目前全国现有尾矿库2 700多处，积累尾矿砂50亿t，并以每年1亿多t的速度增加(张美钦, 2006)。尾矿的大量堆积，破坏了生态景观，其中大量重金属经雨水冲刷，造成附近土壤和下游水体的严重污染，对农业生产和人身安全构成极大威胁。因此，尾矿库治理是环境保护和生态安全建设中急需解决的课题。植被修复因其具有原位修复、成本低廉、不造成二次污染以及美化景观等多种优点，成为当今国内外研究的热点(Domínguez et al., 2008; Haque et al., 2009)。

尾矿库重金属含量高，营养元素贫乏；同时尾矿砂结构松散，保水力很差，夏季地表高温干旱，制约植物的生存与生长(Mendez et al., 2008)。因此，尾矿库通常植被缺乏。目前国内尾矿库一般利用草本植物进行修复治理(Ye et al., 2000; Lei et al., 2009)。草本植物根系浅，生物量小，存在一定缺陷。相比草本植物，木本植物具有生物量大、根深、寿命长，一次栽种多次收获并形成多样化的景观等优点，受到研究者的重视(Rosseli et al., 2003; Brunner et al., 2008; Shi et al., 2011)。目前，有关尾矿库人工造林方面的研究报道很少(Jiménez et al., 2011)。本研究利用废弃铅锌尾矿库开展人工造林试验，研究不同植物的生长表现及对重金属的吸收积累能力，筛选尾矿库绿化治理的适用植物，并探讨植被恢复技术。

1 研究区概况

铅锌尾矿库位于浙江省富阳市大地村(30°126′N, 119°847′E)，土壤类型为红黄壤。该区域属于亚热带季风气候带，年平均气温16.2 ℃，年降水量1 452 mm。尾矿库由尾矿砂及部分矿渣和建筑垃圾堆积而成。2007年采集尾矿库8~10份土壤样品以及附近山地红黄壤样品(土层表层0~30 cm)进行分析，结果见表 1。根据国家标准GB 15618—1995，尾矿库土壤中的重金属含量显著高于标准值。在库区内不同地点重金属含量的分布不均。

2 材料与方法 2.1 植物材料和田间设计

尾矿堆积物平整后，采用局部客土法造林。沿等高线开挖宽20 cm、深15 cm的种植沟，间距1 m，就近取红黄壤填入沟中。在沟内播种或栽苗，播种时覆土盖草促进出苗。采用20种植物，随机区组设计，每小区每种植物播种或栽苗1行，重复4次。2007年春在客土沟内播种植物9种：盐肤木(Rhus chinensis)、黄连木(Pistacia chinensis)、紫穗槐(Amorpha fruticosa)、截叶胡枝子(Lespedeza cuneata)、荆条(Vitex negundo var. heterophylla)、荆芥(Schizonepeta tenuifolia)、紫花苜蓿(Medicago sativa)、田菁(Sesbania cannabina)、白三叶(Trifolium repens)。2008年春栽苗11种，其中麻栎(Quercus acutissima)、臭椿(Ailanthus altissima)、无患子(Sapindus mukorossi)、木荷(Schima superba)、女贞(Ligustrum lucidum)、夹竹桃(Nerium indicum)用裸根苗栽种，枫香(Liquidambar formosana)、桤木(Alnus cremastogyne)、旱柳(Salix matsudana)、火炬树(Rhus typhina)和加拿大紫荆(Cercis canadensis)用带土苗或容器苗栽种。在11个树种中，加拿大紫荆为2年生苗，其余均为1年生苗木。栽植行距1 m，株距1 m，枫香、女贞苗木规格较小，株距为0.5 m。

2.2 观测指标和方法

生长测定：2008年和2009年10月，每重复每种植物测定10~20株苗木的基径和高度。

叶绿素相对含量：叶片叶绿素相对含量用CCM200型手持叶绿素仪测定(CID Inc)。2009年7月，每重复每种植物取8~10株功能叶15~20片，同时在附近苗圃取同龄植物5~6株功能叶15~20片，测定其叶绿素相对含量，取平均值。

生物量和根系生长测定：2009年10月，播种植物每重复设0.5 m²小样方2个，统计株数，完整挖出中等苗5株；植苗树种每重复挖取中等苗3株，分别测定根系深度、最大侧根长、细根总长和表面积。植物样品经105 ℃杀青30 min，75 ℃烘干3天后称其根系和地上部分生物量。植物根系洗净后，用双光源扫描仪扫描。根系形态参数(细根总长、表面积、根尖数)通过图片用根分析软件WinRHIZO Pro 2005b分析(Regent Instruments Inc)。同时在附近苗圃挖取部分树种同龄苗各5株进行同样测定。

重金属含量分析：2009年10月，在3个重复内，每重复挖取播种植物中等苗10株，植苗树种取3株中等苗，分成根系和地上部分。所有植物样品用去离子水洗净，先在105 ℃下杀青30 min，80 ℃烘干3天。植物样品烘干粉碎后，称取0.2 g，用4 mL HNO₃和1 mL HClO₄混合液消解，Pb和Zn含量用电感耦合等离子原子发射光谱ICP-OES测定(IRIS Intrepid Ⅱ XSP, Thermo)。

2.3 数据分析

单株重金属积累量(mg·株^-1)=重金属浓度(mg·kg^-1)×生物量(kg·株^-1)。

单位面积地上部分重金属积累量(mg·m^-2)=单株地上部分重金属积累量(mg·株^-1)×植株密度(株·m^-2)。

所有试验数据采用Excel和DPS数据处理系统进行方差分析和邓肯氏法差异显著性检验。

3 结果与分析 3.1 地上部分生长表现

参试的20种植物中，木荷、黄连木、荆条、荆芥、白三叶5种植物至2009年的存活率低于50%，生长差，不作进一步评价。田菁是1年生草本植物，2007年播种当年出苗密集，生长良好且开花结籽，第3年仅零星散生；其余14种植物，2009年保存率均在90%以上(表 2)。

植物在逆境胁迫下，叶色变淡、黄化，与苗圃植物相比，尾矿库区植物叶绿素相对含量都有下降，不同植物下降幅度差异显著(表 2)。枫香、麻栎、臭椿、无患子的叶绿素相对含量下降幅度达74%~85%，旱柳、夹竹桃、盐肤木的叶绿素相对含量下降51%~65%。紫穗槐和桤木表现出很强的抗性，叶绿素相对含量下降1%~10%。

3年生植株苗高、地径以及第3年的增长率，不同植物之间均存在显著差异(表 2)。在10个植苗树种中，桤木、夹竹桃、火炬树、旱柳的株高和基径增长率显著高于其他树种。只有4.3%~8.5%的加拿大紫荆、枫香、无患子、臭椿株高、基径没有增长。麻栎、女贞的株高和基径均无增长。在4种播种植物中，株高大小顺序为：截叶胡枝子>紫穗槐>紫花苜蓿>盐肤木。基径大小为：紫穗槐>盐肤木>截叶胡枝子>紫花苜蓿。盐肤木和紫穗槐在前2年生长较差，第3年生长正常。截叶胡枝子和紫花苜蓿在播种当年和第2年生长旺盛，第3年生长停滞，这与密度过大导致竞争有关。

3.2 根系生长

植物根系生长与形态变化是研究植物对逆境适应的重要方面。表 3可知，各根系生长参数均存在显著的种间差异。在铅锌尾矿库，紫穗槐和加拿大紫荆的根系深度最大(≥30.6 cm)，火炬树、加拿大紫荆和盐肤木的最大侧根长为71~90 cm，是枫香的3~4倍。根系总长和细根长、根系总表面积和细根表面积、根尖数等参数直接影响植物对水分、养分和重金属的吸收能力。不同植物根系总长、细根长、细根表面积和根尖数的数值相差16~20倍，其中加拿大紫荆的各项值最高，盐肤木和田菁最低。根系总面积种间差异显著，火炬树(1 702 cm²)与田菁(49 cm²)之间相差33.7倍。根据以上7个根系参数进行综合评价，根系生长综合指标高低顺序为：加拿大紫荆、火炬树、桤木、无患子、夹竹桃、紫穗槐、麻栎、臭椿、旱柳、截叶胡枝子、紫花苜蓿、盐肤木、女贞、枫香、田菁。

矿区植物与苗圃地同种同龄植物相比，根系生长存在差异(图 1)。除夹竹桃、桤木外，其余9个树种在尾矿库条件下的根系生长深度均受到不同程度的影响，其中盐肤木、截叶胡枝子和麻栎的根系生长深度受到显著影响。除截叶胡枝子外，其余10个树种最大侧根长都有不同程度增加，其中火炬树、盐肤木、加拿大紫荆、无患子增加幅度显著高于其他树种。尾矿库环境不同程度地抑制植物根系的纵向生长，促进根系的横向发展。细根(d≤1 mm)是植物吸收土壤营养和水分的最重要器官。在苗圃内，11种植物的细根长度比例均在44%以下，而在尾矿库中，细根长度比例有大幅增加，一般占总根长的60%~90%。

3.3 生物量

按单株统计，火炬树单株总生物量和地上部分生物量均最大，为328 g·株^-1和196 g·株^-1，是其他植物的2~22倍和2~35倍。其次是加拿大紫荆和夹竹桃，枫香、盐肤木的单株生物量最小。地上部分生物量占单株总生物量的百分比种间也存在显著差异，旱柳、田菁地上部分生物量比重高达83%~92%，紫穗槐、枫香、紫花苜蓿只有38%~41%(表 4)。

灌木、草本植物可密植，因此用单位面积生物量作为评价指标(表 4)。按单位面积保存株数统计，紫穗槐单位面积总生物量和地上部分生物量均显著高于其他植物，分别为1 155.8 g·m^-2和442.6 g·m^-2，其次为截叶胡枝子，分别为587.6 g·m^-2和402.8 g·m^-2。

图 2可知，尾矿库与苗圃同龄植物的生物量分配结构存在差异。与苗圃对照植物相比，尾矿库各树种叶片生物量比重都有不同程度下降，其中麻栎、无患子、火炬树、加拿大紫荆等下降幅度较大，这与在尾矿库上树苗落叶(停止生长)较早有关。尾矿库植物根系生物量比重有不同程度增加，紫穗槐增加幅度显著高于其他树种，旱柳、盐肤木的根系生物量比重则下降23%和9%。

3.4 植株对铅、锌的积累

植物对重金属吸收积累能力的高低是尾矿库绿化植物选择的重要指标。图 3可知，植物根系与地上部分Pb和Zn浓度种间存在显著差异。15种植物根系Pb浓度平均值503 mg·kg^-1，种间变幅190(紫穗槐)~1 803 mg·kg^-1(加拿大紫荆)；根系Zn浓度平均值780 mg·kg^-1，种间变幅360(紫穗槐)~2 120 mg·kg^-1(加拿大紫荆)。15种植物的地上部分Pb浓度平均值135.8 mg·kg^-1，盐肤木、紫花苜蓿最高，分别为336，278 mg·kg^-1。地上部分Zn浓度平均值419.6 mg·kg^-1，旱柳和盐肤木显著高于其他树种，分别为756，750 mg·kg^-1。

按单位面积实际株数计算，紫穗槐、加拿大紫荆、截叶胡枝子Pb积累总量较高，为148~176 mg·m^-2；截叶胡枝子地上部分Pb积累量最高，为65 mg·m^-2，其次是紫穗槐，为43 mg·m^-2。紫穗槐、截叶胡枝子单位面积Zn积累总量最高(355~386 mg·m^-2)。截叶胡枝子地上部分Zn积累最高，为200 mg·m^-2，其次是紫穗槐。尽管紫穗槐、截叶胡枝子体内重金属浓度不高，但其保存密度大，增加了单位面积生物量和重金属积累总量(表 5)。

3.5 铅锌尾矿库绿化植物材料的综合选择

尾矿库植被恢复对植物的基本要求是：生长相对正常，单位面积生物量大，积累重金属能力较强，以及有较强的萌生能力，并具有一定景观价值。根据以上要求，选择保存率、健康度、株高和基径增长率、单位面积总铅积累和地上部分铅积累、单位面积总锌积累和地上部分锌积累、景观价值9个指标，采用综合指数法和Topsis法进行多指标综合评价。景观价值的评分标准是：各植物基准分值为2，夹竹桃因其常绿和可观花加3分，女贞因常绿加2分，桤木、紫花苜蓿、火炬树、加拿大紫荆、无患子、枫香因其半常绿、彩叶或可观花各加1分。评价时各指标所给予的权重相等。2种方法评价结果表明(表 6)：在15种植物中，紫穗槐、截叶胡枝子、火炬树、夹竹桃、桤木、盐肤木、紫花苜蓿和加拿大紫荆8种植物是铅锌尾矿库植被恢复的适宜材料，其中固氮植物5种。

4 讨论 4.1 植物对尾矿库逆境的耐受性

尾矿库矿砂和土壤中过量的Pb，Zn，Cd会抑制植物的生长。Kabata-Pendias等(1984)报道土壤中100~400 mg·kg^-1 Pb、70~400 mg·kg^-1Zn会对植物产生毒害作用。Levy等(1999)报道植物中重金属正常和毒性浓度范围0.5~10 mg·kg^-1(Pb)和30~300 mg·kg^-1(Pb)以及10~50 mg·kg^-1(Zn)和>100 mg·kg^-1(Zn)。本研究中土壤和植物体重金属含量要显著高于以上界限，因此参试15种植物均不同程度地出现受害症状，大多数植物出现叶片黄化、提早落叶或停止生长(据观察比附近苗圃同种植物提早1个月左右)。但不同植物叶片受害程度，株高和基径增长率、根系生长等种间表现出显著差异。其中桤木、紫穗槐、截叶胡枝子、紫花苜蓿4种固氮植物叶片受害轻微，均有根瘤出现，除桤木外，其他3个树种已开花结实。由于固氮作用，固氮植物体内营养元素含量显著高于其他树种，这可能是其能在尾矿库中正常生长的一个原因，这与以往的研究相似(Seo et al., 2008; 施翔等，2011)。另外，火炬树、夹竹桃叶片受害程度较低，相对生长率较高，单株生物量较大。说明以上植物耐性较强，在铅锌尾矿库具有应用潜力。

根系在植物生长发育过程中有非常重要的作用。与无污染苗圃同龄树苗根系相比，多数植物在尾矿环境中，根系较浅，根幅增宽，这可能是因为尾矿库上层土壤比下层较疏松，且在雨水淋漓作用下重金属含量相对较低，这是植物生长趋利性的反映。同时，矿区植物细根长度比例和根系生物量比重均有增加的趋势，这同样是植物对尾矿环境的一种适应。

4.2 植物对重金属的吸收积累与去除

超积累植物主要通过植物萃取作用来降低和去除土壤重金属，木本植物则主要通过植物稳定作用来实现，即通过根系将重金属聚集在根际区和根系内，减少其流动扩散(刘维涛等，2008)。如果某种木本植物的地上枝叶重金属含量较高且生物量较大，可通过对地上枝叶的多次收割和处理，达到减少土壤重金属的目的。

植物体内重金属浓度的高低是反映该种植物对重金属吸收积累能力强弱的指标。在15种参试乔灌草植物中，加拿大紫荆根系Pb浓度最高(1 803 mg·kg^-1)，单株平均Pb浓度高达1 007 mg·kg^-1，显著高于以往报道的木本植物(唐世荣，2006)。因此加拿大紫荆在铅锌污染土壤的稳定修复中具有应用潜力。此外，盐肤木的地上部分Pb浓度为336 mg·kg^-1，旱柳和盐肤木的地上部分Zn浓度均在750 mg·kg^-1以上，也显著高于其他树种(刘益贵等，2008)。盐肤木和旱柳可通过地上枝叶的反复收割和处理在污染土壤修复中发挥作用。

植物修复除考虑植物体内重金属浓度因素外，还应考虑其生物量，特别是单位面积群体生物量，即单位面积土地上植物群体重金属积累量和可去除量(收割地上部分)。单位面积重金属积累总量等于植物体重金属浓度、单株生物量和植株密度(单位面积植株数量)3个指标的乘积。尽管灌木树种紫穗槐和截叶胡枝子体内重金属浓度和单株积累量不高，但其保存密度和生物量最大，从而重金属总积累量和地上部分积累量最高(表 4)。

4.3 尾矿库植被恢复技术

传统的废弃尾矿库治理方法是全面客土覆盖再种草，覆土厚度60~200 cm不等，因此工程量和经费投资巨大，且大量客土来源困难，景观效果不佳。本研究表明：采用局部少量客土、选择高抗植物、实行密植、乔灌草结合和夏季盖草抵御高温干旱等措施是有效的尾矿库治理方法，2~3年内基本实现绿化。据观察，造林第2年种植沟、穴边就出现17种野生草本植物，主要是五节芒(Miscanthus floridulus)、一年蓬(Erigeron annuus)、狗牙根(Cynodon dactylon)、长苞荠苧(Mosla longibracteata)等，第3年造林树种保存率达90%以上，自然入侵的五节芒覆盖度达到60%以上，生物多样性显著增加。造林地夏季白天地上空气湿度比裸地提高20%~30%，温度下降2~5 ℃，小气候得到明显改善。

5 结论

1) 参试15种植物均不同程度地出现受害症状，大多数植物出现叶片黄化、提早落叶或停止生长。但不同植物的受害程度存在显著差异。多数植物在尾矿环境中，根系较浅，根幅增宽。

2) 植物体内重金属Pb和Zn含量种间存在显著差异。重金属在体内分布的总趋势为根>地上部分，但部分树种Zn含量表现为地上部分>根。可以密植的紫穗槐和截叶胡枝子具有最高的单位面积重金属总积累量和地上部分积累量。

3) 本研究综合考虑参试植物的抗逆性、重金属积累能力和景观价值等，筛选出8种植物作为废弃铅锌尾矿库绿化的优选植物。第1类是抗性较强，受害轻微，生长较好，体内重金属浓度不高，如紫穗槐、截叶胡枝子、火炬树、夹竹桃、桤木；第2类是受害较重、生长一般，但体内重金属浓度较高、积累量较大，如加拿大紫荆、盐肤木、紫花苜蓿。