修复植物—铅锌废渣体系中碳氮磷的分布及化学计量特征研究

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黔西北土法炼锌活动曾持续300余年,在2000年左右基本被取缔,由于长年的不断累积,在当地遗留了大量富含重金属的细粒径铅锌冶炼废渣。这些颗粒物极易在水力搬运和风力扩散作用下迁移至周边水体、土壤和大气环境中,对周边生态环境造成潜在风险,因此,采取有效措施控制冶炼废渣中重金属污染就显得尤为重要。相比传统的物理、化学以及物理化学结合的修复技术,植物修复是一种高效、绿色、经济的废渣堆场治理措施,已被广泛用于废渣堆场污染释放原位控制。尽管改良剂-植物联合修复可显著增加废渣中养分和有机质的含量,但一般的金属冶炼废渣都具有养分贫瘠、结构性差、重金属毒性大等不利于植物生长的特点,修复植物对废渣堆场中植物生长发育过程必不可少的主要营养物质(碳氮磷)的需求状况及其在废渣堆场上如何实现常年稳定生长一直是科学家关注的热点问题。目前,关于金属冶炼废渣堆场经生态修复后废渣中碳氮磷的生物有效性、废渣-植物系统中碳氮磷的分配特征以及修复系统是否受氮磷限制等问题还未得到系统研究。因此,本文以黔西北开展生态修复6年的土法炼锌区为研究区域,以废渣堆场上5种修复植物,即土荆芥(Chenopodium ambrosioides L.)、芦竹(Arundo donax)、刺槐(Robinia pseudoacacia L.)、构树(Broussonetia papyrifera)和柳杉(Cryptomeria fortunei)为研究对象,研究废渣-植物-凋落物中碳氮磷的分布及化学计量特征,明确开展植物修复后废渣-植物系统中碳氮磷元素的分布与养分限制状况,旨在为类似的金属冶废渣堆场生态修复提供理论依据,研究取得的结果如下:(1)不同植物修复下废渣剖面中有机碳(OC)、总氮(TN)、总磷(TP)及其组分的含量差异显著,OC及其组分、TN、有效氮(AN)、有效磷(AP)、有机磷(Po)、Ca2-P、Ca8-P、Al-P和Fe-P整体表现为随采样深度的增加逐渐降低,除OC、HOC、TN和Fe-P外,其余指标均呈明显的表聚现象,TP和Ca10-P随深度无明显的变化趋势,Oc-P为表层略低于底层。有机碳的氧化稳定系数表现为随深度的增加逐渐增大,磷活化系数平均值表现为表层废渣大于2%,10 cm以下小于2%。综上说明生态修复中植物对废渣中碳、氮、磷的改善作用主要集中在表层。此外,废渣中无机磷占全磷的57.42-63.40%,各形态无机磷占无机磷总量的百分比为:Oc-P(46.63%)>Fe-P(31.59%)>Ca10-P(12.23)>Al-P(4.79%)>Ca8-P(3.17%)>Ca2-P(1.60%),废渣中无机磷以Oc-P为主。(2)相关性分析表明,表层废渣中OC与Kos之间呈显著正相关关系,腐殖酸态碳(FA+HA)与OC、难氧化有机碳(HOC)之间呈负相关关系,与易氧化有机碳(EOC)之间呈极显著正相关。废渣中AP与Ca2-P、Ca8-P和Po之间均呈极显著正相关关系,且Ca2-P与Ca8-P、Al-P和Po间呈显著正相关关系,Ca8-P与Al-P、Fe-P、Po之间呈显著正相关关系,由此可知Ca2-P、Ca8-P和Po是植物吸收P的主要有效磷源,Al-P、Fe-P作为缓效磷源,Ca10-P均与各形态磷之间相关性不显著,Oc-P与AP、Ca2-P、Ca8-P、Fe-P、Al-P之间均呈负相关关系,说明废渣中Ca10-P和Oc-P是植物吸收P的潜在磷源,且不同磷形态之间存在相互转化、相互制约的作用。(3)修复植物不同器官及凋落物中C含量整体较稳定,属于弱变异性,其在不同组分间的分布为:茎/干>枝>粗根>细根>叶>凋落物。N、P在不同植物的不同器官中变异性较大,且在植物中的分配规律一致,均为叶>细根>凋落物>粗根>枝>茎/干。(4)不同植物修复作用下废渣中C:N在垂直剖面较稳定,C:P和N:P均值表现为表层大于底层。不同植物修复下废渣的C:N、C:P和N:P变异系数较C、N、P低,属于弱变异性,说明废渣中C、N、P的含量变异性大于其生态化学计量比。(5)植物营养器官及凋落物中C:N与C:P的规律一致,均为:茎/干>枝>粗根>凋落物>细根>叶,与N、P在植物中的分配规律相反,说明植物的C:N和C:P主要由N、P的分布决定。植物的N:P的大小为:叶>枝>凋落物>茎/干>细根>粗根,与N在植物中的分布呈极显著正相关,说明植物的N:P主要受N含量影响。研究中仅刺槐叶片N:P大于16,说明刺槐在贫瘠的废渣中生长不受N限制,其它4种植物均受N限制,因此,可以优先选择豆科植物作为先锋植物用于改善养分贫瘠的废渣堆场。(6)废渣-植物体系中废渣的C:N、C:P、N:P与植物各组分的C:N、C:P之间基本为显著相关,细根的N含量、凋落物和细根的P含量、C:N、C:P与废渣的N、P含量以及C:N、C:P、N:P间基本呈显著正相关或显著负相关,说明植物的细根、凋落物与废渣的联系密切。综上所述,土法炼锌废渣堆场经生态修复后,废渣中OC、TN、TP有了显著的改善,EOC、FA+HA、AN、AP、Ca2-P、Ca8-P、Al-P和Po等碳氮磷的主要有效成分具有明显的表聚现象。废渣中无机磷主要以Oc-P为主,不同磷形态之间存在相互转化和相互制约的作用。在植物中,C含量较稳定,其分布为:茎/干>枝>粗根>细根>叶>凋落物,N、P变异性较大,两者分布大小均为叶>细根>凋落物>粗根>枝>茎/干。植物叶片的N:P分析表明该生态修复系统中植物生长整体受N限制,植物的C:N和C:P分别受N和P分布的影响,相关性分析表明植物N:P主要受N含量影响,此外,植物的细根和凋落物与废渣中氮磷含量及化学计量特征关系密切。
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