客土改良铜尾矿对香根草生理特征及重金属吸收的影响

方青，丁子微，孙庆业，王宁

（安徽大学资源与环境工程学院，合肥 230601）

铜陵矿产资源开采历史悠久，矿业开采过程中产生的尾矿占用了大量的土地资源，长期的风蚀和雨水淋溶导致尾矿中锰（Mn）、锌（Zn）、镉（Cd）、铅（Pb）等重金属污染了当地农田和地下水，引起了一系列环境问题，因此对该地区尾矿的修复和治理具有十分重要的现实意义[1-2]。

尾矿的极端养分贫瘠和结构不良对其修复和治理有很大的限制作用[3-4]。为改善基质的理化性质、促进复垦植被生长，一般需要对尾矿基质进行改良，其中客土改良作为一种常用的工程措施，在重金属污染土壤和盐碱土壤等养分贫瘠土壤的改良中均产生了良好的效果[5-6]。Zhang 等[7]通过分析铅锌尾矿重金属在不同覆土条件下的迁移得出，表土可以将水分保持在土壤中防止其下渗，减少重金属的迁移。魏忠义等[8]通过研究淋滤条件下覆土措施对重金属纵向迁移的结果表明，尾矿层重金属含量显著减少，覆土层可交换态重金属含量也基本小于原覆土值。此外，覆土可以增加矿区土壤中的全氮含量和养分供给，调节表层土壤基质容重，形成有利于植被生长的土壤物理结构[9]。张宝娟等[10]研究发现铁尾矿掺土对提高速效养分含量作用明显，能够促进油松和樟子松的生长。然而，现实中尾矿库覆土一般为50～100 cm，并且，现有研究中尾矿覆土厚度也都在50 cm 以上，这在施工成本和土源获取上都是亟待解决的难题，而且客土量超过一定范围后，尾矿废弃地修复效果增长不显著。合适的覆土厚度需要根据植物类型调整，在尾矿生态修复过程中，香根草（Vetiveria zizanioides）因具有生长迅速、根系发达、生物量大、耐重金属性强等特点而得到广泛应用[11-13]，其根在野外条件可延伸2～3 m。同时，大量研究证实香根草对尾矿中Cu[14]、Zn[15-16]和Pb[15，17]等重金属的吸收都有十分重要的作用。

基于此，本研究拟在客土量较小的情况下对铜尾矿进行客土改良，通过对香根草生理特征和其重金属含量的测定，明确客土改良作用于尾矿生态修复的特性以及对修复植物的生理特征及重金属含量的作用机制，为实现经济高效的尾矿生态修复提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 试验方法

铜尾矿选自铜陵铜官山水木冲铜尾矿库（30°56′11″N，117°51′35″E）。改良所用土壤选自安徽大学校园内菜园土（31°47′29″N，117°11′40″E），土壤为重壤土，其中砂质成分37.5%、黏土成分62.5%。将两者均过1 cm×1 cm 筛网，其基本理化性质和重金属含量见表1。对照组为不加土壤的铜尾矿（CK），客土改良方式分为4种（表2）：其中两种为掺土处理，即在尾矿中按质量比分别掺土10%和20%（C10 和C20）；另两种为覆土处理，即在尾矿上分别覆盖5 cm 和10 cm土（F5 和F10）。从野外获取的香根草在温室中驯化一个月后，选取生长一致无污染的幼苗种植于花盆（直径和高度均为27 cm）中，根系集中在基质表层5 cm 范围内，每盆3 株，每种处理设4 次重复。所有盆栽均在室外培养，施加适量N-P2O5-K2O（15-15-15）复合肥，并保证采光、浇水量一致，植物之间无遮挡，保持植物正常生长，定期监测植物生长情况，种植试验持续60 d。

表1 基质基本理化性质和重金属含量（平均值，n=4）Table 1 Basic physicochemical properties and heavy metals content of matrix（Mean，n=4）

表2 基质配比和质量Table 2 Matrix ratio and mass

1.2 样品采集与预处理

采集香根草茎叶和尾矿样品。每盆各采集3 株香根草完全展开叶3～4 片，装入无菌塑料袋中；对应采集植株根周围尾矿样品，抖落附着在植株根部的尾矿，同时刷取根际尾矿，将3 个尾矿样品混匀后装入无菌塑料袋中。植株样品和尾矿样品各20 份。

植物样品立即带回试验室后用自来水和超纯水冲洗，擦干，用陶瓷剪刀剪碎混匀。一部分保存于-70 ℃超低温冰箱中，用于生理生化指标的测定；另一部分置于105 ℃条件下杀青30 min，再于70 ℃条件下烘干至恒质量，磨碎，置于自封袋中保存，用于植物重金属含量测定。尾矿样品在通风处自然风干，用玛瑙研钵研磨，过筛后装于自封袋中保存，用于尾矿中重金属总量和有效态含量的测定。

1.3 样品分析

称取10.0 g基质样品与25 mL蒸馏水振荡混匀后静置30 min，使用雷磁PHS-3C pH 计（上海仪电科学仪器股份有限公司）和雷磁DDB-303A 电导率仪（上海仪电科学仪器股份有限公司）分别测定pH 和电导率。基质氮、磷和钾含量的测定参考文献[18]的方法。基质重金属（Mn、Cu、Zn、Cd、Pb）总量、植物重金属（Mn、Cu、Zn、Cd、Pb）含量分别采用硝酸-氢氟酸消解和硝酸消解法，基质可提取态重金属含量采用DTPA 提取，再用电感耦合等离子体质谱仪（ICAPQ，Thermo Fisher，美国）测定，测定过程中用土壤环境标准物质（GSS-15）和植物环境标准参考样品（GBW10020、GBW10048）进行质量控制，以保证数据的准确度和精度，各元素的加标回收率在91%～105%，符合元素分析质量控制标准。

香根草超氧化物歧化酶（SOD）活性利用氮蓝四唑（NBT）光还原法[19]测定；过氧化氢酶（CAT）活性采用紫外吸收法[19]测定；过氧化物酶（POD）采用愈创木酚法[19]测定；丙二醛（MDA）含量采用硫代巴比妥酸法[19]测定；叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素用丙酮提取测定[20]。

1.4 数据处理及分析

转移系数（Translocation factor，TF）表示植物对重金属的转移能力：

式中：Cshoot、Croot分别代表植物地上部分和根中特定重金属含量，mg·kg-1。

采用SPSS 20.0 对数据进行平均值、标准差、ANOVA、Duncan 多重比较和 Pearson 相关分析，用Origin 9.0绘图。

2 结果与分析

2.1 客土改良对铜尾矿理化性质和有效态重金属含量的影响

客土改良条件下，尾矿砂pH基本保持稳定，而电导率出现不同程度上升（表3）。掺土和覆土都能显著提高铜尾矿营养元素（N、P、K）含量（P＜0.05），且表现为覆土处理优于掺土处理，F10 中尾矿总氮、总磷、总钾、速效磷和速效钾含量分别比CK 高15.04%、36.53%、16.45%、426.55%和735.89%。

由表4 可以看出，客土改良情况下有效态重金属（DTPA 提取态）含量都有所降低。掺土处理对有效态重金属含量的影响较小，仅在C20中有效态Mn、Cu和Zn 显著低于CK（P＜0.05）；在覆土处理组，有效态重金属含量除F5 处理中的Cu 外，其余均显著低于CK（P＜0.05），有效态重金属含量在两种覆土处理间无显著差异（Cu 除外），但在F10 中有效态Mn、Cu、Zn和Cd 都达到最低；C20 和F5 处理中土壤含量分别为20%和17%，但F5 处理中有效态Mn、Zn、Cd、Pb 含量均低于C20处理。

2.2 客土改良对香根草生长和生理特征的影响

本研究中，香根草生物量在 C10、C20、F5 和 F10 4种改良方式中分别比CK高19.42%、25.24%、72.57%和126.06%（表5）。叶绿素a、叶绿素b 和类胡萝卜素含量在改良基质中也均有不同程度的提高，但仅在F10处理中达到显著水平（P＜0.05）。

表3 客土改良对铜尾矿理化性质的影响（平均值±标准差，n=4）Table 3 Effects of alien soil-improving on physicochemical properties of copper tailings（Mean±SD，n=4）

表4 客土改良下铜尾矿有效态重金属含量（平均值±标准差，n=4；mg·kg-1）Table 4 Available heavy metals content in copper tailings under alien soil-improving（Mean±SD，n=4；mg·kg-1）

客土改良后，香根草体内MDA 含量较CK 降低11.21%～25.23%，SOD、CAT 和 POD 活性出现不同程度下降（图1）。在F10处理组中，SOD、CAT 和POD 酶活性均显著低于CK（P＜0.05），分别比CK 低35.80%、38.89%和29.25%，C10 处理中 3 种酶活性与CK 无显著差异。

2.3 客土改良对香根草体内重金属含量的影响

与CK 相比，客土改良显著提高香根草根中各重金属含量（除C10外），对地上部重金属含量增加并不显著（图2）。两种掺土处理中，香根草根部Mn、Cu、Zn 和Pb 含量随掺土量的增加而显著增加（P＜0.05），但其地上部重金属含量无显著差异。不同于掺土处理，覆土处理中植物根中各重金属含量显著高于CK（P＜0.05），并且F10 显著高于F5（除Cu 外），同时，覆土处理中香根草地上部Mn 和Pb 含量也显著高于CK（P＜0.05）。

重金属转移系数的分析表明（表6）：香根草中5种重金属的转移系数在不同改良条件下均小于1，客土改良后重金属的转移系数与CK 差异不显著，仅在F10中，Mn的转移系数显著高于CK（P＜0.05）。

2.4 Pearson 相关性分析

植物生理特征和有效态重金属的相关分析表明（表7）：香根草生物量与尾矿中有效态Mn 含量呈显著（P＜0.05）负相关，与有效态Zn 和Cd 含量呈极显著（P＜0.01）负相关（相关系数分别为-0.962 和-0.967）。香根草叶绿素a 和叶绿素b 含量与尾矿中有效态Cu含量呈显著负相关（P＜0.05）。SOD 活性与有效态Zn和Cd 含量呈显著正相关（P＜0.05），POD 活性与有效态Mn含量呈显著正相关（P＜0.05）。

3 讨论

客土改良能显著改善铜尾矿极端养分贫瘠状态，使尾矿基质得到一定程度改良。这与鲁统春等[21]发现客土改良能快速恢复废弃地土壤理化性质的研究结果一致，陈怀满等[22]对德兴铜矿区客土改良后也得出类似结果。合适的客土改良能降低尾矿中有效态重金属含量。本研究中，客土用量和客土加入方式对降低尾矿有效态重金属含量都有影响。在4种改良方式中，F10 处理对降低尾矿中有效态重金属含量最有利。土壤中含有许多有机物和无机物，客土改良降低基质重金属有效性可能源于土壤中的有机质和无机物（二氧化硅、氧化铝、氧化镁）产生重金属吸附、络合和离子交换作用[23]，从而导致有效态重金属含量降低。

表5 客土改良下香根草生物量和光合色素含量（平均值±标准差，n=4）Table 5 Biomass and photosynthetic pigment contents of Vetiveria zizanioides by alien soil-improving（Mean±SD，n=4）

表6 客土改良下香根草各重金属元素的转移系数（平均值±标准差，n=4）Table 6 Translocation factor of each heavy metal element of Vetiveria zizanioides by alien soil-improving（Mean±SD，n=4）

生物量和光合色素含量可以反映植物生长情况。不同客土改良方式对提高香根草生物量和光合色素含量都有积极影响，这可能与基质中重金属含量有关。诸多研究发现，植物光合色素在重金属胁迫下会明显下降[24-25]。相关分析表明，香根草叶绿素含量与基质有效态Cu 含量呈显著负相关，较高浓度的Cu 在早期会破坏植物的叶绿体结构，降低植物叶片的光合作用[26]。添加客土可以稀释尾矿中的重金属，此外，覆土处理在尾矿上重新构建一个未受污染的表层，有效缓解了重金属对植物的胁迫，促进植物生长。

表7 香根草生理特征与尾矿有效态重金属含量的Pearson相关性分析Table 7 Pearson correlation analysis on physiological characters of Vetiveria zizanioides with available heavy metals contents of tailings

植物在重金属胁迫下，膜脂过氧化程度增加，进而破坏植物细胞膜结构，MDA 是膜脂过氧化的重要产物，其含量可以反映细胞膜受损的程度[27]。在一定的重金属浓度范围内，植物体会产生一些抗氧化酶，以此清除重金属胁迫产生的活性氧（O-2），SOD、CAT和POD 是植物体内重要的抗氧化酶，可将活性氧最终转化为H2O 和O2，减轻重金属胁迫[28-30]。研究结果表明客土改良减轻了香根草的氧化损害，其抗氧化酶系统还在未完全启动状态[31-32]。SOD 活性与基质有效态Zn 和Cd 含量呈显著正相关，POD 活性与有效态Mn 含量呈显著正相关，客土改良对尾矿中重金属的稀释作用（表4）是导致香根草中抗氧化酶在不同基质中产生差异的一个重要因素，基质中重金属含量增加会诱导植物产生一系列抗氧化剂和渗透性保护物质，以此清除活性氧物质，共同抵御外界胁迫[33]。在F10 处理组中，植物中抗氧化酶活性最低，这可能是由于覆土较厚，导致尾矿中的重金属在向植物根系迁移时被土壤中的多孔颗粒吸附沉淀在土壤中，也可能是植物生长较好进而通过其他机制协同抗氧化酶共同抵御重金属胁迫。

有研究表明，客土改良能够降低污染土壤中有效态重金属含量，通过钝化重金属防止其被植物吸收[34]。本研究结果显示客土改良降低尾矿中有效态重金属含量（表4），但是植物体内重金属含量在改良条件下都有所增加，这和香根草的生长情况表现出一致性，客土改良条件下生长的香根草通过分泌一些代谢产物活化尾矿中的重金属，活化后的重金属被香根草过量吸收。张淑香等[35]研究发现，作物根系分泌的脂肪酸在根际环境积累会造成局部土壤酸性环境，从而促进土壤中重金属的溶解和根系的吸收。此外，一些植物还能在缺铁条件下释放植物高铁载体[36]，促进重金属溶解。李文一[37]研究证实，香根草分泌的根系分泌物可以活化难溶性Zn、Cd。因此出现尾矿中有效态重金属含量降低而香根草中重金属含量增高的结果。张永兰等[38]对铜尾矿客土改良后也发现，种植黑麦草显著增加基质中有效态Cu 含量，这说明黑麦草的生长促进了基质中Cu 的形态转化。王亚男等[39]在重金属盐渍化土壤中施用EDTA 后，发现土壤中有效态Cd 含量降低，而盐地碱蓬中Cd 积累量却增加。何其辉等[40]也发现施用紫云英显著降低土壤中有效态Cd 含量，而增加水稻根和秸秆的Cd 含量。此外，客土加入方式不同也会造成植物对重金属的吸附差异，F5和C20两种处理中基质配比接近，但F5对应的植物根中Mn、Cu 和Zn 含量显著高于C20，这说明覆土较掺土更有利于香根草根部对重金属的富集，尾矿掺土增大了尾矿和土壤颗粒的接触面积，土壤中的有机物和无机物与尾矿中的重金属离子充分吸附络合，降低了重金属的生物有效性，从而影响植物对重金属的吸收。并且，在两种覆土处理中，F10 处理条件下香根草的重金属含量均显著高于F5处理（Cu和Pb地上部分除外），这可能是由于覆土厚度增加，使植物根系在土壤中的部分增多，相较于养分贫瘠的尾矿砂，植物根系能吸收更多的养分，而香根草的根有很强的穿透力且对重金属的吸收主要依靠发达的根系。王锐等[9]对高寒矿区植被恢复的研究也得出一致的结果。本研究的客土改良方式对香根草转运重金属没有较大影响，香根草仍可通过限制重金属向地上部分运输来降低重金属对地上部分的伤害，维持了较高的重金属耐性。但在F10 处理中，Mn 的转移系数显著高于CK，这表明该处理能显著提高Mn 向茎叶的转移，原因可能是香根草对重金属的选择吸收以及重金属在不同基质中的扩散能力不同，具体机制还需进行更深入的研究。

利用覆土改良和植物修复技术可以改善尾矿库环境，促进其生态恢复，但重金属的生物富集性会导致其通过生物链转移，植物中的重金属会转移到植食性动物中，从而直接或间接危害人类健康，因此，需要定期收割植物集中处理，移除尾矿中的重金属。

4 结论

（1）客土改良能改善铜尾矿基质环境，提高营养元素（N、P、K）含量，降低有效态Mn、Cu、Zn、Cd、Pb 含量。

（2）客土改良条件下，香根草生物量增加，MDA含量和抗氧化酶（SOD、CAT 和POD）活性降低，说明客土改良可以缓解重金属对香根草的氧化伤害，促进铜尾矿中香根草生长，尤其是覆土10 cm 时作用效果最显著。

（3）掺土改良不改变香根草体内重金属的转运，覆土改良可以促进香根草根部对Mn、Cu、Zn、Cd和Pb的富集，覆土10 cm 条件下，香根草体内重金属含量显著增加。