徐 磊, 周 俊, 張文輝, 崔紅標,劉海龍, 劉創慧, 梁家妮, 周 靜
(1.中國科學院 南京土壤研究所, 南京 210008; 2.中國科學院 土壤環境與污染修復重點實驗室,南京 210008; 3.中國科學院大學, 北京 100049; 4.江西省重金屬污染生態修復工程技術研究中心,南昌 330096; 5.國家紅壤改良工程技術研究中心, 中國科學院紅壤生態試驗站, 江西 鷹潭 335211;6.安徽理工大學 地球與環境學院, 安徽 淮南 232001; 7.長安大學 環境科學與工程學院, 西安 710064)
植被恢復對重金屬污染土壤有機質及團聚體特征的影響
徐 磊1,2,3,5, 周 俊1,2,5, 張文輝1,2,5, 崔紅標6,劉海龍1,2,3,5, 劉創慧1,7, 梁家妮1,2,5, 周 靜1,2,3,4,5
(1.中國科學院 南京土壤研究所, 南京 210008; 2.中國科學院 土壤環境與污染修復重點實驗室,南京 210008; 3.中國科學院大學, 北京 100049; 4.江西省重金屬污染生態修復工程技術研究中心,南昌 330096; 5.國家紅壤改良工程技術研究中心, 中國科學院紅壤生態試驗站, 江西 鷹潭 335211;6.安徽理工大學 地球與環境學院, 安徽 淮南 232001; 7.長安大學 環境科學與工程學院, 西安 710064)
采用田間原位試驗,研究了不同植被恢復3年對重金屬污染土壤有機碳及團聚體結構和穩定性的影響,評價了不同植物修復效果的差異,為農田重金屬污染土壤修復中,合理選擇植被類型,以及建立評價標準提供理論依據。在某Cu,Cd重度污染農田建立田間小區,施加鈍化材料石灰(對照除外)后種植海州香薷(ME),伴礦景天(MS)和巨菌草(MP)3種植物,3年的田間原位修復試驗后,分析各處理下土壤有機質含,>0.25 mm機械穩定性團聚體(DR0.25)和水穩定性(WR0.25)團聚體含量,團聚體平均質量直徑(MWD),幾何平均直徑(GMD),團聚體穩定率(AR,%)和分形維數(D)等團聚體穩定性指標。結果表明,3年植被恢復后,3種植被處理均提高了土壤有機質含量,提高幅度為2.89%~5.39%,并提高了>0.25 mm機械穩定性團聚體(DR0.25)和水穩定性(WR0.25)團聚體含量,提高幅度分別為2.89%~5.39%,6.64%~10.40%和13.34%~17.48%。3種植物處理均可以顯著提高土壤機械穩定性團聚體和水穩性團聚體的平均質量直徑(MWD)和幾何平均直徑(GMD),其中以巨菌草處理提高幅度最大。在團聚體穩定性方面,3種植物處理均可以提高團聚體的穩定率(AR,%),以海州香薷處理提高幅度最大;植物處理可以顯著降低土壤機械穩定性團聚體的分形維數(D),但對水穩定性團聚體的分形維數沒有明顯的影響。綜上所述,采用鈍化加原位植物修復可以提高重金屬重度污染農田的有機質含量和土壤團聚體的穩定性,改善土壤結構,可以在重金屬重度污染土壤修復中推廣應用。
土壤; 重金屬污染; 植被恢復; 有機質; 團聚體穩定性
隨著工業化和農業現代化的發展,重金屬污染已經成為許多國家面臨的問題,土壤重金屬污染作為主要污染問題也變得日趨突出[1],因此對重金屬污染土壤進行修復也日益成為國際和國內關注的熱點[2]。土壤重金屬污染修復常用的方法中,物理法因工作量大、對土壤破壞嚴重、容易產生二次污染等特點,難以應用到大面積的重金屬污染農田修復中,而化學法和生物法,因為操作簡便,成本低廉等特點被越來越多地應用到修復實踐中[3]。目前化學法較常用的是向土壤中加入各類鈍化材料,通過對重金屬的吸附、沉淀(共沉淀)及絡合等作用,降低土壤中重金屬的生物有效性和遷移性[4],而生物法目前較常用的是利用超積累植物或高生物量植物,通過萃取作用降低土壤中重金屬的含量[5]。在重度污染的農田中,由于重金屬濃度高、毒性強,導致許多作物難以生長,此時將化學鈍化法和植物法結合進行田間修復,將是一種解決重度污染問題的有效方法[6]。
團聚體作為土壤結構的基本單元,其穩定性及其影響其穩定性因素的研究,對保持土壤良好的結構和土壤肥力具有重要意義[7]。生物措施作為水土保持及改善土壤質量最根本的方法,對土壤團聚體有重要的影響,植物通過根系分泌物,以及凋落物的分解增加土壤有機質含量,從而促進團聚體的形成和穩定性的提高,改善土壤理化性質。另一方面,有機質作為土壤質量和功能的核心評價指標,與團聚體關系密切;土壤團聚體和有機質可以直接或間接反映土壤類型、植株類型、環境的綜合指標,團聚體對有機質的包裹也是土壤固定碳的重要途徑[8]。然而目前國內外在土壤重金屬污染修復的研究中,多關注修復后土壤重金屬的存量或毒性,而關于修復后土壤團聚體及有機質變化的研究鮮見報道。在重金屬污染農田修復過程中,為了控制修復成本,通常選用廉價易得的修復材料,而石灰作為一種常見的材料,價格低廉,在較小的施用量時便可以達到固化土壤中重金屬的效果,同時石灰作為一種堿性材料還具有提高土壤pH值,降低土壤酸化危害的作用,在我國南方地區得到了大范圍的應用[9]。海州香薷和伴礦景天分別作為Cu的耐性植物和Cd的超富集植物,在重金屬污染土壤的修復中都得到了廣泛應用,而巨菌草作為一種能源植物,具有生長速度快、抗逆性強、生物量大的特點,具有進行重金屬污染土壤修復的潛力[10]。因此在本研究中,通過向土壤中添加石灰,然后種植海州香薷、伴礦景天和巨菌草,經過3 a的田間試驗后研究土壤團聚體的結構和穩定性特點,以及土壤中有機質的含量變化,分析不同植被恢復對土壤團聚體分布和穩定狀況的影響。通過研究不同植被恢復過程對土壤有機質含量、土壤團聚體結構和穩定性的影響,優化重金屬污染土壤修復技術和評價標準,從而為重金屬污染農田修復技術的提高和評價標準的優化提供理論依據。
試驗地點位于江西省貴溪市濱江鄉柏里村陳家村小組,該區緊鄰貴溪市某大型銅冶煉廠,由于長期的引水灌溉和大氣沉降等因素導致該區農田受到嚴重的重金屬污染,主要污染物為Cu,Cd,由于污染程度重,該區域大部分農田已棄耕多年,試驗區部分農田已出現沙化現象,加之該區域位于南方典型的酸雨區[11],酸沉降等因素加劇了土壤的污染程度。試驗區土壤為砂質壤土,土壤pH值為4.23,有機質含量為31.1 g/kg,堿解氮、速效磷、速效鉀含量分別為51.6、87.4和52.0 mg/kg,土壤全Cu和全Cd濃度分別為606和0.38 mg/kg。
供試鈍化材料:石灰(熟石灰,過60目),購自鷹潭建材大市場,pH值為12.2,Cu,Cd含量分別為1.36,0.87 mg/kg。海州香薷(Elsholtziasplendens):采用室內種子育苗,田間移栽;伴礦景天(Sedumplumbizincicola):采用室內種子育苗,田間移栽;巨菌草(Pennisetumsinese):采用扦插種植,扦插種苗購自當地農民。
試驗設計:本田間試驗共有4個處理,每個處理設3個重復,共12個小區,小區面積4 m2(2 m×2 m),為防止相鄰小區的相互影響,小區之間用水泥板隔開,水泥板地下埋深30 cm,地上部分20 cm。
試驗過程:試驗于2013年4月25日開始,將0.2%的石灰(0—17 cm表層土壤質量百分比)一次性施加入除CK處理的每1個小區,然后進行人工混勻平整,并于平整后的1個星期栽種植物,其中海州香薷(記為ME)和伴礦景天(記為MS)株距為20 cm×20 cm,巨菌草(記為MP)為50 cm×50 cm。試驗中每年7月份初所有處理施加一次尿素,用量為80 g/小區。伴礦景天在每年的8月初進行收獲,由于伴礦景天根系較小,難于取出,因此只收獲地上部分,海洲香薷和巨菌草于每年的12月初進行乂割,并用鋤頭取出海州香薷的根系,而巨菌草由于根系發達,且為多年生草本植物,根系可越冬,因此不取出,次年春天會發芽生長。2015年12月10日,在采集植物樣品前,在各個小區隨機選取3個點,用鐵鍬采集0—17 cm表層的原狀非根際土壤,每個樣點約1 kg,組合成混合樣品,裝入硬質塑料盒后帶回實驗室,風干后用于土壤團聚體和土壤性質分析。
樣品測定:土壤團聚體的測定,采用干篩法[12]和濕篩法[13]分別測定了≥5 mm,2~5 mm,1~2 mm,0.5~1 mm,0.25~0.5 mm和<0.25 mm等不同粒級的團聚體組成。并在此基礎上計算了>025 mm機械穩定性團聚體(DR0.25),水穩性團聚體含量(WR0.25),團聚體平均質量直徑(MWD,mm),幾何平均直徑(GMD,mm),土壤團聚體穩定率(AR,%)和質量分形維數(D)[14]。
數據處理:采用Ecel 2010進行數據處理、SPSS 20.0軟件進行方差分析(One-way ANOVA-Tukey)和相關性分析(Pearson),用Sigmaplot繪制圖表。
由圖1可知,該退化土壤植被恢復3 a后,3種不同的植物恢復條件均顯著提高了土壤有機質含量,其中MP處理提高最大,達到5.39%,伴礦景天和海州香薷處理次之,分別為3.44%和2.89%。這說明,不同的植被類型對退化土壤有機質的影響存在一定差異。結合3 a中3種植物的生物量(圖2)情況可以發現,在未施加石灰的CK處理中,無任何植物不能生長(包括雜草),而施加石灰后,3種植物均可以正常生長,巨菌草的地上部分生物量最大,單位小區年平均生物量為11.89 kg,而伴礦景天的年平均生物量最小,只有0.94 kg。戴全厚等[15]的研究結果表明,在植被恢復的過程中,植物地上部分生物量和土壤有機質含量呈二次曲線正相關。在本研究中,對植物地上部分生物量和土壤有機質含量進行相關性分析發現相關系數為0.589,但并未達到顯著性水平,這可能是由于植被恢復時間較短,對土壤有機質含量的提高量有限。同時3 a中巨菌草的生物量呈現上升趨勢,而其他兩種植物并沒有出現該現象,這可能是由于在植被恢復的過程中,巨菌草對土壤質量的提高作用較大,在植被恢復的3 a中,土壤質量不斷得到改善,有利于植物生長和植物地上部分生物量的累積[16]。因此,在植被恢復過程中,植物地上部分生物量和土壤有機質含量呈現正向互作效應,選擇生物量較大,生長速度較快的植物進行重金屬重度污染土壤的田間原位修復,有利于土壤有機質的積累和土壤質量的提高。

注:CK=對照;ME=石灰+海州香薷;MS=石灰+伴礦景天;MP =石灰+巨菌草;不同小寫字母表示不同植物處理間差異性顯著(n=3,p<0.05)。
圖1不同植物處理對土壤有機質的影響
2015年植被收獲前各處理土壤>0.25 mm 機械穩定性團聚體含量(DR0.25)為69.36%~76.57%(表2),低于許多報道中機械穩定性團聚體含量[17],這說明該區土壤物理結構較差,這可能與該區域土壤污染嚴重,植物難以生長,導致土壤出現輕微沙化現象,導致土壤結構惡化有關。3種植被恢復3 a后,均顯著提高了土壤DR0.25的含量。而且3種植物處理主要提高了機械穩定性團聚體中>5,2~5,0.5~1 mm的團聚體含量,尤其是>2 mm團聚體,這說明這3種植被恢復對土壤>0.25 mm 機械穩定性團聚體形成有顯著的促進作用,且主要通過提高>2 mm機械穩定性團聚體含量來提高>0.25 mm 機械穩定性團聚體含量。在3種植物中,巨菌草處理對土壤大團聚體的提高幅度最大,尤其是>5,2~5 mm團聚體,分別較CK處理提高28.98%和10.11%,而對1~2,0.5~1,0.25~0.5 mm團聚體的影響中,3種植物處理之間的差異并不顯著,這說明在3 a的植被恢復過程中,巨菌草對大團聚體的提高幅度最大,最能改善土壤的物理結構。
在土壤水穩性團聚體組成方面,各處理>0.25 mm水穩定性團聚體含量(DR0.25)含量為44.74%~52.56%(表3),3種植被恢復3 a后都可以顯著增加土壤水穩定性團聚體含量,但與機械穩定性團聚體相似的是,3種植物處理之間并不存在顯著差異。分析水穩定性團聚體增加部分的粒徑組成可以發現,增加部分主要集中在>5 mm團聚體中,而在其他粒徑組成中增加幅度并不顯著,甚至海州香薷處理和伴礦景天處理在0.5~1 mm之間的團聚體出現了顯著的下降趨勢,這和鄭學博[18]等人的研究結果相同,即植被恢復過程中主要增加了>5 mm大團聚體的含量。


圖2 3種植物不同年份中的地上部分生物量

表3 植被恢復對重金屬污染土壤水穩定性團聚體組成的影響
通過分析各個處理土壤>0.25 mm機械穩定性團聚體(DR0.25)和水穩定性團聚體(WR0.25)與土壤有機質的相關性發現,DR0.25和WR0.25均與土壤有機質含量呈顯著正相關關系,相關系數R2分別為0.829和0.741。為了得出土壤有機質與>0.25 mm機械穩定性團聚體和水穩性團聚體的關系,我們進一步將其與土壤有機質含量進行線性擬合(圖3),發現兩者均與土壤有機質呈顯著線性正相關,這與鞏杰[19]等人的研究結果是一致的。這一結果說明,>0.25 mm機械穩定性團聚體和水穩性團聚體含量提高的主要原因可能是植被恢復的過程中,土壤有機質含量升高,促進了團聚體的膠結過程,加快了小團聚體向大團聚的轉化,從而改善土壤結構,這對于該重金屬重度污染土壤的質量恢復有重要作用。

圖3>0.25mm團聚體含量(DR0.25,WR0.25)與有機質含量的擬合
2.3.1 團聚體大小 平均質量直徑MWD和幾何平均直徑GMD是評價土壤團聚體穩定性的重要指標,MWD和GMD值的提高可以代表土壤團聚體穩定性增大[20]。本試驗研究中,經過3 a的植被恢復,各處理的機械穩定性團聚體和水穩性團聚體的MWD和GMD均得到顯著的提高(表4),兩種團聚體類型的MWD和GMD值均以巨菌草處理最高,在MWD方面,巨菌草處理較CK處理提高機械穩定性團聚體和水穩性團聚體16.2%和24.2%,而在GMD方面,分別提高機械穩定性團聚體和水穩性團聚體29.1%和25.0%,這說明應用巨菌草對退化的重金屬污染土壤進行植被恢復可以提高土壤團聚體的穩定性,有利于土壤物理結構的改善。同時通過對比發現,各處理機械穩定性團聚體的平均質量直徑(MWD)和幾何平均直徑(GMD)均大于水穩性團聚體,這說明機械穩定性團聚體是該土壤的主要團聚體類型,這一結果和張鵬[21]等人研究其他區域土壤團聚體結果一致。

表4 植被恢復對重金屬污染土壤機械穩定性和水穩性團聚體平均質量直徑(MWD)和幾何平均直徑(GMD)的影響
2.3.2 團聚體穩定率和分形維數 團聚體穩定率(AR)和分形維數(D)也是評價土壤團聚體穩定性的重要指標,其中團聚體穩定率(AR,%)越大說明團聚體越穩定,而分形維數是一種評價土壤結構的綜合的新型的指標,它在反映土壤團聚體穩定性的同時可以反映土壤質地的均一性,分形維數越低表明土壤結構越松散,通透性越好,越有利于土壤養分的循環和結構的改善[22]。本研究發現,3種植物處理3 a后,土壤團聚體穩定率(AR)較CK處理均得到顯著提高,提高范圍為5.4%~9.7%(表5)。在分形維數方面,3種植被恢復3 a可以顯著降低機械穩定性團聚體的分形維數,降低幅度范圍為1.9%~3.8%(表5),這說明經過3 a的植被恢復過程,土壤團聚體的粒徑組成更加均一,土壤物理結構得到了改善。通過分析>0.25 mm機械性穩定性團聚體(DR0.25)和水穩定性團聚體(WR0.25)與平均質量直徑(MWD),幾何平均直徑(GMD),團聚體穩定率(AR,%)和分形維數(D)的相關性發現,DR0.25與平均質量直徑(MWD)和幾何平均直徑(GMD)呈極顯著正相關,而與分形維數呈極顯著負相關,WR0.25除與平均質量直徑(MWD)和幾何平均直徑(GMD)呈顯著正相關,與分形維數呈顯著負相關外,還與團聚體穩定率(AR,%)呈極顯著相關關系,這說明>0.25 mm水穩定性團聚體含量(WR0.25)對提高團聚體穩定率的貢獻更大。

表5 植被恢復對重金屬污染土壤團聚體穩定率和分形維數的影響

表6 機械穩定性和水穩定性團聚體含量與MWD,GMD,AR和D的相關性
注: **代表p<0.01;*代表p<0.05。
有機質是評價土壤質量的重要指標,對團聚體的形成和膠結有重要影響,而團聚體作為有機質的存在場所,對有機質的蓄存及空氣水分的運輸有重要作用,因此兩者是相互影響不可分割的[23]。本田間研究結果表明,在該重金屬污染土壤上進行植被恢復3 a后,土壤有機質和>0.25 mm團聚體含量均得到顯著提高,而單位面積年生物量最大的巨菌草處理提高幅度最大。通過回歸分析發現,土壤有機質含量與>0.25 mm機械穩定性團聚體(DR0.25)和水穩性團聚體(WR0.25)均呈顯著正相關(R2分別為0.550,0.504),這一結果與程曼等[24]的研究結果一致,即大團聚體的形成和增加主要是有機質含量增加的結果,植被恢復提高了土壤中有機質和有機殘體的含量,土壤中較小的團聚體通過與土壤中的有機碳、菌絲核和植物殘體膠結,逐漸形成更大的團聚體[25]。
團聚體作為土壤的基本組成,對土壤中水分、養分和空氣的運輸有重要作用,而團聚體越穩定就越有利于這些過程的進行[26]。在評價土壤團聚體穩定性的過程中,平均質量直徑(MWD),幾何平均直徑(GMD)和團聚體穩定率(AR,%)是常用的指標,綜合這些指標可以客觀地評價土壤團聚體的穩定性[27]。本研究發現,重金屬污染土壤進行植被恢復3 a后,各個處理均可以顯著提高土壤機械穩定性團聚體和水穩性團聚體的平均質量直徑(MWD),幾何平均直徑(GMD)和團聚體穩定率(AR,%),相關性分析結果表明,上述3個指標與土壤>0.25 mm團聚體含量(DR0.25,WR0.25)均顯著相關(機械穩定性團聚體含量與團聚體穩定率無相關性),而土壤中>0.25 mm團聚體含量(DR0.25,WR0.25)與土壤有機質含量呈正相關關系,這一結果表明,植被恢復過程在提高土壤有機質含量的同時,促進了土壤小團聚體向大團聚的轉化,從而提高了團聚體的穩定性和土壤抗蝕能力。
土壤團聚體的分形維數可以定量化反映土壤團聚體機構,分形維數越低,土壤質地均一性越好,土壤通透性也越好[28]。本研究結果表明,3 a的植被恢復過程可以提高機械穩定性團聚體的分形維數,可能的原因是植被恢復過程導致了土壤有機質含量的差異,引起土壤團聚體團聚作用的不同,從而導致團聚體大小和土壤結構的差異,而這些差異必然在分形維數上得到體現。
(1) 在重金屬重度污染土壤中施加石灰,并結合植被修復3 a后,可提高土壤有機質含量2.89%~5.39%,并可>0.25 mm 機械穩定性團聚體(DR0.25)和水穩定性團聚體(WR0.25)含量,提高幅度分別為6.64%~10.4%和13.3%~17.5%。
(2) 3種植被與石灰聯合修復3 a后,顯著提高機械穩定性和水穩定性團聚體質量平均直徑(MWD),提高幅度為5.05%~16.2%和5.26%~24.2%,在幾何平均直徑(GMD)方面,提高幅度為15.2%~29.1%和9.38%~25.0%。同時可顯著降低土壤機械穩定性團聚體分形維數,降低幅度為1.90%~3.81%。
(3) 在重金屬重度污染土壤中施加石灰,降低重金屬毒性后種植海州香薷、伴礦景天和巨菌草均可以改善土壤質量,適宜在重金屬重度污染土壤的田間修復實踐中進行推廣。
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EffectsofVegetationRestorationonSoilOrganicMatterandAggregateCharacteristicsofHeavyMetalContaminatedSoils
XU Lei1,2,3,5, ZHOU Jun1,2,5, ZHANG Wenhui1,2,5, CUI Hongbiao6,LIU Hailong1,2,3,5, LIU Chuanghui1,7, LIANG Jiani1,2,5, ZHOU Jing1,2,3,4,5
(1.InstituteofSoilScience,ChineseAcademyofSciences,Nanjing210008,China; 2.KeyLaboratoryofSoilEnvironmentandPollutionRemediation,InstituteofSoilScience,Nanjing210008,China; 3.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China; 4.JiangxiAcademyofScience,JiangxiEngineeringResearchCenterofEco-RemediationofHeavyMetalPollution,Nanchang330096,China; 5.NationalEngineeringandTechnologyResearchCenterforRedSoilImprovement,RedSoilEcologicalExperimentStation,ChineseAcademyofSciences,LiujiazhanPlantation,Yingtan,Jiangxi335211,China; 6.SchoolofEarthandEnvironment,AnhuiUniversityofScienceandTechnology,AnhuiHuainan, 232001,China; 7.SchoolofEnvironmentalScienceandEngineering,Chang′anUniversity,Xi′an710064,China)
In order to study the influence of vegetation restoration on soil organic carbon and soil aggregate structure and stability, a 3-year in-situ experiment was conduct. In a Cu and Cd contaminated farmland, 12 plots were built, after applying the passivation materials(except the CK treatment), three kinds of plants (Elsholtziasplendens,SedumplumbizincicolaandPennisetumsinese) were planted, three years later, the soils were collected to analyze the content of soil organic matter and aggregate composition, and then the content of >0.25 mm mechanical-stable (DR0.25) and water-stable (WR0.25) aggregates, aggregate mean mass diameter, geometric mean diameter, aggregate stability rate and fractal dimension (D) were analyzed too. The results showed that after the 3-year vegetation restoration, all of the 3 vegetation treatments increased soil organic matter content, and improved the contents of >0.25 mm mechanical-stable(DR0.25) and water-stable (WR0.25) aggregates, increased by 2.89%~5.39%, 6.64%~10.40% and 13.34%~17.48%, respectively. The three kinds of plant treatments could significantly improve aggregate mean mass diameter and geometric mean diameter, the largest increase was the treatment ofPennisetumsinese. In aggregate stability, 3 kinds of plant treatments could improve the aggregate stability rate, the treatment ofElsholtziasplendenswith the largest increase. The vegetation restoration could significantly reduce the soil mechanical-stable aggregate fractal dimension, but have no obvious influence on the water-stable aggregates fractal dimension. In summary, the content of organic matter and soil aggregate stability can be improved by adding passivation materials and in-situ phytoremediation, in this way the soil structure can be improved, the soil quality will be restored in the process.
soil; heavy metal pollution; vegetation restoration; organic matter; aggregate stability
S153
A
1005-3409(2017)06-0194-06
2016-12-09
2017-01-07
國家“973計劃”課題(2013CB934302);國家科技支撐計劃課題(2015BAD05B01);國家自然科學基金(41571461);國家自然科學基金重點項目(41601340)資助
徐磊(1988—),男,河南南陽人,博士研究生,主要從事環境污染的防治研究。E-mail:lxu@issas.ac.cn
周靜(1963—),男,安徽肥西人,研究員,主要從事土壤污染生態修復與技術研發工作。E-mail:zhoujing@issas.ac.cn