首云铁矿废弃土壤对2种景天属植物生长的影响

白舒冰 邢小艺 关雯雨 董 丽

（花卉种质创新与分子育种北京重点实验室，国家花卉工程技术研究中心，城乡生态环境北京实验室，园林环境教育部工程研究中心，林木花卉遗传育种教育部重点实验室，北京林业大学园林学院，北京 100083）

金属矿山的露天开采破坏了地表的植被层，改变了原有的地貌和景观，并且在挖掘、运输和倾倒等作业过程中，原有的土壤结构和性质发生了巨大的变化，这些因采矿而被破坏，未经处理就无法使用的土地称之为矿山废弃地，因采矿作业受到干扰的土壤称为矿区土壤。不同地点的矿区土壤其质量和性质各不相同，例如，采矿区域由于表层土壤的剥离和重型机械的作业，露出地表的土壤通常是未风化完全的心土且土壤压实严重；排土场存放采矿剥离出的石块和表土，因此砾石比例高，质地粗糙；尾矿库则是堆积尾矿砂的地方。因此，矿区土壤存在较大的异质性和复杂性，而土壤的质量很大程度上决定了矿山复垦和植物修复的方向。

目前对矿区土壤进行植物修复的研究主要集中在植物对某种重金属的净化作用中，不同矿山废弃地的受污染的重金属类型和污染程度不同，因此修复植物的选择也不同。例如香根草（）对酸性贫瘠土壤和重金属具有很强的抗性，适合尾矿修复。另外一些研究也表明，一些对重金属有较强抗性但没有富集能力的植物，仍然可以作为矿山废弃地修复的植物种类，例如节节草（）、狗牙根（）、白茅（）等植物可以作为砷、锑、锌、镉等重金属污染的矿山废弃地修复的物种。然而并不是所有金属矿区的限制因子都是重金属污染。通过对比北京周边的金铁矿区周边废弃地、流域等地的重金属污染程度，可以得出：总体上表层土壤大部分点位较清洁，个别点位存在某重金属的污染。因此，对一些金属矿山来说，主要问题不是重金属污染，土壤物理性质的薄弱是限制植物修复的主要因子，也是矿山生态修复需要聚焦的目标所在。

在筛选用于废弃地恢复的植物种类时，需从植物本身的生物学特性、抗逆性、经济性、观赏价值等方面综合评估。景天属（）植物是园林绿化中常见的宿根植物，在自然的岩石生境中也有分布，还可用于岩石园的营建，且繁殖栽培容易，在耐旱、耐寒、耐盐碱、耐重金属等方面具有较好的特性。基于以上特征，本研究假设景天属植物可作为矿山废弃地修复的植物材料。因此，本研究的目标是：①评估首云铁矿不同类型废弃地土壤对景天属植物存活和生长的影响；②确定土壤基质影响景天属植物生长的关键因子；③通过上述结果对景天属植物用于矿山修复提出相关建议。

1 试验地概况

北京的铁矿开采集中在密云境内，针对废弃地类型的完整性、可达程度以及现在是否关停等因素，选择北京市范围内规模最大、最具代表性的首云铁矿作为试验地。首云铁矿位于北京市密云区巨各庄镇，40°19′43″～40°27′31″N，116°52′18″～117°04′57″E，海拔为45～1 730 m，属温带大陆性半干旱季风气候，年降水量为620～700 mm，年平均气温11.3 ℃，全年无霜期在176 d 左右。极端最低气温-27.3 ℃，极端最高气温40 ℃。考虑到铁矿的土地利用类型、立地条件和可达性，将采土样地设置在采矿区、排土场和尾矿库，这3 类不同的废弃地可以代表不同立地下的生态修复类别。采矿区、排土场、尾矿库3 种类型的废弃地占地约2 km，土壤贫瘠，不适宜植物生长。

2 材料与方法

2.1试验材料

德国景天（‘Immergrunchen’）和胭脂红景天（‘Coccineum’）均为国外引进品种。其中，德国景天为中型景天，根系类型为直根系，株高15～25 cm，茎直立性较差。叶互生、成簇生状，群体株型较整齐；胭脂红景天为矮型景天，根系类型为须根系，株高15～20 cm，茎匍匐，近地面部分的节容易生根，全株深紫红色；两种景天种类不一，均在园林应用中表现出较好的特性，故本试验选择这两种不同类型的景天，研究其对矿山废弃土壤的生态适应性。

2 种景天于2019 年7 月初在北京林业大学三顷园通过扦插繁殖获得。试供土壤采自北京首云铁矿的采矿区、排土场和尾矿库这三类典型废弃地（见表1），采用“S”型取样法在各废弃地采集0～20 cm 的表层土壤，得到采矿区土壤、排土场土壤和尾矿砂各1 m左右，对照土壤采自三顷园，以（园土）∶（草炭）∶（蛭石）=（2∶1∶1）进行混合。

表1 采土样地基本情况Table 1 Basic condition of sampling sites

2.2试验设计

试验周期从2019 年7 月到2020 年10 月。试验设计如下：土壤设置采矿区土壤、排土场土壤、尾矿砂和对照土壤共4 个处理。2 种景天属植物扦插一个月后，于2019 年8 月中旬选择生长基本一致的植物裸根移栽到装有约40 kg 试验土壤的方形塑料框中（60 cm×50 cm×30 cm），每个处理组合重复4 次。种植模式为每个框内种植4 行，每行5 丛，3 株为一丛，共60 株。期间进行补水和除草管理，为模拟自然界矿区缺水的环境，以14 d 作为一个补水周期，每次补水均以该处理下土壤的最大持水量进行补给。于2019年9月中旬和2020年9 月中旬对2 种植物在不同处理中的存活率分别进行统计，于2020 年10 月第二个生长季结束时对2种植物进行破坏性采样，对植物的生长状况进行观察测量。

2.3测定方法

用环刀法测定不同土壤的容重、总孔隙度、持水孔隙度和通气孔隙度；土壤含水量用烘干法测定；土壤pH 以1∶2.5 的土水比测定；速效N 含量采用凯氏定氮法测定；全P 采用硫酸-高氯酸钼锑抗比色法，速效K 含量采用氢氧化钠熔融法测定；土壤有机质含量采用重铬酸钾高温外加热法；重金属Pb、Cd 含量用微波消解仪消解，消解后的样品采用ICP-AES仪器进行测定。

成活率的统计以每个种植框内在统计之日现存的植株个数/60 株来计算。生长指标通过完整挖取的植物整株分地上部分和地下根系分别进行测定。其中，地上部分的测试指标有茎长、地径、分蘖数量、叶面积、单叶鲜质量、地上干质量；地下根系的测量指标有总根长、根系总表面积、根系总体积、根平均直径、根干质量。景天的叶面积大小用叶面积扫描仪测定，地上部生物量、根干质量用烘干法测定。植物根系用扫描仪扫描成图像，再用Rhizo 2020软件测算各根系指标。

综上，我们可以得知，对于生产性服务业一般纳税人而言，其“营改增”前后税负变化主要取决于其购进项目的多少，且购进固定资产比购进服务对税负下降的影响更大；税率为6%的一般纳税人“营改增”对其税负的影响程度远远小于税率为11%的一般纳税人，“营改增”后税负下降可能性大大高于税率为11%的一般纳税人。在此不再赘述。

2.4数据分析与统计

数据的处理和分析在Excel 2010 和SPSS 26.0中进行，用方差分析（ANOVA）比较景天属植物各项生长指标之间的差异，用LSD法（=0.05）对不同处理之间的数据进行多重比较，用Pearson 法对土壤理化指标和植物生长指标做相关性分析，用CANOCO 5.0对景天属植物的生长状况与土壤理化性质进行典范对应分析（CCA）以及相关图的绘制。

3 结果与分析

3.1不同类型废弃铁矿土壤理化性质

如表2 所示，3 种废弃地土壤的容重从大到小顺序为尾矿砂、采矿区土壤、排土场土壤，且不同土壤之间差异显著，分别为对照土壤的1.85、1.45、1.36 倍。总孔隙度按从大到小依次排序为排土场土壤、采矿区土壤、尾矿砂，分别为对照土壤的86.31%、75.14%、73.74%，持水孔隙度的由大到小顺序为排土场土壤、采矿区土壤、尾矿砂，分别为对照土壤的82.22%、73.86%、67.17%。同样，不同土壤的通气孔隙度也存在显著差异，由大到小顺序依次为尾矿砂、排土场土壤、采矿区土壤，分别为对照土壤的1.48倍、1.33倍、89.65%。

表2 试供土壤的理化性质Table 2 Physicochemical properties of tested soils

不同土壤14 d内的含水量的变化情况见图1，其中，第1天的土壤含水量为不同土壤的最大持水量，其由大到小顺序为排土场土壤、采矿区土壤、尾矿砂，分别为对照土壤的48.82%、47.31%、33.33%。随着时间的推移，不同土壤的含水量均呈现下降的趋势。

图1 不同土壤14 d内的含水量的变化情况Fig.1 Changes of water content in different soils within 14 d

4 种土壤的pH 均呈弱酸性，且3 种废弃土壤之间不存在显著差异。分析不同废弃土壤的养分特征，3种废弃土壤的有机质和速效N 含量均显著低于对照土壤，其含量顺序由大到小依次为尾矿砂、排土场土壤、采矿区土壤；采矿区土壤、排土场土壤的全P 含量显著高于对照土壤，尾矿砂的全P含量显著低于对照土壤；采矿区土壤的速效K含量和对照土壤无显著差异，而排土场土壤和尾矿砂速效K含量显著小于对照土壤，且排土场土壤含量显著高于尾矿砂。重金属元素Cd和Pb在4种试供土壤中含量均极低或没有，低于北京市重金属污染的背景值，对植物生长几乎没有毒害作用。

3.2不同类型废弃铁矿土壤对2种景天成活率的影响

2 种景天在4 种土壤上的成活率如图2 所示，随着时间的延长，除对照土壤外，所有处理组的总存活率均有所下降。对德国景天来说，处理采矿区土壤、排土场土壤、尾矿砂第一年的总存活率分别为93.75%、100%、100%，降至第二年的64.50%、73.50%、45.00%，对胭脂红景天来说，处理采矿区土壤、排土场土壤、尾矿砂第一年的总存活率均为100%，分别降至第二年的40.75%、88.00%、33.25%。综上所述，德国景天和胭脂红景天在第二个生长季的成活率均为排土场土壤最高，采矿区土壤次之，尾矿砂最低。且胭脂红景天在排土场土壤的成活表现要优于德国景天，而德国景天在采矿区土壤的成活表现优于胭脂红景天，二者在尾矿砂上的成活状况均表现较差。

图2 不同类型废弃土壤对2种景天成活率的影响A.德国景天；B.胭脂红景天Fig.2 Effects of different types of abandoned soil on survival rates of two Sedum speciesA.S.hybridum‘Immergrunchen’；B.S.spurium‘Coccineum’

图3 不同类型废弃土壤对德国景天生长的影响Fig.3 Effects of different abandoned soils on natural growth of S.hybridum‘Immergrunchen’

3.3不同类型废弃铁矿土壤对2种景天生长状况的影响

如表3所示，经过2个生长季后，2种景天在不同废弃土壤的生长状况均表现出较大的差异。对德国景天来说，3种废弃地土壤处理的所有生长指标均显著低于对照土壤。分蘖数量和地上干质量从大到小排序均为采矿区土壤、排土场土壤、尾矿砂，其中，三者的分蘖数量依次为对照土壤的81.35%、55.93%、48.31%，地上干质量分别为对照土壤的56.97%、34.96%、22.87%。而叶面积由大到小的顺序依次为采矿区土壤、尾矿砂、排土场土壤，依次为对照土壤的84.51%、81.52%、65.58%。相反，尾矿砂处理的茎长指标却显著大于采矿区土壤和排土场土壤。由此可见，影响尾矿砂处理地上生物量的主要因素可能是由于叶面积较小和分蘖数量较少，且德国景天地上部分生长适应性由强到弱依次为采矿区土壤、排土场土壤、尾矿砂。

图4 不同类型废弃土壤对胭脂红景天生长的影响Fig.4 Effects of different abandoned soils on natural growth of S.spurium‘Coccineum’

表3 不同类型废弃铁矿土壤对2种景天属植物地上部生长的影响Table 3 Effects of different types of wasteland soils on aboveground growth of two Sedum species

对于胭脂红景天来说，叶面积、分蘖数量和地上干质量从大到小的顺序均为排土场土壤、采矿区土壤、尾矿砂，且不同处理之间差异显著。三者的叶面积依次为对照的58.16%、36.88%、26.71%，分蘖数量依次为对照土壤的72.45%、45.92%、29.59%，地上干质量分别为对照土壤的65.23%、58.31%、26.90%。而茎长由大到小的顺序为排土场土壤、尾矿砂、采矿区土壤，依次为对照土壤的97.88%、79.21%、72.85%。由此可见，胭脂红地上部分生长状况由优到劣排序依次为排土场土壤、采矿区土壤、尾矿砂。

不同废弃土壤对景天属植物地下根系生长的影响见表4。对德国景天来说，3 种废弃土壤处理下的根长由大到小的顺序依次是排土场土壤、采矿区土壤、尾矿砂，分别为对照土壤的77.30%、70.91%、43.64%。3 种废弃土壤处理之间的根平均直径没有显著差异，但都显著低于对照土壤。根干质量由大到小的顺序依次为采矿区土壤、尾矿砂、排土场土壤，分别为对照土壤的60.05%、39.17%、29.02%。而根冠比以尾矿砂最大，采矿区土壤次之，排土场土壤最小，分别为对照土壤的1.71、1.05、84.15%。由此可见，德国景天地下根系在不同废弃铁矿土壤的生长适应性为采矿区土壤中较好，在排土场土壤和尾矿砂中均较差。

表4 不同类型废弃铁矿土壤对地下根系生长的影响Table 4 Effects of different types of wasteland soils on underground root growth of two Sedum species

对胭脂红景天来说，各废弃土壤处理与对照土壤相比受影响较小。其中，根平均直径和根干质量由大到小的顺序为排土场土壤、尾矿砂、采矿区土壤，且排土场土壤和尾矿砂与对照土壤相比无显著差异，但显著高于采矿区土壤。而根长由大到小的顺序则是排土场土壤、采矿区土壤、尾矿砂，且均显著低于对照土壤，分别为对照土壤的81.55%、70.72%、52.85%。根冠比由大到小的顺序为尾矿砂、排土场土壤、采矿区土壤，均显著大于对照土壤，分别为对照土壤的2.90、1.37、1.28 倍。由此可见，胭脂红景天地下根系在不同废弃铁矿土壤的生长适应性由强到弱依次为排土场土壤、尾矿砂、采矿区土壤。

3.4景天生长指标与土壤理化性质的相关性

Pearson 相关性分析表明（见表5），存活率、分蘖数量、地上干质量、生物量、根长与容重存在显著的负相关；茎长、地上干质量、分蘖数量、生物量、根长、根平均直径、根体积与土壤总孔隙度存在显著的正相关；存活率、茎长、分蘖数量、单叶鲜质量、生物量、根平均直径、根体积与持水孔隙度呈显著正相关；存活率、分蘖数量、生物量与通气孔隙度呈显著正相关；存活率、分蘖数量、单叶鲜质量、生物量、根平均直径、根体积、根干质量与土壤含水量呈显著正相关；分蘖数量、单叶鲜质量、生物量、总根长、根表面积、根体积、根干质量与pH 呈显著负相关；存活率、茎长、分蘖数量、单叶鲜质量、生物量、根平均直径、根体积、根干质量与土壤的养分指标（有机质、速效N、全P）呈显著正相关。

表5 景天生长指标与土壤理化性质的Pearson相关性Table 5 Pearson correlation soil physical and chemical properties and the growth indexes of Sedums

3.5景天生长指标对土壤理化性质的CCA分析

将景天的生长指标与矿区土壤因子进行CCA分析。由表6可知，第1排序轴和第2排序轴中，景天生长因子和土壤因子的相关性分别为0.586 1和0.642 7，在前2 个排序轴中，生长因子和土壤因子的变化累计分别在81.02%和93.96%。综合表7可知，前两个排序轴对景天生长和土壤理化性质关系解释的累计解释率为34.2%，包含通气孔隙度、pH、容重、土壤含水量、总孔隙度和持水孔隙度，其对景天生长的解释率分别为12.4%、4.6%、2.9%、8.6%、5.0%、0.7%。其中，对CCA 排序轴起显著作用的因子分别有通气孔隙度（=0.012）和土壤含水量（=0.036），而pH、总孔隙度和持水孔隙度未达到显著水平。因此，影响废弃地景天生长的主要土壤因子为土壤含水量和通气孔隙度。

表6 景天生长因子与土壤因子的CCA 排序图特征值及相关性Table 6 The characteristic value and correlation of CCA ordination diagram of Sedum growth and soil factor

表7 景天生长因子与土壤因子CCA 排序轴的解释率、贡献率及其显著性检验Table 7 The explains，contribution and significance test of CCA ordination axes of Sedum growth factor and soil factor

由图5可知，大多数景天的生长指标与土壤容重和通气孔隙度呈负相关，而根系总长度与通气孔隙度呈正相关。生物量、单叶鲜质量、根体积、根长、叶面积、根平均直径、茎长、根长、分蘖数量与土壤含水量、持水孔隙度和总孔隙度呈正相关，这与相关分析的结果高度一致（见表5）。茎长在图中远离矢量箭头连线，且与土壤性质之间的夹角约等于90°，说明茎长受土壤性质影响相对较弱。土壤含水量、持水孔隙度和总孔隙度与叶面积的夹角最小，说明对叶面积的影响作用最大。

图5 植物生长指标与土壤因子的CCA排序Fig.5 Two-dimensional CCA ordination for plant growth factor and soil factor

4 讨论

4.1不同类型废弃土壤对景天属植物存活的影响

本研究中，不同类型废弃土壤对2种景天的存活和生长产生了显著的影响。其中，2种景天在排土场土壤上的存活表现最好，存活率为70%～90%，在尾矿砂中的存活表现最差，存活率为30%～50%。德国景天在采矿区土壤上的存活表现好于胭脂红景天，胭脂红景天在排土场土壤上的存活表现好于德国景天。并且2 种景天第一个生长季内在不同废弃土壤上的存活率均在90%以上，在第二个生长季内，景天属植物在不同废弃土壤上的存活率均有不同程度的下降，与张华在北京市房山区黄院采石场对11种试供地被进行筛选试验的结果相似，该结果表明在试验初期，八宝景天（）、垂盆草（）和光亮景天（‘Splendens’）成活率达90%以上，经一年半生长期，这3 种景天的成活率下降到60%以上。同时与其他耐性植物如柳属（）、杨属（）植物在矿区土壤上的存活率也相似。本试验中尾矿砂对植物生存的影响最大，原因可能是尾矿砂的通气孔隙度占总孔隙度比例大，保水力较差，并且由于土壤淋溶作用，保肥力也较差，导致土壤的水分和养分匮乏，造成景天在尾矿砂上的存活和生长情况均最差。因此在使用景天进行矿山修复时尽可能带土球移栽，以增加根际土壤的保水量，或者在用于尾矿砂的植物修复时，可先对尾矿砂进行土壤改良。

4.2不同类型废弃土壤对景天属植物地上部生长的影响

在生长表现上，不同废弃土壤对2种景天的地上部分的生长指标产生了显著的抑制作用。典范相关分析结果显示，本试验中显著影响景天生长的土壤因子是通气孔隙度和土壤含水量。废弃土壤物理性质的不良影响了土壤的含水量，水分亏缺会降低土壤的水分，从而减少每株植物的叶片数和单个叶子的大小和叶子寿命。叶面积的扩大取决于叶膨压、温度和生长所需的同化物质的供应，干旱引起的叶面积的减少归因于通过光合作用的减少抑制了叶的膨胀，水分胁迫对植物一个常见的不利影响就是鲜重和干质量等生物量的减少。

而2 种景天在废弃土壤上生长也随修复时间的推移受到不同程度的抑制，这与柳属植物和豆科（Fabaceae）植物在铜尾矿，刺槐（）在排岩场等的生长情况相似。原因可能是由于矿区土壤性质的破坏造成土壤持水量的不足，以至于在短暂的缺水情况下造成植物的水分胁迫。本研究中，废弃土壤对2种景天地上生长抑制最显著的是叶面积和分蘖数量。叶面积是反映生物量的积累的组成指标之一，是对环境因子变化敏感的参数。较大的叶面积可为光合作用提供有效的表面，但胁迫条件不利于植物的生长和生存。叶面生长主要取决于细胞的伸展和增大，在缺水早期，抑制细胞的伸展和增大，减缓了叶面的生长，因此叶子面积较小，从而有效降低水分蒸发，这样可以长期有效地应对土壤中有限的水分供应。水分胁迫导致植物枝条数目和生长速度下降，并进一步限制了叶片数量和大小。目前，关于胁迫对茎的生长影响研究相比于叶而言较少，但在胁迫条件下，限制叶片生长的因素，也可能是影响茎生长的主要原因。叶面积和分蘖数的减少会进一步导致植物鲜重和干质量等生物量的减少。

4.3不同类型废弃土壤对景天属植物地下根系生长的影响

本研究中各废弃土壤对2 种景天属植物地下根系生长的实验表明：不同废弃土壤对景天属植物的根系生长产生了显著的抑制作用，对根系总体积、根平均直径和根干质量的抑制作用尤为明显。植物根系是连接是生态系统地上与地下部分的中介，根系的空间分布决定了植物与土壤环境作用面积的大小，对植物地上部分的生长有重要的影响。景天属植物根系构型和生物量的变化是植物对矿山废弃土壤不良理化性质适应的调节。

不同废弃土壤显著降低了2 种景天的根平均直径。细根的增多，一方面可以增加植物对养分的吸收面积；另一方面，一定数量的细根根系生长可以形成通道，加大土体的通气透水能力，改善土壤结构，有利于植物生长。德国景天属于中型景天，根系主要为>2 mm 的粗根，胭脂红景天属于矮型景天，根系主要为<2 mm 的细根。德国景天的根系总体积和总表面积显著大于胭脂红景天，更有利于德国景天在紧实的采矿区土壤上吸收水分和养分。

植物根系不仅仅是养分吸收的器官，更是养分储存的器官。根系在生长季储存养分，为第二年植物的返青提供养分来源。矿山废弃土壤生态系统中根系的构型变化和分布是对环境适应的综合体现。通气孔隙度和土壤含水量是影响植物生长的重要土壤因素。采矿区土壤紧实度的增加是阻碍胭脂红景天细根往深层土壤扩展的主要因素。土壤紧实度的增加与根系直径的减少呈正相关性，说明采矿区土壤可能增加土壤紧实度减少透气性而改变植物的根系构型。

根据上述结果，在针对景天属植物用于矿山修复时有以下建议：（1）在进行对尾矿砂的实际修复时，移栽景天尽可能带土球移栽，以增加根际土壤的保水量，（2）在用于尾矿砂的植物修复时，可先对尾矿砂进行客土改良。（3）添加土壤改良剂也是增加土壤持水能力的一种策略。（4）管理策略可以在雨季安排栽植，并进行合理密植，在春季植物返青时及时补充土壤水分等。

5 结论

与种植土相比，矿区土壤条件对2种景天的存活和生长产生了负面影响。通过比较2 种景天在不同废弃地土壤中成活率及地上地下部的生长情况，得出德国景天对不同废弃土壤的适应性由大到小顺序为：采矿区土壤、排土场土壤、尾矿砂，胭脂红景天适应性由强到弱则为排土场土壤、采矿区土壤、尾矿砂，因此可将德国景天应用于采矿区，胭脂红景天应用于排土场。通过将不同土壤指标和植物指标进行CCA 分析，得出影响2 种景天生长的土壤因子有通气孔隙度和土壤含水量。了解矿区土壤环境和植物存活生长情况可有助于采矿后植被恢复的管理。