植物修復(fù)對(duì)廬江礬礦區(qū)廢棄地土壤養(yǎng)分和重金屬含量的影響

左丹丹+黃金文+岳梅+劉盛萍+鄧呈遜

摘 要：該文采用土壤盆栽試驗(yàn)，研究高丹草、田菁2種草本植物分別與改良劑聯(lián)合作用對(duì)礦區(qū)土壤養(yǎng)分條件和可交換態(tài)重金屬Cu、Zn、As、Cd含量的影響。結(jié)果表明，廢棄地土壤在不經(jīng)任何處理自然放置120d后，有機(jī)質(zhì)和有效磷含量增加不明顯，全氮和速效鉀含量降低，可交換態(tài)重金屬元素含量變化不顯著，植物-改良劑聯(lián)合處理后，全氮、有機(jī)質(zhì)、有效磷和速效鉀含量顯著提升，土壤肥力改善明顯，可交換態(tài)重金屬有微量殘留，可見植物-改良劑聯(lián)合修復(fù)重金屬污染土壤具有可行性。

關(guān)鍵詞：礬礦；植物修復(fù)；養(yǎng)分；可交換態(tài)重金屬

中圖分類號(hào) X53 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2017）20-0047-04

Effects of Plant Restoration on the Soil Nutrient and Heavy Metal Content of the Abandoned Land in Lujiang Alunite Mine

Zuo Dandan1 et al.

（1Department of Biological and Environmental Engineering，Hefei University，Hefei 230601，China）

Abstract：Pot experiments were carried out to investigate the effects of the combination of the pacesetter and sesbania cannabina on soil nutrient condition and exchangeable heavy metal Cu，Zn，As and Cd in the mining area respectively.The results showed that it is not obvious that the content of organic matter and effective phosphorus increased，the content of total nitrogen and instant potassium decreased，and the content of the exchangeable heavy metal elements was not significant when the soil in the abandoned land had been disposed of for 120 days without any treatment.After the combined treatment of plants and modifiers，the content of total nitrogen，organic matter，effective phosphorus and instant potassium increased significantly，the soil fertility was improved obviously，and the exchangeable heavy metals had trace residues.The above indicated that the combination of plant-modifying agent and remediation of heavy metal contaminated soil was feasible.

Key words：Alunite mine；Plant restoration；Nutrient；Exchangeable heavy metal

礬山鎮(zhèn)礬礦是安徽省大中型閉坑礦山，礦石儲(chǔ)量達(dá)2億t，礦石類型以黃鐵礦、石英、明礬石礦石為主，已開采近千年，堆積了近5000萬t的廢石，大約形成了30000m2裸露的廢棄地[1-3]。廢棄地土壤受廢石產(chǎn)酸影響，其重金屬含量高，對(duì)植物的生長(zhǎng)造成毒害生境。近年來，篩選超富集植物修復(fù)重金屬污染土壤成為了植物修復(fù)的熱點(diǎn)，但由于超富集植物一般具有植株矮小、生長(zhǎng)緩慢、生物量低、周期長(zhǎng)等缺點(diǎn)，導(dǎo)致其在實(shí)際的工程應(yīng)用中較少[4]。因此，國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者利用非食用且具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的普通植物，并結(jié)合向污染土壤中添加改良劑的方法來修復(fù)礦區(qū)污染土壤，這是一條行之有效的途徑[5-6]。本文研究比較了高丹草和田菁2種草本植物與改良劑聯(lián)合作用于礬礦廢棄地土壤的修復(fù)效果，通過修復(fù)前后土壤養(yǎng)分條件和有效態(tài)重金屬含量的測(cè)定分析，揭示廢棄地土壤經(jīng)過植物-改良劑修復(fù)后土壤養(yǎng)分及可交換態(tài)重金屬變化的原因，為今后的礦區(qū)廢棄地植物修復(fù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料 供試植物為高丹草、田菁。供試土壤采自安徽省廬江縣礬山鎮(zhèn)礬礦區(qū)廢棄地。供試土壤改良劑主要為有機(jī)肥和粉碎后的農(nóng)業(yè)廢棄物秸稈，有機(jī)肥來自非凡生物科技有限公司，其pH為6.91，全氮為4.0%，有機(jī)質(zhì)為67.3%，有效磷為1.90g/kg，速效鉀為0.65g/kg。

1.2 盆栽試驗(yàn) 設(shè)置對(duì)照組和處理組，每組3個(gè)重復(fù)，處理組土壤施加改良劑（有機(jī)肥和粉碎后的農(nóng)業(yè)廢棄物秸稈）。將礦區(qū)采集的土壤去除大塊石礫，混勻，處理組土壤和改良劑的配比為5∶1，分別稱取600g置于塑料盆中（外口徑18.5cm，內(nèi)口徑16cm，底徑12cm，高17cm），處理組加入去離子水使土壤含水量為田間持水量的60%～70%，平衡7d后取出1～2cm厚的土壤，將高丹草、田菁草本植物種子分別均勻的撒在塑料盆里，用事先取出的土壤將種子均勻覆蓋鋪平，噴灑適量去離子水，出苗2周后每盆各留20株，植物生長(zhǎng)期間保持土壤濕度為田間持水量的70%，每30d采集植物根際土壤，進(jìn)行各項(xiàng)土壤理化性質(zhì)測(cè)定及Cu、Zn、As、Cd可交換態(tài)重金屬元素分析。endprint

1.3 樣品處理與分析 土壤基本理化性質(zhì)測(cè)定參照《土壤分析技術(shù)規(guī)范》；重金屬可交換態(tài)分析方法采用Tessier等的5步連續(xù)提取法[7]（表1）。用ICP-MS測(cè)定可交換態(tài)提取液中的重金屬含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 原礦不經(jīng)過任何處理120d后變化 礬礦廢棄地土壤自然放置120d后，土壤養(yǎng)分及可交換態(tài)重金屬含量變化見表2、表3。從表2可知，礬礦廢棄地土壤自然放置120d后，土壤有機(jī)質(zhì)和有效磷含量增加不明顯，全氮和速效鉀含量降低，即廢棄地土壤在無任何處理的情況下其養(yǎng)分狀況隨著時(shí)間呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，且分別屬于全國(guó)第二次土壤普查推薦的土壤養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)中有機(jī)質(zhì)含量6級(jí)指標(biāo)、全氮含量5級(jí)指標(biāo)、有效磷速效鉀含量4級(jí)指標(biāo)，養(yǎng)分極低。這可能與土壤結(jié)構(gòu)功能破壞有關(guān)，導(dǎo)致土壤自身的修復(fù)能力極弱，甚至基本喪失，因此，必須通過有效的途徑采用適宜的方法提高廢棄地土壤肥力。從表3可以看出，對(duì)照組不經(jīng)過任何處理下，隨著時(shí)間的變化，土壤可交換態(tài)Cu、Zn和As含量下降幅度明顯，引起這種變化的原因可能是土壤可交換態(tài)活性較高，極易遷移轉(zhuǎn)化，盆栽試驗(yàn)水分補(bǔ)給過程也會(huì)使土壤中可交換態(tài)重金屬轉(zhuǎn)變?yōu)樗軕B(tài)從塑料盆底部隨水流失掉，致使土壤中可交換態(tài)重金屬含量下降。

2.2 植物-改良劑對(duì)廢棄地土壤全氮的影響 由圖1可知，廢棄地土壤施加改良劑，種植高丹草、田菁20d后，土壤全氮分別為0.40%、0.29%，高于對(duì)照組土壤自然放置120d全氮含量0.029%，說明了草本植物和改良劑聯(lián)合修復(fù)能短時(shí)間迅速提高土壤全氮含量。有機(jī)肥增加了土壤全氮含量，滿足植物對(duì)氮肥的基本需求。另外，2種草本植物對(duì)土壤全氮含量累積也具有一定的差異性這是由于不同植物引入的植物殘?bào)w和根系分布之間的差異，導(dǎo)致植物根際土壤性質(zhì)、氮循環(huán)過程、土壤微生物數(shù)量及其生命活動(dòng)發(fā)生變化，最終使土壤氮含量發(fā)生變化[8-9]。高丹草種植組不僅凋落物量大，而且腐解速率較快，進(jìn)而明顯提高了土壤氮的輸入量。

2.3 植物-改良劑對(duì)廢棄地土壤有機(jī)質(zhì)的影響 廢棄地土壤施加改良劑后，種植高丹草、田菁后，土壤有機(jī)質(zhì)含量均有較大的改善效果。120d后，種植高丹草和田菁土壤有機(jī)質(zhì)較廢棄地土壤自然放置120d有機(jī)質(zhì)含量0.60%分別提高了8.82%、4.98%。以上結(jié)果表明，2種草本植物和改良劑聯(lián)合作用可提高廢棄地土壤有機(jī)質(zhì)含量，高丹草的改善效果更加顯著。這是因?yàn)橹参镄迯?fù)及植物殘?bào)w的腐化，同時(shí)，有機(jī)肥的施加也增加了土壤有機(jī)質(zhì)的含量[10]。

2.4 植物-改良劑對(duì)廢棄地土壤有效磷的影響 廢棄地土壤在改良劑聯(lián)合作用下，種植高丹草、田菁的土壤有效磷含量顯著提高。120d后，高丹草、田菁生長(zhǎng)的土壤有效磷含量分別為70.23mg/kg，75.06mg/kg，120d后田菁種植組對(duì)土壤有效磷的累積作用比較明顯。這是由于土壤改良劑中有機(jī)肥含磷量較高，以及植物生長(zhǎng)過程中的凋落物腐化分解作用。說明草本植物和改良劑聯(lián)合修復(fù)土壤，不僅能提高廢棄地土壤有效磷含量，改善土壤質(zhì)量，還可以提供充足的磷元素供植物生長(zhǎng)。

2.5 植物-改良劑對(duì)廢棄地土壤速效鉀的影響 由圖4可知，在植物和改良劑聯(lián)合作用下，土壤速效鉀含量較廢棄地土壤均得到了顯著提高，高丹草、田菁在120d后，速效鉀的含量分別為230mg/kg、200mg/kg，較添加改良劑后的土壤初始值750mg/kg有所降低，即2種植物聯(lián)合改良劑作用土壤可以提高廢棄地土壤中的速效鉀含量。土壤速效鉀的含量在試驗(yàn)初期提高顯著，這是因?yàn)橛袡C(jī)肥本身速效鉀含量較高，在試驗(yàn)后期，可能由于植物生長(zhǎng)發(fā)育需要大量的鉀元素以及對(duì)土壤營(yíng)養(yǎng)元素吸收的程度不同，造成速效鉀出現(xiàn)一定程度的下降。

2.6 植物-改良劑對(duì)廢棄地土壤有效態(tài)重金屬含量的影響 廢棄地土壤在改良劑作用下，高丹草、田菁種植120d，土壤重金屬元素含量變化見表3。由表3可知，礬礦廢棄地土壤在施加改良劑的基礎(chǔ)上種植兩種草本植物，土壤重金屬可交換態(tài)含量均有所降低。可見，植物-改良劑聯(lián)合作用可以顯著降低土壤可交換態(tài)重金屬含量。其原因主要是土壤改良劑中有機(jī)肥的添加，使土壤特性發(fā)生變化。一方面，添加有機(jī)肥后土壤理化性質(zhì)的改變刺激了土壤微生物的生命活動(dòng)，微生物通過生物吸附富集、氧化還原及溶解作用，改變土壤重金屬元素存在形態(tài)降低其遷移轉(zhuǎn)化的能力和生物可利用性。另一方面，有機(jī)肥和秸稈的添加也改善了土壤微環(huán)境，不僅提供了植物生長(zhǎng)發(fā)育所需的營(yíng)養(yǎng)元素，同時(shí)強(qiáng)化了植物的根際作用，使土壤可交換態(tài)的重金屬元素含量進(jìn)一步降低。

3 結(jié)論

（1）礬礦廢棄地土壤在不經(jīng)任何處理自然放置120d后，有機(jī)質(zhì)和有效磷含量增加不明顯，全氮和速效鉀含量降低，土壤養(yǎng)分極其缺乏；土壤可交換態(tài)下的重金屬元素含量也有所下降，但是下降幅度低于植物-改良劑聯(lián)合作用后的土壤。

（2）2種草本植物和土壤改良劑聯(lián)合處理120d后，土壤全氮、有機(jī)質(zhì)、有效磷和速效鉀含量顯著提升，土壤肥力改善明顯，但可交換態(tài)下重金屬元素還有微量殘留。

（3）高丹草和田菁均可用于礬礦區(qū)修復(fù)的植物種，同時(shí)還需要采用合理有效的措施提高土壤肥力，這不僅能防止廢棄礦區(qū)水土流失，還可以減少土壤重金屬污染面積繼續(xù)擴(kuò)大。

參考文獻(xiàn)

[1]范裕，周濤發(fā)，袁峰，等.廬樅盆地高硫化型淺層低溫?zé)嵋撼傻V系統(tǒng)：來自礬山明礬石礦床地質(zhì)特征和硫同位素地球化學(xué)的證據(jù)[J].巖石學(xué)報(bào)，2010，26（12）：3657-3666.

[2]宣之強(qiáng).中國(guó)明礬石資源及其應(yīng)用[J].化工礦產(chǎn)地質(zhì)，1998（4）：279-286.

[3]張壽穩(wěn).安徽廬樅地區(qū)高嶺土資源及其開發(fā)利用[J].地質(zhì)與勘探，2000（5）：49-51.

[4]袁敏，鐵柏清，唐美珍，等.四種草本植物對(duì)鉛鋅尾礦土壤重金屬的抗性與吸收特性研究[J].草業(yè)學(xué)報(bào)，2005，14（6）：57-62.

[5]束文圣，張志權(quán)，黃立南，等.雙穗雀稗重金屬耐性種群在鉛鋅尾礦生長(zhǎng)的野外實(shí)驗(yàn)研究[J].中山大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，39（4）：94298.

[6]Ye Z H，Wong J W C，Wong M H，et al.Lime and pig manure as ameliorants for revegetating lead/zinc mine tailing：a green house study[J].Bioresource Technology，1999，69（4）：35243.

[7]Tessier A.，Campbell P.G.C.，Bisson M.Sequential extraction procedure for the speciation of trace metals[J].Anal Chem，1979，51：844-851.

[8]鄒華，王振群，喬有明，段中華.三角城種羊場(chǎng)三種植被類型生物量及土壤碳氮含量比較[J].青海大學(xué)學(xué)報(bào)，2012（2）：49-55.

[9]賈曉紅，李新榮，李元壽.干旱沙區(qū)植被恢復(fù)中土壤碳氮變化規(guī)律[J].植物生態(tài)學(xué)報(bào)，2007，31（1）：66-74.

[10]Haynes R J，Naidu R.Influence of lime，fertilizer and manure applications on soil organic matter content and soil physical conditions：a review[J].Nutrient Cycling in Agroecosystems，1998，51（2）：123-137.

（責(zé)編：張宏民）endprint