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本文作者：朱佳文1,2,3鄒冬生1向言詞3徐華勤4作者單位：1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)生物科學(xué)技術(shù)學(xué)院2.湖南科技大學(xué)資源環(huán)境與城鄉(xiāng)規(guī)劃管理系3.湖南省煤炭資源清潔利用與礦山環(huán)境保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室4.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院

隨著有色金屬礦工業(yè)的高速發(fā)展，特別是有色金屬冶煉產(chǎn)量的急劇擴(kuò)張，礦資源開采與加工在成為各地經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)的同時(shí)，礦冶及周邊地區(qū)“血鉛”、“鎘米”等重金屬污染事件頻發(fā)，嚴(yán)重威脅到當(dāng)?shù)厝嗣竦慕】怠Ｏ嫖骰ㄔV藏資源十分豐富，鉛鋅礦儲(chǔ)量1600萬(wàn)t，居全國(guó)第3位。目前達(dá)到了年產(chǎn)電解鋅8．5萬(wàn)t的生產(chǎn)規(guī)模，每年產(chǎn)700多萬(wàn)t的鉛鋅尾礦砂。露天堆存的尾礦砂是個(gè)重大的環(huán)境污染源，對(duì)尾礦砂堆積地的生態(tài)恢復(fù)不僅是國(guó)際資源與環(huán)境領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問題，也是保護(hù)生態(tài)環(huán)境和實(shí)施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略應(yīng)優(yōu)先關(guān)注的問題。對(duì)尾礦砂實(shí)行生態(tài)恢復(fù)，合理的土壤改良方法和合適的植物品種是生態(tài)恢復(fù)成功的2個(gè)關(guān)鍵因素。添加工農(nóng)業(yè)副產(chǎn)品如菜園土［1］、赤泥［2］等改良劑對(duì)土壤理化性質(zhì)改良與重金屬污染修復(fù)具有可操作性。有研究顯示，黑麥草易于種植、生物量較大，對(duì)多種重金屬均具有較好的抗性、耐性，且具有一定觀賞價(jià)值，是較好的重金屬污染土壤修復(fù)植物［3］。微生物生態(tài)特征是生態(tài)環(huán)境改善的最敏感指標(biāo)，分析重金屬污染土壤的微生物學(xué)特征能較好地說(shuō)明土壤生態(tài)環(huán)境的變化［4］。因此，對(duì)修復(fù)后土壤微生態(tài)環(huán)境進(jìn)行評(píng)價(jià)有利于反映修復(fù)后土壤功能恢復(fù)狀況。但目前關(guān)于重金屬污染地修復(fù)多以植物為指示物，而關(guān)于鉛鋅尾礦砂堆積地的生態(tài)修復(fù)及修復(fù)作用對(duì)尾礦砂微生態(tài)環(huán)境的改良作用較少見報(bào)道。本文以我國(guó)南方典型鉛鋅礦冶區(qū)堆積的尾礦砂為材料，探討采用菜園土、赤泥為改良劑和黑麥草為栽種植物的不同處理方式對(duì)鉛鋅尾礦砂微生態(tài)環(huán)境的改良，以期為鉛鋅尾礦砂生態(tài)修復(fù)效果提供評(píng)價(jià)參考，也為探索一條成本低廉、高效持續(xù)的鉛鋅尾礦砂生態(tài)恢復(fù)途徑提供科學(xué)依據(jù)。

1材料與方法

1．1試驗(yàn)材料

供試鉛鋅尾礦砂采自湖南省湘西花垣縣團(tuán)結(jié)鎮(zhèn)鉛鋅尾礦庫(kù)，采用多點(diǎn)取樣法取表層（0－20cm）尾礦砂約1t，自然風(fēng)干，過5mm篩，備用。尾礦砂基本理化性質(zhì)為：有機(jī)質(zhì)含量7．15g／kg，堿解氮含量1．27mg／kg，速效磷含量2．33mg／kg，速效鉀含量7．89mg／kg，Pb含量4686．51mg／kg，Zn含量2424．30mg／kg，Cd含量45．42mg／kg，pH7．55。赤泥由中國(guó)長(zhǎng)城鋁業(yè)股份有限公司提供，其基本理化性質(zhì)為：有機(jī)質(zhì)含量5．00g／kg，堿解氮含量4．22mg／kg，速效磷未檢出，速效鉀含量3．53mg／kg，Pb含量117．65mg／kg，Zn含量65．24mg／kg，Cd含量0．68mg／kg，pH12．25。菜園土取自湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)菜園，其基本理化性質(zhì)為：有機(jī)質(zhì)含量32．28g／kg，堿解氮含量142．93mg／kg，速效磷含量26．19mg／kg，速效鉀含量67．98mg／kg，Pb含量58．22mg／kg，Zn含量145．84mg／kg，Cd含量0．15mg／kg，pH7．22。供試黑麥草品種為一年生黑麥草，購(gòu)自長(zhǎng)沙種子公司。

1．2試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

盆栽試驗(yàn)在湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)耘園溫室內(nèi)進(jìn)行。共設(shè)6個(gè)處理：在尾礦砂中栽種黑麥草（SC）；在尾礦砂中添加10％（w／w）的菜園土后栽種黑麥草（TC）；在尾礦砂中添加10％菜園土和1％赤泥后栽種黑麥草（CN1）；在尾礦砂中添加10％菜園土和3％赤泥后栽種黑麥草（CN3）；在尾礦砂中添加10％菜園土和5％赤泥后栽種黑麥草（CN5）；以不栽種黑麥草的純鉛鋅尾礦砂為對(duì)照（CK），每處理設(shè)3次重復(fù)。試驗(yàn)用盆為直徑25cm，高25cm的塑料盆。尾礦砂與改良劑充分混勻后裝盆，每盆裝土8kg。加自來(lái)水至田間持水量的70％，平衡2周后，于2011年10月15日開始播種，每盆播入0．2g黑麥草種子，每個(gè)盆缽用自來(lái)水灌溉。黑麥草生長(zhǎng)20周后收獲整棵植株，測(cè)（稱）量株高、干重。將黑麥草根部用自來(lái)水洗凈，再用去離子水漂洗3次，風(fēng)干，105℃殺青30min，80℃烘干48h后粉碎，過100目尼龍篩，硝酸－高氯酸消解，采用原子吸收光譜儀測(cè)定黑麥草根部重金屬Pb、Zn、Cd含量。取黑麥草根際尾礦砂及一同澆水培養(yǎng)的純尾礦砂（CK），分成2份分裝在塑料封口袋中，1份保存在4℃冰箱中用于分析微生物指標(biāo)；另1份在室溫下風(fēng)干，過篩后用于分析土壤理化性質(zhì)。參照鮑士旦［5］的方法測(cè)定土壤理化性質(zhì)：土壤pH采用酸度計(jì)法（水土質(zhì)量比＝5∶1）；土壤有機(jī)質(zhì)采用油浴加熱－重鉻酸鉀容量法；全磷采用NaOH熔融－鉬銻抗比色法；速效磷采用NaHCO3浸提－鉬銻抗比色法；全鉀采用NaOH熔融－火焰光度法；速效鉀采用乙酸銨浸提－火焰光度法；土壤全氮采用開氏消煮法；堿解氮采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定。參照關(guān)松蔭［6］的方法測(cè)定土壤酶活性：脲酶采用靛酚藍(lán)比色法；蔗糖酶采用硫代硫酸鈉滴定法；磷酸酶采用磷酸苯二鈉比色法；纖維素酶采用硝基苯水楊酸比色法。土壤微生物計(jì)數(shù)采用稀釋平板法測(cè)定：細(xì)菌分離培養(yǎng)采用牛肉膏蛋白胨瓊脂平板涂布法；真菌采用馬丁氏孟加拉紅瓊脂平板涂布法；放線菌采用高氏Ⅰ號(hào)培養(yǎng)基平板涂布法。土壤微生物C含量采用氯仿熏蒸提取－容量分析法；土壤微生物N含量采用氯仿熏蒸提取－全氮測(cè)定法［7］。

1．3數(shù)據(jù)分析

采用Excel軟件和SPSS13軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，用單因素方差分析方法分析不同處理間的差異，采用LSD法進(jìn)行多重比較分析。

2結(jié)果與分析

2．1不同處理對(duì)鉛鋅尾礦砂基本性狀的影響

由表1可知，湘西花垣鉛鋅尾礦砂偏堿性。經(jīng)不同處理后，尾礦砂pH均有不同程度的變化。黑麥草聯(lián)合菜園土和赤泥處理均使尾礦砂pH較對(duì)照顯著提高，且隨著赤泥用量的增加而變大，添加5％赤泥使pH比對(duì)照提高了0．89個(gè)單位。在尾礦砂中栽種黑麥草及黑麥草聯(lián)合菜園土處理對(duì)尾礦砂pH影響不明顯。可能因?yàn)槌嗄嗪蠥l（OH）3、NaOH等堿性物質(zhì)使尾礦砂pH顯著增加。湘西花垣鉛鋅尾礦砂中營(yíng)養(yǎng)成分很低，尤其是全氮含量最低，僅為0．02g／kg，營(yíng)養(yǎng)成分不足限制了尾礦砂的生態(tài)恢復(fù)。不同處理使尾礦砂中有機(jī)質(zhì)含量均顯著高于對(duì)照（P＜0．05），其中CN1處理對(duì)尾礦砂中有機(jī)質(zhì)的改良效果最好，比對(duì)照增加了51．82％。除SC處理使尾礦砂中全氮、全鉀、速效鉀含量與對(duì)照無(wú)明顯變化外，其他處理均使鉛鋅尾礦砂中全氮、堿解氮、全磷、速效磷及全鉀、速效鉀含量均顯著高于對(duì)照（P＜0．05）。

2．2不同處理對(duì)黑麥草生長(zhǎng)及根部重金屬含量的影響

添加改良劑顯著促進(jìn)了黑麥草的生長(zhǎng)（P＜0．05）（表2）。與栽種在純尾礦砂中的黑麥草相比較，添加10％菜園土、混合添加10％菜園土和赤泥處理均使黑麥草株高顯著增加。其中以混合添加10％菜園土和1％赤泥對(duì)黑麥草株高的影響最顯著，比SC處理提高了330％。但隨著赤泥添加量增加黑麥草株高反而減小，當(dāng)赤泥用量為3％，5％時(shí)，與TC處理間黑麥草株高的差異均不顯著。與栽種在純尾礦砂中的黑麥草相比較，添加菜園土、混合添加菜園土和赤泥處理使黑麥草生物量顯著增加。混合添加10％菜園土和1％赤泥對(duì)黑麥草地上部、根部生物量的影響最顯著，其重量分別比SC處理提高了333％，293％。改良劑的施用均顯著降低了黑麥草根部Pb、Zn、Cd含量（P＜0．05）。混合添加菜園土和赤泥處理中，隨著赤泥用量的增加，黑麥草根部Pb、Zn、Cd含量反而降低。可能與赤泥對(duì)重金屬的吸附與鈍化作用弱化了尾礦砂中Pb、Zn、Cd的植物有效性有關(guān)，從而使黑麥草根部重金屬含量降低。

2．3不同處理對(duì)尾礦砂微生物數(shù)量及微生物C、N含量的影響

湘西花垣鉛鋅尾礦砂中微生物主要以細(xì)菌和放線菌為主，真菌數(shù)量較少（圖1）。經(jīng)不同處理后，鉛鋅尾礦砂中細(xì)菌、真菌、放線菌數(shù)量均比對(duì)照顯著提高（P＜0．05），提高幅度分別為13．92～33．78倍，0．67～5．99倍和9．28～21．82倍。各處理對(duì)細(xì)菌、真菌、放線菌數(shù)量的提高效果分別為：CN1＞CN3＞TC＞CN5＞SC＞CK；CN1＞TC＞SC＞CN3＞CN5＞CK；CN1＞CN3＞TC＞CN5＞SC＞CK。黑麥草聯(lián)合10％菜園土和1％赤泥處理對(duì)尾礦砂中細(xì)菌、真菌、放線菌數(shù)量的提高效果最好。當(dāng)黑麥草聯(lián)合10％菜園土和3％赤泥處理時(shí)，尾礦砂中細(xì)菌、放線菌數(shù)量較TC處理顯著增加。但當(dāng)黑麥草聯(lián)合10％菜園土和5％赤泥處理時(shí)，尾礦砂中細(xì)菌、真菌、放線菌數(shù)量均比TC處理減少，但微生物數(shù)量仍顯著大于對(duì)照。本試驗(yàn)中，在不同處理中細(xì)菌數(shù)量的變化最大，表明細(xì)菌對(duì)修復(fù)反應(yīng)最為敏感，適合作為鉛鋅尾礦砂修復(fù)的評(píng)價(jià)指標(biāo)。作為初級(jí)真核生物的真菌對(duì)環(huán)境的適應(yīng)力較強(qiáng)，其數(shù)量變幅最小。經(jīng)不同處理后，尾礦砂中微生物C、N含量均比對(duì)照顯著提高（P＜0．05），提高幅度分別為1．73～6．34倍和2．75～6．35倍。各處理對(duì)微生物C、N含量的提高順序均為：CN1＞CN3＞CN5＞TC＞SC＞CK（圖1）。對(duì)赤泥添加比例間改良效果進(jìn)行比較，可以發(fā)現(xiàn)尾礦砂中微生物C、N含量均隨著赤泥添加量增加而減少。赤泥各處理均使尾礦砂中微生物N含量大于TC處理。CN1、CN3處理時(shí)微生物C含量顯著大于TC處理，而CN5、TC處理間微生物C含量差異不顯著。

2．4不同處理對(duì)尾礦砂中酶活性的影響

經(jīng)不同處理后，尾礦砂中脲酶、磷酸酶、蔗糖酶、纖維素酶活性均比對(duì)照顯著提高（P＜0．05）（表3），提高幅度分別為1．91～18．43倍、1．28～12．80倍、0．75～5．58倍、4．30～9．15倍；各處理對(duì)尾礦砂中脲酶、磷酸酶、蔗糖酶、纖維素酶活性的提高效果分別為：CN1＞CN3＞CN5＞TC＞SC＞CK；CN1＞CN3＞TC＞CN5＞SC＞CK；CN3＞CN1＞CN5＞TC＞SC＞CK；CN1＞TC＞CN3＞CN5＞SC＞CK。其中，脲酶對(duì)修復(fù)反應(yīng)非常敏感，變化幅度最大，結(jié)果與楊志新等的研究結(jié)果相一致，故可采用土壤脲酶活性作為預(yù)測(cè)土壤重金屬?gòu)?fù)合污染程度的主要生化指標(biāo)［8］。

3討論

鉛鋅尾礦砂是在采礦選礦過程中，通過礦石粉碎、定向化學(xué)浸提和浮選礦石后排放堆積在尾礦庫(kù)中的廢棄物，理化性質(zhì)差，相當(dāng)于原生裸地。尾礦砂的自然生態(tài)恢復(fù)過程極其緩慢，必須依靠基質(zhì)改良、植被重建等方法進(jìn)行生態(tài)修復(fù)。極端貧瘠是影響尾礦砂生態(tài)恢復(fù)的一個(gè)重要因素。本研究發(fā)現(xiàn)，單獨(dú)栽種黑麥草可使鉛鋅尾礦砂中有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷顯著提高。表明在黑麥草生長(zhǎng)過程中，其發(fā)達(dá)的須根一方面從尾礦砂中攝取水分、養(yǎng)分，同時(shí)也向尾礦砂分泌質(zhì)子、離子和有機(jī)物，這些物質(zhì)極大地改變了根際微區(qū)的物理和化學(xué)環(huán)境，為土壤微生物提供了適宜的生長(zhǎng)條件，而根際中的有益微生物在增加土壤肥力、改善根際環(huán)境、促進(jìn)根系生長(zhǎng)等方面又發(fā)揮著積極的促進(jìn)作用。添加改良劑可以強(qiáng)化植物的修復(fù)作用。束文圣等［9］在廣東樂昌鉛鋅尾礦上進(jìn)行的尾礦植被重建的野外試驗(yàn)表明，在尾礦上覆蓋5cm的土壤就可以促進(jìn)植物成功定居。在本研究中添加菜園土、赤泥等改良劑可顯著加強(qiáng)黑麥草對(duì)鉛鋅尾礦砂的改良作用。菜園土營(yíng)養(yǎng)成分豐富，自身攜帶有微生物菌群，且其含有的顆粒狀有機(jī)質(zhì)、團(tuán)聚體對(duì)尾礦砂中的重金屬元素具有較好的固定作用［10］，導(dǎo)致尾礦砂的營(yíng)養(yǎng)狀況、微生物數(shù)量、微生物生物量和相關(guān)酶活性得到一定程度的改善，使鉛鋅尾礦砂極端惡劣的生態(tài)環(huán)境得到改良。赤泥為氧化鋁生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢渣，具有較強(qiáng)的吸附、鈍化重金屬的能力［11］；同時(shí)，赤泥含有較高的Si、Ca、P、K和數(shù)10種植物必需的微量元素。添加赤泥有利于提高重金屬污染土壤中微生物組成和土壤酶活性［12］。本試驗(yàn)結(jié)果表明，在鉛鋅尾礦砂中混合添加10％菜園土和1％赤泥時(shí)，黑麥草株高、生物量和尾礦砂營(yíng)養(yǎng)成分、微生物數(shù)量、微生物生物量和相關(guān)酶活性均較對(duì)照顯著提高。但當(dāng)赤泥用量超過1％時(shí)，黑麥草株高、生物量和尾礦砂中微生物指標(biāo)隨著赤泥用量的增加而降低，這與赤泥對(duì)鎘污染土壤中水稻產(chǎn)量和土壤生物性狀的影響［13］基本一致。微生物是土壤中最活躍的部分，其種類、數(shù)量、生態(tài)分布及活性在很大程度上可以反映土壤肥力狀況與變化，而土壤有機(jī)質(zhì)、營(yíng)養(yǎng)成分、pH等生態(tài)因子可直接影響土壤微生物的種類及數(shù)量［14］。本研究結(jié)果表明，鉛鋅尾礦砂經(jīng)修復(fù)處理后其有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷含量顯著提高，同時(shí)顯著增加了鉛鋅尾礦砂中細(xì)菌、真菌、放線菌的數(shù)量。在對(duì)尾礦砂等極端環(huán)境的修復(fù)過程中，可通過調(diào)控養(yǎng)分的輸入增加相關(guān)微生物數(shù)量，促進(jìn)尾礦砂的發(fā)育。微生物C和N雖然只占有機(jī)碳和全氮的很少一部分，但它們卻是活的土壤有機(jī)碳和有機(jī)氮部分，對(duì)土壤肥力有重要影響。土壤微生物生物量的測(cè)定可作為深入研究生態(tài)系統(tǒng)中C、N、P等元素循環(huán)過程的重要手段，也可用于土壤養(yǎng)分動(dòng)力學(xué)研究和土壤健康狀況的指示作用。本研究結(jié)果表明，經(jīng)修復(fù)處理后鉛鋅尾礦砂中微生物C、N含量顯著增加，說(shuō)明修復(fù)處理促進(jìn)了尾礦砂中C、N、P等養(yǎng)分的循環(huán)，使尾礦砂肥力得到一定程度的改善。土壤酶活性與土壤微生物一樣在土壤生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著至關(guān)重要的中心作用［15］。土壤脲酶能夠催化土壤中尿素分解生成氨，對(duì)土壤氮素利用及氮循環(huán)具有重要作用。磷酸酶能加速有機(jī)磷的脫磷速度，是評(píng)價(jià)土壤磷素生物轉(zhuǎn)化方向與強(qiáng)度的指標(biāo)。蔗糖酶直接參與土壤有機(jī)質(zhì)的代謝過程，能夠表征土壤生物學(xué)活性強(qiáng)度，用來(lái)評(píng)價(jià)土壤熟化程度和土壤肥力水平。纖維素酶是參與纖維素循環(huán)的關(guān)鍵酶，對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的循環(huán)具有重要作用。本研究中，各修復(fù)處理使尾礦砂中微生物數(shù)量大幅度提升，利于黑麥草生長(zhǎng)。黑麥草與微生物通過分泌、吸收和自身凋亡分解等生理生化作用使尾礦砂中磷酸酶、脲酶、蔗糖酶和纖維素酶活性得到提高，而土壤酶活性的提高又能促進(jìn)土壤中營(yíng)養(yǎng)成分的循環(huán)，改善鉛鋅尾礦砂的微生態(tài)環(huán)境。

4結(jié)論

（1）修復(fù)作用使鉛鋅尾礦砂中有效營(yíng)養(yǎng)成分得到顯著改善。黑麥草聯(lián)合改良劑處理對(duì)尾礦砂的有效營(yíng)養(yǎng)成分的改良效果要強(qiáng)于單獨(dú)栽種黑麥草的改良效果，其中以黑麥草聯(lián)合10％菜園土和1％赤泥對(duì)有機(jī)質(zhì)、速效氮、速效磷的改良效果最好。（2）在鉛鋅尾礦砂中添加菜園土、赤泥后能夠顯著促進(jìn)黑麥草的生長(zhǎng)，其中以混合添加10％菜園土和1％赤泥對(duì)黑麥草株高、生物量的增加效果最好。當(dāng)赤泥用量超過1％時(shí)，黑麥草的株高和生物量隨著赤泥用量的增加而減少。而黑麥草根部重金屬含量隨著赤泥用量的增加而減少。（3）修復(fù)作用使鉛鋅尾礦砂中細(xì)菌，真菌，放線菌數(shù)量，微生物C、N含量，脲酶，磷酸酶，蔗糖酶，纖維素酶活性顯著增加。以黑麥草聯(lián)合10％菜園土和1％赤泥處理的效果最好。當(dāng)赤泥用量超過1％時(shí)，尾礦砂微生態(tài)指標(biāo)改良效果隨著赤泥用量的增加而降低。