锰污染土壤修复的植物筛选与改良效应

欧阳林男，吴晓芙，郭丹丹，陈永华

（中南林业科技大学 环境科学与工程研究中心，湖南 长沙410004）

锰污染土壤修复的植物筛选与改良效应

欧阳林男，吴晓芙，郭丹丹，陈永华

（中南林业科技大学 环境科学与工程研究中心，湖南 长沙410004）

以锰矿渣作为基质，选用牛耳枫Daphniphyllum calycinumBenth、蚊母Distylium racemosumSieb.et Zucc.、小叶女贞Ligustrum quihouiCarr.、大叶樟Cinnamomum parthenoxylon(Jack) Nees、构树Broussonetia papyrifera作为测试植物，进行了室外盆栽植物筛选和基质改良对比试验。结果表明，种植十个月后，5种试验植物生长良好，改良组成活率均在63%以上，试验植物中生物量较大的为构树和蚊母，其次是小叶女贞，大叶樟与牛耳枫的生物量最小。牛耳枫的茎叶和根部Mn含量均比较高，对照组根部达792.4 mg·kg-1。构树在根系Mn含量超过493 mg·kg-1的情况下，植株的生长状态良好，根系十分发达，表现出来极强的耐受力，是锰矿区理想的先锋树种。小叶女贞的Mn转运能力最强，对照组的Mn转运系数高达6.28，植株地上部分Mn富集量达到7.92 mg。土壤改良剂(有机肥+矿物吸附剂+抗锰菌种)应用在一定程度上增大了植物的成活率与生物量，降低了植物根系重金属含量，但对植物生长的促进作用不显著，改良剂用量的最佳比例尚有待进一步考察。

锰污染土壤；植物筛选；土壤改良；重金属累积量；转运系数

长株潭地区丰富的有色金属矿产资源在区域经济社会的发展中发挥了重要的作用，但与此同时，该地区长期以来矿产资源过度的开发利用也导致了系列生态环境问题[1-3]。大量的调查数据表明，长株潭重金属矿区的采矿废水和选矿废液的直接排放，以及随意堆放的废石和尾矿渣的淋失，使矿区及周边土壤积累了大量的重金属[4]，其不仅造成区域的土壤质量下降、生态系统退化、农作物减产，还通过食物链网富集效应，直接或间接地危害到人类健康[5-7]。重金属污染的危害具有长期性、隐蔽性和不可逆性特点[8]，金属矿开采后的废弃地，其表面形成极端生境，不利于植物生长和其他生物活动[9]。据统计，目前全国矿区废弃地面积已超过400 000 hm2，并且每年以330 hm2的速度增长[10]。开采活动的严重干扰超过生态系统自我恢复的承受限度，若任由采矿废弃地依靠自然演替恢复到正常的水平，预计需要100至数百年[11]。

近年来，国内外学者在铅锌、铜等矿区的重金属污染控制与污染土壤生态修复领域开展了系列研究，但在锰矿区植物筛选和污染土壤改良方面的报道却很少。因此，本文以牛耳枫Daphniphyllum calycinumBenth、蚊母Distylium racemosumSieb.et Zucc.、小叶女贞Ligustrum quihouiCarr.、大叶樟Cinnamomum parthenoxylon(Jack) Nees、 构 树Broussonetia papyrifera五个植物种为研究对象，以湘潭锰矿区尾矿渣为基质，进行了室外盆栽抗性植物筛选和污染土壤改良方法的对比试验，目的是为锰矿区污染土壤生态修复和安全利用提供备选植物、土壤改良方法和基础数据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

尾矿渣采自湖南省湘潭市鹤岭锰矿尾矿废弃地0～20 cm表层，按网格布点法分别采集五个地方的土壤样品，在每个采样点分层采样后混合装袋，作为盆栽试验用土壤样本。污染土壤样本的总氮、总磷和pH分别为2.41 g·kg-1，1.70 g·kg-1和7.59。对照用的土壤采自湖南省林业科学院试验林场红壤0～20 cm的表层。实验所用泥炭土购买于花卉市场，有机菌肥由固氮微生物、菌根微生物、抗重金属污染微生物及有机肥料共同组成，磷肥为常用水溶性磷肥。本试验采用的牛耳枫Daphniphyllum calycinumBenth、蚊母Distylium racemosumSieb.et Zucc.、小叶女贞Ligustrum quihouiCarr.、大叶樟Cinnamomum parthenoxylon(Jack) Nees、 构 树Broussonetia papyrifera植物苗由湖南省林科院提供。

1.2 盆栽试验

盆栽试验设置对照和2个处理，每种植物在每个处理分别种植16株，定期对植物的成活情况进行统计。对照（A）的配比为100%原渣+0.1 kg磷肥；改良（B）的配比为80%原渣+10%土壤+5%泥炭土+5%有机菌肥。先将基质按配比充分混匀，然后取3.5 kg装入直径分别为29 cm、储量6 kg的塑料花盆内。装盆后11月上旬完成种植，每盆1株。在植物生长期间，每月中旬观测1次，在植物生长10个月时测量株高，并将植物全部收获，收获时将植物小心连根拔起，不伤害根系的完整性，采集完后将植物运至试验室用小刷洗净，将地上地下部分从植株基部分开，测量根长，并将植物样品放进烘箱以120℃杀青半个小时，再调至80℃至恒重，此为植物干物质量。

1.3 分析方法

植物株高、根系长度采用样本平均数；干重采用重量法，取平均值。采用马弗炉灰化-王水消解土壤和植物样本[12]，采用原子吸收分光光度计测定植物和土壤消解液的重金属含量[13]。

2 结果与讨论

2.1 矿区土壤重金属含量

试验采样区尾矿废弃地中Mn、Pb、Zn、Cd含量见表1，样本中所含的Mn、Pb、Zn、Cd含量依次超出国家背景值的20、142、57倍和1026倍和湖南省背景值的26、125、45和790倍，说明湘潭锰矿区土壤是复合重金属污染，除了锰元素外，Pb、Zn、Cd等其他元素也是潜在的污染因子。

表1 污染背景值与污染土样Mn、Pb、Zn、Cd有效态及总含量Table 1 Background values and heavy metal content of polluted soils (mg·kg-1)

2.2 试验植物成活率及生物量差异

表2给出了对照与改良处理中试验植物的成活率。结果发现，试验植物中成活情况最好的植物为构树，在改良土壤中成活率为88.24%，改良后植株成活率达到100%；成活情况处于中等的是大叶樟、蚊母和小叶女贞；最差的是牛耳枫。除了大叶樟，改良促进了植物的生长，提高了植株成活率，尤其是对锰的抗性较差的牛耳枫，在改良后实现了高的成活率。

表2 对照与改良处理中试验植物成活率Table 2 Survival rate of tested plant species between treatment and control

图1显示了对照与改良处理中试验植物生物量干物质的差异。结果表明，试验植物生物量较大的为构树和蚊母，其次是小叶女贞，大叶樟与牛耳枫的生物量最小。植株生物量的大小一方面与植株本身的生长速率相关，另一方面，也与不同种类植物的抗锰污染的能力相关。从图1可看出，除了蚊母，改良促进了植物总干物质生长，但由于采样分析的误差难以控制，地上与地下部分不同植物干物质生长差异呈现不一致性。除蚊母外，植物改良后茎叶干重的生长差异虽然不一致，但根系干重都呈现增大趋势。改良后，土壤重金属含量下降，植物根系土壤环境得到一定改善，同时植物根系生物量与对照相比明显增大，这说明锰矿土壤高浓度复合重金属污染危害的首先是植物根系。因此，建议在锰矿区进行适当的土壤改良，提高植物的成活率与生物量，增大锰矿土壤的植物经济效益。

图1 对照与改良处理中试验植物干物质差异Fig. 1 Difference in dry matter of tested plant species between treatment and control

2.3 植物重金属吸收特点

图2 给出了对照与改良处理中试验植物茎叶与根系部位的重金属含量，由于试验随机误差难以控制，不同试验植物的不同重金属含量在对照与改良组中存在一定差异，但仍呈现出一定规律。从图2可看出，在对照组中，植物根系的重金属含量绝大部分比茎叶中的高，这与植物根系生物量普遍小于茎叶部分有关，同时也表现出植物根系对重金属的滞留效应[14]。改良后，植物根系干重明显增加，根系Mn和Pb含量呈现明显下降的趋势，其原因是改良降低了根际土壤的重金属含量，从而减少了植物根系吸收量，另一方面，由于改良促进了植物根系生长，根系生物增量的稀释效应也相应降低了根系的浓度。与改良后植物根系Mn和Pb含量下降现象相反，根系的Zn和Cd含量呈现出上升趋势，说明在复合重金属污染土壤中，高浓度的Mn和Pb是抑制植物生长的主要因素。牛耳枫的茎叶和根部Mn含量均比较高，对照组根部达792.40 mg·kg-1，说明牛耳枫根系对Mn的滞留能力较强。构树在根系Mn含量超过493 mg·kg-1的情况下，根系十分发达，植株的生长状态也良好。在试验中还发现，构树长出盆底的根系没有扎入临近无污染的土壤，而是扎进了装有试验用尾砂的盆中，其说明构树是一种抗锰或嗜锰的植物种类，在锰污染环境中表现出来极强的生命力和耐受力，可作为理想的锰矿污染区修复的先锋树种。构树发达的根系对防止矿区水土流失、控制污染扩散具有重要作用，建议将其作为锰矿植被恢复的首选物种。

图2 对照与改良处理中试验植物茎叶与根系部位重金属含量差异Fig. 2 Difference in dry matter of tested plant species between treatment and control

国内外通常用地上和地下部分重金属浓度的比值作为反映植物自根部向地上组织转运重金属的能力。然而给定单位面积和植物生长时期，植物自土壤中去除重金属的量是植物地上部分的累积量，因此，试验植物地上组织与根部重金属累积量的比值能更好的反映植物的富集性能。表3给出了试验植物地上组织与根部重金属的累积量和基于累积量计算的转运系数。试验数据表明，试验植物中对Pb、Zn、Cu、Cd的转运能力最大的是小叶女贞，其次是牛耳枫和大叶樟，蚊母、构树为最小；总体来看，除了小叶女贞外，改良增大了牛耳枫、蚊母和大叶樟Mn的转运系数，其中，大叶樟在改良组Mn的转运系数增至2.99，约为对照组值（0.67）的4.5倍。所有试验植物中，小叶女贞Mn的转运系数最高，其在对照组的值为6.28，植株地上部分Mn富集量也高达7.92 mg，且植株生长状况良好，显示了其极强的Mn富集性能。改良组中小叶女贞Mn的转运系数降低至3.64，其原因不明。如前所述，植物生长试验难以控制，试验分析的随机误差较大，因此，表3的数据只能作为参考。在本试验中，盆栽土壤改良剂的用量（相当于植物根际土壤改良剂的用量）为20%，改良剂用量涉及改良效果和成本效益问题，因此，改良剂用量的最佳比例也有待进一步考察。

3 结 论

（1）本研究筛选的牛耳枫、蚊母、小叶女贞、大叶樟、构树5种植物在高浓度复合重金属污染土壤上都能生长，改良组成活率均在63%以上，试验植物生物量较大的为构树和蚊母，其次是小叶女贞，大叶樟与牛耳枫的生物量最小，5种植物可作为锰矿区污染土壤生态修复的备选植物。

表3 试验植物重金属累积量与转运系数Table 3 Heavy metal cumulant and transfer coefficient of tested plants

（2）牛耳枫的茎叶和根部Mn含量均比较高，对照组根部达792.40 mg·kg-1。小叶女贞的转运能力最强，对照组Mn的转运系数高达6.28，植株地上部分Mn富集量为7.92 mg。构树在其根系Mn含量为493 mg·kg-1的情况下，植株的生长状态良好，根系十分发达，表现出来极强的耐受力，是锰矿区理想的先锋树种。

（3）土壤改良措施在一定程度上增大了植物的成活率与生物量，降低了植物根系重金属含量，但对植物生长的促进作用不显著，改良剂用量的最佳比例尚有待进一步考察。

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Plant selection for bioremediation of Mn polluted soils and their improvement effects

OUYANG Lin-nan , WU Xiao-fu, GUO Dan-dan, CHEN Yong-hua
(Research Center of Environment Science and Engineering, Central South University of Forestry and Technology,Changsha 410004, Hunan, China)

Five plant species，Daphniphyllum calycinumBenth,Distylium racemosumSieb.et Zucc,Ligustrum quihouiCarr,Cinnamomum parthenoxylon(Jack) Nees,Broussonetia papyrifera，were selected as testing plants for outdoor screening of manganese tolerant plants. Pot experiments were conducted using residuals collected from manganese mining area as the plant growth medium. The results show that the tested plants grew well and their survival rates were above 63% in pots added with remediation agents after the seedlings were transplanted for ten months.B. papyriferaandD. racemosumhad the largest biomass quantity, followed byL. quihoui，C. parthenoxylonandD. calycinum. The manganese contents ofD calycinumwere high in both its roots and above-ground tissues and its average root manganese content obtained for the control pots reached 792.4 mg·kg-1. Accounted for by its ability of tolerance to high level of Mn pollution,B. papyriferawas shown to be an ideal pioneer tree species for bio-remediation of Mn polluted soils. Rapid growth and well developed root system of this species were observed even when its root manganese content exceeded 493 mg·kg-1.L. quihouihad the highest manganese transportation ratio among the tested plant species. The manganese transfer coeff i cient (the ratio of above- to below-ground uptake) found forL. quihouiwas 6.28 in the control and the total above-ground manganese uptake of this species reached 7.92 mg/pot. Addition of remediation reagents (a mixture of organic manure, mineral adsorbent and Mn-tollerant bacteriea) did not only enhance to certain extent both the plant survival and growth rates but also reduced the heavy metal contents in plant roots. However, the remediation effect on plant growth was not found to be signif i cant. The adequate proportion of the remediation reagent quantity needs to be further investigated.

manganese contaminated soil；plant screening；soil remediation；heavy metal uptake；transfer coeff i cient

2012-06-13

国家林业科技推广项目[2010-43]；国家十二五科技支撑项目(2012BAC09B03-4)；湖南省环境科学与工程重点学科与重点实验室基金

欧阳林男(1990-)，女，湖南永州人，硕士研究生，研究方向：水土污染控制

吴晓芙(1953-)，男，湖南吉首人，教授，博士，博导，主要从事水土污染控制方面的研究；

E-mail: wuxiaofu530911@vip.163.com

S719

A

1673-923X(2012)12-0007-05

[本文编校：吴 彬]