湘潭锰矿区栾树林重金属含量动态变化

胡伊美，王光军

（1中南林业科技大学，湖南长沙 410004；2南方林业生态应用技术国家工程实验室）

随着人类对物质和能源需求的急剧增长，采矿规模不断扩大，尤其是近百年来加速发展的工业化生产，使得人类对自然界的能量和物质的开采达到了近乎疯狂的程度[1]。据不完全统计，我国矿区废弃地面积以每年4.67万hm2的增速推进[2]。金属矿区废弃地的治理、恢复和利用已受到广泛的关注[3]，目前已有的矿区土壤修复方法有3大类，分别为物理、化学和生物修复方法。其中，用植物修复法（生物修复法中的一种）修复金属矿区废弃地的生境，已经成为矿区修复的主要方向，用以修复矿区废弃地土壤，使其能够得以被再利用。矿区废弃地的生物修复状态和植物生物修复能力的研究是评价一个矿区土壤是否能被再利用的重要依据。因此，土壤中和植物体中重金属的含量及其化学计量的测定和分析，是矿区土壤恢复的重要指标。

复羽叶栾树（Koelreuteria bipinnata Franch）根系发达，具有强大的耐干旱、耐盐碱、耐短期水涝，环境适应性强的特点[4]。栾树的物理学特性、化学特性、生物学特性和药理学特性等已被大量研究[5-7]，但其是否可以作为一种具有重金属超富集能力的潜在树种，其在重金属污染土壤中生长的养分循环和化学计量研究非常少[8]。对栾树修复锰矿矿区废弃地的研究，有助于湖南省甚至全国金属矿区废弃地修复植被的选择，为矿区废弃地的生态修复提供理论基础和科学依据。

1 试验方法

1.1 试验地概况

湘潭锰矿矿区废弃地于我国湖南省湘潭市，地理位置为 111°58′～113°05′ E，27°20′55″～28°05′40″N。本研究的研究样地位于湘潭市北向约14 km位置，该锰矿矿渣废弃地年均温17.4℃，年降雨量为1431.4 mm。

1.2 材料与方法

1.2.1 植物和土壤样品采集。在3个不同林龄（3a、5a、9a）人工林区域内，各设置固定样地6个，样地面积为400m（220m×20m）。根据林分调查数据，依据林木生长级Ⅰ到Ⅴ级和测树因子标准，每个样地选择6株标准木。从树干基部将标准木伐倒，通过分层切割法，树干按照1m间断分割。从每段树干上取同样重量的树干样品。从树冠的东南西北4个方位，上中下3个部位，采集叶片样品。将标准木根系全部挖出，分不同方位和部位采集直径＜0.2cm的细根，作为细根样品。所有样品重量，不少于1kg，准确称重后，装于布袋中运输到实验室进行后续实验分析。将所有样品，至于80℃烘箱中烘至恒重，计算出各器官干重，并求得标准木单株生物量，由此推及到林分生物量和生产力的估算。称完干重后，将植物样品粉碎过100目筛，然后保存待用。

在每个固定样地内，通过五点混合取样法进行取样。先将每个取样点表面的枯枝落叶去除，再挖掘一个50 cm深的土坑，使用环刀取样法，进行取样，分别采集 0～15、15～30、30～45cm 3 个土层土壤样品。用塑料自封袋，带回实验室，进行后续实验。样品总数为3个林龄×6个样地×3个土层=54个样品。去除土壤样品中所有的根系和石栎以及杂物，土壤样品自然温度下风干后，粉碎过60目和100目钢筛，装起备用。

1.2.2 分析方法。土壤、栾树树干、叶片和细根N含量采用凯氏定氮法测定，土壤、栾树树干、叶片和细根P含量采用钼锑6297比色法测定。土壤、栾树树干、叶片和细根微量元素Cd、Mn、Pb、Zn含量均通过日本岛津AA-7000型原子吸收分光光度计测定。

1.2.3 数据分析。所有测定的数据，包括N、P、Cd、Mn、Pb、Zn含量数据，均输入Excel 2016表格进行整理。土壤、栾树树干、叶片和细根 N、P、Cd、Mn、Pb、Zn 含量随林龄的变化差异性显著度通过单因素方差分析（One-way ANOVA）进行检验，所有数据分析和图的制作均通过免费开放软件R语言完成。

2 结果

2.1 土壤各元素随林龄变化趋势

湘潭锰矿废弃地土壤N含量随着栾树人工林林龄的增加而显著增加，由3a林龄土壤的0.59（±0.01）g/kg增加到9年林龄土壤的1.16（±0.03）g/kg。土壤P含量随着栾树人工林林龄的增加而显著降低，由3a林龄土壤的0.37（±0.01）g/kg降低到9年林龄土壤的0.18（±0.01）g/kg。土壤Cd含量随着栾树人工林林龄的增加而显著降低，由3a林龄土壤的16.65 mg/kg降低到9年林龄土壤的0.51mg/kg。土壤Mn含量随着栾树人工林林龄的增加而显著降低，由3a林龄土壤的6195.53mg/kg降低到9年林龄土壤的945.92mg/kg。土壤Pb含量随着栾树人工林林龄的增加而显著降低，由3a林龄土壤的598.86 mg/kg降低到9年林龄土壤的94.54mg/kg。土壤Zn含量随着栾树人工林林龄的增加而显著降低，由3a林龄土壤的6.37mg/kg降低到9年林龄土壤的0.98mg/kg（如图1所示）。

图1 湘潭锰矿废弃地3个不同林龄（3a、5a、9a）栾树人工林土壤各元素随林龄的变化趋势。

2.2 树干各元素随林龄变化趋势

湘潭锰矿废弃地不同林龄栾树人工林的栾树树干N含量随着林龄的增加而显著降低，由3a生树干的10.57（±0.81）g/kg增加到9年生树干的 3.09（±0.41）g/kg。树干P含量随着栾树人工林林龄的增加而降低，由3a年生树干的1.27（±0.48）g/kg降低到9年生树干的0.18（±0.17）g/kg；但是，5年生栾树树干和9年生栾树树干的P含量无显著差异。树干Cd含量随着栾树人工林林龄的增加而显著降低，由3a年生树干的4.09（±0.40）mg/kg降低到 9年林龄土壤的 2.13（±0.47）mg/kg。树干Mn含量随着栾树人工林林龄的增加而先降低后升高，树干Mn含量从3a年生的386.38（±14.43）mg/kg显著降低到5年生树干的89.67（±5.77）mg/kg，再从5年生到9年生不显著的上升到105.41（±49.44）mg/kg。树干Pb含量随着栾树人工林林龄的增加而增加，从3a年生树干的11.99（±1.74）mg/kg显著增加到5年生树干的33.71（±7.15）mg/kg，再非显著地上升到9年生树干的44.74（±16.37）mg/kg。树干Zn含量随着栾树人工林林龄的增加呈先显著增加后显著下降的趋势，而3年生和9年生树干Zn含量之间不显著，由3a年生树干的30.37（±2.36）mg/kg先增加到5年生树干的65.95（±5.94）mg/kg，再降低到9年生树干的 29.20（±10.49）mg/kg（如图2所示）。

图2 湘潭锰矿废弃地3个不同年龄（3a、5a、9a）栾树树干各元素随林龄的变化趋势

2.3 叶片各元素随林龄变化趋势

湘潭锰矿废弃地不同林龄栾树人工林的栾树叶片N含量随着林龄的增加而显著降低，由3a生叶片的22.59（±4.32）g/kg增加到9年生叶片的 7.22（±0.33）g/kg。叶片P含量随着栾树人工林林龄的增加而显著降低，由3a年生叶片的1.36（±0.12）g/kg降低到9年生叶片的0.18（±0.05）g/kg。叶片Cd含量随着栾树人工林林龄的增加而显著增加，由3a年生叶片的1.43（±0.38）mg/kg降低到 9年林龄土壤的 3.18（±0.56）mg/kg。叶片Mn含量随着栾树人工林林龄的增加而显著增加，由3a年生叶片的394.02（±7.78）mg/kg增加到9年生叶片的735.48（±41.67）mg/kg。叶片Pb含量从3年生到9年生显著增加，由3a年生叶片的34.87（±2.80）mg/kg增加到 9年生叶片的 54.80（±0.79）mg/kg，而5年生叶片Pb含量与9年生叶片Pb含量无显著差异。叶片Zn含量随着栾树人工林林龄的增加而增加，由3a年生叶片的59.13（±6.42）mg/kg增加到9年生叶片的83.10（±4.53）mg/kg，但是5年生叶片Zn含量与9年生叶片Zn含量无显著差异（如图3所示）。

图3 湘潭锰矿废弃地3个不同年龄（3a、5a、9a）栾树叶片各元素随林龄的变化趋势。

2.4 栾树细根各元素随林龄变化趋势

湘潭锰矿废弃地不同林龄栾树人工林的栾树细根N含量随着林龄的增加而显著降低，由3a生细根的10.96（±0.90）g/kg增加到9年生细根的 4.00（±0.05）g/kg。细根P含量随着栾树人工林林龄的增加而显著降低，由3a年生细根的1.64（±0.27）g/kg降低到9年生细根的0.46（±0.17）g/kg。细根Cd含量随着栾树人工林林龄的呈先增加后下降的趋势，由3a年生细根的2.43（±0.79）mg/kg显著升高到5年生细根的3.45（±0.35）mg/kg，再降低到 9年林龄土壤的 2.77（±0.78）mg/kg。细根Mn含量随着栾树人工林林龄的增加而增加，3a年生细根的384.00（±38.59）mg/kg和5年生细根的357.71（±8.40）mg/kg无显著差异，显著升高到9年生细根的527.06（±11.59）mg/kg。细根Pb含量随着栾树人工林林龄的增加而增加，由3a年生细根的26.40（±4.46）mg/kg显著增加到9年生细根的37.91（±2.03）mg/kg，然而5年生细根的Pb含量与9年生细根Pb含量无显著差异。细根Zn含量随着栾树人工林林龄的增加而显著增加，由3a年生细根的25.52（±3.18）mg/kg增加到 9年生细根的 47.24（±3.23）mg/kg（如图4所示）。

图4 湘潭锰矿废弃地3个不同年龄（3a、5a、9a）栾树细根各元素随林龄的变化趋势。

3 结论与讨论

本研究主要是湘潭锰矿矿渣废弃地的生态修复，包括土壤和植被两大方面。从数据分析结果可知，土壤中大量元素N，也就是植物生长必不可少的N元素，随着栾树人工林的林龄增长而显著增加，表明矿渣废弃地土壤的肥力得到显著提高。随着地下N含量的增加，栾树树干、叶片和细根的N含量反而显著降低，这是植物对土壤N含量变化的一个响应过程。当土壤中N含量较低时，植物为了维持正常的生长需求，则会吸收并储存更多的N，供植物生长需要；而当土壤N含量升高后，植物体正常的生长需求能够得到保障，那么植物中的N含量不仅会降低而且会增加其凋落物回收到土壤的量，这样进一步增加了土壤中N的含量。

与土壤N含量随林龄变化趋势相反，P同样作为植物生长所需的重要元素，其随林龄的变化趋势则显著降低。不仅土壤中的P随着林龄显著降低，栾树树干、叶片和细根P含量也显著降低。这可能与植物对P的利用方式以及可供植物利用的P形态多种多样相关。P元素是一种矿质元素，不会以气态或液态的形态存在，只能通过土壤矿物的风化过程而来。这样，随着植物生物量的增加，则会储存更多的P在植物体内，而降低土壤的P含量。又由于土壤中P含量低，会限制植物的正常生长发育，植物为维持生长，则会重新分配体内的P，那么植物体内的P则会降低。

我们同样对土壤中微量元素Cd、Mn、Pb和Zn含量进行了分析。随着林龄增加，土壤中4种微量元素含量显著减少。这表明锰矿矿渣废弃地的重金属元素含量得到显著的去除，对锰矿矿渣废弃地土壤的生态修复非常有效。与土壤Cd、Mn、Pb和Zn含量随林龄显著降低趋势相反的是，栾树树干、叶片和细根的Cd、Mn、Pb和Zn含量均随着林龄的增加而显著增加，除树干中Cd、Mn之外。结果表明。栾树树干、叶片和细根对Pb和Zn的富集作用非常明显，而叶片和细根对Cd和Mn的富集作用也很显著。说明栾树对重金属元素的吸收、富集和去除作用很显著，在将来进行矿渣废弃地的生态恢复可采用该树种来进行。

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