修复方式对尾矿砂的改善作用
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本文作者：朱佳文1,2,3邹冬生1向言词3徐华勤4作者单位：1.湖南农业大学生物科学技术学院2.湖南科技大学资源环境与城乡规划管理系3.湖南省煤炭资源清洁利用与矿山环境保护重点实验室4.湖南农业大学农学院
随着有色金属矿工业的高速发展，特别是有色金属冶炼产量的急剧扩张，矿资源开采与加工在成为各地经济支柱产业的同时，矿冶及周边地区“血铅”、“镉米”等重金属污染事件频发，严重威胁到当地人民的健康。湘西花垣矿藏资源十分丰富，铅锌矿储量1600万t，居全国第3位。目前达到了年产电解锌8．5万t的生产规模，每年产700多万t的铅锌尾矿砂。露天堆存的尾矿砂是个重大的环境污染源，对尾矿砂堆积地的生态恢复不仅是国际资源与环境领域研究的热点问题，也是保护生态环境和实施可持续发展战略应优先关注的问题。对尾矿砂实行生态恢复，合理的土壤改良方法和合适的植物品种是生态恢复成功的2个关键因素。添加工农业副产品如菜园土［1］、赤泥［2］等改良剂对土壤理化性质改良与重金属污染修复具有可操作性。有研究显示，黑麦草易于种植、生物量较大，对多种重金属均具有较好的抗性、耐性，且具有一定观赏价值，是较好的重金属污染土壤修复植物［3］。微生物生态特征是生态环境改善的最敏感指标，分析重金属污染土壤的微生物学特征能较好地说明土壤生态环境的变化［4］。因此，对修复后土壤微生态环境进行评价有利于反映修复后土壤功能恢复状况。但目前关于重金属污染地修复多以植物为指示物，而关于铅锌尾矿砂堆积地的生态修复及修复作用对尾矿砂微生态环境的改良作用较少见报道。本文以我国南方典型铅锌矿冶区堆积的尾矿砂为材料，探讨采用菜园土、赤泥为改良剂和黑麦草为栽种植物的不同处理方式对铅锌尾矿砂微生态环境的改良，以期为铅锌尾矿砂生态修复效果提供评价参考，也为探索一条成本低廉、高效持续的铅锌尾矿砂生态恢复途径提供科学依据。
1材料与方法
1．1试验材料
供试铅锌尾矿砂采自湖南省湘西花垣县团结镇铅锌尾矿库，采用多点取样法取表层（0－20cm）尾矿砂约1t，自然风干，过5mm筛，备用。尾矿砂基本理化性质为：有机质含量7．15g／kg，碱解氮含量1．27mg／kg，速效磷含量2．33mg／kg，速效钾含量7．89mg／kg，Pb含量4686．51mg／kg，Zn含量2424．30mg／kg，Cd含量45．42mg／kg，pH7．55。赤泥由中国长城铝业股份有限公司提供，其基本理化性质为：有机质含量5．00g／kg，碱解氮含量4．22mg／kg，速效磷未检出，速效钾含量3．53mg／kg，Pb含量117．65mg／kg，Zn含量65．24mg／kg，Cd含量0．68mg／kg，pH12．25。菜园土取自湖南农业大学菜园，其基本理化性质为：有机质含量32．28g／kg，碱解氮含量142．93mg／kg，速效磷含量26．19mg／kg，速效钾含量67．98mg／kg，Pb含量58．22mg／kg，Zn含量145．84mg／kg，Cd含量0．15mg／kg，pH7．22。供试黑麦草品种为一年生黑麦草，购自长沙种子公司。
1．2试验设计与方法
盆栽试验在湖南农业大学耘园温室内进行。共设6个处理：在尾矿砂中栽种黑麦草（SC）；在尾矿砂中添加10％（w／w）的菜园土后栽种黑麦草（TC）；在尾矿砂中添加10％菜园土和1％赤泥后栽种黑麦草（CN1）；在尾矿砂中添加10％菜园土和3％赤泥后栽种黑麦草（CN3）；在尾矿砂中添加10％菜园土和5％赤泥后栽种黑麦草（CN5）；以不栽种黑麦草的纯铅锌尾矿砂为对照（CK），每处理设3次重复。试验用盆为直径25cm，高25cm的塑料盆。尾矿砂与改良剂充分混匀后装盆，每盆装土8kg。加自来水至田间持水量的70％，平衡2周后，于2011年10月15日开始播种，每盆播入0．2g黑麦草种子，每个盆钵用自来水灌溉。黑麦草生长20周后收获整棵植株，测（称）量株高、干重。将黑麦草根部用自来水洗净，再用去离子水漂洗3次，风干，105℃杀青30min，80℃烘干48h后粉碎，过100目尼龙筛，硝酸－高氯酸消解，采用原子吸收光谱仪测定黑麦草根部重金属Pb、Zn、Cd含量。取黑麦草根际尾矿砂及一同浇水培养的纯尾矿砂（CK），分成2份分装在塑料封口袋中，1份保存在4℃冰箱中用于分析微生物指标；另1份在室温下风干，过筛后用于分析土壤理化性质。参照鲍士旦［5］的方法测定土壤理化性质：土壤pH采用酸度计法（水土质量比＝5∶1）；土壤有机质采用油浴加热－重铬酸钾容量法；全磷采用NaOH熔融－钼锑抗比色法；速效磷采用NaHCO3浸提－钼锑抗比色法；全钾采用NaOH熔融－火焰光度法；速效钾采用乙酸铵浸提－火焰光度法；土壤全氮采用开氏消煮法；碱解氮采用碱解扩散法测定。参照关松荫［6］的方法测定土壤酶活性：脲酶采用靛酚蓝比色法；蔗糖酶采用硫代硫酸钠滴定法；磷酸酶采用磷酸苯二钠比色法；纤维素酶采用硝基苯水杨酸比色法。土壤微生物计数采用稀释平板法测定：细菌分离培养采用牛肉膏蛋白胨琼脂平板涂布法；真菌采用马丁氏孟加拉红琼脂平板涂布法；放线菌采用高氏Ⅰ号培养基平板涂布法。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－全氮测定法［7］。
1．3数据分析
采用Excel软件和SPSS13软件对数据进行统计分析，用单因素方差分析方法分析不同处理间的差异，采用LSD法进行多重比较分析。
2结果与分析
2．1不同处理对铅锌尾矿砂基本性状的影响
由表1可知，湘西花垣铅锌尾矿砂偏碱性。经不同处理后，尾矿砂pH均有不同程度的变化。黑麦草联合菜园土和赤泥处理均使尾矿砂pH较对照显著提高，且随着赤泥用量的增加而变大，添加5％赤泥使pH比对照提高了0．89个单位。在尾矿砂中栽种黑麦草及黑麦草联合菜园土处理对尾矿砂pH影响不明显。可能因为赤泥含有Al（OH）3、NaOH等碱性物质使尾矿砂pH显著增加。湘西花垣铅锌尾矿砂中营养成分很低，尤其是全氮含量最低，仅为0．02g／kg，营养成分不足限制了尾矿砂的生态恢复。不同处理使尾矿砂中有机质含量均显著高于对照（P＜0．05），其中CN1处理对尾矿砂中有机质的改良效果最好，比对照增加了51．82％。除SC处理使尾矿砂中全氮、全钾、速效钾含量与对照无明显变化外，其他处理均使铅锌尾矿砂中全氮、碱解氮、全磷、速效磷及全钾、速效钾含量均显著高于对照（P＜0．05）。
2．2不同处理对黑麦草生长及根部重金属含量的影响
添加改良剂显著促进了黑麦草的生长（P＜0．05）（表2）。与栽种在纯尾矿砂中的黑麦草相比较，添加10％菜园土、混合添加10％菜园土和赤泥处理均使黑麦草株高显著增加。其中以混合添加10％菜园土和1％赤泥对黑麦草株高的影响最显著，比SC处理提高了330％。但随着赤泥添加量增加黑麦草株高反而减小，当赤泥用量为3％，5％时，与TC处理间黑麦草株高的差异均不显著。与栽种在纯尾矿砂中的黑麦草相比较，添加菜园土、混合添加菜园土和赤泥处理使黑麦草生物量显著增加。混合添加10％菜园土和1％赤泥对黑麦草地上部、根部生物量的影响最显著，其重量分别比SC处理提高了333％，293％。改良剂的施用均显著降低了黑麦草根部Pb、Zn、Cd含量（P＜0．05）。混合添加菜园土和赤泥处理中，随着赤泥用量的增加，黑麦草根部Pb、Zn、Cd含量反而降低。可能与赤泥对重金属的吸附与钝化作用弱化了尾矿砂中Pb、Zn、Cd的植物有效性有关，从而使黑麦草根部重金属含量降低。
2．3不同处理对尾矿砂微生物数量及微生物C、N含量的影响
湘西花垣铅锌尾矿砂中微生物主要以细菌和放线菌为主，真菌数量较少（图1）。经不同处理后，铅锌尾矿砂中细菌、真菌、放线菌数量均比对照显著提高（P＜0．05），提高幅度分别为13．92～33．78倍，0．67～5．99倍和9．28～21．82倍。各处理对细菌、真菌、放线菌数量的提高效果分别为：CN1＞CN3＞TC＞CN5＞SC＞CK；CN1＞TC＞SC＞CN3＞CN5＞CK；CN1＞CN3＞TC＞CN5＞SC＞CK。黑麦草联合10％菜园土和1％赤泥处理对尾矿砂中细菌、真菌、放线菌数量的提高效果最好。当黑麦草联合10％菜园土和3％赤泥处理时，尾矿砂中细菌、放线菌数量较TC处理显著增加。但当黑麦草联合10％菜园土和5％赤泥处理时，尾矿砂中细菌、真菌、放线菌数量均比TC处理减少，但微生物数量仍显著大于对照。本试验中，在不同处理中细菌数量的变化最大，表明细菌对修复反应最为敏感，适合作为铅锌尾矿砂修复的评价指标。作为初级真核生物的真菌对环境的适应力较强，其数量变幅最小。经不同处理后，尾矿砂中微生物C、N含量均比对照显著提高（P＜0．05），提高幅度分别为1．73～6．34倍和2．75～6．35倍。各处理对微生物C、N含量的提高顺序均为：CN1＞CN3＞CN5＞TC＞SC＞CK（图1）。对赤泥添加比例间改良效果进行比较，可以发现尾矿砂中微生物C、N含量均随着赤泥添加量增加而减少。赤泥各处理均使尾矿砂中微生物N含量大于TC处理。CN1、CN3处理时微生物C含量显著大于TC处理，而CN5、TC处理间微生物C含量差异不显著。
2．4不同处理对尾矿砂中酶活性的影响
经不同处理后，尾矿砂中脲酶、磷酸酶、蔗糖酶、纤维素酶活性均比对照显著提高（P＜0．05）（表3），提高幅度分别为1．91～18．43倍、1．28～12．80倍、0．75～5．58倍、4．30～9．15倍；各处理对尾矿砂中脲酶、磷酸酶、蔗糖酶、纤维素酶活性的提高效果分别为：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，脲酶对修复反应非常敏感，变化幅度最大，结果与杨志新等的研究结果相一致，故可采用土壤脲酶活性作为预测土壤重金属复合污染程度的主要生化指标［8］。
3讨论
铅锌尾矿砂是在采矿选矿过程中，通过矿石粉碎、定向化学浸提和浮选矿石后排放堆积在尾矿库中的废弃物，理化性质差，相当于原生裸地。尾矿砂的自然生态恢复过程极其缓慢，必须依靠基质改良、植被重建等方法进行生态修复。极端贫瘠是影响尾矿砂生态恢复的一个重要因素。本研究发现，单独栽种黑麦草可使铅锌尾矿砂中有机质、碱解氮、速效磷显著提高。表明在黑麦草生长过程中，其发达的须根一方面从尾矿砂中摄取水分、养分，同时也向尾矿砂分泌质子、离子和有机物，这些物质极大地改变了根际微区的物理和化学环境，为土壤微生物提供了适宜的生长条件，而根际中的有益微生物在增加土壤肥力、改善根际环境、促进根系生长等方面又发挥着积极的促进作用。添加改良剂可以强化植物的修复作用。束文圣等［9］在广东乐昌铅锌尾矿上进行的尾矿植被重建的野外试验表明，在尾矿上覆盖5cm的土壤就可以促进植物成功定居。在本研究中添加菜园土、赤泥等改良剂可显著加强黑麦草对铅锌尾矿砂的改良作用。菜园土营养成分丰富，自身携带有微生物菌群，且其含有的颗粒状有机质、团聚体对尾矿砂中的重金属元素具有较好的固定作用［10］，导致尾矿砂的营养状况、微生物数量、微生物生物量和相关酶活性得到一定程度的改善，使铅锌尾矿砂极端恶劣的生态环境得到改良。赤泥为氧化铝生产过程中产生的废渣，具有较强的吸附、钝化重金属的能力［11］；同时，赤泥含有较高的Si、Ca、P、K和数10种植物必需的微量元素。添加赤泥有利于提高重金属污染土壤中微生物组成和土壤酶活性［12］。本试验结果表明，在铅锌尾矿砂中混合添加10％菜园土和1％赤泥时，黑麦草株高、生物量和尾矿砂营养成分、微生物数量、微生物生物量和相关酶活性均较对照显著提高。但当赤泥用量超过1％时，黑麦草株高、生物量和尾矿砂中微生物指标随着赤泥用量的增加而降低，这与赤泥对镉污染土壤中水稻产量和土壤生物性状的影响［13］基本一致。微生物是土壤中最活跃的部分，其种类、数量、生态分布及活性在很大程度上可以反映土壤肥力状况与变化，而土壤有机质、营养成分、pH等生态因子可直接影响土壤微生物的种类及数量［14］。本研究结果表明，铅锌尾矿砂经修复处理后其有机质、碱解氮、速效磷含量显著提高，同时显著增加了铅锌尾矿砂中细菌、真菌、放线菌的数量。在对尾矿砂等极端环境的修复过程中，可通过调控养分的输入增加相关微生物数量，促进尾矿砂的发育。微生物C和N虽然只占有机碳和全氮的很少一部分，但它们却是活的土壤有机碳和有机氮部分，对土壤肥力有重要影响。土壤微生物生物量的测定可作为深入研究生态系统中C、N、P等元素循环过程的重要手段，也可用于土壤养分动力学研究和土壤健康状况的指示作用。本研究结果表明，经修复处理后铅锌尾矿砂中微生物C、N含量显著增加，说明修复处理促进了尾矿砂中C、N、P等养分的循环，使尾矿砂肥力得到一定程度的改善。土壤酶活性与土壤微生物一样在土壤生态系统中发挥着至关重要的中心作用［15］。土壤脲酶能够催化土壤中尿素分解生成氨，对土壤氮素利用及氮循环具有重要作用。磷酸酶能加速有机磷的脱磷速度，是评价土壤磷素生物转化方向与强度的指标。蔗糖酶直接参与土壤有机质的代谢过程，能够表征土壤生物学活性强度，用来评价土壤熟化程度和土壤肥力水平。纤维素酶是参与纤维素循环的关键酶，对土壤有机质的循环具有重要作用。本研究中，各修复处理使尾矿砂中微生物数量大幅度提升，利于黑麦草生长。黑麦草与微生物通过分泌、吸收和自身凋亡分解等生理生化作用使尾矿砂中磷酸酶、脲酶、蔗糖酶和纤维素酶活性得到提高，而土壤酶活性的提高又能促进土壤中营养成分的循环，改善铅锌尾矿砂的微生态环境。
4结论
（1）修复作用使铅锌尾矿砂中有效营养成分得到显著改善。黑麦草联合改良剂处理对尾矿砂的有效营养成分的改良效果要强于单独栽种黑麦草的改良效果，其中以黑麦草联合10％菜园土和1％赤泥对有机质、速效氮、速效磷的改良效果最好。（2）在铅锌尾矿砂中添加菜园土、赤泥后能够显著促进黑麦草的生长，其中以混合添加10％菜园土和1％赤泥对黑麦草株高、生物量的增加效果最好。当赤泥用量超过1％时，黑麦草的株高和生物量随着赤泥用量的增加而减少。而黑麦草根部重金属含量随着赤泥用量的增加而减少。（3）修复作用使铅锌尾矿砂中细菌，真菌，放线菌数量，微生物C、N含量，脲酶，磷酸酶，蔗糖酶，纤维素酶活性显著增加。以黑麦草联合10％菜园土和1％赤泥处理的效果最好。当赤泥用量超过1％时，尾矿砂微生态指标改良效果随着赤泥用量的增加而降低。