先鋒修復(fù)植物對(duì)土法煉鋅廢渣基質(zhì)養(yǎng)分及微生物學(xué)特性的影響

邢容容,吳永貴,2,3,羅有發(fā),姚 璁,舒 潔,吳芷雪,萬祖榮

(1.貴州大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院,貴陽 550025; 2.貴州省喀斯特環(huán)境生態(tài)工程研究中心,貴陽 550025; 3.貴州省環(huán)境功能材料與設(shè)備研發(fā)研究生工作站,貴陽 550025)

貴州省鉛鋅礦產(chǎn)資源豐富，其產(chǎn)量占全國鉛鋅產(chǎn)量的10%左右[1]，主要分布在黔西北地區(qū)的水城、威寧、赫章等縣。黔西北地區(qū)土法煉鋅已具有300多年的冶煉歷史，由于該工藝簡單，Zn回收率低，致使大部分未回收的Zn及其他伴礦重金屬(Pb，Cu，Cd，As等)殘留于土法煉鋅廢渣中，大量未經(jīng)任何處理的鉛鋅冶煉廢渣堆積在環(huán)境中，廢渣中高含量的重金屬極易通過地表徑流、風(fēng)力擴(kuò)散等途徑擴(kuò)散至周圍環(huán)境介質(zhì)中，對(duì)周邊及下游的水環(huán)境質(zhì)量、農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量、人體健康產(chǎn)生嚴(yán)重影響。因此，近年來，土法煉鋅廢渣堆積產(chǎn)生的環(huán)境問題備受專家學(xué)者及政府的廣泛關(guān)注。迄今為止，關(guān)于土法煉鋅廢渣的研究主要集中于重金屬的地球化學(xué)特征[2-3]、重金屬風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[4-5]、廢渣基質(zhì)改良[6-7]、生態(tài)修復(fù)[6,8-9]等方面，而對(duì)于植生條件極差的廢渣堆場(物理結(jié)構(gòu)差、養(yǎng)分貧瘠、重金屬含量高、生物活性低等)上自然定居的先鋒植物研究較少[10]，對(duì)于野外現(xiàn)場進(jìn)行基質(zhì)改良后生態(tài)修復(fù)的先鋒草本植物及隨后自然定居的先鋒植物的研究尚未見報(bào)道。

根—土界面的根際微域因其特殊的物理、化學(xué)及生物學(xué)特性，已成為研究植物—土壤—微生物之間相互聯(lián)系的重要領(lǐng)域[11-12]，研究根際微域土壤養(yǎng)分、酶活性、微生物數(shù)量對(duì)于評(píng)價(jià)土壤生態(tài)修復(fù)效應(yīng)也具有重要意義[13]。有研究表明，根際微域在植物生態(tài)修復(fù)過程中，對(duì)重金屬的生物地球化學(xué)過程[14-15]及改善基質(zhì)的理化與生物學(xué)特性[16]方面具有重要的影響。本文以貴州省威寧縣猴場鎮(zhèn)群發(fā)村土法冶煉廢渣堆場為研究區(qū)域，選擇經(jīng)基質(zhì)改良后生態(tài)修復(fù)的豆科車軸草屬白三葉草(Trifoliumrepens)、禾本科黑麥草屬黑麥草(Perennialryegrass)，以及隨著基質(zhì)植生條件改善后自然定居的藜科藜屬植物土荊芥(Chenopodiumambrosioides)和小灌木的玄參科醉魚草屬大葉醉魚草(Buddlejiadavidii)等先鋒修復(fù)植物為研究對(duì)象，探討4種類型植被的先鋒修復(fù)植物對(duì)土法煉鋅廢渣基質(zhì)的理化性質(zhì)、酶活性、微生物數(shù)量和活性的影響，并對(duì)其現(xiàn)場修復(fù)效果進(jìn)行肥力綜合評(píng)價(jià)，以期為指導(dǎo)土法煉鋅廢渣堆場的生態(tài)修復(fù)或植被重建提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況及樣品采集處理

研究區(qū)域以貴州省黔西北威寧縣猴場鎮(zhèn)群發(fā)村某一歷史遺留土法煉鋅廢渣堆場作為生態(tài)修復(fù)試驗(yàn)場地(北緯26°41′14″，東經(jīng)104°43′45″)，平均海拔2 200 m，年平均氣溫10℃左右(冬無嚴(yán)寒，夏無酷暑)，屬亞熱帶季風(fēng)氣候帶，無霜期180 d，年均日照時(shí)數(shù)為1 800 h，年均降水量890 mm。2012年本課題組對(duì)植物立地條件極差的該廢渣堆場進(jìn)行必要的植生特性改良，并選擇兩種一年生或多年生的草本植物(黑麥草和三葉草)作為先鋒植物開展渣場生態(tài)修復(fù)示范，隨著廢渣堆場植生特性的改善，生物量較大的非人工種植小灌木玄參科醉魚草屬大葉醉魚草及藜科藜屬土荊芥兩種先鋒植物在廢渣場上自然定居，且4種先鋒植物(三葉草、黑麥草、土荊芥、大葉醉魚草)已在堆場表面上正常生長4 a(2012—2015年)，其中4種植物在堆場上的分布情況為黑麥草和三葉草分別成片生長，且兩種植物生長區(qū)域無其他植物存在。隨著植物群落的演替，一年生的黑麥草和三葉草逐漸枯落，土荊芥和大葉醉魚草生長區(qū)域內(nèi)無黑麥草和三葉草存在。

2015年10月選擇生態(tài)修復(fù)示范區(qū)域中成片生長的三葉草、黑麥草、土荊芥、大葉醉魚草作為研究對(duì)象，根據(jù)4種植物的分布特點(diǎn)劃分為3個(gè)采樣區(qū)域(如圖1中Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ所示)，在每個(gè)采樣區(qū)域(各采樣區(qū)域中均有大葉醉魚草、土荊芥、黑麥草和三葉草的單一聚集生長群)中分別設(shè)置4 m×4 m，1 m×1 m的樣方采集灌木及草本植物樣品，分別在每個(gè)樣方中隨機(jī)選擇3株長勢(shì)基本相同且呈單一聚群分布的大葉醉魚草、土荊芥、黑麥草和三葉草(植物間無相互影響)，在盡量不損害根系的情況下，在每個(gè)樣方中挖取且具有完整根系的廢渣基質(zhì)，輕輕抖落不含根系的廢渣基質(zhì)，收集其作為非根際廢渣基質(zhì)，然后用力將根表面附著的廢渣基質(zhì)全部抖落下來，收集其作為根際廢渣基質(zhì)，將每個(gè)樣方中采集的每種植物的根際和非根際廢渣基質(zhì)分別混勻，按四分法縮分得到每種植物對(duì)應(yīng)的1個(gè)綜合樣品。在3個(gè)采樣區(qū)域內(nèi)設(shè)置的樣方中共獲得每種植物對(duì)應(yīng)的根際及非根際廢渣基質(zhì)樣品各3個(gè)，4種植物共采集樣品24個(gè)。同時(shí)在該研究區(qū)域內(nèi)選擇無植被生長的裸露廢渣區(qū)域(如圖1中Ⅳ所示)為對(duì)照，按照“S”型路線采集5個(gè)0—20 cm的表層裸露廢渣樣品混勻后作為1個(gè)對(duì)照樣品，共采集3個(gè)對(duì)照樣品。由于對(duì)照廢渣無植被生長，故不區(qū)分根際與非根際廢渣。采集后的廢渣基質(zhì)裝入無菌袋密封保存帶回實(shí)驗(yàn)室，將采回的廢渣去除其中的大顆粒石子及植物根系后采用四分法縮分成兩份，一份廢渣置于4 ℃冰箱中保存，用于廢渣基質(zhì)酶活性、呼吸作用強(qiáng)度、微生物數(shù)量等生物學(xué)指標(biāo)的測(cè)定；另一份廢渣放在室內(nèi)通風(fēng)處自然風(fēng)干后研磨、過篩，用于土法煉鋅廢渣理化性質(zhì)的測(cè)定。

注：Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ分別代表采樣區(qū)域1，采樣區(qū)域2，采樣區(qū)域3，采樣區(qū)域4(裸地對(duì)照)

圖1研究區(qū)示意圖

1.2 測(cè)定指標(biāo)及方法

廢渣基質(zhì)化學(xué)性質(zhì)測(cè)定參照鮑士旦[17]編著的《土壤農(nóng)化分析》進(jìn)行，其中pH值和電導(dǎo)率分別采用玻璃電極法(廢渣基質(zhì)∶水=1∶2.5)和原位電極法測(cè)定；有效氮采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定，有效磷采用0.5 mol/L NaHCO3溶液浸提—鉬銻抗比色法測(cè)定，全氮采用半微量凱氏定氮法測(cè)定，全磷采用H2SO4-HClO4消煮—鉬銻抗比色法測(cè)定，有機(jī)質(zhì)采用高溫外加熱重鉻酸鉀氧化—容量法測(cè)定，有效鉀含量采用1 mol/L乙酸銨浸提—原子吸收分光光度法測(cè)定。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010及IBM SPSS Statistics 22.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，Origin 8.6軟件進(jìn)行繪圖。采用單因素方差分析法(one-way ANOVA)對(duì)廢渣酶活性、養(yǎng)分、微生物活性進(jìn)行方差分析和差異顯著性檢驗(yàn)(p=0.05)，并采用Duncans法進(jìn)行多重比較。廢渣酶活性、養(yǎng)分、微生物數(shù)量間的相關(guān)性采用Pearson相關(guān)系數(shù)分析。用主成分分析法提取累計(jì)方差貢獻(xiàn)率≥85%的公因子，用回歸法計(jì)算對(duì)照、不同植物根際和非根際的公因子得分。

2 結(jié)果與分析

2.1 先鋒修復(fù)植物根際和非根際土法煉鋅廢渣基質(zhì)理化性質(zhì)

由表1可知，4種修復(fù)植物的根際和非根際pH值較對(duì)照(無植物生長的裸露廢渣)顯著降低(p<0.05)，表現(xiàn)為明顯的酸化現(xiàn)象，而4種植物根際和非根際廢渣基質(zhì)之間的pH值變化范圍較小(7.27～7.40)無顯著差異(p<0.05)。而修復(fù)植物的存在對(duì)廢渣電導(dǎo)率的影響與pH值的變化規(guī)律相反，即植被的存在可不同程度地增加廢渣基質(zhì)中的離子濃度，表現(xiàn)為：非根際>根際>裸地(除黑麥草根際廢渣的EC低于對(duì)照外)，三葉草和黑麥草根際廢渣的電導(dǎo)率與對(duì)照間無顯著差異(p<0.05)，而大葉醉魚草和土荊芥根際廢渣電導(dǎo)率則顯著高于對(duì)照(p<0.05)。

表1結(jié)果表明，與對(duì)照相比，4種修復(fù)植物均可顯著(p<0.05)增加煉鋅廢渣基質(zhì)養(yǎng)分(全磷、全氮、有效磷、有效氮、有效鉀和有機(jī)質(zhì))含量。在4種修復(fù)植物中，三葉草根際廢渣基質(zhì)中全磷、全氮、有效磷和有效氮含量顯著高于另外3種修復(fù)植物(p<0.05)，其根際廢渣基質(zhì)中的全磷、全氮、有效磷和有效氮含量分別是對(duì)照的4.10，2.59，16.06，6.15倍；就有效鉀而言，大葉醉魚草和三葉草根際廢渣基質(zhì)有效鉀含量顯著高于其他2種植物及對(duì)照(p<0.05)，但三葉草與大葉醉魚草根際有效鉀含量無顯著差異(p>0.05)；就有機(jī)質(zhì)而言，4種修復(fù)植物根際對(duì)廢渣基質(zhì)的有機(jī)質(zhì)的影響作用大小依次為土荊芥>三葉草>黑麥草>大葉醉魚草，其中黑麥草根際與非根際有機(jī)質(zhì)差異顯著，而其他3種植物根際與非根際間無顯著差異(p<0.05)。

2.2 先鋒修復(fù)植物根際和非根際土法煉鋅廢渣基質(zhì)中酶活性特征

由圖2可知，無植被存在的裸露廢渣的酶活性極低，其脲酶、蔗糖酶、磷酸酶、過氧化氫酶活性分別為0.05 mg/(g·d)，0.31 mg/(g·d)，0.12 mg/(g·d)，1.24 mL/(g·h)。與對(duì)照相比，4種先鋒修復(fù)植物存在可明顯增加根際廢渣基質(zhì)酶活性(脲酶、蔗糖酶、磷酸酶和過氧化氫酶)，且均表現(xiàn)為：根際>非根際>對(duì)照，其中4種植物根際廢渣基質(zhì)酶活性顯著(p<0.05)高于非根際(除過氧化氫酶外)，表現(xiàn)出明顯的根際效應(yīng)。4種修復(fù)植物的存在對(duì)廢渣基質(zhì)酶活性的影響作用不同，其中，根際廢渣脲酶和蔗糖酶活性方面表現(xiàn)為：三葉草>大葉醉魚草>黑麥草>土荊芥；根際廢渣磷酸酶活性方面表現(xiàn)為：三葉草>黑麥草>大葉醉魚草>土荊芥；4中植物根際廢渣過氧化氫酶活性表現(xiàn)為：黑麥草>三葉草>大葉醉魚草>土荊芥，其中黑麥草存在下的廢渣過氧化氫酶活性顯著高于大葉醉魚草和土荊芥(p<0.05)。

2.3 先鋒修復(fù)植物根際和非根際土法煉鋅廢渣基質(zhì)中微生物數(shù)量及活性特征

由表2可見，與植被修復(fù)的廢渣相比，無植被恢復(fù)的裸露廢渣(對(duì)照)的三大微生物類群(細(xì)菌、真菌、放線菌)數(shù)量、微生物活性(呼吸作用強(qiáng)度)、微生物量含量均極低。而4種先鋒修復(fù)植物的存在則可明顯改善土法煉鋅廢渣基質(zhì)中的微生物數(shù)量及活性。與對(duì)照相比，4種植被的存在可顯著增加廢渣基質(zhì)細(xì)菌、真菌和放線菌的數(shù)量，表現(xiàn)為：根際>非根際>裸地對(duì)照，其中，4種植物存在下廢渣基質(zhì)的細(xì)菌、真菌和放線菌數(shù)量分別是對(duì)照的140.63～9 375，46.32～1 110.29，65.22～19 927.52倍。其中，三葉草根際廢渣中細(xì)菌的數(shù)量、大葉醉魚草根際廢渣基質(zhì)中的真菌和放線菌數(shù)量均為最高，且均分別與其余3種植物根際廢渣中的微生物數(shù)量存在顯著(p<0.05)差異。

與無植被覆蓋的裸露廢渣相比，4種植物根際和非根際廢渣基質(zhì)的呼吸作用強(qiáng)度和微生物量含量均高于對(duì)照，且根際與對(duì)照間存在顯著(p<0.05)差異，根際聚集效應(yīng)明顯。4種植被根際廢渣基質(zhì)中呼吸作用強(qiáng)度及微生物量含量大小依次分別為大葉醉魚草>土荊芥>黑麥草>三葉草和三葉草>黑麥草>大葉醉魚草>土荊芥。

表1 4種先鋒修復(fù)植物根際和非根際土法冶煉廢渣基質(zhì)理化性質(zhì)

注：表中R代表根際，NR代表非根際，表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，不同小寫字母表示同一列4種植物根際、非根際及對(duì)照間存在差異顯著性(p<0.05)，下同。

2.4 先鋒修復(fù)植物根際土法煉鋅廢渣的養(yǎng)分與酶活性、微生物活性的相關(guān)性分析

由表3可看出，4種先鋒修復(fù)植物根際廢渣基質(zhì)養(yǎng)分與酶活性、微生物數(shù)量整體上呈正相關(guān)關(guān)系。其中，全氮與細(xì)菌及磷酸酶分別呈極顯著(p<0.01)及顯著(p<0.05)相關(guān)；有效氮與蔗糖酶和磷酸酶呈極顯著相關(guān)(p<0.01)，與脲酶和微生物量呈顯著相關(guān)(p<0.05)；有效鉀與真菌、呼吸作用強(qiáng)度及微生物量呈顯著相關(guān)(p<0.05)。而有機(jī)質(zhì)與酶活性、微生物活性均無顯著相關(guān)。4種植物根際廢渣基質(zhì)酶活性與微生物活性均呈正相關(guān)，且具有較高的相關(guān)系數(shù)，其中4種酶(脲酶、蔗糖酶、磷酸酶和過氧化氫酶)與微生物量均顯著相關(guān)(p<0.05)，脲酶、蔗糖酶與真菌顯著相關(guān)(p<0.05)，說明4種先鋒修復(fù)植物根際廢渣基質(zhì)酶活性與微生物活性關(guān)系密切。

注：圖中R代表根際，NR代表非根際，4種酶活性Sig<0.001。不同小寫字母表示4種植物根際、非根際及對(duì)照間存在差異顯著性(p<0.05)。

圖2 4種先鋒修復(fù)植物根際和非根際土法煉鋅廢渣基質(zhì)酶活性

2.5 不同先鋒修復(fù)植物根際和非根際廢渣肥力評(píng)價(jià)

為了更好地評(píng)價(jià)4種先鋒修復(fù)植物修復(fù)對(duì)土法煉鋅廢渣的肥力狀況的影響，選擇冶煉廢渣的pH，EC、微生物量、呼吸作用強(qiáng)度、養(yǎng)分、微生物數(shù)量和酶活性共17個(gè)相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析。由表4可以看出，第一主成分的方差貢獻(xiàn)率最大，為63.25%，涵蓋了一半以上的信息，對(duì)鉛鋅冶煉廢渣的肥力狀況起主導(dǎo)作用。4個(gè)主成分的累積方差貢獻(xiàn)率達(dá)到了94.47%，能反映出4種先鋒修復(fù)植物根際與非根際廢渣各指標(biāo)的相對(duì)重要性及其之間的相互關(guān)系。

對(duì)17個(gè)鉛鋅冶煉廢渣基質(zhì)肥力因子在各主成分上的因子載荷分析(表4)表明，土法煉鋅廢渣基質(zhì)脲酶、蔗糖酶、有效氮、磷酸酶、微生物量、真菌、有效磷和有效鉀對(duì)第一主成分影響較大，綜合了絕大部分酶活性、微生物及養(yǎng)分信息，其中脲酶、蔗糖酶和磷酸酶的載荷均較高，集中反映了基質(zhì)水解酶活性狀況，可命名為水解酶活性因子(F1)。第二主成分包含EC、有機(jī)質(zhì)等信息，其中EC的載荷較高，集中反映了基質(zhì)的可溶性鹽溶解狀況，故可命名為EC因子(F2)。第三主成分中，放線菌和細(xì)菌的載荷較其他因子高，集中反映了基質(zhì)中微生物活性，可命名為微生物因子(F3)。第四主成分中，過氧化氫酶的載荷相對(duì)較高，集中反映了基質(zhì)過氧化氫酶活性，可命名為過氧化氫酶活性因子(F4)。

表3 4種先鋒修復(fù)植物根際廢渣基質(zhì)養(yǎng)分與酶活性、微生物活性間的相關(guān)系數(shù)

注：**表示在0.01水平(雙側(cè))上極顯著相關(guān)，*表示在0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

表4 主成分因子載荷矩陣及主成分特征根

將因子載荷換算為規(guī)格化特征向量[22]后，可以得到反映土壤肥力水平的4個(gè)主成分表達(dá)式：

F1=-0.181x1-0.056x2+0.256x3+0.254x4+0.267x5+0.289x6+0.257x7+0.120x8+0.297x9+0.295x10+0.285x11+0.160x12+0.242x13+0.281x14+0.210x15+0.230x16+0.285x17

F2=-0.309x1+0.588x2+0.010x3-0.097x4+0.092x5-0.136x6+0.219x7+0.509x8-0.071x9-0.098x10-0.193x11-0.216x12-0.182x13+0.028x14-0.028x15+0.285x16+0.042x17

F3=0.165x1-0.130x2+0.331x3+0.357x4+0.293x5+0.049x6-0.269x7+0.252x8-0.068x9-0.044x10+0.060x11-0.318x12+0.361x13-0.147x14-0.363x15-0.305x16-0.082x17

F4=0.510x1+0.012x2-0.020x3-0.075x4+0.064x5-0.082x6-0.110x7-0.030x8+0.137x9+0.155x10-0.111x11-0.589x12-0.018x13+0.296x14+0.441x15+0.153x16-0.040x17

式中：x1，x2，…，x17分別代表pH值、EC、全磷、全氮、有效磷、有效氮、有效鉀、有機(jī)質(zhì)、脲酶、蔗糖酶、磷酸酶、過氧化氫酶、細(xì)菌、真菌、放線菌、呼吸作用強(qiáng)度和微生物量。將裸地對(duì)照、根際和非根際廢渣的上述17個(gè)指標(biāo)分別代入表達(dá)式，計(jì)算各主成分的得分，再以各主成分的方差貢獻(xiàn)率為權(quán)數(shù)，對(duì)所提取的得分進(jìn)行加權(quán)求和，得到4種先鋒修復(fù)物根際廢渣和非根際廢渣反映土法煉鋅廢渣肥力水平的綜合得分(表5)。

表5 主成分因子得分及土法煉鋅廢渣基質(zhì)肥力水平綜合得分

結(jié)果表明，土法煉鋅廢渣基質(zhì)肥力水平綜合得分總體上表現(xiàn)出：根際>非根際>對(duì)照。說明此4種先鋒植物修復(fù)能明顯改善土法煉鋅廢渣基質(zhì)的肥力狀況，其中，三葉草根際廢渣基質(zhì)肥力綜合得分最高，其次是大葉醉魚草，而對(duì)照廢渣的最低。說明植物的存在明顯改善了冶煉廢渣基質(zhì)的肥力狀況，且在4種先鋒修復(fù)植物中，三葉草作為先鋒草本植物對(duì)土法煉鋅廢渣基質(zhì)的修復(fù)效果最好。

3 討 論

本研究表明，4種先鋒修復(fù)植物根際廢渣基質(zhì)養(yǎng)分(全磷、全氮、有效磷、有效氮、有效鉀和有機(jī)質(zhì))含量均高于非根際和裸地廢渣，呈現(xiàn)明顯的根際聚集現(xiàn)象。一方面可能是因?yàn)橹参镌谑艿酵饨缫蛩孛{迫(養(yǎng)分貧瘠、重金屬含量高)條件下，根際分泌的低分子有機(jī)化合物在養(yǎng)分活化方面作用突出，即這些低分子有機(jī)化合物可通過改變根際土壤的pH值，Eh條件或通過螯合作用和還原作用來增加某些養(yǎng)分的溶解度和移動(dòng)性，進(jìn)而促進(jìn)植物對(duì)這些養(yǎng)分的吸收，使根際土壤養(yǎng)分含量明顯提高[25-26]；另一方面，植物的根系分泌物中含有較高濃度碳水化合物、氨基酸等物質(zhì)，是根際微生物生存與繁殖所需碳源和氮源的重要來源，促進(jìn)根際微生物大量繁殖，微生物的存在又可以大大促進(jìn)根系分泌物的釋放及自身有機(jī)酸等活化根際礦物養(yǎng)分物質(zhì)的分泌，并將植物根系周圍的養(yǎng)分向根際聚集、吸收，構(gòu)成良性循環(huán)，但該過程受根際環(huán)境和生物綜合因素的影響和制約程度較大[25]。本研究中，無植被覆蓋的裸地的有機(jī)質(zhì)含量數(shù)據(jù)顯示其具有較高含量有機(jī)質(zhì)，這與廢渣物理結(jié)構(gòu)差、養(yǎng)分貧瘠的現(xiàn)實(shí)相矛盾，這種有機(jī)質(zhì)存在“虛高”的現(xiàn)象可能與土法煉鋅廢渣基質(zhì)中含有的未完全燃燒的單質(zhì)碳(即作為燃料的煤，很難被生物直接利用)及其他還原性物質(zhì)有關(guān)，因?yàn)槔帽狙芯恐杏袡C(jī)質(zhì)的測(cè)試方法易將非有機(jī)質(zhì)部分的氧化作用誤判為有機(jī)質(zhì)的含量的增加，從而造成廢渣基質(zhì)有機(jī)質(zhì)含量呈現(xiàn)“虛高”現(xiàn)象[7]。

4種先鋒植物存在對(duì)土法煉鋅廢渣基質(zhì)酶活性具有較大的改善作用，主要表現(xiàn)為4種植物根際廢渣基質(zhì)的酶活性(脲酶、蔗糖酶和磷酸酶活性)顯著高于非根際。這與孟令軍[27]、張學(xué)利[28]等的研究結(jié)果相似。根際廢渣基質(zhì)中酶活性的變化主要有兩方面的原因：一是根系因自身的生理活動(dòng)及周圍環(huán)境脅迫的影響而向根際廢渣基質(zhì)分泌大量的酶[29]；二是植物根際土壤微域是微生物特殊的生境，根際微生物數(shù)量總是比非根際要高得多(表2)，當(dāng)微生物受到根際微域環(huán)境因素刺激時(shí)，便不斷向周圍介質(zhì)分泌酶，使根際內(nèi)外酶活性存在很大的差異[30]。

4種先鋒植物的存在對(duì)促進(jìn)土法煉鋅廢渣基質(zhì)的微生物數(shù)量及活性具有重要作用，且廢渣基質(zhì)的微生物活性具有明顯的根際聚集現(xiàn)象，即廢渣基質(zhì)的微生物活性均表現(xiàn)為：根際>非根際>對(duì)照，這與楊期和等[16]的研究結(jié)果相似。這可能與植物根系對(duì)土法煉鋅廢渣重金屬的吸收降低了根際環(huán)境重金屬含量、以及先鋒植物相關(guān)的有機(jī)質(zhì)的輸入(如根系分泌物、凋落物)降低重金屬的生物有效性，最終為根際微生物的生存與繁殖提供了有利的環(huán)境條件有關(guān)。

大量研究表明，土壤養(yǎng)分、酶活性及微生物數(shù)量之間存在密切關(guān)系[31-32]。土壤中脲酶、磷酸酶等酶活性可以一定程度反映土壤中C，N，P，K的轉(zhuǎn)化強(qiáng)度，在營養(yǎng)元素物質(zhì)交換過程中占據(jù)著非常重要的地位[33]。本研究表明，4種植物根際廢渣養(yǎng)分與酶活性呈正相關(guān)，其中總氮與磷酸酶、有效氮與脲酶顯著相關(guān)，有效氮與蔗糖酶、磷酸酶極顯著相關(guān)，這與王笛等[31]、銀秋玲等[34]的研究結(jié)果一致。說明廢渣基質(zhì)脲酶、蔗糖酶和磷酸酶活性有利于廢渣基質(zhì)中氮素的轉(zhuǎn)化及分解，提高其中氮素的有效性。根際廢渣基質(zhì)養(yǎng)分與微生物活性之間具有不同程度的相關(guān)性，其中總氮與細(xì)菌極顯著相關(guān)，有效氮與微生物量，有效鉀與真菌、呼吸作用強(qiáng)度、微生物量均顯著相關(guān)，這可能是由于植被存在可有效改善廢渣基質(zhì)水熱條件和通氣狀況，為根際微生物活動(dòng)創(chuàng)造了良好的環(huán)境條件，微生物又可以通過分解動(dòng)植物殘?bào)w而參與土壤系統(tǒng)中的能量流動(dòng)和物質(zhì)循環(huán)[35]。4種先鋒修復(fù)植物根際廢渣基質(zhì)的酶活性(脲酶、蔗糖酶、磷酸酶和過氧化氫酶)與微生物量，脲酶、蔗糖酶與真菌均顯著正相關(guān)。一般認(rèn)為土壤中的酶主要來自土壤微生物的代謝過程、植物根系分泌物和動(dòng)植物殘?bào)w腐解過程中釋放的酶[36]，故當(dāng)土壤微生物數(shù)量增加時(shí)，土壤酶活性增強(qiáng)，這與大多數(shù)認(rèn)為土壤酶活性與土壤微生物數(shù)量總體呈正相關(guān)的研究結(jié)論一致[31-32]。土壤酶活性增強(qiáng)又有助于提高土壤有效肥力，從而使土壤養(yǎng)分—微生物—酶活性間構(gòu)成良性循環(huán)，促進(jìn)土壤環(huán)境朝著良性方向發(fā)展，土壤質(zhì)量得到逐步提高。

主成分分析表明，第一主成分方差貢獻(xiàn)率高達(dá)63.25%，其中有效氮、脲酶和蔗糖酶活性載荷均較高，而有效氮與脲酶、蔗糖酶顯著相關(guān)和極顯著相關(guān)，說明植被改善土法煉鋅廢渣基質(zhì)綜合肥力狀況的過程中氮素發(fā)揮了重要作用。從4種先鋒修復(fù)植物根際和非根際廢渣基質(zhì)綜合肥力來看，根際廢渣均高于非根際和裸地，其中，白三葉草根際肥力狀況最佳。白三葉草作為豆科三葉草屬牧草，具有發(fā)達(dá)的側(cè)根系，可大量固定空氣中的N素，改變其根際廢渣的養(yǎng)分狀態(tài)，從而影響酶活性及微生物活性，此外，也有研究表明三葉草作為尾礦庫的優(yōu)勢(shì)植物，對(duì)重金屬具有較強(qiáng)的耐性[37]，故可選擇三葉草作為土法煉鋅廢渣堆場的先鋒植物進(jìn)行植生特性改良。

4 結(jié) 論

(1) 無植被覆蓋的土法煉鋅裸地廢渣呈中性—微堿性且養(yǎng)分貧瘠等特征，4種先鋒修復(fù)植物能夠有效的改善鉛鋅冶煉廢渣基質(zhì)的化學(xué)特性和養(yǎng)分特性?？傮w上，與無植被覆蓋的裸地相比，先鋒修復(fù)植物能明顯增加廢渣基質(zhì)中全氮、全磷、有效氮、有效磷、有效鉀和有機(jī)質(zhì)含量，表現(xiàn)出明顯的根際聚集及酸化現(xiàn)象。

(2) 無植被覆蓋的土法煉鋅裸地廢渣基質(zhì)酶活性、微生物活性均較低，先鋒修復(fù)植物定居能顯著改善廢渣基質(zhì)的微生物學(xué)特性。同對(duì)照區(qū)域的廢渣相比，先鋒植物定居可在一定程度上增加4種酶活性(脲酶、蔗糖酶、磷酸酶和過氧化氫酶)、三大微生物類群(細(xì)菌、真菌、放線菌)數(shù)量、廢渣基質(zhì)呼吸作用強(qiáng)度和微生物量。

(3) 4種先鋒修復(fù)植物煉鋅廢渣基質(zhì)養(yǎng)分、酶活性及微生物活性之間具有密切的相關(guān)性，其中有效氮與蔗糖酶和磷酸酶極顯著相關(guān)(p<0.01)，有效鉀與真菌、呼吸作用強(qiáng)度及微生物量顯著相關(guān)(p<0.05)，4種酶與微生物量顯著相關(guān)(p<0.05)。

(4) 主成分分析表明，4種先鋒修復(fù)植物能有效改善廢渣基質(zhì)的肥力狀況，三葉草根際廢渣基質(zhì)肥力綜合得分最高，對(duì)土法煉鋅廢渣基質(zhì)的修復(fù)效果最好，因此，在土法煉鋅廢渣堆場生態(tài)修復(fù)過程中，可選擇三葉草作為先鋒植物改良廢渣植生特性，以為其他植物的大量著生提供有利條件。