矿山废弃地生态修复中绿化树种的选取研究

2018-05-10苏军德李国霞赵晓冏

中国水土保持 2018年4期

苏军德，李国霞，赵晓冏

(1.甘肃有色冶金职业技术学院，甘肃金昌 737100； 2.甘肃省环境科学设计研究院，甘肃兰州 730000)

随着我国经济的高速发展，矿山开采强度不断加大，矿区土地资源遭到了严重破坏，在矿区周围形成了不同类型的矿山废弃地，对矿区周围生态环境造成了不良影响，如破坏地表植被、改变土壤理化性质、引起水土流失、诱发滑坡泥石流等[1-2]。近年来，对矿区生态修复的研究[3-5]表明，苗木成活率低、生存年限短、补栽现象严重等是矿区生态修复中存在的突出问题。因此，对矿区生态修复中物种选取和栽培技术的研究就显得尤为重要。

甘肃省金昌市是我国重要的镍钴生产基地，干旱的气候条件和大规模的开采冶炼导致区域内生态系统脆弱，滑坡、泥石流等各种生态环境问题频发[6]。尤其是大量的尾矿和矸石堆积成的矿山，不仅改变了区域内土壤的理化性质，而且使水体和植物遭到重金属的污染，从而导致区域内苗木成活率低，植物种群演替缓慢，给矿山废弃地的生态修复带来了一定的困难。本研究针对上述问题，综合多项指标对金川矿区内的绿化树种进行定量研究，旨在为干旱区矿山废弃地绿化树种的选取提供一定的理论基础和技术支撑。

1 研究区概况

金昌市位于河西走廊东段、祁连山北麓、阿拉善台地南缘，地处101°04′35″～102°43′40″E、37°47′10″～39°00′30″N，属于温带大陆性干旱气候，光照充足，雨热同期，年均气温4.8～9.2 ℃，多年平均降水量约为210 mm，蒸发量是降水量的21倍[7-8]，植被属暖温带荒漠型植被。金川矿山区域以栗钙土、灰钙土及灰棕漠土为主，矿区尾矿砂中还含有0.22%的Ni、0.20%的Cu、0.07%的Cd等重金属元素[9]。本研究选取金川矿山区主要的绿化树种进行调查，并测定其重金属含量，对本区域内绿化树种的适应性进行综合分析研究。

2 方法与材料

2.1 绿化树种调查方法

本研究采用实地调查的方法对金川矿山废弃地的绿化树种进行统计。根据该矿山废弃地的造林年限，分别对造林1、2、3和4 a的绿化树种的株高、胸径、新梢生长量及各树种的存活率进行统计分析，并以此作为主要依据评价各树种对废弃地的适应性。

2.2 绿化树种重金属含量的测定方法

本研究主要测定油松、圆柏、柠条、红柳、沙木蓼、驼绒藜6种绿化树种根、茎、叶、花、果实各部分的重金属含量，试验于2016年8月15日至9月4日在金川矿山生态修复试验地完成样品采集工作。地上部分选择2～3株绿化树种，以20 cm为一段，分别采取茎、叶、花、果实，用蒸馏水冲洗干净，然后在80 ℃恒温下烘干至恒定质量，粉碎过60目尼龙筛后装瓶备用。根系部分采用钻土芯法[10]采取，以采样标准木为圆心，分别在半径0.3、0.5、1.0 m的圆上按东、南、西、北确定4个取样点，用直径8.255 cm的土钻以10 cm深度为间隔钻取土样，直至无根系出现[11]，所取根系装入无菌自封袋，标号备用。所取根系用蒸馏水反复冲洗后，在75 ℃烘箱中烘干至恒定质量，粉碎过60目尼龙筛后装瓶备用。所取样品经硝酸钝化、消解、定容后，用Optima 7000DV电感耦合等离子体发射光谱仪分析事先配制好的浓度梯度为2、10、20、100 mol/L的混配标准溶液，绘制标准曲线后，分析溶液。

3 结果与讨论

3.1 绿化树种的适应性分析

3.1.1 绿化树种新梢生长量的差异性

对金川矿山废弃地绿化树种的调查发现，研究区绿化树种主要由常绿乔木油松、圆柏和落叶灌木柠条、红柳、沙木蓼、驼绒藜6种组成。绿化树种适应性调查分析结果(表1)表明，在金川矿山废弃地，不同树种间的新梢生长量差异较大。常绿乔木油松、圆柏等新梢生长量均较小，年生长幅度为1～7 cm，这可能是松柏科植物生长缓慢，且树木移栽时根系受到一定程度的破坏，栽后立地条件不稳，废弃地岩性变化等因素所致[12]，但随着树龄的增长，年生长幅度有增大趋势。相比常绿乔木，落叶灌木新稍生长量较大，年生长幅度为19～82 cm，且年生长幅度随着树龄的增长并无太大的变化。这说明立地条件、造林年限等因素对常绿乔木树种新梢生长量的影响较大，而对耐寒、耐旱的柠条、红柳、沙木蓼、驼绒藜等落叶灌木树种的新梢生长量影响相对较小。

3.1.2 绿化树种保存率及生长态势的差异性

在金川矿山废弃地，不同绿化树种的保存率及生长态势存在一定的差异(表1)：常绿乔木树种保存率较高，并且长期处于良好的生长状态，差异不大；落叶灌木中，柠条和红柳的保存率较高，并且不同造林年限间没有太大的差异，而沙木蓼和驼绒藜保存率较低，且在不同造林年限间存在一定的差异。总体来看，金川矿山废弃地绿化树种的适应性表现为：油松>圆柏>柠条>红柳>驼绒藜>沙木蓼。这说明沙木蓼和驼绒藜对立地环境的适应性较差，因此在废弃地植被恢复过程中，应加强后期维护，及时补充水分和改善土壤理化性质。

表1 金川矿山废弃地绿化树种适应性调查分析结果

3.2 绿化树种的重金属吸收特征

3.2.1 不同绿化树种间重金属含量

在金川矿山废弃地，不同绿化树种的重金属含量存在一定差异，且在同一绿化树种中不同重金属的含量也存在明显的不同(表2)。总体来看，Cu在绿化树种中含量较高，在沙木蓼中呈现出最高值，为78.63 mg/kg，各树种按Cu含量高低排序为沙木蓼>驼绒藜>红柳>柠条>油松>圆柏；Cd在绿化树种中含量相对较低，最低值出现在圆柏中，为0.15 mg/kg，各树种按含量高低排序为柠条>红柳>沙木蓼>驼绒藜>油松>圆柏；而Mn和Ni在绿化树种中含量居中。不同绿化树种中重金属含量也呈现一定的规律性，圆柏、油松中重金属含量相对较低，而柠条和红柳中重金属含量相对较高，这可能是常绿乔木树种(圆柏、油松)生长代谢缓慢，而落叶灌木树种(柠条、红柳)生长旺盛、代谢速率较快所致[13]。

表2 不同绿化树种重金属含量 mg/kg

3.2.2 同种绿化树种不同部位重金属含量

金川矿山废弃地同种绿化植物不同部位重金属含量变化(图1)表明，4种重金属元素含量在各种绿化植物的不同部位表现出一定的规律性，多数表现为根>叶>茎，这表明对于重金属的富集，绿化植物的根优于叶和茎。根中较高的重金属含量也同样表明，绿化植物的根虽然对重金属元素有很好的富集作用，但却不能有效地传输到植物的其他部位。叶中重金属含量高于茎，这可能是因为叶的新陈代谢比较旺盛，对重金属有较强的吸收富集作用，而茎主要起支持和养分传输作用，对重金属的吸收富集作用较弱。

不同绿化植物各部位对Mn、Ni、Cu的吸收具有明显的差异(r2<0.001)(图1)。油松和圆柏的各部位对Mn和Ni的吸收富集表现为根>叶>茎，对Cu的吸收富集呈现出根>茎>叶，但对Cd的吸收富集各部位没有表现出明显的差异。红柳对Mn、Ni、Cu的吸收富集表现为根>叶>茎，且各部位有明显的差异，但对Cd的吸收富集各部位并未呈现出明显的差异。柠条各部位对4种重金属的吸收富集具有明显的差异，表现为叶>根>茎。沙木蓼和驼绒藜各部位对4种重金属的吸收并未呈现出规律性变化，除Cd外不同部位对同一金属的吸收富集具有明显的差异，这可能是沙木蓼和驼绒藜对不同金属的吸收富集机理不同造成的。

图1 绿化植物不同部位重金属含量

3.2.3 不同绿化树种中重金属的滞留率

重金属的滞留率是反映植物对重金属耐性强弱的重要指标，更能直观地反映重金属在植物体内的转移情况，滞留率高，说明植物通过根吸收的重金属在根系中富集较多，转移到地上部分较少，这可以有效地阻止重金属对植物光合作用和新陈代谢活性的伤害，是植物自我保护的一种策略[13]。从金川矿山废弃地不同绿化植物重金属滞留率(表3)可以看出，Mn在不同绿化树种中的滞留率都较高，说明Mn在植物根系中富集较多，很少向地上部分转移；Ni在油松、圆柏和柠条中滞留率较低，但在其他绿化树种中有较高的滞留率；除红柳外，Cu在绿化树种中的滞留率都较低，说明Cu在植物根系中富集较少，向地上部分转移较多；Cd在常绿乔木树种(圆柏、油松)中滞留率较低，但在落叶灌木树种中都有较高的滞留率。总体来看，红柳根系对重金属有较高的吸收富集作用，能够很好地阻止重金属向地上部分转移，可以有效地防止重金属对光合作用和新陈代谢活性的破坏。

表3 各绿化树种不同部位重金属滞留率 %

4 结论

近年来，随着矿产资源的不断开发利用，在矿区周围形成了大量不同类型的矿山废弃地。而矿山废弃地由于堆积了大量的尾矿和矸石，改变了区域内土壤的理化性质，从而导致区域内苗木成活率低，植物种群演替缓慢，给区域内矿山废弃地的植被修复带来了一定的困难。鉴于此，本研究对金川矿山废弃地绿化树种的保存率、新梢生长量、生长态势及重金属含量进行了调查研究，结果表明，金川矿山废弃地6种绿化树种的适应性有明显的差异，具体表现为油松>圆柏>柠条>红柳>驼绒藜>沙木蓼。在研究区，不同重金属在6种绿化树种中的含量具有明显的差异，Cu在绿化树种中含量最高，Cd在绿化树种中含量最低。同时，绿化树种不同部位对重金属的吸收富集大体表现为根>叶>茎，这说明研究区绿化植物的根对重金属有较强的吸收富集能力，具有典型的根系囤积重金属的特征。

植物根系对重金属的滞留率能够很好地反映重金属在植物体内的转移情况，同时也是植物自我保护的一种策略。研究区绿化树种不同部位重金属的滞留率表现出一定的差异，总体来看，红柳根系对不同金属都有较高的滞留率，除Cu外驼绒藜对其他重金属的滞留率也较高，说明它们对重金属具有良好的规避性和抵抗性。但考虑到研究区的气候、绿化树种的原始生物量、生长特性等因素，作为本区域内矿山废弃地的绿化树种，红柳和柠条优于其他树种。

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