铅锌废渣堆场4种先锋修复植物根际微域磷素赋存形态特征

郑志林, 罗有发, 周佳佳, 邱 静, 吴兴玉, 高秉婷, 吴永贵,2,3

(1.贵州大学 资源与环境工程学院, 贵阳 550025; 2.贵州大学 应用生态研究所,贵阳 550025; 3.贵州省喀斯特环境生态工程研究中心, 贵阳 550025)

矿业活动是人类对自然界最具侵略性的活动之一[1]，和其他矿冶场地一样，位于贵州黔西北的大量铅锌矿废渣长期露天堆存，已对周边环境产生了严重影响[2-3]。大量研究表明，开展尾矿渣或废弃地生态修复工作是改善介质微环境、控制场地污染的重要手段[4-6]。然而矿冶废渣通常因具有重金属含量高、持水保肥性能差、养分贫瘠、物理结构差、微生物活性低等特性，其恶劣的生境严重限制了植物的着生与正常生长[7-9]。因此，开展废渣堆场生态修复通常需要辅助基质改良措施。目前，国内外开展了大量尾矿堆场生态修复效果评价的研究，主要涉及植物修复对酸性尾矿理化性质、养分状况、酶活性、重金属的迁移转化等方面[10-14]。许多研究表明，开展尾矿生态修复更需关注尾矿中土壤形成和发展的自然过程[15-17]。而植物定植和生长对尾矿中土壤形成过程具有重要影响，且该过程受基质特性的控制，尤其是影响植物生长的营养元素(氮和磷)的生物地球化学循环[18-20]。Goloran等[21-22]研究了黑麦草和有机/无机改良材料联合修复养分贫瘠的赤泥后认为应关注有限的植物可利用性磷素的生物地球化学过程。生态修复系统中磷素的良性生物地球化学循环过程不仅对修复植物群落养分的自维持还对重金属的固定具有显著的环境学意义[23-25]。铅锌废渣作为一种高毒贫瘠的特殊生境，目前对生态修复后废渣中磷素赋存形态特征相关的研究鲜见报道。本研究以黔西北土法炼锌废渣堆场植物生态修复5 a后区域内长势良好的大叶醉鱼草(Buddlejadavidii)、土荆芥(ChenopodinmambrosioidesL.)、三叶草(Trifoliumrepens)及黑麦草(Loliumperenne)4种先锋植物根际微域废渣为研究对象，研究已进行生态修复5 a后植物根际微域废渣中的全磷(TP)、有效磷(AP)、无机磷(IP)、有机磷(OP)、总无机磷(TIP)含量变化，旨在探讨废渣堆场在植物生态修复后介质中磷素形态的分布特征及其磷素储库的变化，以期为矿山生态修复及污染原位控制过程中废渣中营养元素的生物地球化学循环及矿山修复后期生态系统的稳定性提供理论依据。

1 研究区概况

研究区位于贵州省威宁县猴场镇群发村土法炼锌废渣堆场，地理位置为26°40′59.20″—26°41′01.29″N，104°43′53.90″—104°43′56.28″E，海拔1 919 m，属亚热带湿润季风气候，冬冷夏凉，年均气温16 ℃，年均降雨量950 mm左右，蒸发量630.50 mm左右[26]，水资源缺乏。黔西北具有丰富的铅锌矿产资源，该地区铅锌多金属成矿带属扬子准地台成矿区的上扬子成矿亚带，铅锌矿床主要是以岩性为主导因素的中低温热液矿床，同时受到构造活动的控制，金属矿物主要为铅锌硫化物，矿石矿物主要有方铅矿(PbS)、闪锌矿(ZnS)、水锌矿、白铅矿(PbCO3)、纤锌矿、褐铁矿、黄铁矿(FeS2)[27]。贵州黔西北的赫章县和威宁县长期大规模的土法炼锌活动累积遗留下大量富含重金属的铅锌废渣。为控制铅锌废渣中重金属污染物向周边及下游黔中水利枢纽工程的迁移扩散，课题组于2011年在该研究区域内堆放数十年寸草不生、物理结构及植生性状极差、富含重金属的冶炼废渣堆场开展基质改良并种植先锋草本植物(黑麦草和三叶草)和引种大叶醉鱼草和土荆芥，这些植物已稳定生长达5 a并成为废渣堆场的优势植物。

2 材料与方法

2.1 样品采集与保存

2016年11月12日将已进行植物修复5 a的铅锌冶炼废渣堆场分成3个样区(Y1，Y2，Y3)，呈“品”字形分布。在每个样区中选择3株长势相似的大叶醉鱼草(Buddlejadavidii)、土荆芥(ChenopodinmambrosioidesL.)、三叶草(Trifoliumrepens)及黑麦草(Loliumperenne)的根际与非根际废渣为研究对象，堆场中4种先锋植物的生长特性见表1。用小土铲小心地将整棵植物全部盘起，采用抖落法采集植物的根际和非根际废渣。整个研究区采集的植物根际与非根际废渣样品共72件，并在未进行基质改良无植物生长的对照区采集3件裸露的表层废渣(0～20 cm)作为对照。将采集的样品现场用自封袋密封保存，带回实验室后平铺成薄层风干，去除残留的根系，按四分法分成两份，并分别过20目、100目筛保存备用。

表1 铅锌冶炼废渣堆场4种先锋植物的生长特性

2.2 试验方法

废渣全磷(TP)采用H2SO4-HClO4消煮—钼锑抗比色法测定；速效磷(AP)采用0.5 mol/L NaHCO3溶液浸提—钼锑抗比色法测定；无机磷的赋存形态测定采用石灰性土壤无机磷形态的分级方法[28]，具体提取步骤见表2。废渣有机磷(OP)含量为总磷(TP)与总无机磷(TIP)之差。pH和电导率(EC)分别采用玻璃电极法和原位电极法(废渣∶水=1∶2.5)测定，氧化还原电位(Eh)采用铂电极法测定。废渣有机质(SOM)采用灼烧法测定[29]，具体为：将洗净、烘干的10 mL瓷坩埚在马弗炉中550 ℃灼烧5 h，取出，在干燥器中冷却1 h，称量(m0)。称取0.300 g风干废渣于已称量的坩埚中，105℃烘干4 h，取出，在干燥器中冷却0.5 h后称量(m105)。然后将坩埚转移到马弗炉中，升温至550℃后灼烧5 h，取出，在干燥器中冷却1 h后称量(m550)。SOM的计算公式为:

SOM=(m105-m550)/(m105-m0)×100%

2.3 数据处理与统计分析

试验数据用Excel 2007软件进行处理，采用IBM SPSS Statistics 16.0 软件进行Pearson双变量相关分析和单因素方差分析(One-Way ANOVA)。多重比较采用Duncan′s新复极差检验(p=0.05)，采用Origin 9.0软件进行绘图。总磷积累率为根际废渣总磷含量与对照组总磷含量的差值除以对照组总磷含量的百分比。

3 结果与分析

3.1 不同先锋植物根际微域废渣的理化性质及养分含量变化

4种先锋植物根际和非根际废渣及对照的理化性质(表3)表明，进行植物修复5 a后不同植物的根际与非根际废渣均呈弱碱性(pH值在7.43～7.86)，且均显著(p<0.05)低于对照废渣(pH=8.42)，说明植物修复可通过一定程度酸化植物根际有效改善根际废渣的pH值，使其更有利于废渣堆场植物的生长发育及养分吸收。就先锋植物参与下废渣的氧化还原电位(Eh)和电导率(EC)而言，与对照废渣相比，4种先锋植物的修复可显著降低植物根际与非根际废渣的Eh，而修复植物根际和非根际废渣的EC却与Eh呈相反的变化规律，且植物非根际废渣的EC均明显高于根际废渣，说明根际离子浓度(盐度)经植物吸收后要低于周边环境，有利于减少碱性废渣中离子对植物根系的胁迫。

表2 废渣无机磷形态的分级提取方法

4种植物修复可明显增加废渣基质的有机质含量，4种植物根际与非根际废渣有机质含量在14.97%～26.45%。除黑麦草外，大叶醉鱼草、土荆芥、三叶草的根际废渣中有机质含量均不同程度高于非根际废渣，且与对照组之间存显著差异(p<0.05)。

4种修复植物根际、非根际和对照废渣中全磷(TP)和有效磷(AP)含量(表3)表明，对照废渣中TP含量为0.37 g/kg，植物修复根际与非根际废渣中TP含量变化分别在645.83～1 302.33 mg/kg，435.67～939.75 mg/kg。除黑麦草外，其他3种植物根际与非根际废渣中TP的比值(R/NR)均大于1，表现出明显的正根际效应，即根际废渣中总磷含量高于非根际废渣；除三叶草外，其他3种植物间根际废渣和非根际废渣中TP含量均无显著差异(p<0.05)，但土荆芥、三叶草及黑麦草根际废渣中TP的含量均显著高于对照(p<0.05)。与对照废渣相比，大叶醉鱼草、土荆芥、三叶草及黑麦草根际废渣中TP积累率分别为：75.68%，159.46%，251.35%，89.19%。对照废渣中AP的含量较低(2.32 mg/kg)，而4种先锋植物的定植可显著增加废渣中AP的含量(p<0.05)，与非根际废渣也存在显著差异(p<0.05)(黑麦草除外)，表现出明显的植物根际效应。

3.2 不同先锋植物根际微域废渣无机磷形态分布特征

根据喀斯特地区铅锌矿废渣特征，采用石灰性土壤无机磷形态的分级方法将无机磷分为Ca-P(Ca2-P，Ca8-P，Ca10-P)、Fe-P，Al-P和Oc-P6种形态。修复植物根际、非根际和对照废渣中不同形态无机磷含量(图1)表明，6种形态磷中以Fe-P含量最高，Ca-P和Al-P次之，Oc-P最低。

4种修复植物的根际废渣中无机磷形态以Fe-P为主，其含量在109.50～251.83 mg/kg之间，占总无机磷的比例为25.78%～52.83%；而非根际废渣中Fe-P含量在82.25～243.50 mg/kg之间，占总无机磷的比例为35.79%～51.19%。除大叶醉鱼草非根际外，4种植物根际微域废渣中Fe-P含量与对照废渣间无显著差异。

植物根际与非根际废渣中Ca-P含量分别为80.67～214.00 mg/kg，68.46～118.68 mg/kg，分别占总无机磷的21.79%～29.50%和20.50%～29.79%。4种植物根际与非根际废渣中Ca10-P含量高于其他两种Ca-P，其含量占Ca-P的37.27%～68.92%，其变化趋势与Fe-P一致(图1D，F)，但根际与非根际废渣中的Ca10-P无显著性差异，说明Ca10-P作为潜在磷源，在短期内不易被植物利用。对于Ca2-P，土荆芥与三叶草根际、非根际、对照废渣中的Ca2-P含量存在显著差异(p<0.05)，另外2种植物无显著差异(图1A)。除了三叶草的根际与非根际和对照废渣中Ca8-P含量存在显著差异(p<0.05)外，其他3种植物根际废渣与对照废渣间均无显著差异(图1B)。4种植物根际废渣中Ca2-P和Ca8-P含量均表现为：三叶草>土荆芥>大叶醉鱼草>黑麦草>对照。

植物根际与非根际废渣中Al-P含量分别为90.83～348.67 mg/kg，62.08～128.25 mg/kg，分别占总无机磷24.69%～44.11%和19.48%～27.41%。4种植物根际废渣中Al-P含量变化规律与Ca2-P和Ca8-P一致。土荆芥、三叶草的根际废渣及黑麦草的非根际废渣中Al-P的含量显著高于对照废渣(p<0.05)(图1C)。

表3 4种先锋植物根际与非根际废渣基本理化性质

注：表中R表示根际废渣，NR表示非根际废渣；不同小写字母表示同一列数值之间存在显著差异(p<0.05)(下表同)。平均值±标准差，n=3。

Oc-P作为一种稳定态潜在磷源，其含量很低，植物根际与非根际废渣中Oc-P的含量分别为2.30～35.86 mg/kg，6.43～35.33 mg/kg，分别占总无机磷的0.62%～6.15%和1.35%～7.66%。4种植物根际、非根际、对照废渣中Oc-P含量依次为土荆芥>三叶草>大叶醉鱼草>对照组>黑麦草。除黑麦草外，其他3种植物根际废渣中Oc-P的含量显著高于对照废渣(p<0.05)，4种植物根际与非根际废渣中的Oc-P含量间均无显著差异(图1E)，这是由于Oc-P表层被铁氧化物(Fe2O3)胶膜包裹，即便有根系作用下，也很难分解转化为其他形态[30]。

3.3 不同先锋植物根际微域废渣中无机磷、有机磷占总磷比例变化

土壤中磷的形态可分为无机磷(IP)和有机磷(OP)，无机磷一般占全磷的50%～90%，而有机磷一般占全磷的20%～50%[31]。修复植物根际、非根际和对照废渣中各形态磷占总磷比例见表4，其中植物的根际与非根际废渣中TIP/TP比例范围为48.17%～77.59%，平均值为57.23%，OP/TP比例在22.41%～51.83%之间，平均值为42.77%；而对照废渣中TIP/TP和OP/TP比例分别为89.97%，10.03%。说明植物生长过程中主要吸收消耗根际废渣中的无机磷，有机磷利用率低而呈富集现象。修复植物根际废渣中Ca2-P/TP，Ca8-P/TP，Al-P/TP所占比例均高于对照废渣，而Fe-P/TP，Ca10-P/TP则与之相反。由表3可知，三叶草根际废渣中TP含量显著高于非根际(p<0.05)，植物的根际废渣中TIP/TP的比值却小于非根际废渣，说明植物根系对无机磷进行了大量的吸收。

3.4 不同先锋植物根际微域废渣中磷素形态及理化性质相关性分析

不同先锋植物根际微域废渣磷素形态及理化性质的相关系数表明(表5)，总磷、无机磷形态、有机磷及有效磷与废渣理化性质之间存在一定的相关性。除Oc-P与Eh，EC呈正相关及Ca10-P与Eh之间呈正相关外，其他各无机磷形态、有机磷、有效磷及总磷与pH，Eh及EC之间均呈负相关。植物根际废渣6种无机磷形态之间均呈正相关，尤其是Ca8-P与Al-P之间呈显著正相关(p<0.05)；Ca2-P和Al-P分别与总磷呈极显著正相关(p<0.01)和显著正相关(p<0.05)。植物根际废渣中有机磷与Fe-P，Oc-P，Ca10-P及有效磷呈正相关，与Ca2-P，Ca8-P及总磷之间呈显著正相关(p<0.05)，与Al-P呈极显著正相关(p<0.01)。植物根际废渣中有效磷含量与Ca2-P和TP间呈显著正相关(p<0.05)，而与其他磷形态呈正相关，且具有较大的相关系数。所以，植物根际废渣不同磷素形态与理化性质之间总体上呈负相关，不同磷素形态之间呈正相关，说明废渣在先锋植物参与下，不同形态磷素间发生相互转化。

注：不同小写字母表示植物根际、非根际及对照组废渣之间存在显著差异(p<0.05)；相同小写字母表示植物根际、非根际及对照组废渣之间无显著差异(p>0.05)。

图1 4种先锋植物根际与非根际废渣中不同无机磷形态含量分布

表5 先锋植物根际废渣无机磷形态与理化性质相关性

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

4 讨 论

植物正常生长需要适宜的生长环境，土壤呈过酸或过碱特性均会影响土壤中营养元素的有效性。本研究表明(表3)，4种先锋植物生长可不同程度降低铅锌废渣的pH，Eh和EC值，使碱性废渣朝着更适宜植物生长的中性环境发展。植物根际废渣pH下降原因主要归结于根系分泌物酸化、凋落物分解及微生物活动三者的共同作用。有研究表明，植物在响应贫瘠的废渣时会胁迫释放多种有机酸酸化根际环境[32]，且植物凋落物分解产物也具有一定的酸化作用[19,33]。也有研究发现，根际微生物(主要是溶磷细菌)在生长过程中会释放一些致酸物质[34]。与对照废渣相比，植物根际废渣中Eh呈不同程度降低，其原因可能是植物根系及其相关微生物分泌的质子和有机酸及呼吸作用所致[35]。植物根际废渣中EC下降可能是植物根系分泌的有机酸、酶等可通过溶解、络合或螯合作用促进根际微域中废渣重金属离子淋失或固持[36-37]，进而导致根际废渣中可溶性离子浓度显著降低。

土壤有机质是土壤肥力的物质基础，其含量的高低是评价土壤肥力的重要标志。本研究表明，对照废渣有机质的质量百分含量(12.46%)较高，是童倩倩等[38]对贵州省耕地土壤有机质含量(35.38 g/kg)研究结果的3.5倍。这与铅锌废渣养分贫瘠的背景相矛盾，其原因可能是土法炼废渣中含有大量未完全燃烧的碳(煤)[39]，从而导致废渣中有机质的含量呈现虚高假象。植物根际与非根际废渣中有机质含量是对照废渣中有机质含量的1.2～2.1倍，其原因是废渣经过植物修复5 a后植物凋落物、根系分泌物以及根际微生物促进了根际废渣中C的生物地球化学循环，增加了废渣C的输入与积累，从而有效改善废渣堆场的养分状况。

磷是植物生长的主要限制性因素之一，虽然土壤全磷含量一般都很高，但是有效磷含量却很低[40]。土壤有效磷主要来源于土壤的无机磷，土壤中的无机磷经过形态的转变，成为能够溶于土壤溶液中的形态而被植物吸收利用，因此土壤中有效磷含量是衡量土壤直接供磷能力的重要指标[41]。由于磷的低移动性，所以在根际一般出现亏缺[42]。本研究表明，在养分极其贫乏的废渣上进行植物修复后，修复植物根际废渣中总磷与有效磷含量均表现为根际>非根际>对照组(除黑麦草根际废渣中的总磷外)，表现出根际磷素富集现象。这种富集主要是由于根际pH的降低和根际有机质含量增加导致，根系分泌的H+能显著的增加无机磷的生物有效性，同时有机酸对吸附位点的竞争也能增加磷的有效性[43]。Venterink 等[44]研究也表明磷素有明显向根际迁移的趋势。通过与全省耕地土壤磷素水平(全磷0.068%，有效磷8.8 mg/kg)[45]相比，耕地土壤磷素显著高于对照废渣，即说明无植被修复的裸露废渣中磷素极其贫乏，植物修复5 a后，4种植物根际废渣中全磷和有效磷含量均高于耕地土壤磷素水平，说明植物的参与可以显著改善废渣中的磷素水平。大量报道也证实植物根系可通过根际酸化作用和有机酸的分泌增加根际土壤中无机磷有效性[46]。

在4种植物中，三叶草根际与非根际废渣总磷含量呈现显著差异(p<0.05)，根际废渣中总磷积累率达到251.35%，这是因为豆科作物根系分泌有机酸促进难溶磷溶解[47-49]。三叶草根际废渣OP/TP值比非根际废渣OP/TP值高出16.89%，这与固氮菌的解磷作用有关[50]。ATP(三磷酸腺苷酶)经固氮作用后分解成ADP(二磷酸腺苷)和Pi(磷酸基团)，从而导致其根际废渣中有机磷含量明显高于非根际废渣。另外，根系分泌物中90%是细胞脱落物[51]，这些物质的释放也会增加一定的根际有机磷。三叶草根际废渣中Ca2-P，Ca8-P和Al-P3种有效磷或缓效磷含量明显高于其他3种植物。沈宏等[52]和Ae等[53]研究发现，豆科植物细胞壁存在可溶解磷的活性物质，且这种物质在低磷环境中对难溶性磷具有促进作用。Shen等[54]研究表明，植物根系分泌物对Al-P有活化作用。土荆芥根际与非根际废渣中总磷含量无明显差异，其原因可能是土荆芥生境土壤中P，Ca的含量接近或相对低于非生境土壤[55]。

4种植物的根际与非根际废渣中各形态无机磷和总磷之间呈现不同的变化规律(图1，表3)。黑麦草根际废渣中的磷素含量低于非根际废渣，其他3种植物则呈现相反的规律。黑麦草所呈现的这种特异性可能是因为黑麦草根系发达致密且能分泌大量有机酸，促进难溶性磷转化为可溶性磷而易被淋溶流失或植物大量吸收。刘艺杉等[56]研究表明，多年生黑麦草组织内N，P，K养分含量明显高于高羊茅和草地早熟禾，说明多年生黑麦草对N，P，K吸收累积能力要高于高羊茅和草地早熟禾。

土壤磷是由无机磷和有机磷两部分组成，两者所占比例大小不仅与土壤性质有关，还与植物种类有关。由表3可知大叶醉鱼草和三叶草根际废渣中TP含量高于非根际，而这两种植物的TIP/TP比值却表现为非根际大于根际，OP/TP比值则相反(表4)，说明这两种植物根系对无机磷进行了大量的吸收，同时富集较多的有机磷，并且由相关性分析可知(表5)，无机磷形态中的3种有效或缓效磷(Ca2-P，Ca8-P及Al-P)含量与有机磷含量均呈显著(p<0.05)或极显著(p<0.01)正相关，进一步说明有机磷可转化为无机磷共植物利用。这与Zoysa等[57]研究结果相同，他们认为可溶性无机磷在根系作用下会转化为有机磷形式，其原因是根系释放含碳分泌物增加根际微生物活性所致。并且认为这种P形态转化对植物长期生长过程中养分平衡有很大的益处，因为微生物对有机磷的固定作用可促进P在植物根际中富集，随后有机磷的矿化将微生物固定的P转化为植物可利用态磷。一般认为，在酸性土壤中无机磷形态以Fe-P为主，石灰性土壤中以Ca-P为主[58]，而本研究却发现在碱性废渣中Fe-P含量高于Ca-P含量(图2)。这与废渣中Fe(约176.15 g/kg，基于XRF测定)的含量有关，Fe氧化物对可溶性磷具有吸附作用[57]，并且随着Fe氧化物增多P的吸附能力增强[59]。植物根系分泌有机酸使pH值降低和分泌麦根酸的条件下会对Fe有一定程度的富集作用[60]，并且Oc-P在还原条件下可被分解和转化为Fe-P[30]。而大叶醉鱼草、土荆芥和三叶草根际废渣中Oc-P含量均明显高于对照废渣，可能是因为有机酸的作用使Oc-P含量有所增加[61]。

5 结 论

(1) 先锋植物的参与能有效改善废渣的理化性质。4种植物可显著降低废渣的pH和Eh值，显著增加废渣中有机质的积累，说明植物参与能显著改善废渣的植生性能。

(2) 4种先锋植物根际废渣均不同程度表现出磷素富集作用。与对照废渣相比，修复植物根际废渣中总磷与有效磷的含量均显著高于对照，并表现出明显的根际聚集效应(除黑麦草根际废渣中的总磷外)，4种先锋植物根际废渣中总磷积累率分别为75.68%(大叶醉鱼草)，159.46%(土荆芥)，251.35%(三叶草)，89.19%(黑麦草)。

(3) 废渣中磷素主要以无机形态以Fe-P为主，Ca-P和Al-P次之，Oc-P最低。废渣中有效磷含量与Ca2-P和TP含量间均呈显著正相关(p<0.05)，有效磷与其他磷形态间也有较大的正相关系数。废渣中Ca2-P为有效磷的主要磷素储库，其他5种无机磷和有机磷可以缓效磷或潜在磷源转化为有效磷以供植物生长。

(4) 三叶草根际废渣SOM，TP，AP含量均与对照组之间呈显著差异(p<0.05)，与其他3种植物的根际废渣相比，其修复效果均为最佳。因此，在今后铅锌废渣矿山修复过程中，可选择三叶草作为先锋修复植物对环境介质进行有效改良，为后期引进其他修复植物提供更为有利的植生环境。