2. 华北理工大学化学工程学院, 河北 唐山 063000;
3. 华北理工大学建筑工程学院, 河北 唐山 063000;
4. 河北省矿业工程开发与安全技术重点实验室, 河北 唐山 063000;
5. 唐山市矿区生态修复产业技术研究院, 河北 唐山 063000
2. College of Chemical Engineering, North China University of Science and Technology, Tangshan 063000, China;
3. College of Civil Engineering, North China University of Science and Technology, Tangshan 063000, China;
4. Hebei Key Laboratory of Mining Development and Security Technology, Tangshan 063000, China;
5. Tangshan Research Institute of Ecological Restoration Technology for Mining Industry, Tangshan 063000, China
金矿尾矿往往存在养分极端缺乏、结构性差、持水保肥能力弱以及有毒重金属含量过高等限制植物生长的问题, 严重抑制了矿区生态环境的修复。有毒重金属一旦迁移进入尾矿周边水体或农作物中, 就会对整个食物链造成破坏, 给人类健康带来威胁[1-2]。因此, 采取有效的生态修复措施减轻重金属污染情况, 恢复矿区生态环境十分必要。
自1983年美国科学家CHANEY等[3]提出了植物修复(phytoremediation)的新概念以来, 植物修复技术以其低成本、无二次污染、可操作性强等优势, 在污染环境修复中得到广泛认可[4-7]。但将其应用于金属尾矿治理是一项复杂的系统工程, 仍有很多问题有待解决, 尤其是适生植物的寻找和筛选。禾本科和豆科等绿肥植物由于生长迅速、耐性较强, 可以改善尾矿养分环境, 常作为植物筛选对象。而豆科植物与根瘤菌形成的共生体, 由于固氮能力强, 能够加速尾矿有机质与氮素的积累, 因此成为植物筛选研究的热点[8]。张宏等[9-10]在铜尾矿中加入不同比例的腐熟鸡粪后, 通过对3种不同豆科植物生长状况的分析, 最终得出菽麻(Crotalaria juncea)可作为铜尾矿生态修复优选植物的结论。何东等[11]通过对下水湾尾矿库区本土植物开展调查, 筛选出的15种优势植物中草本植物占73%, 说明草本植物对试验尾矿有较强的适应能力。张宏等[12]通过对铜尾矿区9种优势植物体内重金属和氮磷含量的研究, 也得出草本植物适应性和耐性较强的结论。曾鹏等[13]研究10种常见景观植物对污染土壤中Cd的耐受能力, 结果表明除了海栀子(Gardenia ellis)外, 其余9种景观植物对Cd污染土壤具有一定的美化和稳定、修复作用。
城市污泥产量巨大, 其最终处置是一个亟待解决的问题[14-15]。污泥堆肥处理后不仅能杀灭污泥中的病原微生物, 而且还能增加植物生长所需的营养成分, 改善土壤理化性质[16]。因此, 将堆肥污泥应用于矿区植物修复过程中, 可能具有较好的经济效益和社会效益[17]。
以往植物修复研究大都集中在对某一类耐性植物的筛选, 而在尾矿的植物修复过程中, 不同植物对不同地理条件和理化性质尾矿的适应性差异较大, 针对这种情况, 该研究选择3种豆科植物、6种禾本科植物及2种观赏性植物进行筛选, 并通过堆肥污泥辅助植物定植的方式, 研究不同植物在金矿尾矿中的生长情况及尾矿中速效养分的变化情况, 以期筛选出不同种类的金矿尾矿的适生性植物, 为尾矿的生态治理修复实践提供数据支持。
1 材料与方法 1.1 试验材料金矿尾矿采自某金矿尾矿库。堆肥污泥来自唐山丰润区污水处理厂。
1.2 试验设计 1.2.1 试验处理选择11种抗逆性较强的植物进行栽种, 从中筛选出适合在金矿尾矿中生长的植物。11种栽种植物包括:豆科草本植物, 紫花苜蓿(Medicago sativa)、白花三叶草(Trifolium repens)、沙打旺(Astragalus adsurgens); 禾本科草本植物, 黑麦草(Lollum multiflorum)、香根草(Vetiveria zi-zanioiaes)、结缕草(Zoysia japonica)、早熟禾(Poa annua)、高羊茅(Festuca arundinacea)、披碱草(Elymus dahuricus); 观赏性植物, 景天科的八宝景天(Sedum spectabile)和鸭跖草科的鸭跖草(Commelina communis)。
将金矿尾矿和堆肥污泥自然风干, 过2 mm孔径筛, 装入直径为12.5 cm、高度为12.0 cm的花盆中, 每盆下层装0.8 kg尾矿, 上层设置3个处理:覆盖尾矿4 cm(CK), 覆盖堆肥污泥和尾矿混合物4 cm的改良处理, 其中堆肥污泥的质量分数分别为10%和30%(以风干重计), 每个处理3个重复。
对于豆科和禾本科的植物, 每盆种植100粒种子; 观赏类植物八宝景天和鸭跖草分别剪成12和7 cm左右扦插到尾矿中, 每盆3棵, 扦插深度4 cm, 4月20日至6月15日期间室外培养, 植物出苗后每2 d天浇灌100 mL自来水。植物培养8周后收获。植物样品收获后, 先用自来水、再用蒸馏水冲洗干净; 分地上和地下2个部分, 装在洁净的信封内, 在105 ℃烘箱内杀青30 min后, 将烘箱温度调到70 ℃, 烘至恒重。
1.2.2 测定项目与方法尾矿pH值测定方法为取过2 mm孔径筛的风干尾矿5 g于小烧杯中, 按土水质量比为1 :5加入去离子水, 25 ℃振荡15 min, 静置30 min, 测悬浮液pH值[18]354; 速效氮的测定方法为碱解扩散法[18]56-57; 速效磷的测定方法为碳酸氢钠法[18]81-82; 速效钾的测定方法为醋酸铵火焰光度计法[18]108-109; 尾矿重金属全量提取方法:称取0.200 0 g过100 mm孔径筛的风干尾矿于聚四氟乙烯管中, 加入王水(HNO3和HCl体积比1 :3), 采用微波消解仪(Microwave Laboratory Systems, 美国, 型号Ethos 1)进行消解。消解液用φ=2%的硝酸定容至25 mL, 采用电感耦合直读光谱仪(Inductively Coupled Plasma, ICP, 法国HORIBA Jobin Yvon公司生产, 型号ULTIMA2)测定[18]129-393。
1.3 数据处理方法采用SPSS 17.0统计软件包进行单因素ANOVA数据分析, 采用Excel和Origin Pro 9.0软件进行制图。
2 结果与分析 2.1 供试材料的基本理化性质供试材料的基本理化性质如表 1所示。该试验尾矿偏碱性, 而供试堆肥污泥属于中性。试验尾矿养分含量极低, 而供试堆肥污泥的养分很丰富, 速效氮、速效磷及速效钾的含量分别高出试验尾矿89、741及1 022倍, 非常有利于改善尾矿养分。供试堆肥污泥与试验尾矿中Cd、Cr、Cu、Pb含量均小于GB 15618—1995《土壤环境质量标准》中的三级标准限值(为保障农林业生产和植物正常生长的临界值), 但Zn含量分别是三级标准限值的1.90和2.16倍。
豆科植物与禾本科植物在金矿尾矿上的出苗率见图 1。
3种豆科植物中, 除沙打旺外, 其余2种植物的出苗率随着表层堆肥污泥施加量的增加而降低, 但2种堆肥污泥处理的出苗率并无显著差异; 沙打旺10%堆肥污泥处理的出苗率高于其余施加量处理, 但低于紫花苜蓿与白三叶10%堆肥污泥的处理。
除黑麦草的10%堆肥污泥处理出苗率略低于30%堆肥污泥处理外, 6种禾本科植物的出苗率总体表现为随着表层堆肥污泥施加量的增加而降低; 黑麦草和香根草的3个处理出苗率均高于其他5种植物, 均大于68%;而披碱草的3个处理出苗率最低, 均小于10%。
2种扦插的观赏性植物全部存活, 其余9种植物在尾矿上的成活情况见图 1。3种豆科植物的不同施加量堆肥污泥处理存活率并无显著差异。紫花苜蓿的3个处理存活率最高, 分别高出沙打旺0.79、1.67和1.80倍; 白花三叶草的CK处理在生长8周后均未存活, 说明白花三叶草的耐性最差。
6种禾本科植物的存活率并没有随着表层堆肥污泥施加量的增加而产生显著差异。黑麦草和香根草的3个处理存活率最高且都在60%以上, 其次是高羊茅, 早熟禾的存活率最低, 且CK及10%堆肥污泥处理的存活率均为0, 说明早熟禾不适合在该实验尾矿生长; 结缕草和披碱草的CK处理存活率也均为0, 且另外2种堆肥污泥处理的存活率都小于20%。
综上分析, 施加堆肥污泥并不能使植物的出苗率增加, 但在一定程度上可以增加植物的存活率, 其中污泥施加剂量10%和30%处理并无显著差异。豆科植物中紫花苜蓿的出苗率及存活率都比较高; 禾本科植物中黑麦草和香根草的出苗率及存活率均较高, 比较适合在供试尾矿上生长。
2.3 植物长势情况在8周的植物培养期内观察植物的长势情况, 以筛选出同类植物中长势较好、适合在供试尾矿上生长的植物品种。
2.3.1 豆科植物长势由图 2可见,紫花苜蓿、白花三叶草和沙打旺这3种豆科植物前4周生长比较缓慢, 此后植物长势随着表层堆肥污泥施加量的增加而增大。
CK处理中3种植物在第5周后都基本停止生长, 白花三叶草最早出现叶子变黄现象, 到第8周几乎全部枯死, 而沙打旺于第8周大部分叶子变黄, 且沙打旺的2种堆肥污泥处理的快速增长期为第7周, 晚于紫花苜蓿和白花三叶草。综合比较8周内3种豆科植物的生长趋势, 紫花苜蓿及沙打旺的长势明显优于白花三叶草, 比较适合在该尾矿上生长。
2.3.2 禾本科植物长势由图 3~4可见,黑麦草、香根草、结缕草、早熟禾、高羊茅和披碱草这6种禾本科植物表层施加污泥处理的植物长势优于CK处理, 且第4周后植物长势随着表层污泥施加量的增加而增大。除了高羊茅, 其余5种植物的CK处理在第4周后基本停止生长, 同时出现枯红打卷现象, 其中结缕草和早熟禾最早出现枯死现象。
综合比较而言, 黑麦草与香根草比较适合在该试验尾矿上生长, 而结缕草和早熟禾的CK处理较早出现枯死现象, 说明这2种植物在供试尾矿上的生长能力最弱, 抗性也最弱。
2.3.3 观赏性植物长势观赏类植物八宝景天科和鸭跖草8周内在供试尾矿上的生长状况如图 5所示。2种植物施加污泥处理的长势要优于CK处理, 但2种不同污泥施加量处理间差异不显著。2种植物均在前5周生长较为平稳, 鸭跖草的CK处理在第6周后株高几乎保持不变, 但总叶片数增长趋势变大, 八宝景天从第6周开始生长速度增快。综合比较2种观赏性植物的生长趋势, 八宝景天比鸭跖草更适合在尾矿上生存。
综合比较11种植物的生长趋势, 施加堆肥污泥处理能够提高植物的生长速度, 对于豆科和禾本科植物, 30%堆肥污泥处理的植物长势优于10%堆肥污泥处理, 但对于观赏性植物, 这种优势并不明显。紫花苜蓿、沙打旺、黑麦草、香根草、高羊茅及八宝景天比较适合在该尾矿上生存。
2.4 植物生物量将生长8周后收获的地上部和地下部植株烘干, 植物干重情况见图 6。3种豆科植物的CK处理地上部干重均小于0.08 g, 显著低于2种施加堆肥污泥处理, 且地上部干重随着表层堆肥污泥施加量的增加而增加, 同一种植物2种不同污泥施加量处理的地上部干重(除紫花苜蓿外)无显著差异。
除披碱草外, 其余5种禾本科植物的地上部干重均表现为随着污泥施加量的增加而增加。6种禾本科植物的CK处理地上部干重均小于1.18 g, 且结缕草、披碱草与早熟禾的CK处理地上部干重均为0 g, 而黑麦草、香根草和高羊茅施加10%和30%堆肥污泥处理的地上部干重分别为11.58与12.53、13.33与14.34、4.22与7.44 g。2种观赏类植物的CK处理植物干重显著小于施加污泥处理, 且2种不同污泥施加量处理无显著差异。鸭跖草各处理植物干重均高于八宝景天。
由图 6可见, 豆科植物CK处理的地下部干重均小于0.07 g, 显著低于施加堆肥污泥处理, 仅紫花苜蓿地下部干重随堆肥污泥施加量的增多而增多。禾本科植物CK处理的地下部干重也显著小于施加堆肥污泥处理。6种禾本科植物CK处理的地下部干重均小于0.63 g, 而结缕草、早熟禾与披碱草CK处理的地下部干重均为0 g。2种观赏类植物的地下部干重并没有随着污泥施加量的增加而增加。八宝景天的地下部干重由大到小表现为CK处理>10%堆肥污泥处理> 30%堆肥污泥处理; 鸭跖草2种施加堆肥污泥处理显著优于CK处理(P < 0.05), 但这2种不同施加量处理间无显著差异。
施加堆肥污泥的处理方式能在很大程度上增加植物干重。豆科植物中沙打旺的各处理植物干重都优于其他2种植物, 说明沙打旺比较适合在该供试尾矿上生长; 禾本科植物中黑麦草、香根草及高羊茅的生物量较大, 其根系比较发达, 适合在供试尾矿上生长; 观赏类植物八宝景天科与鸭跖草的地上部干重差异不大, 但八宝景天各处理地下部干重均大于鸭跖草, 说明八宝景天的根系比较发达, 更适合在尾矿上生长。
2.5 植物修复后对尾矿中速效氮的影响基于植物出苗、存活及生长情况的综合分析, 笔者主要以紫花苜蓿、沙打旺、黑麦草、高羊茅、鸭跖草及八宝景天这6种植物为研究对象, 分析其对尾矿进行修复后, 尾矿上、下层速效氮及速效磷含量的变化(图 7~8)。6种植物3个处理的尾矿上层速效氮含量存在显著差异(P < 0.05), CK处理的尾矿中速效氮含量略高于尾矿原样, 但差异不显著; 而2种堆肥污泥处理的尾矿中速效氮含量显著高于尾矿原样(P < 0.05), 说明植物修复结合堆肥污泥处理能显著提高尾矿的速效氮含量。
豆科植物中, 紫花苜蓿的30%堆肥污泥处理尾矿上层速效氮含量是沙打旺对应处理的125%, 而10%堆肥污泥处理是沙打旺对应处理的66%;禾本科植物中, 高羊茅的10%堆肥污泥处理上层速效氮含量是黑麦草对应处理的102%, 而30%堆肥污泥处理是黑麦草对应处理的156%;观赏类植物中, 八宝景天3个处理的上层速效氮含量都略高于鸭跖草。
6种植物施加堆肥污泥的2个处理尾矿下层速效氮含量都优于尾矿原样, 但并不能使尾矿下层速效氮含量显著增加。豆科植物中, 沙打旺的3个处理速效氮含量略高于紫花苜蓿; 禾本科植物中, 黑麦草的2个堆肥污泥处理速效氮含量都略高于高羊茅对应处理, 且黑麦草的CK处理高出高羊茅CK处理2.44倍; 观赏类植物中, 八宝景天的10%与30%堆肥污泥处理速效氮含量分别是鸭跖草对应处理的1.75和1.39倍。
尾矿上层速效磷与上层速效氮含量变化规律一致。6种植物3个处理的尾矿上层速效磷含量产生显著差异(P < 0.05), CK处理的尾矿上层速效磷含量略高于尾矿原样, 但并不存在显著差异; 而2种堆肥污泥处理的尾矿上层速效磷含量显著高于尾矿原样(P < 0.05), 说明植物修复结合堆肥污泥处理能显著提高尾矿的速效磷含量。豆科植物中, 紫花苜蓿的10%与30%堆肥污泥处理上层速效磷含量分别是沙打旺对应处理的106%和168%;禾本科植物中, 高羊茅的10%堆肥污泥处理上层速效磷含量是黑麦草对应处理的102%, 而30%堆肥污泥处理是黑麦草对应处理的143%;观赏类植物中, 八宝景天3个处理的速效磷含量都略高于鸭跖草。
紫花苜蓿、沙打旺、黑麦草、高羊茅、鸭跖草及八宝景天这6种植物施加堆肥污泥的2种处理尾矿下层中速效磷含量显著提高(P < 0.05), 而CK处理与尾矿原样养分含量并无显著差异, 同时2种不同污泥施加量处理无显著差异。豆科植物中, 紫花苜蓿的CK与10%堆肥污泥处理速效磷含量略高于沙打旺的对应处理, 而30%堆肥污泥处理是沙打旺对应处理的168%;禾本科植物中, 黑麦草的3个处理速效磷含量都略高于高羊茅的对应处理; 观赏类植物中, 八宝景天的2种施加污泥处理速效磷含量平均值高出鸭跖草4.34倍。
综合比较6种植物修复后尾矿中养分含量的变化, 施加堆肥污泥的改良方式能有效增加尾矿中的养分, 尾矿中的养分含量随着表层污泥施加量的增加而增加, 这种差异性在尾矿上层更为明显。
3 讨论植物生态修复能否成功的关键就是寻找耐性强、生物量大、生长迅速的植物。在豆科植物中, 沙打旺的生物量无论是地上部还是地下部干重都明显高于紫花苜蓿和白花三叶草。在用植物净化尾矿中的重金属时, 单位面积生物量的大小是一个十分重要的指标[20]。因为重金属在植物体内的含量与其生物量的乘积为该植物对金属的吸收量。李影等[21]研究也表明, 由于蜈蚣草生物量明显大于节节草, 在20 mg·L-1Cu污染下, 蜈蚣草地上部吸收总量为55.87 mg, 节节草仅为5.74 mg。豆科植物与根瘤菌形成的共生体系固氮能力很强, 在促进尾矿的氮素循化和营养元素积累中具有重要作用, 因此豆科植物常作为重金属污染地的先锋植物[22]。
值得关注的是, 植物修复后, 紫花苜蓿与沙打旺各处理尾矿上层速效氮含量并无显著差别, 但下层尾矿速效氮含量表现为沙打旺略大于紫花苜蓿。植物根系植于尾矿下层, 沙打旺的根系发达使得其微生物种类与数量可能优于紫花苜蓿, 微生物-植物的联合修复作用使得沙打旺修复后尾矿下层的速效氮含量高于紫花苜蓿。
在禾本科植物中, 黑麦草与香根草的出苗率、存活率及生物量都相对高于其他植物。但香根草是热带型植物, 在北方地区种植存在不能越冬的问题。结缕草、早熟禾与披碱草的CK处理存活率低, 且结缕草和早熟禾CK处理最早出现枯死现象, 这3种植物各处理的地下部干重相对较小, 说明这3种植物根系并不发达, 不适合在该尾矿上生长。可能由于尾矿重金属含量高, 结缕草、早熟禾与披碱草的耐性较弱, 地上部的生长发育和新陈代谢受到影响, 从而使得其地上部干重也较低。这与夏汉平等[23]的研究结果一致。即虽然高羊茅各处理的出苗率不高, 但因其根系发达, 故在禾本科植物中选择黑麦草与高羊茅进行尾矿修复。
在观赏类植物中, 八宝景天的生长情况和生物量都优于鸭跖草, 且八宝景天更有利于尾矿的养分积累[24]。故在植物筛选中优先选择八宝景天。
由于尾矿的极端生境条件不利于植物定植, 采取有效措施促进植物初期定植是促进尾矿生态修复的重要措施。笔者研究结果表明, 施加堆肥污泥能够明显增加植物的生物量、存活率以及尾矿中速效氮和速效磷含量, 但降低植物的出苗率。其原因可能是由于污泥中含有对种子发芽有抑制作用的激素类物质, 这些有机物能对植物的出苗起到调控作用[25]。且污泥中的重金属含量较高, 对植物的出苗也具有一定的抑制作用。豆科植物沙打旺10%堆肥污泥处理的出苗率最大, 说明植物种类不同, 出苗率受污泥的影响也不相同。该结论与MINGORANCE等[26]的研究一致。
施加堆肥污泥对11种植物前4周的生长状况无明显影响, 第4周以后施肥处理中植物的生长状况及植物的存活期明显优于CK处理, 王新等[27]也发现类似现象。说明污泥中含有的营养元素能够促进植物生长, 但具有缓释效应。这可能是因为植物生长前期受到堆肥污泥中小分子有机酸等抑制性物质的影响, 生长较为缓慢, 后期生长才明显加快[28]。施用堆肥污泥的确有利于改善尾矿的环境, 促进植物定植, 但不容忽视的是污泥中也存在较多重金属等有害物质, 并且施肥超过一定比例, 土壤过高的电导率会危害植物生长[29]。笔者研究中, 白花三叶草、黑麦草、结缕草、早熟禾和披碱草这5种植物的地下部干重随施肥比例的增加而呈现波浪式增长。李萍萍等[30]的研究也表明, 植物干重随施肥比例增加呈现波浪式增长。这是因为植物生长初期, 堆肥污泥比例的升高导致尾矿的电导率值较高, 对植物生长产生非生物胁迫, 抑制了植物生长。生长一段时间后, 尾矿中的营养元素被吸收利用, 低施肥比例不能满足植物的营养需求, 所以试验后期高施肥比例的植物长势较好。因此, 在堆肥污泥辅助植物定植的研究中, 需要考虑堆肥污泥的适宜施加量及对修复基质的重金属污染, 这在尾矿的修复实践中至关重要。
4 结论沙打旺、黑麦草、高羊茅及八宝景天具有较好的存活及生长能力, 适宜作为金矿尾矿生态修复的植物品种。施加10%堆肥污泥有利于促进植物生长, 增加植物的生物量, 改善尾矿养分环境, 对植物出苗率有不同程度的抑制作用。
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