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摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 (SHENGTAI XUEBAO)
摇 摇 第 32 卷 第 18 期摇 摇 2012 年 9 月摇 (半月刊)
目摇 摇 次
亚热带典型树种对模拟酸雨胁迫的高光谱响应 时启龙,江摇 洪,陈摇 健,等 (5621)……………………………
珠江三角洲地面风场的特征及其城市群风道的构建 孙摇 武,王义明,王越雷,等 (5630)………………………
粤北山地常绿阔叶林自然干扰后冠层结构与林下光照动态 区余端,苏志尧 (5637)……………………………
四种猎物对南方小花蝽生长发育和繁殖的影响 张昌容, 郅军锐, 莫利锋 (5646)……………………………
普洱季风常绿阔叶林次生演替中木本植物幼苗更新特征 李帅锋,刘万德,苏建荣,等 (5653)…………………
喀斯特常绿落叶阔叶混交林物种多度与丰富度空间分布的尺度效应 张忠华,胡摇 刚,祝介东,等 (5663)……
格氏栲天然林土壤养分空间异质性 苏松锦,刘金福,何中声,等 (5673)…………………………………………
种植香根草对铜尾矿废弃地基质化学和生物学性质的影响 徐德聪,詹摇 婧,陈摇 政,等 (5683)………………
灌溉对三种荒漠植物蒸腾耗水特性的影响 单立山,李摇 毅,张希明,等 (5692)…………………………………
真盐生植物盐角草对不同氮形态的响应 聂玲玲,冯娟娟,吕素莲,等 (5703)……………………………………
庞泉沟自然保护区寒温性针叶林演替优势种格局动态分析 张钦弟,毕润成,张金屯,等 (5713)………………
不同水肥条件下 AM真菌对丹参幼苗生长和营养成分的影响 贺学礼, 马摇 丽, 孟静静, 等 (5721)…………
垄沟覆膜栽培冬小麦田的土壤呼吸 上官宇先,师日鹏,韩摇 坤,等 (5729)………………………………………
不同方式处理牛粪对大豆生长和品质的影响 郭立月, 刘雪梅,战丽杰,等 (5738)……………………………
基于大气沉降与径流的乌鲁木齐河源区氮素收支模拟 王圣杰, 张明军, 王飞腾,等 (5747)…………………
基于能值理论的循环复合农业生态系统发展评价———以福建省福清星源循环农业产业示范基地为例
钟珍梅,翁伯琦, 黄勤楼,等 (5755)
………
……………………………………………………………………………
低温暴露和恢复对棘胸蛙雌性亚成体生存力及能量物质消耗的影响 凌摇 云,邵摇 晨,颉志刚,等 (5763)……
暗期干扰对棉铃虫两个不同地理种群滞育抑制作用的比较 陈元生,涂小云,陈摇 超,等 (5770)………………
水土流失治理措施对小流域土壤有机碳和全氮的影响 张彦军,郭胜利,南雅芳,等 (5777)……………………
不同管理主体对泸沽湖流域生态系统影响的比较分析 董仁才,苟亚青,李思远,等 (5786)……………………
连江鱼类群落多样性及其与环境因子的关系 李摇 捷,李新辉,贾晓平,等 (5795)………………………………
溶氧水平对鲫鱼代谢模式的影响 张摇 伟,曹振东,付世建 (5806)………………………………………………
象山港人工鱼礁区的网采浮游植物群落组成及其与环境因子的关系 江志兵,陈全震,寿摇 鹿,等 (5813)……
填海造地导致海湾生态系统服务损失的能值评估———以套子湾为例 李睿倩,孟范平 (5825)…………………
城市滨水景观的视觉环境质量评价———以合肥市为例 姚玉敏,朱晓东,徐迎碧,等 (5836)……………………
专论与综述
生态基因组学研究进展 施永彬,李钧敏,金则新 (5846)…………………………………………………………
海洋酸化生态学研究进展 汪思茹,殷克东,蔡卫君, 等 (5859)…………………………………………………
纺锤水蚤摄食生态学研究进展 胡思敏,刘摇 胜,李摇 涛,等 (5870)………………………………………………
河口生态系统氨氧化菌生态学研究进展 张秋芳,徐继荣,苏建强,等 (5878)……………………………………
嗜中性微好氧铁氧化菌研究进展 林超峰,龚摇 骏 (5889)…………………………………………………………
典型低纬度海区(南海、孟加拉湾)初级生产力比较 刘华雪, 宋星宇, 黄洪辉,等 (5900)……………………
植物叶片最大羧化速率及其对环境因子响应的研究进展 张彦敏, 周广胜 (5907)……………………………
中国大陆鸟类栖息地选择研究十年 蒋爱伍,周摇 放,覃摇 玥,等 (5918)…………………………………………
研究简报
孵化温度对赤链蛇胚胎代谢和幼体行为的影响 孙文佳,俞摇 霄,曹梦洁,等 (5924)……………………………
不同培肥茶园土壤微生物量碳氮及相关参数的变化与敏感性分析 王利民, 邱珊莲,林新坚,等 (5930)……
施肥对两种苋菜吸收积累镉的影响 李凝玉, 李志安,庄摇 萍,等 (5937)………………………………………
期刊基本参数:CN 11鄄2031 / Q*1981*m*16*322*zh*P* ￥ 70郾 00*1510*36*
室室室室室室室室室室室室室室
2012鄄09
封面图说: 冬天低空飞翔的丹顶鹤———丹顶鹤是鹤类中的一种,因头顶有“红肉冠冶而得名。 是东亚地区特有的鸟种,因体态优
雅、颜色分明,在这一地区的文化中具有吉祥、忠贞、长寿的象征,是传说中的仙鹤,国家一级保护动物。 丹顶鹤具备
鹤类的特征,即三长———嘴长、颈长、腿长。 成鸟除颈部和飞羽后端为黑色外,全身洁白,头顶皮肤裸露,呈鲜红色。
丹顶鹤每年要在繁殖地和越冬地之间进行迁徙,只有在日本北海道等地是留鸟,不进行迁徙,这可能与冬季当地人
有组织地投喂食物,食物来源充足有关。
彩图提供: 陈建伟教授摇 北京林业大学摇 E鄄mail: cites. chenjw@ 163. com
第 32 卷第 18 期
2012 年 9 月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol. 32,No. 18
Sep. ,2012
http: / / www. ecologica. cn
基金项目:环保公益性行业科研专项(201009041鄄02);安徽省高校优秀青年人才基金项目(2010SQRL191)
收稿日期:2011鄄08鄄01; 摇 摇 修订日期:2012鄄02鄄22
*通讯作者 Corresponding author. E鄄mail: sunqingye@ ahu. edu. cn
DOI: 10. 5846 / stxb201108011124
徐德聪,詹婧,陈政,高毅,谢贤政,孙庆业,豆长明. 种植香根草对铜尾矿废弃地基质化学和生物学性质的影响. 生态学报,2012,32 (18):
5683鄄5691.
Xu D C, Zhan J, Chen Z, Gao Y, Xie X Z, Sun Q Y, Dou C M. Effects of Vetiveria zizanioides L. growth on chemical and biological properties of copper
mine tailing wastelands. Acta Ecologica Sinica,2012,32(18):5683鄄5691.
种植香根草对铜尾矿废弃地基质化学和
生物学性质的影响
徐德聪1,2,詹摇 婧1,陈摇 政1,高摇 毅1,谢贤政3,孙庆业1,*,豆长明3
( 1. 安徽大学资源与环境工程学院, 合肥摇 230601;2. 宿州学院化学与生命科学系, 宿州摇 234000;
3. 安徽省环境科学研究院, 合肥摇 230061)
摘要:通过实地调查取样和室内分析,研究铜陵水木冲铜尾矿废弃地不同时期种植香根草(Vetiveria zizanioides L. ) 群落(近期种
植香根草群落 ( V. zizanioides communities were established in the recent stage, JX),中期种植香根草群落 ( V. zizanioides
communities were established in the middle stage, ZX)和早期种植香根草群落(V. zizanioides communities were established in the
early stage, OX))对尾矿基质化学性质、微生物量和土壤酶活性的影响,探讨人工植被恢复对铜尾矿废弃地基质系统的修复作
用。 结果表明:香根草的定植能延缓铜尾矿的酸化过程,且随着香根草定植时间的延长,0—5 cm 和 5—20 cm 层尾矿基质中总
氮和速效磷含量提高(其中,0—5 cm层总氮积累更加显著),OX 下 0—5 cm 表层基质总氮和速效磷的平均值分别是 JX 下的
4郾 64 倍和 22. 44 倍。 基质微生物量 C、N含量和脱氢酶、过氧化氢酶、脲酶活性也随香根草种植时间的延长而有不同程度的升
高,且基质化学性质对微生物量和酶活性有影响,其中基质微生物量 C、N含量、脱氢酶和过氧化氢酶活性均与电导率呈显著或
极显著负相关性;而基质微生物量 N和 4 种酶活性均与总氮含量呈显著或极显著正相关性,表明总氮含量是影响基质微生物量
N和酶活性的主要因子;基质微生物量 N、脱氢酶和过氧化氢酶活性还与速效磷含量呈极显著正相关性。 基质中 Cu、Pb含量对
脱氢酶、过氧化氢酶活性和微生物量均有显著抑制作用,而 Zn对基质微生物活性有一定的激活作用。 生长在尾矿废弃地上的
香根草不仅显著地改善了铜尾矿废弃地的基质化学性质,且有利于基质微生物量和酶活性的增加,是一种良好的矿业废弃地生
态修复物种。
关键词: 香根草;铜尾矿废弃地;化学性质;微生物量;酶活性
Effects of Vetiveria zizanioides L. growth on chemical and biological properties of
copper mine tailing wastelands
XU Decong1,2, ZHAN Jing1, CHEN Zheng1, GAO Yi1, XIE Xianzheng3, SUN Qingye1,*, DOU Changming3
1 School of Resources and Environmental Engineering, Anhui University, Hefei 230601, China
2 School of Chemical and Life Science, Suzhou University, Suzhou 234000, China
3 Anhui Institute of Environmental Science, Hefei 230061, China
Abstract: Vetiveria zizanioides L. is a Gramineae herbaceous perennial with rapid growth and is highly adaptable to its
environment. It is often found in wasteland and lead / zinc mining abandoned soil. V. zizanioides is also strongly adaptable to
copper mine tailings. The criteria for determining successful phytoremediation focus on both aboveground vegetation and
substrate characterization. To understand the effects of artificial revegetation on the remediation of wastelands associated
with the Tongling copper mine tailings in Anhui Province, we studied the dynamic changes in chemical properties,
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microbial biomass, enzyme activity in the tailings, and the relationships between these factors. The tailings were collected
under V. zizanioides communities constructed on copper mine tailing wastelands at different times: JX ( V. zizanioides
communities were established in the recent stage); ZX (V. zizanioides communities were established in the middle stage);
and OX (V. zizanioides communities were established in the early stage) . The results showed that the tailings under the ZX
and OX communities, had higher pH values and lower electrical conductivity and available Cu and Pb concentrations than
the tailings under the JX community, indicating that the process of tailings acidification slowed down after the establishment
of the V. zizanioides community. As the V. zizanioides community developed over time, the total N and available P in the
tailings at 0—5 cm and 5—20 cm depths increased; with the total N and available P in the tailings at 0—5 cm under the
OX 4. 64 and 22. 44 times higher, respectively than at the same depth under the JX. The total N accumulation at 0—5 cm
was significantly higher than at the 5—20 cm depth, indicating the effect of the phytoremediation on improving the substrate
chemical properties. With increased plantation time, the dehydrogenase, catalase and urease enzyme activities and the
microbial biomass C and N contents also gradually increased at the 0—5 cm and 5—20 cm depths, but the alkaline
phosphatase activity did not increase. The dehydrogenase and catalase activities and the microbial biomass C and N contents
were all either extremely significantly or significantly negatively correlated with the electric conductivity. However, the
microbial biomass N contents and all soil enzyme activities were significantly positively correlated to the total N content,
indicating that total N was a dominant influence on soil enzyme activities. The microbial biomass and most soil enzyme
activities decreased with increasing Cu and Pb contents, and the dehydrogenase and catalase activities were most sensitive to
Cu, but less sensitive to Zn. The V. zizanioides has shown a significant ability to improve the chemical properties of
tailings, and also to increase microbial biomass and soil enzyme activities. It is an adaptive plant species, and is
recommended for the ecological rehabilitation of copper mine tailing wastelands.
Key Words: Vetiveria zizanioides L. ; copper mine tailings; chemical properties; microbial biomass; enzyme activities
铜尾矿废弃地是铜矿开采后形成的大量尾矿堆放形成的,具有养分贫乏、重金属含量高、对周围水体和土
壤污染严重等特点。 因此,实施铜尾矿废弃地生态修复,控制其对周围地区的污染已成为目前研究的热点之
一。 基质改良和耐性植物选择是矿业废弃地生态修复的关键,国内外对适合重金属矿业废弃地生态修复的植
物进行了大量的研究,如田胜尼等[1]探讨了 5 种豆科植物对铜尾矿的适应性,简曙光等[2]研究了多花黑麦草
在酸化铅锌尾矿上的萌发、生长和重金属积累情况,Barrutia 等[3]和 Conesa 等[4]分别利用不同栽培方式研究
了酸模( Rumex acetosa L. )和灰绿针草 ( Lygeum spartum)对铅锌尾矿土的修复潜力。 香根草 ( Vetiveria
zizanioides L. )为禾本科多年生大型草本植物,能够在生境恶劣、寸草不生的铅、锌尾矿地正常生长[5]。 诸多
学者在香根草对重金属污染土壤的修复潜力方面进行了深入的探讨,如 Aibibu等[6]研究了 Cd 积累对香根草
生长、生理和生化特性的影响。 Shu等[7]通过田间实验研究了香根草等几种矿区优势植物对 Pb / Zn矿的适应
性,结果表明香根草是 Pb / Zn尾矿植被恢复的最佳物种。 Pang 等[8]研究了香根草对 Cu、Pb 和 Zn 胁迫的生
理响应。 在澳大利亚,香根草已被成功地用于固定盐碱化的煤矿地和酸化的金矿地[6]。 笔者对铜陵铜尾矿
废弃地的调查也表明,人工种植在铜尾矿废弃地上的香根草生长发育良好。
铜陵是我国六大铜业基地之一,区内堆存着大量不同时期排放的铜尾矿,形成大量的铜尾矿废弃地。 目
前关于铜陵铜尾矿废弃地生态修复研究主要集中于自然生态恢复过程中尾矿废弃地中养分的形成与积
累[9鄄10]、土壤酶活性的变化[11]以及基质微生物多样性等方面[12],而关于人工生态修复过程中植物群落发展
与基质化学性质、微生物量及其酶活性之间相互关系的研究鲜见报道。
本研究以人工种植香根草的铜陵水木冲铜尾矿废弃地为对象,研究不同时期种植香根草对铜尾矿废弃地
基质化学性质、微生物量及酶活性的影响,阐述矿业废弃地生态系统修复过程中植物鄄基质系统的相互关系及
其作用机制,为重金属矿业废弃地生态系统的修复提供理论参考和实例支持。
4865 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 32 卷摇
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1摇 材料和方法
1. 1摇 研究区概况
水木冲尾矿废弃地(30毅55忆N,117毅50忆E)位于安徽铜陵市郊,属亚热带湿润季风气候,年平均气温 17. 4
益,无霜期 230 d,年降水量 1370 mm,雨量充沛,年平均日照时数 2050 h,年平均湿度为 75%—81% ,常年主导
风向为东北风,海拔为 60—100 m。 为山谷型尾矿废弃地,周围山坡植被多主要为人工马尾松林(Pinus
massoniana Lamb. )和灌木鄄高草群落。 于 2004 年被弃置不用,人工恢复尾矿废弃地坡面从坝底至坝顶分 3 个
台阶,第一台阶为初期坝(石头堆筑),第二、三台阶为堆积坝(尾矿堆筑)。 本研究以第二、三台阶为研究对
象,区域面积约为 4. 5 万 m2。 于 2006 至 2008 年分 3 阶段种植香根草,其中近期种植香根草群落 ( V.
zizanioides communities were established in the recent stage, JX) 和中期种植香根草群落 ( V. zizanioides
communities were established in the middle stage, ZX)分布在第三台阶,早期种植香根草群落(V. zizanioides
communities were established in the early stage, OX)分布在第二台阶。
1. 2摇 样品的采集与处理
2009 年 5 月,分别采集 JX、ZX和 OX下 0—5 cm和 5—20 cm尾矿样品。 每个时期香根草群落下均采集
5 个重复样品,每重复由 6 个采样点的小样品混合而成,分别装入无菌塑料袋中、混匀,共采集样品 30 个。 将
取回的新鲜样品分成 2 份,1 份立即过筛、保存于 4 益冰箱,用于基质微生物量和酶活性的测定,另 1 份样品
经自然风干、研磨、过筛之后用于化学性质分析。
1. 3摇 测定方法
1. 3. 1摇 尾矿化学性质的测定
pH值和电导率分别用 pH计和电导率仪测定(尾矿W 颐水V = 1 g 颐2. 5 mL);总氮采用凯氏定氮法测定;速
效磷含量采用 0. 5 mol / L碳酸氢钠浸提鄄钼锑抗比色法测定[13]。
总 Cu、Pb和 Zn用 HCl鄄 HNO3 鄄HF鄄HClO4 消化、ICP 测定;有效态 Cu、Pb和 Zn用 DTPA 浸提,原子吸收分
光光度计测定[14]。
1. 3. 2摇 微生物量的测定
基质微生物量 C、N采用熏蒸鄄浸提法,浸提液中的有机 C 采用重铬酸钾氧化鄄硫酸亚铁滴定法,N 采用凯
氏定氮法测定[13],微生物量 C、N的计算按照 Turner等[15]的方法。
1. 3. 3摇 酶活性的测定[16]
脱氢酶的测定采用 TTC比色法,活性以 triphenylformazan (TPF) mg·kg-1·d-1 表示;过氧化氢酶的测定采
用高锰酸钾滴定法,活性以 0. 02 mol / L KMnO4 mL·g
-1·h-1 表示;碱性磷酸酶的测定采用对硝基苯磷酸钠比色
法,活性以 p鄄nitrophenol 滋g·g-1·h-1 表示;脲酶的测定采用靛酚蓝比色法,活性以 NH+4 鄄N mg·g
-1·h-1 表示。
1. 4摇 数据处理
数据分析用 SPSS16. 0 进行,One鄄Way ANOVA (LSD检验)用于多重比较(P<0. 05);独立样本 t鄄检验用于
分析来自同一采样区域上下两层样本之间的数据比较;双变量相关分析采用 Pearson相关系数。
2摇 结果与分析
2. 1摇 香根草下铜尾矿基质化学性质的变化
表 1 表明,基质 pH值表现为中性至微碱性,且 0—5 cm和 5—20 cm层 pH值均表现为 JX
现,位于第三台阶的表层尾矿出现氧化变酸现象,这可能是导致该处上下层 pH 值较低和电导率较高的主要
原因。 总氮和速效磷均表现为 OX﹥ ZX ﹥ JX,JX 下 0—5 cm 表层总氮与 OX 下出现显著差异( P<0. 05),
OX下 0—5 cm表层基质总氮和速效磷的平均值分别是 JX下的 4. 64 倍和 22. 44 倍,这表明随着香根草在铜
尾矿上定植时间的延长,基质中总氮和速效磷含量均显著提高。
栽培香根草的水木冲尾矿废弃地中总的重金属含量表现为 Cu>Zn>Pb;在 2 层尾矿基质中,JX处的总 Cu
5865摇 18 期 摇 摇 摇 徐德聪摇 等:种植香根草对铜尾矿废弃地基质化学和生物学性质的影响 摇
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含量明显高于 ZX和 OX,而总 Zn则表现为 JX
0郾 05),表明研究区域 3 种重金属总量的这种变化主要由不同时期堆存尾矿自身性质所决定。
与总的重金属含量变化一样,研究区域有效态重金属含量也表现为 Cu>Zn>Pb;2 层尾矿中有效态 Cu 和
Pb含量均表现为 JX>ZX和 OX,而有效态 Zn含量则表现为 JX
的有效态 Zn均表现出显著差异。 JX有效态 Cu、ZX有效态 Pb和 Zn,在上下层尾矿中均有显著差异(P<0. 05
或 0. 01),但各时期上下层尾矿中有效态重金属占总量重金属的比例非常稳定。 以上结果表明尾矿中有效态
重金属含量与其总量的高低有关,但比重金属总量更易受外界环境条件的影响。
表 1摇 铜尾矿基质化学性质
Table 1摇 Chemical properties of copper mine tailings (Mean依SD, n=5)
项目 Item
采样深度 Sampling depth / cm
0—5
JX ZX OX
5—20
JX ZX OX
pH 7. 32 依 0. 11a 7. 76 依 0. 53b 7. 82 依 0. 08b 7. 41 依 0. 08A 7. 67 依 0. 22B 7. 86 依 0. 20B
电导率 Electric conductivity / (滋s / cm) 1438. 8 依 157. 1b 509. 0 依 292. 7a 344. 2 依 67. 3a 1589. 6 依 26. 6B 783. 0 依 380. 4A 427. 8 依 265. 7A
总氮 Total nitrogen / (mg / kg) 47. 9 依 6. 8a 138. 9 依 55. 2ab 222. 2 依 104. 5b 33. 1 依 6. 7A 39. 9 依 9. 4A 41. 6 依 17. 1A
速效磷 Available phosphorus / (mg / kg) 0. 09 依 0. 07a 1. 32 依 0. 97b 2. 02 依 0. 81b 0. 03 依 0. 03A 0. 47 依 0. 34B 0. 71 依 0. 36B
有效态 CuAvailable Cu / (mg / kg) 62. 41 依 11. 37a 51. 47 依 11. 19a 49. 24 依 5. 99a 78. 25 依 8. 5B 38. 94 依 2. 68A 49. 67 依 10. 5A
有效态 Pb Available Pb / (mg / kg) 2. 81 依 0. 52b 1. 77 依 0. 21a 2. 17 依 0. 78ab 3. 46 依 0. 68B 2. 22 依 0. 18A 2. 51 依 1. 02AB
有效态 Zn Available Zn / ( mg / kg) 10. 67 依 1. 8a 28. 5 依 1. 72b 34. 82 依 4. 58c 12. 16 依 2. 71A 21. 61 依 2. 51B 34. 42 依 3. 28C
总 Cu Total Cu / ( mg / kg) 3059 依 475c 1943 依 341b 1387 依 246a 2804 依 442C 2126 依 419B 1487 依 266A
总 Pb Total Pb / ( mg / kg) 31. 7 依 10. 7b 21. 2 依 4. 1a 23. 8 依 5. 2ab 30. 6 依 6. 5A 23. 2 依 4. 7A 26. 8 依 10. 6A
总 Zn Total Zn / ( mg / kg) 410 依 70a 450 依 40ab 520 依 70b 420 依 70A 470 依 50AB 520 依 90B
摇 摇 JX:近期种植香根草群落 V. zizanioides communities were established in the recent stage; ZX:中期种植香根草群落 V. zizanioides communities
were established in the middle stage; OX:早期种植香根草群落 V. zizanioides communities were established in the early stage. LSD 检验: 同一采样深
度不同字母表示同一行中数据间有显著性差异( P<0. 05)
2. 2摇 香根草下铜尾矿基质微生物量的变化
图 1 表明,香根草生长时间的长短对尾矿基质中微生物量 C、N 具有显著影响。 香根草种植时间较早的
ZX与种植时间较短的 JX微生物量 C具有显著差异(前者是后者的 3. 06 倍),尽管最先种植的香根草(OX)
下表层 0—5 cm尾矿中微生物量 C与刚刚种植的香根草(JX)下表层 0—5 cm 尾矿中微生物量 C 无显著差
异,但前者为后者的 1. 52 倍。 香根草种植时间对下层(5—20 cm)微生物量 C 的影响也很明显,种植时间较
长的 OX微生物量 C明显高于种植时间较短的 JX。 除 ZX外,上下 2 层尾矿基质中微生物量 C含量无显著差
异(P>0. 05)。
上下 2 层尾矿基质中,微生物量 N均表现为 OX>ZX>JX,OX的微生物量 N显著高于 JX。 从图 1 可以看
出,3 个种植时期下尾矿基质中微生物量 N含量均表现为 0—5 cm层高于 5—20 cm层。 统计分析表明,JX上
层(0—5 cm)与下层(5—20 cm)尾矿基质中微生物量 N含量出现显著差异(P<0. 05),但 ZX和 OX上层与下
层之间尾矿基质中微生物量 N无显著差异(P>0. 05)。
上下层微生物量 C、N变化的分析结果表明,植物对表层 20 cm 尾矿基质中微生物量的影响随着香根草
生长时间的延长逐渐均一,即植被恢复初期植物地上部分对基质微生物的影响大于地下部分。
2. 3摇 香根草下铜尾矿基质酶活性的变化
不同时期种植的香根草群落下铜尾矿废弃地基质酶活性测定结果表明(图 2),基质中 4 种酶活性随种植
时间变化趋势有所不同。 0—5 cm及 5—20 cm层基质中脱氢酶活性均表现为 OX>ZX>JX,过氧化氢酶活性均
表现为 ZX>OX>JX,碱性磷酸酶活性均表现为 JX>OX>ZX,脲酶活性均表现为 OX>JX>ZX。
6865 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 32 卷摇
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图 1摇 铜尾矿基质微生物量 C、N变化
Fig. 1摇 Changes of microbial biomass C and N in copper mine tailings
LSD 检验: 同一采样深度不同字母表示数据间有显著性差异(P<0. 05) ; JX: V. zizanioides communities were established in the recent stage;
ZX: V. zizanioides communities were established in the middle stage; OX: V. zizanioides communities were established in the early stage
从图 2 可以看出,香根草生长时间较长的 OX 和 ZX 0—5 cm 层的尾矿基质中脱氢酶和过氧化氢酶活性
显著高于新近种植香根草的同层尾矿。 与脱氢酶和过氧化氢酶相比,碱性磷酸酶和脲酶活性随植物种植时间
变化相对较小。 且 JX上层(0—5 cm层)尾矿中脱氢酶和过氧化氢酶活性与下层(5—20 cm 层)尾矿之间无
显著差异(P>0. 05),但 ZX 和 OX 上层尾矿中脱氢酶和过氧化氢酶活性均显著高于下层尾矿( P<0. 05 或
0郾 01);除 JX碱性磷酸酶外,3 个时期种植的香根草群落下,碱性磷酸酶和脲酶活性在上下层之间的差异并不
显著(P>0. 05)。
图 2摇 铜尾矿基质酶活性变化
Fig. 2 摇 Changes of enzymatic activities in copper mine tailings
不同字母表示差异显著
2. 4摇 香根草下铜尾矿基质化学性质与微生物活性的关系
从表 2 可以看出,基质酶活性与化学性质有着密切的关系,但不同种类酶表现出的相关性存在差异。 脱
氢酶和过氧化氢酶活性均与基质总氮和速效磷含量呈极显著正相关,而与电导率均呈极显著负相关;碱性磷
酸酶和脲酶活性均与总氮含量呈显著正相关,与速效磷含量和电导率的相关性较差;基质 pH 值仅与碱性磷
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酸酶活性呈极显著负相关。 此外,脱氢酶和过氧化氢酶活性与总 Cu、总 Pb和有效态 Pb含量呈显著或极显著
负相关,而与有效 Zn态含量均呈极显著正相关,且过氧化氢酶活性还与有效态 Cu 含量呈显著负相关;除脲
酶活性与总 Zn含量呈显著的正相关外,碱性磷酸酶和脲酶活性与其它总量和有效态重金属含量的相关性均
不显著。
微生物量 C、N含量与基质化学性质之间也存在着密切的关系。 微生物量 C、N均与电导率呈显著或极显
著负相关,且微生物量 C与 pH值呈显著正相关,微生物量 N与总氮和速效磷含量均呈极显著正相关。 此外,
基质微生物量 C、N均与总 Cu和有效态 Pb含量呈显著或极显著负相关,而与有效态 Zn含量呈显著或极显著
正相关,微生物量 N还与有效态 Cu含量呈显著负相关。
表 2摇 铜尾矿化学性质与微生物活性的相关关系
Table 2摇 Correlations between microbiological and chemical properties of tailings
项目
Item
脱氢酶
dehydrogenase
过氧化氢酶
catalase
碱性磷酸酶
Alkaline
phosphatase
脲酶
urease
微生物量 C
microbial
biomass C
微生物量 N
microbial
biomass N
pH 0. 223 0. 346 -0. 491** -0. 106 0. 446* 0. 315
电导率 Electric conductivity -0. 522** -0. 657** 0. 262 0. 012 -0. 414* -0. 579**
总氮 Total nitrogen 0. 748** 0. 565** 0. 361* 0. 370* 0. 164 0. 704**
速效磷 Available phosphorus 0. 894** 0. 639** 0. 197 0. 083 0. 254 0. 787**
总 Cu Total Cu -0. 432* -0. 514** 0. 190 -0. 080 -0. 414* -0. 528**
总 Pb Total Pb -0. 362* -0. 407* 0. 209 0. 044 -0. 357 -0. 246
总 Zn Total Zn 0. 234 0. 204 -0. 335 0. 385* 0. 005 0. 347
有效态 Cu Available Cu -0. 246 -0. 458* 0. 355 0. 057 -0. 367* -0. 304
有效态 Pb Available Pb -0. 440* -0. 621** -0. 041 0. 158 -0. 445* -0. 370*
有效态 Zn Available Zn 0. 516** 0. 588** -0. 237 0. 259 0. 375* 0. 603**
摇 摇 * P<0. 05;**P<0. 01
3摇 讨论
本研究的结果表明,在新弃置铜尾矿废弃地上种植香根草后,随着香根草定植时间的延长,香根草群落下
不同层基质化学性质、微生物量和酶活性均有着不同程度的变化。
3. 1摇 香根草对铜尾矿废弃地基质化学性质的影响
新弃置铜尾矿废弃地基质 pH 值一般大于 8郾 0[17],由于尾矿中含有大量金属硫化物,暴露于空气中的金
属硫化物(特别是 FeS2)在氧和水的作用下易发生酸化作用,生成 H
+、SO2-4 和大量盐类,导致尾矿废弃地基质
pH值下降和电导率升高[9]。 在本研究中,OX 和 ZX 下尾矿 pH 值显著高于新近种植的香根草群落(JX)下,
而电导率则表现出相反的趋势,表明香根草的种植能够有效延缓尾矿废弃物中金属硫化物的氧化,这与 Lei
等[18]和任冠举等[9]关于自然植物群落下尾矿 pH 值和电导率变化的研究结论相一致。 此外,不同时期排放
的尾矿中金属硫化物含量及组成的差异也可能是导致 OX、ZX和 JX差异的原因之一。
同时,随香根草定植时间的延长,基质总氮含量显著提高,这与 Zhang 等[19]研究结果一致。 其中表层
(0—5 cm)总氮的积累更加显著,Li and Daniels[20]在自然植被恢复区同样发现尾矿基质氮积累主要发生在表
层(0—5 cm),且总氮与恢复年限显著相关。 除总氮含量显著增加外,尾矿基质中速效磷含量也随着香根草
定植时间的延长而增加,Singh等[21]也发现在矿区废弃地恢复早期阶段基质速效磷含量随植被恢复年限增加
而逐渐升高。 尾矿本身仅含有极少量养分,香根草生长提高基质养分含量主要与植物凋落物形成、分解及根
系分泌物向基质释放有机物质有关,来自植物的有机质作为基质的 C和 N来源,能够有效提高基质中有机质
和氮素含量、促进矿物态磷释放,改善基质性质[22]。 Sun等也认为植物群落的凋落物和土壤微生物活性是影
响尾矿中有机质和氮素含量的主要因素[23]。
植物群落下土壤中重金属含量变化可能因植物对重金属的吸收、植物和微生物活动[24]、基质内溶液运移
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或土壤 pH值变化而引起[25]。 本研究中,不同时期种植的香根草群落下的尾矿基质中有效态重金属含量发生
变化。 这一方面可能与香根草对重金属的吸收有关,因为近期种植的香根草地下部分 Cu 含量显著高于中期
和早期种植的(P<0. 05),Pb和 Zn含量无显著差异;另一方面可能与因尾矿氧化导致的 pH值降低及重金属
的形态转化有关。 相关分析表明,基质中有效态 Cu 与 pH 值呈极显著负相关( r = -0. 516, P<0. 01),而有效
态 Zn含量与 pH值呈极显著正相关( r=0. 609, P<0. 01),有效态 Pb 与 pH值相关性不显著。 这表明 3 个种
植时期的香根草体内重金属含量和群落下基质中有效态重金属含量的变化都可能与基质酸化有关,Conesa
等[4]研究也表明,在酸化尾矿中添加石灰显著降低了灰绿针草体内的 Cu含量。
3. 2摇 香根草对铜尾矿基质中微生物量的影响
基质微生物量常被作为植物所需营养元素的转化因子和资源库,是表明基质发育状况和生化强度的一项
主要指标。 本研究中,随着香根草在铜尾矿废弃地上定植时间的延长,两层基质中微生物量 N 显著增加,而
表层尾矿中微生物量 C表现为先增加后下降的趋势,说明微生物量 C 并不是随植物定居时间延长而持续增
加,与 Singh等[21]微生物量随植被恢复年限的增加而连续增加的结论有所不同。 Roy等[26]和 Jia等[27]也认为
微生物量的积累主要发生在植被恢复的早期阶段,而 Wardle[28]则认为恢复的中期阶段微生物量最优。 相关
分析表明,微生物量 N与基质中总氮和速效磷含量均呈极显著正相关(表 2),表明微生物量 N的增加有利于
总氮和速效磷含量的提高。 对于铜尾矿废弃地来说,从矿物释放的养料十分有限,因此,微生物量对基质养分
的有效性及循环的影响作用就更大,这与 Singh 等[21]研究结果相一致。 微生物量 C 则与 pH 值呈显著正相
关,表明在一定范围内 pH值的升高有利于基质微生物量 C的增加,这与 Anderson等[29]的结果相同。 基质微
生物量 C、N与电导率呈显著和极显著负相关,表明尾矿电导率上升不利于基质微生物量的增加。 正如前所
述,由于金属硫化物氧化释放出的 H+、SO2-4 和大量盐类导致了尾矿废弃地 pH 值下降和电导率升高,尾矿废
弃地微生物量 C、N与电导率之间的负相关性可能主要与重金属离子对微生物的毒害作用有关。 总体而言,
本研究中微生物量 N与基质化学性质的相关性要优于微生物量 C,显示了微生物量 C、N 与化学性质的相关
性是有差异的[19,30]。
重金属会不同程度的降低土壤微生物量[31鄄32]。 本研究中,重金属含量对基质微生物量 C、N 含量的抑制
或促进与重金属种类有关。 总量和有效态 Cu、Pb含量与基质中微生物量 C、N含量呈负相关,这可能与 Pb和
Cu对微生物群落有剧烈的毒性有关,因为 Lombi等[31]Shi等[32]的研究也证实了 Pb 和 Cu 污染比其它重金属
引起土壤微生物量和活性下降程度更大。 有文献[33]指出 Zn也是抑制微生物生长和活性的重要因素,但本文
的研究结果表明有效态 Zn与微生物量 C、N含量呈显著或极显著正相关,说明 Zn 没有抑制微生物生长和活
性。 这一方面可能与微生物群落构成变化有关,即微生物长期在受重金属污染的土壤中会向耐 Zn 物种转
变[33];另一方面可能反映了微生物群落结构的生物复杂性,因其不同微生物类群对环境污染的扰动表现出不
同的响应[34]。 尽管微生物特性与土壤中重金属含量的关系很复杂,但至少说明不同种类重金属对微生物的
毒性不同。
3. 3摇 香根草对铜尾矿基质酶活性的影响
土壤酶在土壤养分循环及植物生长所需养分的供给过程中扮演着重要角色,酶活性的高低不仅表明土壤
的养分状况,而且能在一定程度上反映土壤微生物的活动状况,自然植物定居和植物修复可改善受污染土壤,
也可调节土壤酶活性[11,35鄄36]。 本研究表明,新弃置铜尾矿废弃地 0—5 cm和 5—20 cm层中基质脱氢酶、过氧
化氢酶、脲酶活性随人工种植香根草生长时间的延长均有不同程度的增强,表明其基质环境正在朝着有利方
向发展,基质质量正逐步提高。 在各种植时期香根草群落下,脱氢酶、过氧化氢酶、碱性磷酸酶活性均表现出
随剖面深度增加而降低,这是因为尾矿表层是植物残体和微生物密集层,也是基质养分分布较多的层次,酶的
作用底物多,酶活性也就强。 相关分析表明,4 种酶活性均与基质总氮呈显著或极显著的正相关,表明基质总
氮含量是影响酶活性的主要因子,随着人工植被修复时间的延长,基质总氮含量的增加,酶活性也增强,植被
对基质的生物改造作用逐渐增强。
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重金属污染对土壤酶活性的影响多表现为抑制作用[37鄄38]。 本研究中,铜尾矿废弃地基质中 Cu、Pb 含量
对脱氢酶和过氧化氢酶活性具有强烈抑制作用,而 Zn对这两种酶又有一定的激活作用,说明脱氢酶和过氧化
氢酶活性对重金属污染较敏感。 Chen等[38]指出,重金属污染对脱氢酶和脲酶活性有最明显的抑制作用,孙
庆业等[39]研究发现,土壤中 Cu对脲酶具有抑制作用,而对其他土壤酶活性影响较小;Yang 等[40]研究表明,
Zn抑制脲酶和过氧化氢酶活性,而 Pb对碱性磷酸酶、脲酶和过氧化氢酶甚至有促进作用。 出现以上不同的
结论,说明在自然状态下土壤重金属复合污染对土壤酶活性的影响较复杂。
4摇 结论
(1)在铜尾矿废弃地上人工种植香根草能有效延缓铜尾矿的酸化过程,增加尾矿中氮、磷养分含量。
(2)随香根草定植时间的延长,尾矿中微生物量 C、N含量,脱氢酶、过氧化氢酶和脲酶活性均有不同程度
的提高。
(3)3 个种植时期的香根草群落下尾矿废弃地剖面中微生物量 N 含量、脱氢酶、过氧化氢酶和碱性磷酸
酶活性均随采样深度的增加而递减。
(4)尾矿废弃地的基质化学性质与微生物量及酶活性之间有显著或极显著的相关性。
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ACTA ECOLOGICA SINICA Vol. 32,No. 18 September,2012(Semimonthly)
CONTENTS
Hyperspectral characteristics of typical subtopical trees at different levels of simulated acid rain
SHI Qilong, JIANG Hong, CHEN Jian, et al (5621)
………………………………………
………………………………………………………………………………
Wind fields and the development of wind corridors in the urban metropolis of the Pearl River Delta
SUN Wu, WANG Yiming, WANG Yuelei, et al (5630)
…………………………………
……………………………………………………………………………
Dynamics of canopy structure and understory light in montane evergreen broadleaved forest following a natural disturbance in
North Guangdong OU Yuduan, SU Zhiyao (5637)…………………………………………………………………………………
The influence of 4 species of preys on the development and fecundity of Orius similis Zheng
ZHANG Changrong, ZHI Junrui, MO Lifeng (5646)
…………………………………………
………………………………………………………………………………
Woody seedling regeneration in secondary succession of monsoon broad鄄leaved evergreen forest in Puer, Yunnan, Southwest
China LI Shuaifeng, LIU Wande, SU Jianrong, et al (5653)……………………………………………………………………
Scale鄄dependent spatial variation of species abundance and richness in two mixed evergreen鄄deciduous broad鄄leaved karst forests,
Southwest China ZHANG Zhonghua, HU Gang, ZHU Jiedong, et al (5663)……………………………………………………
The spatial heterogeneity of soil nutrients in a mid鄄subtropical Castanopsis kawakamii natural forest
SU Songjin,LIU Jinfu,HE Zhongsheng,et al (5673)
…………………………………
………………………………………………………………………………
Effects of Vetiveria zizanioides L. growth on chemical and biological properties of copper mine tailing wastelands
XU Decong, ZHAN Jing, CHEN Zheng, et al (5683)
……………………
………………………………………………………………………………
Effects of different irrigation regimes on characteristics of transpiring water鄄consumption of three desert species
SHAN Lishan, LI Yi, ZHANG Ximing, et al (5692)
………………………
………………………………………………………………………………
The response of euhalophyte Salicornia europaea L. to different nitrogen forms
NIE Lingling, FENG Juanjuan, L譈 Sulian, et al (5703)
…………………………………………………………
…………………………………………………………………………
Dynamic analysis on spatial pattern of dominant tree species of cold鄄temperate coniferous forest in the succession process in
the Pangquangou Nature Reserve ZHANG Qindi, BI Runcheng, ZHANG Jintun, et al (5713)…………………………………
Effects of AM fungi on the growth and nutrients of Salvia miltiorrhiza Bge. under different soil water and fertilizer conditions
HE Xueli,MA Li,MENG Jingjing,et al (5721)
………
……………………………………………………………………………………
The dynamics of soil respiration in a winter wheat field with plastic mulched鄄ridges and unmulched furrows
SHANGGUAN Yuxian, SHI Ripeng, HAN Kun, et al (5729)
…………………………
……………………………………………………………………
Cattle dung composted by different methods had different effects on the growth and quality of soybean
GUO Liyue, LIU XueMei, ZHAN Lijie, et al (5738)
………………………………
………………………………………………………………………………
Nitrogen budget modelling at the headwaters of Urumqi River Based on the atmospheric deposition and runoff
WANG Shengjie, ZHANG Mingjun, WANG Feiteng, et al (5747)
………………………
…………………………………………………………………
Evaluating the ecosystem sustainability of circular agriculture based on the emergy theory: a case study of the Xingyuan circular
agriculture demonstration site in Fuqing City, Fujian ZHONG Zhenmei, WENG Boqi, HUANG Qinlou, et al (5755)…………
Effects of cold exposure and recovery on viability and energy consumption in the sub鄄adult female giant spiny frogs (Paa spinosa)
LING Yun, SHAO Chen, XIE Zhigang, et al (5763)
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A comparison of night鄄interruption on diapause鄄averting among two populations of the cotton bollworm, Helicoverpa armigera
CHEN Yuansheng, TU Xiaoyun, CHEN Chao, et al (5770)
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Effects of soil erosion control measures on soil organic carbon and total nitrogen in a small watershed
ZHANG Yanjun, GUO Shengli, NAN Yafang, et al (5777)
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Comparative analysis of Lugu Lake watershed ecosystem function under different management authorities
DONG Rencai, GOU Yaqing, LI Siyuan,et al (5786)
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Relationship between fish community diversity and environmental factors in the Lianjiang River, Guangdong, China
LI Jie, LI Xinhui, JIA Xiaoping, et al (5795)
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Effect of dissolved oxygen level on metabolic mode in juvenile crucian carp ZHANG Wei, CAO Zhendong, FU Shijian (5806)……
Community composition of net鄄phytoplankton and its relationship with the environmental factors at artificial reef area in Xiang鄄
shan Bay JIANG Zhibing, CHEN Quanzhen, SHOU Lu, et al (5813)……………………………………………………………
Emergy appraisal on the loss of ecosystem service caused by marine reclamation: a case study in the Taozi Bay
LI Ruiqian,MENG Fanping (5825)
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Assessing the visual quality of urban waterfront landscapes:the case of Hefei, China
YAO Yumin, ZHU Xiaodong, XU Yingbi,et al (5836)
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Review and Monograph
Advances in ecological genomics SHI Yongbin, LI Junmin, JIN Zexin (5846)…………………………………………………………
Advances in studies of ecological effects of ocean acidification WANG Siru, YIN Kedong, CAI Weijun, et al (5859)………………
Advances in feeding ecology of Acartia HU Simin, LIU Sheng, LI Tao, et al (5870)…………………………………………………
Research progress on ammonia鄄oxidizing microorganisms in estuarine ecosystem
ZHANG Qiufang, XU Jirong, SU Jianqiang, et al (5878)
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Recent progress in research on neutrophilic, microaerophilic iron(域)鄄oxidizing bacteria LIN Chaofeng, GONG Jun (5889)…………
A comparison study on primary production in typical low鄄latitude seas (South China Sea and Bay of Bengal)
LIU Huaxue, SONG Xingyu, HUANG Honghui, et al (5900)
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Advances in leaf maximum carboxylation rate and its response to environmental factors
ZHANG Yanmin, ZHOU Guangsheng (5907)
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10鄄years of bird habitat selection studies in mainland China: a review JIANG Aiwu, ZHOU Fang, QIN Yue, et al (5918)…………
Scientific Note
The effects of incubation temperature on embryonic metabolism and hatchling behavior in the Red鄄banded Snake, Dinodon
rufozonatum SUN Wenjia, YU Xiao, CAO Mengjie, et al (5924)…………………………………………………………………
Sensitivity analysis and dynamics of soil microbial biomass carbon, nitrogen and related parameters in red鄄yellow soil of tea garden
with different fertilization practices WANG Limin, QIU Shanlian, LIN Xinjian, et al (5930)……………………………………
Effect of fertilizers on cd uptake of two edible amaranthus herbs LI Ningyu, LI Zhian,ZHUANG Ping, et al (5937)…………………
《生态学报》2013 年征订启事
《生态学报》是中国生态学学会主办的生态学专业性高级学术期刊,创刊于 1981 年。 主要报道生态学研
究原始创新性科研成果,特别欢迎能反映现代生态学发展方向的优秀综述性文章;研究简报;生态学新理论、
新方法、新技术介绍;新书评介和学术、科研动态及开放实验室介绍等。
《生态学报》为半月刊,大 16 开本,300 页,国内定价 90 元 /册,全年定价 2160 元。
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第 32 卷摇 第 18 期摇 (2012 年 9 月)
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