陜北煤礦污染區(qū)優(yōu)勢植物對土壤重金屬生態(tài)修復研究綜述

羅彩云 王曉榮

（榆林學院生命科學學院 陜西·榆林 719000）

1 研究意義

礦產資源的開發(fā)在為國家提供重要戰(zhàn)略資源的同時也造成了環(huán)境污染、地質災害、生態(tài)破壞等嚴重后果[1]。我國粗放型礦產資源的開發(fā)利用，導致大面積耕地土壤被重金屬污染，已成為影響農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重大環(huán)境問題。嚴峻的土壤重金屬污染，是我國經濟快速發(fā)展過程中長期逐漸累積的環(huán)境問題，其中礦產資源的開發(fā)是導致重金屬進入環(huán)境的最主要因素，且其中以煤礦開采造成的污染面積最大。

晉陜蒙接壤區(qū)既是中國重要煤炭能源基地，也是中國水土流失嚴重的生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)。近些年來該區(qū)大規(guī)模地表剝離式的露天開采嚴重破壞了原有地貌和生態(tài)系統(tǒng)，嚴重限制了該地區(qū)社會經濟的可持續(xù)發(fā)展。煤礦資源的開發(fā)利用造成的土壤重金屬污染由地球化學鏈、食物鏈進入生物體，給礦山及其周邊地區(qū)居民的食品安全、生態(tài)安全甚至社會和諧帶來嚴重隱患，因此對礦區(qū)污染土壤的生態(tài)恢復就顯得十分重要。

如何有效復墾己破壞的土地，重建礦地生態(tài)環(huán)境愈來愈引起各界的關注[2]?；谝陨蠁栴}，國內外學者對礦山及周邊地區(qū)多金屬污染在植物—土壤系統(tǒng)內的遷移、富集及對重金屬污染土壤的治理和植物修復技術等方面展開了大量的研究。與傳統(tǒng)的物理化學治理技術相比，植物修復（phytoremediation）具有經濟、對環(huán)境友好、能保持土壤生產力和無二次污染等優(yōu)點而廣泛應用于重金屬污染土壤修復。目前已發(fā)現(xiàn)植物修復材料因其生物量小、生長緩慢、生長環(huán)境苛刻等特點，難以解決大面積的土壤重金屬污染治理需求。而園林綠化植物具有生長迅速、生物量大、根系發(fā)達等特點，用于修復重金屬污染土壤的可行性引起了廣泛關注，通過營林的方式修復煤礦開采造成土壤重金屬污染的研究較少。

近年來，有關中國礦區(qū)廢棄地植被修復研究多見報道，但多側重于北方煤礦區(qū)廢棄地植被修復過程及特征的研究。雖然基于陜北礦區(qū)土地的破壞和復墾技術等諸多問題極具研究性，而國內外對此研究很少，關于陜北礦區(qū)優(yōu)勢植物群落對土壤的修復機理方面的研究更是鮮見公開報道。由于陜北地區(qū)煤礦開采造成了該區(qū)嚴重的土壤生態(tài)問題，而植被修復是煤礦區(qū)土壤修復的主要技術方法，加強煤礦區(qū)植被對土壤的修復機理的相關研究迫在眉睫。

2 國內外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài)分析

2.1 植物修復技術的概念

植物修復（Phytoremediation）指利用植物及其根際微生物體系的物理、化學或生物過程來吸收、揮發(fā)、轉化、降解或固定土壤污染物的一種原位生物修復技術。植物修復與傳統(tǒng)修復方法相比，其操作簡便、持效長、成本低、環(huán)境友好、且易于被公眾接受，已成為當前最有發(fā)展?jié)摿Φ耐寥牢廴拘迯图夹g[3]。

植被修復和重建有助于土壤養(yǎng)分的富集。植被修復后改變土壤表層覆蓋物的性狀，大量的次生草本和枯枝落葉減少水土流失，防止土壤養(yǎng)分的流失，增強土壤的滯水納墑能力，進而形成較好的土壤水肥條件，有助于土壤肥力的提高良好的土壤肥力水平又促進土壤生物繁殖和活力，植被的繁茂生長會產生大量的枯落物，在較好的水分和光熱條件下，必然會加速枯落物的分解轉化，導致土壤肥力性狀的進一步良化。這促進生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)，有助于生態(tài)系統(tǒng)服務功能的良好發(fā)揮，進而改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境條件。

2.2 礦區(qū)土壤修復植被種類及模式的選擇

土地復墾的核心內容是植被恢復，植被與土壤的關系非常密切，植被恢復和土壤質量的演變相互制約，互為動力。隨著植被恢復的進程，植被覆蓋度增加，枯落物增加，一方面枯落物分解腐化把大部分無機營養(yǎng)元素歸還土壤，另一方面改善了土壤的物理性質[4]。

在礦區(qū)土壤恢復研究中，選擇適宜的植物種類進行植被恢復，是整個生態(tài)恢復工作的一個重要環(huán)節(jié)。應當選擇對環(huán)境適應性強且對土壤具有改良作用的植被作為土地復墾的先鋒物種，把礦區(qū)退化工程整治與植被恢復相結合，具體到喬木、灌木與草本相結合，引入先鋒植物和鄉(xiāng)土植被，加強植被管理，加快植被恢復和土壤熟化等。例如：在安太堡露天煤礦新墾土地植被恢復中選用豆科牧草作為先鋒植物，以喬木、灌木、草本復合種植為最佳模式，可以有效控制水蝕和風蝕等危害，有利于土壤生態(tài)重建穩(wěn)固發(fā)展；阜新地區(qū)煤礦排土場植被恢復研究中提出，刺槐、沙棘、家榆等植物適用于煤礦排土場的植被恢復，可以增加土壤有機質成分；還有研究表明：植被恢復的矸石山上主要樹種對土壤水分物理性質的改善作用效果排序為：刺槐林>火炬林>側柏林。

2.3 礦區(qū)植被恢復對土壤性狀的影響

植被恢復與重建有利于促進土壤發(fā)育，改善土壤特性，提高土壤肥力。不同植被類型對土地改良效果不同。不同植被恢復模式均能改善土壤物理性狀，表現(xiàn)為植被恢復能夠降低土壤容重，增加土壤總孔隙度，毛管孔隙度與非毛管孔隙度，并能夠使土壤含水量得到顯著改善；不同植被恢復模式均能改善土壤化學性狀，不同植被恢復模式對土壤酶活性均有較顯著的影響，其土壤酶活性隨著植物種類的變化而變化。研究表明：不同人工林地恢復模式對表層土壤有機碳提高效果明顯；人工栽植灌木對土壤的培肥作用高于喬木；黑岱溝排土場土壤養(yǎng)分含量受植被配置類型影響顯著，混播有豆科牧草的純草本配置對土壤有機質、全氮、硝態(tài)氮恢復程度較好；沙棘+錦雞兒混交模式下土壤質量綜合評價值最高；不同植被恢復模式下土壤有機碳分布及碳儲量變化中發(fā)現(xiàn)草地固碳速率是林地的2.2倍；晉陜蒙礦區(qū)排土場進行生態(tài)修復時可優(yōu)先選擇以刺槐為主的豆科喬木、以沙棘為主的灌木以及長芒草等草本植物，并進行適當的套種、間種，以增強復墾效果。

2.4 植物根系分泌物對土壤各性狀的影響

根系分泌物（Rootexudates）是植物修復有機污染土壤過程中的關鍵物質，其通過營造適宜的根際生態(tài)微環(huán)境以促進根際微生物對污染物的降解，該過程是植物去除土壤污染物的主要作用機制。目前，該領域已成為植物修復研究的熱點，新的觀點、方法與技術不斷涌現(xiàn)，但相關的研究報道較少。通過影響根際土壤中微生物數量和活性來實現(xiàn)有機污染物的修復是主要途徑，由于根分泌物反映了植物之間、植物與土壤以及植物與微生物之間的物理、化學和生物關系，因此可以利用根系分泌物來改良土壤，尤其在污染土壤的修復中可能發(fā)揮重要作用。研究發(fā)現(xiàn)：根系分泌物在不同種屬植物間存在顯著差異，如豆科植物根系分泌物中脂肪酸的含量高于一般植物；根系分泌物中的粘膠對土壤微團聚體穩(wěn)定性、團聚體大小、分布等物理性質有顯著影響。根系分泌物可以加強土壤中微生物的活性。根系分泌物中含有一定量的轉化酶、磷酸酶、蛋白酶和過氧化氫酶等植物外酶類物質，它們在根際中形成的酶系統(tǒng)可直接降解有關的有機污染物；根系分泌物中大量的糖類、有機酸和氨基酸等物質為根際微生物提供了豐富的營養(yǎng)和碳源，使降解菌的生長和活性遠強于非根際土壤，從而提高了其對土壤有機污染物的降解能力；根系分泌物還能選擇性地影響微生物的數量，改變根際微生物的相對豐度和群落多樣性，誘導降解菌向根際富集，從而加快根際有機污染物的去除。然而，關于煤礦區(qū)植物根系分泌物對土壤各性狀之間的影響鮮見公開報道。

研究發(fā)現(xiàn)，群落結構不同對土壤各性狀的影響有一定差異。但是，煤礦區(qū)不同的植物群落對土壤的各性狀的影響差異有多大，不同的植物群落與土壤的物理、化學及生化性狀之間的關系，以及不同植物群落的根系分泌物對土壤各性質有什么樣的影響，這些關鍵的科學問題目前仍不明確。鑒于此，有必要從植物群落學、恢復生態(tài)學、景觀生態(tài)學、土壤學的角度闡明煤礦區(qū)優(yōu)勢植物群落對土壤的修復機理，為實現(xiàn)煤礦區(qū)的土壤修復提供理論依據。