不同植物對鉛鋅礦廢棄地礦渣抗侵蝕性的影響

董亞輝，戴全厚，鄧伊晗，江莉莉

（1.貴州大學 林學院，貴州 貴陽550025；2.河北省水利水電第二勘測設計研究院，河北 石家莊050021）

礦產資源的開采給人類提供了巨大財富的同時，也給礦區帶來了一系列生態環境問題。礦山占地的原因主要是露天采場及各類礦渣、工業垃圾等的堆置。一般一座大型礦山平均占地達1.80×105～2.0×105m2［1］。眾所周知，由于自然和人為因素，在重金屬礦山的開采至廢棄過程中，一方面極易造成嚴重的環境污染問題，另一方面，對自然地貌的嚴重干擾，尤其礦渣的隨意堆放，造成嚴重的水土流失問題，進而形成以廢棄地遺留物擴散流失而帶來的擴散污染問題。

前人對植物修復鉛鋅礦廢棄地礦渣的研究，主要集中在超富集植物的選擇、礦區植物重金屬特性的研究等方面［2］，而針對礦渣上生長植物的水土保持功能研究鮮有報道，本文借用前人研究土壤抗沖抗蝕的方法［3］，以栽植不同植物的礦渣為研究對象，研究了不同植物對礦渣的綜合固渣能力，旨在為重金屬礦山廢棄地修復植物選擇提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗容器為直徑20cm，高24cm規格的塑料培養缽。供試植物是在鉛鋅礦廢棄地適生植物調查的基礎上選定的，分別為光皮樺（BetulaluminiferaH.Winkl）、醉 魚 草 （BuddlejalindleyanaFort.）、蘆 竹（ArundodonaxLinn.）及五節芒〔Miscanthusfloridulus（Lab.）Warb.ex Schum et Laut〕。其中光皮樺和醉魚草為野生1年生幼苗，在貴陽清鎮市及花溪區周邊采集，采集中選擇地徑及苗高基本一致的幼苗；蘆竹和五節芒為幼芽，于花溪河周邊采集，均為野生。每種植物設計15個重復，分別掛標牌，同時在植株野外采樣點選擇相同大小的植株作為對照。

盆栽試驗基質為六盤水市嘉聯廢棄鉛鋅礦礦渣，用蛇皮袋運回，未作處理直接裝盆，每盆10kg。礦渣的基本性質如表1所示。

表1 礦渣的基本化學性質

測定試驗容器礦渣中生長200d后的光皮樺、醉魚草、五節芒及蘆竹整盆礦渣的整株拉拔力，礦渣盆的緊實度及各種植物下的礦渣抗沖抗蝕性，以同期裝盆但未種植植物的礦渣盆作為對照。

1.2 試驗方法

（1）植株整株拉拔試驗。土壤植株抗拉性試驗采用自制的拉力測定裝置，先將花盆帶植物垂直放置于有10cm水深的水盆中，待花盆內土壤吸水達到飽和狀態后，空去多余的水，用特定的根夾夾住植物的莖底端，通過滑輪與水桶連接，向空桶內緩慢加水作為拉力源，記錄根系拉斷時水和水桶的質量，然后測出滑輪的摩擦系數，將水和水桶的質量換算成拉力，即得出根系的抗拉強度［4］。

（2）礦渣緊實度測定。待花盆內礦渣吸水達到飽和狀態后，用緊實度計（具有彈簧游標，并附有各種型號的彈簧與探頭）測定花盆中間（約8cm）礦渣的緊實程度［5］。本研究采用直徑10mm圓柱探頭，根據探頭入土深度、探頭類型、彈簧的粗細，查“土壤緊實度換算表”即可得到礦渣緊實度的數值。

（3）礦渣抗沖試驗。礦渣抗沖性指標的獲取采用改進的原狀土沖刷法，水槽寬20cm，長150cm。具體操作方法是，將植株整盆豎直放置于有10cm水深的水盆中，浸泡至花盆上部有明顯水分滲出而達到飽和，以便保證沖刷時直接產生徑流，將達到飽和的礦渣柱空去多余的重力水，用電子天平稱重，然后將花盆塑料壁沿直徑剪開至底部，去掉上半部盆壁，下半部帶花盆壁用紙箱盒固定，后橫放水槽的末端，使水流最大限度地沖刷礦渣柱的上側面。試驗過程中沖刷坡度保持一致，約為15°，用溢流裝置保持水流速度恒定在8.5L／min，沖刷時間為5min，5min內沖完的以具體沖完的時間計算。用電子天平稱量抗沖后含飽和水礦渣柱的重量（含根系），計算出沖刷走的含飽和水的礦渣重，據此進一步計算出抗沖系數，即每沖掉1g含飽和水的礦渣重所需的水量（L），用C（L／g）表示。以同期裝盆但沒有栽植植物的礦渣盆作為對照。

計算根系對礦渣抗沖性影響的指標為土壤抗沖性增強值，用E（enhancement value of antiscouribility）表示，計算公式為：

式中：E——土壤抗沖性增強值；Ci——含栽植植物根系礦渣的抗沖系數；C0——空白對照礦渣的抗沖系數；△C——由于某種植物根系存在而使礦渣抗沖系數增加的值。那么，E值就是由于礦渣中根系的存在而使礦渣抗沖性增加的倍數，它能很好地反映某種植物根系對礦渣的抗沖性增強效應［6］。

（4）礦渣抗蝕試驗。礦渣抗蝕性指標的獲取采用改進的靜水抗崩解裝置。具體方法是將含植株及對照礦渣盆整盆豎直放置于有10cm水深的水盆中，待礦渣盆吸水飽和，沿花盆直徑剪開，去掉整個盆壁，用電子天平稱重，然后將整盆垂直放在孔徑為2cm的鐵網網板上，用鐵絲圈支架固定以防止倒塌而不影響崩解，置入靜水中進行崩解實驗，時間以30min為限，30min內崩解完的則以具體的崩解時間計算。稱量崩解前后含飽和水的礦渣重量（崩解后的礦渣重量也包括崩解掉的根重），計算崩解掉的含飽和水的礦渣重，崩解速率用單位時間崩解的含飽和水的礦渣重來衡量，用V（g／min）表示。

衡量根系對礦渣抗蝕性的影響，使用礦渣抗蝕性增強系數（coefficient of enhancement antierodibility）來計算，用Ce表示，計算公式為：

式中：Ce——由于根系的存在而使礦渣崩解速率減緩的系數，也就是根系對礦渣抗蝕性的增強系數；V0——對照盆礦渣的崩解速率；Vi——含某種植物根礦渣的崩解速率；△V——由于根系存在而使礦渣崩解速率的減緩值。Ce值的范圍在0～1，其值越接近于1，增強效應越顯著［6］。

2 結果與分析

2.1 不同植物地下根系分布特點及生物量

羅汝英［7］將林木根系分為三種類型：主直根型、散生根型和水平根型，按照這種根系分類方法，五節芒和蘆竹均為禾本科植物，根的生長為散生根型，醉魚草的根系偏向于散生根型，光皮樺的根系為主直根型。在盆栽中表現為，蘆竹及五節芒的根幾乎布滿整盆，根系沿著盆壁形成桶狀，在盆栽核心部分反而較少；醉魚草的根系在盆栽中表現為明顯的區域性，在整個栽植盆中，一定的位置完全布滿根系，而在其他部分根系分別明顯減少；光皮樺根系偏向于直根生長，由于側根還沒有發育，其在盆栽中多為苗木向下部垂直生長，在盆栽中的核心根系集中分布，而在盆壁周圍明顯減少。

考慮到植物不同根徑的根會對礦渣不同的作用，對植物的根系按根徑分為＞1mm的中細根及1mm以下的極細根兩大類，由表2可知，4種植物的地下生物量大小為蘆竹＞醉魚草＞五節芒＞光皮樺。而且蘆竹的根系總量明顯大于其他3種植物，4種植物根系中根徑＞1mm與＜1mm的根的生物量比分別為1∶1.21，1∶2.36，1∶6.88，1∶2.28。

表2 不同植物根系生物量及根密度

2.2 不同植物在礦渣上的整株抗拉拔特征

4種植物的整株拉拔力大小為：蘆竹＞五節芒＞醉魚草＞光皮樺，其中蘆竹的抗拉優勢明顯，為203.77N，為五節芒138.30N的約2倍，醉魚草與苗期光皮樺的整株抗拉拔能力相近，分別為73.12和70.58N。

將4種植株的抗拉拔力，分別與其地上、地下及總生物量指標進行擬合，擬合結果顯示，植株的整株抗拉拔性與植株的生物量密切相關。其中，與植株的總生物量關系最為顯著，相關系數達0.95以上，除此以外，植株的抗拉能力與植株根系生物量呈正相關關系，尤其與根徑＞1mm的根系生物量關系密切，相關性達0.89，為顯著正相關。與根徑＜1mm的根系生物量相關性為0.85，也為顯著正相關，分別與地上地下生物量相關性稍低，均為正相關。

2.3 不同植物對礦渣緊實度的影響

從圖1可知，4種盆栽植物的中心礦渣緊實度大小為：苗期光皮樺＞醉魚草＞無節芒＞蘆竹＞空白。礦渣上種植植物后，由于根系的固結、纏繞，使原本顆粒較多，黏性極差的礦渣逐漸結合在一起，礦渣的緊實度明顯增加。

圖1 種植不同植物的礦渣緊實度

土壤緊實度與植株的擬合關系顯示，礦渣緊實度與根系生物量為負相關，相關性顯著（R2＝0.76）。出現這種情況，筆者認為因植物生長在固定體積容器中，根系生物量不同，導致根密度分布不同所致。光皮樺及醉魚草根系生物量要遠小于蘆竹及五節芒，這2種植物的根系在盆栽礦渣中的生長遠沒有達到飽和，更多地表現為對礦渣的固結、牢籠，更偏向于根系對土壤的加筋作用。而蘆竹及五節芒的根系生物量過高，在盆栽中的根密度達到6.99，20.07g／dm3，這樣高的根密度是外界環境限制所致（盆栽容器固定）。

2.4 不同植物對礦渣抗蝕性的影響

由表3可見，4種植物對礦渣的抗蝕性均有明顯增強效應，醉魚草、五節芒及蘆竹對礦渣抗蝕增強系數均在0.95及以上，最高的蘆竹達到0.98，醉魚草對礦渣抗蝕性增強效果稍低，增強系數為0.67。整體上4種植物對礦渣抗蝕性增強系數差異性不顯著，尤其醉魚草、五節芒及蘆竹之間差異不明顯。從崩解結果來看，在礦渣上種植植物以后，能夠明顯減少礦渣被懸浮崩解的數量。在沒有種植植物的礦渣，極易被懸浮崩解，可以說是遇水即散，在30min內，有3 955g礦渣隨水崩解，而種植植物后，礦渣的崩解量明顯降低，其中蘆竹的降低量最為明顯，只有95g，為空白對照盆的近1／40，植物盆中，減少量最少的為光皮樺，其沖出量約為對照盆的1／3。礦渣上栽植植物后，較之空白對照礦渣，其在靜水中的崩解速率大大降低。

將植物對礦渣抗蝕性增強系數分別與植物根系總干重、根徑＞1mm及根徑＜1mm的根系生物量進行相關性分析，結果顯示，礦渣受侵蝕減緩率與植株根系總重、根徑＜1mm及根徑＞1mm根系生物量呈正相關關系，其中礦渣受侵蝕減緩率與植株根徑＜1mm根系生物量呈極顯著相關，決定系數R2＝0.951；與植株根徑＞1mm及根系總生物量相關顯著性有所降低，決定系數R2分別為0.767和0.864，為正相關。這說明隨著根系的增多，礦渣在水中的崩解速率會降低。這同吳淑安等［8］的研究結果一致，他們發現有植物根系的土壤，其崩解速率遠比少根系或缺根系的土壤慢。

表3 種植不同植物的礦渣靜水崩解情況

2.5 不同植物對礦渣抗沖性的影響

4種植物對礦渣的抗沖性均有明顯的增強效應，但是不同物種對礦渣的抗沖性增強效應不同（表4）。總體上看，蘆竹對礦渣抗沖性的增強效果最明顯，為26.63，其次為醉魚草的14.27及五節芒的4.0，增強效果最弱的為光皮樺的1.46。4種植物對礦渣抗沖性增強效應差異性極顯著（p＜0.05）。反映到沖刷結果上，礦渣上栽植植物，其根系的纏繞固結使礦渣被水流沖刷出的量明顯減小，空白礦渣盆在5min內，沖出2 901g，種植植物后，沖刷出礦渣量明顯減少，減少量最多的為蘆竹與醉魚草，減少量在2 700g以上，減少量最少的光皮樺，減少量也在1 700g以上。礦渣在自然環境中多以粗顆粒狀、隨意堆砌的人為坡積體形態出現，易于被沖刷，尤其在暴雨下，礦渣上往往出現明顯的溝蝕現象。可以看出，單純花盆中堆砌200d的礦渣，沖走每1g礦渣僅需要0.01L的徑流，而只要有植物生長，沖走每1g礦渣所需要的水量會成倍地增加。

表4 種植不同植物的礦渣沖刷情況

將植物對礦渣抗沖性增強值與植物根系生物量進行擬合分析，結果顯示，4種植物對礦渣抗沖性增強值與植物根系總生物量呈顯著正相關，決定系數R2＝0.898，同 時 分 別 把 根 直 徑 ＞1mm 及 根 徑＜1mm的根生物量與植物對礦渣抗沖性增強值進行擬合，結果顯示，兩者均與礦渣抗沖性增強值呈顯著正相關，決定系數分別為0.833及0.877 5。總體上與前人［9－11］研究結果基本一致。

3 討論

根系與基質（大多數為土壤）緊實度的相關研究對土壤緊實度對植物生長的影響進行了分析，譬如，在緊實土壤中根系生長速度減慢，根型變粗，緊實度高有利于根系對營養及水分的吸收［12］。有研究表明，部分植物在生長的一定時期，土壤緊實度會隨著植物根系生物量的增加而增大，主要考慮到在固定體積內，根系的增加對土壤本身的擠壓［13］。而過高的根密度，會增加根系的凋謝死亡［12］，也就是增加了根系的死根量，從而增加礦渣有機質含量，使心土熟化，降低礦渣的堅實度和容重。所以在盆栽容器中，由于不同植物根生長特性及容器體積的限定，當植物根系達到一定密度的時候，會表現出基質緊實度隨根系生物量增加而增加或降低的現象。結合鉛鋅礦廢棄地中礦渣隨意堆放且堆放面積、厚度大的現實，筆者認為，蘆竹及五節芒的栽植，更多地會表現出對礦渣緊實度的增加上。

本試驗未對植物根系嚴格分級，但是植物根系對礦渣抗侵蝕性的增強效果卻與植物的總根系生物量成正相關。筆者認為，這一方面是因為礦渣本身的特性，即疏散性，只要有根系的存在，就會對礦渣進行纏繞固結，增加其整體性，尤其在盆栽試驗中；另一方面，本次栽植的植物，未出現較粗大的根系（d＞2mm），且根徑＜1mm的根生物量要遠高于根徑＞1mm的根生物量，按照通用的根系分級法，均屬于細根的范疇。有研究表明，土壤抗沖性強化值與＜1mm徑級的須根密度關系最為密切［14］，因此針對本次抗沖試驗可以認為，在礦渣抗沖貢獻率上，植物＜1mm的根系發揮主要作用，這與前人研究土壤的結果相一致。

植物根系的存在，會增強土壤抗侵蝕能力，前人已做了較多的研究，本次試驗的基質選為鉛鋅礦廢棄地上的礦渣，由于礦渣與土壤有明顯的物理性狀上的差異，植物根系對礦渣抗侵蝕能力的增強效果更趨于直接和明顯。因此，有必要在自然狀態下的鉛鋅礦廢棄地礦渣上進行不同適生植物的生態修復示范，并設立水土保持監測配套設施，進行鉛鋅礦廢棄地水土流失監測，以期為今后鉛鋅礦廢棄地生態修復全面的效益評價提供數據支持。

4 結論

（1）盆栽4種植物的根系生物量大小表現為蘆竹＞五節芒＞醉魚草＞苗期光皮樺，且主要集中在根徑＜1mm的根系上。

（2）植株的抗拉拔能力大小為蘆竹＞五節芒＞醉魚草＞苗期光皮樺。植株的整株抗拉拔性，與根系生物量密切相關。4種盆栽植物的中心礦渣緊實度大小為苗期光皮樺＞醉魚草＞芒草＞蘆竹＞空白。礦渣緊實度與根系生物量之間為負相關，相關性顯著。

（3）4種植物對礦渣的抗蝕性均有明顯增強效應，醉魚草、五節芒及蘆竹對礦渣抗蝕增強系數均在0.95及以上，礦渣受侵蝕減緩率與植株根系總重、根徑＜1mm及根徑＞1mm根系生物量呈正相關關系。

（4）4種植物對礦渣的抗沖性均有明顯的增強效應，但是不同物種對礦渣的抗沖性增強效應不同。蘆竹對礦渣抗沖性的增強效果最明顯，增強效果最弱的為苗期光皮樺。4種植物對礦渣抗沖性增強效應差異性極顯著（p＜0.05）。植物對礦渣抗沖性增強值與植物根系生物量呈顯著正相關。

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