泥炭土改良铅锌矿渣下植物修复效果研究

李建彬，陈永华，汤春芳，龚紫薇，何 蔚

（中南林业科技大学 环境科学与工程学院，湖南 长沙 410004）

我国是世界主要的铅锌生产大国，铅锌生产过程中产生大量的尾矿渣严重威胁周围的生态环境[1-3]。由于矿渣土壤物理结构不良、极端贫瘠的土壤环境[4-5]，导致很少植物能在此重污染的土壤中存活，因此矿区重金属污染土壤通常用有机物料配合重金属抗性植物进行改良修复。根际是根系与土壤界面微域土区[6]，一些重金属抗性植物不同于超富集植物，能够通过生理限制根际重金属进入根部或地上部从而能够耐受底物中的高金属浓度[7]。已有研究表明夹竹桃Nerium oleanderL.是常见的常绿旱生植物物种，具有很强的抗干旱和污染胁迫能力，可以在缺乏营养的土壤中生长。夹竹桃地上部分可以规避土壤中Pb、Zn、Cu等多种重金属[8]，被报道是一种植物稳定修复潜力植物[9-10]。泡桐Paulownia fortunei具有很高的重金属抗性[11-15]，生长速度快，结合有机改良在广东地区重金属废弃冶炼场地已有应用[16]。苎麻Boehmeria nivea是一种适应性强的多年生宿根性草本植物，根系生物量大，宿根年限可达10～30 a以上，对Pb、Cd等重金属有很高的抗性[17]，广泛用于可水土流失控制和生态恢复[18]。本研究以这三种抗性植物材料结合泥炭改良研究其修复效果。

1 材料与方法

1.1 材 料

铅锌矿渣采自湖南省郴州市资兴尾矿库，矿渣基质土壤多石砾砂土、土壤结构差，养分及保水保肥很低，偏碱性。泥炭土为中性或偏酸性黑色有机肥，购自长沙市红星花卉市场，在不同浓度配比剂（表1）浓度条件下，于长沙校区对耐性木本植物泡桐Paulownia fortunei、夹竹桃Nerium oleander和苎麻Boehmeria nivea进行露天盆栽试验，盆栽花盆口径为40 cm，储量为19 kg，试验每盆一株，每个处理设置3个重复。泡桐和夹竹桃试验周期12个月，苎麻9个月。

表1 盆栽基质改良配比优化 (w/w)Table 1 Optimization of improved ratio of potted substrate (w/w)

1.2 方法

1.2.1 植物生长指标的测定

新鲜植物根系清洗干净后，逐株用 EPSON PERFECTION V700 扫描仪扫描，扫描图片用根分析软件Win RHIZO-Pro 2008b（Regent Instruments Inc）进行分析。依据Wells等[19]的方法统计植物的根长、根表面积、根体积、根尖数、平均直径以及在不同径级区间的分布。生物量增量由种植前和收获时两次生物量（干质量）的差值计算测定。

1.2.2 根际土壤化学指标测定

参照Riley等[20]采用抖落法收集根际土壤，土壤有机质测定采用重铬酸钾容量法[21]；pH值采用电位法（土∶水 = 1∶2.5，质量比）测定[22]。

1.2.3 植物对重金属的富集与转运能力的指标测定

植物和植物根系土壤样品铅锌含量采用火焰原子吸收分光光度计测量[22-23]。植物样品采用“硝酸-高氯酸体系湿法”消解、根系土壤样品采“王水-高氯酸电热板法”消解。铅锌富集系数和转移系数计算公式如下：

1.3 数据处理

采用SPSS单因素方差分析，LSD或Duncan法分析处理数据。

2 结果与分析

2.1 植物生物量变化

从植物各部位生物量增量（表2）来看，3种植物总生物量随改良剂浓度增加增加显著。根和茎生物量依次有泡桐＞夹竹桃＞苎麻的现象，叶生物量有夹竹桃＞泡桐≥苎麻的现象。苎麻侧根生物量在地下部根系生物量占比高于夹竹桃和苎麻显著（P＜0.05），且从A3到CK，苎麻侧根生物量占比从19%增加到了32.9%，泡桐侧根生物量占比减少，而夹竹桃侧根生物量占比基本不变，铅锌胁迫可能导致苎麻根系构型向多细根形态转变。

表2 改良下3种植物生物量增量的变化 (mean ±SD，n =3)Table 2 Changes of biomass increment of three plants after the improvement of lead-zinc residue soil (mean ±SD, n=3)

2.2 植物根系构型

从改良下植物根系构型（图1）来看，三种植物总根长、根表面积、根体积和根尖都随改良剂浓度增加而增加显著（P＜0.05），根长依次有苎麻＞泡桐＞夹竹桃，根表面积有泡桐＞苎麻＞夹竹桃；根体积有泡桐＞苎麻＞夹竹桃，根尖数有苎麻＞泡桐＞夹竹桃。参照Wells等[19]的方法，将细根区间0＜d＜2 mm分为0＜d＜1 mm 和1＜d＜2 mm两个径级（图1）发现三种植物各径级之间有差异。苎麻0＜d＜1细根根长和根尖相对d＞1 mm增长差异极显著（P＜0.01），三种植物中苎麻0＜d＜1 mm细根根尖、根长、根表面积和体积最大（P＜0.01）；泡桐各径级根系都增长显著（P＜0.05），其中d＞2 mm径级的根体积和表面积增长极显著（P＜0.01），和苎麻和夹竹桃差异极显著（P＜0.01）；而夹竹桃细根数量最低。

2.3 植物铅锌含量和富集特性

从植物各部位Pb、Zn含量分布（表3）来看，植物各部位Pb、Zn含量基本随改良剂处理浓度增加而降低，除泡桐有叶片Pb、Zn高富集特征外，植物体内Pb、Zn含量都随侧根＞主根＞茎＞叶的规律分布，侧根Pb、Zn含量显著高于其他部位（P＜0.05），3种植物中苎麻细根0＜d＜1 mm径级根尖、根长、表面积和体积最大（图1）对应苎麻侧根Pb、Zn含量最高（P＜0.01），可分别达到1 364.73 mg·kg-1和 719.48 mg·kg-1。说明 0 ＜d＜1 mm径级细根数量对侧根Pb、Zn吸收影响显著。

2.4 改良下根际土壤性质变化

2.4.1 根际土壤有机质（OM）变化

从改良下根际土壤有机质含量（表4）来看，相对CK，随处理浓度增加土壤有机质增加显著（P＜0.05）；相对本底，种植后土壤有机质增加显著（P＜0.05），增加量大小依次为苎麻＞泡桐＞夹竹桃，且随改良处理浓度增加增大，CK处理下苎麻，泡桐和夹竹桃种植后有机质含量分别增加了 10.23 g·kg-1、8.61g·kg-1和 7.43 g·kg-1，至A3 处理增加量分别达到了 22.61g·kg-1、18.11 g·kg-1和15.54 g·kg-1。植物根际过程能提高土壤有机质含量，提高大小因植物而异。

2.4.2 根际土壤pH值变化

从改良下根际土壤pH值变化（表5）来看，随着改良处理浓度的增加，土壤pH值降低显著（P＜0.05），相对本底，植物种植后根际土壤pH值提高显著（P＜0.05），不同植物根际pH值提高有差异，夹竹桃＞泡桐＞苎麻，分别平均提高了0.75、0.66和0.56个单位。

2.4.3 根系参数、pH和有机质（OM）之间相关性分析

从（表6）植物细根和土壤性质之间Pearson相关性来看，夹竹桃细根尖数和根体积与pH存在显著负相关，泡桐细根表面积和体积和根际pH存在显著负相关。泡桐细根根长、表面积、体积及苎麻细根表面积增长和对应的根际OM之间存在显著正相关。其他相关性较强但未达到显著。整体上，细根生长一定程度上影响根际土壤性质。

2.5 改良下根际重金属含量变化

从植物种植前后根际Pb、Zn含量变化（表7）来看，相对CK，改良显著降低了矿渣Pb、Zn的含量（P＜0.05），但不同处理Pb、Zn降低程度有差异，Pb减少量呈现泡桐＞夹竹桃＞苎麻、Zn减少量呈现苎麻＞泡桐＞夹竹桃，其中泡桐根际Pb种植后相对本底CK到A3依次降低了1161.85，1 128.49，1796.78 和 1849.6 6 mg·kg-1。苎麻根际Zn植后相对种植前CK到A3依次降低263.16，193.13，253.29 和 303.56 mg·kg-1。改良处理A3下，泡桐对土壤Pb与苎麻对土壤Zn都有较好的去除效果。

表3 改良下3种植物体内Pb、Zn含量和分布 (mean ±SD，n =3)†Table 3 Accumulation and distribution of Pb and Zn in plants after amendment and optimization (mean ±SD, n =3)

表4 改良下3种根际土壤有机质含量变化 (mean ±SD，n =3)†Table 4 Content changes of soil porganic matter in rhizosphere of three plants after optimization(mean±SD, n =3)

表5 改良下3种根际土壤pH值变化(mean ±SD，n =3)†Table 5 Changes of pH of soil organic matter in rhizosphere (mean ±SD, n =3)

表6 pH、OM和细根（0＜d＜2）根系生长之间Pearson相关性分析†Table 6 Pearson correlation analysis between pH, OM,and fine root growth

2.6 改良下铅锌累积量和转移量系数

从植物Pb、Zn累积量（图2）来看，植物Pb、Zn累积量随处理浓度增加而增加，Zn累积普遍高于Pb。泡桐Zn累积量最高，苎麻Pb累积最高，而夹竹桃Pb、Zn累积最低。从3种植物Pb转移量系数（图2）来看，泡桐和夹竹桃Pb转移量系数显著高于苎麻，而随处理浓度增加，泡桐Pb转移量系数增加显著，夹竹桃转移量系数在处理浓度10%时最高。从植物Zn转移量系数（图2）来看，泡桐Zn转移量系数显著高于苎麻和夹竹桃；苎麻Zn转移量系数最大区间位于20%～30%改良处理之间；夹竹桃Zn转移量系数也在处理浓度10%时最高。总体上，泡桐和苎麻转移量系数随改良处理浓度的增加而增加，而夹竹桃转移量最优的改良处理为10%泥炭土。

表7 种植前后土壤铅锌含量变化 (mean ±SD，n=3)†Table 7 Changes of Pb and Zn content in rhizosphere soils before and after planting (mean ±SD, n =3)

3 讨 论

3.1 植物生长影响Pb、Zn吸收

3种植物根系生长表现为泡桐＞苎麻＞夹竹桃，苎麻侧根生物量且占地下部根系生物量比重最高，且随着胁迫浓度A3到CK增加，侧根生物量占比从19%增加到了32.9%，铅锌胁迫导致苎麻根系构型向多细根形态转变，这与Máthé-Gáspár (2006)[24]等发现胁迫导致柳树细根数量占比增加的现象一致。苎麻0＜d＜1细根根长和根尖相对d＞1增长差异极显著，导致0＜d＜1细根表面积大于d＞1极显著。不同的植物物种会采取不同的策略以应对胁迫，目前一般把抗重金属植物(metallophytes)分为超富集植物(hyperaccumulators)、指示植物(indicators)、规避植物(excluders)三类[25]。本实验发现3种植物都具有Pb、Zn规避性，但规避方式不同，苎麻具有发达的侧根及细根分支，其0＜d＜1细根数量3种植物中最多，对应铅锌大量富集在侧根中。泡桐除细根高富集外还可能通过叶片富集及落叶的方式规避Pb、Zn富集，而夹竹桃细根生长停滞，地上部Pb、Zn基本不随土壤Pb、Zn含量和根系变化而变化，3种植物不同抗性策略下生理或生化机制上的差异有待进一步研究。

3.2 改良下细根与土壤性质变化

实验发现随着处理浓度增加，土壤有机质（OM）增加显著而pH降低显著，植物种植前后根际土壤有机质的增加显著，pH增加显著，相关研究表明有机质不仅影响土壤的物理特性而且影响植物养分的利用率[26]，导致植物根系生长增长显著，而植物生长过程根系可以以脱落物（包括细根分解等）、分泌物等形式向根系导入有机碳从而改变根际pH值和有机质含量[27-29]。相关性显示，根系细根生长和OM增加之间存在正相关，如泡桐细根根长、根表面积、体积和泡桐根际OM；苎麻根表面积和苎麻根际OM之间正相关显著（P＜0.05）；根系细根增长和pH降低之间有负相关，夹竹桃根尖数与根际pH存在显著负相关（P＜0.05），相关研究表明夹竹桃根尖可以提高根际pH值[30-31]， 除植物本身的根系生长和分泌物导致pH差异外，铅锌矿渣本身土壤缓冲性质可以影响植物根际pH，这是种植后植物根际土壤pH增加的可能原因之一，类似研究在铅锌矿渣土壤中也有发现，如随着印度芥菜Brassica junceaL.和向日葵Helianthus annuusL.生长根际土壤溶液pH会增加了0.2～1.4个单位的现象[32]，具体原因有待进一步研究。

3.3 改良下植物累积量和转移量系数

改良下植物累积量和转移量系数直观直接反映植物修复效果[33-34]。3种植物Pb、Zn总累积量基本随着改良处理浓度增加而增加，但植物转移量系数存在“拱形曲线”的现象，随改良处理浓度增加，速生植物泡桐和苎麻转移系数增加，而夹竹桃A1到A3 Pb、Zn转移量系数降低，转移量系数最大值位于A1 10%泥炭土处理。改良对矿渣有稀释作用，减少了原尾矿铅锌胁迫，同时也促进植物生物量增长从而提高累积量，对于泡桐和苎麻，可通过改良提高植物Pb、Zn地上部转移量。

图2 植物累积量和转移量系数（P：泡桐 Z：苎麻 J：夹竹桃）Fig.2 Accumulation and transfer amount coefficient of three plants (P: P.fortunei; Z: B.nivea; J: N.oleanderr)

4 结 论

随着改良剂浓度的增加，3种植物总生物量增量均呈现改良A3＞A2＞A1＞CK的趋势增长，但根系有不同增长构型，苎麻细根生长显著，侧根（细根）生物量占比从19%增加到了32.9%。其0＜d＜1 mm细根根长和根尖相对d＞1增长差异及显著（P＜0.01），3种植物中苎麻0＜d＜1 mm细根根尖、根长、根表面积和体积最大（P＜0.01）（P＜0.01）；泡桐粗根d＞2 mm根径的根体积和表面积增长极显著（P＜0.01）；而夹竹桃细根数量最低。铅锌胁迫可能导致苎麻根系构型向多细根形态转变。

3种植物除泡桐叶外植物体内Pb、Zn含量都呈现侧根＞主根＞茎＞叶的分布规律，0＜d＜1 mm区间，3种植物中苎麻细根数量最大，对应侧根Pb、Zn含量最高。说明细根数量或表面积对植物根系Pb、Zn吸收影响显著。

随着改良处理浓度增加，土壤有机质（OM）增加显著，pH降低；而植物种植后OM含量和pH值增加显著（P＜0.05），OM含量增加有：苎麻＞泡桐＞夹竹桃，pH值增加有：夹竹桃＞泡桐＞苎麻。根际土壤性质变化受根系和矿渣性质的综合影响。

3种植物Pb、Zn总累积量基本随着改良处理浓度增加而增加，但植物转移量有差异，泡桐和苎麻转移量随改良处理浓度增加而增加，而夹竹桃转移量最优的改良处理为10%泥炭土。