先鋒植物修復介導的根際微域對鉛鋅冶煉廢渣中重金屬的形態分異特性影響

朱鑫維，吳永貴,2,3，李鑫龍，羅有發,4，孫航

（1.貴州大學資源與環境工程學院，貴州 貴陽 550025；2.貴州大學應用生態研究所，貴州 貴陽 550025；3.貴州喀斯特環境生態系統教育部野外科學觀測研究站，貴州 貴陽 550025；4.貴州大學喀斯特地質資源與環境教育部重點實驗室，貴州 貴陽 550025）

礦產資源的大規模采冶在推動社會發展的同時，也因污染物的大量排放給采冶區域帶來了嚴重的環境生態問題[1-2]。貴州黔西北地區曾開展過大規模的土法煉鋅活動，遺留下近2000萬t廢渣無序露天堆積于礦區周邊的土壤和河岸[3]。由于土法煉鋅工藝粗放且金屬回收率低，廢渣中Pb、Zn、Cu和Cd的最高含量分別達到31631、57178、2367和311.5 mg/kg[4]，其中富含重金屬的小粒徑廢渣在水土流失、風力擴散等因素下更易遷移至周邊水體、土壤與大氣環境[5]，從而對河流下游及周邊生態環境造成嚴重威脅[6]，因此，急需對該區域露天堆存的鉛鋅冶煉廢渣堆場進行植被重建，增強水土保持功能以有效控制廢渣中污染物的釋放及遷移[7]。

植物根際是生物地球化學過程最活躍的區域[8]，有關鉛鋅廢渣植被重建的研究表明，自然定居的優勢植物大量生長可顯著改善根際廢渣的養分條件與微生物活性[9]，植物根際活躍的生物生理活動對廢渣環境的改善程度同樣是評價植物修復成功與否的重要內容[10]。而針對植物修復對冶煉廢渣中重金屬的控制作用至今仍存在較大爭議，許多研究認為植被修復后大量植物根系分泌的有機酸等根系分泌物在溶解與活化廢渣中的重金屬發揮著重要作用[11]，由此將大大增加廢渣中重金屬的移動性和生態環境風險；而不少研究則認為在冶煉廢渣堆場上建植豐富的植被進行生態修復后，其上大量著生的植物將可通過凋落物及根際沉淀的形式將冶煉廢渣中的重金屬有效固持在根際周圍[12]，并通過抑制異養微生物對金屬螯合物的利用來降低冶煉廢渣中重金屬的生物有效性[13]，從而降低廢渣中重金屬釋放和遷移擴散風險。另有研究表明，環境中養分含量的變化、廢渣粒徑的分布也影響著廢渣中重金屬的遷移與轉化[14]，尤其是優勢植物修復廢渣堆場后Cd在植物根際發生遷移并富集在細小粒徑的鉛鋅廢渣中[15]，這明顯會增加其經水力和風力擴散所帶來的潛在環境風險。

重金屬耐受性高的黑麥草(Loliumperenne)與三葉草(Trifoliumrepens)已被用做煉鋅廢渣堆場生態修復的先鋒草本植物[16]，研究主要關注植物修復作用對整體廢渣養分、重金屬有效性的影響及植物修復作用下養分與重金屬在垂直梯度剖面上的分布特征，尚未從粒徑角度分析先鋒草本植物根系作用對廢渣養分及重金屬的分異特征，這將導致廢渣堆場生態修復后各粒徑廢渣中重金屬在環境中的潛在威脅認識不足。為進一步研究金屬冶煉廢渣堆場生態修復過程中植物根系對廢渣養分及重金屬形態在不同粒徑中的分異特征，以貴州省威寧縣已開展生態修復5年的鉛鋅冶煉廢渣堆場上人工建植的三葉草和黑麥草根際微域為研究對象，分析兩種先鋒草本植物根際和非根際內各粒徑廢渣中有機質、全氮、堿解氮、全磷、有效磷含量及Pb、Zn、Cu、Cd總量與賦存形態，以期為我國金屬冶煉廢渣堆場生態修復過程中污染物的控制與植物生長條件的改善提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況與樣品采集

研究區位于貴州省威寧縣猴場鎮一處鉛鋅冶煉廢渣堆場(26°41'14"N,104°43'45"E)，該區域年平均氣溫約10℃，年降水量約890 mm，無霜期180 d。課題組于2012年初在此通過工程措施進行廢渣場地平整并采用有機物料(廄肥、植物凋落物及苔蘚植物)改良廢渣基質惡劣的植生環境，在無客土覆蓋的條件下直接在堆場上先行種植三葉草和黑麥草先鋒草本植物及喬木(構樹、刺槐)進行原位生態修復示范工程。

2016年11月初，課題組在5000 m2生態修復示范基地設置3個40 m×40 m樣方，每個樣方內按照“S”路線選取株齡及長勢相對一致的黑麥草、三葉草(植株高度分別在20～25 cm、15～20 cm間；主根長25～30 cm)各3株，參照文獻[17]采集廢渣樣品，具體方法如下：首先將植株連根拔起，輕輕抖落不緊密附著于植物根系上的廢渣(距根系表面＞5 mm的廢渣)，然后用力抖落并收集緊密附著在根系表面＜5 mm的廢渣即為植物根際廢渣，同時在固定深度0～20 cm且距離根系50 cm處采集該植株的非根際廢渣；將每個樣方中同種植物對應的根際與非根際廢渣分別混合成一個綜合樣品。同時在同一區域選擇無植物生長的裸露鉛鋅冶煉廢渣作為對照，采集9個0～20 cm對照廢渣樣品，并將其分別均勻混合為3個綜合樣品。將樣品帶回實驗室內自然風干后分別過不同孔徑的尼龍篩，得到＜0.25、0.25～0.5、0.5～1、1～2、2～5、＞5 mm共計6個粒徑廢渣樣品。

1.2 實驗方法

廢渣中養分含量參照《土壤農化分析》中方法測定，其中：堿解氮采用堿解擴散法測定，有效磷采用0.5 mol/L NaHCO3溶液浸提-鉬銻抗比色法測定，全氮采用半微量凱氏定氮法測定，全磷采用硫酸高氯酸體系消煮-鉬銻抗比色法測定，有機質采用《HJ/T20.761固體廢物中有機質的測定-灼燒減量法》測定。重金屬元素化學形態分析采用改進的BCR順序提取，總量消解方法同殘渣態，使用ICPE-9820原子發射光譜儀進行重金屬含量測定，所有樣品測試過程中均同時使用空白試劑、平行樣品進行質量控制。

1.3 數據處理

采用Excel 2010及IBM SPSSStatistics 19.0軟件進行統計分析，Canoco 5進行PCA排序，Origin 2017進行作圖。采用單因素方差分析法(one-way ANOVA)對各組數據進行方差分析和差異顯著性檢驗(p=0.05)。

2 結果與分析

2.1 兩種草本植物根際微域各粒徑廢渣中有機質的分布特征

植物根際微域各粒徑廢渣中有機質含量分布見圖1。兩種草本植物根際、非根際與對照廢渣有機質含量隨廢渣粒徑增加大致呈先升高后降低的趨勢。其中，根際0.5～1 mm粒徑廢渣中有機質含量顯著高于其他粒徑(p＜0.05)，非根際0.25～1 mm粒徑廢渣有機質含量顯著高于其他粒徑(p＜0.05)。三葉草與黑麥草生態修復后，廢渣有機質含量別為對照的1.3～2.8倍和與1.1～2.2倍，說明廢渣堆場建植兩種草本植物均可提升廢渣中有機質的含量。三葉草提高量要顯著高于黑麥草(p＜0.05)；且根際廢渣有機質含量明顯高于其非根際。

圖1 兩種草本植物根際微域各粒徑廢渣中有機質含量的分布特征Fig.1 Distribution of organic matter content in plant rhizosphereand non-rhizosphere wasteslag with different particlesizes

2.2 兩種草本植物根際微域各粒徑廢渣中氮素的分布特征

由圖2可知，三葉草和黑麥草建植后廢渣中全氮與有機質含量的變化規律相似，均表現為隨廢渣粒徑增加呈先升高后降低的趨勢，0.25～1 mm粒徑廢渣中全氮含量顯著高于其他粒徑(p＜0.05)。黑麥草根際僅有0.25～1 mm、2～5 mm粒徑廢渣全氮含量顯著高于對照；三葉草根際各粒徑廢渣全氮含量則全部顯著高于對照(p＜0.05)，其非根際廢渣全氮含量并顯著高于黑麥草非根際。堿解氮含量隨廢渣粒徑增加大致呈下降趨勢。兩種植物根際廢渣堿解氮含量均顯著高于對照(p＜0.05)；三葉草根際廢渣堿解氮含量為對照廢渣的5.9～7.7倍，黑麥草根際廢渣堿解氮含量則僅為對照廢渣的1.9～3倍，顯著低于三葉草的提升效果(p＜0.05)。綜上，三葉草對廢渣氮素提升效果優于黑麥草，且同種植物內呈現根際優于非根際的規律。

圖2 兩種草本植物根際微域各粒徑廢渣中氮素含量的分布特征Fig.2 Distribution of nitrogen content in plant rhizosphere and non-rhizosphere waste slag with different particle sizes

2.3 兩種草本植物根際微域各粒徑廢渣中磷素的分布特征

兩種草本植物生態修復后加劇了全磷含量在不同粒徑廢渣間的分異(圖3)。其中，三葉草根際＜1 mm粒徑廢渣全磷含量是對照的3.8～4.9倍，黑麥草根際各粒徑廢渣全磷含量是對照的1.1～3.5倍，植物根際全磷含量同樣高于非根際。而有效磷含量在各組中隨廢渣粒徑增加大致呈下降趨勢，粒徑＜0.5 mm的廢渣中有效磷含量顯著高于其他粒徑(p＜0.05)。三葉草、黑麥草均顯著增加廢渣中有效磷含量，根際各粒徑廢渣中有效磷含量分別是對照廢渣的5.6～10.4倍和5.7～6.4倍，并表現出強烈的有效磷的根際聚集效應。

圖3 兩種草本植物根際微域各粒徑廢渣中磷素含量的分布特征Fig.3 Distribution of phosphorus content in plant rhizosphere and non-rhizosphere waste slag with different particle sizes

2.4 兩種草本植物根際微域各粒徑廢渣重金屬的分布特征

三葉草和黑麥草生態修復對廢渣中重金屬的分布具有重要影響(圖4)。對照廢渣中Cu含量隨廢渣粒徑增加呈下降趨勢，Pb含量則呈先升高后降低的趨勢，Cu、Pb均在＞5 mm粒徑廢渣中含量最低。三葉草根際與非根際各粒徑廢渣中Cu含量降為對照廢渣含量的46.3%～65.2%和62.3%～68.7%，Pb含量降為對照廢渣含量的17.1%～54.2%和30.3%～59.5%（p＜0.05）。黑麥草根際＜0.5、＞5 mm粒徑廢渣中Cu含量較對照降低，又在0.5～5 mm粒徑廢渣中含量升高，說明廢渣在黑麥草作用下使得Cu在不同粒徑廢渣間發生了再分配。

圖4 兩種草本植物根際微域各粒徑廢渣中重金屬的含量分布特征Fig.4 Distribution of heavy mental content in plant rhizosphere and non-rhizosphere waste slag with different particle sizes

兩種植物根際與非根際0.25～5 mm粒徑廢渣中Zn含量總體表現為逐漸升高的趨勢，除黑麥草非根際廢渣外，其他廢渣樣品Zn含量均在＞5 mm粒徑中最低。三葉草根際各粒徑廢渣Zn含量為對照廢渣含量的1.1～2.1倍，黑麥草根際＜0.5、1～2 mm粒徑廢渣Zn含量也顯著高于對照廢渣(p＜0.05)。＜5 mm粒徑的對照廢渣中Cd含量無顯著差異，而黑麥草根際與非根際各粒徑廢渣中Cd含量差異顯著。其中，0.5～1 mm粒徑廢渣Cd含量顯著高于其他粒徑(p＜0.05)，而其他粒徑降為對照含量的58.8%～81.5%，說明黑麥草生長促進不同粒徑廢渣Cd含量再分配。三葉草根際＜5 mm粒徑廢渣Cd含量顯著低于對照廢渣(p＜0.05)，但其含量變化幅度不大（4.5%～16.1%）。

2.5 兩種草本植物根際微域各粒徑廢渣中重金屬的賦存形態特征

兩種草本植物根際、非根際各粒徑廢渣中重金屬的賦存形態變化見圖5。對照廢渣中Cu的賦存形態占比由高到低為：殘渣態＞可氧化態＞酸可溶解態＞可還原態。兩種植物修復后廢渣中酸可溶解態Cu含量占比下降至4.1%～6.3%和5.7%～11.2%。黑麥草根際與非根際廢渣中可還原態Cu比例均高于對照廢渣，說明黑麥草生長可提高廢渣中可還原態Cu的占比。對照廢渣中Pb同樣多以殘渣態分布于各粒徑廢渣中，占比范圍為35.1%～55.3%，其他賦存形態占比由高到低為：可還原態＞酸可溶解態＞可氧化態。兩種草本植物修復后廢渣中酸可溶解態Pb含量降至的3.1%～14.3%與5.3%～18.5%。而三葉草根際廢渣中可氧化態Pb的比例增加至27.1%～50.2%，明顯高于黑麥草根際廢渣(19.1%～38.4%)與對照廢渣（26.6%～35.1%），殘渣態Pb比例則無明顯變化。對照廢渣中Cd賦存形態占比由高到低為：酸可溶解態＞殘渣態＞可還原態＞可氧化態。各粒徑廢渣中酸可溶解態Cd比例均大于45%，為主要賦存形態。在兩種草本植物根際與非根際廢渣中酸可溶解態Cd含量占比降至29.1%～40.3%、31.4%～40.1%和33.6%～44.5%、32.4%～51.4%，明顯低于對照廢渣。三葉草根際各粒徑廢渣中殘渣態Cd的比例為33.5%～45.8%，高于黑麥草根際廢渣（30.1%～40.2%）與對照廢渣（10.1%～38.2%），而三葉草根際各粒徑廢渣中Cd總量變化幅度不大(圖4)，說明三葉草根際對殘渣態Cd比例的提高效果要優于黑麥草。對照廢渣中Zn賦存形態占比由高到低為：酸可溶解態＞殘渣態＞可還原態≈可氧化態，酸可溶解態含量平均占比為54.5%，是Zn的主要賦存形態。兩種植物根際、非根際廢渣中酸可溶解態Zn的占比分別為24.3%～34.3%、21.4%～36.6%和31.4%～42.5%、33.3%～51.6%，明顯低于對照廢渣。而可氧化態Zn含量占比在三葉草根際與非根際廢渣中分別為22.1%～33.4%和14.4%～28.2%，在黑麥草根際與非根際廢渣中分別為16.7%～19.3%和13.5%～18.4%，均較對照廢渣明顯提高。

圖 5兩種草本植物根際微域各粒徑廢渣中重金屬賦存形態特征Fig.5 Proportion of heavy mental chemical form in plant rhizosphere and non-rhizosphere waste slag with different particle sizes

2.6 兩種草本植物根際微域各粒徑廢渣中養分與重金屬含量主成分分析及相關性分析

兩種草本植物根際與非根際各粒徑廢渣中養分與重金屬含量PCA排序見圖6，結果表明：三葉草修復作用對根際、非根際＜5 mm粒徑范圍廢渣中全氮、總磷、有機質、Zn含量貢獻率高，黑麥草修復作用對廢渣中有效氮、有效磷的含量貢獻率較高，但兩種植物對重金屬及其酸溶態含量貢獻率低。相關性分析表明，不同粒徑廢渣中養分含量的變化與酸可溶解態重金屬含量間表現出一定的相關性(表1)，酸可溶解態Cu、Pb、Zn、Cd含量與養分含量間呈負相關關系，其中酸可溶解態Cu含量與有機質、全氮、總磷、有效磷之間呈極顯著負相關；酸可溶解態Pb與有機質、總磷、有效磷之間呈極顯著負相關；酸可溶解態Zn與有效氮、總磷、有效磷之間呈極顯著負相關，整體來說，廢渣中養分含量越高，酸可溶解態Cu、Pb、Zn、Cd含量越低。且除廢渣中有機質含量與有效磷含量間達到顯著(p＜0.05)正相關外，有機質、全氮、總磷、有效氮、有效磷含量間達到極顯著(p＜0.01)正相關。

圖6 不同類型草本植物修復下各粒徑廢渣中養分、重金屬的PCA分布規律Fig.6 Principal component analysis of nutrients between heavy metalsin slag with different particle sizes

表 1不同類型植物根際微域各粒徑養分、酸可溶解態重金屬含量間相關性Table1 Correlation between nutrient, heavy metal amount and acid soluble state content in rhizosphereand non-rhizosphere

3 討論

土法煉鋅廢渣堆場物理結構差、養分貧瘠等特點是植物修復的限制條件[7]，其中值得注意的是，廢渣中有機質含量變化范圍在86.8～340 g/kg，遠超土壤有機質含量背景值，這是由于土法煉鋅廢渣中含有未燃盡的煤與還原性物質[18]，導致有機質含量虛高。植物生長過程中，根系在廢渣中縱橫交錯，其脫落的根毛、凋亡的根表皮及根系分泌物可極大的增加根際廢渣的養分，植物凋落物分解產生的有機物質也提高了非根際廢渣中養分的含量。鉛鋅冶煉廢渣pH值較高，在此環境下，鈣和磷易結合生成Ca10-P沉淀[19]，形成穩定狀態，不易被植物吸收，在此養分脅迫條件下，發達的植物根系可向根際釋放多種有機或無機物，用以活化穩定態的養分。三葉草顯著提高了根際各粒徑廢渣中氮素、磷素、有機質含量，比黑麥草效果明顯(圖1、2)，主成分分析也表明，三葉草修復作用對根際與非根際＜5 mm粒徑范圍廢渣中全氮、總磷、有機質含量的提升有較大作用，這歸因于豆科植物三葉草擁有強大的固氮能力，有學者研究表明在以三葉草為主的植被形成后，尾礦植物修復無需再人工追肥[20]，從而確保了其修復的可持續性。同樣還有研究表明，同屬豆科植物的大豆根系分泌物和根細胞壁對難溶磷具有一定的活化作用[21]，這可能是三葉草增加廢渣基質中有效磷的原因。

根據Six提出的團聚轉化模型理論，小粒徑廢渣在有機質膠結等作用下可向大粒徑廢渣轉化[22]。本實驗結果顯示，0.25～1 mm粒徑廢渣中有機質含量較高，為其向大粒徑廢渣的團聚轉化提供了條件。廢渣粒徑越小，比表面積越大，能吸附的有機物質也越多，而氮素又主要源于有機質的分解[23]，導致全氮在各徑廢渣中含量的分布趨勢與有機質相同。＜0.25 mm粒徑廢渣中有機質含量并不是最高，原因可能是廢渣團聚轉化過程中，有機物質被包裹，而＜0.25 mm粒徑廢渣中有機質則優先供應植物養分與根際微生物代謝活動。磷素含量在根際微域不同粒徑廢渣中差異顯著，＜0.5 mm粒徑中磷素含量顯著高于其他粒徑(圖3)，這與Adesodun等[24]提出多種土地管理模式下磷均優先聚集在細小粒徑土壤顆粒中結論相似。文倩等[25]研究同樣發現，細小粒徑土壤團聚體中速效磷含量和有機磷的活性較高，由此推斷細小粒徑(＜0.5 mm)鉛鋅冶煉廢渣在兩種草本植物生態恢復過程中與土壤相似，同樣是固持磷素的主要場所。

結果表明小粒徑(＜0.5 mm)對照廢渣中Cu、Pb含量明顯高于其他粒徑，這歸因于小粒徑鉛鋅冶煉廢渣比表面積大，對重金屬的吸附能力較強，大粒徑廢渣多含石英、硅酸鹽等礦物，重金屬對其負載能力較弱[26]，而麻占威等[27]研究發現，鉛鋅冶煉廢渣在機械破碎后各粒徑廢渣顆粒中Cd含量基本相同，與本研究對照結果相似，可能是因為對照廢渣受風化、淋溶等多種環境因素擾動比植物根系作用小，造成各粒徑廢渣中Cd含量基本相同的現象。經兩種草本植物修復后各粒徑廢渣中Cu、Pb含量均減少，總體表現為根際廢渣中重金屬減少量大于非根際，這可能是由于根際廢渣在根際分泌物、微生物呼吸代謝作用下導致重金屬活化，增加其生物有效性[28]，促進了重金屬向根際外圍環境的遷移.另外，植物的吸收作用也是造成根際廢渣重金屬含量低于非根際的重要原因[29]。植物根際廢渣中Zn含量有所上升，表現出Zn向根際廢渣遷移的現象,這是因為Zn2+在環境介質中有較高的遷移性，發達的根系可以根際沉淀形式將其捕獲并聚集于根際[29]，主成分分析(圖6)同樣表明，三葉草與黑麥草修復對根際廢渣Zn含量提高有貢獻。黑麥草根際與非根際各粒徑廢渣中的Cd、Cu、Pb以及三葉草根際與非根際廢渣中的Pb含量隨廢渣粒徑增加呈現先升高后降低趨勢，與有機質含量分布相似，這是因為廢渣中有機質、顆粒態有機質(POM)含有的羧基、羥基等官能團對重金屬有較強的螯合能力[30]，可能致使鉛鋅冶煉廢渣中重金屬往往以有機螯合物形態存在，同樣也表明了廢渣中Cd、Cu在黑麥草根際微域有較強的遷移性(圖4)，在不同粒徑廢渣中發生了再分配，并顯著降低重金屬在＜0.5 mm粒徑廢渣上的含量，降低了其隨水土流失或風力擴散所帶來的環境生態風險。

活躍的酸可溶解態金屬易受淋溶、根系與微生物等作用發生遷移和形態轉變[31]，兩種草本植物修復后，酸可溶解態Cu、Cd、Pb、Zn比例均下降，而氧化態Cu、Zn、Pb比例增加。這可能由于堆場在修復初期添加的有機改良劑、植物的根系分泌物、微生物代謝產物等因素促使了酸可溶解態金屬向有機金屬螯合物轉變；金屬硫化物的重新生成也是可氧化態重金屬含量比例增加重要原因[32]。由于經風化產生的小粒徑廢渣較活躍，所吸附的有機質等與重金屬結合能力強且更為穩定，而較大粒徑廢渣受到的風化程度弱，碳酸鹽礦物含量高，負載的重金屬易被弱酸釋放出來[16]，從而引起酸溶態重金屬占比隨廢渣粒徑增加而上升。

表1表明，廢渣中有機質、氮素、磷素含量與重金屬酸可溶解態含量呈負相關關系。研究表明氮素的增加可抑制土壤有機質的分解與的礦化[33]，而有機質可通過吸附解析、絡合等過程影響重金屬形態與生物有效性，促使重金屬生物有效性高的水溶態、酸可溶解態轉化為潛在有效性的有機質結合態[34]。可溶磷和磷的化合物同樣可有效地固定重金屬[35]，其中，磷酸鹽與Cd、Zn生成的金屬磷酸鹽在很廣的pH值范圍內溶解度很低,Cu、Cd、Pb可通過離子交換與金屬絡合被固定在磷酸鹽顆粒表面。植物在生態修復過程中向廢渣基質輸入大量有機質、氮素、磷素，因此，降低了酸可溶解態金屬含量。

4 結論

（1）兩種草本植物對鉛鋅冶煉廢渣堆場生態修復可顯著提升根際微域各粒徑廢渣中的氮素、磷素與有機質含量，對廢渣堆場外來優勢植物的自然定居創造了條件，增加養分效果總體表現為：三葉草＞黑麥草＞對照，且兩種植物均表現出明顯的養分根際聚集效應(根際＞非根際)。

（2）兩種類型草本植物生態修復后廢渣內的全氮、有機質含量大致隨廢渣粒徑增加呈先升高后降低的趨勢，主要分布在＜1 mm粒徑廢渣中；有效氮、有效磷含量則隨廢渣粒徑增加呈降低趨勢，磷素主要分布在＜0.5 mm粒徑廢渣中。說明根際微域內小粒徑(＜1 mm)廢渣對植物養分有較高維持作用。

（3）兩種類型草本植物生態修復后均不同程度降低了各粒徑鉛鋅廢渣中Cu、Pb、Cd總量及酸可溶解態Cu、Pb、Cd、Zn比例。三葉草促使Cd向殘渣態轉化，黑麥草則降低重金屬Cd、Cu在細小(＜0.5 mm)粒徑廢渣的含量，減小其水土流失與風力擴散帶來的環境生態風險。