先锋修复植物对土法炼锌废渣基质养分及微生物学特性的影响

2018-10-12邢容容吴永贵罗有发吴芷雪万祖荣

水土保持研究 2018年5期

邢容容,吴永贵,2,3,罗有发,姚璁,舒洁,吴芷雪,万祖荣

(1.贵州大学资源与环境工程学院,贵阳 550025; 2.贵州省喀斯特环境生态工程研究中心,贵阳 550025; 3.贵州省环境功能材料与设备研发研究生工作站,贵阳 550025)

贵州省铅锌矿产资源丰富，其产量占全国铅锌产量的10%左右[1]，主要分布在黔西北地区的水城、威宁、赫章等县。黔西北地区土法炼锌已具有300多年的冶炼历史，由于该工艺简单，Zn回收率低，致使大部分未回收的Zn及其他伴矿重金属(Pb，Cu，Cd，As等)残留于土法炼锌废渣中，大量未经任何处理的铅锌冶炼废渣堆积在环境中，废渣中高含量的重金属极易通过地表径流、风力扩散等途径扩散至周围环境介质中，对周边及下游的水环境质量、农产品产量和质量、人体健康产生严重影响。因此，近年来，土法炼锌废渣堆积产生的环境问题备受专家学者及政府的广泛关注。迄今为止，关于土法炼锌废渣的研究主要集中于重金属的地球化学特征[2-3]、重金属风险评价[4-5]、废渣基质改良[6-7]、生态修复[6,8-9]等方面，而对于植生条件极差的废渣堆场(物理结构差、养分贫瘠、重金属含量高、生物活性低等)上自然定居的先锋植物研究较少[10]，对于野外现场进行基质改良后生态修复的先锋草本植物及随后自然定居的先锋植物的研究尚未见报道。

根—土界面的根际微域因其特殊的物理、化学及生物学特性，已成为研究植物—土壤—微生物之间相互联系的重要领域[11-12]，研究根际微域土壤养分、酶活性、微生物数量对于评价土壤生态修复效应也具有重要意义[13]。有研究表明，根际微域在植物生态修复过程中，对重金属的生物地球化学过程[14-15]及改善基质的理化与生物学特性[16]方面具有重要的影响。本文以贵州省威宁县猴场镇群发村土法冶炼废渣堆场为研究区域，选择经基质改良后生态修复的豆科车轴草属白三叶草(Trifoliumrepens)、禾本科黑麦草属黑麦草(Perennialryegrass)，以及随着基质植生条件改善后自然定居的藜科藜属植物土荆芥(Chenopodiumambrosioides)和小灌木的玄参科醉鱼草属大叶醉鱼草(Buddlejiadavidii)等先锋修复植物为研究对象，探讨4种类型植被的先锋修复植物对土法炼锌废渣基质的理化性质、酶活性、微生物数量和活性的影响，并对其现场修复效果进行肥力综合评价，以期为指导土法炼锌废渣堆场的生态修复或植被重建提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况及样品采集处理

研究区域以贵州省黔西北威宁县猴场镇群发村某一历史遗留土法炼锌废渣堆场作为生态修复试验场地(北纬26°41′14″，东经104°43′45″)，平均海拔2 200 m，年平均气温10℃左右(冬无严寒，夏无酷暑)，属亚热带季风气候带，无霜期180 d，年均日照时数为1 800 h，年均降水量890 mm。2012年本课题组对植物立地条件极差的该废渣堆场进行必要的植生特性改良，并选择两种一年生或多年生的草本植物(黑麦草和三叶草)作为先锋植物开展渣场生态修复示范，随着废渣堆场植生特性的改善，生物量较大的非人工种植小灌木玄参科醉鱼草属大叶醉鱼草及藜科藜属土荆芥两种先锋植物在废渣场上自然定居，且4种先锋植物(三叶草、黑麦草、土荆芥、大叶醉鱼草)已在堆场表面上正常生长4 a(2012—2015年)，其中4种植物在堆场上的分布情况为黑麦草和三叶草分别成片生长，且两种植物生长区域无其他植物存在。随着植物群落的演替，一年生的黑麦草和三叶草逐渐枯落，土荆芥和大叶醉鱼草生长区域内无黑麦草和三叶草存在。

2015年10月选择生态修复示范区域中成片生长的三叶草、黑麦草、土荆芥、大叶醉鱼草作为研究对象，根据4种植物的分布特点划分为3个采样区域(如图1中Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ所示)，在每个采样区域(各采样区域中均有大叶醉鱼草、土荆芥、黑麦草和三叶草的单一聚集生长群)中分别设置4 m×4 m，1 m×1 m的样方采集灌木及草本植物样品，分别在每个样方中随机选择3株长势基本相同且呈单一聚群分布的大叶醉鱼草、土荆芥、黑麦草和三叶草(植物间无相互影响)，在尽量不损害根系的情况下，在每个样方中挖取且具有完整根系的废渣基质，轻轻抖落不含根系的废渣基质，收集其作为非根际废渣基质，然后用力将根表面附着的废渣基质全部抖落下来，收集其作为根际废渣基质，将每个样方中采集的每种植物的根际和非根际废渣基质分别混匀，按四分法缩分得到每种植物对应的1个综合样品。在3个采样区域内设置的样方中共获得每种植物对应的根际及非根际废渣基质样品各3个，4种植物共采集样品24个。同时在该研究区域内选择无植被生长的裸露废渣区域(如图1中Ⅳ所示)为对照，按照“S”型路线采集5个0—20 cm的表层裸露废渣样品混匀后作为1个对照样品，共采集3个对照样品。由于对照废渣无植被生长，故不区分根际与非根际废渣。采集后的废渣基质装入无菌袋密封保存带回实验室，将采回的废渣去除其中的大颗粒石子及植物根系后采用四分法缩分成两份，一份废渣置于4 ℃冰箱中保存，用于废渣基质酶活性、呼吸作用强度、微生物数量等生物学指标的测定；另一份废渣放在室内通风处自然风干后研磨、过筛，用于土法炼锌废渣理化性质的测定。

注：Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ分别代表采样区域1，采样区域2，采样区域3，采样区域4(裸地对照)

图1研究区示意图

1.2 测定指标及方法

废渣基质化学性质测定参照鲍士旦[17]编著的《土壤农化分析》进行，其中pH值和电导率分别采用玻璃电极法(废渣基质∶水=1∶2.5)和原位电极法测定；有效氮采用碱解扩散法测定，有效磷采用0.5 mol/L NaHCO3溶液浸提—钼锑抗比色法测定，全氮采用半微量凯氏定氮法测定，全磷采用H2SO4-HClO4消煮—钼锑抗比色法测定，有机质采用高温外加热重铬酸钾氧化—容量法测定，有效钾含量采用1 mol/L乙酸铵浸提—原子吸收分光光度法测定。

1.3 数据处理

采用Excel 2010及IBM SPSS Statistics 22.0软件进行统计分析，Origin 8.6软件进行绘图。采用单因素方差分析法(one-way ANOVA)对废渣酶活性、养分、微生物活性进行方差分析和差异显著性检验(p=0.05)，并采用Duncans法进行多重比较。废渣酶活性、养分、微生物数量间的相关性采用Pearson相关系数分析。用主成分分析法提取累计方差贡献率≥85%的公因子，用回归法计算对照、不同植物根际和非根际的公因子得分。

2 结果与分析

2.1 先锋修复植物根际和非根际土法炼锌废渣基质理化性质

由表1可知，4种修复植物的根际和非根际pH值较对照(无植物生长的裸露废渣)显著降低(p<0.05)，表现为明显的酸化现象，而4种植物根际和非根际废渣基质之间的pH值变化范围较小(7.27～7.40)无显著差异(p<0.05)。而修复植物的存在对废渣电导率的影响与pH值的变化规律相反，即植被的存在可不同程度地增加废渣基质中的离子浓度，表现为：非根际>根际>裸地(除黑麦草根际废渣的EC低于对照外)，三叶草和黑麦草根际废渣的电导率与对照间无显著差异(p<0.05)，而大叶醉鱼草和土荆芥根际废渣电导率则显著高于对照(p<0.05)。

表1结果表明，与对照相比，4种修复植物均可显著(p<0.05)增加炼锌废渣基质养分(全磷、全氮、有效磷、有效氮、有效钾和有机质)含量。在4种修复植物中，三叶草根际废渣基质中全磷、全氮、有效磷和有效氮含量显著高于另外3种修复植物(p<0.05)，其根际废渣基质中的全磷、全氮、有效磷和有效氮含量分别是对照的4.10，2.59，16.06，6.15倍；就有效钾而言，大叶醉鱼草和三叶草根际废渣基质有效钾含量显著高于其他2种植物及对照(p<0.05)，但三叶草与大叶醉鱼草根际有效钾含量无显著差异(p>0.05)；就有机质而言，4种修复植物根际对废渣基质的有机质的影响作用大小依次为土荆芥>三叶草>黑麦草>大叶醉鱼草，其中黑麦草根际与非根际有机质差异显著，而其他3种植物根际与非根际间无显著差异(p<0.05)。

2.2 先锋修复植物根际和非根际土法炼锌废渣基质中酶活性特征

由图2可知，无植被存在的裸露废渣的酶活性极低，其脲酶、蔗糖酶、磷酸酶、过氧化氢酶活性分别为0.05 mg/(g·d)，0.31 mg/(g·d)，0.12 mg/(g·d)，1.24 mL/(g·h)。与对照相比，4种先锋修复植物存在可明显增加根际废渣基质酶活性(脲酶、蔗糖酶、磷酸酶和过氧化氢酶)，且均表现为：根际>非根际>对照，其中4种植物根际废渣基质酶活性显著(p<0.05)高于非根际(除过氧化氢酶外)，表现出明显的根际效应。4种修复植物的存在对废渣基质酶活性的影响作用不同，其中，根际废渣脲酶和蔗糖酶活性方面表现为：三叶草>大叶醉鱼草>黑麦草>土荆芥；根际废渣磷酸酶活性方面表现为：三叶草>黑麦草>大叶醉鱼草>土荆芥；4中植物根际废渣过氧化氢酶活性表现为：黑麦草>三叶草>大叶醉鱼草>土荆芥，其中黑麦草存在下的废渣过氧化氢酶活性显著高于大叶醉鱼草和土荆芥(p<0.05)。

2.3 先锋修复植物根际和非根际土法炼锌废渣基质中微生物数量及活性特征

由表2可见，与植被修复的废渣相比，无植被恢复的裸露废渣(对照)的三大微生物类群(细菌、真菌、放线菌)数量、微生物活性(呼吸作用强度)、微生物量含量均极低。而4种先锋修复植物的存在则可明显改善土法炼锌废渣基质中的微生物数量及活性。与对照相比，4种植被的存在可显著增加废渣基质细菌、真菌和放线菌的数量，表现为：根际>非根际>裸地对照，其中，4种植物存在下废渣基质的细菌、真菌和放线菌数量分别是对照的140.63～9 375，46.32～1 110.29，65.22～19 927.52倍。其中，三叶草根际废渣中细菌的数量、大叶醉鱼草根际废渣基质中的真菌和放线菌数量均为最高，且均分别与其余3种植物根际废渣中的微生物数量存在显著(p<0.05)差异。

与无植被覆盖的裸露废渣相比，4种植物根际和非根际废渣基质的呼吸作用强度和微生物量含量均高于对照，且根际与对照间存在显著(p<0.05)差异，根际聚集效应明显。4种植被根际废渣基质中呼吸作用强度及微生物量含量大小依次分别为大叶醉鱼草>土荆芥>黑麦草>三叶草和三叶草>黑麦草>大叶醉鱼草>土荆芥。

表1 4种先锋修复植物根际和非根际土法冶炼废渣基质理化性质

注：表中R代表根际，NR代表非根际，表中数据为平均值±标准差，不同小写字母表示同一列4种植物根际、非根际及对照间存在差异显著性(p<0.05)，下同。

2.4 先锋修复植物根际土法炼锌废渣的养分与酶活性、微生物活性的相关性分析

由表3可看出，4种先锋修复植物根际废渣基质养分与酶活性、微生物数量整体上呈正相关关系。其中，全氮与细菌及磷酸酶分别呈极显著(p<0.01)及显著(p<0.05)相关；有效氮与蔗糖酶和磷酸酶呈极显著相关(p<0.01)，与脲酶和微生物量呈显著相关(p<0.05)；有效钾与真菌、呼吸作用强度及微生物量呈显著相关(p<0.05)。而有机质与酶活性、微生物活性均无显著相关。4种植物根际废渣基质酶活性与微生物活性均呈正相关，且具有较高的相关系数，其中4种酶(脲酶、蔗糖酶、磷酸酶和过氧化氢酶)与微生物量均显著相关(p<0.05)，脲酶、蔗糖酶与真菌显著相关(p<0.05)，说明4种先锋修复植物根际废渣基质酶活性与微生物活性关系密切。

注：图中R代表根际，NR代表非根际，4种酶活性Sig<0.001。不同小写字母表示4种植物根际、非根际及对照间存在差异显著性(p<0.05)。

图2 4种先锋修复植物根际和非根际土法炼锌废渣基质酶活性

2.5 不同先锋修复植物根际和非根际废渣肥力评价

为了更好地评价4种先锋修复植物修复对土法炼锌废渣的肥力状况的影响，选择冶炼废渣的pH，EC、微生物量、呼吸作用强度、养分、微生物数量和酶活性共17个相关指标进行主成分分析。由表4可以看出，第一主成分的方差贡献率最大，为63.25%，涵盖了一半以上的信息，对铅锌冶炼废渣的肥力状况起主导作用。4个主成分的累积方差贡献率达到了94.47%，能反映出4种先锋修复植物根际与非根际废渣各指标的相对重要性及其之间的相互关系。

对17个铅锌冶炼废渣基质肥力因子在各主成分上的因子载荷分析(表4)表明，土法炼锌废渣基质脲酶、蔗糖酶、有效氮、磷酸酶、微生物量、真菌、有效磷和有效钾对第一主成分影响较大，综合了绝大部分酶活性、微生物及养分信息，其中脲酶、蔗糖酶和磷酸酶的载荷均较高，集中反映了基质水解酶活性状况，可命名为水解酶活性因子(F1)。第二主成分包含EC、有机质等信息，其中EC的载荷较高，集中反映了基质的可溶性盐溶解状况，故可命名为EC因子(F2)。第三主成分中，放线菌和细菌的载荷较其他因子高，集中反映了基质中微生物活性，可命名为微生物因子(F3)。第四主成分中，过氧化氢酶的载荷相对较高，集中反映了基质过氧化氢酶活性，可命名为过氧化氢酶活性因子(F4)。

表3 4种先锋修复植物根际废渣基质养分与酶活性、微生物活性间的相关系数

注：**表示在0.01水平(双侧)上极显著相关，*表示在0.05水平(双侧)上显著相关。

表4 主成分因子载荷矩阵及主成分特征根

将因子载荷换算为规格化特征向量[22]后，可以得到反映土壤肥力水平的4个主成分表达式：

F1=-0.181x1-0.056x2+0.256x3+0.254x4+0.267x5+0.289x6+0.257x7+0.120x8+0.297x9+0.295x10+0.285x11+0.160x12+0.242x13+0.281x14+0.210x15+0.230x16+0.285x17

F2=-0.309x1+0.588x2+0.010x3-0.097x4+0.092x5-0.136x6+0.219x7+0.509x8-0.071x9-0.098x10-0.193x11-0.216x12-0.182x13+0.028x14-0.028x15+0.285x16+0.042x17

F3=0.165x1-0.130x2+0.331x3+0.357x4+0.293x5+0.049x6-0.269x7+0.252x8-0.068x9-0.044x10+0.060x11-0.318x12+0.361x13-0.147x14-0.363x15-0.305x16-0.082x17

F4=0.510x1+0.012x2-0.020x3-0.075x4+0.064x5-0.082x6-0.110x7-0.030x8+0.137x9+0.155x10-0.111x11-0.589x12-0.018x13+0.296x14+0.441x15+0.153x16-0.040x17

式中：x1，x2，…，x17分别代表pH值、EC、全磷、全氮、有效磷、有效氮、有效钾、有机质、脲酶、蔗糖酶、磷酸酶、过氧化氢酶、细菌、真菌、放线菌、呼吸作用强度和微生物量。将裸地对照、根际和非根际废渣的上述17个指标分别代入表达式，计算各主成分的得分，再以各主成分的方差贡献率为权数，对所提取的得分进行加权求和，得到4种先锋修复物根际废渣和非根际废渣反映土法炼锌废渣肥力水平的综合得分(表5)。

表5 主成分因子得分及土法炼锌废渣基质肥力水平综合得分

结果表明，土法炼锌废渣基质肥力水平综合得分总体上表现出：根际>非根际>对照。说明此4种先锋植物修复能明显改善土法炼锌废渣基质的肥力状况，其中，三叶草根际废渣基质肥力综合得分最高，其次是大叶醉鱼草，而对照废渣的最低。说明植物的存在明显改善了冶炼废渣基质的肥力状况，且在4种先锋修复植物中，三叶草作为先锋草本植物对土法炼锌废渣基质的修复效果最好。

3 讨论

本研究表明，4种先锋修复植物根际废渣基质养分(全磷、全氮、有效磷、有效氮、有效钾和有机质)含量均高于非根际和裸地废渣，呈现明显的根际聚集现象。一方面可能是因为植物在受到外界因素胁迫(养分贫瘠、重金属含量高)条件下，根际分泌的低分子有机化合物在养分活化方面作用突出，即这些低分子有机化合物可通过改变根际土壤的pH值，Eh条件或通过螯合作用和还原作用来增加某些养分的溶解度和移动性，进而促进植物对这些养分的吸收，使根际土壤养分含量明显提高[25-26]；另一方面，植物的根系分泌物中含有较高浓度碳水化合物、氨基酸等物质，是根际微生物生存与繁殖所需碳源和氮源的重要来源，促进根际微生物大量繁殖，微生物的存在又可以大大促进根系分泌物的释放及自身有机酸等活化根际矿物养分物质的分泌，并将植物根系周围的养分向根际聚集、吸收，构成良性循环，但该过程受根际环境和生物综合因素的影响和制约程度较大[25]。本研究中，无植被覆盖的裸地的有机质含量数据显示其具有较高含量有机质，这与废渣物理结构差、养分贫瘠的现实相矛盾，这种有机质存在“虚高”的现象可能与土法炼锌废渣基质中含有的未完全燃烧的单质碳(即作为燃料的煤，很难被生物直接利用)及其他还原性物质有关，因为利用本研究中有机质的测试方法易将非有机质部分的氧化作用误判为有机质的含量的增加，从而造成废渣基质有机质含量呈现“虚高”现象[7]。

4种先锋植物存在对土法炼锌废渣基质酶活性具有较大的改善作用，主要表现为4种植物根际废渣基质的酶活性(脲酶、蔗糖酶和磷酸酶活性)显著高于非根际。这与孟令军[27]、张学利[28]等的研究结果相似。根际废渣基质中酶活性的变化主要有两方面的原因：一是根系因自身的生理活动及周围环境胁迫的影响而向根际废渣基质分泌大量的酶[29]；二是植物根际土壤微域是微生物特殊的生境，根际微生物数量总是比非根际要高得多(表2)，当微生物受到根际微域环境因素刺激时，便不断向周围介质分泌酶，使根际内外酶活性存在很大的差异[30]。

4种先锋植物的存在对促进土法炼锌废渣基质的微生物数量及活性具有重要作用，且废渣基质的微生物活性具有明显的根际聚集现象，即废渣基质的微生物活性均表现为：根际>非根际>对照，这与杨期和等[16]的研究结果相似。这可能与植物根系对土法炼锌废渣重金属的吸收降低了根际环境重金属含量、以及先锋植物相关的有机质的输入(如根系分泌物、凋落物)降低重金属的生物有效性，最终为根际微生物的生存与繁殖提供了有利的环境条件有关。

大量研究表明，土壤养分、酶活性及微生物数量之间存在密切关系[31-32]。土壤中脲酶、磷酸酶等酶活性可以一定程度反映土壤中C，N，P，K的转化强度，在营养元素物质交换过程中占据着非常重要的地位[33]。本研究表明，4种植物根际废渣养分与酶活性呈正相关，其中总氮与磷酸酶、有效氮与脲酶显著相关，有效氮与蔗糖酶、磷酸酶极显著相关，这与王笛等[31]、银秋玲等[34]的研究结果一致。说明废渣基质脲酶、蔗糖酶和磷酸酶活性有利于废渣基质中氮素的转化及分解，提高其中氮素的有效性。根际废渣基质养分与微生物活性之间具有不同程度的相关性，其中总氮与细菌极显著相关，有效氮与微生物量，有效钾与真菌、呼吸作用强度、微生物量均显著相关，这可能是由于植被存在可有效改善废渣基质水热条件和通气状况，为根际微生物活动创造了良好的环境条件，微生物又可以通过分解动植物残体而参与土壤系统中的能量流动和物质循环[35]。4种先锋修复植物根际废渣基质的酶活性(脲酶、蔗糖酶、磷酸酶和过氧化氢酶)与微生物量，脲酶、蔗糖酶与真菌均显著正相关。一般认为土壤中的酶主要来自土壤微生物的代谢过程、植物根系分泌物和动植物残体腐解过程中释放的酶[36]，故当土壤微生物数量增加时，土壤酶活性增强，这与大多数认为土壤酶活性与土壤微生物数量总体呈正相关的研究结论一致[31-32]。土壤酶活性增强又有助于提高土壤有效肥力，从而使土壤养分—微生物—酶活性间构成良性循环，促进土壤环境朝着良性方向发展，土壤质量得到逐步提高。

主成分分析表明，第一主成分方差贡献率高达63.25%，其中有效氮、脲酶和蔗糖酶活性载荷均较高，而有效氮与脲酶、蔗糖酶显著相关和极显著相关，说明植被改善土法炼锌废渣基质综合肥力状况的过程中氮素发挥了重要作用。从4种先锋修复植物根际和非根际废渣基质综合肥力来看，根际废渣均高于非根际和裸地，其中，白三叶草根际肥力状况最佳。白三叶草作为豆科三叶草属牧草，具有发达的侧根系，可大量固定空气中的N素，改变其根际废渣的养分状态，从而影响酶活性及微生物活性，此外，也有研究表明三叶草作为尾矿库的优势植物，对重金属具有较强的耐性[37]，故可选择三叶草作为土法炼锌废渣堆场的先锋植物进行植生特性改良。