灰色关联分析在不同植物修复硫化铜矿HDS底泥评价中的应用

肖文军，陈银霞

(1.江西省应急救援靖安机场，330600，江西，靖安；2.江西省林业科技推广和宣传教育中心，330038，南昌)

0 引言

在所有其他行业中，采矿业是对自然生态系统有害的人类活动，而自然生态系统为我们提供了基础设施和能源生产所依赖的大部分材料[1-2]。尽管矿山能源产量可观，但矿山在开采及选矿过程中不可避免地会产生大量的固体废弃物，使许多农用地和林地被占用，这将自然景观变成退化的生态系统，彻底破坏表层土壤和植被覆盖，自然碳汇，导致美观恶化，对周围栖息地造成重大影响，破坏地下和地表水文状况[3]。采矿后的土地必须通过提供可持续土地使用前景的技术和生物恢复技术进行恢复，以减轻采矿的不利影响。最近，人们的注意力已经从简单地恢复采矿后被遗弃的生态系统转向通过索引、建模和遥感来评估回收地点的健康状况，真实而准确的土壤质量评估可以增进对土壤质量的了解，有助于发现问题区域，提供不良趋势的早期预警，并作为一种重要的决策方法指导恢复实践土壤健康是一种动态的、复杂的功能结构，不能直接测量，但可以用土壤质量指标进行量化[4-6]。

因此，定量和定性指标的科学选择是制定土壤质量指标的一大挑战。灰色关联分析法将土壤特性整合到一个框架中，提高对土壤过程的理解并鼓励适当的管理[7]。此外，灰色关联分析法还可用于监测土壤特征及其活性随时间变化的趋势，以评估土壤质量在各种土地使用和管理措施下是否会恶化、维持或退化，尽管已经提出了几个概念框架和模型来评估土壤质量，但很少有通用的策略或工具来确定在任何环境情况下的土壤质量[8]。灰色关联分析经历了3个主要阶段：1)指标的选择；2)所选指标(评分函数)的阐明；3)通过加权相加方法将指标组合在一个指标中。因此，灰色关联分析已被有效地应用于多个地点和尺度的土壤质量评价。各种研究都探讨了灰色关联分析在评价采矿后退化土地复垦成功方面的重要性。为了解决可持续采矿问题，以土壤质量评价开垦成功的分析工具是首要的必要条件[9]。从土壤质量指数和模型的角度来确定复垦成功的影响参数和预测土壤健康状况仍然很模糊[10]。因此，本研究旨在采用灰色关联分析法探讨不同植物对硫化铜矿HDS底泥的生态修复效应，筛选出较适宜的植物生态修复物种，对江西省德兴市德兴铜矿HDS底泥生态修复提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

如图1所示，试验区位于江西省东部德兴市四州镇德兴铜矿(29°0′3″ N、117°43′33″ E)，尾矿库面积26.961 km2，集水区面积1.835 km2，坝顶高度30.0 m，总库容1 640.6 万m3。矿区气候属亚热带季风湿润气候，春干多风，夏热多雨，秋冷夜凉，冬寒少雪。年平均气温17 ℃，极端最高气温38.9 ℃，极端最低气温-9.7 ℃。此外，昼夜温差很大，在5.4～15.6 ℃之间。除此之外，年平均降雨量基本维持在700～800 mm，降雨量最少的年份只有284.4 mm。试验场地位于杨桃坞排土场西南方向，试验区域总面积约为2 600 m2。

图1 试验区地理位置示意图

1.2 试验设计

试验区堆泥厚度约为80 cm，共计使用底泥约2 000 m3。根据前期底泥堆土种植试验以及成活率先期小型实验，本试验于2020年6月对14种植物中长势较好的6种植物：刺槐、红叶石楠、大叶女贞、小叶女贞、毛白杨、湿地松进行底泥样品采集。试验共设置7组不同的试验对象，将未采取治理措施的原始底泥作为对照组(CK)，经刺槐、红叶石楠、大叶女贞、小叶女贞、毛白杨、湿地松修复的底泥作为实验组，分别标记为1#、2#、3#、4#、5#。采用对角采样法采集土壤和植物样品，沿矩形试验区对角线选取3个点作为采样点。土壤取深度为1～5 cm和5～15 cm，混合均匀。在地上部分采集植物样品，使用园艺剪刀获取植物的枝条和植物根部，从而进行植物叶、茎、根样本的采集，用于检测植物中Cu、Zn、Cd和Pb含量。采样点与土壤样品的采样点一一对应。取样前仔细地去除凋落物层，在去除土壤杂质(如石头和植物枝条)后，从每种植被修复类型中收集200 g土壤。土壤样品被运输到实验室的冰箱中，并在-70 ℃保存，用于后续测定底泥的含水量、pH、有机质含量、全氮、全磷、全钾、有效磷、速效钾、Cu、Zn、Cd和Pb含量。在收集土壤样本后，进行了有效地回填，以减少对环境的破坏。

1.3 测定方法

底泥pH(土壤/水比为1:2.5w/v)和电导率(EC)(土壤/水比为1:5w/v)用数字pH和电导率计进行测定，采用微凯氏定氮法评价全氮(TN)[11]，微扩散法测定土壤中的有效氮(AN)[12]，土壤全磷(TP)和钾(TK)分别用HF-HClO4、钼蓝比色法和β-AME分光光度法测定[13]，速效钾(AK)采用乙酸铵萃取火焰光度法测定[14]，采用Bray-2Solution48提取土壤有效磷，用钼酸盐蓝比色法测定土壤速效磷(AP)[15]，有机质含量采用重铬酸钾容量法-外加热法测定[16]，采用干燥法测定土壤的含水量(WC)[17]。用硝酸(HNO3)和高氯酸(HClO4)的混合物在特氟龙烧杯的热板上消化大约0.5 g准备好的待测样品，采用电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)测定土壤和植物的Cu、Zn、Cd和Pb含量[18]。

1.4 数据分析与处理

本试验数据采用SPSS 20、Origin 8、Microsoft Excel 2016、DPS 9.01软件对数据进行处理、分析、制图。

运用灰色系统理论[19]对底泥理化性质进行关联分析，采用式(1)对数据进行标准化处理：

(1)

由式(2)计算关联系数：

(2)

由式(3)计算关联度:

(3)

2 结果与分析

2.1 不同植物修复对HDS底泥pH的影响

土壤pH值也是影响植物生长的重要外部环境参数之一，同时也是控制植物养分在土壤中的溶解度和有效性的一部分。从图2所示的试验结果可知，原始HDS底泥pH为7.65，呈弱碱性，种植刺槐、红叶石楠、大叶女贞、小叶女贞、毛白杨、湿地松期间，HDS底泥pH总体呈现一定幅度的上升趋势，且pH值分别为8.02、7.77、8.03、7.91、7.97和7.81，说明所种植物对HDS底泥pH上升有一定的促进作用。其中，刺槐和大叶女贞对HDS底泥pH提升效果更为明显，与CK组相比，分别上升了0.37、0.38。

图2 不同植物修复模式对底泥pH值的影响

2.2 不同植物修复对HDS底泥电导率和含水量的影响

土壤电导率(EC)是测定土壤中水溶性盐的一个指标，也是决定土壤中盐离子是否影响作物生长的一个因素。如图3所示，原始HDS底泥电导率为244.5 ms/m，根据我国土壤盐渍化分级标准可知，原始HDS底泥属于轻盐渍土。经不同植物修复后，HDS底泥盐渍情况均得到了一定程度改善，HDS底泥电导率大小依次为：CK>1#>3#>5#>4#>2#>6#。与其他植物相比，种植湿地松对HDS底泥的电导率改善效果最好，其修复后的电导率值为226.33 ms/m。

图3 不同植物修复对底泥电导率和含水量的影响

含水量是最重要的环境胁迫指标之一，也是植物生长、发育和产量的主要限制因素。从图3含水量检测结果可知，原始HDS底泥含水量过高，易导致植物生理和呼吸过程的严重紊乱，从而阻碍植物的生长。不同植物的种植对HDS底泥含水量有一定调节作用，不同植物修复模式下HDS底泥含量水从大到小顺序为：大叶女贞(46.80%)>小叶女贞(46.20%)>湿地松(45.77%)>刺槐(44.37%)>毛白杨(43.2%)>红叶石楠(42.60%)。

2.3 不同植物修复模式对底泥养分含量的影响

土壤营养物质氮、磷、钾在植物的生长、发育、生产和生态系统功能中起着不同的作用。植物通过根系吸收营养物质，调节自身生长发育。由表1可知，原始HDS底泥全氮、全磷、全钾、有效磷、速效钾、有机质分别为0.266 g/kg、0.362 g/kg、0.260 g/kg、1.687 mg/kg、16.760 mg/kg、4.280 g/kg，养分贫瘠，不利于植物生长发育。种植的6种植物对各营养元素含量均有不同程度的提高，其中，与其他种植的植物相比，刺槐、红叶石楠和湿地松分别对HDS底泥的全氮、全磷、有效磷、全钾，速效钾、有机质含量提升效果更为显著。种植刺槐后HDS底泥全氮和全磷含量分别为0.337 g/kg和0.713 g/kg，与对照组相比，分别增加了0.111 g/kg、0.351 g/kg。种植红叶石楠试验区域的有效磷、全钾含量依次为1.943 mg/kg、1.070 g/kg，而湿地松对HDS底泥进行修复后速效钾和有机质含量分别为21.9 mg/kg和7.22 mg/kg，与CK组相比，分别增加了5.14 mg/kg和2.94 g/kg。

表1 不同植物修复下HDS底泥养分含量

2.4 不同植物修复对底泥重金属变化量的影响

植物在积累有毒重金属并在其根部和地上部分吸收重金属方面发挥着重要作用，不同植物物种对重金属的吸收差异很大。本文将所种植物叶、茎、根中重金属总量作为HDS底泥重金属变化量，由表2可知，种植植物后，HDS底泥中Cu、Zn、Pb和Cd四种重金属含量都发现不同程度的减少。其中，毛白杨对HDS底泥中Zn和Cd吸收效果最为明显，植物根茎、叶所吸收Zn、Cd分别为647.64 mg/kg、3.62 mg/kg，而刺槐和小叶女贞分别对Cu、Pb的吸收效果最好，对HDS底泥中的Cu、Pb分别吸收382.43 mg/kg、15.35 mg/kg。

表2 不同植物修复下HDS底泥重金属变化量

2.5 不同植物修复下底泥不同指标关联分析

通过对影响HDS底泥质量的各指标进行数据分析后，发现所测指标的变化趋向与状态并不相同。为定量评价不同植物对硫化铜矿HDS底泥的生态修复效应，选择pH(X1)、电导率(X2)、含水量(X3)、全氮(X4)、全磷(X5)、全钾(X6)、有效磷(X7)、速效钾(X8)、有机质(X9)、△全Cu(X10)、△全Zn(X11)、△全Pb(X12)、△全Cd(X13)共13个指标，原始HDS底泥各项土壤质量评价指标作为不同植物对硫化铜矿HDS底泥的生态修复效果的“参考数列”。利用灰色关联分析法对数据进行相关度分析，估计各相邻点的相互关联性(分辨系数=0.5)。根据灰色系统理论中关系度分析准则，因为“参考数列”的品质都是系列中品质最大的，故与评价指数的关系度就越大，表明该植物品种对HDS底泥的生态修复效果越明显。由表3、表4可知，不同植物对硫化铜矿HDS底泥的生态修复效应按照关联系数大小进行排序：大叶女贞(0.731)<小叶女贞(0.739)<毛白杨(0.795)<红叶石楠(0.830)<刺槐(0.844)<湿地松(0.919)。该结果表明，所选6种植物对HDS底泥生态修复效应为大叶女贞>小叶女贞>毛白杨>红叶石楠>刺槐>湿地松。

表3 不同植物修复下不同指标初始化处理及关联系数

表4 不同植物修复下土壤质量评价综合值

3 结论

不同植物对HDS底泥理化性质和Cu、Zn、Pb、Cd等具有不同的影响效应，刺槐、红叶石楠、大叶女贞、小叶女贞、毛白杨、湿地松分别对HDS底泥的全氮、全磷、Cu含量，有效磷、全钾，pH、含水量，Pb含量，Zn、Cd含量，速效钾、有机质、电导率具有更有效的修复效果。因此，通过运用灰色关联分析法分析不同植物对硫化铜矿HDS底泥的生态修复效应相关结果表明，在刺槐、红叶石楠、大叶女贞、小叶女贞、毛白杨、湿地松这6种不同植物修复中，大叶女贞对于修复HDS底泥理化性质和Cu、Zn、Pb、Cd综合效应最优，接着依次为小叶女贞、毛白杨、红叶石楠、刺槐、湿地松。6种植物改良HDS底泥效果较好，由于研究条件和时间的限制，今后的研究中应增加植物种类和种植方式，如混播、套种，更有利于今后推广应用本研究成果。