植被恢復(fù)對(duì)重金屬污染土壤有機(jī)質(zhì)及團(tuán)聚體特征的影響

徐 磊, 周 俊, 張文輝, 崔紅標(biāo),劉海龍, 劉創(chuàng)慧, 梁家妮, 周 靜

(1.中國(guó)科學(xué)院 南京土壤研究所, 南京 210008; 2.中國(guó)科學(xué)院 土壤環(huán)境與污染修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 210008; 3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049; 4.江西省重金屬污染生態(tài)修復(fù)工程技術(shù)研究中心,南昌 330096; 5.國(guó)家紅壤改良工程技術(shù)研究中心, 中國(guó)科學(xué)院紅壤生態(tài)試驗(yàn)站, 江西 鷹潭 335211;6.安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院, 安徽 淮南 232001; 7.長(zhǎng)安大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 西安 710064)

植被恢復(fù)對(duì)重金屬污染土壤有機(jī)質(zhì)及團(tuán)聚體特征的影響

徐 磊1,2,3,5, 周 俊1,2,5, 張文輝1,2,5, 崔紅標(biāo)6,劉海龍1,2,3,5, 劉創(chuàng)慧1,7, 梁家妮1,2,5, 周 靜1,2,3,4,5

(1.中國(guó)科學(xué)院 南京土壤研究所, 南京 210008; 2.中國(guó)科學(xué)院 土壤環(huán)境與污染修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 210008; 3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049; 4.江西省重金屬污染生態(tài)修復(fù)工程技術(shù)研究中心,南昌 330096; 5.國(guó)家紅壤改良工程技術(shù)研究中心, 中國(guó)科學(xué)院紅壤生態(tài)試驗(yàn)站, 江西 鷹潭 335211;6.安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院, 安徽 淮南 232001; 7.長(zhǎng)安大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 西安 710064)

采用田間原位試驗(yàn)，研究了不同植被恢復(fù)3年對(duì)重金屬污染土壤有機(jī)碳及團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性的影響，評(píng)價(jià)了不同植物修復(fù)效果的差異，為農(nóng)田重金屬污染土壤修復(fù)中，合理選擇植被類型，以及建立評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)提供理論依據(jù)。在某Cu，Cd重度污染農(nóng)田建立田間小區(qū)，施加鈍化材料石灰(對(duì)照除外)后種植海州香薷(ME)，伴礦景天(MS)和巨菌草(MP)3種植物，3年的田間原位修復(fù)試驗(yàn)后，分析各處理下土壤有機(jī)質(zhì)含，>0.25 mm機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體(DR0.25)和水穩(wěn)定性(WR0.25)團(tuán)聚體含量，團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑(MWD)，幾何平均直徑(GMD)，團(tuán)聚體穩(wěn)定率(AR，%)和分形維數(shù)(D)等團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)。結(jié)果表明，3年植被恢復(fù)后，3種植被處理均提高了土壤有機(jī)質(zhì)含量，提高幅度為2.89%～5.39%，并提高了>0.25 mm機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體(DR0.25)和水穩(wěn)定性(WR0.25)團(tuán)聚體含量，提高幅度分別為2.89%～5.39%，6.64%～10.40%和13.34%～17.48%。3種植物處理均可以顯著提高土壤機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體和水穩(wěn)性團(tuán)聚體的平均質(zhì)量直徑(MWD)和幾何平均直徑(GMD)，其中以巨菌草處理提高幅度最大。在團(tuán)聚體穩(wěn)定性方面，3種植物處理均可以提高團(tuán)聚體的穩(wěn)定率(AR，%)，以海州香薷處理提高幅度最大；植物處理可以顯著降低土壤機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體的分形維數(shù)(D)，但對(duì)水穩(wěn)定性團(tuán)聚體的分形維數(shù)沒(méi)有明顯的影響。綜上所述，采用鈍化加原位植物修復(fù)可以提高重金屬重度污染農(nóng)田的有機(jī)質(zhì)含量和土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，改善土壤結(jié)構(gòu)，可以在重金屬重度污染土壤修復(fù)中推廣應(yīng)用。

土壤; 重金屬污染; 植被恢復(fù); 有機(jī)質(zhì); 團(tuán)聚體穩(wěn)定性

隨著工業(yè)化和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展，重金屬污染已經(jīng)成為許多國(guó)家面臨的問(wèn)題，土壤重金屬污染作為主要污染問(wèn)題也變得日趨突出[1]，因此對(duì)重金屬污染土壤進(jìn)行修復(fù)也日益成為國(guó)際和國(guó)內(nèi)關(guān)注的熱點(diǎn)[2]。土壤重金屬污染修復(fù)常用的方法中，物理法因工作量大、對(duì)土壤破壞嚴(yán)重、容易產(chǎn)生二次污染等特點(diǎn)，難以應(yīng)用到大面積的重金屬污染農(nóng)田修復(fù)中，而化學(xué)法和生物法，因?yàn)椴僮骱?jiǎn)便，成本低廉等特點(diǎn)被越來(lái)越多地應(yīng)用到修復(fù)實(shí)踐中[3]。目前化學(xué)法較常用的是向土壤中加入各類鈍化材料，通過(guò)對(duì)重金屬的吸附、沉淀(共沉淀)及絡(luò)合等作用，降低土壤中重金屬的生物有效性和遷移性[4]，而生物法目前較常用的是利用超積累植物或高生物量植物，通過(guò)萃取作用降低土壤中重金屬的含量[5]。在重度污染的農(nóng)田中，由于重金屬濃度高、毒性強(qiáng)，導(dǎo)致許多作物難以生長(zhǎng)，此時(shí)將化學(xué)鈍化法和植物法結(jié)合進(jìn)行田間修復(fù)，將是一種解決重度污染問(wèn)題的有效方法[6]。

團(tuán)聚體作為土壤結(jié)構(gòu)的基本單元，其穩(wěn)定性及其影響其穩(wěn)定性因素的研究，對(duì)保持土壤良好的結(jié)構(gòu)和土壤肥力具有重要意義[7]。生物措施作為水土保持及改善土壤質(zhì)量最根本的方法，對(duì)土壤團(tuán)聚體有重要的影響，植物通過(guò)根系分泌物，以及凋落物的分解增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，從而促進(jìn)團(tuán)聚體的形成和穩(wěn)定性的提高，改善土壤理化性質(zhì)。另一方面，有機(jī)質(zhì)作為土壤質(zhì)量和功能的核心評(píng)價(jià)指標(biāo)，與團(tuán)聚體關(guān)系密切；土壤團(tuán)聚體和有機(jī)質(zhì)可以直接或間接反映土壤類型、植株類型、環(huán)境的綜合指標(biāo)，團(tuán)聚體對(duì)有機(jī)質(zhì)的包裹也是土壤固定碳的重要途徑[8]。然而目前國(guó)內(nèi)外在土壤重金屬污染修復(fù)的研究中，多關(guān)注修復(fù)后土壤重金屬的存量或毒性，而關(guān)于修復(fù)后土壤團(tuán)聚體及有機(jī)質(zhì)變化的研究鮮見(jiàn)報(bào)道。在重金屬污染農(nóng)田修復(fù)過(guò)程中，為了控制修復(fù)成本，通常選用廉價(jià)易得的修復(fù)材料，而石灰作為一種常見(jiàn)的材料，價(jià)格低廉，在較小的施用量時(shí)便可以達(dá)到固化土壤中重金屬的效果，同時(shí)石灰作為一種堿性材料還具有提高土壤pH值，降低土壤酸化危害的作用，在我國(guó)南方地區(qū)得到了大范圍的應(yīng)用[9]。海州香薷和伴礦景天分別作為Cu的耐性植物和Cd的超富集植物，在重金屬污染土壤的修復(fù)中都得到了廣泛應(yīng)用，而巨菌草作為一種能源植物，具有生長(zhǎng)速度快、抗逆性強(qiáng)、生物量大的特點(diǎn)，具有進(jìn)行重金屬污染土壤修復(fù)的潛力[10]。因此在本研究中，通過(guò)向土壤中添加石灰，然后種植海州香薷、伴礦景天和巨菌草，經(jīng)過(guò)3 a的田間試驗(yàn)后研究土壤團(tuán)聚體的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性特點(diǎn)，以及土壤中有機(jī)質(zhì)的含量變化，分析不同植被恢復(fù)對(duì)土壤團(tuán)聚體分布和穩(wěn)定狀況的影響。通過(guò)研究不同植被恢復(fù)過(guò)程對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量、土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性的影響，優(yōu)化重金屬污染土壤修復(fù)技術(shù)和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，從而為重金屬污染農(nóng)田修復(fù)技術(shù)的提高和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于江西省貴溪市濱江鄉(xiāng)柏里村陳家村小組，該區(qū)緊鄰貴溪市某大型銅冶煉廠，由于長(zhǎng)期的引水灌溉和大氣沉降等因素導(dǎo)致該區(qū)農(nóng)田受到嚴(yán)重的重金屬污染，主要污染物為Cu，Cd，由于污染程度重，該區(qū)域大部分農(nóng)田已棄耕多年，試驗(yàn)區(qū)部分農(nóng)田已出現(xiàn)沙化現(xiàn)象，加之該區(qū)域位于南方典型的酸雨區(qū)[11]，酸沉降等因素加劇了土壤的污染程度。試驗(yàn)區(qū)土壤為砂質(zhì)壤土，土壤pH值為4.23，有機(jī)質(zhì)含量為31.1 g/kg，堿解氮、速效磷、速效鉀含量分別為51.6、87.4和52.0 mg/kg，土壤全Cu和全Cd濃度分別為606和0.38 mg/kg。

1.2 供試材料

供試鈍化材料：石灰(熟石灰，過(guò)60目)，購(gòu)自鷹潭建材大市場(chǎng)，pH值為12.2，Cu，Cd含量分別為1.36，0.87 mg/kg。海州香薷(Elsholtziasplendens)：采用室內(nèi)種子育苗，田間移栽；伴礦景天(Sedumplumbizincicola)：采用室內(nèi)種子育苗，田間移栽；巨菌草(Pennisetumsinese)：采用扦插種植，扦插種苗購(gòu)自當(dāng)?shù)剞r(nóng)民。

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)設(shè)計(jì)：本田間試驗(yàn)共有4個(gè)處理，每個(gè)處理設(shè)3個(gè)重復(fù)，共12個(gè)小區(qū)，小區(qū)面積4 m2(2 m×2 m)，為防止相鄰小區(qū)的相互影響，小區(qū)之間用水泥板隔開(kāi)，水泥板地下埋深30 cm，地上部分20 cm。

試驗(yàn)過(guò)程：試驗(yàn)于2013年4月25日開(kāi)始，將0.2%的石灰(0—17 cm表層土壤質(zhì)量百分比)一次性施加入除CK處理的每1個(gè)小區(qū)，然后進(jìn)行人工混勻平整，并于平整后的1個(gè)星期栽種植物，其中海州香薷(記為ME)和伴礦景天(記為MS)株距為20 cm×20 cm，巨菌草(記為MP)為50 cm×50 cm。試驗(yàn)中每年7月份初所有處理施加一次尿素，用量為80 g/小區(qū)。伴礦景天在每年的8月初進(jìn)行收獲，由于伴礦景天根系較小，難于取出，因此只收獲地上部分，海洲香薷和巨菌草于每年的12月初進(jìn)行乂割，并用鋤頭取出海州香薷的根系，而巨菌草由于根系發(fā)達(dá)，且為多年生草本植物，根系可越冬，因此不取出，次年春天會(huì)發(fā)芽生長(zhǎng)。2015年12月10日，在采集植物樣品前，在各個(gè)小區(qū)隨機(jī)選取3個(gè)點(diǎn)，用鐵鍬采集0—17 cm表層的原狀非根際土壤，每個(gè)樣點(diǎn)約1 kg，組合成混合樣品，裝入硬質(zhì)塑料盒后帶回實(shí)驗(yàn)室，風(fēng)干后用于土壤團(tuán)聚體和土壤性質(zhì)分析。

樣品測(cè)定：土壤團(tuán)聚體的測(cè)定,采用干篩法[12]和濕篩法[13]分別測(cè)定了≥5 mm，2～5 mm，1～2 mm，0.5～1 mm，0.25～0.5 mm和<0.25 mm等不同粒級(jí)的團(tuán)聚體組成。并在此基礎(chǔ)上計(jì)算了>025 mm機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體(DR0.25)，水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量(WR0.25)，團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑(MWD，mm)，幾何平均直徑(GMD，mm)，土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定率(AR，%)和質(zhì)量分形維數(shù)(D)[14]。

數(shù)據(jù)處理：采用Ecel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、SPSS 20.0軟件進(jìn)行方差分析(One-way ANOVA-Tukey)和相關(guān)性分析(Pearson)，用Sigmaplot繪制圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 植被恢復(fù)對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的影響

由圖1可知，該退化土壤植被恢復(fù)3 a后，3種不同的植物恢復(fù)條件均顯著提高了土壤有機(jī)質(zhì)含量，其中MP處理提高最大，達(dá)到5.39%，伴礦景天和海州香薷處理次之，分別為3.44%和2.89%。這說(shuō)明，不同的植被類型對(duì)退化土壤有機(jī)質(zhì)的影響存在一定差異。結(jié)合3 a中3種植物的生物量(圖2)情況可以發(fā)現(xiàn)，在未施加石灰的CK處理中，無(wú)任何植物不能生長(zhǎng)(包括雜草)，而施加石灰后，3種植物均可以正常生長(zhǎng)，巨菌草的地上部分生物量最大，單位小區(qū)年平均生物量為11.89 kg，而伴礦景天的年平均生物量最小，只有0.94 kg。戴全厚等[15]的研究結(jié)果表明，在植被恢復(fù)的過(guò)程中，植物地上部分生物量和土壤有機(jī)質(zhì)含量呈二次曲線正相關(guān)。在本研究中，對(duì)植物地上部分生物量和土壤有機(jī)質(zhì)含量進(jìn)行相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)相關(guān)系數(shù)為0.589，但并未達(dá)到顯著性水平，這可能是由于植被恢復(fù)時(shí)間較短，對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量的提高量有限。同時(shí)3 a中巨菌草的生物量呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，而其他兩種植物并沒(méi)有出現(xiàn)該現(xiàn)象，這可能是由于在植被恢復(fù)的過(guò)程中，巨菌草對(duì)土壤質(zhì)量的提高作用較大，在植被恢復(fù)的3 a中，土壤質(zhì)量不斷得到改善，有利于植物生長(zhǎng)和植物地上部分生物量的累積[16]。因此，在植被恢復(fù)過(guò)程中，植物地上部分生物量和土壤有機(jī)質(zhì)含量呈現(xiàn)正向互作效應(yīng)，選擇生物量較大，生長(zhǎng)速度較快的植物進(jìn)行重金屬重度污染土壤的田間原位修復(fù)，有利于土壤有機(jī)質(zhì)的積累和土壤質(zhì)量的提高。

注：CK=對(duì)照；ME=石灰+海州香薷；MS=石灰+伴礦景天；MP =石灰+巨菌草；不同小寫(xiě)字母表示不同植物處理間差異性顯著(n=3,p<0.05)。

圖1不同植物處理對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的影響

2.2 植被恢復(fù)對(duì)土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的影響

2015年植被收獲前各處理土壤>0.25 mm 機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量(DR0.25)為69.36%～76.57%(表2)，低于許多報(bào)道中機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量[17]，這說(shuō)明該區(qū)土壤物理結(jié)構(gòu)較差，這可能與該區(qū)域土壤污染嚴(yán)重，植物難以生長(zhǎng)，導(dǎo)致土壤出現(xiàn)輕微沙化現(xiàn)象，導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)惡化有關(guān)。3種植被恢復(fù)3 a后，均顯著提高了土壤DR0.25的含量。而且3種植物處理主要提高了機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體中>5,2～5，0.5～1 mm的團(tuán)聚體含量，尤其是>2 mm團(tuán)聚體，這說(shuō)明這3種植被恢復(fù)對(duì)土壤>0.25 mm 機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體形成有顯著的促進(jìn)作用，且主要通過(guò)提高>2 mm機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量來(lái)提高>0.25 mm 機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量。在3種植物中，巨菌草處理對(duì)土壤大團(tuán)聚體的提高幅度最大，尤其是>5，2～5 mm團(tuán)聚體，分別較CK處理提高28.98%和10.11%，而對(duì)1～2，0.5～1，0.25～0.5 mm團(tuán)聚體的影響中，3種植物處理之間的差異并不顯著，這說(shuō)明在3 a的植被恢復(fù)過(guò)程中，巨菌草對(duì)大團(tuán)聚體的提高幅度最大，最能改善土壤的物理結(jié)構(gòu)。

在土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體組成方面，各處理>0.25 mm水穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量(DR0.25)含量為44.74%～52.56%(表3)，3種植被恢復(fù)3 a后都可以顯著增加土壤水穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量，但與機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體相似的是，3種植物處理之間并不存在顯著差異。分析水穩(wěn)定性團(tuán)聚體增加部分的粒徑組成可以發(fā)現(xiàn)，增加部分主要集中在>5 mm團(tuán)聚體中，而在其他粒徑組成中增加幅度并不顯著，甚至海州香薷處理和伴礦景天處理在0.5～1 mm之間的團(tuán)聚體出現(xiàn)了顯著的下降趨勢(shì)，這和鄭學(xué)博[18]等人的研究結(jié)果相同，即植被恢復(fù)過(guò)程中主要增加了>5 mm大團(tuán)聚體的含量。

圖2 3種植物不同年份中的地上部分生物量

表3 植被恢復(fù)對(duì)重金屬污染土壤水穩(wěn)定性團(tuán)聚體組成的影響

通過(guò)分析各個(gè)處理土壤>0.25 mm機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體(DR0.25)和水穩(wěn)定性團(tuán)聚體(WR0.25)與土壤有機(jī)質(zhì)的相關(guān)性發(fā)現(xiàn)，DR0.25和WR0.25均與土壤有機(jī)質(zhì)含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R2分別為0.829和0.741。為了得出土壤有機(jī)質(zhì)與>0.25 mm機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體和水穩(wěn)性團(tuán)聚體的關(guān)系，我們進(jìn)一步將其與土壤有機(jī)質(zhì)含量進(jìn)行線性擬合(圖3)，發(fā)現(xiàn)兩者均與土壤有機(jī)質(zhì)呈顯著線性正相關(guān)，這與鞏杰[19]等人的研究結(jié)果是一致的。這一結(jié)果說(shuō)明，>0.25 mm機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體和水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量提高的主要原因可能是植被恢復(fù)的過(guò)程中，土壤有機(jī)質(zhì)含量升高，促進(jìn)了團(tuán)聚體的膠結(jié)過(guò)程，加快了小團(tuán)聚體向大團(tuán)聚的轉(zhuǎn)化，從而改善土壤結(jié)構(gòu)，這對(duì)于該重金屬重度污染土壤的質(zhì)量恢復(fù)有重要作用。

圖3>0.25mm團(tuán)聚體含量(DR0.25，WR0.25)與有機(jī)質(zhì)含量的擬合

2.3 植被恢復(fù)對(duì)對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響

2.3.1 團(tuán)聚體大小 平均質(zhì)量直徑MWD和幾何平均直徑GMD是評(píng)價(jià)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，MWD和GMD值的提高可以代表土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性增大[20]。本試驗(yàn)研究中，經(jīng)過(guò)3 a的植被恢復(fù)，各處理的機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體和水穩(wěn)性團(tuán)聚體的MWD和GMD均得到顯著的提高(表4)，兩種團(tuán)聚體類型的MWD和GMD值均以巨菌草處理最高，在MWD方面，巨菌草處理較CK處理提高機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體和水穩(wěn)性團(tuán)聚體16.2%和24.2%，而在GMD方面，分別提高機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體和水穩(wěn)性團(tuán)聚體29.1%和25.0%，這說(shuō)明應(yīng)用巨菌草對(duì)退化的重金屬污染土壤進(jìn)行植被恢復(fù)可以提高土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，有利于土壤物理結(jié)構(gòu)的改善。同時(shí)通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，各處理機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體的平均質(zhì)量直徑(MWD)和幾何平均直徑(GMD)均大于水穩(wěn)性團(tuán)聚體，這說(shuō)明機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體是該土壤的主要團(tuán)聚體類型，這一結(jié)果和張鵬[21]等人研究其他區(qū)域土壤團(tuán)聚體結(jié)果一致。

表4 植被恢復(fù)對(duì)重金屬污染土壤機(jī)械穩(wěn)定性和水穩(wěn)性團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑(MWD)和幾何平均直徑(GMD)的影響

2.3.2 團(tuán)聚體穩(wěn)定率和分形維數(shù) 團(tuán)聚體穩(wěn)定率(AR)和分形維數(shù)(D)也是評(píng)價(jià)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，其中團(tuán)聚體穩(wěn)定率(AR，%)越大說(shuō)明團(tuán)聚體越穩(wěn)定，而分形維數(shù)是一種評(píng)價(jià)土壤結(jié)構(gòu)的綜合的新型的指標(biāo)，它在反映土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的同時(shí)可以反映土壤質(zhì)地的均一性，分形維數(shù)越低表明土壤結(jié)構(gòu)越松散，通透性越好，越有利于土壤養(yǎng)分的循環(huán)和結(jié)構(gòu)的改善[22]。本研究發(fā)現(xiàn)，3種植物處理3 a后，土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定率(AR)較CK處理均得到顯著提高，提高范圍為5.4%～9.7%(表5)。在分形維數(shù)方面，3種植被恢復(fù)3 a可以顯著降低機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體的分形維數(shù)，降低幅度范圍為1.9%～3.8%(表5)，這說(shuō)明經(jīng)過(guò)3 a的植被恢復(fù)過(guò)程，土壤團(tuán)聚體的粒徑組成更加均一，土壤物理結(jié)構(gòu)得到了改善。通過(guò)分析>0.25 mm機(jī)械性穩(wěn)定性團(tuán)聚體(DR0.25)和水穩(wěn)定性團(tuán)聚體(WR0.25)與平均質(zhì)量直徑(MWD)，幾何平均直徑(GMD)，團(tuán)聚體穩(wěn)定率(AR，%)和分形維數(shù)(D)的相關(guān)性發(fā)現(xiàn)，DR0.25與平均質(zhì)量直徑(MWD)和幾何平均直徑(GMD)呈極顯著正相關(guān)，而與分形維數(shù)呈極顯著負(fù)相關(guān)，WR0.25除與平均質(zhì)量直徑(MWD)和幾何平均直徑(GMD)呈顯著正相關(guān)，與分形維數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)外，還與團(tuán)聚體穩(wěn)定率(AR，%)呈極顯著相關(guān)關(guān)系，這說(shuō)明>0.25 mm水穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量(WR0.25)對(duì)提高團(tuán)聚體穩(wěn)定率的貢獻(xiàn)更大。

表5 植被恢復(fù)對(duì)重金屬污染土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定率和分形維數(shù)的影響

表6 機(jī)械穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量與MWD，GMD，AR和D的相關(guān)性

注： **代表p<0.01；*代表p<0.05。

3 討論與結(jié)論

3.1 討 論

有機(jī)質(zhì)是評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)，對(duì)團(tuán)聚體的形成和膠結(jié)有重要影響，而團(tuán)聚體作為有機(jī)質(zhì)的存在場(chǎng)所，對(duì)有機(jī)質(zhì)的蓄存及空氣水分的運(yùn)輸有重要作用，因此兩者是相互影響不可分割的[23]。本田間研究結(jié)果表明，在該重金屬污染土壤上進(jìn)行植被恢復(fù)3 a后，土壤有機(jī)質(zhì)和>0.25 mm團(tuán)聚體含量均得到顯著提高，而單位面積年生物量最大的巨菌草處理提高幅度最大。通過(guò)回歸分析發(fā)現(xiàn)，土壤有機(jī)質(zhì)含量與>0.25 mm機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體(DR0.25)和水穩(wěn)性團(tuán)聚體(WR0.25)均呈顯著正相關(guān)(R2分別為0.550，0.504)，這一結(jié)果與程曼等[24]的研究結(jié)果一致，即大團(tuán)聚體的形成和增加主要是有機(jī)質(zhì)含量增加的結(jié)果，植被恢復(fù)提高了土壤中有機(jī)質(zhì)和有機(jī)殘?bào)w的含量，土壤中較小的團(tuán)聚體通過(guò)與土壤中的有機(jī)碳、菌絲核和植物殘?bào)w膠結(jié)，逐漸形成更大的團(tuán)聚體[25]。

團(tuán)聚體作為土壤的基本組成，對(duì)土壤中水分、養(yǎng)分和空氣的運(yùn)輸有重要作用，而團(tuán)聚體越穩(wěn)定就越有利于這些過(guò)程的進(jìn)行[26]。在評(píng)價(jià)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的過(guò)程中，平均質(zhì)量直徑(MWD)，幾何平均直徑(GMD)和團(tuán)聚體穩(wěn)定率(AR，%)是常用的指標(biāo)，綜合這些指標(biāo)可以客觀地評(píng)價(jià)土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性[27]。本研究發(fā)現(xiàn)，重金屬污染土壤進(jìn)行植被恢復(fù)3 a后，各個(gè)處理均可以顯著提高土壤機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體和水穩(wěn)性團(tuán)聚體的平均質(zhì)量直徑(MWD)，幾何平均直徑(GMD)和團(tuán)聚體穩(wěn)定率(AR，%)，相關(guān)性分析結(jié)果表明，上述3個(gè)指標(biāo)與土壤>0.25 mm團(tuán)聚體含量(DR0.25，WR0.25)均顯著相關(guān)(機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量與團(tuán)聚體穩(wěn)定率無(wú)相關(guān)性)，而土壤中>0.25 mm團(tuán)聚體含量(DR0.25，WR0.25)與土壤有機(jī)質(zhì)含量呈正相關(guān)關(guān)系，這一結(jié)果表明，植被恢復(fù)過(guò)程在提高土壤有機(jī)質(zhì)含量的同時(shí)，促進(jìn)了土壤小團(tuán)聚體向大團(tuán)聚的轉(zhuǎn)化，從而提高了團(tuán)聚體的穩(wěn)定性和土壤抗蝕能力。

土壤團(tuán)聚體的分形維數(shù)可以定量化反映土壤團(tuán)聚體機(jī)構(gòu)，分形維數(shù)越低，土壤質(zhì)地均一性越好，土壤通透性也越好[28]。本研究結(jié)果表明，3 a的植被恢復(fù)過(guò)程可以提高機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體的分形維數(shù)，可能的原因是植被恢復(fù)過(guò)程導(dǎo)致了土壤有機(jī)質(zhì)含量的差異，引起土壤團(tuán)聚體團(tuán)聚作用的不同，從而導(dǎo)致團(tuán)聚體大小和土壤結(jié)構(gòu)的差異，而這些差異必然在分形維數(shù)上得到體現(xiàn)。

3.2 結(jié) 論

(1) 在重金屬重度污染土壤中施加石灰，并結(jié)合植被修復(fù)3 a后，可提高土壤有機(jī)質(zhì)含量2.89%～5.39%，并可>0.25 mm 機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體(DR0.25)和水穩(wěn)定性團(tuán)聚體(WR0.25)含量，提高幅度分別為6.64%～10.4%和13.3%～17.5%。

(2) 3種植被與石灰聯(lián)合修復(fù)3 a后，顯著提高機(jī)械穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性團(tuán)聚體質(zhì)量平均直徑(MWD)，提高幅度為5.05%～16.2%和5.26%～24.2%，在幾何平均直徑(GMD)方面，提高幅度為15.2%～29.1%和9.38%～25.0%。同時(shí)可顯著降低土壤機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體分形維數(shù)，降低幅度為1.90%～3.81%。

(3) 在重金屬重度污染土壤中施加石灰，降低重金屬毒性后種植海州香薷、伴礦景天和巨菌草均可以改善土壤質(zhì)量，適宜在重金屬重度污染土壤的田間修復(fù)實(shí)踐中進(jìn)行推廣。

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EffectsofVegetationRestorationonSoilOrganicMatterandAggregateCharacteristicsofHeavyMetalContaminatedSoils

XU Lei1,2,3,5, ZHOU Jun1,2,5, ZHANG Wenhui1,2,5, CUI Hongbiao6,LIU Hailong1,2,3,5, LIU Chuanghui1,7, LIANG Jiani1,2,5, ZHOU Jing1,2,3,4，5

(1.InstituteofSoilScience,ChineseAcademyofSciences,Nanjing210008,China; 2.KeyLaboratoryofSoilEnvironmentandPollutionRemediation,InstituteofSoilScience,Nanjing210008,China; 3.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China; 4.JiangxiAcademyofScience,JiangxiEngineeringResearchCenterofEco-RemediationofHeavyMetalPollution,Nanchang330096,China; 5.NationalEngineeringandTechnologyResearchCenterforRedSoilImprovement,RedSoilEcologicalExperimentStation,ChineseAcademyofSciences,LiujiazhanPlantation,Yingtan,Jiangxi335211,China; 6.SchoolofEarthandEnvironment,AnhuiUniversityofScienceandTechnology,AnhuiHuainan, 232001,China; 7.SchoolofEnvironmentalScienceandEngineering,Chang′anUniversity,Xi′an710064,China)

In order to study the influence of vegetation restoration on soil organic carbon and soil aggregate structure and stability, a 3-year in-situ experiment was conduct. In a Cu and Cd contaminated farmland, 12 plots were built, after applying the passivation materials(except the CK treatment), three kinds of plants (Elsholtziasplendens,SedumplumbizincicolaandPennisetumsinese) were planted, three years later, the soils were collected to analyze the content of soil organic matter and aggregate composition, and then the content of >0.25 mm mechanical-stable (DR0.25) and water-stable (WR0.25) aggregates, aggregate mean mass diameter, geometric mean diameter, aggregate stability rate and fractal dimension (D) were analyzed too. The results showed that after the 3-year vegetation restoration, all of the 3 vegetation treatments increased soil organic matter content, and improved the contents of >0.25 mm mechanical-stable(DR0.25) and water-stable (WR0.25) aggregates, increased by 2.89%～5.39%, 6.64%～10.40% and 13.34%～17.48%, respectively. The three kinds of plant treatments could significantly improve aggregate mean mass diameter and geometric mean diameter, the largest increase was the treatment ofPennisetumsinese. In aggregate stability, 3 kinds of plant treatments could improve the aggregate stability rate, the treatment ofElsholtziasplendenswith the largest increase. The vegetation restoration could significantly reduce the soil mechanical-stable aggregate fractal dimension, but have no obvious influence on the water-stable aggregates fractal dimension. In summary, the content of organic matter and soil aggregate stability can be improved by adding passivation materials and in-situ phytoremediation, in this way the soil structure can be improved, the soil quality will be restored in the process.

soil; heavy metal pollution; vegetation restoration; organic matter; aggregate stability

S153

A

1005-3409(2017)06-0194-06

2016-12-09

2017-01-07

國(guó)家“973計(jì)劃”課題(2013CB934302);國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題(2015BAD05B01);國(guó)家自然科學(xué)基金(41571461);國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(41601340)資助

徐磊(1988—),男,河南南陽(yáng)人,博士研究生,主要從事環(huán)境污染的防治研究。E-mail:lxu@issas.ac.cn

周靜(1963—),男,安徽肥西人,研究員,主要從事土壤污染生態(tài)修復(fù)與技術(shù)研發(fā)工作。E-mail:zhoujing@issas.ac.cn