客土改良銅尾礦對香根草生理特征及重金屬吸收的影響

方青，丁子微，孫慶業(yè)，王寧

（安徽大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，合肥 230601）

銅陵礦產(chǎn)資源開采歷史悠久，礦業(yè)開采過程中產(chǎn)生的尾礦占用了大量的土地資源，長期的風(fēng)蝕和雨水淋溶導(dǎo)致尾礦中錳（Mn）、鋅（Zn）、鎘（Cd）、鉛（Pb）等重金屬污染了當(dāng)?shù)剞r(nóng)田和地下水，引起了一系列環(huán)境問題，因此對該地區(qū)尾礦的修復(fù)和治理具有十分重要的現(xiàn)實意義[1-2]。

尾礦的極端養(yǎng)分貧瘠和結(jié)構(gòu)不良對其修復(fù)和治理有很大的限制作用[3-4]。為改善基質(zhì)的理化性質(zhì)、促進(jìn)復(fù)墾植被生長，一般需要對尾礦基質(zhì)進(jìn)行改良，其中客土改良作為一種常用的工程措施，在重金屬污染土壤和鹽堿土壤等養(yǎng)分貧瘠土壤的改良中均產(chǎn)生了良好的效果[5-6]。Zhang 等[7]通過分析鉛鋅尾礦重金屬在不同覆土條件下的遷移得出，表土可以將水分保持在土壤中防止其下滲，減少重金屬的遷移。魏忠義等[8]通過研究淋濾條件下覆土措施對重金屬縱向遷移的結(jié)果表明，尾礦層重金屬含量顯著減少，覆土層可交換態(tài)重金屬含量也基本小于原覆土值。此外，覆土可以增加礦區(qū)土壤中的全氮含量和養(yǎng)分供給，調(diào)節(jié)表層土壤基質(zhì)容重，形成有利于植被生長的土壤物理結(jié)構(gòu)[9]。張寶娟等[10]研究發(fā)現(xiàn)鐵尾礦摻土對提高速效養(yǎng)分含量作用明顯，能夠促進(jìn)油松和樟子松的生長。然而，現(xiàn)實中尾礦庫覆土一般為50～100 cm，并且，現(xiàn)有研究中尾礦覆土厚度也都在50 cm 以上，這在施工成本和土源獲取上都是亟待解決的難題，而且客土量超過一定范圍后，尾礦廢棄地修復(fù)效果增長不顯著。合適的覆土厚度需要根據(jù)植物類型調(diào)整，在尾礦生態(tài)修復(fù)過程中，香根草（Vetiveria zizanioides）因具有生長迅速、根系發(fā)達(dá)、生物量大、耐重金屬性強(qiáng)等特點而得到廣泛應(yīng)用[11-13]，其根在野外條件可延伸2～3 m。同時，大量研究證實香根草對尾礦中Cu[14]、Zn[15-16]和Pb[15，17]等重金屬的吸收都有十分重要的作用。

基于此，本研究擬在客土量較小的情況下對銅尾礦進(jìn)行客土改良，通過對香根草生理特征和其重金屬含量的測定，明確客土改良作用于尾礦生態(tài)修復(fù)的特性以及對修復(fù)植物的生理特征及重金屬含量的作用機(jī)制，為實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)高效的尾礦生態(tài)修復(fù)提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 試驗方法

銅尾礦選自銅陵銅官山水木沖銅尾礦庫（30°56′11″N，117°51′35″E）。改良所用土壤選自安徽大學(xué)校園內(nèi)菜園土（31°47′29″N，117°11′40″E），土壤為重壤土，其中砂質(zhì)成分37.5%、黏土成分62.5%。將兩者均過1 cm×1 cm 篩網(wǎng)，其基本理化性質(zhì)和重金屬含量見表1。對照組為不加土壤的銅尾礦（CK），客土改良方式分為4種（表2）：其中兩種為摻土處理，即在尾礦中按質(zhì)量比分別摻土10%和20%（C10 和C20）；另兩種為覆土處理，即在尾礦上分別覆蓋5 cm 和10 cm土（F5 和F10）。從野外獲取的香根草在溫室中馴化一個月后，選取生長一致無污染的幼苗種植于花盆（直徑和高度均為27 cm）中，根系集中在基質(zhì)表層5 cm 范圍內(nèi)，每盆3 株，每種處理設(shè)4 次重復(fù)。所有盆栽均在室外培養(yǎng)，施加適量N-P2O5-K2O（15-15-15）復(fù)合肥，并保證采光、澆水量一致，植物之間無遮擋，保持植物正常生長，定期監(jiān)測植物生長情況，種植試驗持續(xù)60 d。

表1 基質(zhì)基本理化性質(zhì)和重金屬含量（平均值，n=4）Table 1 Basic physicochemical properties and heavy metals content of matrix（Mean，n=4）

表2 基質(zhì)配比和質(zhì)量Table 2 Matrix ratio and mass

1.2 樣品采集與預(yù)處理

采集香根草莖葉和尾礦樣品。每盆各采集3 株香根草完全展開葉3～4 片，裝入無菌塑料袋中；對應(yīng)采集植株根周圍尾礦樣品，抖落附著在植株根部的尾礦，同時刷取根際尾礦，將3 個尾礦樣品混勻后裝入無菌塑料袋中。植株樣品和尾礦樣品各20 份。

植物樣品立即帶回試驗室后用自來水和超純水沖洗，擦干，用陶瓷剪刀剪碎混勻。一部分保存于-70 ℃超低溫冰箱中，用于生理生化指標(biāo)的測定；另一部分置于105 ℃條件下殺青30 min，再于70 ℃條件下烘干至恒質(zhì)量，磨碎，置于自封袋中保存，用于植物重金屬含量測定。尾礦樣品在通風(fēng)處自然風(fēng)干，用瑪瑙研缽研磨，過篩后裝于自封袋中保存，用于尾礦中重金屬總量和有效態(tài)含量的測定。

1.3 樣品分析

稱取10.0 g基質(zhì)樣品與25 mL蒸餾水振蕩混勻后靜置30 min，使用雷磁PHS-3C pH 計（上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司）和雷磁DDB-303A 電導(dǎo)率儀（上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司）分別測定pH 和電導(dǎo)率?；|(zhì)氮、磷和鉀含量的測定參考文獻(xiàn)[18]的方法?；|(zhì)重金屬（Mn、Cu、Zn、Cd、Pb）總量、植物重金屬（Mn、Cu、Zn、Cd、Pb）含量分別采用硝酸-氫氟酸消解和硝酸消解法，基質(zhì)可提取態(tài)重金屬含量采用DTPA 提取，再用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICAPQ，Thermo Fisher，美國）測定，測定過程中用土壤環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（GSS-15）和植物環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)參考樣品（GBW10020、GBW10048）進(jìn)行質(zhì)量控制，以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度和精度，各元素的加標(biāo)回收率在91%～105%，符合元素分析質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)。

香根草超氧化物歧化酶（SOD）活性利用氮藍(lán)四唑（NBT）光還原法[19]測定；過氧化氫酶（CAT）活性采用紫外吸收法[19]測定；過氧化物酶（POD）采用愈創(chuàng)木酚法[19]測定；丙二醛（MDA）含量采用硫代巴比妥酸法[19]測定；葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素用丙酮提取測定[20]。

1.4 數(shù)據(jù)處理及分析

轉(zhuǎn)移系數(shù)（Translocation factor，TF）表示植物對重金屬的轉(zhuǎn)移能力：

式中：Cshoot、Croot分別代表植物地上部分和根中特定重金屬含量，mg·kg-1。

采用SPSS 20.0 對數(shù)據(jù)進(jìn)行平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、ANOVA、Duncan 多重比較和 Pearson 相關(guān)分析，用Origin 9.0繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 客土改良對銅尾礦理化性質(zhì)和有效態(tài)重金屬含量的影響

客土改良條件下，尾礦砂pH基本保持穩(wěn)定，而電導(dǎo)率出現(xiàn)不同程度上升（表3）。摻土和覆土都能顯著提高銅尾礦營養(yǎng)元素（N、P、K）含量（P＜0.05），且表現(xiàn)為覆土處理優(yōu)于摻土處理，F(xiàn)10 中尾礦總氮、總磷、總鉀、速效磷和速效鉀含量分別比CK 高15.04%、36.53%、16.45%、426.55%和735.89%。

由表4 可以看出，客土改良情況下有效態(tài)重金屬（DTPA 提取態(tài)）含量都有所降低。摻土處理對有效態(tài)重金屬含量的影響較小，僅在C20中有效態(tài)Mn、Cu和Zn 顯著低于CK（P＜0.05）；在覆土處理組，有效態(tài)重金屬含量除F5 處理中的Cu 外，其余均顯著低于CK（P＜0.05），有效態(tài)重金屬含量在兩種覆土處理間無顯著差異（Cu 除外），但在F10 中有效態(tài)Mn、Cu、Zn和Cd 都達(dá)到最低；C20 和F5 處理中土壤含量分別為20%和17%，但F5 處理中有效態(tài)Mn、Zn、Cd、Pb 含量均低于C20處理。

2.2 客土改良對香根草生長和生理特征的影響

本研究中，香根草生物量在 C10、C20、F5 和 F10 4種改良方式中分別比CK高19.42%、25.24%、72.57%和126.06%（表5）。葉綠素a、葉綠素b 和類胡蘿卜素含量在改良基質(zhì)中也均有不同程度的提高，但僅在F10處理中達(dá)到顯著水平（P＜0.05）。

表3 客土改良對銅尾礦理化性質(zhì)的影響（平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，n=4）Table 3 Effects of alien soil-improving on physicochemical properties of copper tailings（Mean±SD，n=4）

表4 客土改良下銅尾礦有效態(tài)重金屬含量（平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，n=4；mg·kg-1）Table 4 Available heavy metals content in copper tailings under alien soil-improving（Mean±SD，n=4；mg·kg-1）

客土改良后，香根草體內(nèi)MDA 含量較CK 降低11.21%～25.23%，SOD、CAT 和 POD 活性出現(xiàn)不同程度下降（圖1）。在F10處理組中，SOD、CAT 和POD 酶活性均顯著低于CK（P＜0.05），分別比CK 低35.80%、38.89%和29.25%，C10 處理中 3 種酶活性與CK 無顯著差異。

2.3 客土改良對香根草體內(nèi)重金屬含量的影響

與CK 相比，客土改良顯著提高香根草根中各重金屬含量（除C10外），對地上部重金屬含量增加并不顯著（圖2）。兩種摻土處理中，香根草根部Mn、Cu、Zn 和Pb 含量隨摻土量的增加而顯著增加（P＜0.05），但其地上部重金屬含量無顯著差異。不同于摻土處理，覆土處理中植物根中各重金屬含量顯著高于CK（P＜0.05），并且F10 顯著高于F5（除Cu 外），同時，覆土處理中香根草地上部Mn 和Pb 含量也顯著高于CK（P＜0.05）。

重金屬轉(zhuǎn)移系數(shù)的分析表明（表6）：香根草中5種重金屬的轉(zhuǎn)移系數(shù)在不同改良條件下均小于1，客土改良后重金屬的轉(zhuǎn)移系數(shù)與CK 差異不顯著，僅在F10中，Mn的轉(zhuǎn)移系數(shù)顯著高于CK（P＜0.05）。

2.4 Pearson 相關(guān)性分析

植物生理特征和有效態(tài)重金屬的相關(guān)分析表明（表7）：香根草生物量與尾礦中有效態(tài)Mn 含量呈顯著（P＜0.05）負(fù)相關(guān)，與有效態(tài)Zn 和Cd 含量呈極顯著（P＜0.01）負(fù)相關(guān)（相關(guān)系數(shù)分別為-0.962 和-0.967）。香根草葉綠素a 和葉綠素b 含量與尾礦中有效態(tài)Cu含量呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05）。SOD 活性與有效態(tài)Zn和Cd 含量呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），POD 活性與有效態(tài)Mn含量呈顯著正相關(guān)（P＜0.05）。

3 討論

客土改良能顯著改善銅尾礦極端養(yǎng)分貧瘠狀態(tài)，使尾礦基質(zhì)得到一定程度改良。這與魯統(tǒng)春等[21]發(fā)現(xiàn)客土改良能快速恢復(fù)廢棄地土壤理化性質(zhì)的研究結(jié)果一致，陳懷滿等[22]對德興銅礦區(qū)客土改良后也得出類似結(jié)果。合適的客土改良能降低尾礦中有效態(tài)重金屬含量。本研究中，客土用量和客土加入方式對降低尾礦有效態(tài)重金屬含量都有影響。在4種改良方式中，F(xiàn)10 處理對降低尾礦中有效態(tài)重金屬含量最有利。土壤中含有許多有機(jī)物和無機(jī)物，客土改良降低基質(zhì)重金屬有效性可能源于土壤中的有機(jī)質(zhì)和無機(jī)物（二氧化硅、氧化鋁、氧化鎂）產(chǎn)生重金屬吸附、絡(luò)合和離子交換作用[23]，從而導(dǎo)致有效態(tài)重金屬含量降低。

表5 客土改良下香根草生物量和光合色素含量（平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，n=4）Table 5 Biomass and photosynthetic pigment contents of Vetiveria zizanioides by alien soil-improving（Mean±SD，n=4）

表6 客土改良下香根草各重金屬元素的轉(zhuǎn)移系數(shù)（平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，n=4）Table 6 Translocation factor of each heavy metal element of Vetiveria zizanioides by alien soil-improving（Mean±SD，n=4）

生物量和光合色素含量可以反映植物生長情況。不同客土改良方式對提高香根草生物量和光合色素含量都有積極影響，這可能與基質(zhì)中重金屬含量有關(guān)。諸多研究發(fā)現(xiàn)，植物光合色素在重金屬脅迫下會明顯下降[24-25]。相關(guān)分析表明，香根草葉綠素含量與基質(zhì)有效態(tài)Cu 含量呈顯著負(fù)相關(guān)，較高濃度的Cu 在早期會破壞植物的葉綠體結(jié)構(gòu)，降低植物葉片的光合作用[26]。添加客土可以稀釋尾礦中的重金屬，此外，覆土處理在尾礦上重新構(gòu)建一個未受污染的表層，有效緩解了重金屬對植物的脅迫，促進(jìn)植物生長。

表7 香根草生理特征與尾礦有效態(tài)重金屬含量的Pearson相關(guān)性分析Table 7 Pearson correlation analysis on physiological characters of Vetiveria zizanioides with available heavy metals contents of tailings

植物在重金屬脅迫下，膜脂過氧化程度增加，進(jìn)而破壞植物細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)，MDA 是膜脂過氧化的重要產(chǎn)物，其含量可以反映細(xì)胞膜受損的程度[27]。在一定的重金屬濃度范圍內(nèi)，植物體會產(chǎn)生一些抗氧化酶，以此清除重金屬脅迫產(chǎn)生的活性氧（O-2），SOD、CAT和POD 是植物體內(nèi)重要的抗氧化酶，可將活性氧最終轉(zhuǎn)化為H2O 和O2，減輕重金屬脅迫[28-30]。研究結(jié)果表明客土改良減輕了香根草的氧化損害，其抗氧化酶系統(tǒng)還在未完全啟動狀態(tài)[31-32]。SOD 活性與基質(zhì)有效態(tài)Zn 和Cd 含量呈顯著正相關(guān)，POD 活性與有效態(tài)Mn 含量呈顯著正相關(guān)，客土改良對尾礦中重金屬的稀釋作用（表4）是導(dǎo)致香根草中抗氧化酶在不同基質(zhì)中產(chǎn)生差異的一個重要因素，基質(zhì)中重金屬含量增加會誘導(dǎo)植物產(chǎn)生一系列抗氧化劑和滲透性保護(hù)物質(zhì)，以此清除活性氧物質(zhì)，共同抵御外界脅迫[33]。在F10 處理組中，植物中抗氧化酶活性最低，這可能是由于覆土較厚，導(dǎo)致尾礦中的重金屬在向植物根系遷移時被土壤中的多孔顆粒吸附沉淀在土壤中，也可能是植物生長較好進(jìn)而通過其他機(jī)制協(xié)同抗氧化酶共同抵御重金屬脅迫。

有研究表明，客土改良能夠降低污染土壤中有效態(tài)重金屬含量，通過鈍化重金屬防止其被植物吸收[34]。本研究結(jié)果顯示客土改良降低尾礦中有效態(tài)重金屬含量（表4），但是植物體內(nèi)重金屬含量在改良條件下都有所增加，這和香根草的生長情況表現(xiàn)出一致性，客土改良條件下生長的香根草通過分泌一些代謝產(chǎn)物活化尾礦中的重金屬，活化后的重金屬被香根草過量吸收。張淑香等[35]研究發(fā)現(xiàn)，作物根系分泌的脂肪酸在根際環(huán)境積累會造成局部土壤酸性環(huán)境，從而促進(jìn)土壤中重金屬的溶解和根系的吸收。此外，一些植物還能在缺鐵條件下釋放植物高鐵載體[36]，促進(jìn)重金屬溶解。李文一[37]研究證實，香根草分泌的根系分泌物可以活化難溶性Zn、Cd。因此出現(xiàn)尾礦中有效態(tài)重金屬含量降低而香根草中重金屬含量增高的結(jié)果。張永蘭等[38]對銅尾礦客土改良后也發(fā)現(xiàn)，種植黑麥草顯著增加基質(zhì)中有效態(tài)Cu 含量，這說明黑麥草的生長促進(jìn)了基質(zhì)中Cu 的形態(tài)轉(zhuǎn)化。王亞男等[39]在重金屬鹽漬化土壤中施用EDTA 后，發(fā)現(xiàn)土壤中有效態(tài)Cd 含量降低，而鹽地堿蓬中Cd 積累量卻增加。何其輝等[40]也發(fā)現(xiàn)施用紫云英顯著降低土壤中有效態(tài)Cd 含量，而增加水稻根和秸稈的Cd 含量。此外，客土加入方式不同也會造成植物對重金屬的吸附差異，F(xiàn)5和C20兩種處理中基質(zhì)配比接近，但F5對應(yīng)的植物根中Mn、Cu 和Zn 含量顯著高于C20，這說明覆土較摻土更有利于香根草根部對重金屬的富集，尾礦摻土增大了尾礦和土壤顆粒的接觸面積，土壤中的有機(jī)物和無機(jī)物與尾礦中的重金屬離子充分吸附絡(luò)合，降低了重金屬的生物有效性，從而影響植物對重金屬的吸收。并且，在兩種覆土處理中，F(xiàn)10 處理條件下香根草的重金屬含量均顯著高于F5處理（Cu和Pb地上部分除外），這可能是由于覆土厚度增加，使植物根系在土壤中的部分增多，相較于養(yǎng)分貧瘠的尾礦砂，植物根系能吸收更多的養(yǎng)分，而香根草的根有很強(qiáng)的穿透力且對重金屬的吸收主要依靠發(fā)達(dá)的根系。王銳等[9]對高寒礦區(qū)植被恢復(fù)的研究也得出一致的結(jié)果。本研究的客土改良方式對香根草轉(zhuǎn)運(yùn)重金屬沒有較大影響，香根草仍可通過限制重金屬向地上部分運(yùn)輸來降低重金屬對地上部分的傷害，維持了較高的重金屬耐性。但在F10 處理中，Mn 的轉(zhuǎn)移系數(shù)顯著高于CK，這表明該處理能顯著提高M(jìn)n 向莖葉的轉(zhuǎn)移，原因可能是香根草對重金屬的選擇吸收以及重金屬在不同基質(zhì)中的擴(kuò)散能力不同，具體機(jī)制還需進(jìn)行更深入的研究。

利用覆土改良和植物修復(fù)技術(shù)可以改善尾礦庫環(huán)境，促進(jìn)其生態(tài)恢復(fù)，但重金屬的生物富集性會導(dǎo)致其通過生物鏈轉(zhuǎn)移，植物中的重金屬會轉(zhuǎn)移到植食性動物中，從而直接或間接危害人類健康，因此，需要定期收割植物集中處理，移除尾礦中的重金屬。

4 結(jié)論

（1）客土改良能改善銅尾礦基質(zhì)環(huán)境，提高營養(yǎng)元素（N、P、K）含量，降低有效態(tài)Mn、Cu、Zn、Cd、Pb 含量。

（2）客土改良條件下，香根草生物量增加，MDA含量和抗氧化酶（SOD、CAT 和POD）活性降低，說明客土改良可以緩解重金屬對香根草的氧化傷害，促進(jìn)銅尾礦中香根草生長，尤其是覆土10 cm 時作用效果最顯著。

（3）摻土改良不改變香根草體內(nèi)重金屬的轉(zhuǎn)運(yùn)，覆土改良可以促進(jìn)香根草根部對Mn、Cu、Zn、Cd和Pb的富集，覆土10 cm 條件下，香根草體內(nèi)重金屬含量顯著增加。