施用外源物對(duì)尾礦土壤種植胡枝子修復(fù)效應(yīng)初探①

孫清斌，尹春芹，鄧金鋒，劉先利，黃杰勛

施用外源物對(duì)尾礦土壤種植胡枝子修復(fù)效應(yīng)初探①

孫清斌1,2,3，尹春芹2,3*，鄧金鋒2,3，劉先利2,3，黃杰勛2,3

(1 土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國科學(xué)院南京土壤研究所)，南京 210008；2 湖北理工學(xué)院環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，湖北黃石 435003；3 礦區(qū)環(huán)境污染控制與修復(fù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(湖北理工學(xué)院)，湖北黃石 435003)

采用土培試驗(yàn)在兩種尾礦土壤(廢棄地和尾礦渣土)上種植耐性不同的兩個(gè)胡枝子品種，通過添加客土、鋸末，調(diào)控有機(jī)肥或無機(jī)肥等外源物，分析不同處理?xiàng)l件下胡枝子生物量、植株和土體內(nèi)重金屬含量，以明確外源物對(duì)尾礦土壤的修復(fù)效應(yīng)。結(jié)果表明，二色胡枝子生物量整體上顯著高于截葉胡枝子生物量；在所有處理中，廢棄地上同時(shí)添加客土和有機(jī)無機(jī)肥的處理是二色胡枝子生物量最高的處理。外源肥料添加提高了兩個(gè)品種地上部和根部的生物量，客土添加可能對(duì)改善立地生存的理化條件有較大幫助作用，更能體現(xiàn)出肥料的效果。兩種土壤上添加客土或肥料，均較為顯著地減少了截葉胡枝子根部和地上部重金屬的吸收，而二色胡枝子效果不明顯。兩種土壤上添加外源物、種植不同品種胡枝子可以降低部分處理土壤中重金屬含量，但通過植物種植直接攝取土壤中重金屬的量是相對(duì)較少的?？傊?，客土添加、肥料施入均較為明顯地改善了廢棄地和尾礦渣土兩類土壤的立地條件，增加了兩種胡枝子的生物量，一定程度上限制了植物對(duì)重金屬的吸收，土壤改良的基礎(chǔ)上優(yōu)先選擇耐性品種是提高植物修復(fù)效果的上佳方案。

胡枝子；尾礦土壤；外源物；修復(fù)效應(yīng)

湖北黃石市大冶礦區(qū)是我國最早進(jìn)行礦業(yè)開采的地區(qū)，至今已發(fā)現(xiàn)礦床273處，是全國六大銅礦及十大鐵礦生產(chǎn)基地之一[1]。開礦最主要的“副產(chǎn)品”是形成大量的尾礦庫。據(jù)調(diào)查，目前黃石市現(xiàn)有各類尾礦庫有100多座，大多數(shù)屬于小型尾礦庫。此類尾礦庫因其規(guī)模較小、分散性較大、堤壩高度較低，其安全性易被相關(guān)環(huán)保部門和企業(yè)管理者所忽視。前期研究表明，大冶市大廣山、小雷山和鐵子山附近五座尾礦庫礦渣中Cd、Cu含量極高，均超過國家土壤環(huán)境質(zhì)量三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[2]。因此，大多數(shù)小型尾礦庫實(shí)際上極可能是造成周邊農(nóng)田土壤重金屬污染的主要源頭，存在一定的安全隱患[3]。

由于重金屬不可能通過生物降解途徑消除，主要通過緩慢釋放到環(huán)境完成土壤自凈作用，而在此過程釋放出來的重金屬對(duì)地表、地下水體或周邊土壤都可能造成一定量的不利影響。對(duì)大冶礦區(qū)周邊農(nóng)田土壤118個(gè)采樣點(diǎn)的土壤重金屬污染狀況調(diào)查研究表明，當(dāng)?shù)剞r(nóng)田土壤中的Cd、Cu、Pb、Zn、Cr、Co、Ni和Mn均有不同程度的超標(biāo)，尤其以Cu、Cd超標(biāo)最為嚴(yán)重[4]。土壤-糧食-蔬菜系統(tǒng)是重金屬污染物進(jìn)入食物鏈的主要渠道之一，對(duì)當(dāng)?shù)匦←?、油菜、各類常見蔬菜重金屬污染特征分析及健康風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)表明，礦區(qū)周邊所種植的作物和蔬菜Pb和Cd的含量均超過食品安全衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)[1, 5-8]，礦區(qū)居民食用這些食物均可能會(huì)產(chǎn)生一定的健康風(fēng)險(xiǎn)。出現(xiàn)上述土壤或植物重金屬污染的狀況與當(dāng)?shù)亻_礦歷史悠久密不可分，同時(shí)現(xiàn)存的尾礦庫對(duì)周邊環(huán)境而言實(shí)際上是一個(gè)潛在的重金屬污染源，如不采取有效防護(hù)措施將有可能進(jìn)一步加劇該地區(qū)重金屬污染現(xiàn)狀。

針對(duì)上述情況，如何有效預(yù)防尾礦庫重金屬污染、消除對(duì)周邊農(nóng)田土壤潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)、改善尾礦庫區(qū)立地生存環(huán)境、加速尾礦庫土壤自凈修復(fù)進(jìn)程是環(huán)境科學(xué)研究者需要探索的領(lǐng)域。圍堰筑壩是目前實(shí)際操作過程中將重金屬污染源控制在局部區(qū)域的通用措施，然而此類方法治標(biāo)不治本。最好的辦法之一就是挖掘植物潛力，選育和種植耐性植物或品種，再造新的綠色生態(tài)系統(tǒng)，消減各尾礦庫的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。胡枝子是一種能夠在各種土壤上良好生長并能忍耐多種逆境脅迫的豆科植物，是修復(fù)土壤、建立適合其他物種生長繁衍立地條件的先鋒植物，可為其他植物生長創(chuàng)造良好的立地條件[9-10]。盡管有研究表明，胡枝子對(duì)降低土壤中的Cd、Pb、Ni、Cr含量效果良好，達(dá)到改善基質(zhì)養(yǎng)分狀況、降低基質(zhì)重金屬元素污染程度的雙重作用[11]，然而針對(duì)大冶礦區(qū)各類尾礦庫，選用胡枝子作為修復(fù)載體，調(diào)配不同外源物施用，開展重金屬植物修復(fù)治理的研究工作鮮見報(bào)道。

鑒于此，本研究采用土培試驗(yàn)，通過調(diào)控客土、鋸末、有機(jī)肥和無機(jī)肥等外源物的施用，探索在尾礦土壤(廢棄地和尾礦渣土)上種植耐性不同的兩個(gè)胡枝子品種，分析不同處理的生物量、植株和土體內(nèi)重金屬含量，以明確外源物對(duì)胡枝子修復(fù)尾礦土壤重金屬污染效果，從而為挖掘尾礦土壤上外源物提高植物修復(fù)潛力提供一定的理論依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1.1 供試材料 試驗(yàn)于2014年5月16日—7月18日在湖北省礦區(qū)環(huán)境污染控制與修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室溫室進(jìn)行。供試土壤共3種：廢棄地土、尾渣礦土和客土。前兩種供試土壤分別采自大冶市小冶煉廠礦產(chǎn)開采后的尾礦渣堆積地。根據(jù)堆積年限不同，采樣包括兩種類型，一種是較長歷史遺留堆積，表面已形成一定量的植被，稱作廢棄地；另一種是近年來堆積而成，無任何植被，土體呈灰白色細(xì)沙狀，稱作尾礦渣土。供試客土(富鋁/黏化濕潤鐵土)采自黃石市黃金山農(nóng)田區(qū)域無明顯污染的表層土壤(厚度約30 cm)。所有供試土樣取回后，風(fēng)干，除去礫石和植物殘根等雜物，過4 mm土篩混勻后備用。

供試植物為二色胡枝子(耐性品種)和截葉胡枝子(敏感性品種)。原始土壤、餅肥主要理化性狀見表1，測(cè)定方法參見文獻(xiàn)[12]。盆缽用200 mm(直徑)× 200 mm(高)塑料盆，將肥料與土壤充分混勻后，裝入盆內(nèi)(總質(zhì)量控制為2.00 kg/盆)。種子具體催芽、種植、培養(yǎng)過程參見文獻(xiàn)[13]。即二色胡枝子種子需經(jīng)濃硫酸處理約10 min，隨即用水沖洗去除種子表面附著的硫酸，然后放入蒸餾水中浸泡過夜。截葉胡枝子則直接用蒸餾水浸泡過夜。將完成吸漲的種子放入襯有濾紙的培養(yǎng)皿中置于人工氣候箱中催芽1 d后播種。齊苗后，二色胡枝子每盆定苗為6棵，截葉胡枝子每盆定苗為12棵。定期澆水，數(shù)量均一。培養(yǎng)約60 d后，分盆收獲稱重，進(jìn)行相關(guān)項(xiàng)目檢測(cè)。

表1 供試土壤及餅肥的基本理化性質(zhì)

1.1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 每盆總重控制在2.00 kg，其中土重1.50 kg，鋸末0.50 kg (所有處理均加入0.50 kg鋸末以改善土壤孔隙度)。試驗(yàn)分為兩大組，一組無客土，即廢棄地土和尾礦渣土各1.50 kg，分別添加不同肥料：對(duì)照(CK)、有機(jī)肥(OF)、無機(jī)肥(IF)、有機(jī)肥加無機(jī)肥(OF+IF)。另一組添加客土，客土與尾礦土壤(廢棄地土和尾礦渣土)比例為1︰1，各750 g，混合后土壤質(zhì)量1.50 kg，肥料添加同上。試驗(yàn)共計(jì)32個(gè)處理(2品種× 4肥料處理× 2土壤× 2組(客土添加與否))，重復(fù)3次，共96盆。無機(jī)肥處理施用尿素(1.18 g/盆)、磷酸二氫銨(0.45 g/盆)、氯化鉀(0.57 g/盆)。有機(jī)肥施用豆餅(20.0 g/盆)。所有肥料全部作基肥一次性施入。

1.2 測(cè)定項(xiàng)目和方法

測(cè)定項(xiàng)目包括土壤pH、生物鮮物質(zhì)量和重金屬(Cd、Cu、Pb和Zn)含量。

土壤樣品pH測(cè)定方法參見NY/T 1377— 2007[14]。盆栽收獲時(shí)將植物分地上、地下兩部分，經(jīng)蒸餾水沖洗，吸水紙擦干，稱量計(jì)鮮重。然后烘箱105 ℃殺青15 min，保持75 ℃烘干至恒重，萬能粉碎機(jī)(IKA A11B S25，德國)粉碎過篩備用。土壤和植物樣品(過0.15 mm篩)重金屬測(cè)定的消解方法分別參見文獻(xiàn)[1]。植株樣品采用HNO3(優(yōu)級(jí)純)消煮，土壤樣品采用王水消煮，然后用超純水(Milli-Q Academic A10，美國)定容，過濾至塑料瓶中待測(cè)。土壤和植物樣品中Cu、Pb和Zn含量采用火焰法測(cè)定，Cd采用石墨爐法原子吸收分光光度儀(Varian AA240FS，美國)檢測(cè)。

采用SPSS 13.0軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)作統(tǒng)計(jì)分析。土壤、植株體內(nèi)重金屬含量單因素方差分析采用Duncan法，統(tǒng)計(jì)水平選用95% 的置信范圍。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對(duì)胡枝子生物量的影響

為了揭示調(diào)配外源物對(duì)兩種污染土壤種植胡枝子的影響，進(jìn)一步對(duì)比了兩個(gè)胡枝子品種地上部(圖1) 和根部的生物量(圖2)(均以鮮物質(zhì)量計(jì))。發(fā)現(xiàn)施肥對(duì)兩個(gè)品種幾乎均顯著提高了其地上部和根部的生物量；客土使二色胡枝子大部分處理之間遞增規(guī)律性更加明顯，整體上生物量也呈增加趨勢(shì)。說明外源肥料的施入確實(shí)有助于植物更好生長，客土的添加對(duì)改善立地生存的理化條件有較大幫助作用。無論加客土與否，廢棄地土壤上截葉胡枝子地上部和根部的生物量均表現(xiàn)為單獨(dú)無機(jī)肥處理顯著高于其他任何處理，包括同時(shí)加入無機(jī)有機(jī)肥處理。說明同時(shí)加入有機(jī)無機(jī)肥的處理盡管理論上對(duì)于營養(yǎng)平衡、理化條件改善均應(yīng)優(yōu)于單獨(dú)無機(jī)肥處理，但對(duì)于敏感品種而言，僅加入無機(jī)肥反而更利于營養(yǎng)元素的吸收。品種間對(duì)比顯示絕大多數(shù)處理二色胡枝子生物量顯著高于截葉胡枝子；二色胡枝子在廢棄地加客土同時(shí)施用有機(jī)無機(jī)肥的處理時(shí)是各種條件下生物量最佳組合處理。說明二色胡枝子作為耐性品種加入客土，再輔以必要的有機(jī)無機(jī)肥處理可作為植物修復(fù)的最佳備選方案。

2.2 不同處理對(duì)胡枝子植株體內(nèi)重金屬含量的影響

表2、3分別是外源物施用對(duì)廢棄地、尾礦渣種植胡枝子體內(nèi)重金屬元素含量。由表2可知，廢棄地添加客土較為明顯地減少了截葉胡枝子根部和地上部體內(nèi)Cu、Pb、Cd的含量，尤其是根部更加明顯；二色胡枝子部分處理重金屬也有降低趨勢(shì)，地上部Cu含量反而顯著增加，整體重金屬含量變化規(guī)律不明顯。說明截葉胡枝子作為敏感品種客土的添加為其改善立地條件效果明顯，反過來也印證了耐性品種二色胡枝子抗逆能力較強(qiáng)(環(huán)境適應(yīng)能力更強(qiáng))。肥料效應(yīng)表現(xiàn)為加客土后敏感品種體內(nèi)重金屬含量存在較為明顯的下降趨勢(shì)，耐性品種肥料效應(yīng)不明顯，說明肥料的施入對(duì)截葉胡枝子效果更加明顯；同時(shí)，截葉胡枝子對(duì)照是所有處理中重金屬含量最高的處理，結(jié)合生物量數(shù)據(jù)，說明養(yǎng)分缺乏限制其正常生長，可能是產(chǎn)生了濃縮效應(yīng)。品種間對(duì)比發(fā)現(xiàn)，對(duì)照處理根部、地上部重金屬含量均表現(xiàn)為耐性品種小于敏感品種(敏感品種未能存活，認(rèn)為其體內(nèi)重金屬含量極大)，說明逆境條件下耐性品種應(yīng)該存在較強(qiáng)限制重金屬吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)的阻礙機(jī)制。

圖1 不同處理對(duì)兩個(gè)胡枝子品種地上部生物量的影響

圖2 不同處理對(duì)兩個(gè)胡枝子品種根部生物量的影響

表2 外源物施用對(duì)廢棄地種植胡枝子重金屬吸收的影響(mg/kg)

注：“-”為該品種未能存活；表中同行數(shù)據(jù)小寫字母不同表示處理間差異達(dá)到<0.05顯著水平(Duncan檢驗(yàn))，下表同。

表3 外源物施用對(duì)尾礦渣土種植胡枝子重金屬吸收的影響(mg/kg)

理論上，添加客土和肥料施用均有助于植物生存立地條件的改善，應(yīng)該會(huì)改變植物對(duì)重金屬的吸收。在尾礦渣土上添加客土，減少了截葉胡枝子對(duì)重金屬的吸收，根部表現(xiàn)尤為明顯(表3)；客土添加有效降低了各肥料處理下二色胡枝子對(duì)Cu的吸收，對(duì)另外3種重金屬作用規(guī)律不明顯(表3)。肥料效應(yīng)整體上表現(xiàn)為肥料的施入降低截葉胡枝子對(duì)重金屬的吸收，尤其是添加客土使這種規(guī)律性更強(qiáng)；客土加入使得肥料處理整體上可以降低二色胡枝子重金屬的吸收，而未加客土各處理重金屬含量隨肥料施用反而有增加趨勢(shì)(表3)。說明施用肥料增加養(yǎng)分離子的吸收，反而有助于耐性品種更好地吸收土壤中的重金屬。品種間對(duì)比發(fā)現(xiàn)，對(duì)照處理不添加客土重金屬含量截葉胡枝子幾乎都是顯著高于二色胡枝子，添加客土Cu含量截葉胡枝子高于二色胡枝子，根部Pb、Cd含量反而是二色胡枝子高于截葉胡枝子，說明添加客土對(duì)截葉胡枝子更加有效；肥料施用條件下，除不添加客土Cu含量截葉胡枝子高于二色胡枝子之外，其他處理添加客土與否Pb、Cd含量均是二色胡枝子高于截葉胡枝子，Zn含量變化不明顯，說明肥料的施用對(duì)不同重金屬吸收作用效果不一。

2.3 種植胡枝子后土壤重金屬含量

進(jìn)一步分析種植胡枝子后尾礦土壤中的重金屬含量(表4)，發(fā)現(xiàn)在廢棄地上添加客土，Cu、Pb、Cd、Zn含量有不同程度的下降趨勢(shì)，相對(duì)而言尾礦渣土重金屬含量有下降趨勢(shì)但幅度不如廢棄地明顯；說明盡管客土與尾礦土壤(廢棄地土和尾礦渣土)添加比例均為1︰1，然而兩種土壤最終重金屬含量并非簡單的數(shù)學(xué)平均計(jì)算所得值，同時(shí)，兩種尾礦土壤重金屬含量下降幅度也存在一定差異，可能是尾礦土壤本身來源、堆積時(shí)間、小范圍環(huán)境、外界生物等因素影響差異所致。肥料施用種植胡枝子后盡管部分重金屬含量存在下降趨勢(shì)，但規(guī)律性、差異性不明顯，說明肥料因素對(duì)土壤中重金屬含量消減影響不大。同時(shí)，盡管品種間抗性、本身生物量存在一定的差異，但種植后對(duì)土壤中重金屬含量影響也不大，說明植物修復(fù)的主要功能體現(xiàn)在土體立地條件改善、生態(tài)修復(fù)條件提高，而真正通過植物的種植以直接攝取土壤中重金屬的量是微乎其微的。

表4 外源物添加對(duì)種植胡枝子后土壤重金屬元素含量影響(mg/kg)

3 討論

尾礦渣堆積地占用大量土地資源且存在一定的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)其進(jìn)行自然生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)重建是解決其環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)問題一條切實(shí)可行的途徑。人為的生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建需要以植被恢復(fù)為必要前提條件，從而為后續(xù)生物的繁殖創(chuàng)造更好的立地條件。盡管不同污染尾礦渣堆積地環(huán)境條件各異，但通常情況下，其自然土壤結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)、肥力養(yǎng)分條件是不足以支撐外來植物直接生長的。因此，這就需要調(diào)配添加適量各類環(huán)境友好型的外源物，以達(dá)到改變土壤容重、增加孔隙率、補(bǔ)充養(yǎng)分元素、創(chuàng)造適合植物生長的立地條件之目的。當(dāng)前，通過添加環(huán)境材料外源物，以促進(jìn)重金屬污染土壤修復(fù)的研究已成為環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)。所謂的環(huán)境材料往往同時(shí)兼顧廢物再利用，常見的環(huán)境材料包括：有機(jī)物料(作物秸稈、腐殖酸類、生物質(zhì)炭、畜禽糞便等)、各類無機(jī)物(河湖底泥、泥炭、貝殼、沸石等)以及一些少量的人工合成材料，國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道舉不勝舉[15-22]。其中，Yang等[16]研究表明，稻桿生物質(zhì)炭顯著提高土壤pH、電導(dǎo)率和陽離子交換量，同時(shí)降低了CaCl2所浸提土壤中重金屬濃度，提高了脲酶和過氧化氫酶活性。Pavla等[17]采用田間試驗(yàn)表明，長期施用污泥可以降低柳樹地上部Cd和Zn含量，同時(shí)可促進(jìn)根部生長，增加地上部產(chǎn)量。Houben等[18]提出生物質(zhì)炭施用可以有效降低污染土壤中Cd、Pb、Zn的生物有效性，從而可增加所種植油菜籽的產(chǎn)量。Ahmad等[19]發(fā)現(xiàn)貝殼、牛骨、生物質(zhì)炭均可降低土壤中Pb的毒性和吸收并且可以增加土壤生物活性炭。以上報(bào)道說明外源物質(zhì)的加入不僅是降低重金屬毒性，而且對(duì)于改善土壤理化性質(zhì)，創(chuàng)造良好的立地條件也是大有裨益的。

本試驗(yàn)每個(gè)處理在均添加了一定量的鋸末以改變土體容重、增加孔隙率、改善土體立地條件的基礎(chǔ)上，設(shè)置客土、肥料等外源物的處理。結(jié)果顯示，同對(duì)照相比，外源物無論是客土還是各種肥料的添加均表現(xiàn)出比較明顯的正向效果。整體而言，兩種土壤添加外源物之后，在不同程度上對(duì)植物體內(nèi)重金屬含量均有抑制吸收的作用。上述兩項(xiàng)結(jié)果說明了外源物添加對(duì)于改善植物生存條件的作用不言而喻，這與以往的研究報(bào)道結(jié)果也比較一致。對(duì)照不同外源物施用效果發(fā)現(xiàn)，二色胡枝子在廢棄地+客土同時(shí)施用有機(jī)無機(jī)肥的處理生物量最高，可作為植物修復(fù)的最佳備選方案。在實(shí)際修復(fù)操作過程中選用耐性更強(qiáng)的品種在同等外源物處理下可獲得更好的經(jīng)濟(jì)、生態(tài)效應(yīng)。同時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)與尾礦渣土相比，廢棄地上添加客土或肥料在生物量或重金屬含量方面正向效果更加明顯。究其原因可能是當(dāng)前兩種土壤中重金屬含量上存在差異。同時(shí)，除兩種尾礦庫土壤重金屬含量本底值可能存在差別的原因之外，還有可能是由于廢棄地堆放存在時(shí)間較長，不可避免的淋溶下滲作用、地表徑流遷移作用消減了一定量的重金屬；另一方面微觀上可能是受時(shí)間、周邊環(huán)境的影響，廢棄地自我凈化修復(fù)作用啟動(dòng)較早，使得其在土體結(jié)構(gòu)、養(yǎng)分聚集、立地條件等理化性狀方面均有所改善，從而引起兩種土壤修復(fù)效果出現(xiàn)上述差異?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)地踏勘發(fā)現(xiàn)，一些存放多年的廢棄地地表有苔蘚、地衣類低等生物生長，部分場(chǎng)地會(huì)出現(xiàn)狗尾草、蘆葦、柳樹等高等植物。由此可見，以上理化、生物作用確實(shí)有可能消減了廢棄地中的重金屬含量，起到了緩慢自我修復(fù)的作用。然而淋溶下滲、地表徑流等作用可能消減了原位廢棄地土壤中重金屬的含量，但是同時(shí)也將重金屬遷移至周邊土體、水體更大的環(huán)境區(qū)域，造成的潛在生態(tài)危害風(fēng)險(xiǎn)不容忽視。反過來也印證了原位植物修復(fù)的必要性，尾礦庫原位生態(tài)系統(tǒng)重建，可防止水土大量流失，減少重金屬遷移量，消減潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)是解決尾礦庫環(huán)境問題切實(shí)可行的有效途徑之一。因此，結(jié)合其他相關(guān)項(xiàng)目的研究成果以及參考國內(nèi)外專家尾礦庫修復(fù)治理的經(jīng)驗(yàn)，我們初步提出尾礦區(qū)庫區(qū)及相關(guān)類似污染場(chǎng)地修復(fù)治理過程一般可遵循污染場(chǎng)地工程地貌重塑(如客土添加、周邊擋土墻控源等措施)-土壤重構(gòu)(改善土體立地生存條件)-植被再建(優(yōu)先種植先鋒植物中的耐性品種)-景觀構(gòu)建(逐步實(shí)現(xiàn)場(chǎng)地內(nèi)生物多樣性)最終達(dá)到生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)這一技術(shù)主線，使污染物盡可能在自身小的生態(tài)系統(tǒng)中循環(huán)利用，從而消減污染源向周邊環(huán)境進(jìn)一步大規(guī)模擴(kuò)散的風(fēng)險(xiǎn)。

一般來講，景觀生態(tài)的恢復(fù)應(yīng)以植被恢復(fù)為前提條件，反過來植被恢復(fù)不僅起到植被再建的作用，還可改善土壤結(jié)構(gòu)、增加土壤肥力，加快新的生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建歷程。有研究表明，種植黑麥草和山茶荷木可較好地改善土壤生化性質(zhì)和土壤肥力，增加土壤生產(chǎn)力，從而為構(gòu)建植物修復(fù)系統(tǒng)提供有力支撐[23]。Rodríguez-Seijo和Andrade[24]認(rèn)為尾礦土壤上應(yīng)該建立穩(wěn)定多樣的修復(fù)植物模式，從而可以更好地矯正營養(yǎng)失衡、提高土壤質(zhì)量。Reid和Naeth[25]對(duì)Kimberlite尾礦通過添加外源物進(jìn)行植物修復(fù)的結(jié)果表明，采取植物修復(fù)措施后尾礦土壤中的CEC、有機(jī)碳、大量營養(yǎng)元素有效性均不同程度有所改善。方晰等[26]對(duì)錳礦渣廢棄地植物修復(fù)研究表明，人工植被修復(fù)能明顯提高礦渣廢棄地土壤微生物數(shù)量和酶活性?？梢娭参镄迯?fù)與新的生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建是相輔相成，同時(shí)采用優(yōu)勢(shì)先鋒物種是重金屬污染場(chǎng)地植物修復(fù)的先決條件。本試驗(yàn)條件下，廢棄地土壤上單獨(dú)加入無機(jī)肥更利于截葉胡枝子生長，生物量顯著高于其他處理(甚至高于無機(jī)肥+有機(jī)肥處理)，這與常規(guī)理論有背，我們初步認(rèn)為這一結(jié)果應(yīng)該是短期效應(yīng)的表現(xiàn)，原因可能是多方面的，比如有可能是部分養(yǎng)分物質(zhì)加入過多，造成的養(yǎng)分失衡；也可能是部分鹽分含量增加所導(dǎo)致的鹽害；還可能是外源物短期內(nèi)對(duì)土體微生物群落結(jié)構(gòu)、種類產(chǎn)生了不良的影響，改變了根際微區(qū)環(huán)境所致。但是從長期效應(yīng)而言，有機(jī)肥的加入不僅體現(xiàn)在肥效方面，對(duì)于土壤理化性質(zhì)改善、長期肥效均應(yīng)該優(yōu)于單獨(dú)無機(jī)肥處理，應(yīng)該可能會(huì)更利于后續(xù)修復(fù)工作的開展。此外，在兩種土壤上表現(xiàn)為各處理生物量方面，二色胡枝子均優(yōu)于截葉胡枝子，外源物添加效果也更加明顯，廢棄地+客土同時(shí)施用有機(jī)無機(jī)肥的處理可以獲得所有處理中的最高生物量，說明抗逆性方面確實(shí)是二色胡枝子優(yōu)于截葉胡枝子。另一方面，有研究表明，豆科、菊科、禾本科植物是礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)的先鋒物種，具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，對(duì)改善土壤理化性質(zhì)和營養(yǎng)狀況效果明顯，尤其是具有根瘤和莖瘤的一年生豆科植物[27]。胡枝子屬()為豆科多年生草本、半灌木或灌木，正是修復(fù)土壤、建立適合其他物種生長繁衍立地條件的理想先鋒物種。此外，整體而言兩種土壤對(duì)照處理各種重金屬表現(xiàn)為截葉胡枝子高于二色胡枝子，這可能是由于種植二色胡枝子更好地改善了土壤各種理化條件，緩解了重金屬的毒害作用所致，也可能是兩個(gè)胡枝子本身耐性差異所致(即二色胡枝子具有較強(qiáng)抵抗重金屬侵入的外排機(jī)制)。然而，造成這種差異的真正原因是二色胡枝子種植后影響了土壤本身立地條件，還是二色胡枝子存在強(qiáng)大的外排抗性機(jī)制，亦或是二者原因都各占一部分尚不可定論，因此有必要進(jìn)一步開展相關(guān)研究工作，以明確其真正原因所在。

植物修復(fù)的效益取決于植物地上部分金屬含量及其生物量，這就要求選用生物量大的超積累植物，但目前已知的超積累植物絕大多數(shù)生長慢、生物量小。工程上，考量指標(biāo)一般以修復(fù)后土壤中重金屬含量下降的百分比加以評(píng)價(jià)，然而對(duì)于龐大體積的土壤來講，植物所能攜帶走的重金屬量微乎其微。本試驗(yàn)結(jié)果顯示，兩種土壤上不同外源物添加與否、種植不同品種前后對(duì)最終土壤中重金屬含量均表現(xiàn)為作用不顯著，可見植物修復(fù)的主要作用應(yīng)該是體現(xiàn)在土體立地條件改善和生態(tài)功能的提高方面。目前重金屬植物修復(fù)專家初步得出一致結(jié)論，植物修復(fù)直接從土壤中攝取吸收重金屬的量是較小的，植物修復(fù)的本質(zhì)是構(gòu)建新的生態(tài)系統(tǒng)，消減重金屬進(jìn)一步向周邊環(huán)境擴(kuò)展的可能，最大程度地降低重金屬的潛在安全生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)然，在修復(fù)實(shí)施過程中選取耐性更強(qiáng)植物種類、品種，再輔以必要的工程技術(shù)手段以加快修復(fù)歷程也是不可或缺的前提。目前學(xué)界提出了許多強(qiáng)化修復(fù)效果的輔助技術(shù)方法和途徑，如螯合誘導(dǎo)技術(shù)、表面活性劑誘導(dǎo)技術(shù)、納米材料技術(shù)、物理強(qiáng)化等技術(shù)方法[28]，在實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)驗(yàn)中也均取得了一定的效果，然而距真正大范圍工程技術(shù)推廣尚有一段距離。因此，積極探尋新理論、新方法、新材料以輔助強(qiáng)化修復(fù)是今后該領(lǐng)域工作的趨勢(shì)和發(fā)展所在。

4 結(jié)論

尾礦庫土壤修復(fù)需要添加外源物以改善污染場(chǎng)地土壤的立地條件，客土添加、肥料施入對(duì)于廢棄地和尾礦渣土兩類土壤均有較為明顯的效果，一定程度上減輕尾礦土壤上重金屬污染，提高了兩種胡枝子的生物量，限制了植物對(duì)重金屬的吸收。同時(shí)，不同植物均可能存在限制重金屬吸收轉(zhuǎn)運(yùn)的機(jī)制，并非土壤中重金屬含量越高吸收的量就越多，在能夠存活的條件下，植物還是盡可能地阻止重金屬進(jìn)入植物體內(nèi)，不同品種間對(duì)重金屬逆境限制是存在一定差異的，土壤改良的基礎(chǔ)上優(yōu)先選擇耐性品種是提高植物修復(fù)效果的上佳方案。

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Remediation Effects of Xenobiotic Applications on Mine Tailing Soils Planted withSpecies

SUN Qingbin1,2,3, YIN Chunqin2,3*, DENG Jinfeng2,3, LIU Xianli2,3, HUANG Jiexun2,3

(1 State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China; 2 College of Environmental Science and Engineering, Hubei Polytechnic University, Huangshi, Hubei 435003, China; 3Hubei Key Laboratory of Mine Environmental Pollution Control & Remediation (Hubei Polytechnic University), Huangshi, Hubei 435003, China)

Soil culture experiment was conducted with two kinds of mine tailing soils (wastelands and tailing residues land) planted twospecies differing in Cd sensitivity in order to explore the remediation effects by adding xenobiotic substance (e.g., new soil, sawdust, organic fertilizer or inorganic fertilizer). The results showed that the biomass ofbicolor was significantly higher than that of, while the treatment of applying new soil and organic inorganic fertilizer had the highest biomass ofbicolor in all treatments. In addition, biomass of root and shoot were enhanced by xenobiotic application in bothspecies, which the addition of new soil improved the physical and chemical conditions of sites. When two mine tailing soils were applied with new soil or fertilizer, the heavy metal contents in roots or shoots ofwere significantly reduced, but little change occurred inbicolor. The contents of some heavy metals in two mine tailing soils can be reduced by applying exogenous or planting twospecies, but the net uptake amount of heavy metals by plants are extremely low. In a word, the application of new soil and fertilizer obviously enhanced the site quality of two kinds of mine tailing soils, which increased the biomass of twospecies and decreased the uptake of heavy metals, so priority choose the tolerance plant species on the basis of soil amendment is the optimal way to improve the phytoremediation effect.

; Mine tailing soils; Xenobiotic; Remediation effect

土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金課題(0812201225)，湖北省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(2014CFC1089)，湖北省教育廳科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(D20154401)，湖北省技術(shù)創(chuàng)新專項(xiàng)重大項(xiàng)目(2016ACA176)，湖北省礦區(qū)環(huán)境污染控制與修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(2013104，2014102)和湖北理工學(xué)院大學(xué)生科技創(chuàng)新項(xiàng)目(13cx30)資助。

yinchunqin@126.com)

孫清斌(1977—)，男，河南新鄉(xiāng)人，博士，講師，主要從事環(huán)境生態(tài)與生物地球化學(xué)過程研究。E-mail: Samuel614@126.com

S541；Q945

A

10.13758/j.cnki.tr.2019.05.020