不同植物对铅锌矿废弃地矿渣抗侵蚀性的影响

董亚辉，戴全厚，邓伊晗，江莉莉

（1.贵州大学 林学院，贵州 贵阳550025；2.河北省水利水电第二勘测设计研究院，河北 石家庄050021）

矿产资源的开采给人类提供了巨大财富的同时，也给矿区带来了一系列生态环境问题。矿山占地的原因主要是露天采场及各类矿渣、工业垃圾等的堆置。一般一座大型矿山平均占地达1.80×105～2.0×105m2［1］。众所周知，由于自然和人为因素，在重金属矿山的开采至废弃过程中，一方面极易造成严重的环境污染问题，另一方面，对自然地貌的严重干扰，尤其矿渣的随意堆放，造成严重的水土流失问题，进而形成以废弃地遗留物扩散流失而带来的扩散污染问题。

前人对植物修复铅锌矿废弃地矿渣的研究，主要集中在超富集植物的选择、矿区植物重金属特性的研究等方面［2］，而针对矿渣上生长植物的水土保持功能研究鲜有报道，本文借用前人研究土壤抗冲抗蚀的方法［3］，以栽植不同植物的矿渣为研究对象，研究了不同植物对矿渣的综合固渣能力，旨在为重金属矿山废弃地修复植物选择提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验容器为直径20cm，高24cm规格的塑料培养钵。供试植物是在铅锌矿废弃地适生植物调查的基础上选定的，分别为光皮桦（BetulaluminiferaH.Winkl）、醉 鱼 草 （BuddlejalindleyanaFort.）、芦 竹（ArundodonaxLinn.）及五节芒〔Miscanthusfloridulus（Lab.）Warb.ex Schum et Laut〕。其中光皮桦和醉鱼草为野生1年生幼苗，在贵阳清镇市及花溪区周边采集，采集中选择地径及苗高基本一致的幼苗；芦竹和五节芒为幼芽，于花溪河周边采集，均为野生。每种植物设计15个重复，分别挂标牌，同时在植株野外采样点选择相同大小的植株作为对照。

盆栽试验基质为六盘水市嘉联废弃铅锌矿矿渣，用蛇皮袋运回，未作处理直接装盆，每盆10kg。矿渣的基本性质如表1所示。

表1 矿渣的基本化学性质

测定试验容器矿渣中生长200d后的光皮桦、醉鱼草、五节芒及芦竹整盆矿渣的整株拉拔力，矿渣盆的紧实度及各种植物下的矿渣抗冲抗蚀性，以同期装盆但未种植植物的矿渣盆作为对照。

1.2 试验方法

（1）植株整株拉拔试验。土壤植株抗拉性试验采用自制的拉力测定装置，先将花盆带植物垂直放置于有10cm水深的水盆中，待花盆内土壤吸水达到饱和状态后，空去多余的水，用特定的根夹夹住植物的茎底端，通过滑轮与水桶连接，向空桶内缓慢加水作为拉力源，记录根系拉断时水和水桶的质量，然后测出滑轮的摩擦系数，将水和水桶的质量换算成拉力，即得出根系的抗拉强度［4］。

（2）矿渣紧实度测定。待花盆内矿渣吸水达到饱和状态后，用紧实度计（具有弹簧游标，并附有各种型号的弹簧与探头）测定花盆中间（约8cm）矿渣的紧实程度［5］。本研究采用直径10mm圆柱探头，根据探头入土深度、探头类型、弹簧的粗细，查“土壤紧实度换算表”即可得到矿渣紧实度的数值。

（3）矿渣抗冲试验。矿渣抗冲性指标的获取采用改进的原状土冲刷法，水槽宽20cm，长150cm。具体操作方法是，将植株整盆竖直放置于有10cm水深的水盆中，浸泡至花盆上部有明显水分渗出而达到饱和，以便保证冲刷时直接产生径流，将达到饱和的矿渣柱空去多余的重力水，用电子天平称重，然后将花盆塑料壁沿直径剪开至底部，去掉上半部盆壁，下半部带花盆壁用纸箱盒固定，后横放水槽的末端，使水流最大限度地冲刷矿渣柱的上侧面。试验过程中冲刷坡度保持一致，约为15°，用溢流装置保持水流速度恒定在8.5L／min，冲刷时间为5min，5min内冲完的以具体冲完的时间计算。用电子天平称量抗冲后含饱和水矿渣柱的重量（含根系），计算出冲刷走的含饱和水的矿渣重，据此进一步计算出抗冲系数，即每冲掉1g含饱和水的矿渣重所需的水量（L），用C（L／g）表示。以同期装盆但没有栽植植物的矿渣盆作为对照。

计算根系对矿渣抗冲性影响的指标为土壤抗冲性增强值，用E（enhancement value of antiscouribility）表示，计算公式为：

式中：E——土壤抗冲性增强值；Ci——含栽植植物根系矿渣的抗冲系数；C0——空白对照矿渣的抗冲系数；△C——由于某种植物根系存在而使矿渣抗冲系数增加的值。那么，E值就是由于矿渣中根系的存在而使矿渣抗冲性增加的倍数，它能很好地反映某种植物根系对矿渣的抗冲性增强效应［6］。

（4）矿渣抗蚀试验。矿渣抗蚀性指标的获取采用改进的静水抗崩解装置。具体方法是将含植株及对照矿渣盆整盆竖直放置于有10cm水深的水盆中，待矿渣盆吸水饱和，沿花盆直径剪开，去掉整个盆壁，用电子天平称重，然后将整盆垂直放在孔径为2cm的铁网网板上，用铁丝圈支架固定以防止倒塌而不影响崩解，置入静水中进行崩解实验，时间以30min为限，30min内崩解完的则以具体的崩解时间计算。称量崩解前后含饱和水的矿渣重量（崩解后的矿渣重量也包括崩解掉的根重），计算崩解掉的含饱和水的矿渣重，崩解速率用单位时间崩解的含饱和水的矿渣重来衡量，用V（g／min）表示。

衡量根系对矿渣抗蚀性的影响，使用矿渣抗蚀性增强系数（coefficient of enhancement antierodibility）来计算，用Ce表示，计算公式为：

式中：Ce——由于根系的存在而使矿渣崩解速率减缓的系数，也就是根系对矿渣抗蚀性的增强系数；V0——对照盆矿渣的崩解速率；Vi——含某种植物根矿渣的崩解速率；△V——由于根系存在而使矿渣崩解速率的减缓值。Ce值的范围在0～1，其值越接近于1，增强效应越显著［6］。

2 结果与分析

2.1 不同植物地下根系分布特点及生物量

罗汝英［7］将林木根系分为三种类型：主直根型、散生根型和水平根型，按照这种根系分类方法，五节芒和芦竹均为禾本科植物，根的生长为散生根型，醉鱼草的根系偏向于散生根型，光皮桦的根系为主直根型。在盆栽中表现为，芦竹及五节芒的根几乎布满整盆，根系沿着盆壁形成桶状，在盆栽核心部分反而较少；醉鱼草的根系在盆栽中表现为明显的区域性，在整个栽植盆中，一定的位置完全布满根系，而在其他部分根系分别明显减少；光皮桦根系偏向于直根生长，由于侧根还没有发育，其在盆栽中多为苗木向下部垂直生长，在盆栽中的核心根系集中分布，而在盆壁周围明显减少。

考虑到植物不同根径的根会对矿渣不同的作用，对植物的根系按根径分为＞1mm的中细根及1mm以下的极细根两大类，由表2可知，4种植物的地下生物量大小为芦竹＞醉鱼草＞五节芒＞光皮桦。而且芦竹的根系总量明显大于其他3种植物，4种植物根系中根径＞1mm与＜1mm的根的生物量比分别为1∶1.21，1∶2.36，1∶6.88，1∶2.28。

表2 不同植物根系生物量及根密度

2.2 不同植物在矿渣上的整株抗拉拔特征

4种植物的整株拉拔力大小为：芦竹＞五节芒＞醉鱼草＞光皮桦，其中芦竹的抗拉优势明显，为203.77N，为五节芒138.30N的约2倍，醉鱼草与苗期光皮桦的整株抗拉拔能力相近，分别为73.12和70.58N。

将4种植株的抗拉拔力，分别与其地上、地下及总生物量指标进行拟合，拟合结果显示，植株的整株抗拉拔性与植株的生物量密切相关。其中，与植株的总生物量关系最为显著，相关系数达0.95以上，除此以外，植株的抗拉能力与植株根系生物量呈正相关关系，尤其与根径＞1mm的根系生物量关系密切，相关性达0.89，为显著正相关。与根径＜1mm的根系生物量相关性为0.85，也为显著正相关，分别与地上地下生物量相关性稍低，均为正相关。

2.3 不同植物对矿渣紧实度的影响

从图1可知，4种盆栽植物的中心矿渣紧实度大小为：苗期光皮桦＞醉鱼草＞无节芒＞芦竹＞空白。矿渣上种植植物后，由于根系的固结、缠绕，使原本颗粒较多，黏性极差的矿渣逐渐结合在一起，矿渣的紧实度明显增加。

图1 种植不同植物的矿渣紧实度

土壤紧实度与植株的拟合关系显示，矿渣紧实度与根系生物量为负相关，相关性显著（R2＝0.76）。出现这种情况，笔者认为因植物生长在固定体积容器中，根系生物量不同，导致根密度分布不同所致。光皮桦及醉鱼草根系生物量要远小于芦竹及五节芒，这2种植物的根系在盆栽矿渣中的生长远没有达到饱和，更多地表现为对矿渣的固结、牢笼，更偏向于根系对土壤的加筋作用。而芦竹及五节芒的根系生物量过高，在盆栽中的根密度达到6.99，20.07g／dm3，这样高的根密度是外界环境限制所致（盆栽容器固定）。

2.4 不同植物对矿渣抗蚀性的影响

由表3可见，4种植物对矿渣的抗蚀性均有明显增强效应，醉鱼草、五节芒及芦竹对矿渣抗蚀增强系数均在0.95及以上，最高的芦竹达到0.98，醉鱼草对矿渣抗蚀性增强效果稍低，增强系数为0.67。整体上4种植物对矿渣抗蚀性增强系数差异性不显著，尤其醉鱼草、五节芒及芦竹之间差异不明显。从崩解结果来看，在矿渣上种植植物以后，能够明显减少矿渣被悬浮崩解的数量。在没有种植植物的矿渣，极易被悬浮崩解，可以说是遇水即散，在30min内，有3 955g矿渣随水崩解，而种植植物后，矿渣的崩解量明显降低，其中芦竹的降低量最为明显，只有95g，为空白对照盆的近1／40，植物盆中，减少量最少的为光皮桦，其冲出量约为对照盆的1／3。矿渣上栽植植物后，较之空白对照矿渣，其在静水中的崩解速率大大降低。

将植物对矿渣抗蚀性增强系数分别与植物根系总干重、根径＞1mm及根径＜1mm的根系生物量进行相关性分析，结果显示，矿渣受侵蚀减缓率与植株根系总重、根径＜1mm及根径＞1mm根系生物量呈正相关关系，其中矿渣受侵蚀减缓率与植株根径＜1mm根系生物量呈极显著相关，决定系数R2＝0.951；与植株根径＞1mm及根系总生物量相关显著性有所降低，决定系数R2分别为0.767和0.864，为正相关。这说明随着根系的增多，矿渣在水中的崩解速率会降低。这同吴淑安等［8］的研究结果一致，他们发现有植物根系的土壤，其崩解速率远比少根系或缺根系的土壤慢。

表3 种植不同植物的矿渣静水崩解情况

2.5 不同植物对矿渣抗冲性的影响

4种植物对矿渣的抗冲性均有明显的增强效应，但是不同物种对矿渣的抗冲性增强效应不同（表4）。总体上看，芦竹对矿渣抗冲性的增强效果最明显，为26.63，其次为醉鱼草的14.27及五节芒的4.0，增强效果最弱的为光皮桦的1.46。4种植物对矿渣抗冲性增强效应差异性极显著（p＜0.05）。反映到冲刷结果上，矿渣上栽植植物，其根系的缠绕固结使矿渣被水流冲刷出的量明显减小，空白矿渣盆在5min内，冲出2 901g，种植植物后，冲刷出矿渣量明显减少，减少量最多的为芦竹与醉鱼草，减少量在2 700g以上，减少量最少的光皮桦，减少量也在1 700g以上。矿渣在自然环境中多以粗颗粒状、随意堆砌的人为坡积体形态出现，易于被冲刷，尤其在暴雨下，矿渣上往往出现明显的沟蚀现象。可以看出，单纯花盆中堆砌200d的矿渣，冲走每1g矿渣仅需要0.01L的径流，而只要有植物生长，冲走每1g矿渣所需要的水量会成倍地增加。

表4 种植不同植物的矿渣冲刷情况

将植物对矿渣抗冲性增强值与植物根系生物量进行拟合分析，结果显示，4种植物对矿渣抗冲性增强值与植物根系总生物量呈显著正相关，决定系数R2＝0.898，同 时 分 别 把 根 直 径 ＞1mm 及 根 径＜1mm的根生物量与植物对矿渣抗冲性增强值进行拟合，结果显示，两者均与矿渣抗冲性增强值呈显著正相关，决定系数分别为0.833及0.877 5。总体上与前人［9－11］研究结果基本一致。

3 讨论

根系与基质（大多数为土壤）紧实度的相关研究对土壤紧实度对植物生长的影响进行了分析，譬如，在紧实土壤中根系生长速度减慢，根型变粗，紧实度高有利于根系对营养及水分的吸收［12］。有研究表明，部分植物在生长的一定时期，土壤紧实度会随着植物根系生物量的增加而增大，主要考虑到在固定体积内，根系的增加对土壤本身的挤压［13］。而过高的根密度，会增加根系的凋谢死亡［12］，也就是增加了根系的死根量，从而增加矿渣有机质含量，使心土熟化，降低矿渣的坚实度和容重。所以在盆栽容器中，由于不同植物根生长特性及容器体积的限定，当植物根系达到一定密度的时候，会表现出基质紧实度随根系生物量增加而增加或降低的现象。结合铅锌矿废弃地中矿渣随意堆放且堆放面积、厚度大的现实，笔者认为，芦竹及五节芒的栽植，更多地会表现出对矿渣紧实度的增加上。

本试验未对植物根系严格分级，但是植物根系对矿渣抗侵蚀性的增强效果却与植物的总根系生物量成正相关。笔者认为，这一方面是因为矿渣本身的特性，即疏散性，只要有根系的存在，就会对矿渣进行缠绕固结，增加其整体性，尤其在盆栽试验中；另一方面，本次栽植的植物，未出现较粗大的根系（d＞2mm），且根径＜1mm的根生物量要远高于根径＞1mm的根生物量，按照通用的根系分级法，均属于细根的范畴。有研究表明，土壤抗冲性强化值与＜1mm径级的须根密度关系最为密切［14］，因此针对本次抗冲试验可以认为，在矿渣抗冲贡献率上，植物＜1mm的根系发挥主要作用，这与前人研究土壤的结果相一致。

植物根系的存在，会增强土壤抗侵蚀能力，前人已做了较多的研究，本次试验的基质选为铅锌矿废弃地上的矿渣，由于矿渣与土壤有明显的物理性状上的差异，植物根系对矿渣抗侵蚀能力的增强效果更趋于直接和明显。因此，有必要在自然状态下的铅锌矿废弃地矿渣上进行不同适生植物的生态修复示范，并设立水土保持监测配套设施，进行铅锌矿废弃地水土流失监测，以期为今后铅锌矿废弃地生态修复全面的效益评价提供数据支持。

4 结论

（1）盆栽4种植物的根系生物量大小表现为芦竹＞五节芒＞醉鱼草＞苗期光皮桦，且主要集中在根径＜1mm的根系上。

（2）植株的抗拉拔能力大小为芦竹＞五节芒＞醉鱼草＞苗期光皮桦。植株的整株抗拉拔性，与根系生物量密切相关。4种盆栽植物的中心矿渣紧实度大小为苗期光皮桦＞醉鱼草＞芒草＞芦竹＞空白。矿渣紧实度与根系生物量之间为负相关，相关性显著。

（3）4种植物对矿渣的抗蚀性均有明显增强效应，醉鱼草、五节芒及芦竹对矿渣抗蚀增强系数均在0.95及以上，矿渣受侵蚀减缓率与植株根系总重、根径＜1mm及根径＞1mm根系生物量呈正相关关系。

（4）4种植物对矿渣的抗冲性均有明显的增强效应，但是不同物种对矿渣的抗冲性增强效应不同。芦竹对矿渣抗冲性的增强效果最明显，增强效果最弱的为苗期光皮桦。4种植物对矿渣抗冲性增强效应差异性极显著（p＜0.05）。植物对矿渣抗冲性增强值与植物根系生物量呈显著正相关。

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