礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)中綠化樹種的選取研究

蘇軍德，李國(guó)霞，趙曉冏

(1.甘肅有色冶金職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 金昌 737100； 2.甘肅省環(huán)境科學(xué)設(shè)計(jì)研究院，甘肅 蘭州 730000)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，礦山開采強(qiáng)度不斷加大，礦區(qū)土地資源遭到了嚴(yán)重破壞，在礦區(qū)周圍形成了不同類型的礦山廢棄地，對(duì)礦區(qū)周圍生態(tài)環(huán)境造成了不良影響，如破壞地表植被、改變土壤理化性質(zhì)、引起水土流失、誘發(fā)滑坡泥石流等[1-2]。近年來，對(duì)礦區(qū)生態(tài)修復(fù)的研究[3-5]表明，苗木成活率低、生存年限短、補(bǔ)栽現(xiàn)象嚴(yán)重等是礦區(qū)生態(tài)修復(fù)中存在的突出問題。因此，對(duì)礦區(qū)生態(tài)修復(fù)中物種選取和栽培技術(shù)的研究就顯得尤為重要。

甘肅省金昌市是我國(guó)重要的鎳鈷生產(chǎn)基地，干旱的氣候條件和大規(guī)模的開采冶煉導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)脆弱，滑坡、泥石流等各種生態(tài)環(huán)境問題頻發(fā)[6]。尤其是大量的尾礦和矸石堆積成的礦山，不僅改變了區(qū)域內(nèi)土壤的理化性質(zhì)，而且使水體和植物遭到重金屬的污染，從而導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)苗木成活率低，植物種群演替緩慢，給礦山廢棄地的生態(tài)修復(fù)帶來了一定的困難。本研究針對(duì)上述問題，綜合多項(xiàng)指標(biāo)對(duì)金川礦區(qū)內(nèi)的綠化樹種進(jìn)行定量研究，旨在為干旱區(qū)礦山廢棄地綠化樹種的選取提供一定的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)概況

金昌市位于河西走廊東段、祁連山北麓、阿拉善臺(tái)地南緣，地處101°04′35″～102°43′40″E、37°47′10″～39°00′30″N，屬于溫帶大陸性干旱氣候，光照充足，雨熱同期，年均氣溫4.8～9.2 ℃，多年平均降水量約為210 mm，蒸發(fā)量是降水量的21倍[7-8]，植被屬暖溫帶荒漠型植被。金川礦山區(qū)域以栗鈣土、灰鈣土及灰棕漠土為主，礦區(qū)尾礦砂中還含有0.22%的Ni、0.20%的Cu、0.07%的Cd等重金屬元素[9]。本研究選取金川礦山區(qū)主要的綠化樹種進(jìn)行調(diào)查，并測(cè)定其重金屬含量，對(duì)本區(qū)域內(nèi)綠化樹種的適應(yīng)性進(jìn)行綜合分析研究。

2 方法與材料

2.1 綠化樹種調(diào)查方法

本研究采用實(shí)地調(diào)查的方法對(duì)金川礦山廢棄地的綠化樹種進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。根據(jù)該礦山廢棄地的造林年限，分別對(duì)造林1、2、3和4 a的綠化樹種的株高、胸徑、新梢生長(zhǎng)量及各樹種的存活率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并以此作為主要依據(jù)評(píng)價(jià)各樹種對(duì)廢棄地的適應(yīng)性。

2.2 綠化樹種重金屬含量的測(cè)定方法

本研究主要測(cè)定油松、圓柏、檸條、紅柳、沙木蓼、駝絨藜6種綠化樹種根、莖、葉、花、果實(shí)各部分的重金屬含量，試驗(yàn)于2016年8月15日至9月4日在金川礦山生態(tài)修復(fù)試驗(yàn)地完成樣品采集工作。地上部分選擇2～3株綠化樹種，以20 cm為一段，分別采取莖、葉、花、果實(shí)，用蒸餾水沖洗干凈，然后在80 ℃恒溫下烘干至恒定質(zhì)量，粉碎過60目尼龍篩后裝瓶備用。根系部分采用鉆土芯法[10]采取，以采樣標(biāo)準(zhǔn)木為圓心，分別在半徑0.3、0.5、1.0 m的圓上按東、南、西、北確定4個(gè)取樣點(diǎn)，用直徑8.255 cm的土鉆以10 cm深度為間隔鉆取土樣，直至無根系出現(xiàn)[11]，所取根系裝入無菌自封袋，標(biāo)號(hào)備用。所取根系用蒸餾水反復(fù)沖洗后，在75 ℃烘箱中烘干至恒定質(zhì)量，粉碎過60目尼龍篩后裝瓶備用。所取樣品經(jīng)硝酸鈍化、消解、定容后，用Optima 7000DV電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀分析事先配制好的濃度梯度為2、10、20、100 mol/L的混配標(biāo)準(zhǔn)溶液，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線后，分析溶液。

3 結(jié)果與討論

3.1 綠化樹種的適應(yīng)性分析

3.1.1 綠化樹種新梢生長(zhǎng)量的差異性

對(duì)金川礦山廢棄地綠化樹種的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)綠化樹種主要由常綠喬木油松、圓柏和落葉灌木檸條、紅柳、沙木蓼、駝絨藜6種組成。綠化樹種適應(yīng)性調(diào)查分析結(jié)果(表1)表明，在金川礦山廢棄地，不同樹種間的新梢生長(zhǎng)量差異較大。常綠喬木油松、圓柏等新梢生長(zhǎng)量均較小，年生長(zhǎng)幅度為1～7 cm，這可能是松柏科植物生長(zhǎng)緩慢，且樹木移栽時(shí)根系受到一定程度的破壞，栽后立地條件不穩(wěn)，廢棄地巖性變化等因素所致[12]，但隨著樹齡的增長(zhǎng)，年生長(zhǎng)幅度有增大趨勢(shì)。相比常綠喬木，落葉灌木新稍生長(zhǎng)量較大，年生長(zhǎng)幅度為19～82 cm，且年生長(zhǎng)幅度隨著樹齡的增長(zhǎng)并無太大的變化。這說明立地條件、造林年限等因素對(duì)常綠喬木樹種新梢生長(zhǎng)量的影響較大，而對(duì)耐寒、耐旱的檸條、紅柳、沙木蓼、駝絨藜等落葉灌木樹種的新梢生長(zhǎng)量影響相對(duì)較小。

3.1.2 綠化樹種保存率及生長(zhǎng)態(tài)勢(shì)的差異性

在金川礦山廢棄地，不同綠化樹種的保存率及生長(zhǎng)態(tài)勢(shì)存在一定的差異(表1)：常綠喬木樹種保存率較高，并且長(zhǎng)期處于良好的生長(zhǎng)狀態(tài)，差異不大；落葉灌木中，檸條和紅柳的保存率較高，并且不同造林年限間沒有太大的差異，而沙木蓼和駝絨藜保存率較低，且在不同造林年限間存在一定的差異?？傮w來看，金川礦山廢棄地綠化樹種的適應(yīng)性表現(xiàn)為：油松>圓柏>檸條>紅柳>駝絨藜>沙木蓼。這說明沙木蓼和駝絨藜對(duì)立地環(huán)境的適應(yīng)性較差，因此在廢棄地植被恢復(fù)過程中，應(yīng)加強(qiáng)后期維護(hù)，及時(shí)補(bǔ)充水分和改善土壤理化性質(zhì)。

表1 金川礦山廢棄地綠化樹種適應(yīng)性調(diào)查分析結(jié)果

3.2 綠化樹種的重金屬吸收特征

3.2.1 不同綠化樹種間重金屬含量

在金川礦山廢棄地，不同綠化樹種的重金屬含量存在一定差異，且在同一綠化樹種中不同重金屬的含量也存在明顯的不同(表2)?？傮w來看，Cu在綠化樹種中含量較高，在沙木蓼中呈現(xiàn)出最高值，為78.63 mg/kg，各樹種按Cu含量高低排序?yàn)樯衬巨?駝絨藜>紅柳>檸條>油松>圓柏；Cd在綠化樹種中含量相對(duì)較低，最低值出現(xiàn)在圓柏中，為0.15 mg/kg，各樹種按含量高低排序?yàn)闄帡l>紅柳>沙木蓼>駝絨藜>油松>圓柏；而Mn和Ni在綠化樹種中含量居中。不同綠化樹種中重金屬含量也呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，圓柏、油松中重金屬含量相對(duì)較低，而檸條和紅柳中重金屬含量相對(duì)較高，這可能是常綠喬木樹種(圓柏、油松)生長(zhǎng)代謝緩慢，而落葉灌木樹種(檸條、紅柳)生長(zhǎng)旺盛、代謝速率較快所致[13]。

表2 不同綠化樹種重金屬含量 mg/kg

3.2.2 同種綠化樹種不同部位重金屬含量

金川礦山廢棄地同種綠化植物不同部位重金屬含量變化(圖1)表明，4種重金屬元素含量在各種綠化植物的不同部位表現(xiàn)出一定的規(guī)律性，多數(shù)表現(xiàn)為根>葉>莖，這表明對(duì)于重金屬的富集，綠化植物的根優(yōu)于葉和莖。根中較高的重金屬含量也同樣表明，綠化植物的根雖然對(duì)重金屬元素有很好的富集作用，但卻不能有效地傳輸?shù)街参锏钠渌课?。葉中重金屬含量高于莖，這可能是因?yàn)槿~的新陳代謝比較旺盛，對(duì)重金屬有較強(qiáng)的吸收富集作用，而莖主要起支持和養(yǎng)分傳輸作用，對(duì)重金屬的吸收富集作用較弱。

不同綠化植物各部位對(duì)Mn、Ni、Cu的吸收具有明顯的差異(r2<0.001)(圖1)。油松和圓柏的各部位對(duì)Mn和Ni的吸收富集表現(xiàn)為根>葉>莖，對(duì)Cu的吸收富集呈現(xiàn)出根>莖>葉，但對(duì)Cd的吸收富集各部位沒有表現(xiàn)出明顯的差異。紅柳對(duì)Mn、Ni、Cu的吸收富集表現(xiàn)為根>葉>莖，且各部位有明顯的差異，但對(duì)Cd的吸收富集各部位并未呈現(xiàn)出明顯的差異。檸條各部位對(duì)4種重金屬的吸收富集具有明顯的差異，表現(xiàn)為葉>根>莖。沙木蓼和駝絨藜各部位對(duì)4種重金屬的吸收并未呈現(xiàn)出規(guī)律性變化，除Cd外不同部位對(duì)同一金屬的吸收富集具有明顯的差異，這可能是沙木蓼和駝絨藜對(duì)不同金屬的吸收富集機(jī)理不同造成的。

圖1 綠化植物不同部位重金屬含量

3.2.3 不同綠化樹種中重金屬的滯留率

重金屬的滯留率是反映植物對(duì)重金屬耐性強(qiáng)弱的重要指標(biāo)，更能直觀地反映重金屬在植物體內(nèi)的轉(zhuǎn)移情況，滯留率高，說明植物通過根吸收的重金屬在根系中富集較多，轉(zhuǎn)移到地上部分較少，這可以有效地阻止重金屬對(duì)植物光合作用和新陳代謝活性的傷害，是植物自我保護(hù)的一種策略[13]。從金川礦山廢棄地不同綠化植物重金屬滯留率(表3)可以看出，Mn在不同綠化樹種中的滯留率都較高，說明Mn在植物根系中富集較多，很少向地上部分轉(zhuǎn)移；Ni在油松、圓柏和檸條中滯留率較低，但在其他綠化樹種中有較高的滯留率；除紅柳外，Cu在綠化樹種中的滯留率都較低，說明Cu在植物根系中富集較少，向地上部分轉(zhuǎn)移較多；Cd在常綠喬木樹種(圓柏、油松)中滯留率較低，但在落葉灌木樹種中都有較高的滯留率?？傮w來看，紅柳根系對(duì)重金屬有較高的吸收富集作用，能夠很好地阻止重金屬向地上部分轉(zhuǎn)移，可以有效地防止重金屬對(duì)光合作用和新陳代謝活性的破壞。

表3 各綠化樹種不同部位重金屬滯留率 %

4 結(jié) 論

近年來，隨著礦產(chǎn)資源的不斷開發(fā)利用，在礦區(qū)周圍形成了大量不同類型的礦山廢棄地。而礦山廢棄地由于堆積了大量的尾礦和矸石，改變了區(qū)域內(nèi)土壤的理化性質(zhì)，從而導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)苗木成活率低，植物種群演替緩慢，給區(qū)域內(nèi)礦山廢棄地的植被修復(fù)帶來了一定的困難。鑒于此，本研究對(duì)金川礦山廢棄地綠化樹種的保存率、新梢生長(zhǎng)量、生長(zhǎng)態(tài)勢(shì)及重金屬含量進(jìn)行了調(diào)查研究，結(jié)果表明，金川礦山廢棄地6種綠化樹種的適應(yīng)性有明顯的差異，具體表現(xiàn)為油松>圓柏>檸條>紅柳>駝絨藜>沙木蓼。在研究區(qū)，不同重金屬在6種綠化樹種中的含量具有明顯的差異，Cu在綠化樹種中含量最高，Cd在綠化樹種中含量最低。同時(shí)，綠化樹種不同部位對(duì)重金屬的吸收富集大體表現(xiàn)為根>葉>莖，這說明研究區(qū)綠化植物的根對(duì)重金屬有較強(qiáng)的吸收富集能力，具有典型的根系囤積重金屬的特征。

植物根系對(duì)重金屬的滯留率能夠很好地反映重金屬在植物體內(nèi)的轉(zhuǎn)移情況，同時(shí)也是植物自我保護(hù)的一種策略。研究區(qū)綠化樹種不同部位重金屬的滯留率表現(xiàn)出一定的差異，總體來看，紅柳根系對(duì)不同金屬都有較高的滯留率，除Cu外駝絨藜對(duì)其他重金屬的滯留率也較高，說明它們對(duì)重金屬具有良好的規(guī)避性和抵抗性。但考慮到研究區(qū)的氣候、綠化樹種的原始生物量、生長(zhǎng)特性等因素，作為本區(qū)域內(nèi)礦山廢棄地的綠化樹種，紅柳和檸條優(yōu)于其他樹種。

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