地学前缘 ›› 2023, Vol. 30 ›› Issue (5): 541-552.DOI: 10.13745/j.esf.sf.2023.6.3
收稿日期:
2022-06-24
修回日期:
2023-06-06
出版日期:
2023-09-25
发布日期:
2023-10-20
作者简介:
魏洪斌(1984—),男,博士,高级工程师,主要从事矿区生态修复、土壤污染研究。E-mail: hongbin1202@163.com
基金资助:
WEI Hongbin1,2(), LUO Ming1, ZHANG Shiwen3, ZHOU Pengfei3
Received:
2022-06-24
Revised:
2023-06-06
Online:
2023-09-25
Published:
2023-10-20
摘要:
为筛选矿业废弃地最优生态修复技术模式,以广东韶关大宝山矿业废弃地为研究对象,通过在矿业废弃地布设生态修复小区试验,应用重金属污染治理和土壤基质改良材料与乔灌草配置相结合,研究不同生态修复模式对矿业废弃地重金属和微生物的影响。结果表明:矿业废弃地在乔灌草不同生态修复模式下,试验小区5种优势植物对重金属的富集和转运能力不同,富集和转移系数总体表现为Cd>Cu>Zn>Pb,不同修复模式下植物对4种重金属的滞留效应总体表现为Pb>Zn>Cu>Cd;不同植物根茎叶重金属含量具有较大的差异,5种优势植物中湿地松和紫薇属于茎叶部的Cd富集型植物,车前草和大叶女贞属于根部囤积型植物,苎麻属于重金属规避型植物;不同处理均能显著降低重金属有效态Cd、Pb的含量,降低程度均超过了50%,修复材料的添加以及立体生态修复模式的构建显著增加了土壤不同细菌种群的丰富度和多样性。不同植被组合中高耐性乔灌草立体生态修复设计为最佳修复模式,可以作为矿业废弃地生态修复的优选目标模式。
中图分类号:
魏洪斌, 罗明, 张世文, 周鹏飞. 不同生态修复模式对矿业废弃地重金属-微生物影响分析[J]. 地学前缘, 2023, 30(5): 541-552.
WEI Hongbin, LUO Ming, ZHANG Shiwen, ZHOU Pengfei. Effects of different remediation treatments on heavy metals and microorganisms in mining wasteland[J]. Earth Science Frontiers, 2023, 30(5): 541-552.
编号 | 植物 | 改良剂 |
---|---|---|
CK1 | 有机肥+菌肥+石灰+竹炭+土壤调理剂 | |
CK2 | 有机肥+菌肥+2倍石灰+竹炭+土壤调理剂 | |
A1 | 混合草种 | 有机肥+菌肥+石灰+竹炭+土壤调理剂 |
A2 | 混合草种 | 有机肥+菌肥+竹炭+土壤调理剂 |
B1 | 混合草种+灌木 | 有机肥+菌肥+石灰+竹炭+土壤调理剂 |
B2 | 混合草种+灌木 | 有机肥+菌肥+竹炭+土壤调理剂 |
C1 | 混合草种+灌木+乔木 | 有机肥+菌肥+石灰+竹炭+土壤调理剂 |
C2 | 混合草种+灌木+乔木 | 有机肥+菌肥+竹炭+土壤调理剂 |
D1 | 混合草种+乔木 | 有机肥+菌肥+石灰+竹炭+土壤调理剂 |
D2 | 混合草种+乔木 | 有机肥+石灰+竹炭+土壤调理剂 |
E1 | 混合草种 | 菌肥+石灰+竹炭+土壤调理剂 |
E2 | 混合草种 | 有机肥+菌肥+石灰+土壤调理剂 |
F1 | 混合草种+灌木 | 菌肥+石灰+竹炭+土壤调理剂 |
F2 | 混合草种+灌木 | 有机肥+菌肥+石灰+土壤调理剂 |
G1 | 混合草种+灌木+乔木 | 菌肥+石灰+竹炭+土壤调理剂 |
G2 | 混合草种+灌木+乔木 | 有机肥+菌肥+石灰+土壤调理剂 |
表1 试验小区设计处理
Table 1 Remediation treatment plans for field plot experiment
编号 | 植物 | 改良剂 |
---|---|---|
CK1 | 有机肥+菌肥+石灰+竹炭+土壤调理剂 | |
CK2 | 有机肥+菌肥+2倍石灰+竹炭+土壤调理剂 | |
A1 | 混合草种 | 有机肥+菌肥+石灰+竹炭+土壤调理剂 |
A2 | 混合草种 | 有机肥+菌肥+竹炭+土壤调理剂 |
B1 | 混合草种+灌木 | 有机肥+菌肥+石灰+竹炭+土壤调理剂 |
B2 | 混合草种+灌木 | 有机肥+菌肥+竹炭+土壤调理剂 |
C1 | 混合草种+灌木+乔木 | 有机肥+菌肥+石灰+竹炭+土壤调理剂 |
C2 | 混合草种+灌木+乔木 | 有机肥+菌肥+竹炭+土壤调理剂 |
D1 | 混合草种+乔木 | 有机肥+菌肥+石灰+竹炭+土壤调理剂 |
D2 | 混合草种+乔木 | 有机肥+石灰+竹炭+土壤调理剂 |
E1 | 混合草种 | 菌肥+石灰+竹炭+土壤调理剂 |
E2 | 混合草种 | 有机肥+菌肥+石灰+土壤调理剂 |
F1 | 混合草种+灌木 | 菌肥+石灰+竹炭+土壤调理剂 |
F2 | 混合草种+灌木 | 有机肥+菌肥+石灰+土壤调理剂 |
G1 | 混合草种+灌木+乔木 | 菌肥+石灰+竹炭+土壤调理剂 |
G2 | 混合草种+灌木+乔木 | 有机肥+菌肥+石灰+土壤调理剂 |
植物 | 部位 | 重金属含量/(mg·kg-1) | |||
---|---|---|---|---|---|
Pb | Cd | Cu | Zn | ||
大叶女贞 | 叶 | 28.65±17.34b | 0.32±0.10b | 15.40±4.42b | 31.23±12.69ab |
茎 | 12.22±4.83b | 0.23±0.08b | 10.61±4.20b | 20.80±4.29b | |
根 | 349.40±203.64a | 0.57±0.13a | 74.30±17.02a | 58.85±24.50a | |
湿地松 | 叶 | 14.93±3.11b | 1.04±0.31a | 10.08±2.78b | 43.83±6.54a |
茎 | 23.33±4.90a | 1.89±0.71a | 14.25±2.08a | 52.13±10.84a | |
根 | 28.60±3.73a | 1.91±0.55a | 8.29±0.42b | 49.40±7.96a | |
苎麻 | 叶 | 134.48±81.49b | 0.56±0.06a | 42.28±8.30a | 62.05±11.97a |
茎 | 83.23±47.47b | 0.32±0.11b | 24.38±6.88b | 37.63±6.68b | |
根 | 331.50±169.31a | 0.41±0.10ab | 33.13±10.34ab | 55.03±12.21ab | |
紫薇 | 叶 | 30.00±11.37a | 5.03±1.71b | 41.45±4.75a | 77.30±29.71a |
茎 | 17.19±9.67a | 2.17±0.54a | 23.15±3.50b | 39.65±8.15b | |
根 | 62.53±48.43a | 1.19±0.82a | 32.25±9.61ab | 36.48±11.96b | |
车前草 | 叶 | 99.74±51.12b | 0.63±0.28bc | 31.99±13.02b | 97.39±89.86ab |
茎 | 68.44±120.42b | 0.42±0.16b | 27.09±15.37b | 61.33±41.65b | |
根 | 450.13±252.69a | 1.00±0.52a | 87.16±37.73a | 209.09±150.42a | |
一般植物含量 | 0.1~41.7 | 0.2~3 | 0.4~45.8 | 1~160 | |
超富集植物 | 1 000 | 100 | 1 000 | 10 000 |
表2 不同修复模式下植物重金属含量分布
Table 2 Heavy-metal contents in different parts of the dominant plants
植物 | 部位 | 重金属含量/(mg·kg-1) | |||
---|---|---|---|---|---|
Pb | Cd | Cu | Zn | ||
大叶女贞 | 叶 | 28.65±17.34b | 0.32±0.10b | 15.40±4.42b | 31.23±12.69ab |
茎 | 12.22±4.83b | 0.23±0.08b | 10.61±4.20b | 20.80±4.29b | |
根 | 349.40±203.64a | 0.57±0.13a | 74.30±17.02a | 58.85±24.50a | |
湿地松 | 叶 | 14.93±3.11b | 1.04±0.31a | 10.08±2.78b | 43.83±6.54a |
茎 | 23.33±4.90a | 1.89±0.71a | 14.25±2.08a | 52.13±10.84a | |
根 | 28.60±3.73a | 1.91±0.55a | 8.29±0.42b | 49.40±7.96a | |
苎麻 | 叶 | 134.48±81.49b | 0.56±0.06a | 42.28±8.30a | 62.05±11.97a |
茎 | 83.23±47.47b | 0.32±0.11b | 24.38±6.88b | 37.63±6.68b | |
根 | 331.50±169.31a | 0.41±0.10ab | 33.13±10.34ab | 55.03±12.21ab | |
紫薇 | 叶 | 30.00±11.37a | 5.03±1.71b | 41.45±4.75a | 77.30±29.71a |
茎 | 17.19±9.67a | 2.17±0.54a | 23.15±3.50b | 39.65±8.15b | |
根 | 62.53±48.43a | 1.19±0.82a | 32.25±9.61ab | 36.48±11.96b | |
车前草 | 叶 | 99.74±51.12b | 0.63±0.28bc | 31.99±13.02b | 97.39±89.86ab |
茎 | 68.44±120.42b | 0.42±0.16b | 27.09±15.37b | 61.33±41.65b | |
根 | 450.13±252.69a | 1.00±0.52a | 87.16±37.73a | 209.09±150.42a | |
一般植物含量 | 0.1~41.7 | 0.2~3 | 0.4~45.8 | 1~160 | |
超富集植物 | 1 000 | 100 | 1 000 | 10 000 |
植物 | 部位 | 与土壤重金属含量相关系数 | |||
---|---|---|---|---|---|
Cd | Pb | Cu | Zn | ||
大叶女贞 | 地下部 | -0.501 | 0.416 | 0.191 | 0.499 |
地上部 | -0.431 | 0.597 | -0.039 | 0.249 | |
湿地松 | 地下部 | 0.987* | 0.939 | 0.930 | 0.994** |
地上部 | 0.941 | 0.959* | 0.975* | 0.897 | |
苎麻 | 地下部 | 0.451 | 0.286 | -0.319 | 0.845 |
地上部 | 0.705 | -0.031 | -0.326 | 0.875 | |
紫薇 | 地下部 | -0.435 | 0.311 | 0.910 | 0.078 |
地上部 | -0.563 | -0.135 | 0.982* | -0.019 | |
车前草 | 地下部 | 0.826* | -0.306 | -0.147 | 0.136 |
地上部 | 0.785* | 0.189 | -0.239 | 0.081 |
表3 优势植物重金属与土壤重金属含量相关性
Table 3 Correlation between heavy metals content in dominate plant and soil
植物 | 部位 | 与土壤重金属含量相关系数 | |||
---|---|---|---|---|---|
Cd | Pb | Cu | Zn | ||
大叶女贞 | 地下部 | -0.501 | 0.416 | 0.191 | 0.499 |
地上部 | -0.431 | 0.597 | -0.039 | 0.249 | |
湿地松 | 地下部 | 0.987* | 0.939 | 0.930 | 0.994** |
地上部 | 0.941 | 0.959* | 0.975* | 0.897 | |
苎麻 | 地下部 | 0.451 | 0.286 | -0.319 | 0.845 |
地上部 | 0.705 | -0.031 | -0.326 | 0.875 | |
紫薇 | 地下部 | -0.435 | 0.311 | 0.910 | 0.078 |
地上部 | -0.563 | -0.135 | 0.982* | -0.019 | |
车前草 | 地下部 | 0.826* | -0.306 | -0.147 | 0.136 |
地上部 | 0.785* | 0.189 | -0.239 | 0.081 |
植物 | 部位 | 富集系数 | |||
---|---|---|---|---|---|
Cd | Pb | Cu | Zn | ||
大叶女贞 | 根 | 0.56±0.29a | 0.11±0.07a | 0.57±0.14a | 0.13±0.04a |
茎 | 0.22±0.15a | 0.01±0.00b | 0.07±0.04b | 0.05±0.02b | |
叶 | 0.33±0.15a | 0.01±0.00b | 0.13±0.03b | 0.06±0.02b | |
湿地松 | 根 | 1.65±0.24a | 0.01±0.00a | 0.07±0.00a | 0.11±0.02a |
茎 | 1.62±0.35a | 0.01±0.00a | 0.12±0.01b | 0.11±0.03a | |
叶 | 0.94±0.34b | 0.01±0.00a | 0.08±0.02a | 0.10±0.03a | |
苎麻 | 根 | 0.29±0.09a | 0.10±0.07a | 0.27±0.08ab | 0.11±0.01a |
茎 | 0.23±0.05a | 0.02±0.02a | 0.19±0.05b | 0.08±0.01b | |
叶 | 0.43±0.17a | 0.05±0.04a | 0.32±0.08a | 0.13±0.02a | |
紫薇 | 根 | 0.68±0.41ab | 0.02±0.02a | 0.24±0.09ab | 0.08±0.04a |
茎 | 1.76±1.12a | 0.01±0.01a | 0.17±0.04a | 0.09±0.04a | |
叶 | 4.16±2.72b | 0.01±0.01a | 0.31±0.06b | 0.16±0.12a | |
车前草 | 根 | 0.65±0.19a | 0.18±0.11a | 0.67±0.26a | 0.44±0.27a |
茎 | 0.31±0.11b | 0.04±0.06a | 0.22±0.11b | 0.12±0.06b | |
叶 | 0.51±0.34ab | 0.04±0.03a | 0.23±0.12b | 0.25±0.21ab |
表4 不同修复模式下优势植物对重金属的富集系数
Table 4 Bioaccumulation factors of the dominant plants
植物 | 部位 | 富集系数 | |||
---|---|---|---|---|---|
Cd | Pb | Cu | Zn | ||
大叶女贞 | 根 | 0.56±0.29a | 0.11±0.07a | 0.57±0.14a | 0.13±0.04a |
茎 | 0.22±0.15a | 0.01±0.00b | 0.07±0.04b | 0.05±0.02b | |
叶 | 0.33±0.15a | 0.01±0.00b | 0.13±0.03b | 0.06±0.02b | |
湿地松 | 根 | 1.65±0.24a | 0.01±0.00a | 0.07±0.00a | 0.11±0.02a |
茎 | 1.62±0.35a | 0.01±0.00a | 0.12±0.01b | 0.11±0.03a | |
叶 | 0.94±0.34b | 0.01±0.00a | 0.08±0.02a | 0.10±0.03a | |
苎麻 | 根 | 0.29±0.09a | 0.10±0.07a | 0.27±0.08ab | 0.11±0.01a |
茎 | 0.23±0.05a | 0.02±0.02a | 0.19±0.05b | 0.08±0.01b | |
叶 | 0.43±0.17a | 0.05±0.04a | 0.32±0.08a | 0.13±0.02a | |
紫薇 | 根 | 0.68±0.41ab | 0.02±0.02a | 0.24±0.09ab | 0.08±0.04a |
茎 | 1.76±1.12a | 0.01±0.01a | 0.17±0.04a | 0.09±0.04a | |
叶 | 4.16±2.72b | 0.01±0.01a | 0.31±0.06b | 0.16±0.12a | |
车前草 | 根 | 0.65±0.19a | 0.18±0.11a | 0.67±0.26a | 0.44±0.27a |
茎 | 0.31±0.11b | 0.04±0.06a | 0.22±0.11b | 0.12±0.06b | |
叶 | 0.51±0.34ab | 0.04±0.03a | 0.23±0.12b | 0.25±0.21ab |
植物 | 转移系数 | 滞留率/% | |||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Cd | Pb | Cu | Zn | Cd | Pb | Cu | Zn | ||
大叶女贞 | 0.52± 0.23b | 0.11± 0.08c | 0.18± 0.05c | 0.49± 0.19c | 49.03± 24.24a | 90.16± 8.91a | 82.23± 4.56a | 50.57± 18.62a | |
湿地松 | 0.79± 0.06b | 0.68± 0.07a | 1.47± 0.18a | 0.96± 0.07b | 22.48± 7.04a | 33.35± 7.86c | -46.34± 18.86c | 2.84± 5.51b | |
苎麻 | 1.13± 0.21b | 0.37± 0.12b | 1.05± 0.16b | 0.93± 0.07b | -11.81± 21.75a | 63.93± 12.61abc | -3.72± 14.98b | 8.23± 8.18b | |
紫薇 | 4.37± 1.65a | 0.54± 0.27ab | 1.07± 0.23b | 1.68± 0.42a | -338.35± 163.80b | 47.72± 28.08bc | -5.56± 24.48b | 66.62± 43.15c | |
车前草 | 0.58± 0.17b | 0.28± 0.15bc | 0.39± 0.17c | 0.41± 0.19c | 44.15± 18.79a | 74.17± 14.96ab | 62.31± 18.79a | 60.13± 19.64a |
表5 不同修复模式下植物对不同重金属的转移系数和滞留率
Table 5 Biotransfer factors and HM retention rates of the dominant plants
植物 | 转移系数 | 滞留率/% | |||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Cd | Pb | Cu | Zn | Cd | Pb | Cu | Zn | ||
大叶女贞 | 0.52± 0.23b | 0.11± 0.08c | 0.18± 0.05c | 0.49± 0.19c | 49.03± 24.24a | 90.16± 8.91a | 82.23± 4.56a | 50.57± 18.62a | |
湿地松 | 0.79± 0.06b | 0.68± 0.07a | 1.47± 0.18a | 0.96± 0.07b | 22.48± 7.04a | 33.35± 7.86c | -46.34± 18.86c | 2.84± 5.51b | |
苎麻 | 1.13± 0.21b | 0.37± 0.12b | 1.05± 0.16b | 0.93± 0.07b | -11.81± 21.75a | 63.93± 12.61abc | -3.72± 14.98b | 8.23± 8.18b | |
紫薇 | 4.37± 1.65a | 0.54± 0.27ab | 1.07± 0.23b | 1.68± 0.42a | -338.35± 163.80b | 47.72± 28.08bc | -5.56± 24.48b | 66.62± 43.15c | |
车前草 | 0.58± 0.17b | 0.28± 0.15bc | 0.39± 0.17c | 0.41± 0.19c | 44.15± 18.79a | 74.17± 14.96ab | 62.31± 18.79a | 60.13± 19.64a |
实验处理 | 土壤微生物群落α-多样性指数 | |||
---|---|---|---|---|
OTUs | Chao1 | Shannon | Simpson | |
BD | 98 | 126 | 4.58 | 0.009 2 |
HF | 617 | 735 | 8.48 | 0.008 5 |
CK1 | 767 | 848 | 8.14 | 0.006 4 |
CK2 | 726 | 889 | 8.28 | 0.012 |
A1 | 877 | 969 | 8.39 | 0.007 2 |
A2 | 859 | 938 | 8.31 | 0.006 9 |
B1 | 1 108 | 1 261 | 9.01 | 0.011 |
B2 | 1 075 | 1 195 | 8.85 | 0.009 3 |
C1 | 1 428 | 1 632 | 9.32 | 0.019 |
C2 | 1 396 | 1 504 | 9.30 | 0.017 |
D1 | 976 | 1 032 | 8.52 | 0.008 3 |
D2 | 939 | 1 006 | 8.46 | 0.007 9 |
E1 | 860 | 942 | 8.28 | 0.007 3 |
E2 | 885 | 969 | 8.35 | 0.007 6 |
F1 | 1 051 | 1 139 | 8.93 | 0.010 2 |
F2 | 984 | 1 042 | 8.63 | 0.009 1 |
G1 | 1 198 | 1 275 | 9.15 | 0.016 |
G2 | 1 236 | 1 369 | 9.27 | 0.017 |
表6 不同修复模式下土壤微生物群落α-多样性统计
Table 6 Soil microbiota α diversity levels under different treatment plans
实验处理 | 土壤微生物群落α-多样性指数 | |||
---|---|---|---|---|
OTUs | Chao1 | Shannon | Simpson | |
BD | 98 | 126 | 4.58 | 0.009 2 |
HF | 617 | 735 | 8.48 | 0.008 5 |
CK1 | 767 | 848 | 8.14 | 0.006 4 |
CK2 | 726 | 889 | 8.28 | 0.012 |
A1 | 877 | 969 | 8.39 | 0.007 2 |
A2 | 859 | 938 | 8.31 | 0.006 9 |
B1 | 1 108 | 1 261 | 9.01 | 0.011 |
B2 | 1 075 | 1 195 | 8.85 | 0.009 3 |
C1 | 1 428 | 1 632 | 9.32 | 0.019 |
C2 | 1 396 | 1 504 | 9.30 | 0.017 |
D1 | 976 | 1 032 | 8.52 | 0.008 3 |
D2 | 939 | 1 006 | 8.46 | 0.007 9 |
E1 | 860 | 942 | 8.28 | 0.007 3 |
E2 | 885 | 969 | 8.35 | 0.007 6 |
F1 | 1 051 | 1 139 | 8.93 | 0.010 2 |
F2 | 984 | 1 042 | 8.63 | 0.009 1 |
G1 | 1 198 | 1 275 | 9.15 | 0.016 |
G2 | 1 236 | 1 369 | 9.27 | 0.017 |
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