)，盆栽花盆口徑為40 cm，儲(chǔ)量為19 kg，試驗(yàn)每盆一株，每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)。泡桐和夾竹桃試驗(yàn)周期12個(gè)月，苧麻9個(gè)月。

表1 盆栽基質(zhì)改良配比優(yōu)化 (w/w)Table 1 Optimization of improved ratio of potted substrate (w/w)

1.2 方法

1.2.1 植物生長(zhǎng)指標(biāo)的測(cè)定

新鮮植物根系清洗干凈后，逐株用 EPSON PERFECTION V700 掃描儀掃描，掃描圖片用根分析軟件Win RHIZO-Pro 2008b（Regent Instruments Inc）進(jìn)行分析。依據(jù)Wells等[19]的方法統(tǒng)計(jì)植物的根長(zhǎng)、根表面積、根體積、根尖數(shù)、平均直徑以及在不同徑級(jí)區(qū)間的分布。生物量增量由種植前和收獲時(shí)兩次生物量（干質(zhì)量）的差值計(jì)算測(cè)定。

1.2.2 根際土壤化學(xué)指標(biāo)測(cè)定

參照Riley等[20]采用抖落法收集根際土壤，土壤有機(jī)質(zhì)測(cè)定采用重鉻酸鉀容量法[21]；pH值采用電位法（土∶水 = 1∶2.5，質(zhì)量比）測(cè)定[22]。

1.2.3 植物對(duì)重金屬的富集與轉(zhuǎn)運(yùn)能力的指標(biāo)測(cè)定

植物和植物根系土壤樣品鉛鋅含量采用火焰原子吸收分光光度計(jì)測(cè)量[22-23]。植物樣品采用“硝酸-高氯酸體系濕法”消解、根系土壤樣品采“王水-高氯酸電熱板法”消解。鉛鋅富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)計(jì)算公式如下：

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS單因素方差分析，LSD或Duncan法分析處理數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 植物生物量變化

從植物各部位生物量增量（表2）來(lái)看，3種植物總生物量隨改良劑濃度增加增加顯著。根和莖生物量依次有泡桐＞夾竹桃＞苧麻的現(xiàn)象，葉生物量有夾竹桃＞泡桐≥苧麻的現(xiàn)象。苧麻側(cè)根生物量在地下部根系生物量占比高于夾竹桃和苧麻顯著（P＜0.05），且從A3到CK，苧麻側(cè)根生物量占比從19%增加到了32.9%，泡桐側(cè)根生物量占比減少，而夾竹桃側(cè)根生物量占比基本不變，鉛鋅脅迫可能導(dǎo)致苧麻根系構(gòu)型向多細(xì)根形態(tài)轉(zhuǎn)變。

表2 改良下3種植物生物量增量的變化 (mean ±SD，n =3)Table 2 Changes of biomass increment of three plants after the improvement of lead-zinc residue soil (mean ±SD, n=3)

2.2 植物根系構(gòu)型

從改良下植物根系構(gòu)型（圖1）來(lái)看，三種植物總根長(zhǎng)、根表面積、根體積和根尖都隨改良劑濃度增加而增加顯著（P＜0.05），根長(zhǎng)依次有苧麻＞泡桐＞夾竹桃，根表面積有泡桐＞苧麻＞夾竹桃；根體積有泡桐＞苧麻＞夾竹桃，根尖數(shù)有苧麻＞泡桐＞夾竹桃。參照Wells等[19]的方法，將細(xì)根區(qū)間0＜d＜2 mm分為0＜d＜1 mm 和1＜d＜2 mm兩個(gè)徑級(jí)（圖1）發(fā)現(xiàn)三種植物各徑級(jí)之間有差異。苧麻0＜d＜1細(xì)根根長(zhǎng)和根尖相對(duì)d＞1 mm增長(zhǎng)差異極顯著（P＜0.01），三種植物中苧麻0＜d＜1 mm細(xì)根根尖、根長(zhǎng)、根表面積和體積最大（P＜0.01）；泡桐各徑級(jí)根系都增長(zhǎng)顯著（P＜0.05），其中d＞2 mm徑級(jí)的根體積和表面積增長(zhǎng)極顯著（P＜0.01），和苧麻和夾竹桃差異極顯著（P＜0.01）；而夾竹桃細(xì)根數(shù)量最低。

2.3 植物鉛鋅含量和富集特性

從植物各部位Pb、Zn含量分布（表3）來(lái)看，植物各部位Pb、Zn含量基本隨改良劑處理濃度增加而降低，除泡桐有葉片Pb、Zn高富集特征外，植物體內(nèi)Pb、Zn含量都隨側(cè)根＞主根＞莖＞葉的規(guī)律分布，側(cè)根Pb、Zn含量顯著高于其他部位（P＜0.05），3種植物中苧麻細(xì)根0＜d＜1 mm徑級(jí)根尖、根長(zhǎng)、表面積和體積最大（圖1）對(duì)應(yīng)苧麻側(cè)根Pb、Zn含量最高（P＜0.01），可分別達(dá)到1 364.73 mg·kg-1和 719.48 mg·kg-1。說(shuō)明 0 ＜d＜1 mm徑級(jí)細(xì)根數(shù)量對(duì)側(cè)根Pb、Zn吸收影響顯著。

2.4 改良下根際土壤性質(zhì)變化

2.4.1 根際土壤有機(jī)質(zhì)（OM）變化

從改良下根際土壤有機(jī)質(zhì)含量（表4）來(lái)看，相對(duì)CK，隨處理濃度增加土壤有機(jī)質(zhì)增加顯著（P＜0.05）；相對(duì)本底，種植后土壤有機(jī)質(zhì)增加顯著（P＜0.05），增加量大小依次為苧麻＞泡桐＞夾竹桃，且隨改良處理濃度增加增大，CK處理下苧麻，泡桐和夾竹桃種植后有機(jī)質(zhì)含量分別增加了 10.23 g·kg-1、8.61g·kg-1和 7.43 g·kg-1，至A3 處理增加量分別達(dá)到了 22.61g·kg-1、18.11 g·kg-1和15.54 g·kg-1。植物根際過(guò)程能提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，提高大小因植物而異。

2.4.2 根際土壤pH值變化

從改良下根際土壤pH值變化（表5）來(lái)看，隨著改良處理濃度的增加，土壤pH值降低顯著（P＜0.05），相對(duì)本底，植物種植后根際土壤pH值提高顯著（P＜0.05），不同植物根際pH值提高有差異，夾竹桃＞泡桐＞苧麻，分別平均提高了0.75、0.66和0.56個(gè)單位。

2.4.3 根系參數(shù)、pH和有機(jī)質(zhì)（OM）之間相關(guān)性分析

從（表6）植物細(xì)根和土壤性質(zhì)之間Pearson相關(guān)性來(lái)看，夾竹桃細(xì)根尖數(shù)和根體積與pH存在顯著負(fù)相關(guān)，泡桐細(xì)根表面積和體積和根際pH存在顯著負(fù)相關(guān)。泡桐細(xì)根根長(zhǎng)、表面積、體積及苧麻細(xì)根表面積增長(zhǎng)和對(duì)應(yīng)的根際OM之間存在顯著正相關(guān)。其他相關(guān)性較強(qiáng)但未達(dá)到顯著。整體上，細(xì)根生長(zhǎng)一定程度上影響根際土壤性質(zhì)。

2.5 改良下根際重金屬含量變化

從植物種植前后根際Pb、Zn含量變化（表7）來(lái)看，相對(duì)CK，改良顯著降低了礦渣Pb、Zn的含量（P＜0.05），但不同處理Pb、Zn降低程度有差異，Pb減少量呈現(xiàn)泡桐＞夾竹桃＞苧麻、Zn減少量呈現(xiàn)苧麻＞泡桐＞夾竹桃，其中泡桐根際Pb種植后相對(duì)本底CK到A3依次降低了1161.85，1 128.49，1796.78 和 1849.6 6 mg·kg-1。苧麻根際Zn植后相對(duì)種植前CK到A3依次降低263.16，193.13，253.29 和 303.56 mg·kg-1。改良處理A3下，泡桐對(duì)土壤Pb與苧麻對(duì)土壤Zn都有較好的去除效果。

表3 改良下3種植物體內(nèi)Pb、Zn含量和分布 (mean ±SD，n =3)?Table 3 Accumulation and distribution of Pb and Zn in plants after amendment and optimization (mean ±SD, n =3)

表4 改良下3種根際土壤有機(jī)質(zhì)含量變化 (mean ±SD，n =3)?Table 4 Content changes of soil porganic matter in rhizosphere of three plants after optimization(mean±SD, n =3)

表5 改良下3種根際土壤pH值變化(mean ±SD，n =3)?Table 5 Changes of pH of soil organic matter in rhizosphere (mean ±SD, n =3)

表6 pH、OM和細(xì)根（0＜d＜2）根系生長(zhǎng)之間Pearson相關(guān)性分析?Table 6 Pearson correlation analysis between pH, OM,and fine root growth

2.6 改良下鉛鋅累積量和轉(zhuǎn)移量系數(shù)

從植物Pb、Zn累積量（圖2）來(lái)看，植物Pb、Zn累積量隨處理濃度增加而增加，Zn累積普遍高于Pb。泡桐Zn累積量最高，苧麻Pb累積最高，而夾竹桃Pb、Zn累積最低。從3種植物Pb轉(zhuǎn)移量系數(shù)（圖2）來(lái)看，泡桐和夾竹桃Pb轉(zhuǎn)移量系數(shù)顯著高于苧麻，而隨處理濃度增加，泡桐Pb轉(zhuǎn)移量系數(shù)增加顯著，夾竹桃轉(zhuǎn)移量系數(shù)在處理濃度10%時(shí)最高。從植物Zn轉(zhuǎn)移量系數(shù)（圖2）來(lái)看，泡桐Zn轉(zhuǎn)移量系數(shù)顯著高于苧麻和夾竹桃；苧麻Zn轉(zhuǎn)移量系數(shù)最大區(qū)間位于20%～30%改良處理之間；夾竹桃Zn轉(zhuǎn)移量系數(shù)也在處理濃度10%時(shí)最高。總體上，泡桐和苧麻轉(zhuǎn)移量系數(shù)隨改良處理濃度的增加而增加，而夾竹桃轉(zhuǎn)移量最優(yōu)的改良處理為10%泥炭土。

表7 種植前后土壤鉛鋅含量變化 (mean ±SD，n=3)?Table 7 Changes of Pb and Zn content in rhizosphere soils before and after planting (mean ±SD, n =3)

3 討 論

3.1 植物生長(zhǎng)影響Pb、Zn吸收

3種植物根系生長(zhǎng)表現(xiàn)為泡桐＞苧麻＞夾竹桃，苧麻側(cè)根生物量且占地下部根系生物量比重最高，且隨著脅迫濃度A3到CK增加，側(cè)根生物量占比從19%增加到了32.9%，鉛鋅脅迫導(dǎo)致苧麻根系構(gòu)型向多細(xì)根形態(tài)轉(zhuǎn)變，這與Máthé-Gáspár (2006)[24]等發(fā)現(xiàn)脅迫導(dǎo)致柳樹(shù)細(xì)根數(shù)量占比增加的現(xiàn)象一致。苧麻0＜d＜1細(xì)根根長(zhǎng)和根尖相對(duì)d＞1增長(zhǎng)差異極顯著，導(dǎo)致0＜d＜1細(xì)根表面積大于d＞1極顯著。不同的植物物種會(huì)采取不同的策略以應(yīng)對(duì)脅迫，目前一般把抗重金屬植物(metallophytes)分為超富集植物(hyperaccumulators)、指示植物(indicators)、規(guī)避植物(excluders)三類[25]。本實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)3種植物都具有Pb、Zn規(guī)避性，但規(guī)避方式不同，苧麻具有發(fā)達(dá)的側(cè)根及細(xì)根分支，其0＜d＜1細(xì)根數(shù)量3種植物中最多，對(duì)應(yīng)鉛鋅大量富集在側(cè)根中。泡桐除細(xì)根高富集外還可能通過(guò)葉片富集及落葉的方式規(guī)避Pb、Zn富集，而夾竹桃細(xì)根生長(zhǎng)停滯，地上部Pb、Zn基本不隨土壤Pb、Zn含量和根系變化而變化，3種植物不同抗性策略下生理或生化機(jī)制上的差異有待進(jìn)一步研究。

3.2 改良下細(xì)根與土壤性質(zhì)變化

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隨著處理濃度增加，土壤有機(jī)質(zhì)（OM）增加顯著而pH降低顯著，植物種植前后根際土壤有機(jī)質(zhì)的增加顯著，pH增加顯著，相關(guān)研究表明有機(jī)質(zhì)不僅影響土壤的物理特性而且影響植物養(yǎng)分的利用率[26]，導(dǎo)致植物根系生長(zhǎng)增長(zhǎng)顯著，而植物生長(zhǎng)過(guò)程根系可以以脫落物（包括細(xì)根分解等）、分泌物等形式向根系導(dǎo)入有機(jī)碳從而改變根際pH值和有機(jī)質(zhì)含量[27-29]。相關(guān)性顯示，根系細(xì)根生長(zhǎng)和OM增加之間存在正相關(guān)，如泡桐細(xì)根根長(zhǎng)、根表面積、體積和泡桐根際OM；苧麻根表面積和苧麻根際OM之間正相關(guān)顯著（P＜0.05）；根系細(xì)根增長(zhǎng)和pH降低之間有負(fù)相關(guān)，夾竹桃根尖數(shù)與根際pH存在顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05），相關(guān)研究表明夾竹桃根尖可以提高根際pH值[30-31]， 除植物本身的根系生長(zhǎng)和分泌物導(dǎo)致pH差異外，鉛鋅礦渣本身土壤緩沖性質(zhì)可以影響植物根際pH，這是種植后植物根際土壤pH增加的可能原因之一，類似研究在鉛鋅礦渣土壤中也有發(fā)現(xiàn)，如隨著印度芥菜Brassica junceaL.和向日葵Helianthus annuusL.生長(zhǎng)根際土壤溶液pH會(huì)增加了0.2～1.4個(gè)單位的現(xiàn)象[32]，具體原因有待進(jìn)一步研究。

3.3 改良下植物累積量和轉(zhuǎn)移量系數(shù)

改良下植物累積量和轉(zhuǎn)移量系數(shù)直觀直接反映植物修復(fù)效果[33-34]。3種植物Pb、Zn總累積量基本隨著改良處理濃度增加而增加，但植物轉(zhuǎn)移量系數(shù)存在“拱形曲線”的現(xiàn)象，隨改良處理濃度增加，速生植物泡桐和苧麻轉(zhuǎn)移系數(shù)增加，而夾竹桃A1到A3 Pb、Zn轉(zhuǎn)移量系數(shù)降低，轉(zhuǎn)移量系數(shù)最大值位于A1 10%泥炭土處理。改良對(duì)礦渣有稀釋作用，減少了原尾礦鉛鋅脅迫，同時(shí)也促進(jìn)植物生物量增長(zhǎng)從而提高累積量，對(duì)于泡桐和苧麻，可通過(guò)改良提高植物Pb、Zn地上部轉(zhuǎn)移量。

圖2 植物累積量和轉(zhuǎn)移量系數(shù)（P：泡桐 Z：苧麻 J：夾竹桃）Fig.2 Accumulation and transfer amount coefficient of three plants (P: P.fortunei; Z: B.nivea; J: N.oleanderr)

4 結(jié) 論

隨著改良劑濃度的增加，3種植物總生物量增量均呈現(xiàn)改良A3＞A2＞A1＞CK的趨勢(shì)增長(zhǎng)，但根系有不同增長(zhǎng)構(gòu)型，苧麻細(xì)根生長(zhǎng)顯著，側(cè)根（細(xì)根）生物量占比從19%增加到了32.9%。其0＜d＜1 mm細(xì)根根長(zhǎng)和根尖相對(duì)d＞1增長(zhǎng)差異及顯著（P＜0.01），3種植物中苧麻0＜d＜1 mm細(xì)根根尖、根長(zhǎng)、根表面積和體積最大（P＜0.01）（P＜0.01）；泡桐粗根d＞2 mm根徑的根體積和表面積增長(zhǎng)極顯著（P＜0.01）；而夾竹桃細(xì)根數(shù)量最低。鉛鋅脅迫可能導(dǎo)致苧麻根系構(gòu)型向多細(xì)根形態(tài)轉(zhuǎn)變。

3種植物除泡桐葉外植物體內(nèi)Pb、Zn含量都呈現(xiàn)側(cè)根＞主根＞莖＞葉的分布規(guī)律，0＜d＜1 mm區(qū)間，3種植物中苧麻細(xì)根數(shù)量最大，對(duì)應(yīng)側(cè)根Pb、Zn含量最高。說(shuō)明細(xì)根數(shù)量或表面積對(duì)植物根系Pb、Zn吸收影響顯著。

隨著改良處理濃度增加，土壤有機(jī)質(zhì)（OM）增加顯著，pH降低；而植物種植后OM含量和pH值增加顯著（P＜0.05），OM含量增加有：苧麻＞泡桐＞夾竹桃，pH值增加有：夾竹桃＞泡桐＞苧麻。根際土壤性質(zhì)變化受根系和礦渣性質(zhì)的綜合影響。

3種植物Pb、Zn總累積量基本隨著改良處理濃度增加而增加，但植物轉(zhuǎn)移量有差異，泡桐和苧麻轉(zhuǎn)移量隨改良處理濃度增加而增加，而夾竹桃轉(zhuǎn)移量最優(yōu)的改良處理為10%泥炭土。