CN117110545A - 一种野外评估金属矿区废弃地本土植物修复能力的方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于矿区废弃地生物修复技术领域，具体涉及到一种野外评估金属矿区废弃地本土植物修复能力的方法及应用。本发明提供的方法：在雨季植物生长旺盛期，选择人为干扰程度低且部分发生自然恢复演替的金属矿区废弃地作为研究区，通过设置废弃年限，布设样方组，对矿区废弃地本土植物的土壤修复特性和能力进行评估；以判定金属矿区废弃地中，自然形成本土植物对固持营养元素、降低土壤重金属浓度、调节微生物多样性和提高群落稳定性的特性和能力。本发明提供的方法得出的结果更贴合野外真实情况，使用本发明提供的方法遴选金属矿区废弃地生态修复本土物种，更具有参考和应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及矿区废弃地生物修复技术领域，具体涉及到一种野外评估金属矿区废弃地本土植物修复能力的方法。
背景技术
金属矿开采为工业发展提供了大量原材料，同时也产生了大量废弃土地，其主要特征是：高浓度的重金属含量、高导电性、营养贫瘠和物理化学性质不稳定等。同时，过度开发金属矿还会对粮食安全、水质、植被、生物多样性和生态系统服务功能等造成严重影响。此外，土壤中的重金属元素会随着径流扩散，从而威胁到人类的生存繁衍、生命健康和生产活动。值得注意的是，金属矿业开发引起的土地污染和退化已在世界范围内逐步蔓延，使得矿区废弃地的生态恢复成为一个急需解决的环境问题。
目前，关于矿区废弃地的修复方法可分为三类：物理/机械、化学和生物方法。(1)物理/机械修复法，除传统的覆土法、客土法和土方工程外，还有可降解新型固定材料固定等，但上述方法需耗费大量人力物力，不适合大范围推广。(2)化学修复法，即通过化学合成新型吸附材料、竞争材料、还原材料和共沉淀材料等，消除土壤或水体中的重金属。此治理方式在创新性上是十分可取的，但因成本过高、新型材料可能造成二次污染以及恢复过后的土地不一定适合动植物生存等原因，使其还处于理论实践探究阶段。(3)生物修复法，其中最常用的手段就是利用植物提取，即通过筛选适合在矿区生长的超富集植物，再在矿区上进行大规模种植，以提取、转移和固定重金属来降低土壤中的污染水平。与上述两种方法相比，植物提取具有原位修复、低成本、环境友好、适合大范围推广等优势。
尽管植物提取被认为是一种可行的矿区废弃地修复方法，但很少有研究表明大范围种植超富集植物可以在本土形成稳定且可持续的植物群落。所以，仅考虑如何减少或稳定土壤中的重金属含量，或如何降低重金属的生物毒性等短期问题是远远不够的。着重关注植物能否存活、重建群落能否稳定、生态系统功能能否恢复等长期问题才是修复矿区废弃地生态功能和防止污染扩散的关键。
研究表明，在自发形成的本土植物斑块中筛选特性植物是恢复退化环境生态功能的重点。这类植物的理想特征是，能够在具有非生物胁迫且贫瘠的土壤基质中快速生存、定植和生长，并能通过改变栖息地周围土壤的理化性质建立“生存岛”，进而促进弱抗逆性植物的生存和繁衍，驱动积极的植物-土壤反馈作用，恢复基本的生态系统功能。
因此，在野外评估矿区废弃地本土植物的土壤修复特性和能力以及对正向植物-土壤反馈作用的驱动力，对降低土壤重金属浓度、提高群落稳定性至关重要，对矿区废弃地的自然生态恢复具有重要参考价值。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了野外评估金属矿区废弃地本土植物修复能力的方法。本发明提供的方法相比于仅在野外研究本土植物对重金属的富集转运能力，以得出的结果来确定其修复能力更具说服力。使用本发明提供的方法遴选金属矿区废弃地本土自然恢复物种，更具有参考和应用价值。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种野外评估金属矿区废弃地本土植物修复能力的方法，包括以下步骤：
(1)选择人为干扰程度低且部分发生自然恢复演替的金属矿区废弃地作为研究区，通过无人机航拍并利用GPS定位系统和ArcGIS10.8软件将研究区划分为开采区和植被，根据不同植被斑块的演替程度，使用空间序列代替时间序列的方法，在研究区设置植被斑块的废弃年限；
(2)在雨季植物生长旺盛期，以植物斑块的废弃年限为依据选择采样点，同时在同区域无开采经历的自然演替植物斑块中设置对照采样点；每个采样点布设三个重复样方组，并对每个样方组进行植物调查和植物、土壤样品采集；
(3)在每个样方组中，以所选的1株本土植物作为中心点设置中心样方，采取最小样方面积法确定中心样方面积；并在距中心样方东南西北四条边1m处设置4个对照样方，样方面积与中心样方一致；
(4)在中心点根区东南西北四个方位设置4个采土点作为中心样方根区土；在中心点与中心样方东南西北四条边的中点处设置4个采土点作为中心样方非根区土；在4个对照样方的中心处设置4个采土点作为对照样方土。
优选的，每个采样点间隔距离>1.5km，每个重复样方组间隔距离>30m且坡度均<10°。
优选的，植物调查包括：植物鉴定、植物种类和个体数的统计。
优选的，植物样品采集的要求为：在中心样方中，选择样方中所有非所选本土植物5株(个体数小于5株则采集全部个体)，而在对照样方中则采集所有本土植物5株(个体数小于5株则采集全部个体)；将所选植物整株挖出，深度为其根系分布所达范围，用于生物量测定。
优选的，土壤样品采集的要求为：待植物样品收集完成并利用锄头和小铁铲将表层腐殖质刮除干净后，再进行土壤样品的采集；其中采集深度为：0～30cm，重量为：500g。
优选的，土壤微生物样品采集的要求为：仅对中心样方根区土和对照样方土进行采样，其中，中心样方4个采土点样品混为一个土壤微生物测定样品，对照样方4个采土点样品混为一个土壤微生物测定样品，所有样品需在采集混合后迅速置于便携冰箱中储存。
优选的，所选的1株本土植物以灌木为最优选择，且仅在各样点中心样方的中心点处存在，而不在对照样方中存在。
优选的，中心点根区面积范围<900cm2，采土点面积范围<100cm2。
本发明提供上述技术方案所述的方法在评估金属矿区本土植物生态修复能力中的应用。
本发明提供上述技术方案所述的方法在金属矿区废弃地植物群落修复和再构建中的应用。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明有益效果如下：
本发明提供的方法相比于仅在野外研究本土植物对重金属的富集转运能力，以得出的结果来确定其修复能力更具说服力。使用本发明提供的方法遴选金属矿区废弃地本土自然恢复物种，更具有参考和应用价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例在会泽铅锌矿区选取的四个采样点及本土植物样方组布设示意图；
图2为本发明实施例各采样点马桑样方与无马桑样方的生物量差异图；
图3为本发明实施例各采样点马桑样方与无马桑样方的植物多样性指数差异图，其中，(a)为废弃10年采样点，(b)为废弃20年采样点，(c)为废弃30年采样点，(d)为对照采样点。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，如下对本发明的技术方案作进一步详细说明。
本发明提供一种野外评估金属矿区废弃地本土植物修复能力的方法，包括以下步骤：
(1)选择人为干扰程度低且部分发生自然恢复演替的金属矿区废弃地作为研究区，通过无人机航拍并利用GPS定位系统和ArcGIS10.8软件将研究区划分为开采区和植被，根据不同植被斑块的演替程度，使用空间序列代替时间序列的方法，在研究区设置植被斑块的废弃年限；
(2)在雨季植物生长旺盛期，以植物斑块的废弃年限为依据选择采样点，同时在同区域无开采经历的自然演替植物斑块中设置对照采样点；每个采样点布设三个重复样方组，并对每个样方组进行植物调查和植物、土壤样品采集；
(3)在每个样方组中，以所选的1株本土植物作为中心点设置中心样方，采取最小样方面积法确定中心样方面积；并在距中心样方东南西北四条边1m处设置4个对照样方，样方面积与中心样方一致；
(4)在中心点根区东南西北四个方位设置4个采土点作为中心样方根区土；在中心点与中心样方东南西北四条边的中点处设置4个采土点作为中心样方非根区土；在4个对照样方的中心处设置4个采土点作为对照样方土。
在本发明的每个样方中，需现场鉴定所有物种，若当时某物种无法确定，则需做好记录并采集标本进行后续鉴定。
在本发明的每个样方中，需用事先准备好的植物调查表，记录样方中的所有植物种类和个体数，用于计算植物多样性指数，同种植物样品对应放置于8号或12号聚乙烯塑封袋中，放干空气保存好。
在本发明中，所有植物样品需先用自来水清洗干净，再用超纯水润洗并晾干；设置烘箱温度105℃杀青30min后，再将温度调至65℃烘干至恒重，用于测定生物量。
在本发明的每个样方中，所有土壤理化性质样品分为两份，一份置于4号聚乙烯塑封袋中，再存放至便携冰箱中，作为鲜土，用于测定土壤含水率、铵态氮和硝态氮；另一份置于8号聚乙烯塑封袋中，放干空气常温保存，运回实验室后，拣除石块等杂物，待自然风干过程结束，磨碎、过筛，用于测定其他土壤指标。
在本发明中，中心样方根区土壤微生物样品的采集方法为：用事先准备的无菌刷刷取紧贴所选本土植物根部的土壤以及其根部周围的土壤；对照样方土壤微生物样品的采集方法为：将表层腐殖质刮除干净后，直接采集；所有土壤微生物样品装入已灭菌的5号聚乙烯塑封袋用便携冰箱保存，运回实验室后，将石块、根系等杂物拣除，过2mm筛，分装至2ml冻存管中，每管土壤质量大约为0.5g，最后放入超低温-80℃冰箱用于土壤微生物测定。
在本发明中，土壤容重(SBD，g/cm3)采用环刀法测定，环刀规格为100cm3。
在本发明中，土壤含水率(％)采用烘干法测定。
在本发明中，土壤pH采用多功能便携式pH计测定。
在本发明中，土壤有机碳(SOC，g/kg)和土壤总氮(TN，g/kg)采用vario TOCselect型总有机碳分析仪(Elementar Analysensysteme GmbH,Germany)通过燃烧法测定。
在本发明中，土壤全磷(TP，g/kg)采用硫酸-高氯酸消解钼锑抗比色法测定。
在本发明中，土壤铵态氮(NH4+-N，mg/kg)采用水杨酸钠法测定。
在本发明中，土壤硝态氮(NO3--N，mg/kg)采用硫酸肼还原法测定。
在本发明中，土壤重金属元素总量(Mn、Cu、Zn、Cd和Pb，mg/kg)采用硝酸-高氯酸-氢氟酸消解火焰原子吸收光谱仪(VARIAN 240FS)测定法测定。
在本发明中，所有土壤理化性质指标重复测定三次，输出值用空白对照进行校准；除空白对照样品外，其他样品三次重复测量值的相对标准差固定为不超过5％；每10个样品，进行2个连续标准液校准检测，校准曲线呈线性关系，回归系数r2>0.990。
在本发明中，取所有土壤微生物测定样品0.5g用于总DNA提取，送至测序公司进行高通量测序，以分析土壤细菌、真菌和放线菌群落的多样性指数和组成。
在本发明中，采用Excel软件整理和计算数据；采用SPSS26.0软件进行单因素方差分析和差异性检验；采用Sigmaplot 14.0软件进行作图。
本发明提供了上述技术方案所述的方法在评估金属矿区本土植物生态修复能力中的应用。
本发明提供了上述技术方案所述的方法在金属矿区废弃地植物群落修复和再构建中的应用。
为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
研究区概况：
研究区位于云南省会泽县的矿山镇矿区废弃地(图1)，为典型的高原季风气候，四季不明，夏无酷暑，冬季冷寒，干湿分明；年均雨量为858.4mm，平均海拔2200米以上，年均晴日225天，年日照2100小时，年均气温12.7℃；年均相对湿度79％；天然土壤类型为黄棕壤，呈弱酸性或中性，植被以稀疏的草本和灌木为主，局部有次生林；该区铅锌矿的开采历史可以追溯到西汉，后成为清朝(1636～1911年)制造货币的主要地区，直至1955年左右开始逐步废弃；长期且无规划的露天开采，致使周围植被急速退化，传统的坩埚炼铅法(也称“沉淀熔炼法”)，导致该矿区废弃地土壤中Mn、Pb、Zn、Cd和Cu超标严重。
研究方法：
通过前期野外调查，本实施例选取该矿区废弃地本土植物马桑(Coriarianepalensis)作为实验对象；马桑是云南省常见的本土灌木，生长在海拔1200～2500米之间；此实施例利用空间序列代替时间序列的方法，在研究区设置了三个不同废弃年限的采样点，分别为废弃10年、废弃20年和废弃30年；同时在同区域无开采经历的自然演替植物斑块中设置对照采样点；此实施例测定了马桑对土壤营养元素含量、土壤重金属浓度、植物多样性、植物斑块生产力和土壤微生物多样性的影响；从而评估马桑在研究区自发生态恢复过程中的特性和修复能力。
野外调查与取样：
于2021年7月底，采用最小样方面积法确定研究马桑修复能力的最小样方面积为3m×3m，并在研究区的不同采样点分别设置三个重复样方组进行采样，共12个样方组；在每个样方组中，以1株马桑作为中心点建立中心样方(马桑样方)，后在距中心样方东南西北四条边1m处设置4个对照样方(无马桑样方)，样方面积与中心样方一致(图1)，共60个样方；在中心点根区东南西北四个方位设置4个采土点作为马桑样方根区土；在中心点与中心样方东南西北四条边的中点处设置4个采土点作为马桑样方非根区土；在4个对照样方的中心处设置4个采土点作为无马桑样方样方土(图1)，共144个采土点；
在每个样方中，需现场鉴定所有物种，若当时某物种无法确定，则需做好记录并采集标本进行后续鉴定；用事先准备好的植物调查表，记录样方中的所有植物种类和个体数，用于计算植物多样性指数，同种植物样品对应放置于8号或12号聚乙烯塑封袋中，放干空气保存好；在马桑样方中，选择样方中所有马桑植物5株(个体数小于5株则采集全部个体)，而在无马桑样方中则采集所有本土植物5株(个体数小于5株则采集全部个体)；将所选植物整株挖出，深度为其根系分布所达范围；
待植物样品收集完成并利用锄头和小铁铲将表层腐殖质刮除干净后，再在每个采土点进行土壤理化性质样品的采集；其中采集深度为：0～30cm，重量为：500g；所有土壤理化性质样品分为两份，一份置于4号聚乙烯塑封袋中，再存放至便携冰箱中，作为鲜土，用于测定土壤含水率、铵态氮和硝态氮；另一份置于8号聚乙烯塑封袋中，放干空气常温保存，运回实验室后，拣除石块等杂物，待自然风干过程结束，磨碎、过筛，用于测定其他土壤指标；
马桑样方根区土壤微生物样品的采集方法为：用事先准备的无菌刷刷取紧贴马桑根部的土壤以及其根部周围的土壤；无马桑样方土壤微生物样品的采集方法为：将表层腐殖质刮除干净后，直接采集；所有土壤微生物样品装入已灭菌的5号聚乙烯塑封袋用便携冰箱保存，运回实验室后，将石块、根系等杂物拣除，过2mm筛，分装至2ml冻存管中，每管土壤质量大约为0.5g，最后放入超低温-80℃冰箱用于土壤微生物测定。
测定方法与数据处理统计分析：
土壤容重(SBD，g/cm3)采用环刀法测定，环刀规格为100cm3；土壤含水率(％)采用烘干法测定；土壤pH采用多功能便携式pH计测定；土壤有机碳(SOC，g/kg)和土壤总氮(TN，g/kg)采用vario TOC select型总有机碳分析仪(Elementar Analysensysteme GmbH,Germany)通过燃烧法测定；土壤全磷(TP，g/kg)采用硫酸-高氯酸消解钼锑抗比色法测定；土壤铵态氮(NH4+-N，mg/kg)采用水杨酸钠法测定；土壤硝态氮(NO3--N，mg/kg)采用硫酸肼还原法测定；土壤重金属元素总量(Mn、Cu、Zn、Cd和Pb，mg/kg)采用硝酸-高氯酸-氢氟酸消解火焰原子吸收光谱仪(VARIAN 240FS)测定法测定；取所有土壤微生物测定样品0.5g用于总DNA提取，送至测序公司进行高通量测序，以分析土壤细菌、真菌和放线菌群落的多样性指数和组成；
所有土壤理化性质指标重复测定三次，输出值用空白对照进行校准；除空白对照样品外，其他样品三次重复测量值的相对标准差固定为不超过5％；每10个样品，进行2个连续标准液校准检测，校准曲线呈线性关系，回归系数r2>0.990；
采用Excel软件整理和计算数据；采用SPSS26.0软件进行单因素方差分析和差异性检验；采用Sigmaplot 14.0软件进行作图。
上述实施例的结果如下表：
1.不同采样点马桑样方与无马桑样方土壤理化性质的差异情况
表1废弃10年采样点马桑样方与无马桑样方土壤理化性质的差异情况
表2废弃20年采样点马桑样方与无马桑样方土壤理化性质的差异情况
表3废弃30年采样点马桑样方与无马桑样方土壤理化性质的差异情况
表4对照采样点马桑样方与无马桑样方土壤理化性质的差异情况
2.各采样点马桑样方与无马桑样方土壤微生物多样性的差异情况
表5各采样点马桑样方与无马桑样方土壤细菌多样性的差异情况
表6各采样点马桑样方与无马桑样方土壤真菌多样性的差异情况
表7各采样点马桑样方与无马桑样方土壤放线菌多样性的差异情况
表8矿区废弃地各采样点的马桑生态修复能力效果
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结果和结论：
1.研究区本土植物马桑可以在其根区周围涵养水土；其中表现为，较无马桑样方相比，土壤容重(g/cm3)增加16％，土壤含水率(％)增加26％。
2.研究区本土植物马桑可以在其根区周围固持营养元素，使得更多植物种可以共存；其中表现为，较无马桑样方相比，土壤全氮(g/kg)增加49％，土壤铵态氮(mg/kg)增加42％，土壤硝态氮(mg/kg)增加85％，土壤有机碳(g/kg)增加38％，样方总生物量(g)增加95％。
3.研究区本土植物马桑可以在其根区周围降低土壤重金属的总量，缓解重金属对植物的非生物胁迫压力；其中表现为，较无马桑样方相比，土壤Pb含量(mg/kg)降低26％，土壤Zn含量(mg/kg)降低44％，土壤Cu含量(mg/kg)降低42％，土壤Cd含量(mg/kg)降低63％，土壤Mn含量(mg/kg)降低54％。
4.研究区本土植物马桑可以在其根区周围促进真菌和放线菌的生存；其中表现为，较无马桑样方相比，土壤真菌ACE指数增加45％，土壤真菌Chao1指数增加52％，土壤放线菌ACE指数增加40％，土壤放线菌Chao1指数增加40％，土壤放线菌Shannon-wiener指数增加31％。
以上实验数据表明，本发明提供的方法可以快速识别金属矿区废弃地本土植物具备的生态修复特性，并能够有效评估的其修复能力。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种野外评估金属矿区废弃地本土植物修复能力的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)选择人为干扰程度低且部分发生自然恢复演替的金属矿区废弃地作为研究区，通过无人机航拍并利用GPS定位系统和ArcGIS10.8软件将研究区划分为开采区和植被，根据不同植被斑块的演替程度，使用空间序列代替时间序列的方法，在研究区设置植被斑块的废弃年限；
(2)在雨季植物生长旺盛期，以植物斑块的废弃年限为依据选择采样点，同时在同区域无开采经历的自然演替植物斑块中设置对照采样点；每个采样点布设三个重复样方组，并对每个样方组进行植物调查和植物、土壤样品采集；
(3)在每个样方组中，以所选的1株本土植物作为中心点设置中心样方，采取最小样方面积法确定中心样方面积；并在距中心样方东南西北四条边1m处设置4个对照样方，样方面积与中心样方一致；
(4)在中心点根区东南西北四个方位设置4个采土点作为中心样方根区土；在中心点与中心样方东南西北四条边的中点处设置4个采土点作为中心样方非根区土；在4个对照样方的中心处设置4个采土点作为对照样方土。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，每个采样点间隔距离>1.5km，每个重复样方组间隔距离>30m且坡度均<10°。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，植物调查包括：植物鉴定、植物种类和个体数的统计。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，植物样品采集的要求为：在中心样方中，选择样方中所有非所选本土植物5株(个体数小于5株则采集全部个体)，而在对照样方中则采集所有本土植物5株(个体数小于5株则采集全部个体)；将所选植物整株挖出，深度为其根系分布所达范围，用于生物量测定。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，土壤样品采集的要求为：待植物样品收集完成并利用锄头和小铁铲将表层腐殖质刮除干净后，再进行土壤样品的采集；其中采集深度为：0～30cm，重量为：500g。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，土壤微生物样品采集的要求为：仅对中心样方根区土和对照样方土进行采样，其中，中心样方4个采土点样品混为一个土壤微生物测定样品，对照样方4个采土点样品混为一个土壤微生物测定样品，所有样品需在采集混合后迅速置于便携冰箱中储存。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)中，所选的1株本土植物以灌木为最优选择，且仅在各样点中心样方的中心点处存在，而不在对照样方中存在。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(4)中，中心点根区面积范围<900cm2，采土点面积范围<100cm2。
9.权利要求1～8任一项所述的方法在评估金属矿区本土植物生态修复能力中的应用。
10.权利要求1～8任一项所述的方法在金属矿区废弃地植物群落修复和再构建中的应用。
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