肖文軍，陳銀霞

(1.江西省應急救援靖安機場，330600，江西，靖安；2.江西省林業(yè)科技推廣和宣傳教育中心，330038，南昌)

0 引言

在所有其他行業(yè)中，采礦業(yè)是對自然生態(tài)系統(tǒng)有害的人類活動，而自然生態(tài)系統(tǒng)為我們提供了基礎設施和能源生產(chǎn)所依賴的大部分材料[1-2]。盡管礦山能源產(chǎn)量可觀，但礦山在開采及選礦過程中不可避免地會產(chǎn)生大量的固體廢棄物，使許多農(nóng)用地和林地被占用，這將自然景觀變成退化的生態(tài)系統(tǒng)，徹底破壞表層土壤和植被覆蓋，自然碳匯，導致美觀惡化，對周圍棲息地造成重大影響，破壞地下和地表水文狀況[3]。采礦后的土地必須通過提供可持續(xù)土地使用前景的技術和生物恢復技術進行恢復，以減輕采礦的不利影響。最近，人們的注意力已經(jīng)從簡單地恢復采礦后被遺棄的生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)向通過索引、建模和遙感來評估回收地點的健康狀況，真實而準確的土壤質(zhì)量評估可以增進對土壤質(zhì)量的了解，有助于發(fā)現(xiàn)問題區(qū)域，提供不良趨勢的早期預警，并作為一種重要的決策方法指導恢復實踐土壤健康是一種動態(tài)的、復雜的功能結(jié)構(gòu)，不能直接測量，但可以用土壤質(zhì)量指標進行量化[4-6]。

因此，定量和定性指標的科學選擇是制定土壤質(zhì)量指標的一大挑戰(zhàn)?；疑P聯(lián)分析法將土壤特性整合到一個框架中，提高對土壤過程的理解并鼓勵適當?shù)墓芾韀7]。此外，灰色關聯(lián)分析法還可用于監(jiān)測土壤特征及其活性隨時間變化的趨勢，以評估土壤質(zhì)量在各種土地使用和管理措施下是否會惡化、維持或退化，盡管已經(jīng)提出了幾個概念框架和模型來評估土壤質(zhì)量，但很少有通用的策略或工具來確定在任何環(huán)境情況下的土壤質(zhì)量[8]。灰色關聯(lián)分析經(jīng)歷了3個主要階段：1)指標的選擇；2)所選指標(評分函數(shù))的闡明；3)通過加權相加方法將指標組合在一個指標中。因此，灰色關聯(lián)分析已被有效地應用于多個地點和尺度的土壤質(zhì)量評價。各種研究都探討了灰色關聯(lián)分析在評價采礦后退化土地復墾成功方面的重要性。為了解決可持續(xù)采礦問題，以土壤質(zhì)量評價開墾成功的分析工具是首要的必要條件[9]。從土壤質(zhì)量指數(shù)和模型的角度來確定復墾成功的影響參數(shù)和預測土壤健康狀況仍然很模糊[10]。因此，本研究旨在采用灰色關聯(lián)分析法探討不同植物對硫化銅礦HDS底泥的生態(tài)修復效應，篩選出較適宜的植物生態(tài)修復物種，對江西省德興市德興銅礦HDS底泥生態(tài)修復提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

如圖1所示，試驗區(qū)位于江西省東部德興市四州鎮(zhèn)德興銅礦(29°0′3″ N、117°43′33″ E)，尾礦庫面積26.961 km2，集水區(qū)面積1.835 km2，壩頂高度30.0 m，總庫容1 640.6 萬m3。礦區(qū)氣候?qū)賮啛釒Ъ撅L濕潤氣候，春干多風，夏熱多雨，秋冷夜涼，冬寒少雪。年平均氣溫17 ℃，極端最高氣溫38.9 ℃，極端最低氣溫-9.7 ℃。此外，晝夜溫差很大，在5.4～15.6 ℃之間。除此之外，年平均降雨量基本維持在700～800 mm，降雨量最少的年份只有284.4 mm。試驗場地位于楊桃塢排土場西南方向，試驗區(qū)域總面積約為2 600 m2。

圖1 試驗區(qū)地理位置示意圖

1.2 試驗設計

試驗區(qū)堆泥厚度約為80 cm，共計使用底泥約2 000 m3。根據(jù)前期底泥堆土種植試驗以及成活率先期小型實驗，本試驗于2020年6月對14種植物中長勢較好的6種植物：刺槐、紅葉石楠、大葉女貞、小葉女貞、毛白楊、濕地松進行底泥樣品采集。試驗共設置7組不同的試驗對象，將未采取治理措施的原始底泥作為對照組(CK)，經(jīng)刺槐、紅葉石楠、大葉女貞、小葉女貞、毛白楊、濕地松修復的底泥作為實驗組，分別標記為1#、2#、3#、4#、5#。采用對角采樣法采集土壤和植物樣品，沿矩形試驗區(qū)對角線選取3個點作為采樣點。土壤取深度為1～5 cm和5～15 cm，混合均勻。在地上部分采集植物樣品，使用園藝剪刀獲取植物的枝條和植物根部，從而進行植物葉、莖、根樣本的采集，用于檢測植物中Cu、Zn、Cd和Pb含量。采樣點與土壤樣品的采樣點一一對應。取樣前仔細地去除凋落物層，在去除土壤雜質(zhì)(如石頭和植物枝條)后，從每種植被修復類型中收集200 g土壤。土壤樣品被運輸?shù)綄嶒炇业谋渲校⒃?70 ℃保存，用于后續(xù)測定底泥的含水量、pH、有機質(zhì)含量、全氮、全磷、全鉀、有效磷、速效鉀、Cu、Zn、Cd和Pb含量。在收集土壤樣本后，進行了有效地回填，以減少對環(huán)境的破壞。

1.3 測定方法

底泥pH(土壤/水比為1:2.5w/v)和電導率(EC)(土壤/水比為1:5w/v)用數(shù)字pH和電導率計進行測定，采用微凱氏定氮法評價全氮(TN)[11]，微擴散法測定土壤中的有效氮(AN)[12]，土壤全磷(TP)和鉀(TK)分別用HF-HClO4、鉬藍比色法和β-AME分光光度法測定[13]，速效鉀(AK)采用乙酸銨萃取火焰光度法測定[14]，采用Bray-2Solution48提取土壤有效磷，用鉬酸鹽藍比色法測定土壤速效磷(AP)[15]，有機質(zhì)含量采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定[16]，采用干燥法測定土壤的含水量(WC)[17]。用硝酸(HNO3)和高氯酸(HClO4)的混合物在特氟龍燒杯的熱板上消化大約0.5 g準備好的待測樣品，采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)測定土壤和植物的Cu、Zn、Cd和Pb含量[18]。

1.4 數(shù)據(jù)分析與處理

本試驗數(shù)據(jù)采用SPSS 20、Origin 8、Microsoft Excel 2016、DPS 9.01軟件對數(shù)據(jù)進行處理、分析、制圖。

運用灰色系統(tǒng)理論[19]對底泥理化性質(zhì)進行關聯(lián)分析，采用式(1)對數(shù)據(jù)進行標準化處理：

(1)

由式(2)計算關聯(lián)系數(shù)：

(2)

由式(3)計算關聯(lián)度:

(3)

2 結(jié)果與分析

2.1 不同植物修復對HDS底泥pH的影響

土壤pH值也是影響植物生長的重要外部環(huán)境參數(shù)之一，同時也是控制植物養(yǎng)分在土壤中的溶解度和有效性的一部分。從圖2所示的試驗結(jié)果可知，原始HDS底泥pH為7.65，呈弱堿性，種植刺槐、紅葉石楠、大葉女貞、小葉女貞、毛白楊、濕地松期間，HDS底泥pH總體呈現(xiàn)一定幅度的上升趨勢，且pH值分別為8.02、7.77、8.03、7.91、7.97和7.81，說明所種植物對HDS底泥pH上升有一定的促進作用。其中，刺槐和大葉女貞對HDS底泥pH提升效果更為明顯，與CK組相比，分別上升了0.37、0.38。

圖2 不同植物修復模式對底泥pH值的影響

2.2 不同植物修復對HDS底泥電導率和含水量的影響

土壤電導率(EC)是測定土壤中水溶性鹽的一個指標，也是決定土壤中鹽離子是否影響作物生長的一個因素。如圖3所示，原始HDS底泥電導率為244.5 ms/m，根據(jù)我國土壤鹽漬化分級標準可知，原始HDS底泥屬于輕鹽漬土。經(jīng)不同植物修復后，HDS底泥鹽漬情況均得到了一定程度改善，HDS底泥電導率大小依次為：CK>1#>3#>5#>4#>2#>6#。與其他植物相比，種植濕地松對HDS底泥的電導率改善效果最好，其修復后的電導率值為226.33 ms/m。

圖3 不同植物修復對底泥電導率和含水量的影響

含水量是最重要的環(huán)境脅迫指標之一，也是植物生長、發(fā)育和產(chǎn)量的主要限制因素。從圖3含水量檢測結(jié)果可知，原始HDS底泥含水量過高，易導致植物生理和呼吸過程的嚴重紊亂，從而阻礙植物的生長。不同植物的種植對HDS底泥含水量有一定調(diào)節(jié)作用，不同植物修復模式下HDS底泥含量水從大到小順序為：大葉女貞(46.80%)>小葉女貞(46.20%)>濕地松(45.77%)>刺槐(44.37%)>毛白楊(43.2%)>紅葉石楠(42.60%)。

2.3 不同植物修復模式對底泥養(yǎng)分含量的影響

土壤營養(yǎng)物質(zhì)氮、磷、鉀在植物的生長、發(fā)育、生產(chǎn)和生態(tài)系統(tǒng)功能中起著不同的作用。植物通過根系吸收營養(yǎng)物質(zhì)，調(diào)節(jié)自身生長發(fā)育。由表1可知，原始HDS底泥全氮、全磷、全鉀、有效磷、速效鉀、有機質(zhì)分別為0.266 g/kg、0.362 g/kg、0.260 g/kg、1.687 mg/kg、16.760 mg/kg、4.280 g/kg，養(yǎng)分貧瘠，不利于植物生長發(fā)育。種植的6種植物對各營養(yǎng)元素含量均有不同程度的提高，其中，與其他種植的植物相比，刺槐、紅葉石楠和濕地松分別對HDS底泥的全氮、全磷、有效磷、全鉀，速效鉀、有機質(zhì)含量提升效果更為顯著。種植刺槐后HDS底泥全氮和全磷含量分別為0.337 g/kg和0.713 g/kg，與對照組相比，分別增加了0.111 g/kg、0.351 g/kg。種植紅葉石楠試驗區(qū)域的有效磷、全鉀含量依次為1.943 mg/kg、1.070 g/kg，而濕地松對HDS底泥進行修復后速效鉀和有機質(zhì)含量分別為21.9 mg/kg和7.22 mg/kg，與CK組相比，分別增加了5.14 mg/kg和2.94 g/kg。

表1 不同植物修復下HDS底泥養(yǎng)分含量

2.4 不同植物修復對底泥重金屬變化量的影響

植物在積累有毒重金屬并在其根部和地上部分吸收重金屬方面發(fā)揮著重要作用，不同植物物種對重金屬的吸收差異很大。本文將所種植物葉、莖、根中重金屬總量作為HDS底泥重金屬變化量，由表2可知，種植植物后，HDS底泥中Cu、Zn、Pb和Cd四種重金屬含量都發(fā)現(xiàn)不同程度的減少。其中，毛白楊對HDS底泥中Zn和Cd吸收效果最為明顯，植物根莖、葉所吸收Zn、Cd分別為647.64 mg/kg、3.62 mg/kg，而刺槐和小葉女貞分別對Cu、Pb的吸收效果最好，對HDS底泥中的Cu、Pb分別吸收382.43 mg/kg、15.35 mg/kg。

表2 不同植物修復下HDS底泥重金屬變化量

2.5 不同植物修復下底泥不同指標關聯(lián)分析

通過對影響HDS底泥質(zhì)量的各指標進行數(shù)據(jù)分析后，發(fā)現(xiàn)所測指標的變化趨向與狀態(tài)并不相同。為定量評價不同植物對硫化銅礦HDS底泥的生態(tài)修復效應，選擇pH(X1)、電導率(X2)、含水量(X3)、全氮(X4)、全磷(X5)、全鉀(X6)、有效磷(X7)、速效鉀(X8)、有機質(zhì)(X9)、△全Cu(X10)、△全Zn(X11)、△全Pb(X12)、△全Cd(X13)共13個指標，原始HDS底泥各項土壤質(zhì)量評價指標作為不同植物對硫化銅礦HDS底泥的生態(tài)修復效果的“參考數(shù)列”。利用灰色關聯(lián)分析法對數(shù)據(jù)進行相關度分析，估計各相鄰點的相互關聯(lián)性(分辨系數(shù)=0.5)。根據(jù)灰色系統(tǒng)理論中關系度分析準則，因為“參考數(shù)列”的品質(zhì)都是系列中品質(zhì)最大的，故與評價指數(shù)的關系度就越大，表明該植物品種對HDS底泥的生態(tài)修復效果越明顯。由表3、表4可知，不同植物對硫化銅礦HDS底泥的生態(tài)修復效應按照關聯(lián)系數(shù)大小進行排序：大葉女貞(0.731)<小葉女貞(0.739)<毛白楊(0.795)<紅葉石楠(0.830)<刺槐(0.844)<濕地松(0.919)。該結(jié)果表明，所選6種植物對HDS底泥生態(tài)修復效應為大葉女貞>小葉女貞>毛白楊>紅葉石楠>刺槐>濕地松。

表3 不同植物修復下不同指標初始化處理及關聯(lián)系數(shù)

表4 不同植物修復下土壤質(zhì)量評價綜合值

3 結(jié)論

不同植物對HDS底泥理化性質(zhì)和Cu、Zn、Pb、Cd等具有不同的影響效應，刺槐、紅葉石楠、大葉女貞、小葉女貞、毛白楊、濕地松分別對HDS底泥的全氮、全磷、Cu含量，有效磷、全鉀，pH、含水量，Pb含量，Zn、Cd含量，速效鉀、有機質(zhì)、電導率具有更有效的修復效果。因此，通過運用灰色關聯(lián)分析法分析不同植物對硫化銅礦HDS底泥的生態(tài)修復效應相關結(jié)果表明，在刺槐、紅葉石楠、大葉女貞、小葉女貞、毛白楊、濕地松這6種不同植物修復中，大葉女貞對于修復HDS底泥理化性質(zhì)和Cu、Zn、Pb、Cd綜合效應最優(yōu)，接著依次為小葉女貞、毛白楊、紅葉石楠、刺槐、濕地松。6種植物改良HDS底泥效果較好，由于研究條件和時間的限制，今后的研究中應增加植物種類和種植方式，如混播、套種，更有利于今后推廣應用本研究成果。