陕北煤矿污染区优势植物对土壤重金属生态修复研究综述

罗彩云 王晓荣

（榆林学院生命科学学院 陕西·榆林 719000）

1 研究意义

矿产资源的开发在为国家提供重要战略资源的同时也造成了环境污染、地质灾害、生态破坏等严重后果[1]。我国粗放型矿产资源的开发利用，导致大面积耕地土壤被重金属污染，已成为影响农业可持续发展的重大环境问题。严峻的土壤重金属污染，是我国经济快速发展过程中长期逐渐累积的环境问题，其中矿产资源的开发是导致重金属进入环境的最主要因素，且其中以煤矿开采造成的污染面积最大。

晋陕蒙接壤区既是中国重要煤炭能源基地，也是中国水土流失严重的生态环境脆弱区。近些年来该区大规模地表剥离式的露天开采严重破坏了原有地貌和生态系统，严重限制了该地区社会经济的可持续发展。煤矿资源的开发利用造成的土壤重金属污染由地球化学链、食物链进入生物体，给矿山及其周边地区居民的食品安全、生态安全甚至社会和谐带来严重隐患，因此对矿区污染土壤的生态恢复就显得十分重要。

如何有效复垦己破坏的土地，重建矿地生态环境愈来愈引起各界的关注[2]。基于以上问题，国内外学者对矿山及周边地区多金属污染在植物—土壤系统内的迁移、富集及对重金属污染土壤的治理和植物修复技术等方面展开了大量的研究。与传统的物理化学治理技术相比，植物修复（phytoremediation）具有经济、对环境友好、能保持土壤生产力和无二次污染等优点而广泛应用于重金属污染土壤修复。目前已发现植物修复材料因其生物量小、生长缓慢、生长环境苛刻等特点，难以解决大面积的土壤重金属污染治理需求。而园林绿化植物具有生长迅速、生物量大、根系发达等特点，用于修复重金属污染土壤的可行性引起了广泛关注，通过营林的方式修复煤矿开采造成土壤重金属污染的研究较少。

近年来，有关中国矿区废弃地植被修复研究多见报道，但多侧重于北方煤矿区废弃地植被修复过程及特征的研究。虽然基于陕北矿区土地的破坏和复垦技术等诸多问题极具研究性，而国内外对此研究很少，关于陕北矿区优势植物群落对土壤的修复机理方面的研究更是鲜见公开报道。由于陕北地区煤矿开采造成了该区严重的土壤生态问题，而植被修复是煤矿区土壤修复的主要技术方法，加强煤矿区植被对土壤的修复机理的相关研究迫在眉睫。

2 国内外研究现状及发展动态分析

2.1 植物修复技术的概念

植物修复（Phytoremediation）指利用植物及其根际微生物体系的物理、化学或生物过程来吸收、挥发、转化、降解或固定土壤污染物的一种原位生物修复技术。植物修复与传统修复方法相比，其操作简便、持效长、成本低、环境友好、且易于被公众接受，已成为当前最有发展潜力的土壤污染修复技术[3]。

植被修复和重建有助于土壤养分的富集。植被修复后改变土壤表层覆盖物的性状，大量的次生草本和枯枝落叶减少水土流失，防止土壤养分的流失，增强土壤的滞水纳墒能力，进而形成较好的土壤水肥条件，有助于土壤肥力的提高良好的土壤肥力水平又促进土壤生物繁殖和活力，植被的繁茂生长会产生大量的枯落物，在较好的水分和光热条件下，必然会加速枯落物的分解转化，导致土壤肥力性状的进一步良化。这促进生态系统的良性循环，有助于生态系统服务功能的良好发挥，进而改善区域生态环境条件。

2.2 矿区土壤修复植被种类及模式的选择

土地复垦的核心内容是植被恢复，植被与土壤的关系非常密切，植被恢复和土壤质量的演变相互制约，互为动力。随着植被恢复的进程，植被覆盖度增加，枯落物增加，一方面枯落物分解腐化把大部分无机营养元素归还土壤，另一方面改善了土壤的物理性质[4]。

在矿区土壤恢复研究中，选择适宜的植物种类进行植被恢复，是整个生态恢复工作的一个重要环节。应当选择对环境适应性强且对土壤具有改良作用的植被作为土地复垦的先锋物种，把矿区退化工程整治与植被恢复相结合，具体到乔木、灌木与草本相结合，引入先锋植物和乡土植被，加强植被管理，加快植被恢复和土壤熟化等。例如：在安太堡露天煤矿新垦土地植被恢复中选用豆科牧草作为先锋植物，以乔木、灌木、草本复合种植为最佳模式，可以有效控制水蚀和风蚀等危害，有利于土壤生态重建稳固发展；阜新地区煤矿排土场植被恢复研究中提出，刺槐、沙棘、家榆等植物适用于煤矿排土场的植被恢复，可以增加土壤有机质成分；还有研究表明：植被恢复的矸石山上主要树种对土壤水分物理性质的改善作用效果排序为：刺槐林>火炬林>侧柏林。

2.3 矿区植被恢复对土壤性状的影响

植被恢复与重建有利于促进土壤发育，改善土壤特性，提高土壤肥力。不同植被类型对土地改良效果不同。不同植被恢复模式均能改善土壤物理性状，表现为植被恢复能够降低土壤容重，增加土壤总孔隙度，毛管孔隙度与非毛管孔隙度，并能够使土壤含水量得到显著改善；不同植被恢复模式均能改善土壤化学性状，不同植被恢复模式对土壤酶活性均有较显著的影响，其土壤酶活性随着植物种类的变化而变化。研究表明：不同人工林地恢复模式对表层土壤有机碳提高效果明显；人工栽植灌木对土壤的培肥作用高于乔木；黑岱沟排土场土壤养分含量受植被配置类型影响显著，混播有豆科牧草的纯草本配置对土壤有机质、全氮、硝态氮恢复程度较好；沙棘+锦鸡儿混交模式下土壤质量综合评价值最高；不同植被恢复模式下土壤有机碳分布及碳储量变化中发现草地固碳速率是林地的2.2倍；晋陕蒙矿区排土场进行生态修复时可优先选择以刺槐为主的豆科乔木、以沙棘为主的灌木以及长芒草等草本植物，并进行适当的套种、间种，以增强复垦效果。

2.4 植物根系分泌物对土壤各性状的影响

根系分泌物（Rootexudates）是植物修复有机污染土壤过程中的关键物质，其通过营造适宜的根际生态微环境以促进根际微生物对污染物的降解，该过程是植物去除土壤污染物的主要作用机制。目前，该领域已成为植物修复研究的热点，新的观点、方法与技术不断涌现，但相关的研究报道较少。通过影响根际土壤中微生物数量和活性来实现有机污染物的修复是主要途径，由于根分泌物反映了植物之间、植物与土壤以及植物与微生物之间的物理、化学和生物关系，因此可以利用根系分泌物来改良土壤，尤其在污染土壤的修复中可能发挥重要作用。研究发现：根系分泌物在不同种属植物间存在显著差异，如豆科植物根系分泌物中脂肪酸的含量高于一般植物；根系分泌物中的粘胶对土壤微团聚体稳定性、团聚体大小、分布等物理性质有显著影响。根系分泌物可以加强土壤中微生物的活性。根系分泌物中含有一定量的转化酶、磷酸酶、蛋白酶和过氧化氢酶等植物外酶类物质，它们在根际中形成的酶系统可直接降解有关的有机污染物；根系分泌物中大量的糖类、有机酸和氨基酸等物质为根际微生物提供了丰富的营养和碳源，使降解菌的生长和活性远强于非根际土壤，从而提高了其对土壤有机污染物的降解能力；根系分泌物还能选择性地影响微生物的数量，改变根际微生物的相对丰度和群落多样性，诱导降解菌向根际富集，从而加快根际有机污染物的去除。然而，关于煤矿区植物根系分泌物对土壤各性状之间的影响鲜见公开报道。

研究发现，群落结构不同对土壤各性状的影响有一定差异。但是，煤矿区不同的植物群落对土壤的各性状的影响差异有多大，不同的植物群落与土壤的物理、化学及生化性状之间的关系，以及不同植物群落的根系分泌物对土壤各性质有什么样的影响，这些关键的科学问题目前仍不明确。鉴于此，有必要从植物群落学、恢复生态学、景观生态学、土壤学的角度阐明煤矿区优势植物群落对土壤的修复机理，为实现煤矿区的土壤修复提供理论依据。