灰色關(guān)聯(lián)分析在不同植物修復(fù)硫化銅礦HDS底泥評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

肖文軍，陳銀霞

(1.江西省應(yīng)急救援靖安機(jī)場(chǎng)，330600，江西，靖安；2.江西省林業(yè)科技推廣和宣傳教育中心，330038，南昌)

0 引言

在所有其他行業(yè)中，采礦業(yè)是對(duì)自然生態(tài)系統(tǒng)有害的人類活動(dòng)，而自然生態(tài)系統(tǒng)為我們提供了基礎(chǔ)設(shè)施和能源生產(chǎn)所依賴的大部分材料[1-2]。盡管礦山能源產(chǎn)量可觀，但礦山在開(kāi)采及選礦過(guò)程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生大量的固體廢棄物，使許多農(nóng)用地和林地被占用，這將自然景觀變成退化的生態(tài)系統(tǒng)，徹底破壞表層土壤和植被覆蓋，自然碳匯，導(dǎo)致美觀惡化，對(duì)周圍棲息地造成重大影響，破壞地下和地表水文狀況[3]。采礦后的土地必須通過(guò)提供可持續(xù)土地使用前景的技術(shù)和生物恢復(fù)技術(shù)進(jìn)行恢復(fù)，以減輕采礦的不利影響。最近，人們的注意力已經(jīng)從簡(jiǎn)單地恢復(fù)采礦后被遺棄的生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)向通過(guò)索引、建模和遙感來(lái)評(píng)估回收地點(diǎn)的健康狀況，真實(shí)而準(zhǔn)確的土壤質(zhì)量評(píng)估可以增進(jìn)對(duì)土壤質(zhì)量的了解，有助于發(fā)現(xiàn)問(wèn)題區(qū)域，提供不良趨勢(shì)的早期預(yù)警，并作為一種重要的決策方法指導(dǎo)恢復(fù)實(shí)踐土壤健康是一種動(dòng)態(tài)的、復(fù)雜的功能結(jié)構(gòu)，不能直接測(cè)量，但可以用土壤質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行量化[4-6]。

因此，定量和定性指標(biāo)的科學(xué)選擇是制定土壤質(zhì)量指標(biāo)的一大挑戰(zhàn)。灰色關(guān)聯(lián)分析法將土壤特性整合到一個(gè)框架中，提高對(duì)土壤過(guò)程的理解并鼓勵(lì)適當(dāng)?shù)墓芾韀7]。此外，灰色關(guān)聯(lián)分析法還可用于監(jiān)測(cè)土壤特征及其活性隨時(shí)間變化的趨勢(shì)，以評(píng)估土壤質(zhì)量在各種土地使用和管理措施下是否會(huì)惡化、維持或退化，盡管已經(jīng)提出了幾個(gè)概念框架和模型來(lái)評(píng)估土壤質(zhì)量，但很少有通用的策略或工具來(lái)確定在任何環(huán)境情況下的土壤質(zhì)量[8]。灰色關(guān)聯(lián)分析經(jīng)歷了3個(gè)主要階段：1)指標(biāo)的選擇；2)所選指標(biāo)(評(píng)分函數(shù))的闡明；3)通過(guò)加權(quán)相加方法將指標(biāo)組合在一個(gè)指標(biāo)中。因此，灰色關(guān)聯(lián)分析已被有效地應(yīng)用于多個(gè)地點(diǎn)和尺度的土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)。各種研究都探討了灰色關(guān)聯(lián)分析在評(píng)價(jià)采礦后退化土地復(fù)墾成功方面的重要性。為了解決可持續(xù)采礦問(wèn)題，以土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)開(kāi)墾成功的分析工具是首要的必要條件[9]。從土壤質(zhì)量指數(shù)和模型的角度來(lái)確定復(fù)墾成功的影響參數(shù)和預(yù)測(cè)土壤健康狀況仍然很模糊[10]。因此，本研究旨在采用灰色關(guān)聯(lián)分析法探討不同植物對(duì)硫化銅礦HDS底泥的生態(tài)修復(fù)效應(yīng)，篩選出較適宜的植物生態(tài)修復(fù)物種，對(duì)江西省德興市德興銅礦HDS底泥生態(tài)修復(fù)提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

如圖1所示，試驗(yàn)區(qū)位于江西省東部德興市四州鎮(zhèn)德興銅礦(29°0′3″ N、117°43′33″ E)，尾礦庫(kù)面積26.961 km2，集水區(qū)面積1.835 km2，壩頂高度30.0 m，總庫(kù)容1 640.6 萬(wàn)m3。礦區(qū)氣候?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)濕潤(rùn)氣候，春干多風(fēng)，夏熱多雨，秋冷夜涼，冬寒少雪。年平均氣溫17 ℃，極端最高氣溫38.9 ℃，極端最低氣溫-9.7 ℃。此外，晝夜溫差很大，在5.4～15.6 ℃之間。除此之外，年平均降雨量基本維持在700～800 mm，降雨量最少的年份只有284.4 mm。試驗(yàn)場(chǎng)地位于楊桃塢排土場(chǎng)西南方向，試驗(yàn)區(qū)域總面積約為2 600 m2。

圖1 試驗(yàn)區(qū)地理位置示意圖

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)區(qū)堆泥厚度約為80 cm，共計(jì)使用底泥約2 000 m3。根據(jù)前期底泥堆土種植試驗(yàn)以及成活率先期小型實(shí)驗(yàn)，本試驗(yàn)于2020年6月對(duì)14種植物中長(zhǎng)勢(shì)較好的6種植物：刺槐、紅葉石楠、大葉女貞、小葉女貞、毛白楊、濕地松進(jìn)行底泥樣品采集。試驗(yàn)共設(shè)置7組不同的試驗(yàn)對(duì)象，將未采取治理措施的原始底泥作為對(duì)照組(CK)，經(jīng)刺槐、紅葉石楠、大葉女貞、小葉女貞、毛白楊、濕地松修復(fù)的底泥作為實(shí)驗(yàn)組，分別標(biāo)記為1#、2#、3#、4#、5#。采用對(duì)角采樣法采集土壤和植物樣品，沿矩形試驗(yàn)區(qū)對(duì)角線選取3個(gè)點(diǎn)作為采樣點(diǎn)。土壤取深度為1～5 cm和5～15 cm，混合均勻。在地上部分采集植物樣品，使用園藝剪刀獲取植物的枝條和植物根部，從而進(jìn)行植物葉、莖、根樣本的采集，用于檢測(cè)植物中Cu、Zn、Cd和Pb含量。采樣點(diǎn)與土壤樣品的采樣點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)。取樣前仔細(xì)地去除凋落物層，在去除土壤雜質(zhì)(如石頭和植物枝條)后，從每種植被修復(fù)類型中收集200 g土壤。土壤樣品被運(yùn)輸?shù)綄?shí)驗(yàn)室的冰箱中，并在-70 ℃保存，用于后續(xù)測(cè)定底泥的含水量、pH、有機(jī)質(zhì)含量、全氮、全磷、全鉀、有效磷、速效鉀、Cu、Zn、Cd和Pb含量。在收集土壤樣本后，進(jìn)行了有效地回填，以減少對(duì)環(huán)境的破壞。

1.3 測(cè)定方法

底泥pH(土壤/水比為1:2.5w/v)和電導(dǎo)率(EC)(土壤/水比為1:5w/v)用數(shù)字pH和電導(dǎo)率計(jì)進(jìn)行測(cè)定，采用微凱氏定氮法評(píng)價(jià)全氮(TN)[11]，微擴(kuò)散法測(cè)定土壤中的有效氮(AN)[12]，土壤全磷(TP)和鉀(TK)分別用HF-HClO4、鉬藍(lán)比色法和β-AME分光光度法測(cè)定[13]，速效鉀(AK)采用乙酸銨萃取火焰光度法測(cè)定[14]，采用Bray-2Solution48提取土壤有效磷，用鉬酸鹽藍(lán)比色法測(cè)定土壤速效磷(AP)[15]，有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測(cè)定[16]，采用干燥法測(cè)定土壤的含水量(WC)[17]。用硝酸(HNO3)和高氯酸(HClO4)的混合物在特氟龍燒杯的熱板上消化大約0.5 g準(zhǔn)備好的待測(cè)樣品，采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)測(cè)定土壤和植物的Cu、Zn、Cd和Pb含量[18]。

1.4 數(shù)據(jù)分析與處理

本試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS 20、Origin 8、Microsoft Excel 2016、DPS 9.01軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析、制圖。

運(yùn)用灰色系統(tǒng)理論[19]對(duì)底泥理化性質(zhì)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，采用式(1)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理：

(1)

由式(2)計(jì)算關(guān)聯(lián)系數(shù)：

(2)

由式(3)計(jì)算關(guān)聯(lián)度:

(3)

2 結(jié)果與分析

2.1 不同植物修復(fù)對(duì)HDS底泥pH的影響

土壤pH值也是影響植物生長(zhǎng)的重要外部環(huán)境參數(shù)之一，同時(shí)也是控制植物養(yǎng)分在土壤中的溶解度和有效性的一部分。從圖2所示的試驗(yàn)結(jié)果可知，原始HDS底泥pH為7.65，呈弱堿性，種植刺槐、紅葉石楠、大葉女貞、小葉女貞、毛白楊、濕地松期間，HDS底泥pH總體呈現(xiàn)一定幅度的上升趨勢(shì)，且pH值分別為8.02、7.77、8.03、7.91、7.97和7.81，說(shuō)明所種植物對(duì)HDS底泥pH上升有一定的促進(jìn)作用。其中，刺槐和大葉女貞對(duì)HDS底泥pH提升效果更為明顯，與CK組相比，分別上升了0.37、0.38。

圖2 不同植物修復(fù)模式對(duì)底泥pH值的影響

2.2 不同植物修復(fù)對(duì)HDS底泥電導(dǎo)率和含水量的影響

土壤電導(dǎo)率(EC)是測(cè)定土壤中水溶性鹽的一個(gè)指標(biāo)，也是決定土壤中鹽離子是否影響作物生長(zhǎng)的一個(gè)因素。如圖3所示，原始HDS底泥電導(dǎo)率為244.5 ms/m，根據(jù)我國(guó)土壤鹽漬化分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)可知，原始HDS底泥屬于輕鹽漬土。經(jīng)不同植物修復(fù)后，HDS底泥鹽漬情況均得到了一定程度改善，HDS底泥電導(dǎo)率大小依次為：CK>1#>3#>5#>4#>2#>6#。與其他植物相比，種植濕地松對(duì)HDS底泥的電導(dǎo)率改善效果最好，其修復(fù)后的電導(dǎo)率值為226.33 ms/m。

圖3 不同植物修復(fù)對(duì)底泥電導(dǎo)率和含水量的影響

含水量是最重要的環(huán)境脅迫指標(biāo)之一，也是植物生長(zhǎng)、發(fā)育和產(chǎn)量的主要限制因素。從圖3含水量檢測(cè)結(jié)果可知，原始HDS底泥含水量過(guò)高，易導(dǎo)致植物生理和呼吸過(guò)程的嚴(yán)重紊亂，從而阻礙植物的生長(zhǎng)。不同植物的種植對(duì)HDS底泥含水量有一定調(diào)節(jié)作用，不同植物修復(fù)模式下HDS底泥含量水從大到小順序?yàn)椋捍笕~女貞(46.80%)>小葉女貞(46.20%)>濕地松(45.77%)>刺槐(44.37%)>毛白楊(43.2%)>紅葉石楠(42.60%)。

2.3 不同植物修復(fù)模式對(duì)底泥養(yǎng)分含量的影響

土壤營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)氮、磷、鉀在植物的生長(zhǎng)、發(fā)育、生產(chǎn)和生態(tài)系統(tǒng)功能中起著不同的作用。植物通過(guò)根系吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，調(diào)節(jié)自身生長(zhǎng)發(fā)育。由表1可知，原始HDS底泥全氮、全磷、全鉀、有效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)分別為0.266 g/kg、0.362 g/kg、0.260 g/kg、1.687 mg/kg、16.760 mg/kg、4.280 g/kg，養(yǎng)分貧瘠，不利于植物生長(zhǎng)發(fā)育。種植的6種植物對(duì)各營(yíng)養(yǎng)元素含量均有不同程度的提高，其中，與其他種植的植物相比，刺槐、紅葉石楠和濕地松分別對(duì)HDS底泥的全氮、全磷、有效磷、全鉀，速效鉀、有機(jī)質(zhì)含量提升效果更為顯著。種植刺槐后HDS底泥全氮和全磷含量分別為0.337 g/kg和0.713 g/kg，與對(duì)照組相比，分別增加了0.111 g/kg、0.351 g/kg。種植紅葉石楠試驗(yàn)區(qū)域的有效磷、全鉀含量依次為1.943 mg/kg、1.070 g/kg，而濕地松對(duì)HDS底泥進(jìn)行修復(fù)后速效鉀和有機(jī)質(zhì)含量分別為21.9 mg/kg和7.22 mg/kg，與CK組相比，分別增加了5.14 mg/kg和2.94 g/kg。

表1 不同植物修復(fù)下HDS底泥養(yǎng)分含量

2.4 不同植物修復(fù)對(duì)底泥重金屬變化量的影響

植物在積累有毒重金屬并在其根部和地上部分吸收重金屬方面發(fā)揮著重要作用，不同植物物種對(duì)重金屬的吸收差異很大。本文將所種植物葉、莖、根中重金屬總量作為HDS底泥重金屬變化量，由表2可知，種植植物后，HDS底泥中Cu、Zn、Pb和Cd四種重金屬含量都發(fā)現(xiàn)不同程度的減少。其中，毛白楊對(duì)HDS底泥中Zn和Cd吸收效果最為明顯，植物根莖、葉所吸收Z(yǔ)n、Cd分別為647.64 mg/kg、3.62 mg/kg，而刺槐和小葉女貞分別對(duì)Cu、Pb的吸收效果最好，對(duì)HDS底泥中的Cu、Pb分別吸收382.43 mg/kg、15.35 mg/kg。

表2 不同植物修復(fù)下HDS底泥重金屬變化量

2.5 不同植物修復(fù)下底泥不同指標(biāo)關(guān)聯(lián)分析

通過(guò)對(duì)影響HDS底泥質(zhì)量的各指標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析后，發(fā)現(xiàn)所測(cè)指標(biāo)的變化趨向與狀態(tài)并不相同。為定量評(píng)價(jià)不同植物對(duì)硫化銅礦HDS底泥的生態(tài)修復(fù)效應(yīng)，選擇pH(X1)、電導(dǎo)率(X2)、含水量(X3)、全氮(X4)、全磷(X5)、全鉀(X6)、有效磷(X7)、速效鉀(X8)、有機(jī)質(zhì)(X9)、△全Cu(X10)、△全Zn(X11)、△全Pb(X12)、△全Cd(X13)共13個(gè)指標(biāo)，原始HDS底泥各項(xiàng)土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)作為不同植物對(duì)硫化銅礦HDS底泥的生態(tài)修復(fù)效果的“參考數(shù)列”。利用灰色關(guān)聯(lián)分析法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)度分析，估計(jì)各相鄰點(diǎn)的相互關(guān)聯(lián)性(分辨系數(shù)=0.5)。根據(jù)灰色系統(tǒng)理論中關(guān)系度分析準(zhǔn)則，因?yàn)椤皡⒖紨?shù)列”的品質(zhì)都是系列中品質(zhì)最大的，故與評(píng)價(jià)指數(shù)的關(guān)系度就越大，表明該植物品種對(duì)HDS底泥的生態(tài)修復(fù)效果越明顯。由表3、表4可知，不同植物對(duì)硫化銅礦HDS底泥的生態(tài)修復(fù)效應(yīng)按照關(guān)聯(lián)系數(shù)大小進(jìn)行排序：大葉女貞(0.731)<小葉女貞(0.739)<毛白楊(0.795)<紅葉石楠(0.830)<刺槐(0.844)<濕地松(0.919)。該結(jié)果表明，所選6種植物對(duì)HDS底泥生態(tài)修復(fù)效應(yīng)為大葉女貞>小葉女貞>毛白楊>紅葉石楠>刺槐>濕地松。

表3 不同植物修復(fù)下不同指標(biāo)初始化處理及關(guān)聯(lián)系數(shù)

表4 不同植物修復(fù)下土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)綜合值

3 結(jié)論

不同植物對(duì)HDS底泥理化性質(zhì)和Cu、Zn、Pb、Cd等具有不同的影響效應(yīng)，刺槐、紅葉石楠、大葉女貞、小葉女貞、毛白楊、濕地松分別對(duì)HDS底泥的全氮、全磷、Cu含量，有效磷、全鉀，pH、含水量，Pb含量，Zn、Cd含量，速效鉀、有機(jī)質(zhì)、電導(dǎo)率具有更有效的修復(fù)效果。因此，通過(guò)運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)分析法分析不同植物對(duì)硫化銅礦HDS底泥的生態(tài)修復(fù)效應(yīng)相關(guān)結(jié)果表明，在刺槐、紅葉石楠、大葉女貞、小葉女貞、毛白楊、濕地松這6種不同植物修復(fù)中，大葉女貞對(duì)于修復(fù)HDS底泥理化性質(zhì)和Cu、Zn、Pb、Cd綜合效應(yīng)最優(yōu)，接著依次為小葉女貞、毛白楊、紅葉石楠、刺槐、濕地松。6種植物改良HDS底泥效果較好，由于研究條件和時(shí)間的限制，今后的研究中應(yīng)增加植物種類和種植方式，如混播、套種，更有利于今后推廣應(yīng)用本研究成果。