滇東北鉛鋅礦區廢棄地的自然演替特征研究

袁鑫奇，郭兆來，王越，曾銘，俞乃琪，潘瑛，劉嫦娥,段昌群*

（1. 云南大學生態與環境學院，云南 昆明 650091；2. 云南省高原山地生態與退化環境修復重點實驗室，云南 昆明 650091）

生態系統的污染和退化是我國的主要環境問題，采礦活動正是導致其發生的主要原因之一[1-2]。然而對于欠發達地區而言，礦產資源開發是促進其經濟發展的必要手段，但開采與冶煉技術落后、產業布局不合理、無計劃開采和未進行環境監管等原因，導致開采區及周邊人類生活區土壤受到嚴重的重金屬污染[3-6]。一方面，過高的土壤重金屬含量使本土植物在生存、生長和繁殖等方面受到了不同程度的威脅[7]。另一方面，重金屬元素會隨著徑流遷移，導致污染擴散，甚至會通過食物鏈傳遞進入人體，從而嚴重危害人類的生存與生產[6]。因此，對礦區廢棄地進行治理是當務之急。

迄今為止，礦區治理的主要方法可分為物理化學手段和植物修復手段[8]，但由于成本問題，使得后者變得愈受歡迎[9]，并成為了研究熱門。植物修復具有成本低、對環境溫和、破壞性小、原位修復且普適等優點[10]，大規模種植本地優勢植物，是利用其修復退化土地的主要方式[11]。但人為新建的植物群落抵抗力較差，容易被外來物種入侵，從而導致修復效果不佳[12]，再加上極端條件下種間種內的消極互作關系，導致污染退化區域草叢向森林的演替不易發生[13]。相關研究表明，即使對復墾后區域進行人為管理，但由于其在維持物種多樣性層面上的效果有限[14]，故使得問題依舊難以解決。因此，科研工作者開始關注退化環境的自然演替研究，如Yuan等[15]在山西煤礦廢棄地的研究中發現，再生的生態系統可以達到自我維持的狀態，Mohd等[16]對馬來西亞自然再生和人工恢復的紅樹林進行群落結構特征分析比較，表明人工恢復的紅樹林可以在較短的時間內獲得更高的生物量，而自然再生的紅樹林物種多樣性更高，林分結構更復雜，他們建議紅樹林恢復應以自然再生為主。相關學者對金屬尾礦區自然演替的研究也有多年，如對鋁礦[17]、煤 礦[18]、鐵礦[19]等廢棄地的自然恢復進行研究，且都得到了相似的結論——穩定且能自我維持的植物群落才能適應極端生境。

云南省是我國的“有色金屬之鄉”，有眾多的礦區廢棄地正遭受重金屬污染。因此，研究尾礦區的自然演替過程對其治理與恢復過程有重要意義。故本文將以云南省東北部兩處已進行多年自然演替的鉛鋅礦區廢棄地為研究區域，揭示礦區廢棄地自然演替過程中土壤理化性質、重金屬含量以及植物更替的動態變化特征，為污染退化環境的自然恢復提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究點選在會澤縣礦山鎮礦區（103.70°E，26.64°N）和羅平縣富樂鎮礦區（104.38°E，25.35°N），兩地均位于云南省東北部的曲靖地區，為典型的溫帶高原季風氣候，四季不明，夏無酷暑，冬季冷寒，干濕分明。年均雨量為858.4 mm，平均海拔2 200 m以上，年均晴日225 d，年均日照2 100 h，年均氣溫12.7 ℃。年均相對濕度79%，年均風速 2.5 m/s，全年主導風向為東南風占13%，靜風頻率為21%。水熱條件優越，有利于植物生長，為自然恢復提供有利的地質氣候條件。兩區鉛鋅礦冶煉歷史距今約有70年（1950—1990年為冶煉期）[20]，現為廢棄地。天然土壤類型為黃棕壤，土壤呈弱堿性，植被稀疏，以灌木和草本植物為主[21]。

1.2 植物調查和土壤采集

于2020年10月對兩鉛鋅礦區廢棄地進行植物調查和土壤樣品采集，由于各區域廢棄年限不同，故利用空間序列代替時間序列的方法，在每個研究區設置6個演替階段（見表1），分別為次生裸地（Secondary bare land，SL，廢棄1年）、稀疏草叢（Sparse grass，SG，廢棄5年）、高草草叢（Tall grass，TG，廢棄10年）、灌木草叢（Bushes，BU，廢棄15年）、稀樹草叢（Sparse tree，ST，廢棄20年）和針闊混交林（Coniferous and broad-leaved mixed forest，CB，廢棄25年）。采用最小樣方面積法對植物組成進行調查，其中稀疏草叢樣方面積為1 m×1 m、高草草叢為2 m×2 m、灌木草叢為3 m×3 m、稀樹草叢為5 m×5 m、針闊混交林為10 m×10 m，每個階段三個重復。對每個階段的樣方（包括次生裸地樣方， 1 m×1 m，三個重復）進行五點取樣法采集土樣（五點的土樣混成一個樣方土樣），土樣重量為500～ 1 000 g，采集深度為0～20 cm，共36份土壤樣品。所有樣品用聚乙烯塑料袋放氣封裝后運回實驗室，以供相關指標測定。

表1 采樣點概況Table 1 Overview of sampling points

1.3 指標測定方法

在采集土壤樣品之前，先用OLYMPUS VANTA便攜式重金屬元素分析儀對研究區土壤重金屬含量進行初步測定。根據《土壤污染風險管控標準——農用地土壤污染風險篩選值和管制值(試行)》規定，得知兩區超標重金屬元素為Pb、Zn、Mn、Cu和Cd。

植物的相關指標測定方法：現場測量調查并記錄草本和灌木的種類、株數、蓋度，喬木的樹高、胸徑、種類、株數，以此計算重要值，并設置優勢度等級，對植物種進行等級分類。具體如下[22]：

株高大于1.3 m的植物重要值計算公式為：

株高小于1.3 m的植物重要值計算公式為：

式中：IV（Important value）為重要值，RS（Relative significance）為相對顯著度，RC（Relative coverage）為相對蓋度，RA（Relative abundance）為相對多度。

土壤的相關指標測定方法：揀去雜質的土壤樣品經自然風干碾碎后，采用四分法混勻樣品，再分別過2 mm和1 mm篩。采用重鉻酸鉀外加熱法測土壤有機質（SOM）含量，凱氏定氮法和氫氧化鈉堿熔-鉬銻抗比色法分別測土壤全氮（TN）和全磷（TP）的含量[23]；硝酸-高氯酸-氫氟酸消解火焰原子吸收光譜儀（VARIAN 240FS）測定法測土壤中的重金屬含量；用二乙烯三胺五乙酸-三乙醇胺（DTPA-TEP)作為浸提劑，在（20±2）℃條件下，以160～200 r/min的震蕩頻率，震蕩2 h，將上清液過濾后，使用火焰原子吸收光譜儀測定重金屬的有效態[24]。此外，土壤容重采用環刀法測定，pH值采用pH計測定，坡度使用多功能坡度測量儀測定，坡向利用指南針確定。

1.4 數據處理

采用Excel軟件整理和計算數據；采用SPSS 26.0軟件統計分析實驗數據，當P＜0.05時，表示實驗數據具有統計學意義，以單因素方差分析 （oneway ANOVAs）對不同演替階段土壤中的營養元素和重金屬元素及其有效態進行差異性分析，以最小顯著性差異法（Least significant difference，LSD）進行多重比較，對土壤有機質、全氮和全磷含量與重金屬元素含量之間進行非參數相關性檢驗，以檢測其相關性；采用Sigmaplot 14.0軟件進行作圖。

2 結果與分析

2.1 礦區植物群落調查

在礦山鎮礦區共調查植物種類30種（見表2），隸屬于15科，其中菊科8種，禾本科4種，豆科4種，松科和殼斗科各2種，蓼科、鳳尾蕨科、馬桑科、薔薇科、小檗科、千屈菜科、樟科、大戟科、楊柳科和樺樹科各1種。優勢種分別為：白茅（Imperata cylindrica）、芒（Miscanthus sinensis）、蜈蚣蕨（Pteris vittata）、華山松（Pinus armandii）和云南松（Pinus yunnanensis）。植物群落大多以草本為主，自然演替程度較低，且禾本科和菊科居多，這與菊科和禾本科植物種類多，生長快，分布廣，耐貧瘠、干旱和污染的特性有關。

表2 礦山鎮鉛鋅礦區植物種類Table 2 The species of plant in Kuangshan Town Pb-Zn mine

在富樂鎮礦區共調查植物種類37種（見表3），隸屬于21科，其中菊科7種，禾本科6種，薔薇科3種，殼斗科、豆科和松科各2種，蓼科、鳳尾蕨科、馬桑科、唇形科、小檗科、千屈菜科、樟科、大戟科、藤黃科、胡桃科、柏科、玄參科、金縷梅科、楊柳科和樺樹科各1種。優勢種分別為：白茅、芒、蜈蚣蕨、紫莖澤蘭（Ageratina adenophora）、滇青岡（Cyclobalanopsis glaucoide）、華山松和云南松。植物群落大多以喬灌木為主，組成較豐富，自然演替程度較高，群落較穩定。

2.2 不同演替階段植物種數的動態變化

兩研究區不同演替階段的植物組成動態變化和各物種的優勢度等級可見表2和表3，植物種數的動態變化可見圖1。發現兩區在自然演替過程中植物種數都呈現先增后減的趨勢，即演替前期是以生態幅寬、抗逆境能力強的先鋒植物為主，如白茅、芒和艾蒿等禾本科、菊科植物，是物種數快速增長的階段；演替中期以蓋度大、生長繁殖快的過渡植物為主，如蜈蚣蕨，此時物種數達到峰值；演替后期以生物量大、對環境調控能力強的喬木為主，如尼泊爾榿木、華山松和云南松，形成了與當地氣候相適應的頂級群落。這整個過程與廢棄農田和災后森林等生境的次生演替過程相似。

表3 富樂鎮鉛鋅礦區植物種類Table 3 The species of plant in Fule Town Pb-Zn mine

從營養資源配置策略的角度分析不同演替階段的優勢植物可知，前期優勢植物主要將資源用于定植和生存，中期優勢植物主要將資源用于生長和繁殖擴散，后期優勢植物則主要將資源用于占據生態位和調控微環境。從繁殖策略分析，可發現隨著演替進行優勢種繁殖方式的變化過程為：主營無性繁殖→無性繁殖和有性繁殖共營或無性繁殖向有性繁殖轉化→主營有性繁殖。分析不同演替階段優勢植物的生活型，得知其大致變化過程為：一年生→多年生、草本→灌木→喬木。

2.3 不同演替階段土壤重金屬含量及其有效態含量的變化

通過實驗室測定分析兩研究區土壤的pH值和重金屬含量，結果表明（表4），兩礦區的土壤pH值范圍為7.1～7.4，且大致都呈現在演替中后期pH值下降的趨勢，其變化的原因可能是因為中后期的優勢物種主要以生物量較大的喬木為主，其分解產生的有機酸釋放到土壤中所致，同時全球變暖導致的酸沉降也會影響pH值的變化[25]。

表4 不同演替階段的土壤重金屬含量（mg/kg）Table 4 Soil heavy metal content in different succession stages

通過分析土壤重金屬含量可知，礦山鎮礦區不同演替階段土壤Pb、Zn、Mn、Cu和Cd的平均含量分別為：808.4、547.9、1 311.8、220.5和4.6 mg/kg。 其中，Pb含量在針闊混交林階段最高，為2 195.8 mg/kg，分別是云南省背景值、全國背景值和土壤環境標準管制值的54倍、84倍和3倍。Cd含量的最高值在灌木草叢階段，為6.8 mg/kg，分別是云南省背景值、全國背景值和土壤環境標準管制值的34倍、68倍和2倍。Zn含量最大值也在灌木草叢階段，為588.5 mg/kg，是云南省背景值和全國背景值的7倍和8倍。Mn和Cu含量的最高值在稀疏草叢階段和高草草叢階段，為2 182.5 mg/kg和267.7 mg/kg，是全國背景值的4倍和12倍，且Cu的最大含量還是云南省背景值的6倍。

富樂鎮礦區不同演替階段土壤Pb、Zn、Mn、 Cu和Cd的平均含量分別為：776.1、641.2、2 282.8、 180.3和19.5 mg/kg。其中，Pb含量在灌木草叢階段最高，為1 689.5 mg/kg，分別是云南省背景值、全國背景值和土壤環境標準管制值的42倍、65倍和2倍。Zn、Mn和Cu含量的最高值點都在次生裸地階段，分別為873.3、3 686.7和315.3 mg/kg，分別是全國背景值的12倍、6倍和14倍，其中，Zn和Cu的最高含量分別是云南省背景值的10倍和7倍。而Cd含量的最高值點在針闊混交林階段，為34.9 mg/kg，是云南省背景值、全國背景值和土壤環境標準管制值的175倍、349倍和12倍。兩區土壤Pb、Zn、Mn、Cu和Cd的含量均遠超相關背景值，其中Pb和Cd的含量超過了國家的管制值，是主要污染物。不同演替階段植被覆蓋程度的差異，使阻止重金屬元素的流失和擴散的能力不盡相同[26]，從而導致不同階段的土壤重金屬含量及其有效態含量存在不同。

對土壤重金屬有效態含量及其與土壤重金屬總量的比值進行分析，結果如表5和表6所示。不同演 替階段土壤Pb、Zn、Mn、Cu和Cd有效態的平均含量礦山鎮為：232.2、52.4、286.9、33.8和0.7 mg/kg， 富 樂 鎮 為210.3、45.2、296.9、38.0和4.7 mg/kg。兩區土壤Pb和Zn的有效態占比大體上都呈現隨演替進行而降低的趨勢，富樂鎮的Mn和Cd亦是如此。礦山鎮Mn、Cu和Cd的有效態占比在不同演替階段呈現不規則波動；富樂鎮的Cu有效態占比呈現隨演替發生而先增后減的趨勢。通過對比發現，兩區土壤Pb和Zn及富樂鎮礦區土壤Cd的總量隨演替的發生而持續增長，而有效態占比卻呈現逐漸降低的趨勢，可以證明植被的覆蓋能有效地降低土壤中重金屬有效態的含量，從而減少污染危害。

表5 不同演替階段的土壤重金屬有效態含量（mg/kg）Table 5 Soil heavy metal available content in different succession stages

表6 不同演替階段土壤重金屬有效態含量與總量之比（%）Table 6 Ratio of soil heavy metal available content to total content in different succession stages

2.4 不同演替階段土壤營養元素的變化

對兩研究區不同演替階段的土壤營養元素進行分析，可知（見圖2），不同演替階段的土壤營養元素含量有著顯著差異，其中，兩區土壤全氮都隨著演替的發生而呈現先增后減的趨勢，且都在灌木草叢階段的土壤氮素含量最高，同時，灌木草叢階段的物種數也都是演替過程中最多的時期，表明兩者在自然恢復過程中呈現出正向協同的關系，可證明氮素在維持物種多樣性的層面上發揮了重要的作 用[29]。土壤有機質含量都隨演替的推進而持續增長，這與凋落物的含量和分解增多有關[30]，同時有機質的含量增加可加速退化環境的自然修復進程[31]，表明兩者為相互促進關系。兩區土壤全磷變化趨勢不同，礦山鎮礦區的土壤全磷隨演替進行呈現持續增加趨勢，而富樂鎮礦區的土壤全磷卻呈現先減后增的趨勢，根據前人對陸地生態系統碳-氮-水循環耦合過程的研究可發現，植物在生長盛期時，土壤C、N、P和水循環之間的耦合作用最強[32]，再分析土壤全磷與有機質的相關性，可知，礦山鎮礦區的自然恢復一直處于生長盛期，而富樂鎮礦區在灌木草叢階段之后才為生長盛期。

2.5 土壤營養元素與重金屬元素之間的相關性

為了探明礦區土壤重金屬元素與營養元素之間的相關性，以及判斷重金屬之間的來源是否相同，故進行了Spearman等級相關系數和Kendallζ相關系數的計算。根據相關性分析結果（見表7和表8）可知，在礦山鎮礦區中，Pb和Zn、Pb和SOM呈極顯著正相關性，Pb和TP、Mn和TN、Cd和TN、Zn和SOM、SOM和TN呈顯著正相關性，Pb和Cu、Zn和Cu、Cu和SOM、Cu和TP呈顯著負相關性。在富樂鎮礦區中，Pb和Zn呈極顯著正相關性，Zn和Mn、Zn和Cu、Zn和SOM、Pb和TP、SOM和TN呈顯著正相關性，Pb和Cu、Zn和Cd、Cu和Cd呈顯著負相關性。兩區土壤Pb和Zn之間都存在極顯著的正相關性，這與它們之間具有很高的同源性有關[33]，而Cu與其他重金屬元素之間主要呈現負相關關系，這可能與其具有獨特的積累和螯合機制有關[34]。兩區的SOM和TN之間都呈現顯著的正向相關性，是因為氮素的增加可以增強生態系統的固碳功能[35]。兩區的Pb和TP、Zn和SOM之間都呈現顯著正相關關系，且礦山鎮的Pb和SOM之間更是為極顯著正相關關系，這是由于土壤營養元素可以降低重金屬元素的有效性，從而減輕或消除重金屬對植物體的毒害作用[36]，使演替正常進行。

表7 營養元素與重金屬元素之間的Spearman和Kendallζ系數（礦山鎮）Table 7 Spearman and Kendallζ coefficients between nutrient elements and heavy metal elements (Kuangshan Town)

表8 營養元素與重金屬元素之間的Spearman和Kendallζ系數（富樂鎮）Table 8 Spearman and Kendallζ coefficients between nutrient elements and heavy metal elements (Fule Town)

3 討論

3.1 礦區廢棄地自然演替的發生過程

空間序列代替時間序列的方法經常在不明群落年限的植物（植被）調查中使用[37]，是較為科學合理的設計。本研究將此方法運用于礦區廢棄地自然恢復的探索中，發現兩區的自然演替都呈現演替前期以生態位互補效應為主，演替中后期以功能冗余和物種保險機制為主，演替后期以選擇效應為主的過程[38]。與其他退化生境的次生演替類似，礦區廢棄地的自然演替也由適宜的環境、正向的種間互作關系和土壤種子庫組成共同決定。潘攀等[39]的研究表明，植物群落和土壤營養物質之間的協同響應與人工草地恢復演替存在明顯的關聯性，在演替的不同階段主導的環境因素也不相同。與之類似，在本研究中，尾礦區的土壤氮素和有機質在維持植物多樣性和推動演替進行的過程中都發揮了重要的作用。李婷婷等[40]在研究次生林主要物種的種間聯結性動態變化中發現，在演替過程中，不同物種會通過調節自身的生態位來適應激烈的競爭，最后趨于穩定，使種間聯結緊密性增強，總體聯結性會由不顯著正聯結變為顯著正聯結。根據表2和表3，分析礦區廢棄地不同植物在演替過程中的變化，可知不同階段的適應性植物種類不盡相同，但確實存在物種更替的連續性，從而使得植物群落向氣候頂級群落發展。在以前的研究中相關學者發現土壤種子庫為演替的發生提供了可能，其組成與原生植物組成和環境條件有關[41]，根據此結論可推測，可能是因為兩尾礦區的地理位置和氣候條件差異不大以及土壤種子庫組成類似，才使得兩區的適生植物出現相似性。

3.2 超標重金屬元素在演替過程中的變化

由于云南省位于亞歐板塊和印度洋板塊的交界處，所以礦產資源較為豐富，在建國后便成為了我國工業化階段的主要礦產輸送地，但這給當地的環境帶來了嚴重的污染。陸泗進等[42]對會澤鉛鋅礦區周邊農田土壤重金屬生態風險評價分析，發現當地農田土壤中Pb和Cd的含量超標嚴重，為主要的污染物。這與本文上述結果保持一致，這是因為對鉛鋅礦進行開采時不僅會向環境中釋放大量的Pb和Zn，同時也伴隨著Cd的釋放，而Cd在自然界的存在狀態較為穩定，易原位積累。導致礦區廢棄地不同演替階段土壤重金屬含量變化的主要原因為土壤的磁化率不同和不同植物對重金屬元素的富集轉運能力不同。趙宏等[43]在會澤鉛鋅礦區進行過土壤磁化率與Pb、Zn和Cd的相關性實驗，結果表明土壤磁化率與pH、有機質、全量Pb和全量Zn呈顯著正相關，與Cd的相關性不顯著。根據這一結論再結合本實驗的結果可分析得到，隨著演替的進行土壤的磁性升高，這可能是因為隨著演替進行，相關植物的根系對土壤中鐵鎂離子的控制能力增強，從而使土壤中鐵鎂礦物增多磁性增強。根據秦麗等[44]在會澤鉛鋅礦區對主要植物的重金屬富集特征所做的研究可發現，大多數可生存于其中的植物對Pb、Zn和Cd都有一定的富集轉移功能，由于本研究的結果表明不同演替階段的植物組成不 同，所以造成不同演替階段的土壤重金屬含量也存在差異。

3.3 演替過程中土壤營養元素與重金屬元素之間的關聯

分析實驗結果可發現，有些重金屬元素與土壤營養元素呈正相關關系而有些重金屬與土壤營養元素卻成負相關關系。發生這種現象的主要原因可分為四種[45]：1）某種營養元素增多可促進植物對某種重金屬元素的積累；2）游離的營養元素離子可與游離的重金屬離子形成競爭關系；3）游離的營養元素離子與土壤溶膠發生置換反應，使土壤pH值發生變化，從而增加或減少植物對游離重金屬離子的生物利用度，甚至可以影響土壤重金屬的有效態含量；4）營養元素可形成難溶鹽直接在表面吸附重金屬離子或誘導增強土壤的吸附作用，且營養元素離子還可與重金屬離子發生沉淀作用。結合整個演替過程發現，植物種類與土壤營養元素含量和重金屬元素含量的動態變化特征與生物地球化學生態位假說相一致，即不同植物種對不同營養元素含量有著特定的需求及對不同的重金屬元素有著相應的耐受性[46]。

4 結論

1）通過對兩尾礦區進行研究，發現兩區的植物組成較豐富，次生演替過程中植物種數變化趨勢以及不同演替階段優勢植物的資源配置策略、繁殖方式轉變和生活型變化等特征與廢棄農田和災后森林等生境的次生演替過程相似。

2）兩區土壤Pb、Zn、Mn、Cu和Cd的含量均超過相關背景值，其中Pb和Cd的含量超過了國家的風險管制值，是主要污染物。兩區的土壤重金屬元素有效態含量都隨著演替發生而降低，可以證明植被覆蓋能降低土壤重金屬元素的有效含量，從而降低污染危害。

3）兩區土壤的SOM和TN之間都呈現顯著的正相關，兩者在礦區廢棄地自然恢復的過程中共同發揮重要作用；兩區Pb和Zn之間都存在極顯著的正相關性，表明它們之間具有很高的同源性，而 Cu與其他重金屬元素和營養元素之間主要呈現負相關關系，這可能與其具有獨特的積累性和螯合機制有關。