錳污染土壤修復的植物篩選與改良效應

歐陽林男，吳曉芙，郭丹丹，陳永華

（中南林業科技大學 環境科學與工程研究中心，湖南 長沙410004）

錳污染土壤修復的植物篩選與改良效應

歐陽林男，吳曉芙，郭丹丹，陳永華

（中南林業科技大學 環境科學與工程研究中心，湖南 長沙410004）

以錳礦渣作為基質，選用牛耳楓Daphniphyllum calycinumBenth、蚊母Distylium racemosumSieb.et Zucc.、小葉女貞Ligustrum quihouiCarr.、大葉樟Cinnamomum parthenoxylon(Jack) Nees、構樹Broussonetia papyrifera作為測試植物，進行了室外盆栽植物篩選和基質改良對比試驗。結果表明，種植十個月后，5種試驗植物生長良好，改良組成活率均在63%以上，試驗植物中生物量較大的為構樹和蚊母，其次是小葉女貞，大葉樟與牛耳楓的生物量最小。牛耳楓的莖葉和根部Mn含量均比較高，對照組根部達792.4 mg·kg-1。構樹在根系Mn含量超過493 mg·kg-1的情況下，植株的生長狀態良好，根系十分發達，表現出來極強的耐受力，是錳礦區理想的先鋒樹種。小葉女貞的Mn轉運能力最強，對照組的Mn轉運系數高達6.28，植株地上部分Mn富集量達到7.92 mg。土壤改良劑(有機肥+礦物吸附劑+抗錳菌種)應用在一定程度上增大了植物的成活率與生物量，降低了植物根系重金屬含量，但對植物生長的促進作用不顯著，改良劑用量的最佳比例尚有待進一步考察。

錳污染土壤；植物篩選；土壤改良；重金屬累積量；轉運系數

長株潭地區豐富的有色金屬礦產資源在區域經濟社會的發展中發揮了重要的作用，但與此同時，該地區長期以來礦產資源過度的開發利用也導致了系列生態環境問題[1-3]。大量的調查數據表明，長株潭重金屬礦區的采礦廢水和選礦廢液的直接排放，以及隨意堆放的廢石和尾礦渣的淋失，使礦區及周邊土壤積累了大量的重金屬[4]，其不僅造成區域的土壤質量下降、生態系統退化、農作物減產，還通過食物鏈網富集效應，直接或間接地危害到人類健康[5-7]。重金屬污染的危害具有長期性、隱蔽性和不可逆性特點[8]，金屬礦開采后的廢棄地，其表面形成極端生境，不利于植物生長和其他生物活動[9]。據統計，目前全國礦區廢棄地面積已超過400 000 hm2，并且每年以330 hm2的速度增長[10]。開采活動的嚴重干擾超過生態系統自我恢復的承受限度，若任由采礦廢棄地依靠自然演替恢復到正常的水平，預計需要100至數百年[11]。

近年來，國內外學者在鉛鋅、銅等礦區的重金屬污染控制與污染土壤生態修復領域開展了系列研究，但在錳礦區植物篩選和污染土壤改良方面的報道卻很少。因此，本文以牛耳楓Daphniphyllum calycinumBenth、蚊母Distylium racemosumSieb.et Zucc.、小葉女貞Ligustrum quihouiCarr.、大葉樟Cinnamomum parthenoxylon(Jack) Nees、 構 樹Broussonetia papyrifera五個植物種為研究對象，以湘潭錳礦區尾礦渣為基質，進行了室外盆栽抗性植物篩選和污染土壤改良方法的對比試驗，目的是為錳礦區污染土壤生態修復和安全利用提供備選植物、土壤改良方法和基礎數據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

尾礦渣采自湖南省湘潭市鶴嶺錳礦尾礦廢棄地0～20 cm表層，按網格布點法分別采集五個地方的土壤樣品，在每個采樣點分層采樣后混合裝袋，作為盆栽試驗用土壤樣本。污染土壤樣本的總氮、總磷和pH分別為2.41 g·kg-1，1.70 g·kg-1和7.59。對照用的土壤采自湖南省林業科學院試驗林場紅壤0～20 cm的表層。實驗所用泥炭土購買于花卉市場，有機菌肥由固氮微生物、菌根微生物、抗重金屬污染微生物及有機肥料共同組成，磷肥為常用水溶性磷肥。本試驗采用的牛耳楓Daphniphyllum calycinumBenth、蚊母Distylium racemosumSieb.et Zucc.、小葉女貞Ligustrum quihouiCarr.、大葉樟Cinnamomum parthenoxylon(Jack) Nees、 構 樹Broussonetia papyrifera植物苗由湖南省林科院提供。

1.2 盆栽試驗

盆栽試驗設置對照和2個處理，每種植物在每個處理分別種植16株，定期對植物的成活情況進行統計。對照（A）的配比為100%原渣+0.1 kg磷肥；改良（B）的配比為80%原渣+10%土壤+5%泥炭土+5%有機菌肥。先將基質按配比充分混勻，然后取3.5 kg裝入直徑分別為29 cm、儲量6 kg的塑料花盆內。裝盆后11月上旬完成種植，每盆1株。在植物生長期間，每月中旬觀測1次，在植物生長10個月時測量株高，并將植物全部收獲，收獲時將植物小心連根拔起，不傷害根系的完整性，采集完后將植物運至試驗室用小刷洗凈，將地上地下部分從植株基部分開，測量根長，并將植物樣品放進烘箱以120℃殺青半個小時，再調至80℃至恒重，此為植物干物質量。

1.3 分析方法

植物株高、根系長度采用樣本平均數；干重采用重量法，取平均值。采用馬弗爐灰化-王水消解土壤和植物樣本[12]，采用原子吸收分光光度計測定植物和土壤消解液的重金屬含量[13]。

2 結果與討論

2.1 礦區土壤重金屬含量

試驗采樣區尾礦廢棄地中Mn、Pb、Zn、Cd含量見表1，樣本中所含的Mn、Pb、Zn、Cd含量依次超出國家背景值的20、142、57倍和1026倍和湖南省背景值的26、125、45和790倍，說明湘潭錳礦區土壤是復合重金屬污染，除了錳元素外，Pb、Zn、Cd等其他元素也是潛在的污染因子。

表1 污染背景值與污染土樣Mn、Pb、Zn、Cd有效態及總含量Table 1 Background values and heavy metal content of polluted soils (mg·kg-1)

2.2 試驗植物成活率及生物量差異

表2給出了對照與改良處理中試驗植物的成活率。結果發現，試驗植物中成活情況最好的植物為構樹，在改良土壤中成活率為88.24%，改良后植株成活率達到100%；成活情況處于中等的是大葉樟、蚊母和小葉女貞；最差的是牛耳楓。除了大葉樟，改良促進了植物的生長，提高了植株成活率，尤其是對錳的抗性較差的牛耳楓，在改良后實現了高的成活率。

表2 對照與改良處理中試驗植物成活率Table 2 Survival rate of tested plant species between treatment and control

圖1顯示了對照與改良處理中試驗植物生物量干物質的差異。結果表明，試驗植物生物量較大的為構樹和蚊母，其次是小葉女貞，大葉樟與牛耳楓的生物量最小。植株生物量的大小一方面與植株本身的生長速率相關，另一方面，也與不同種類植物的抗錳污染的能力相關。從圖1可看出，除了蚊母，改良促進了植物總干物質生長，但由于采樣分析的誤差難以控制，地上與地下部分不同植物干物質生長差異呈現不一致性。除蚊母外，植物改良后莖葉干重的生長差異雖然不一致，但根系干重都呈現增大趨勢。改良后，土壤重金屬含量下降，植物根系土壤環境得到一定改善，同時植物根系生物量與對照相比明顯增大，這說明錳礦土壤高濃度復合重金屬污染危害的首先是植物根系。因此，建議在錳礦區進行適當的土壤改良，提高植物的成活率與生物量，增大錳礦土壤的植物經濟效益。

圖1 對照與改良處理中試驗植物干物質差異Fig. 1 Difference in dry matter of tested plant species between treatment and control

2.3 植物重金屬吸收特點

圖2 給出了對照與改良處理中試驗植物莖葉與根系部位的重金屬含量，由于試驗隨機誤差難以控制，不同試驗植物的不同重金屬含量在對照與改良組中存在一定差異，但仍呈現出一定規律。從圖2可看出，在對照組中，植物根系的重金屬含量絕大部分比莖葉中的高，這與植物根系生物量普遍小于莖葉部分有關，同時也表現出植物根系對重金屬的滯留效應[14]。改良后，植物根系干重明顯增加，根系Mn和Pb含量呈現明顯下降的趨勢，其原因是改良降低了根際土壤的重金屬含量，從而減少了植物根系吸收量，另一方面，由于改良促進了植物根系生長，根系生物增量的稀釋效應也相應降低了根系的濃度。與改良后植物根系Mn和Pb含量下降現象相反，根系的Zn和Cd含量呈現出上升趨勢，說明在復合重金屬污染土壤中，高濃度的Mn和Pb是抑制植物生長的主要因素。牛耳楓的莖葉和根部Mn含量均比較高，對照組根部達792.40 mg·kg-1，說明牛耳楓根系對Mn的滯留能力較強。構樹在根系Mn含量超過493 mg·kg-1的情況下，根系十分發達，植株的生長狀態也良好。在試驗中還發現，構樹長出盆底的根系沒有扎入臨近無污染的土壤，而是扎進了裝有試驗用尾砂的盆中，其說明構樹是一種抗錳或嗜錳的植物種類，在錳污染環境中表現出來極強的生命力和耐受力，可作為理想的錳礦污染區修復的先鋒樹種。構樹發達的根系對防止礦區水土流失、控制污染擴散具有重要作用，建議將其作為錳礦植被恢復的首選物種。

圖2 對照與改良處理中試驗植物莖葉與根系部位重金屬含量差異Fig. 2 Difference in dry matter of tested plant species between treatment and control

國內外通常用地上和地下部分重金屬濃度的比值作為反映植物自根部向地上組織轉運重金屬的能力。然而給定單位面積和植物生長時期，植物自土壤中去除重金屬的量是植物地上部分的累積量，因此，試驗植物地上組織與根部重金屬累積量的比值能更好的反映植物的富集性能。表3給出了試驗植物地上組織與根部重金屬的累積量和基于累積量計算的轉運系數。試驗數據表明，試驗植物中對Pb、Zn、Cu、Cd的轉運能力最大的是小葉女貞，其次是牛耳楓和大葉樟，蚊母、構樹為最小；總體來看，除了小葉女貞外，改良增大了牛耳楓、蚊母和大葉樟Mn的轉運系數，其中，大葉樟在改良組Mn的轉運系數增至2.99，約為對照組值（0.67）的4.5倍。所有試驗植物中，小葉女貞Mn的轉運系數最高，其在對照組的值為6.28，植株地上部分Mn富集量也高達7.92 mg，且植株生長狀況良好，顯示了其極強的Mn富集性能。改良組中小葉女貞Mn的轉運系數降低至3.64，其原因不明。如前所述，植物生長試驗難以控制，試驗分析的隨機誤差較大，因此，表3的數據只能作為參考。在本試驗中，盆栽土壤改良劑的用量（相當于植物根際土壤改良劑的用量）為20%，改良劑用量涉及改良效果和成本效益問題，因此，改良劑用量的最佳比例也有待進一步考察。

3 結 論

（1）本研究篩選的牛耳楓、蚊母、小葉女貞、大葉樟、構樹5種植物在高濃度復合重金屬污染土壤上都能生長，改良組成活率均在63%以上，試驗植物生物量較大的為構樹和蚊母，其次是小葉女貞，大葉樟與牛耳楓的生物量最小，5種植物可作為錳礦區污染土壤生態修復的備選植物。

表3 試驗植物重金屬累積量與轉運系數Table 3 Heavy metal cumulant and transfer coefficient of tested plants

（2）牛耳楓的莖葉和根部Mn含量均比較高，對照組根部達792.40 mg·kg-1。小葉女貞的轉運能力最強，對照組Mn的轉運系數高達6.28，植株地上部分Mn富集量為7.92 mg。構樹在其根系Mn含量為493 mg·kg-1的情況下，植株的生長狀態良好，根系十分發達，表現出來極強的耐受力，是錳礦區理想的先鋒樹種。

（3）土壤改良措施在一定程度上增大了植物的成活率與生物量，降低了植物根系重金屬含量，但對植物生長的促進作用不顯著，改良劑用量的最佳比例尚有待進一步考察。

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Plant selection for bioremediation of Mn polluted soils and their improvement effects

OUYANG Lin-nan , WU Xiao-fu, GUO Dan-dan, CHEN Yong-hua
(Research Center of Environment Science and Engineering, Central South University of Forestry and Technology,Changsha 410004, Hunan, China)

Five plant species，Daphniphyllum calycinumBenth,Distylium racemosumSieb.et Zucc,Ligustrum quihouiCarr,Cinnamomum parthenoxylon(Jack) Nees,Broussonetia papyrifera，were selected as testing plants for outdoor screening of manganese tolerant plants. Pot experiments were conducted using residuals collected from manganese mining area as the plant growth medium. The results show that the tested plants grew well and their survival rates were above 63% in pots added with remediation agents after the seedlings were transplanted for ten months.B. papyriferaandD. racemosumhad the largest biomass quantity, followed byL. quihoui，C. parthenoxylonandD. calycinum. The manganese contents ofD calycinumwere high in both its roots and above-ground tissues and its average root manganese content obtained for the control pots reached 792.4 mg·kg-1. Accounted for by its ability of tolerance to high level of Mn pollution,B. papyriferawas shown to be an ideal pioneer tree species for bio-remediation of Mn polluted soils. Rapid growth and well developed root system of this species were observed even when its root manganese content exceeded 493 mg·kg-1.L. quihouihad the highest manganese transportation ratio among the tested plant species. The manganese transfer coeff i cient (the ratio of above- to below-ground uptake) found forL. quihouiwas 6.28 in the control and the total above-ground manganese uptake of this species reached 7.92 mg/pot. Addition of remediation reagents (a mixture of organic manure, mineral adsorbent and Mn-tollerant bacteriea) did not only enhance to certain extent both the plant survival and growth rates but also reduced the heavy metal contents in plant roots. However, the remediation effect on plant growth was not found to be signif i cant. The adequate proportion of the remediation reagent quantity needs to be further investigated.

manganese contaminated soil；plant screening；soil remediation；heavy metal uptake；transfer coeff i cient

2012-06-13

國家林業科技推廣項目[2010-43]；國家十二五科技支撐項目(2012BAC09B03-4)；湖南省環境科學與工程重點學科與重點實驗室基金

歐陽林男(1990-)，女，湖南永州人，碩士研究生，研究方向：水土污染控制

吳曉芙(1953-)，男，湖南吉首人，教授，博士，博導，主要從事水土污染控制方面的研究；

E-mail: wuxiaofu530911@vip.163.com

S719

A

1673-923X(2012)12-0007-05

[本文編校：吳 彬]