锰尾矿区有机菌肥-速生树种的生态修复效应

吴子剑,陈明利,付新喜,欧阳林男,陈润华,吴晓芙

锰尾矿区有机菌肥-速生树种的生态修复效应

吴子剑1,陈明利2*,付新喜2,欧阳林男3,陈润华2,吴晓芙2

(1.湖南省林业科学院,湖南 长沙 410004；2.中南林业科技大学环境科学与工程学院,湖南 长沙 410004；3.国家林业和草原局桉树研究开发中心,广东 湛江 524000)

在锰尾矿区建立了4.5hm2生态修复工程区,以速生树种泡桐()和栾树()作为建群植物,采用有机菌肥改良其根际环境,利用土壤库存耐性植物种子的自然萌发力来丰富物种多样性.结果表明,工程实施后第6a,有机菌肥处理植物群落干物质生物总量达到33498.7kg/hm2,Mn吸收积累量达到5532.6g/hm2,植物种类数达到51种,分别为无机化肥对照的22.8、2.6和3.4倍;有机菌肥处理的植物群落Pb、Cd、Cu、Zn和Cr的总积累量、根际微生物种类及其数量也显著大于对照.有机菌肥的改良机制可归结于其与植物根系、根际微生物对基质的共同作用.有机菌肥处理区泡桐和栾树的总株数不到该区植物总株数的0.2%,但其干物质生物量、锰吸收量与盖度分别为该区的88%、73%和55.2%.速生树种泡桐和栾树对该区生态修复起到了“主导”作用.

锰尾矿库；有机菌肥；泡桐；栾树；生态修复

常用造林树种在重金属重度污染条件下的成活率很低[1-2],国内外实施重金属尾矿库生态修复的常规措施是覆土种植,即在尾矿渣上覆盖一层0.5m以上的普通土壤,然后植树造林.覆土种植快捷、高效、植物种类选择范围广,缺点是成本高、矿区可用于覆土的资源少.另外,由于植物吸收和基质毛细管水上升会使底层矿渣重金属元素向上迁移,数年后覆盖的表土也会受到重金属污染[1].另一措施是改良污染基质,即采用合适的改良剂钝化基质中的重金属,降低重金属活性,将有毒形态转化为无毒态[3-6].虽然基质改良效果好,应用成本却较高.因此,至今为止,学者们开始关注经济价值高的木本植物的耐性和修复功能[7-11],但采用林木树种在重金属污染场地实施大面积生态修复工程实践方面的报道甚少.

本研究选用本土速生树种泡桐()和栾树()作为建群植物,在移植树苗的穴内施用有机菌肥,用改良建群树种根际环境的方法来代替大面积的覆土和基质改良,使修复成本降低至接近常规造林的水平[2],利用土壤种子库[12]中本土耐性灌木和草本植物种子的自然萌发力来丰富修复区的物种多样性,形成乔-灌-草立体空间结构,迅速修复污染区的植被与景观,控制水土流失和提高土地利用价值.同时本文拟从有机菌肥改良基质的机理和速生树种的建群功能两个方面来探讨有机菌肥-速生树种联合修复的生态效应,为后续尾矿渣生态修复提供依据.

1 材料与方法

1.1 工程区样地

生态修复工程区为湘潭锰矿尾矿渣堆积废弃地,地处112°45′~112°55′E,27°53′~28°03′N,低山丘陵地貌,典型亚热带季风气候.废弃地基质组成复杂,主要是碎矿石、矿渣和尾矿泥,土壤约占混合污染物的40%~50%.

2009年秋季在工程区采用推土机整地,设置了4hm2有机菌肥处理区和0.2hm2无机化肥对照区,2区基质与立地条件基本一致,种植速生树种的方法也相同.2010年3月移植1年生泡桐()和栾树()实生苗,混合间种,株行距 2.0m×2.5m,每树种移植1000株/hm2,种植方法为挖穴(0.5m×0.5m×0.5m).有机菌肥处理区穴内施用试验配置的有机菌肥有机菌肥的主要成分是猪粪、鸡粪、保水性好的吸附剂,含有自工程区锰矿渣分离纯化后获得的土著优势抗性菌种(杆菌,革兰氏阴性,耐受Mn 的能力强)[13]作为底肥,底肥与穴内基质均匀混合,比例为 1:4(2kg有机菌肥+8kg基质).对照区穴内施用了与有机菌肥处理区等量的氮(硫酸铵)、磷(钙镁磷肥)、钾(硫酸钾)无机化肥.工程建设前期测定分析了废弃地基质样本,基于其理化性质、养分水平和重金属污染程度制备了专用有机菌肥,工程区有机菌肥的用量经过了前期盆栽和中试检验.

示范工程区建成后,采用常规营林措施抚育管理样地,试验地不除草,每年冬季剪草一次,剪除的草秸秆和多年生木本植物的枯枝落叶不收获,任其残留在地表自然分解,用以提高地表覆盖率和基质表层有机质含量.种植泡桐和栾树后不追肥,目的是降低营林成本,检验速生树种适应锰矿尾矿渣的能力.

1.2 样本采集与测定

在有机菌肥处理I和对照II区中分别设置了3个面积为667m2的标准样地[2],每年(2010~2016)5~6和8~10月在标准样地中采取基质土壤样本,8~10月在标准样地中测定栾树和泡桐的存活率,统计植物种类,测量植物株高、胸径、地径、株数和盖度,并按物种分别选取乔木5株、灌木5株、草本植物7株做为平均样本,通过挖根取样,获得乔木、灌木与草本植物整株样本.样地的草本植物按物种整株混合,称取鲜重.乔、灌木分开称取根、茎、叶鲜重,之后将每株的茎和主根根据实际情况分割成多段,每段按比例取样,再按物种将根、茎、叶同部位混合,混合样品作为干物质生物量和重金属元素吸收量分析的样本.在泡桐和栾树样本根际,按0~10,10~20,20~30,30~40,40~50cm分层采集基质剖面样本,每层取基质1kg.

植物和土壤基质样本按标准程序(GB15618- 1995[14])处理后粉碎过100目筛装袋密封干燥保存.植物与基质样本均采用湿法消解,植物采用浓HNO3-HClO4(优级纯GR)体系(1.0000g基质+10mL消解液),土壤采用王水-HClO4(优级纯GR)体系(1.0000g基质+10mL消解液);土壤水溶性、络合性和酸溶性重金属含量测定分别用超纯水、0.1mol/L EDTA和0.1mol/L HCl溶液按土液比1:20(10.00g基质 +200.00mL浸提液)的比例浸提土样.用原子吸收分光光度法(AA-7000型)测定样品Mn、Pb、Cd、Cu、Zn、Cr、K的含量,用电位法、半微量凯氏法、钼锑抗比色法和重铬酸钾水浴法分别测定pH值、总氮、总磷和有机质.土壤微生物分析样品装入无菌密封袋液氮速冻保存,土壤细菌、真菌、放线菌采用平板计数法统计微生物数量,按菌落形态统计微生物种类数,土壤微生物高通量测序分析由上海美吉生物医药科技有限公司完成.测定分析取3个平行样,植物干物质生物量平行分析误差范围为8.4%~ 16.4%,植物重金属含量平行分析误差范围为5.1%~ 18.3%.

1.3 试验数据处理与分析

试验数据处理(包括方差和显著性分析)采用SPSS19.0、Excel2007和Origin8.5程序.林分植物盖度()、物种丰富度指数(SA)、Simpson指数(SI)、Shannon Wiener指数(SW)和物种均匀度指数(Pielou index PI)的计算公式[15-16]分别为:

式中:a为物种冠投影的面积,m2;为试验区林分单位面积,hm2;为单位面积植物群落植物种类数,种;m为单位面积上植物种类的株数,株/hm2;为单位面积植物群落所有植物株数的总和,株/hm2.

土壤微生物测序数据采用RDP classifier贝叶斯算法对97%相似水平的OTU代表序列进行聚类分析,步骤为对优化序列提取非重复序列,便于降低分析中间过程冗余计算量,去除没有重复的单序列,按照97%相似性对非重复序列(不含单序列)进行OTU聚类,在聚类过程中去除嵌合体,得到OTU的代表序列,然后将所有优化序列map至OTU代表序列,选出与代表序列相似性在97%以上的序列.

2 结果与分析

2.1 根际基质部分理化性质

试验地调查数据显示,有机菌肥处理区中泡桐和栾树的存活率很高,成活的苗木在后续年里生长良好.而无机化肥对照区中泡桐和栾树的存活率很低并逐年递减,到后期陆续死亡,成活率降低至零.

自表1可看出,有机菌肥处理与对照区泡桐和栾树根际土壤pH值和养分状况差异较小,其中,对照区的总磷、有效态氮、有效态磷的水平还约高于有机菌肥处理区,总体上基质养分状况适中,这说明虽然尾矿废弃地的养分贫瘠,但限制苗木成活的关键因子是土壤重金属的毒性,有机菌肥缓解植物根际土壤毒性的功能明显优于无机化肥.另外,试验区位于丘陵山区,没有灌溉设施,苗木种植后在自然条件下生长,对照区移植苗木的死亡多发生在后续年夏季高温干旱期,因此,有机菌肥处理区泡桐和栾树苗木成活率高还可归结于有机菌肥的保水恒温能力.在我国南方亚热带地区,夏季干旱高温是常规营林中限制苗木成活的关键因子,持续干旱缺水与高温会加重土壤重金属对植物根系的毒害作用.锰尾矿库基质的持水性能很差,盆栽、中试与工程实践均证实有机菌肥的应用可显著改善基质的理化性状,提高其保水恒温的能力[13].

表1 有机菌肥处理和对照区根际基质pH值和养分状况

注:同列数字后的不同字母表示差异显著(<0.01),下同.

2.2 植物生物量和重金属元素吸收量

经检验表明,2010~2016年期间,有机菌肥处理区植物干物质生物总量(T)、锰吸收总量(T)和植物种类数()显著高于对照区(表2),而且有机菌肥处理区植物吸收的Pb、Cd、Cu、Zn、Cr总量显著高于对照区(图1a).

与对照区相比,有机菌肥的应用有效提高了植物群落的干物质生物量和锰元素吸收量,处理与对照的差异非常显著(<0.001),且随时间(年)递增(表2).工程实施后第六年,有机菌肥区植物群落干物质生物总量达到33498.7kg/hm2,Mn吸收积累量达到5532.6g/hm2,植物种类数达到51种,其分别为对照区的22.8、2.6和3.4倍.有机菌肥的应用也成倍地提高了植物群落吸收积累其他重金属元素的总量(图1a).有机菌肥区和对照区中植物群落的锰吸收量T与其干物质生物量T呈显著性正相关(相关系数的平方值,区I:2= 0.988;区II:2=0.958).自图1b可看出,有机菌肥处理区干物质生物量和植物锰吸收量均随年份增长,但在2013年出现一个曲线转折点,2013~2016年期间,植物干物质生物量增量曲线保持上升趋势,而锰吸收增量曲线的斜率明显降低,反映出植物生长对植物体内锰浓度的稀释效应,说明有机菌肥的主要功能是促进植物的生长,间接地提高了锰的吸收量.

表2 示范工程有机菌肥处理(I)和对照区(II)植物干物质生物总量(BT,kg/hm2)、锰吸收总量(UT,g/hm2)和物种数(N)

图1 试验区重金属元素吸收总量、植物群落干生物量增量和锰元素积累增量

a)有机菌肥和对照区重金属元素吸收总量T; b)有机菌肥区植物群落干生物量增量∆B和锰元素积累增量∆T

2.3 林分的物种丰富度与盖度

苗木移植后,有机菌肥处理区的物种数()逐步大于对照区,差异的显著性随年份递增(表2).表3的数据进一步表明,有机菌肥区的植被群落在物种组成,林分乔木、灌木和草本植物层次结构、密度和植物盖度等方面都显著优于对照区,说明有机菌肥的应用不仅提高了移植苗木的存活率[2],促进了植物的生长和重金属元素的吸收,还丰富了工程区的物种组成、结构与多样性.

表3 有机菌肥区(I)和对照区(II)植物群落结构、生长量与相关生态指标(2015年)

注:“-”表示无数据.

2.4 根际土壤微生物多样性

由表4可知有机菌肥区微生物种类和数量均显著大于对照区,表明有机菌肥的施用促进了微生物的生长,并丰富了根际土壤微生物的多样性.根际土壤中按微生物数量排序为细菌>真菌>放线菌,按微生物种类数排序为真菌>放线菌>细菌,即工程区土壤根际微生物中数量最大的为细菌,种类数最多的为真菌.

表4 有机菌肥和对照区土壤微生物数量和种类数

虽然,施用有机菌肥引入了一定数量的细菌,但其对根际微生物整体的影响主要归结于有机菌肥对根际重金属毒性,pH值,水分及养分等因子的改良效应[13].样本分析数据还显示,有机菌肥处理中不同植物种类之间土壤细菌群落组成结构的差异较小,泡桐和栾树根际表层土壤细菌的SW指数值分别为6.23±0.08和6.17±0.07,细菌多样性差异不显著,说明两树种对根际细菌的影响小于菌肥的影响;泡桐和栾树根际表层土壤真菌的SW指数值分别为2.65±0.35和2.86±0.49,树种间差异显著(<0.05),说明树种对土壤真菌遗传多样性有直接的影响.

2.5 土壤重金属含量与有效态含量

表5给出了有机菌肥区根际土壤重金属的平均含量和采用不同浸提剂浸取土壤溶液重金属的有效态含量.工程实施5a后样品分析表明,有机菌肥区速生树种根际土壤层重金属含量平均值低于对照区.其原因可归结于两个方面,一是有机菌肥区植物根际施加了20%的有机菌肥,稀释了土壤基质的重金属浓度;二是植物吸收去除了一小部分重金属,相应降低了土壤的浓度.在0~50cm层土壤中,不同深度样本之间Mn、Cu、Cr含量的差异显著(<0.01)[2],这与矿渣的原始堆积过程相关,重金属元素含量在根际土壤层垂直剖面上的分布无明显规律.

表5 有机菌肥(I)和对照(II)区土壤重金属含量(mg/kg)

表5数据显示,有机菌肥区中大多数土壤水溶性重金属含量高于对照区,其原因可能是有机菌肥分解的有机酸增大了基质中重金属离子的溶解.有机菌肥和对照区之间酸浸提液中重金属含量的差异没有明显的规律,其原因可能与基质的理化性状差异大,且在样地中分布不均一相关.有机菌肥区中几乎所有检测的重金属元素的络合态含量都低于对照区.在2015年,有机菌肥区样本络合剂浸提液中Mn和Pb的含量分别低于对照区值的25.1%和20.6%,差异非常显著(<0.01),说明有机菌肥具有很强的络合性能,相应降低了络合剂浸提液提取的重金属量.

2.6 速生树种的贡献率

由图2可知,2015年在有机菌肥区观察到的48种植物种类中,虽然泡桐和栾树在单位面积上的株数少,合计不到系统植物总株数的0.2%,但两个树种干物质生物量之和为系统总量的88%,锰吸收量之和为系统总量的73%,盖度之和为系统总盖度的55.2%.工程实施后的第3a,泡桐和栾树的株高[2]就已超过其它灌丛和草本植物,其在拦截雨水对表土的冲击和侵蚀方面的作用功能显著优于其它物种.

图2 有机菌肥处理中不同物种干物质生物量、锰吸收量和盖度的百分比值(%)

试验分析数据表明,试验区自然萌发的耐性植物体内重金属元素的含量大都高于速生树种,但由于生物量小,对去除重金属元素的贡献小.例如有机菌肥区中5a生泡桐和栾树体内Mn的平均含量(0.14, 0.13mg/g)很低,不到超富集植物商陆含量(1.65mg/g)的1%,但由于泡桐和栾树单株的干物质生物量(23.39,1.84kg)分别为商陆单株量(0.04kg)的584.8和46倍,两个树种单株Mn吸收量(3.23, 0.24g)则分别为单株商陆Mn吸收量(0.069kg)的46.81和3.42倍.相比之下,泡桐在试验观测期间的表现要优于栾树.泡桐的平均树高和胸径都大于栾树,生物量和重金属吸收量也显著大于栾树,表明泡桐为更佳的修复树种.

3 讨论

3.1 菌肥改良效应的机理

试验分析结果表明,试验区基质养分和pH值(表1)不是限制植物生长的因子,因此有机菌肥处理与对照区在植物群落生长量及种类数(表2)、重金属元素吸收量(表2、图1)、植物群落结构(表3)和根际土壤微生物丰富度(表4)等呈现出的显著性差异性可主要归结于有机菌肥的改良效应.

在锰尾矿库立地条件下限制植物正常生长的因子很多,因此,工程区中有机菌肥表现出的改良效应是一个复杂的综合效应.施入根际土壤后,有机菌肥中的有机、无机物质和抗性菌种会与植物根系形成一个联合的修复体系,在这一体系中,重金属离子的迁移转化途径可用图3来描述.给定土壤根际重金属总量,具有活性的重金属离子除了被植物根系吸收外,还可有以下4种迁移途径:(1)微生物吸收:根际微生物通过直接吸收利用与根系争夺有效重金属离子;(2)络合转化:菌肥中有机络合物与重金属离子发生反应,将其转化为络合态;(3)氧化还原:菌肥中的有机、无机氧化还原物质将重金属离子氧化或还原为无效态;(4)吸附固定:菌肥中有机和无机吸附剂将重金属离子固定在吸附点上.

图3 有机菌肥改良效应的宏观机理

试验区土壤重金属有效态含量分析的数据(表5)显示,有机菌肥的应用使土壤络合态Mn含量降低了25%,证明有机菌肥具有很强的络合Mn(和其它测试的重金属元素)的功能.前人研究[17-18]表明,土壤元素络合态含量与植物吸收的相关性要高于水溶性和酸溶性含量,因此,降低土壤络合态重金属含量很可能是有机菌肥缓解速生树种根际重金属毒性的重要原因,而若氧化还原、吸附固定和微生物吸收利用也能发挥一定的作用,则可将根际重金属的毒性降低到植物维持正常生长可承受的水平.本研究中观察到的有机菌肥的改良效应主要表现为降低植物吸收和向地上部转移重金属的速率.理论上,当植物吸收和向上转移重金属的速率低于植物生长的速率时,则重金属元素的吸收增量将低于生物物质的增长量,呈现“生长稀释效应”,当植体内重金属含量降低到无害水平时.根系的扩展和植物快速的生长可相应增大植物吸收和转移重金属的总量.有关有机菌肥改良的微观机理(例如参与络合、氧化还原、吸附固定的具体物质、反应过程和定量关系等)还有待进一步开展深入的研究.

除接种了自锰矿渣分离纯化获得的土著优势抗性菌种外,试验用的有机菌肥本身含有不同种类的微生物,因此,有机菌肥处理显著地丰富了根际土壤微生物的多样性(表4).前人研究表明根际微生物不仅可通过的解毒机制包括胞外吸附络合[19]、胞内吸收区隔[20]、分泌小分子有机物缓解根际重金属元素毒性[21-23],还可通过增强植物抗性促进植物生长与吸收[23-26].然而,本试验用有机菌肥中引入的抗性菌种的作用及贡献尚不清晰.

参照新颁布的《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB15618-2018)[27]中农用地土壤污染风险筛选值,本研究检测的锰尾矿区基质重金属元素中,除了Cd含量超标约10倍,Pb、Cu含量轻微超标外,Zn和Cr含量不超标,而Mn没有被列为污染风险筛选值基本项目.锰尾矿库基质的成分复杂,采矿过程也还可能带来其它毒性物质,而本研究没有检测例如致病菌[28]、PAHs[29]等其它危险废物毒性,因此,该尾矿区限制植物正常生长的原因还有待进一步深入地考察与探讨.锰尾矿库基质的通透性好,但保肥与持水性能很差,有机菌肥的应用显然改良了基质的理化性状.根部是植物吸收土壤元素的主界面[30-32],施用有机菌肥改善植物的根际环境,促进植物根系和根际微生物的生长,是尾矿区生态修复的关键环节.

3.2 速生建群树种的生态功能

构建具有复合生态功能的植物群落体系是重金属污染场地生态修复的重要目标之一[33],泡桐和栾树是我国亚热带地区的速生丰产树种,将其作为重金属污染场地修复树种可有效提高废弃土地的资源利用价值.前面的数据分析展示了泡桐和栾树的生态功能不仅不限于其对系统生物量、重金属积累量和植物覆盖度的直接贡献(图2),也不限于其根系在与有机肥、抗性菌种形成的联合修复体系中所发挥的作用.为了降低工程建设的成本,提高技术推广应用的可行性,在本示范工程中有机菌肥仅仅作为底肥施用在移植泡桐和栾树苗的根际区域.然而,伴随着泡桐和栾树的快速生长,2016年在该区未施肥地块上自然萌发出49种本土植物,其自然萌发的种类数量和生长势,以及根际土壤微生物的丰富度都显著大于对照区,充分反映了泡桐和栾树在废弃地生态系统修复过程中的建群功能.泡桐和栾树根系的延伸、地上部树冠的扩展和其枯枝落叶的降解都会逐步地改善废弃地立地环境的水、热、气和养分条件,从而改善了土壤微生物的生存环境,激发了土壤库存种子的活性.

采用泡桐和栾树作为重金属污染场地生态修复的建群物种也还涉及许多深层次的理论(例如泡桐、栾树与其它物种的互利共生或相克竞争机制)和技术(例如泡桐、栾树与其它植物和微生物种类的优化配置)问题,这些理论与技术问题的探讨在发展和完善生态修复工程技术方面将具有十分重要的意义.

4 结论

4.1 有机菌肥的应用显著地提高了生态修复区植物群落生物量、重金属元素吸收量和盖度,丰富了试验区植物和土壤和微生物种类的多样性,改善了植物群落的结构功能.

4.2 速生树种泡桐和栾树生长快、生物量大、覆盖度高、重金属元素吸收量大,其作为建群树种在试验区植被修复中发挥了重要的作用.

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Ecological remediation effect of organic bacterium manure-fast growing tree species on a manganese tailing site.

WU Zi-jian1, CHEN Ming-li2*, FU Xin-xi2, OUYANG Lin-nan3, CHEN Run-hua2, WU Xiao-fu2

(1.Hunan Academy of Forestry Science, Changsha 410004, China；2.College of Environmental Science and Engineering, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, China；3.China Eucalypt Research Centre, State Forestry and Grassland Administration, Zhanjiang 524000, China)., 2019,39(12)：5219~5227

An ecological restoration engineering project of 4.5hm2was implemented at a Mn mine tailing site by coplanting two fast-growing trees (and) as the dominant colonization species. An organicbacteri-rich manure was used to amend the rhizospheric area surrounding the coplanted seedlings. Enrichment of the site's biodiversity was counted on natural germination of native metal tolerant plant species based on the soil seed inventory capacity. The experimental data showed that the application of the manure not only enhanced the biomass growth and heavy metal uptake of the plant communities but also enriched its species composition and biodiversity. In the sixth year after the establishment of the remediation site, the total dry biomass quantity, total Mn uptake and total number of plant species of the restored plant community with manure treatment reached 33498.7kg/hm2, 5532.6g/hm2and 51, respectively, which were approximately 22.8, 2.6 and 3.4 times higher than those in the control plot amended with chemical fertilizers. The total uptake of metals (Pb, Cd, Cu, Zn and Cr) by species and the number of species and quantities of rhizospheric microbial communities were also significantly greater in the manure-treated plot. The remediation effect of the organic manure can be attributed to its interaction with plant roots, microorganisms and substrates, forming an integrated system in reduction of the metal toxicity in the rhizosphere. The transplantedandgrew very fast with characteristics of high levels of biomass quantity, land coverage and metal uptake. The total number of the two coplanted tree species accounted for less than 0.2% of that of the entire plant community in the treatmentplot, however, their dry biomass quantity, Mn uptake, and land coverage contributed to 88%, 73% and 55.2% of the restored ecosystem, respectively.andplayed important roles as keystone species in the ecological restoration of the manganese tailing site.

manganese tailing site；organic bacteri-rich manure；；；ecological remediation

X53

A

1000-6923(2019)12-5219-09

吴子剑(1983-),男,湖南吉首人,博士,主要从事环境生态学研究.发表论文4篇.

2019-05-15

湖南省自然科学基金项目(2018JJ4010);国家环保公益性专项资助(200909066)

* 责任作者, 副教授, chml18@163.com