邱 靜，吳永貴，2，3*，羅有發(fā)，陳 然，鄭志林，周佳佳

（1.貴州大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，貴陽 550025；2.貴州大學(xué)應(yīng)用生態(tài)研究所，貴陽 550025；3.貴州省喀斯特環(huán)境生態(tài)工程研究中心，貴陽 550025）

貴州黔西北鉛鋅冶煉活動(dòng)已有上百年的歷史，是我國(guó)土法煉鋅活動(dòng)最為典型的區(qū)域之一[1]。雖然該區(qū)域土法煉鋅活動(dòng)已在2006年時(shí)被徹底取締，但在長(zhǎng)期冶煉活動(dòng)中產(chǎn)生的大量鉛鋅廢渣中Pb、Zn、Cd、Cu等重金屬含量高，且因廢渣物理結(jié)構(gòu)差、植物必需的營(yíng)養(yǎng)元素缺乏、微生物活性低等因素，嚴(yán)重限制了鉛鋅廢渣堆場(chǎng)植物的生長(zhǎng)及其他生物的活動(dòng)[2]。長(zhǎng)期裸露的鉛鋅廢渣中的重金屬極易通過降雨沖刷及地表徑流、滲濾液、地下水和大風(fēng)揚(yáng)塵等途徑遷移擴(kuò)散至周邊水體、土壤、大氣等環(huán)境介質(zhì)中及覆蓋農(nóng)作物表面，嚴(yán)重威脅周邊及下游地區(qū)的水質(zhì)安全、農(nóng)產(chǎn)品食品安全和生態(tài)安全[3-4]，故亟需在鉛鋅冶煉廢渣堆場(chǎng)上及時(shí)開展生態(tài)恢復(fù)及其污染控制的工作。

植被重建是一種經(jīng)濟(jì)且持續(xù)有效的礦渣廢棄地植物生態(tài)恢復(fù)措施[5]。由于廢渣堆場(chǎng)特殊的生境，在一定程度上影響了植物的生長(zhǎng)繁殖。然而在自然條件下，部分植物能夠適應(yīng)礦渣堆場(chǎng)惡劣的生態(tài)環(huán)境并在堆場(chǎng)上自然生長(zhǎng)、定植[6-7]。在長(zhǎng)期自然選擇的作用下，對(duì)礦渣高重金屬污染的特殊生境產(chǎn)生了獨(dú)特的耐性機(jī)制[8-9]以適應(yīng)環(huán)境變化，成為廢渣堆場(chǎng)自然恢復(fù)植被中的先鋒植物。這類修復(fù)植物不僅生長(zhǎng)速度快、性狀優(yōu)良，還能改善惡劣生境[10]，為后期各類植物的著生創(chuàng)造優(yōu)良的條件，從而為植物群落的演替奠定良好的基礎(chǔ)[11]。因此，選擇能對(duì)高重金屬污染礦渣堆場(chǎng)進(jìn)行生境改善的修復(fù)植物是生態(tài)恢復(fù)成功與否的關(guān)鍵因素。許多學(xué)者對(duì)鉛鋅尾礦上生長(zhǎng)的植物的生態(tài)適應(yīng)性進(jìn)行了廣泛研究。研究結(jié)果表明銀合歡[12]（Leucaena leucocephala）、長(zhǎng)喙田菁[13]（Sesbania rostrata）對(duì)Pb、Zn等重金屬有一定的耐性；邢丹等[14]在篩選黔西北鉛鋅冶煉廢渣堆場(chǎng)中的耐重金屬植物優(yōu)勢(shì)種時(shí)，發(fā)現(xiàn)大葉醉魚草（Buddleja davidii）具有耐旱、耐貧瘠的特點(diǎn)，可作為鉛鋅廢渣堆場(chǎng)重金屬耐性先鋒植物。本課題組野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，土法煉鋅廢渣堆場(chǎng)上自然定居有許多類蘆[Neyraudia reynaudiana（Kunth）Keng ex Hitchc.]和土荊芥（Chenopodium ambrosioidesL.），而目前關(guān)于鉛鋅冶煉廢渣上自然定居的類蘆和土荊芥的生態(tài)適應(yīng)性及其生態(tài)修復(fù)潛力的研究尚未見報(bào)道。此外，作為植物受污染脅迫時(shí)優(yōu)先作出響應(yīng)的根際微環(huán)境，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-微生物之間相互作用的重要微域[15]，先鋒植物根際微環(huán)境對(duì)廢渣重金屬的生物地球化學(xué)過程[16]、尾礦基質(zhì)理化特性及微生物活性[17]等方面具有重要的影響。

因此，本文以貴州省威寧縣猴場(chǎng)鎮(zhèn)群發(fā)村土法煉鋅廢渣堆場(chǎng)上自然定居的類蘆和土荊芥為研究對(duì)象，分析自然定居植物根際重金屬的遷移轉(zhuǎn)化特征以及兩種植物對(duì)廢渣基質(zhì)養(yǎng)分積累及酶活性改善的狀況，旨在明晰兩種自然定居植物對(duì)土法煉鋅廢渣堆場(chǎng)的生態(tài)適應(yīng)性及生態(tài)修復(fù)潛力，以期更好地為黔西北鉛鋅廢渣重金屬污染治理和植被恢復(fù)物種的選擇提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

黔西北（水城、赫章、威寧等）是貴州鉛鋅礦分布的主要地區(qū)（26°21′～27°46′N，103°36′～106°43′E），屬亞熱帶季風(fēng)氣候。地勢(shì)西高東低，海拔差在2000 m左右，氣候垂直差異大。夏季溫涼，冬季寒冷，年平均氣溫10.5～15.5℃，年平均降雨量950～1100 mm。該區(qū)屬于亞熱帶常綠闊葉林區(qū)，植物資源十分豐富。

研究區(qū)域位于貴州省威寧縣猴場(chǎng)鎮(zhèn)群發(fā)村（26°41′34″N，104°44′0.384″E），堆場(chǎng)主體廢棄物為土法煉鋅后排放的廢渣，主要包括鉛鋅礦冶煉礦渣、燒結(jié)罐殘片、耐火磚塊、煤灰渣等，廢渣中Pb、Zn、Cu、Cd等重金屬含量很高。該廢渣堆場(chǎng)多年來無人管護(hù)，自然生長(zhǎng)著幾種植物，處于自然恢復(fù)狀態(tài)。

類 蘆 [Neyraudia reynaudiana（Kunth） Keng ex Hitchc.]屬于多年生禾本科類蘆屬，稈形高大，為強(qiáng)陽性草種，生長(zhǎng)速度快，自然更新能力強(qiáng)，生物量大，能夠適應(yīng)各種逆境因子，抗逆性強(qiáng)，耐干旱、瘠薄、鹽堿、高溫、嚴(yán)寒。土荊芥（Chenopodium ambrosioidesL.）為黎科黎屬一年生或多年生草本，有強(qiáng)烈臭氣，莖直立，分枝繁茂，具有生長(zhǎng)快、生物量大的特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)采集的類蘆和土荊芥均為多年生植物，在廢渣堆場(chǎng)自然生長(zhǎng)多年。

1.2 樣品采集與測(cè)定

以研究區(qū)域內(nèi)成群生長(zhǎng)的兩種自然定居植物（土荊芥和類蘆）為研究對(duì)象，選取長(zhǎng)勢(shì)基本相同的兩種先鋒植物各5株，小心將植株連根拔起，采用抖落法分別獲得根際和非根際廢渣，同時(shí)在同一區(qū)域內(nèi)選擇無植被生長(zhǎng)的裸露廢渣作為對(duì)照。將所采集的廢渣樣品混勻后裝入無菌袋密封保存帶回實(shí)驗(yàn)室，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分成兩份，一份廢渣置于4℃冰箱中保存，用于廢渣酶活性、呼吸強(qiáng)度等指標(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，用于測(cè)定鉛鋅冶煉廢渣的理化性質(zhì)等指標(biāo)。兩種植物樣品先用自來水洗凈后，再用去離子水漂洗干凈，105℃殺青30 min，75℃烘干，稱量后粉碎，過100目尼龍篩，放入干燥箱備用。

廢渣理化性質(zhì)測(cè)定主要參照《土壤農(nóng)化分析方法》[18]。pH和電導(dǎo)率（EC）分別采用玻璃電極法和原位電極法（廢渣∶水=1∶2.5）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-1NaHCO3溶液浸提-鉬銻抗比色法測(cè)定，總氮采用H2SO4-HClO4消煮-蒸餾法測(cè)定，總磷采用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，速效鉀含量采用1 mol·L-1乙酸銨浸提-原子吸收分光光度法測(cè)定。

基質(zhì)脲酶活性采用靛酚藍(lán)比色法測(cè)定，蔗糖酶活性采用3，5-二硝基水楊酸比色法測(cè)定，堿性磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉比色法測(cè)定，過氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法測(cè)定[19]；廢渣呼吸作用強(qiáng)度采用靜止培養(yǎng)-堿液吸收滴定法測(cè)定[18]。所用容器均用5%HNO3浸泡24 h后使用，避免重金屬的各種可能性污染。廢渣重金屬總量采用鹽酸-硝酸-高氯酸消解；植物樣品重金屬含量采用硝酸-高氯酸消解；參照張朝陽等[20]改進(jìn)BCR連續(xù)提取法，將廢渣中重金屬的形態(tài)分為可交換態(tài)、可還原態(tài)、可氧化態(tài)及殘?jiān)鼞B(tài)。植物樣品消解液和重金屬總量及各形態(tài)提取液中Cu、Pb、Zn、Cd的含量采用原子吸收光譜儀（ICE3500，美國(guó)熱電）測(cè)定。

1.3 數(shù)據(jù)處理

轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)=[（莖部某重金屬含量×莖部質(zhì)量+葉部該重金屬含量×葉部質(zhì)量）/（莖部質(zhì)量+葉部質(zhì)量）]/根部該重金屬含量

富集系數(shù)=[（根部某重金屬含量×根部質(zhì)量+莖部該重金屬含量×莖部質(zhì)量+葉部該重金屬含量×葉部質(zhì)量）/（根部質(zhì)量+莖部質(zhì)量+葉部質(zhì)量）]/廢渣中該重金屬含量

用Excel 2017對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，IBM SPSS Statistics 22.0軟件進(jìn)行ANOVA方差分析、多重比較（Duncans法）和Pearson相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 先鋒植物對(duì)廢渣基質(zhì)基本理化性質(zhì)的影響

由廢渣基質(zhì)pH和EC的變化可知（表1），土荊芥和類蘆根際廢渣的pH值均顯著低于對(duì)照廢渣（P＜0.05），表明兩種自然定居植物在鉛鋅廢渣堆場(chǎng)上的生長(zhǎng)對(duì)其根際廢渣具有一定的酸化作用。廢渣EC值總體表現(xiàn)為：非根際>根際>對(duì)照。其中，土荊芥非根際廢渣中EC顯著高于對(duì)照廢渣、土荊芥根系廢渣、類蘆根際和非根際廢渣（P＜0.05），土荊芥和類蘆生長(zhǎng)可不同程度地增加其根際和非根際廢渣的電導(dǎo)率。

與對(duì)照廢渣相比（表1），植物存在可顯著增加其根際廢渣基質(zhì)養(yǎng)分含量（P＜0.05），土荊芥和類蘆根際廢渣基質(zhì)中全磷、全氮、有效磷、有效氮、速效鉀和有機(jī)質(zhì)含量分別是對(duì)照廢渣的 4.15、4.94、3.76、2.43、7.05、1.99倍和3.69、2.85、3.37、3.09、2.95、1.75倍，表現(xiàn)出明顯的根際聚集現(xiàn)象。不同植物根際廢渣中的養(yǎng)分也存在顯著差別，土荊芥根際廢渣基質(zhì)中全磷、全氮、有效磷、速效鉀和有機(jī)質(zhì)含量均高于類蘆根際廢渣，且兩種植物根際廢渣基質(zhì)中全氮和速效鉀的含量存在顯著差異（P＜0.05）；就有效氮而言，類蘆根際廢渣基質(zhì)有效氮含量顯著高于對(duì)照及土荊芥根際廢渣（P＜0.05）。

2.2 先鋒植物對(duì)廢渣基質(zhì)酶活性及呼吸作用強(qiáng)度的影響

從廢渣基質(zhì)酶活性（表2）可看出，同有植被覆蓋的廢渣相比，裸露廢渣（對(duì)照）酶活性較低，其堿性磷酸酶、蔗糖酶、脲酶、過氧化氫酶活性分別為0.43 mg·g-1、2.02 mg·g-1、0.11 mg·g-1、0.67 mL·g-1。土荊芥和類蘆植被的自然定居和生長(zhǎng)增加了其根際廢渣基質(zhì)中的酶活性，根際廢渣基質(zhì)酶活性除過氧化氫酶外均顯著高于非根際及對(duì)照（P＜0.05），兩種先鋒植物表現(xiàn)出強(qiáng)烈的根際修復(fù)效應(yīng)。但兩種植物對(duì)廢渣基質(zhì)酶活性的影響存在顯著差異，具體表現(xiàn)為：類蘆根際廢渣中堿性磷酸酶、脲酶及過氧化氫酶活性顯著高于土荊芥根際及非根際廢渣（P＜0.05），而類蘆根際廢渣基質(zhì)蔗糖酶活性卻顯著低于土荊芥根際廢渣（P＜0.05）。就廢渣基質(zhì)呼吸強(qiáng)度而言，對(duì)照廢渣的呼吸強(qiáng)度為53.76 mL·kg-1，土荊芥、類蘆根際廢渣基質(zhì)的呼吸強(qiáng)度均顯著高于對(duì)照及其相應(yīng)的非根際廢渣（P＜0.05），但兩種先鋒植物根際廢渣的呼吸強(qiáng)度間無顯著差異（P＞0.05）。

表1 植物根際和非根際廢渣基質(zhì)理化性質(zhì)Table 1 Physico-chemical characteristics of the rhizosphere and non-rhizosphere slags

表2 植物根際和非根際廢渣基質(zhì)酶活性及呼吸強(qiáng)度Table 2 Enzyme activity and respiratory intensity of the rhizosphere and non-rhizosphere slags

2.3 先鋒植物對(duì)重金屬的吸收積累特征

從植物不同部分重金屬含量（表3）可知，土荊芥和類蘆根部組織中Cd、Cu、Zn、Pb的含量均高于莖部或葉部的含量（除類蘆根部Cd的含量較低外），且土荊芥根部Cu、Cd含量及類蘆根部Cu含量顯著高于其莖部或葉部相應(yīng)的重金屬含量（P＜0.05），說明兩種先鋒植物的根部是吸收積累廢渣中Cd、Cu、Zn、Pb的主要部位。但兩種植物根部對(duì)重金屬的吸收積累能力不同，類蘆根部Cu、Pb含量顯著高于土荊芥根部（P＜0.05），分別是土荊芥根部的2.68、4.78倍。就兩種先鋒植物對(duì)重金屬的富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)而言，土荊芥和類蘆對(duì)Cu、Pb、Zn、Cd的富集系數(shù)均較低（0.01～0.03）；除類蘆對(duì)Cd具有較高的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)（2.02）外，土荊芥和類蘆對(duì)其他重金屬Cu、Cd、Zn、Pb的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均小于1。

2.4 先鋒植物對(duì)廢渣基質(zhì)中重金屬化學(xué)形態(tài)分布的影響

由兩種自然定居植物根際微域及對(duì)照廢渣重金屬的賦存形態(tài)特征可知（圖1），對(duì)照廢渣中Cd、Cu、Zn、Pb化學(xué)形態(tài)分布比例分別為：殘?jiān)鼞B(tài)＞可氧化態(tài)＞可交換態(tài)＞可還原態(tài)；殘?jiān)鼞B(tài)＞可氧化態(tài)＞可還原態(tài)＞可交換態(tài)；殘?jiān)鼞B(tài)＞可氧化態(tài)＞可交換態(tài)＞可還原態(tài)；殘?jiān)鼞B(tài)＞可還原態(tài)＞可交換態(tài)＞可氧化態(tài)；殘?jiān)鼞B(tài)是對(duì)照廢渣重金屬Cd、Cu、Zn、Pb的主要存在形態(tài)。與對(duì)照廢渣相比，兩種先鋒植物生長(zhǎng)對(duì)其根際廢渣基質(zhì)中Cd、Cu、Zn、Pb賦存形態(tài)所占比例具有明顯影響。總體上，植物生長(zhǎng)促進(jìn)根際廢渣基質(zhì)中殘?jiān)鼞B(tài)Cd、Cu、Zn、Pb向可交換態(tài)轉(zhuǎn)化，具體表現(xiàn)如下：

土荊芥根際廢渣基質(zhì)中Cd以可交換態(tài)為主（占43.04%），Cd可交換態(tài)比例較對(duì)照廢渣增加了25.31%，而Cd可氧化態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)所占比例分別較對(duì)照廢渣降低了11.24%、16.23%。土荊芥根際廢渣基質(zhì)中的Cu以殘?jiān)鼞B(tài)為主，但其殘?jiān)鼞B(tài)比例（28.04%）較對(duì)照廢渣（32.08%）要低，土荊芥根際廢渣中Cu可交換態(tài)、可還原態(tài)比例均顯著高于對(duì)照廢渣（P＜0.05）。土荊芥根際廢渣基質(zhì)殘?jiān)鼞B(tài)是Zn的主要賦存形態(tài)，但根際廢渣基質(zhì)中Zn殘?jiān)鼞B(tài)、可氧化態(tài)比例

較對(duì)照均有顯著降低，而Zn可交換態(tài)和可還原態(tài)比例較對(duì)照廢渣有顯著增加（P＜0.05）。土荊芥根際廢渣基質(zhì)中Pb以可氧化態(tài)為主，可氧化態(tài)比例（27.03%）高于對(duì)照廢渣（23.52%），但其可還原態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)比例均顯著低于對(duì)照廢渣（P＜0.05），可交換態(tài)比例有所增加，但與對(duì)照相比差異不顯著（P＞0.05）。

表3 植物體內(nèi)重金屬含量及其轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)與富集系數(shù)Table 3 Heavy metal contents in different parts of plants and their translocation and bioaccumulation factors

圖1 植物根際廢渣基質(zhì)各重金屬賦存形態(tài)分布Figure 1 Distribution of chemical fractions of heavy metals in the rhizosphere slags

類蘆根際廢渣基質(zhì)中Cd以可交換態(tài)為主，占50.23%，較對(duì)照廢渣Cd可交換態(tài)比例增加了32.50%，而類蘆根際廢渣Cd可氧化態(tài)、殘?jiān)鼞B(tài)比例分別較對(duì)照廢渣降低了12.61%、22.14%。殘?jiān)鼞B(tài)是類蘆根際廢渣基質(zhì)中Cu、Zn的主要賦存形態(tài)，但根際廢渣基質(zhì)中Cu除可交換態(tài)比例較對(duì)照廢渣增加外，可還原態(tài)、可氧化態(tài)、殘?jiān)鼞B(tài)比例均顯著低于對(duì)照（P＜0.05）；類蘆根際廢渣基質(zhì)中Zn可交換態(tài)和可還原態(tài)比例高于對(duì)照廢渣，而根際廢渣基質(zhì)中Zn可氧化態(tài)、殘?jiān)鼞B(tài)比例較對(duì)照均有所降低，且差異顯著（P＜0.05）。與對(duì)照廢渣相比，類蘆根際廢渣基質(zhì)中Pb以可氧化態(tài)為主，所占比例較高（28.77%），可還原態(tài)比例為21.58%，顯著低于對(duì)照（P＜0.05），而其交換態(tài)、殘?jiān)鼞B(tài)比例與對(duì)照相比差異不明顯（P＞0.05）。

2.5 植物根系廢渣重金屬可交換態(tài)含量及其理化性質(zhì)的相關(guān)性

根系廢渣中重金屬可交換態(tài)含量的變化與廢渣基質(zhì)理化因子之間表現(xiàn)出一定的相關(guān)性（表4），廢渣中可交換態(tài)Cu、Cd、Zn、Pb與EC、全磷、全氮、有效磷、有效氮、速效鉀、有機(jī)質(zhì)、酶活性及呼吸作用強(qiáng)度間均呈正相關(guān)關(guān)系?？山粨Q態(tài)Cu與全磷、有效氮、有機(jī)質(zhì)及蔗糖酶之間，可交換態(tài)Cd與EC和速效鉀之間，可交換態(tài)Zn與全氮、堿性磷酸酶、脲酶及過氧化氫酶之間，可交換態(tài)Pb與EC、速效鉀及過氧化氫酶之間呈顯著正相關(guān)（P＜0.05）。可交換態(tài)Cu與EC、全氮、速效鉀、堿性磷酸酶、脲酶及過氧化氫酶之間呈極顯著（P＜0.01）正相關(guān)；可交換態(tài)Cd與全磷、全氮、有效磷、有效氮、有機(jī)質(zhì)、酶活性及呼吸強(qiáng)度間呈極顯著（P＜0.01）正相關(guān)；可交換態(tài)Zn與全磷、有效磷、有效氮、有機(jī)質(zhì)、蔗糖酶和呼吸強(qiáng)度之間呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01）。pH與可交換態(tài)Cu、Cd、Zn、Pb呈負(fù)相關(guān)，且可交換態(tài)Cd、Zn與pH表現(xiàn)出極顯著負(fù)相關(guān)性（P＜0.01）。整體而言，修復(fù)植物根際廢渣中EC、全磷、全氮、有效磷、有效氮、速效鉀、有機(jī)質(zhì)、酶活性及呼吸作用強(qiáng)度等含量越高，廢渣中Cu、Cd、Zn、Pb可交換態(tài)重金屬含量也相應(yīng)增加。

3 討論

土法煉鋅廢渣堆場(chǎng)由于重金屬含量高、極端pH值（強(qiáng)堿性）、物理結(jié)構(gòu)差、養(yǎng)分貧瘠等特性，加上黔西北威寧高寒地區(qū)降雨偏少、蒸發(fā)量大，不利于植被恢復(fù)。長(zhǎng)期以來大量廢棄鉛鋅渣場(chǎng)處于寸草不生的裸露狀態(tài)。盡管如此，隨著廢渣在自然環(huán)境中堆置時(shí)間的增加，少數(shù)適應(yīng)這種極端生境的先鋒植物逐漸在廢渣堆場(chǎng)上自然定居。這些自然定居的先鋒植物根系可通過呼吸、分泌、吸收等作用[7]改善廢渣基質(zhì)理化及微生物學(xué)特性。廢渣pH和EC的變化（表1）表明，與對(duì)照廢渣相比，土荊芥和類蘆生長(zhǎng)可分別降低和增加廢渣基質(zhì)的pH和EC值，其原因可能是兩種自然定居植物在響應(yīng)環(huán)境脅迫時(shí)所釋放的根際分泌物對(duì)廢渣具有一定的酸化作用[21-22]，解離出的H+使基質(zhì)中陰陽離子吸收失衡，從而導(dǎo)致植物根際微域的pH值下降；先鋒植物在酸化根際廢渣的同時(shí)對(duì)廢渣礦物質(zhì)也有一定的溶解作用，進(jìn)而可不同程度增加根際廢渣基質(zhì)溶液離子濃度。

表4 先鋒植物根際廢渣重金屬可交換態(tài)含量及其理化性質(zhì)間的相關(guān)系數(shù)Table 4 Correlation coefficients between exchangeable heavy metals and physico-chemical factors in rhizosphere

兩種先鋒植物根際廢渣基質(zhì)養(yǎng)分（有效磷、有效氮、全磷、全氮、速效鉀和有機(jī)質(zhì)）含量顯著增加（表1），根際聚集現(xiàn)象明顯，這與孟令軍等[23]研究結(jié)果相似。其原因主要有兩個(gè)方面：一是植物可以通過調(diào)節(jié)自身生命過程來適應(yīng)極端生境，當(dāng)環(huán)境中各種礦物營(yíng)養(yǎng)缺乏時(shí)會(huì)刺激根系向周圍環(huán)境中釋放大量有機(jī)物和無機(jī)物[24]，使根際土壤養(yǎng)分含量明顯提高。二是植物根系分泌物中含有較高濃度的碳水化合物、氨基酸等物質(zhì)，為根際微生物的生存和繁殖提供了豐富的碳源和氮源，促進(jìn)根際微生物大量繁殖。根系分泌物中的一些有機(jī)酸和活性物質(zhì)也可通過溶解及絡(luò)合溶解作用、羧基配位交換作用、還原作用等解離和轉(zhuǎn)化一些難溶性礦物，釋放養(yǎng)分元素進(jìn)而增加基質(zhì)養(yǎng)分有效性[25]。

廢渣的呼吸強(qiáng)度是指廢渣微生物活動(dòng)中釋放CO2的過程，可用來衡量廢渣微生物的總活性。兩種先鋒植物根際廢渣呼吸強(qiáng)度增加（表2），主要是由于植物根際效應(yīng)的存在，根系分泌物中大量小分子化合物可作為化感物質(zhì)為微生物的大量增殖創(chuàng)造有利條件，使得根際范圍內(nèi)具有很高的微生物生物活性[26-27]，從而增加基質(zhì)的呼吸強(qiáng)度。先鋒植物根際廢渣基質(zhì)酶活性的提高，不僅與根系響應(yīng)環(huán)境脅迫促進(jìn)酶類物質(zhì)的分泌有關(guān)[28]，而且微生物活性的增加使微生物在其生命活動(dòng)中能不斷地向外界環(huán)境釋放胞外酶，或者死亡后由細(xì)胞自溶作用解脫出胞內(nèi)酶[29-30]，使酶活性增強(qiáng)。

土荊芥和類蘆根部是Cu、Cd、Zn、Pb的主要吸收積累部位。Mendez等[31]研究表明，植物通過將吸收的重金屬元素囤積在根部，減少其向地上部轉(zhuǎn)移，從而減少對(duì)光合、呼吸、生殖系統(tǒng)的傷害，來維持植物正常的生長(zhǎng)。類蘆對(duì)Cd具有較高的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)，表明類蘆在吸收重金屬Cd后表現(xiàn)出一定的向莖或葉轉(zhuǎn)移的能力，可能發(fā)展了某種特殊的生理機(jī)制，如通過主動(dòng)運(yùn)輸將重金屬運(yùn)送到液泡、葉脈、木質(zhì)部等部位貯存起來，減少重金屬毒性并保障植物正常生長(zhǎng)[32]。兩種自然定居植物對(duì)Cu、Cd、Zn、Pb富集系數(shù)均較小，表明土荊芥和類蘆對(duì)Cu、Cd、Zn、Pb富集能力較低。雖然對(duì)重金屬的富集能力遠(yuǎn)弱于超積累植物，但兩種植物能夠在高重金屬的土法煉鋅廢渣堆場(chǎng)上自然生長(zhǎng)，表明其對(duì)廢渣的極端生境具有較強(qiáng)的生態(tài)適應(yīng)性，可能通過某種外部機(jī)制，不吸收或者少吸收生長(zhǎng)環(huán)境中高含量的重金屬進(jìn)行自我保護(hù)，從而避免遭受生理毒害。因此，土荊芥和類蘆可作為土法煉鋅廢渣堆場(chǎng)植被重建或生態(tài)修復(fù)前期工程的先鋒優(yōu)勢(shì)植物。

由植物根際微域和對(duì)照廢渣重金屬的賦存形態(tài)可知（圖1），對(duì)照廢渣中Cd、Cu、Zn、Pb主要以殘?jiān)鼞B(tài)存在，可能是因?yàn)閺U渣經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的地球化學(xué)風(fēng)化過程，所釋放的重金屬被硅酸鹽和其他原生、次生的穩(wěn)定礦物固定[33]。根據(jù)重金屬各形態(tài)的生物利用性大小可以把各種化學(xué)形態(tài)分為生物有效態(tài)、潛在有效態(tài)和不可利用態(tài)[34]。其中可交換態(tài)的重金屬容易被生物吸收，也被稱作生物有效態(tài)，生物有效性高[35]。先鋒植物的定居改變了廢渣微環(huán)境，促進(jìn)廢渣基質(zhì)中Cd、Cu、Zn、Pb化學(xué)形態(tài)再分布，總體上交換態(tài)含量增加，即生物有效態(tài)含量增加。影響重金屬生物有效態(tài)含量的因素有很多，包括pH、EC、有機(jī)質(zhì)、重金屬元素的化合物種類甚至土壤根系分泌物等[36]。只要外界環(huán)境條件稍加改變，就可能立刻引起廢渣對(duì)重金屬的吸附-解吸行為，進(jìn)而導(dǎo)致重金屬存在形態(tài)的改變。

重金屬生物有效態(tài)含量增加主要有以下幾方面的原因：一是廢渣酸堿度（pH），它是影響廢渣重金屬形態(tài)轉(zhuǎn)化的主要因素，不僅決定了各種廢渣礦物的溶解度，而且影響廢渣中重金屬離子在固相上的吸附程度[37-38]。在兩種植物根際環(huán)境中，根際pH顯著低于對(duì)照廢渣，可交換態(tài)Cd、Cu、Zn、Pb與pH值表現(xiàn)出負(fù)相關(guān)性（表4），根際pH值的降低對(duì)重金屬產(chǎn)生了一定的活化作用，增加了重金屬生物有效態(tài)含量。二是電導(dǎo)率（EC）的大小反映廢渣中水溶性鹽類的含量，廢渣中存在著諸如 Na+、K+、Ca2+、Mg2+等強(qiáng)電解質(zhì)在內(nèi)的水溶性鹽類，它們與重金屬離子競(jìng)爭(zhēng)廢渣表面的吸附位點(diǎn)，植物根系電導(dǎo)率的增加，使兩者之間的競(jìng)爭(zhēng)力增大，從而會(huì)降低廢渣對(duì)重金屬的專性吸附。表4中可交換態(tài)Cu、Cd、Zn、Pb與EC值呈顯著正相關(guān)的結(jié)果也證明了這一點(diǎn)。三是有機(jī)質(zhì)是控制重金屬遷移、生物可利用程度及毒性的影響因素之一，是形成重金屬絡(luò)合物的重要組分。廢渣有機(jī)質(zhì)含有大量的功能基團(tuán)，可以和廢渣中重金屬通過螯合或者絡(luò)合作用，形成有機(jī)-金屬配合物，在一定程度上提高了重金屬的可溶性[39-40]。四是根系分泌物是保持根際微生態(tài)系統(tǒng)活力的關(guān)鍵因素。根際環(huán)境由于根系分泌物的存在，不僅有效改善了根際環(huán)境中廢渣養(yǎng)分狀況，而且根際活動(dòng)能改變重金屬在廢渣中的存在形態(tài)，通過酸化根際環(huán)境，與廢渣重金屬發(fā)生絡(luò)合等作用而使根際廢渣中的重金屬活化[41]。而且根系分泌物能為根際廢渣微生物提供碳源和氮源，由于根際廢渣中動(dòng)物、植物和微生物的聯(lián)合作用，使重金屬在根際廢渣中的活動(dòng)更旺盛[42]，增加了根際廢渣基質(zhì)重金屬的生物有效性。

4 結(jié)論

（1）土法煉鋅廢渣呈堿性且養(yǎng)分貧瘠，土荊芥和類蘆在鉛鋅廢渣上的自然定居生長(zhǎng)可有效改善廢渣基質(zhì)的理化性質(zhì)及微生物特性。同無植被覆蓋的裸渣（對(duì)照）相比，廢渣基質(zhì)養(yǎng)分、酶活性及呼吸強(qiáng)度均有顯著的增加，使廢渣朝著良性方向發(fā)展，可以作為生境改善植物應(yīng)用于廢渣堆場(chǎng)的前期生態(tài)修復(fù)中。

（2）兩種自然定居植物根部是重金屬的主要吸收積累部分，除類蘆對(duì)Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)較高，土荊芥對(duì)Cd、Cu、Zn、Pb及類蘆對(duì)Cu、Zn、Pb的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均小于1。兩種植物都能在高重金屬的極端生境中生長(zhǎng)，表現(xiàn)出對(duì)土法煉鋅廢渣環(huán)境較強(qiáng)的生態(tài)適應(yīng)性。

（3）根際廢渣基質(zhì)中全磷、全氮、有效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)等理化因子與可交換態(tài)Cd、Cu、Zn、Pb之間呈正相關(guān)關(guān)系。土荊芥和類蘆的定居改變了根際廢渣的微環(huán)境，促進(jìn)了Cd、Cu、Zn、Pb殘?jiān)鼞B(tài)向可交換態(tài)轉(zhuǎn)化，重金屬生物有效態(tài)含量增加，提高了重金屬的生物有效性。