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摘 要：该文采用土壤盆栽试验，研究高丹草、田菁2种草本植物分别与改良剂联合作用对矿区土壤养分条件和可交换态重金属Cu、Zn、As、Cd含量的影响。结果表明，废弃地土壤在不经任何处理自然放置120d后，有机质和有效磷含量增加不明显，全氮和速效钾含量降低，可交换态重金属元素含量变化不显著，植物-改良剂联合处理后，全氮、有机质、有效磷和速效钾含量显著提升，土壤肥力改善明显，可交换态重金属有微量残留，可见植物-改良剂联合修复重金属污染土壤具有可行性。
关键词：矾矿；植物修复；养分；可交换态重金属
中图分类号 X53 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2017）20-0047-04
Effects of Plant Restoration on the Soil Nutrient and Heavy Metal Content of the Abandoned Land in Lujiang Alunite Mine
Zuo Dandan1 et al.
（1Department of Biological and Environmental Engineering，Hefei University，Hefei 230601，China）
Abstract：Pot experiments were carried out to investigate the effects of the combination of the pacesetter and sesbania cannabina on soil nutrient condition and exchangeable heavy metal Cu，Zn，As and Cd in the mining area respectively.The results showed that it is not obvious that the content of organic matter and effective phosphorus increased，the content of total nitrogen and instant potassium decreased，and the content of the exchangeable heavy metal elements was not significant when the soil in the abandoned land had been disposed of for 120 days without any treatment.After the combined treatment of plants and modifiers，the content of total nitrogen，organic matter，effective phosphorus and instant potassium increased significantly，the soil fertility was improved obviously，and the exchangeable heavy metals had trace residues.The above indicated that the combination of plant-modifying agent and remediation of heavy metal contaminated soil was feasible.
Key words：Alunite mine；Plant restoration；Nutrient；Exchangeable heavy metal
矾山镇矾矿是安徽省大中型闭坑矿山，矿石储量达2亿t，矿石类型以黄铁矿、石英、明矾石矿石为主，已开采近千年，堆积了近5000万t的废石，大约形成了30000m2裸露的废弃地[1-3]。废弃地土壤受废石产酸影响，其重金属含量高，对植物的生长造成毒害生境。近年来，筛选超富集植物修复重金属污染土壤成为了植物修复的热点，但由于超富集植物一般具有植株矮小、生长缓慢、生物量低、周期长等缺点，导致其在实际的工程应用中較少[4]。因此，国内外诸多学者利用非食用且具有经济价值的普通植物，并结合向污染土壤中添加改良剂的方法来修复矿区污染土壤，这是一条行之有效的途径[5-6]。本文研究比较了高丹草和田菁2种草本植物与改良剂联合作用于矾矿废弃地土壤的修复效果，通过修复前后土壤养分条件和有效态重金属含量的测定分析，揭示废弃地土壤经过植物-改良剂修复后土壤养分及可交换态重金属变化的原因，为今后的矿区废弃地植物修复提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 试验材料 供试植物为高丹草、田菁。供试土壤采自安徽省庐江县矾山镇矾矿区废弃地。供试土壤改良剂主要为有机肥和粉碎后的农业废弃物秸秆，有机肥来自非凡生物科技有限公司，其pH为6.91，全氮为4.0%，有机质为67.3%，有效磷为1.90g/kg，速效钾为0.65g/kg。
1.2 盆栽试验 设置对照组和处理组，每组3个重复，处理组土壤施加改良剂（有机肥和粉碎后的农业废弃物秸秆）。将矿区采集的土壤去除大块石砾，混匀，处理组土壤和改良剂的配比为5∶1，分别称取600g置于塑料盆中（外口径18.5cm，内口径16cm，底径12cm，高17cm），处理组加入去离子水使土壤含水量为田间持水量的60%～70%，平衡7d后取出1～2cm厚的土壤，将高丹草、田菁草本植物种子分别均匀的撒在塑料盆里，用事先取出的土壤将种子均匀覆盖铺平，喷洒适量去离子水，出苗2周后每盆各留20株，植物生长期间保持土壤湿度为田间持水量的70%，每30d采集植物根际土壤，进行各项土壤理化性质测定及Cu、Zn、As、Cd可交换态重金属元素分析。 1.3 样品处理与分析 土壤基本理化性质测定参照《土壤分析技术规范》；重金属可交换态分析方法采用Tessier等的5步连续提取法[7]（表1）。用ICP-MS测定可交换态提取液中的重金属含量。
2 结果与分析
2.1 原矿不经过任何处理120d后变化 矾矿废弃地土壤自然放置120d后，土壤养分及可交换态重金属含量变化见表2、表3。从表2可知，矾矿废弃地土壤自然放置120d后，土壤有机质和有效磷含量增加不明显，全氮和速效钾含量降低，即废弃地土壤在无任何处理的情况下其养分状况随着时间呈现出下降的趋势，且分别属于全國第二次土壤普查推荐的土壤养分分级标准中有机质含量6级指标、全氮含量5级指标、有效磷速效钾含量4级指标，养分极低。这可能与土壤结构功能破坏有关，导致土壤自身的修复能力极弱，甚至基本丧失，因此，必须通过有效的途径采用适宜的方法提高废弃地土壤肥力。从表3可以看出，对照组不经过任何处理下，随着时间的变化，土壤可交换态Cu、Zn和As含量下降幅度明显，引起这种变化的原因可能是土壤可交换态活性较高，极易迁移转化，盆栽试验水分补给过程也会使土壤中可交换态重金属转变为水溶态从塑料盆底部随水流失掉，致使土壤中可交换态重金属含量下降。
2.2 植物-改良剂对废弃地土壤全氮的影响 由图1可知，废弃地土壤施加改良剂，种植高丹草、田菁20d后，土壤全氮分别为0.40%、0.29%，高于对照组土壤自然放置120d全氮含量0.029%，说明了草本植物和改良剂联合修复能短时间迅速提高土壤全氮含量。有机肥增加了土壤全氮含量，满足植物对氮肥的基本需求。另外，2种草本植物对土壤全氮含量累积也具有一定的差异性这是由于不同植物引入的植物残体和根系分布之间的差异，导致植物根际土壤性质、氮循环过程、土壤微生物数量及其生命活动发生变化，最终使土壤氮含量发生变化[8-9]。高丹草种植组不仅凋落物量大，而且腐解速率较快，进而明显提高了土壤氮的输入量。
2.3 植物-改良剂对废弃地土壤有机质的影响 废弃地土壤施加改良剂后，种植高丹草、田菁后，土壤有机质含量均有较大的改善效果。120d后，种植高丹草和田菁土壤有机质较废弃地土壤自然放置120d有机质含量0.60%分别提高了8.82%、4.98%。以上结果表明，2种草本植物和改良剂联合作用可提高废弃地土壤有机质含量，高丹草的改善效果更加显著。这是因为植物修复及植物残体的腐化，同时，有机肥的施加也增加了土壤有机质的含量[10]。
2.4 植物-改良剂对废弃地土壤有效磷的影响 废弃地土壤在改良剂联合作用下，种植高丹草、田菁的土壤有效磷含量显著提高。120d后，高丹草、田菁生长的土壤有效磷含量分别为70.23mg/kg，75.06mg/kg，120d后田菁种植组对土壤有效磷的累积作用比较明显。这是由于土壤改良剂中有机肥含磷量较高，以及植物生长过程中的凋落物腐化分解作用。说明草本植物和改良剂联合修复土壤，不仅能提高废弃地土壤有效磷含量，改善土壤质量，还可以提供充足的磷元素供植物生长。
2.5 植物-改良剂对废弃地土壤速效钾的影响 由图4可知，在植物和改良剂联合作用下，土壤速效钾含量较废弃地土壤均得到了显著提高，高丹草、田菁在120d后，速效钾的含量分别为230mg/kg、200mg/kg，较添加改良剂后的土壤初始值750mg/kg有所降低，即2种植物联合改良剂作用土壤可以提高废弃地土壤中的速效钾含量。土壤速效钾的含量在试验初期提高显著，这是因为有机肥本身速效钾含量较高，在试验后期，可能由于植物生长发育需要大量的钾元素以及对土壤营养元素吸收的程度不同，造成速效钾出现一定程度的下降。
2.6 植物-改良剂对废弃地土壤有效态重金属含量的影响 废弃地土壤在改良剂作用下，高丹草、田菁种植120d，土壤重金属元素含量变化见表3。由表3可知，矾矿废弃地土壤在施加改良剂的基础上种植两种草本植物，土壤重金属可交换态含量均有所降低。可见，植物-改良剂联合作用可以显著降低土壤可交换态重金属含量。其原因主要是土壤改良剂中有机肥的添加，使土壤特性发生变化。一方面，添加有机肥后土壤理化性质的改变刺激了土壤微生物的生命活动，微生物通过生物吸附富集、氧化还原及溶解作用，改变土壤重金属元素存在形态降低其迁移转化的能力和生物可利用性。另一方面，有机肥和秸秆的添加也改善了土壤微环境，不仅提供了植物生长发育所需的营养元素，同时强化了植物的根际作用，使土壤可交换态的重金属元素含量进一步降低。
3 结论
（1）矾矿废弃地土壤在不经任何处理自然放置120d后，有机质和有效磷含量增加不明显，全氮和速效钾含量降低，土壤养分极其缺乏；土壤可交换态下的重金属元素含量也有所下降，但是下降幅度低于植物-改良剂联合作用后的土壤。
（2）2种草本植物和土壤改良剂联合处理120d后，土壤全氮、有机质、有效磷和速效钾含量显著提升，土壤肥力改善明显，但可交换态下重金属元素还有微量残留。
（3）高丹草和田菁均可用于矾矿区修复的植物种，同时还需要采用合理有效的措施提高土壤肥力，这不仅能防止废弃矿区水土流失，还可以减少土壤重金属污染面积继续扩大。
参考文献
[1]范裕，周涛发，袁峰，等.庐枞盆地高硫化型浅层低温热液成矿系统：来自矾山明矾石矿床地质特征和硫同位素地球化学的证据[J].岩石学报，2010，26（12）：3657-3666.
[2]宣之强.中国明矾石资源及其应用[J].化工矿产地质，1998（4）：279-286.
[3]张寿稳.安徽庐枞地区高岭土资源及其开发利用[J].地质与勘探，2000（5）：49-51.
[4]袁敏，铁柏清，唐美珍，等.四种草本植物对铅锌尾矿土壤重金属的抗性与吸收特性研究[J].草业学报，2005，14（6）：57-62.
[5]束文圣，张志权，黄立南，等.双穗雀稗重金属耐性种群在铅锌尾矿生长的野外实验研究[J].中山大学学报，2000，39（4）：94298.
[6]Ye Z H，Wong J W C，Wong M H，et al.Lime and pig manure as ameliorants for revegetating lead/zinc mine tailing：a green house study[J].Bioresource Technology，1999，69（4）：35243.
[7]Tessier A.，Campbell P.G.C.，Bisson M.Sequential extraction procedure for the speciation of trace metals[J].Anal Chem，1979，51：844-851.
[8]邹华，王振群，乔有明，段中华.三角城种羊场三种植被类型生物量及土壤碳氮含量比较[J].青海大学学报，2012（2）：49-55.
[9]贾晓红，李新荣，李元寿.干旱沙区植被恢复中土壤碳氮变化规律[J].植物生态学报，2007，31（1）：66-74.
[10]Haynes R J，Naidu R.Influence of lime，fertilizer and manure applications on soil organic matter content and soil physical conditions：a review[J].Nutrient Cycling in Agroecosystems，1998，51（2）：123-137.
（责编：张宏民）
关键词：矾矿；植物修复；养分；可交换态重金属
中图分类号 X53 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2017）20-0047-04
Effects of Plant Restoration on the Soil Nutrient and Heavy Metal Content of the Abandoned Land in Lujiang Alunite Mine
Zuo Dandan1 et al.
（1Department of Biological and Environmental Engineering，Hefei University，Hefei 230601，China）
Abstract：Pot experiments were carried out to investigate the effects of the combination of the pacesetter and sesbania cannabina on soil nutrient condition and exchangeable heavy metal Cu，Zn，As and Cd in the mining area respectively.The results showed that it is not obvious that the content of organic matter and effective phosphorus increased，the content of total nitrogen and instant potassium decreased，and the content of the exchangeable heavy metal elements was not significant when the soil in the abandoned land had been disposed of for 120 days without any treatment.After the combined treatment of plants and modifiers，the content of total nitrogen，organic matter，effective phosphorus and instant potassium increased significantly，the soil fertility was improved obviously，and the exchangeable heavy metals had trace residues.The above indicated that the combination of plant-modifying agent and remediation of heavy metal contaminated soil was feasible.
Key words：Alunite mine；Plant restoration；Nutrient；Exchangeable heavy metal
矾山镇矾矿是安徽省大中型闭坑矿山，矿石储量达2亿t，矿石类型以黄铁矿、石英、明矾石矿石为主，已开采近千年，堆积了近5000万t的废石，大约形成了30000m2裸露的废弃地[1-3]。废弃地土壤受废石产酸影响，其重金属含量高，对植物的生长造成毒害生境。近年来，筛选超富集植物修复重金属污染土壤成为了植物修复的热点，但由于超富集植物一般具有植株矮小、生长缓慢、生物量低、周期长等缺点，导致其在实际的工程应用中較少[4]。因此，国内外诸多学者利用非食用且具有经济价值的普通植物，并结合向污染土壤中添加改良剂的方法来修复矿区污染土壤，这是一条行之有效的途径[5-6]。本文研究比较了高丹草和田菁2种草本植物与改良剂联合作用于矾矿废弃地土壤的修复效果，通过修复前后土壤养分条件和有效态重金属含量的测定分析，揭示废弃地土壤经过植物-改良剂修复后土壤养分及可交换态重金属变化的原因，为今后的矿区废弃地植物修复提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 试验材料 供试植物为高丹草、田菁。供试土壤采自安徽省庐江县矾山镇矾矿区废弃地。供试土壤改良剂主要为有机肥和粉碎后的农业废弃物秸秆，有机肥来自非凡生物科技有限公司，其pH为6.91，全氮为4.0%，有机质为67.3%，有效磷为1.90g/kg，速效钾为0.65g/kg。
1.2 盆栽试验 设置对照组和处理组，每组3个重复，处理组土壤施加改良剂（有机肥和粉碎后的农业废弃物秸秆）。将矿区采集的土壤去除大块石砾，混匀，处理组土壤和改良剂的配比为5∶1，分别称取600g置于塑料盆中（外口径18.5cm，内口径16cm，底径12cm，高17cm），处理组加入去离子水使土壤含水量为田间持水量的60%～70%，平衡7d后取出1～2cm厚的土壤，将高丹草、田菁草本植物种子分别均匀的撒在塑料盆里，用事先取出的土壤将种子均匀覆盖铺平，喷洒适量去离子水，出苗2周后每盆各留20株，植物生长期间保持土壤湿度为田间持水量的70%，每30d采集植物根际土壤，进行各项土壤理化性质测定及Cu、Zn、As、Cd可交换态重金属元素分析。 1.3 样品处理与分析 土壤基本理化性质测定参照《土壤分析技术规范》；重金属可交换态分析方法采用Tessier等的5步连续提取法[7]（表1）。用ICP-MS测定可交换态提取液中的重金属含量。
2 结果与分析
2.1 原矿不经过任何处理120d后变化 矾矿废弃地土壤自然放置120d后，土壤养分及可交换态重金属含量变化见表2、表3。从表2可知，矾矿废弃地土壤自然放置120d后，土壤有机质和有效磷含量增加不明显，全氮和速效钾含量降低，即废弃地土壤在无任何处理的情况下其养分状况随着时间呈现出下降的趋势，且分别属于全國第二次土壤普查推荐的土壤养分分级标准中有机质含量6级指标、全氮含量5级指标、有效磷速效钾含量4级指标，养分极低。这可能与土壤结构功能破坏有关，导致土壤自身的修复能力极弱，甚至基本丧失，因此，必须通过有效的途径采用适宜的方法提高废弃地土壤肥力。从表3可以看出，对照组不经过任何处理下，随着时间的变化，土壤可交换态Cu、Zn和As含量下降幅度明显，引起这种变化的原因可能是土壤可交换态活性较高，极易迁移转化，盆栽试验水分补给过程也会使土壤中可交换态重金属转变为水溶态从塑料盆底部随水流失掉，致使土壤中可交换态重金属含量下降。
2.2 植物-改良剂对废弃地土壤全氮的影响 由图1可知，废弃地土壤施加改良剂，种植高丹草、田菁20d后，土壤全氮分别为0.40%、0.29%，高于对照组土壤自然放置120d全氮含量0.029%，说明了草本植物和改良剂联合修复能短时间迅速提高土壤全氮含量。有机肥增加了土壤全氮含量，满足植物对氮肥的基本需求。另外，2种草本植物对土壤全氮含量累积也具有一定的差异性这是由于不同植物引入的植物残体和根系分布之间的差异，导致植物根际土壤性质、氮循环过程、土壤微生物数量及其生命活动发生变化，最终使土壤氮含量发生变化[8-9]。高丹草种植组不仅凋落物量大，而且腐解速率较快，进而明显提高了土壤氮的输入量。
2.3 植物-改良剂对废弃地土壤有机质的影响 废弃地土壤施加改良剂后，种植高丹草、田菁后，土壤有机质含量均有较大的改善效果。120d后，种植高丹草和田菁土壤有机质较废弃地土壤自然放置120d有机质含量0.60%分别提高了8.82%、4.98%。以上结果表明，2种草本植物和改良剂联合作用可提高废弃地土壤有机质含量，高丹草的改善效果更加显著。这是因为植物修复及植物残体的腐化，同时，有机肥的施加也增加了土壤有机质的含量[10]。
2.4 植物-改良剂对废弃地土壤有效磷的影响 废弃地土壤在改良剂联合作用下，种植高丹草、田菁的土壤有效磷含量显著提高。120d后，高丹草、田菁生长的土壤有效磷含量分别为70.23mg/kg，75.06mg/kg，120d后田菁种植组对土壤有效磷的累积作用比较明显。这是由于土壤改良剂中有机肥含磷量较高，以及植物生长过程中的凋落物腐化分解作用。说明草本植物和改良剂联合修复土壤，不仅能提高废弃地土壤有效磷含量，改善土壤质量，还可以提供充足的磷元素供植物生长。
2.5 植物-改良剂对废弃地土壤速效钾的影响 由图4可知，在植物和改良剂联合作用下，土壤速效钾含量较废弃地土壤均得到了显著提高，高丹草、田菁在120d后，速效钾的含量分别为230mg/kg、200mg/kg，较添加改良剂后的土壤初始值750mg/kg有所降低，即2种植物联合改良剂作用土壤可以提高废弃地土壤中的速效钾含量。土壤速效钾的含量在试验初期提高显著，这是因为有机肥本身速效钾含量较高，在试验后期，可能由于植物生长发育需要大量的钾元素以及对土壤营养元素吸收的程度不同，造成速效钾出现一定程度的下降。
2.6 植物-改良剂对废弃地土壤有效态重金属含量的影响 废弃地土壤在改良剂作用下，高丹草、田菁种植120d，土壤重金属元素含量变化见表3。由表3可知，矾矿废弃地土壤在施加改良剂的基础上种植两种草本植物，土壤重金属可交换态含量均有所降低。可见，植物-改良剂联合作用可以显著降低土壤可交换态重金属含量。其原因主要是土壤改良剂中有机肥的添加，使土壤特性发生变化。一方面，添加有机肥后土壤理化性质的改变刺激了土壤微生物的生命活动，微生物通过生物吸附富集、氧化还原及溶解作用，改变土壤重金属元素存在形态降低其迁移转化的能力和生物可利用性。另一方面，有机肥和秸秆的添加也改善了土壤微环境，不仅提供了植物生长发育所需的营养元素，同时强化了植物的根际作用，使土壤可交换态的重金属元素含量进一步降低。
3 结论
（1）矾矿废弃地土壤在不经任何处理自然放置120d后，有机质和有效磷含量增加不明显，全氮和速效钾含量降低，土壤养分极其缺乏；土壤可交换态下的重金属元素含量也有所下降，但是下降幅度低于植物-改良剂联合作用后的土壤。
（2）2种草本植物和土壤改良剂联合处理120d后，土壤全氮、有机质、有效磷和速效钾含量显著提升，土壤肥力改善明显，但可交换态下重金属元素还有微量残留。
（3）高丹草和田菁均可用于矾矿区修复的植物种，同时还需要采用合理有效的措施提高土壤肥力，这不仅能防止废弃矿区水土流失，还可以减少土壤重金属污染面积继续扩大。
参考文献
[1]范裕，周涛发，袁峰，等.庐枞盆地高硫化型浅层低温热液成矿系统：来自矾山明矾石矿床地质特征和硫同位素地球化学的证据[J].岩石学报，2010，26（12）：3657-3666.
[2]宣之强.中国明矾石资源及其应用[J].化工矿产地质，1998（4）：279-286.
[3]张寿稳.安徽庐枞地区高岭土资源及其开发利用[J].地质与勘探，2000（5）：49-51.
[4]袁敏，铁柏清，唐美珍，等.四种草本植物对铅锌尾矿土壤重金属的抗性与吸收特性研究[J].草业学报，2005，14（6）：57-62.
[5]束文圣，张志权，黄立南，等.双穗雀稗重金属耐性种群在铅锌尾矿生长的野外实验研究[J].中山大学学报，2000，39（4）：94298.
[6]Ye Z H，Wong J W C，Wong M H，et al.Lime and pig manure as ameliorants for revegetating lead/zinc mine tailing：a green house study[J].Bioresource Technology，1999，69（4）：35243.
[7]Tessier A.，Campbell P.G.C.，Bisson M.Sequential extraction procedure for the speciation of trace metals[J].Anal Chem，1979，51：844-851.
[8]邹华，王振群，乔有明，段中华.三角城种羊场三种植被类型生物量及土壤碳氮含量比较[J].青海大学学报，2012（2）：49-55.
[9]贾晓红，李新荣，李元寿.干旱沙区植被恢复中土壤碳氮变化规律[J].植物生态学报，2007，31（1）：66-74.
[10]Haynes R J，Naidu R.Influence of lime，fertilizer and manure applications on soil organic matter content and soil physical conditions：a review[J].Nutrient Cycling in Agroecosystems，1998，51（2）：123-137.
（责编：张宏民）