滇东北铅锌矿区废弃地的自然演替特征研究

时间：2024-05-24

袁鑫奇，郭兆来，王越，曾铭，俞乃琪，潘瑛，刘嫦娥,段昌群*

（1. 云南大学生态与环境学院，云南昆明 650091；2. 云南省高原山地生态与退化环境修复重点实验室，云南昆明 650091）

生态系统的污染和退化是我国的主要环境问题，采矿活动正是导致其发生的主要原因之一[1-2]。然而对于欠发达地区而言，矿产资源开发是促进其经济发展的必要手段，但开采与冶炼技术落后、产业布局不合理、无计划开采和未进行环境监管等原因，导致开采区及周边人类生活区土壤受到严重的重金属污染[3-6]。一方面，过高的土壤重金属含量使本土植物在生存、生长和繁殖等方面受到了不同程度的威胁[7]。另一方面，重金属元素会随着径流迁移，导致污染扩散，甚至会通过食物链传递进入人体，从而严重危害人类的生存与生产[6]。因此，对矿区废弃地进行治理是当务之急。

迄今为止，矿区治理的主要方法可分为物理化学手段和植物修复手段[8]，但由于成本问题，使得后者变得愈受欢迎[9]，并成为了研究热门。植物修复具有成本低、对环境温和、破坏性小、原位修复且普适等优点[10]，大规模种植本地优势植物，是利用其修复退化土地的主要方式[11]。但人为新建的植物群落抵抗力较差，容易被外来物种入侵，从而导致修复效果不佳[12]，再加上极端条件下种间种内的消极互作关系，导致污染退化区域草丛向森林的演替不易发生[13]。相关研究表明，即使对复垦后区域进行人为管理，但由于其在维持物种多样性层面上的效果有限[14]，故使得问题依旧难以解决。因此，科研工作者开始关注退化环境的自然演替研究，如Yuan等[15]在山西煤矿废弃地的研究中发现，再生的生态系统可以达到自我维持的状态，Mohd等[16]对马来西亚自然再生和人工恢复的红树林进行群落结构特征分析比较，表明人工恢复的红树林可以在较短的时间内获得更高的生物量，而自然再生的红树林物种多样性更高，林分结构更复杂，他们建议红树林恢复应以自然再生为主。相关学者对金属尾矿区自然演替的研究也有多年，如对铝矿[17]、煤矿[18]、铁矿[19]等废弃地的自然恢复进行研究，且都得到了相似的结论——稳定且能自我维持的植物群落才能适应极端生境。

云南省是我国的“有色金属之乡”，有众多的矿区废弃地正遭受重金属污染。因此，研究尾矿区的自然演替过程对其治理与恢复过程有重要意义。故本文将以云南省东北部两处已进行多年自然演替的铅锌矿区废弃地为研究区域，揭示矿区废弃地自然演替过程中土壤理化性质、重金属含量以及植物更替的动态变化特征，为污染退化环境的自然恢复提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究点选在会泽县矿山镇矿区（103.70°E，26.64°N）和罗平县富乐镇矿区（104.38°E，25.35°N），两地均位于云南省东北部的曲靖地区，为典型的温带高原季风气候，四季不明，夏无酷暑，冬季冷寒，干湿分明。年均雨量为858.4 mm，平均海拔2 200 m以上，年均晴日225 d，年均日照2 100 h，年均气温12.7 ℃。年均相对湿度79%，年均风速 2.5 m/s，全年主导风向为东南风占13%，静风频率为21%。水热条件优越，有利于植物生长，为自然恢复提供有利的地质气候条件。两区铅锌矿冶炼历史距今约有70年（1950—1990年为冶炼期）[20]，现为废弃地。天然土壤类型为黄棕壤，土壤呈弱碱性，植被稀疏，以灌木和草本植物为主[21]。

1.2 植物调查和土壤采集

于2020年10月对两铅锌矿区废弃地进行植物调查和土壤样品采集，由于各区域废弃年限不同，故利用空间序列代替时间序列的方法，在每个研究区设置6个演替阶段（见表1），分别为次生裸地（Secondary bare land，SL，废弃1年）、稀疏草丛（Sparse grass，SG，废弃5年）、高草草丛（Tall grass，TG，废弃10年）、灌木草丛（Bushes，BU，废弃15年）、稀树草丛（Sparse tree，ST，废弃20年）和针阔混交林（Coniferous and broad-leaved mixed forest，CB，废弃25年）。采用最小样方面积法对植物组成进行调查，其中稀疏草丛样方面积为1 m×1 m、高草草丛为2 m×2 m、灌木草丛为3 m×3 m、稀树草丛为5 m×5 m、针阔混交林为10 m×10 m，每个阶段三个重复。对每个阶段的样方（包括次生裸地样方， 1 m×1 m，三个重复）进行五点取样法采集土样（五点的土样混成一个样方土样），土样重量为500～ 1 000 g，采集深度为0～20 cm，共36份土壤样品。所有样品用聚乙烯塑料袋放气封装后运回实验室，以供相关指标测定。

表1 采样点概况Table 1 Overview of sampling points

1.3 指标测定方法

在采集土壤样品之前，先用OLYMPUS VANTA便携式重金属元素分析仪对研究区土壤重金属含量进行初步测定。根据《土壤污染风险管控标准——农用地土壤污染风险筛选值和管制值(试行)》规定，得知两区超标重金属元素为Pb、Zn、Mn、Cu和Cd。

植物的相关指标测定方法：现场测量调查并记录草本和灌木的种类、株数、盖度，乔木的树高、胸径、种类、株数，以此计算重要值，并设置优势度等级，对植物种进行等级分类。具体如下[22]：

株高大于1.3 m的植物重要值计算公式为：

株高小于1.3 m的植物重要值计算公式为：

式中：IV（Important value）为重要值，RS（Relative significance）为相对显著度，RC（Relative coverage）为相对盖度，RA（Relative abundance）为相对多度。

土壤的相关指标测定方法：拣去杂质的土壤样品经自然风干碾碎后，采用四分法混匀样品，再分别过2 mm和1 mm筛。采用重铬酸钾外加热法测土壤有机质（SOM）含量，凯氏定氮法和氢氧化钠碱熔-钼锑抗比色法分别测土壤全氮（TN）和全磷（TP）的含量[23]；硝酸-高氯酸-氢氟酸消解火焰原子吸收光谱仪（VARIAN 240FS）测定法测土壤中的重金属含量；用二乙烯三胺五乙酸-三乙醇胺（DTPA-TEP)作为浸提剂，在（20±2）℃条件下，以160～200 r/min的震荡频率，震荡2 h，将上清液过滤后，使用火焰原子吸收光谱仪测定重金属的有效态[24]。此外，土壤容重采用环刀法测定，pH值采用pH计测定，坡度使用多功能坡度测量仪测定，坡向利用指南针确定。

1.4 数据处理

采用Excel软件整理和计算数据；采用SPSS 26.0软件统计分析实验数据，当P＜0.05时，表示实验数据具有统计学意义，以单因素方差分析（oneway ANOVAs）对不同演替阶段土壤中的营养元素和重金属元素及其有效态进行差异性分析，以最小显著性差异法（Least significant difference，LSD）进行多重比较，对土壤有机质、全氮和全磷含量与重金属元素含量之间进行非参数相关性检验，以检测其相关性；采用Sigmaplot 14.0软件进行作图。

2 结果与分析

2.1 矿区植物群落调查

在矿山镇矿区共调查植物种类30种（见表2），隶属于15科，其中菊科8种，禾本科4种，豆科4种，松科和壳斗科各2种，蓼科、凤尾蕨科、马桑科、蔷薇科、小檗科、千屈菜科、樟科、大戟科、杨柳科和桦树科各1种。优势种分别为：白茅（Imperata cylindrica）、芒（Miscanthus sinensis）、蜈蚣蕨（Pteris vittata）、华山松（Pinus armandii）和云南松（Pinus yunnanensis）。植物群落大多以草本为主，自然演替程度较低，且禾本科和菊科居多，这与菊科和禾本科植物种类多，生长快，分布广，耐贫瘠、干旱和污染的特性有关。

表2 矿山镇铅锌矿区植物种类Table 2 The species of plant in Kuangshan Town Pb-Zn mine

在富乐镇矿区共调查植物种类37种（见表3），隶属于21科，其中菊科7种，禾本科6种，蔷薇科3种，壳斗科、豆科和松科各2种，蓼科、凤尾蕨科、马桑科、唇形科、小檗科、千屈菜科、樟科、大戟科、藤黄科、胡桃科、柏科、玄参科、金缕梅科、杨柳科和桦树科各1种。优势种分别为：白茅、芒、蜈蚣蕨、紫茎泽兰（Ageratina adenophora）、滇青冈（Cyclobalanopsis glaucoide）、华山松和云南松。植物群落大多以乔灌木为主，组成较丰富，自然演替程度较高，群落较稳定。

2.2 不同演替阶段植物种数的动态变化

两研究区不同演替阶段的植物组成动态变化和各物种的优势度等级可见表2和表3，植物种数的动态变化可见图1。发现两区在自然演替过程中植物种数都呈现先增后减的趋势，即演替前期是以生态幅宽、抗逆境能力强的先锋植物为主，如白茅、芒和艾蒿等禾本科、菊科植物，是物种数快速增长的阶段；演替中期以盖度大、生长繁殖快的过渡植物为主，如蜈蚣蕨，此时物种数达到峰值；演替后期以生物量大、对环境调控能力强的乔木为主，如尼泊尔桤木、华山松和云南松，形成了与当地气候相适应的顶级群落。这整个过程与废弃农田和灾后森林等生境的次生演替过程相似。

表3 富乐镇铅锌矿区植物种类Table 3 The species of plant in Fule Town Pb-Zn mine

从营养资源配置策略的角度分析不同演替阶段的优势植物可知，前期优势植物主要将资源用于定植和生存，中期优势植物主要将资源用于生长和繁殖扩散，后期优势植物则主要将资源用于占据生态位和调控微环境。从繁殖策略分析，可发现随着演替进行优势种繁殖方式的变化过程为：主营无性繁殖→无性繁殖和有性繁殖共营或无性繁殖向有性繁殖转化→主营有性繁殖。分析不同演替阶段优势植物的生活型，得知其大致变化过程为：一年生→多年生、草本→灌木→乔木。

2.3 不同演替阶段土壤重金属含量及其有效态含量的变化

通过实验室测定分析两研究区土壤的pH值和重金属含量，结果表明（表4），两矿区的土壤pH值范围为7.1～7.4，且大致都呈现在演替中后期pH值下降的趋势，其变化的原因可能是因为中后期的优势物种主要以生物量较大的乔木为主，其分解产生的有机酸释放到土壤中所致，同时全球变暖导致的酸沉降也会影响pH值的变化[25]。

表4 不同演替阶段的土壤重金属含量（mg/kg）Table 4 Soil heavy metal content in different succession stages

通过分析土壤重金属含量可知，矿山镇矿区不同演替阶段土壤Pb、Zn、Mn、Cu和Cd的平均含量分别为：808.4、547.9、1 311.8、220.5和4.6 mg/kg。其中，Pb含量在针阔混交林阶段最高，为2 195.8 mg/kg，分别是云南省背景值、全国背景值和土壤环境标准管制值的54倍、84倍和3倍。Cd含量的最高值在灌木草丛阶段，为6.8 mg/kg，分别是云南省背景值、全国背景值和土壤环境标准管制值的34倍、68倍和2倍。Zn含量最大值也在灌木草丛阶段，为588.5 mg/kg，是云南省背景值和全国背景值的7倍和8倍。Mn和Cu含量的最高值在稀疏草丛阶段和高草草丛阶段，为2 182.5 mg/kg和267.7 mg/kg，是全国背景值的4倍和12倍，且Cu的最大含量还是云南省背景值的6倍。

富乐镇矿区不同演替阶段土壤Pb、Zn、Mn、 Cu和Cd的平均含量分别为：776.1、641.2、2 282.8、 180.3和19.5 mg/kg。其中，Pb含量在灌木草丛阶段最高，为1 689.5 mg/kg，分别是云南省背景值、全国背景值和土壤环境标准管制值的42倍、65倍和2倍。Zn、Mn和Cu含量的最高值点都在次生裸地阶段，分别为873.3、3 686.7和315.3 mg/kg，分别是全国背景值的12倍、6倍和14倍，其中，Zn和Cu的最高含量分别是云南省背景值的10倍和7倍。而Cd含量的最高值点在针阔混交林阶段，为34.9 mg/kg，是云南省背景值、全国背景值和土壤环境标准管制值的175倍、349倍和12倍。两区土壤Pb、Zn、Mn、Cu和Cd的含量均远超相关背景值，其中Pb和Cd的含量超过了国家的管制值，是主要污染物。不同演替阶段植被覆盖程度的差异，使阻止重金属元素的流失和扩散的能力不尽相同[26]，从而导致不同阶段的土壤重金属含量及其有效态含量存在不同。

对土壤重金属有效态含量及其与土壤重金属总量的比值进行分析，结果如表5和表6所示。不同演替阶段土壤Pb、Zn、Mn、Cu和Cd有效态的平均含量矿山镇为：232.2、52.4、286.9、33.8和0.7 mg/kg，富乐镇为210.3、45.2、296.9、38.0和4.7 mg/kg。两区土壤Pb和Zn的有效态占比大体上都呈现随演替进行而降低的趋势，富乐镇的Mn和Cd亦是如此。矿山镇Mn、Cu和Cd的有效态占比在不同演替阶段呈现不规则波动；富乐镇的Cu有效态占比呈现随演替发生而先增后减的趋势。通过对比发现，两区土壤Pb和Zn及富乐镇矿区土壤Cd的总量随演替的发生而持续增长，而有效态占比却呈现逐渐降低的趋势，可以证明植被的覆盖能有效地降低土壤中重金属有效态的含量，从而减少污染危害。

表5 不同演替阶段的土壤重金属有效态含量（mg/kg）Table 5 Soil heavy metal available content in different succession stages

表6 不同演替阶段土壤重金属有效态含量与总量之比（%）Table 6 Ratio of soil heavy metal available content to total content in different succession stages

2.4 不同演替阶段土壤营养元素的变化

对两研究区不同演替阶段的土壤营养元素进行分析，可知（见图2），不同演替阶段的土壤营养元素含量有着显著差异，其中，两区土壤全氮都随着演替的发生而呈现先增后减的趋势，且都在灌木草丛阶段的土壤氮素含量最高，同时，灌木草丛阶段的物种数也都是演替过程中最多的时期，表明两者在自然恢复过程中呈现出正向协同的关系，可证明氮素在维持物种多样性的层面上发挥了重要的作用[29]。土壤有机质含量都随演替的推进而持续增长，这与凋落物的含量和分解增多有关[30]，同时有机质的含量增加可加速退化环境的自然修复进程[31]，表明两者为相互促进关系。两区土壤全磷变化趋势不同，矿山镇矿区的土壤全磷随演替进行呈现持续增加趋势，而富乐镇矿区的土壤全磷却呈现先减后增的趋势，根据前人对陆地生态系统碳-氮-水循环耦合过程的研究可发现，植物在生长盛期时，土壤C、N、P和水循环之间的耦合作用最强[32]，再分析土壤全磷与有机质的相关性，可知，矿山镇矿区的自然恢复一直处于生长盛期，而富乐镇矿区在灌木草丛阶段之后才为生长盛期。

2.5 土壤营养元素与重金属元素之间的相关性

为了探明矿区土壤重金属元素与营养元素之间的相关性，以及判断重金属之间的来源是否相同，故进行了Spearman等级相关系数和Kendallζ相关系数的计算。根据相关性分析结果（见表7和表8）可知，在矿山镇矿区中，Pb和Zn、Pb和SOM呈极显著正相关性，Pb和TP、Mn和TN、Cd和TN、Zn和SOM、SOM和TN呈显著正相关性，Pb和Cu、Zn和Cu、Cu和SOM、Cu和TP呈显著负相关性。在富乐镇矿区中，Pb和Zn呈极显著正相关性，Zn和Mn、Zn和Cu、Zn和SOM、Pb和TP、SOM和TN呈显著正相关性，Pb和Cu、Zn和Cd、Cu和Cd呈显著负相关性。两区土壤Pb和Zn之间都存在极显著的正相关性，这与它们之间具有很高的同源性有关[33]，而Cu与其他重金属元素之间主要呈现负相关关系，这可能与其具有独特的积累和螯合机制有关[34]。两区的SOM和TN之间都呈现显著的正向相关性，是因为氮素的增加可以增强生态系统的固碳功能[35]。两区的Pb和TP、Zn和SOM之间都呈现显著正相关关系，且矿山镇的Pb和SOM之间更是为极显著正相关关系，这是由于土壤营养元素可以降低重金属元素的有效性，从而减轻或消除重金属对植物体的毒害作用[36]，使演替正常进行。

表7 营养元素与重金属元素之间的Spearman和Kendallζ系数（矿山镇）Table 7 Spearman and Kendallζ coefficients between nutrient elements and heavy metal elements (Kuangshan Town)

表8 营养元素与重金属元素之间的Spearman和Kendallζ系数（富乐镇）Table 8 Spearman and Kendallζ coefficients between nutrient elements and heavy metal elements (Fule Town)

3 讨论

3.1 矿区废弃地自然演替的发生过程

空间序列代替时间序列的方法经常在不明群落年限的植物（植被）调查中使用[37]，是较为科学合理的设计。本研究将此方法运用于矿区废弃地自然恢复的探索中，发现两区的自然演替都呈现演替前期以生态位互补效应为主，演替中后期以功能冗余和物种保险机制为主，演替后期以选择效应为主的过程[38]。与其他退化生境的次生演替类似，矿区废弃地的自然演替也由适宜的环境、正向的种间互作关系和土壤种子库组成共同决定。潘攀等[39]的研究表明，植物群落和土壤营养物质之间的协同响应与人工草地恢复演替存在明显的关联性，在演替的不同阶段主导的环境因素也不相同。与之类似，在本研究中，尾矿区的土壤氮素和有机质在维持植物多样性和推动演替进行的过程中都发挥了重要的作用。李婷婷等[40]在研究次生林主要物种的种间联结性动态变化中发现，在演替过程中，不同物种会通过调节自身的生态位来适应激烈的竞争，最后趋于稳定，使种间联结紧密性增强，总体联结性会由不显著正联结变为显著正联结。根据表2和表3，分析矿区废弃地不同植物在演替过程中的变化，可知不同阶段的适应性植物种类不尽相同，但确实存在物种更替的连续性，从而使得植物群落向气候顶级群落发展。在以前的研究中相关学者发现土壤种子库为演替的发生提供了可能，其组成与原生植物组成和环境条件有关[41]，根据此结论可推测，可能是因为两尾矿区的地理位置和气候条件差异不大以及土壤种子库组成类似，才使得两区的适生植物出现相似性。

3.2 超标重金属元素在演替过程中的变化

由于云南省位于亚欧板块和印度洋板块的交界处，所以矿产资源较为丰富，在建国后便成为了我国工业化阶段的主要矿产输送地，但这给当地的环境带来了严重的污染。陆泗进等[42]对会泽铅锌矿区周边农田土壤重金属生态风险评价分析，发现当地农田土壤中Pb和Cd的含量超标严重，为主要的污染物。这与本文上述结果保持一致，这是因为对铅锌矿进行开采时不仅会向环境中释放大量的Pb和Zn，同时也伴随着Cd的释放，而Cd在自然界的存在状态较为稳定，易原位积累。导致矿区废弃地不同演替阶段土壤重金属含量变化的主要原因为土壤的磁化率不同和不同植物对重金属元素的富集转运能力不同。赵宏等[43]在会泽铅锌矿区进行过土壤磁化率与Pb、Zn和Cd的相关性实验，结果表明土壤磁化率与pH、有机质、全量Pb和全量Zn呈显著正相关，与Cd的相关性不显著。根据这一结论再结合本实验的结果可分析得到，随着演替的进行土壤的磁性升高，这可能是因为随着演替进行，相关植物的根系对土壤中铁镁离子的控制能力增强，从而使土壤中铁镁矿物增多磁性增强。根据秦丽等[44]在会泽铅锌矿区对主要植物的重金属富集特征所做的研究可发现，大多数可生存于其中的植物对Pb、Zn和Cd都有一定的富集转移功能，由于本研究的结果表明不同演替阶段的植物组成不同，所以造成不同演替阶段的土壤重金属含量也存在差异。

3.3 演替过程中土壤营养元素与重金属元素之间的关联

分析实验结果可发现，有些重金属元素与土壤营养元素呈正相关关系而有些重金属与土壤营养元素却成负相关关系。发生这种现象的主要原因可分为四种[45]：1）某种营养元素增多可促进植物对某种重金属元素的积累；2）游离的营养元素离子可与游离的重金属离子形成竞争关系；3）游离的营养元素离子与土壤溶胶发生置换反应，使土壤pH值发生变化，从而增加或减少植物对游离重金属离子的生物利用度，甚至可以影响土壤重金属的有效态含量；4）营养元素可形成难溶盐直接在表面吸附重金属离子或诱导增强土壤的吸附作用，且营养元素离子还可与重金属离子发生沉淀作用。结合整个演替过程发现，植物种类与土壤营养元素含量和重金属元素含量的动态变化特征与生物地球化学生态位假说相一致，即不同植物种对不同营养元素含量有着特定的需求及对不同的重金属元素有着相应的耐受性[46]。