矿业废弃地土壤养分状况分析

矿业废弃地土壤养分状况分析

矿区生态恢复和植被恢复是国际上受关注的研究领域。以往的研究侧重于恢复植被。近20年来,随着测试方法的不断改进和完善,对土壤生物的研究日益受到国际学术界的重视,并在生态系统优化、环境保护等方面取得了重要的进展。可以预期,土壤生物的研究将在矿区生态恢复方面日益显示其巨大的潜力。保持矿业废弃地土壤的稳定性的关键因素在于土壤的质量,土壤的质量取决于土壤的物理结构、化学属性及生物肥力这三个方面。土壤生物肥力(thebiologicalfertilityofsoil)是指土壤生物的组成(包括动物和微生物)、生物量及活性。土壤生物能改良土壤基质的物理性质,参与土壤营养物质循环,是植物生长所必需的碳、氮、磷、硫营养元素的库—源调节的重要机制,对土壤肥力的演变具有重要的意义。采矿不可避免地剥离了表土,破坏了地面的植被,从而导致土壤生物肥力水平下降。矿区土地管理的关键之一在于保存或恢复土壤生物肥力,尽可能减少对表土的破坏和尽可能快地进行植被重建是矿业废弃地生态恢复的最佳策略。1土壤生物作用土壤动物类群、土壤微生物(细菌、真菌)以及生长在地面上的植物构成了矿业废弃地地下生物群落。这里所指的土壤生物主要指土壤动物类群、土壤微生物(细菌、真菌)。它们的作用主要有:①土壤生物是土壤物质循环动力。土壤生物参与土壤碳、氮、磷和硫等植物营养物质的循环,是有机物代谢及污染物降解的驱动力;②改良土壤的物理结构,形成土壤团聚体。1.1土壤生物的形成矿业废弃地土壤动物群根据其大小可分为大、中、小三类动物群,其种类组成及作用如下。(1)大型动物群,如蚯蚓、大型水栖贫毛类、蜘蛛、鼠妇、蜈蚣、干孔虫、蚂蚁、白蚁、蜗牛、鼻涕虫等。其作用为:①通过食物网络而转移营养物质,并通过动物组织本身的分解而周转;②土壤动物啃食、消化作用,初步处理植物脱落物,便于土壤微生物的分解;③粉碎、挖掘、翻土、混合、搬运填充等活动,便于疏松土壤,促进土壤有机物与土壤颗粒的混合,使土壤发生层次混杂而产生均一的土层,即土壤生物对土壤单一化作用;④“食土”动物(如蚯蚓、干孔虫、蚂蚁、白蚁)产生胶结物形成土壤团聚体,其排泄物提高土壤肥力;⑤蚯蚓、白蚁等参与植物腐殖质的形成。(2)中型动物群,如螨类、弹尾目类和其它小型的节肢动物。其作用为:①螨类能分解土壤凋落物;②土壤动物啃食、消化作用,初步处理植物脱落物,便于土壤微生物的分解;③参与植物腐殖质的形成。(3)小型动物群,如原生动物、线虫和一些螨类。其作用为:①能把营养物质贮于自身组织内,通过食物键而间接地影响土壤的结构和营养物质循环;②原生动物、线虫对根际土壤有机氮的矿化有特殊作用。1.2土壤肥力演变及对植物的影响矿业废弃地土壤微生物包括细菌和真菌两大类群。土壤微生物能参与多种反应(如矿化—同化、氧化—还原等),是植物养料转化,有机物代谢及污染物降解的驱动力,在土壤肥力演变,尤其是对于矿业废弃地的复垦具有重要的意义。植物生长所需要的矿质营养物质主要决定于土壤微生物对植物凋落物和土壤有机物的分解作用,土壤微生物对植物有效养料起着储备库和源的作用,对于土壤碳、氮、磷和硫的植物的有效性发生深刻的影响。能与植物根系共生的微生物,如共生固氮菌(根瘤菌)、菌根菌和固氮的放线菌(弗兰克氏菌)常见于矿业废弃地(表1)。2矿废弃地对土壤生物居民生理的限制生长地面上的植物及根系—土壤—土壤生物相互依存、相互作用构成了生态系统。不同体积和生理要求的土壤生物各居其一定的土壤生态位,它们之间存在着复杂的食物网络,并具有补偿作用(compensetoryresponese)。土壤生物对土壤微环境(包括土壤物理和化学环境,如土壤水分、通气状况、有机质、矿物质、酸碱度等)有一定的要求,不良的生态环境会影响或危及土壤生物的生存。采矿不可避免剥离表土,完全破坏地面上生长的植被层,从而严重地影响了根系—土壤—土壤生物的生态平衡,破坏土壤生物群落的结构和组成。矿业废弃地对土壤生物定居的限制因子包括:①剥离表土,造成不良的土壤物理结构;②地面植被层缺乏;③土壤微生物所依赖的植物凋落物和土壤有机物缺乏;④重金属对土壤生物毒害。其中不良的土壤物理结构和土壤有机物的缺乏通常是限制土壤生物在矿业废弃地定居的主要因子。但在有色金属矿废弃地,重金属毒性是土壤生物定居的另一个限制因子。2.1土壤生物活性的变化采矿不可避免地破坏了土壤物理结构,对土壤生物的影响包括:①采矿剥离了发育良好的表土层,穴居在表土中动物直接被杀死,或者被迫逃离,土壤微生物被杀死或菌丝被破坏;②采矿造成土壤松散易流动,或板结。研究发现,土壤在25℃下风干可降低微生物活性3%~60%,风干土壤复水后,微生物量会逐渐恢复,但在缺水期内难以达到原来的水平;土壤板结使土壤迅速处于厌养状态,不利于动物的穴居生活,也不利于土壤微生物生存。土壤的厌氧状态通常是引起土壤生物肥力水平下降的一个主要原因;③采矿造成了废弃物的堆积,废弃物堆积对土壤生物的影响很大。研究发现,在超过1m深的表土堆积1年以后,生物繁殖体几乎完全缺乏。真菌在1m深的表土堆积层其繁殖力保持原来的水平,但在6个月后就迅速下降;三叶草的根瘤菌能在表土堆积层1.5m处存活2.5年。其原因可能是土壤堆积形成了厌氧条件,造成了好氧微生物的死亡。2.2重金属对土壤的影响高浓度的毒性重金属对所有生物体都具有毒性,土壤生物也不例外。重金属达到一定的临界浓度,土壤生物的活性和数量就会受到明显的影响。在具有高浓度毒性重金属的矿业废弃地中,重金属毒性往往决定了土壤的生物活力水平。少数的土壤生物具有金属耐性。2.2.1对土壤重金属含量的认识重金属毒性主要表现在:①改变了土壤生物群落的组成。研究发现,不同的重金属对土壤生物的影响不一样。高浓度的Cu仅仅导致土壤细菌的减少;高浓度的Cd,Zn影响了细菌、真菌、放线菌、线虫和蚯蚓的成活率;在铅锌矿废弃地土壤中,节肢动物(特别是螨、壁虱、蛆)和真菌类数量下降,但细菌、放线菌数量没有受到影响,弹尾虫的数量反而上升,这可能与土壤生物食物网相互作用有关,说明了在受污染的土壤中,土壤生物具有补偿作用。不同的土壤生物对金属的敏感性也不相同。细菌一般比真菌对重金属更敏感,在细菌中,革兰氏阳性细菌比革兰氏阴性细菌敏感。②抑制微生物自身的新陈代谢,影响有机物的分解过程,这种抑制作用最有力的证据是受重金属污染的土壤表土层植物凋落层有增厚的现象。这种对微生物新陈代谢的抑制作用包括:a.重金属影响微生物碳同化作用。高浓度的重金属(如Cd,Cu,Zn,Pb)能导致土壤呼吸量成倍地增加,而后显著地下降。开始成倍增加被认为是微生物对逆境的一种反应机理。b.重金属影响了氮循环。氮的硝化作用、反硝化作用及固氮作用都明显地受到重金属的影响,从而进一步加剧了废弃地氮的缺乏。c.重金属影响土壤酶的活性。在矿业废弃地中,发现脱氢酶、尿素酶、磷酸酶的含量和活性相当低。随着重金属浓度的升高,酶的合成作用将会显著地下降。重金属引起酶的活性下降的原因可能有:引起蛋白质的变性或通过其它的方式引起酶的构型发生变化,金属离子通过竞争性抑制酶的活性,遮蔽酶的功能部位。③土壤微生物的生物量下降。土壤微生物的生物量与土壤重金属的浓度具有明显的负相关。④土壤微生物活性下降。实验表明,土壤中某些重金属的浓度(μg·g-1)为:Zn114,Cd2.9,Cu33,Ni17,Pb40,Cr80时,蓝绿菌固氮活性降低50%。可见,重金属对土壤生物危害性大,因此,确定重金属在土壤中的最大允许浓度必须考虑其对土壤生物的影响。2.2.2重金属污染的环境过量的重金属对土壤生物具有毒性,但有不少的土壤生物能在高浓度的重金属环境中生存,具有金属耐性。这种金属耐性表现为在高浓度的重金属环境中而不受毒害。通过测量矿区几种土壤动物体内的重金属浓度(表2)发现:它们具有极强的富集金属能力。如地鳖体内Cd浓度高于周围环境中Cd的浓度50倍,Cu36倍。少数的真菌属也存在于高浓度重金属的废弃地中,如Laccaria,Thelephora,Paxillus,Boletus在含As的废弃地处于优势属;Pisolithus存在于Ni尾矿;而Laccaria,Paxillus存在于U尾矿;Suillus,Amanita,Thelephora,Paxillus存在于富含Zn和Cd的环境中。同时也得出:在重金属污染的环境中的土壤微生物优势种,是一些已经具有耐性的种,它们极少存在于正常的土壤中。土壤生物的金属耐性的机理仍不清楚。但研究发现,细菌的金属耐性经常由存在于质体上的基因所控制。土壤生物能产生特殊的酶,具有还原或固定重金属能力,从而减少重金属的毒害。如Citrobactersp.产生酶能使U,Pb和Cd形成难溶性磷酸盐。真菌的细胞壁能束缚重金属,从而减少土壤中重金属的浓度。2.3生物能源物质土壤微生物在其生命活动过程中需要能量和养料,不断地同化环境中的有机物。土壤微生物与土壤有机物具有明显的相关性。但是,即使在正常的土壤环境中,能源不足通常是限制土壤微生物生长和活性的主要因素。在矿业废弃地,微生物生命活动所需能源缺乏就更为严重。植物的凋落物、根系的分泌物和衰亡的根、根际沉积物和土壤动物的脱落物、排泄物、分泌物以及土壤腐殖质是微生物能源物质的主要来源。采矿剥离了发育良好的土壤基质,特别是破坏了地面上的植被层,造成了土壤有机物严重缺乏,严重地限制了土壤微生物量。3表土转换技术土壤生物是生态系统中不可缺少的组成部分,它对土壤结构有一定的要求,土壤有机物缺乏和有害物质(如重金属)同样会影响或危及土壤生物。因此,在矿业废弃地生态恢复中,应重视和加强对土壤生物的管理。(1)尽可能地减少对表土的破坏和尽可能快地用表土复原是矿业废弃地生态恢复的最佳策略。在采矿时,尽可能地减少对表土的破坏面积和程度,同时进行表土转换技术。即把表层(0~30cm)及亚层(30~60cm)土壤取走,认真地加以保存,在采矿结束后再把它们放回原处,这样土壤基本保持原样,土壤的营养条件和土壤生物繁殖体(如孢子、菌丝等)不会受到改变和破坏,这不但有利于植被恢复,而且保证了土壤生物迅速地繁殖和定居。表土转换技术的关键在于表土的剥离、保存和表土复原。在整个过程中,应尽可能减少对土壤结构的破坏和尽可能快地用表土覆土。目前这项技术在西欧国家得到广泛地应用。(2)加强对矿业废弃地基质改良,防止土壤的板结、水土流失和废弃物的堆积。用传统的农业技术,如用耙、犁等疏松土壤,能有效地防止土壤的板结;建立池溏、排水渠等防止水土流失。污水污泥、生活垃圾、植物凋落物、作物秸秆作为表土的替代物用以覆盖矿业废弃地,能有效地改良土壤生物生存环境,提供其生命活动过程中所需要的能量和养料,有利于土壤生物的定居。(3)加强对耐性土壤微生物的筛选工作。土壤微生物一般存在特殊的生境条件,在这种生境条件下,就能筛选具有耐性的土壤微生物,再把这些具有耐性的土壤微生物接种到矿业废弃地或寄主植物体内。Jasper等成功地把内生菌根(VAmycorrhizalfungi)接种到矿业废弃地。也有人报道过把根瘤菌接种到长喙田菁(Sesbaniarostrata)和弗兰克氏菌接种Casuarina。这方面的工作在矿业废弃地植被恢复中具有很大的潜力。4土壤生物研究矿业废弃地不但浪费大量的土地资源,而且是持久的污染源。矿业废弃地的生态恢复与植被重建是国际上备受关注的研究领域。以往的研究集中于土壤—植被的恢复,忽视了土壤—植被—土壤生物的整体性。近年来,土壤生物学研究蓬勃发展,为矿业废弃地生态恢复提供了新的手段。可以预料,土壤生物的研究在矿业废弃地生态恢复与重建将显示出巨大的潜力。在这方面,我们的工作