论文部分内容阅读
矿区废弃地作为人类深度扰动而高度退化的生态系统，环境污染突出，生态恶化严重，对区域生态环境造成持续的不良影响，是世界普遍关注的生态环境问题。严重的污染和恶劣的生境，双重极端环境条件使矿区生态修复存在很高的难度，如何有效进行矿区的生态修复也因此成为恢复生态学的热点研究领域。本研究选取云南三个典型的矿区废弃地-兰坪铅锌矿废弃地、个旧锡矿废弃地、及开远煤矿废弃地，结合野外调查与实验室分析，研究了三个废弃地土壤重金属污染及土壤肥力特征，探讨了废弃地上先锋植物的恢复效应，并对先锋植物齿果酸模适应废弃地重金属污染的耐性机理及适应代价进行了研究，得到如下结果。
(1)三个矿区废弃地土壤肥力水平较低。废弃地土壤全P、全K、碱解N的含量分别为0.015～0.019％、0.12～0.46％和4.99～38.05 mg/kg，全N、有效P、速效K、有机质等土壤肥力指标等级大都为Ⅲ和Ⅱ级，三个废弃地土壤肥力大小顺序为：煤矿废弃地>锡矿废弃地>铅锌矿废弃地。
三个矿区废弃地土壤重金属污染突出，污染物的种类及其污染程度存在差异。废弃地土壤重金属全Pb含量为22.99～8 816.34 mg/kg，全Zn含量为57.05～36995.2mg/kg，全Cu为60.42～3339.69 mg/kg，全Ni为124.94～656.11 mg/kg。单项污染分析结果表明：铅锌矿废弃地污染指数Zn>Pb>Cu>Ni，锡矿废弃地污染指数Cu>Zn>Pb>Ni，且都达到重度污染程度，而煤矿废弃地仅Ni达到中度污染程度。综合污染分析结果表明：铅锌矿和锡矿废弃地重金属污染达到重度污染，煤矿废弃地重金属污染为轻度污染等级。
(2)先锋植物在矿区废弃地早期土壤的恢复过程中，在降低根际土壤重金属含量、改善土壤肥力方面作用明显。与相应废弃地非根际土壤相比，大多数先锋植物根际土壤的重金属含量有不同程度的降低，土壤肥力有不同程度的升高；大多数先锋植物体内，重金属主要积累在根部，地上部分的含量相对较低。大多数先锋植物吸收、转移富集重金属的能力较低，属于耐性植物。如与相应的废弃地非根际土壤相比，铅锌矿废弃地先锋植物平车前(Plantago depresa)根际土壤重金属全Pb、全Zn、全Cu、全Ni分别降低46.75％、71.63％、72.73％、56.39％；全N、碱解N、全P、有效P、速效K、有机质、阳离子交换量分别升高40.23％、48.27％、32.32％、296.61％、37.64％、57.86％、10.33％。先锋植物毛甘青蒿(Artemisia tangutica)植物体地上部分富集Pb、Zn、Cu、Ni分别为1.52、7.62、0.28、0.11 mg/kg dry matter，而地下部分(即根部)富集Pb、Zn、Cu、Ni分别为4.00、9.38、0.47、0.12 mg/kg dry matter，植物体对Pb、Zn、Cu、Ni的转移比率分别为0.38、0.81、0.60和0.92。
不同的先锋物种在土壤修复方面的作用存在差异。摄动分析结果显示，兰坪铅锌矿废弃地的l0种先锋植物中，平车前(P. depresa)对根际土壤的综合改良效率即土壤恢复潜力要高于其他植物；个旧锡矿废弃地的5种先锋植物中，对根际土壤的综合改良效率最好的是齿果酸模(Rumex dentatus)；开远煤矿废弃地的5种先锋植物中，对根际土壤的综合改良效率最好的是牛筋草(Eleusine indica)。
(3)来源于废弃地的先锋植物齿果酸模对重金属污染的耐性能力大于来源于非废弃地齿果酸模的耐性能力。在模拟污染条件下，来源非矿区废弃地的齿果酸模生物量下降程度大于来源于废弃地的，最大下降幅度达到70.22％；来源非废弃地的齿果酸模根生长长度下降程度大于来源于废弃地的，最大下降了21.66％；来源于废弃地齿果酸模的POD、SOD、CAT等酶活性上升值高于来源非废弃地的，而MDA上升的幅度前者小于后者。如200μg/kg Cd污染下，铅锌矿废弃地来源的齿果酸模POD、SOD、MDA分别上升了996.00％、72.22％、426.09％，而非废弃地来源的齿果酸模仅上升了670.00％、28.09％、830.43％；从植物螯合肽合成的前体物质谷胱甘肽(GSH)来看，来源于废弃地齿果酸模的GSH含量上升程度高于来源非废弃地的，而总蛋白与植物螯合肽合成酶基因表达量的变化规律性不显著。
不同生理生化参数对重金属污染反应方式存在差异。例如，不同抗氧化酶系统指标出现峰值时的重金属处理浓度不同，POD、SOD、MDA出现峰值的Cd浓度分别为200μg/Kg、100μg/Kg和500μg/kg;随着污染时间的延长，各个指标升高的程度不同；不同指标响应方式还与重金属污染种类有关。
(4)先锋植物为了应对矿区废弃地极端的生态环境，付出了适应代价。如与非矿区废弃地小环境相比，来源于兰坪铅锌矿废弃地小环境的尼泊尔芒株高，生物量，种子成熟度分别下降了2.71％、35.09％和17.20％。植株矮化，生物量下降，种子成熟度降低在先锋植物中表现突出。
不仅如此，先锋植物与非矿区来源的植物相比，遗传多样性下降。利用ISSR分子标记对不同来源的先锋植物齿果酸模四个种群的遗传特征检测结果表明：9个ISSR引物共扩增出75个位点，其中63个位点呈多态性，总的多态位点比率(PPB)为84.00％：来源非废弃地的齿果酸模种群在物种水平上遗传多样性最高，香农多样性指数I为0.54，来自矿区废弃地的香农指数均低于该值；不同矿区来源的顺序大小为：煤矿废弃地的(I=0.50)>锡矿废弃地的(I=0.49)>铅锌矿废弃地的(I=0.40)。
进一步分析表明，来自矿区的先锋植物与非矿区来源的植物种群间存在遗传分化。UMPGA聚类分析结果显示，不同来源的齿果酸模种群遗传距离为0.1950～0.2099。结合两类不同来源的植物对重金属污染的耐性分析，可以看出在矿区废弃地的重金属污染环境中，齿果酸模种群发生了具有污染耐性的适应分化。
综上所述，云南三个典型矿区废弃地土壤重金属污染严重，土壤肥力低下，先锋植物进入后，可以对先锋植物的根际土壤重金属污染具有明显的降低作用，对根际土壤的肥力有显著的改良作用；先锋植物在生长属性、抗氧化酶系统、谷胱甘肽含量等方面，显示出对重金属污染的耐性；但先锋植物对重金属污染这种适应性的提高伴随着植株矮化、更低的生物量、遗传多样性水平下降等适应代价的付出，并且产生了针对重金属污染耐性的遗传分化。