贵州省铅锌矿产资源丰富,其产量占全国铅锌产量的10%左右,主要分布在黔西北地区的水城、威宁、赫章等县。黔西北地区土法炼锌历史悠久,但其工艺简单,造成许多重金属滞留于残渣中,该区域大规模的土法炼锌活动遗留下大面积废渣堆场及污染土壤,对周边生态环境存在潜在的生态风险。植物修复技术是一种较为廉价的绿色治理技术,既安全又经济。近年来,各国学者围绕植物根系分泌物对重金属的作用开展了大量的研究,取得了一系列的研究成果,但是在根系分泌物对重金属的有效性及迁移特征的影响方面还存在争议。本研究以黔西北威宁县猴场镇某裸露堆存多年的土法炼锌废渣为研究对象,通过模拟外源添加不同浓度单一和混合组分的根系分泌物(草酸、酒石酸、缬氨酸、甘氨酸和四者混合而成的合成根系分泌物(Artificial Root Exudate,ARE))于土法炼锌废渣中,研究不同浓度根系分泌物组分通过酸溶以及改变废渣基质理化和微生物学特性进而促进废渣团聚等方面的作用对废渣中重金属有效性及迁移转化的影响。其结果表明:(1)与对照相比,不同浓度单一和混合组分根系分泌物总体上均能促进废渣溶解,具体表现为废渣pH值降低、电导率(EC)升高,对废渣基质pH的影响作用大小依次表现为甘氨酸>ARE>酒石酸>草酸≈缬氨酸,添加高浓度根系分泌物处理的废渣中EC的变化依次表现为ARE>甘氨酸>草酸>缬氨酸>酒石酸。(2)不同组分根系分泌物对废渣Cu、Pb、Zn、Cd的有效态影响作用不同。混合组分根系分泌物对废渣中有效态Cu、Pb、Zn、Cd的影响较单一组分大,随着添加浓度增加,各处理废渣有效态Cu、Zn、Cd的含量均表现为ARE>甘氨酸>缬氨酸>草酸、酒石酸。与对照相比,氨基酸和ARE处理能明显增加废渣有效态Cu、Zn、Cd含量,对废渣Cu、Zn、Cd的活化作用效果为ARE>甘氨酸>缬氨酸,活化强度随浓度增加;草酸和酒石酸添加对废渣有效态Zn、Cd无明显影响,但能抑制废渣中Cu活化。与对照相比,有机酸对废渣有效态Pb具有一定活化作用,氨基酸和ARE处理则能抑制有效态Pb的活性不同浓度各处理废渣中有效态Pb含量依次为草酸>酒石酸>对照>缬氨酸>ARE、甘氨酸。(3)各组分根系分泌物添加影响了废渣Cu、Pb、Zn、Cd的赋存形态。不同浓度酒石酸、缬氨酸、甘氨酸和ARE处理降低了废渣酸可溶态Cu和Zn、可还原态Pb、可氧化态Cd的含量,增加残渣态Cu、Pb、Cd以及可氧化态Cu、Pb、Zn含量。草酸处理分别降低废渣中酸可溶态、可氧化态和残渣态Zn含量以及可氧化态Cd含量,增加酸可溶态Cu、可还原态Zn、残渣态Cd含量。(4)根系分泌物添加可明显改变废渣团聚体的分布,主要表现为不同浓度根系分泌物降低废渣中粒径为1~2 mm和<0.25 mm的团聚体比例,而增加粒径为0.5~1 mm、0.25~0.5 mm的团聚体的比例。与对照相比,不同浓度单一和混合组分根系分泌物处理使重金属在各团聚体中发生了迁移。废渣中重金属Cu在粒径为<0.25 mm团聚体中相对富集,Zn主要在微团聚体(<0.25 mm)中呈富集状态,Cd在1~2 mm团聚体和0.5~1 mm、0.25~0.5 mm、<0.25 mm团聚体中分别表现为亏缺和富集。而废渣中Pb在根系分泌物的影响下则主要表现为在0.5~1mm和0.25~0.5 mm团聚体中呈富集状态,而在<0.25 mm团聚体呈现亏缺状态。(5)根系分泌物作用下,废渣各粒径团聚体中重金属的有效性主要受粒径大小及元素种类的影响。具体表现为,添加不同浓度根系分泌物后,各粒级废渣团聚体中有效态Cu、Zn、Cd含量分布随粒径减小而明显增加的趋势变化,有效态Pb的分布则相反。不同浓度根系分泌物组分均能使粒径为1~2 mm团聚体中有效态Cu、Zn、Cd含量升高,而氨基酸和ARE作用均使各粒级团聚体有效态Pb含量明显降低。(6)不同浓度有机酸和氨基酸添加均对废渣基质养分产生了影响。与对照相比,不同浓度氨基酸和ARE添加均增加了废渣养分(总氮、有效氮、有机质、有效钾)含量,对总氮和有效氮的影响表现为ARE>甘氨酸>缬氨酸。不同浓度有机酸添加分别增加和降低废渣中有效氮和有效钾含量。单一和混合组分根系分泌物处理均降低了有效磷含量。(7)不同浓度氨基酸和ARE处理均明显增加废渣中水解酶活性(脲酶、磷酸酶、蔗糖酶)和微生物数量,草酸和酒石酸对水解酶活性影响作用极小,且在一定程度上表现为抑制微生物繁殖。单一组分草酸、酒石酸、缬氨酸和甘氨酸均不同程度增加废渣过氧化氢酶活性,而混合组分根系分泌物则对废渣过氧化氢酶活性具有抑制作用。不同浓度单一及混合组分根系分泌物作用下,废渣三大类群微生物数量大小依次为放线菌>细菌>真菌。高浓度甘氨酸和ARE处理可有效增加废渣呼吸作用强度。总体上,根系分泌物添加对废渣的理化及微生物环境具有明显的改善作用。(8)根系分泌物作用下,废渣基质中Cu、Pb、Zn、Cd的生物有效性与废渣中微生物活性、养分、酶活性存在密切关系,而养分、微生物、酶活性之间也存在密切联系,构成循环进而间接作用于重金属。其中,有效态Cu、Zn、Cd与pH、EC、养分、微生物活性以及水解酶酶活性均达到显著或极显著正相关。总体上,有效态Pb与微生物活性、养分、水解酶酶活性为显著或极显著负相关,与过氧化氢酶极显著正相关。废渣基质中Cu、Pb、Zn、Cd的生物有效性与其赋存形态密切相关,且不同重金属生物有效性以及赋存形态之间相互影响,存在复杂的交互作用。综上表明,黑麦草根系分泌物对土法炼锌废渣中重金属的生物有效性和迁移转化具有一定影响,氨基酸和有机酸的添加均使重金属Cu、Zn、Cd生物可利用性增加,从而进一步增加了重金属的淋溶,其中混合组分根系分泌物的淋溶作用比单一组分根系分泌物强,单一组分根系分泌物中氨基酸的淋溶作用强于有机酸,含氨基酸组分根系分泌物则对重金属Pb表现为固定作用。过量的重金属会影响植物正常生长,不同的植物在不同环境条件下产生的根系分泌物种类和含量不同,对不同重金属的作用机理不同,因而,在利用植物修复土法炼锌废渣堆场的过程中,需要根据具体情况进行合理筛选和搭配植物,从而构成植被自然演替、植物、动物、微生物等生物种类繁多且逐渐趋于稳定的渣场生态系统。