陜北煤礦污染區(qū)優(yōu)勢(shì)植物對(duì)土壤重金屬生態(tài)修復(fù)研究綜述

羅彩云 王曉榮

（榆林學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院 陜西·榆林 719000）

1 研究意義

礦產(chǎn)資源的開(kāi)發(fā)在為國(guó)家提供重要戰(zhàn)略資源的同時(shí)也造成了環(huán)境污染、地質(zhì)災(zāi)害、生態(tài)破壞等嚴(yán)重后果[1]。我國(guó)粗放型礦產(chǎn)資源的開(kāi)發(fā)利用，導(dǎo)致大面積耕地土壤被重金屬污染，已成為影響農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重大環(huán)境問(wèn)題。嚴(yán)峻的土壤重金屬污染，是我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展過(guò)程中長(zhǎng)期逐漸累積的環(huán)境問(wèn)題，其中礦產(chǎn)資源的開(kāi)發(fā)是導(dǎo)致重金屬進(jìn)入環(huán)境的最主要因素，且其中以煤礦開(kāi)采造成的污染面積最大。

晉陜蒙接壤區(qū)既是中國(guó)重要煤炭能源基地，也是中國(guó)水土流失嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)。近些年來(lái)該區(qū)大規(guī)模地表剝離式的露天開(kāi)采嚴(yán)重破壞了原有地貌和生態(tài)系統(tǒng)，嚴(yán)重限制了該地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。煤礦資源的開(kāi)發(fā)利用造成的土壤重金屬污染由地球化學(xué)鏈、食物鏈進(jìn)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(huì)和諧帶來(lái)嚴(yán)重隱患，因此對(duì)礦區(qū)污染土壤的生態(tài)恢復(fù)就顯得十分重要。

如何有效復(fù)墾己破壞的土地，重建礦地生態(tài)環(huán)境愈來(lái)愈引起各界的關(guān)注[2]。基于以上問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)礦山及周邊地區(qū)多金屬污染在植物—土壤系統(tǒng)內(nèi)的遷移、富集及對(duì)重金屬污染土壤的治理和植物修復(fù)技術(shù)等方面展開(kāi)了大量的研究。與傳統(tǒng)的物理化學(xué)治理技術(shù)相比，植物修復(fù)（phytoremediation）具有經(jīng)濟(jì)、對(duì)環(huán)境友好、能保持土壤生產(chǎn)力和無(wú)二次污染等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于重金屬污染土壤修復(fù)。目前已發(fā)現(xiàn)植物修復(fù)材料因其生物量小、生長(zhǎng)緩慢、生長(zhǎng)環(huán)境苛刻等特點(diǎn)，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(zhǎng)迅速、生物量大、根系發(fā)達(dá)等特點(diǎn)，用于修復(fù)重金屬污染土壤的可行性引起了廣泛關(guān)注，通過(guò)營(yíng)林的方式修復(fù)煤礦開(kāi)采造成土壤重金屬污染的研究較少。

近年來(lái)，有關(guān)中國(guó)礦區(qū)廢棄地植被修復(fù)研究多見(jiàn)報(bào)道，但多側(cè)重于北方煤礦區(qū)廢棄地植被修復(fù)過(guò)程及特征的研究。雖然基于陜北礦區(qū)土地的破壞和復(fù)墾技術(shù)等諸多問(wèn)題極具研究性，而國(guó)內(nèi)外對(duì)此研究很少，關(guān)于陜北礦區(qū)優(yōu)勢(shì)植物群落對(duì)土壤的修復(fù)機(jī)理方面的研究更是鮮見(jiàn)公開(kāi)報(bào)道。由于陜北地區(qū)煤礦開(kāi)采造成了該區(qū)嚴(yán)重的土壤生態(tài)問(wèn)題，而植被修復(fù)是煤礦區(qū)土壤修復(fù)的主要技術(shù)方法，加強(qiáng)煤礦區(qū)植被對(duì)土壤的修復(fù)機(jī)理的相關(guān)研究迫在眉睫。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動(dòng)態(tài)分析

2.1 植物修復(fù)技術(shù)的概念

植物修復(fù)（Phytoremediation）指利用植物及其根際微生物體系的物理、化學(xué)或生物過(guò)程來(lái)吸收、揮發(fā)、轉(zhuǎn)化、降解或固定土壤污染物的一種原位生物修復(fù)技術(shù)。植物修復(fù)與傳統(tǒng)修復(fù)方法相比，其操作簡(jiǎn)便、持效長(zhǎng)、成本低、環(huán)境友好、且易于被公眾接受，已成為當(dāng)前最有發(fā)展?jié)摿Φ耐寥牢廴拘迯?fù)技術(shù)[3]。

植被修復(fù)和重建有助于土壤養(yǎng)分的富集。植被修復(fù)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(qiáng)土壤的滯水納墑能力，進(jìn)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(jìn)土壤生物繁殖和活力，植被的繁茂生長(zhǎng)會(huì)產(chǎn)生大量的枯落物，在較好的水分和光熱條件下，必然會(huì)加速枯落物的分解轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致土壤肥力性狀的進(jìn)一步良化。這促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)，有助于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的良好發(fā)揮，進(jìn)而改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境條件。

2.2 礦區(qū)土壤修復(fù)植被種類(lèi)及模式的選擇

土地復(fù)墾的核心內(nèi)容是植被恢復(fù)，植被與土壤的關(guān)系非常密切，植被恢復(fù)和土壤質(zhì)量的演變相互制約，互為動(dòng)力。隨著植被恢復(fù)的進(jìn)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(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)元素歸還土壤，另一方面改善了土壤的物理性質(zhì)[4]。

在礦區(qū)土壤恢復(fù)研究中，選擇適宜的植物種類(lèi)進(jìn)行植被恢復(fù)，是整個(gè)生態(tài)恢復(fù)工作的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。應(yīng)當(dāng)選擇對(duì)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)且對(duì)土壤具有改良作用的植被作為土地復(fù)墾的先鋒物種，把礦區(qū)退化工程整治與植被恢復(fù)相結(jié)合，具體到喬木、灌木與草本相結(jié)合，引入先鋒植物和鄉(xiāng)土植被，加強(qiáng)植被管理，加快植被恢復(fù)和土壤熟化等。例如：在安太堡露天煤礦新墾土地植被恢復(fù)中選用豆科牧草作為先鋒植物，以喬木、灌木、草本復(fù)合種植為最佳模式，可以有效控制水蝕和風(fēng)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(chǎng)植被恢復(fù)研究中提出，刺槐、沙棘、家榆等植物適用于煤礦排土場(chǎng)的植被恢復(fù)，可以增加土壤有機(jī)質(zhì)成分；還有研究表明：植被恢復(fù)的矸石山上主要樹(shù)種對(duì)土壤水分物理性質(zhì)的改善作用效果排序?yàn)椋捍袒绷?火炬林>側(cè)柏林。

2.3 礦區(qū)植被恢復(fù)對(duì)土壤性狀的影響

植被恢復(fù)與重建有利于促進(jìn)土壤發(fā)育，改善土壤特性，提高土壤肥力。不同植被類(lèi)型對(duì)土地改良效果不同。不同植被恢復(fù)模式均能改善土壤物理性狀，表現(xiàn)為植被恢復(fù)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(fù)模式均能改善土壤化學(xué)性狀，不同植被恢復(fù)模式對(duì)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(lèi)的變化而變化。研究表明：不同人工林地恢復(fù)模式對(duì)表層土壤有機(jī)碳提高效果明顯；人工栽植灌木對(duì)土壤的培肥作用高于喬木；黑岱溝排土場(chǎng)土壤養(yǎng)分含量受植被配置類(lèi)型影響顯著，混播有豆科牧草的純草本配置對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、硝態(tài)氮恢復(fù)程度較好；沙棘+錦雞兒混交模式下土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)值最高；不同植被恢復(fù)模式下土壤有機(jī)碳分布及碳儲(chǔ)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(chǎng)進(jìn)行生態(tài)修復(fù)時(shí)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(zhǎng)芒草等草本植物，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶追N、間種，以增強(qiáng)復(fù)墾效果。

2.4 植物根系分泌物對(duì)土壤各性狀的影響

根系分泌物（Rootexudates）是植物修復(fù)有機(jī)污染土壤過(guò)程中的關(guān)鍵物質(zhì)，其通過(guò)營(yíng)造適宜的根際生態(tài)微環(huán)境以促進(jìn)根際微生物對(duì)污染物的降解，該過(guò)程是植物去除土壤污染物的主要作用機(jī)制。目前，該領(lǐng)域已成為植物修復(fù)研究的熱點(diǎn)，新的觀(guān)點(diǎn)、方法與技術(shù)不斷涌現(xiàn)，但相關(guān)的研究報(bào)道較少。通過(guò)影響根際土壤中微生物數(shù)量和活性來(lái)實(shí)現(xiàn)有機(jī)污染物的修復(fù)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(xué)和生物關(guān)系，因此可以利用根系分泌物來(lái)改良土壤，尤其在污染土壤的修復(fù)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(duì)土壤微團(tuán)聚體穩(wěn)定性、團(tuán)聚體大小、分布等物理性質(zhì)有顯著影響。根系分泌物可以加強(qiáng)土壤中微生物的活性。根系分泌物中含有一定量的轉(zhuǎn)化酶、磷酸酶、蛋白酶和過(guò)氧化氫酶等植物外酶類(lèi)物質(zhì)，它們?cè)诟H中形成的酶系統(tǒng)可直接降解有關(guān)的有機(jī)污染物；根系分泌物中大量的糖類(lèi)、有機(jī)酸和氨基酸等物質(zhì)為根際微生物提供了豐富的營(yíng)養(yǎng)和碳源，使降解菌的生長(zhǎng)和活性遠(yuǎn)強(qiáng)于非根際土壤，從而提高了其對(duì)土壤有機(jī)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(shù)量，改變根際微生物的相對(duì)豐度和群落多樣性，誘導(dǎo)降解菌向根際富集，從而加快根際有機(jī)污染物的去除。然而，關(guān)于煤礦區(qū)植物根系分泌物對(duì)土壤各性狀之間的影響鮮見(jiàn)公開(kāi)報(bào)道。

研究發(fā)現(xiàn)，群落結(jié)構(gòu)不同對(duì)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(duì)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(xué)及生化性狀之間的關(guān)系，以及不同植物群落的根系分泌物對(duì)土壤各性質(zhì)有什么樣的影響，這些關(guān)鍵的科學(xué)問(wèn)題目前仍不明確。鑒于此，有必要從植物群落學(xué)、恢復(fù)生態(tài)學(xué)、景觀(guān)生態(tài)學(xué)、土壤學(xué)的角度闡明煤礦區(qū)優(yōu)勢(shì)植物群落對(duì)土壤的修復(fù)機(jī)理，為實(shí)現(xiàn)煤礦區(qū)的土壤修復(fù)提供理論依據(jù)。