金属采矿和冶炼过程会产生大量的废弃物，其中，尾矿因重金属毒性高、营养元素缺乏、物理结构不良、极端pH、表层不稳定、昼夜温差变化大等特点对环境影响最为严重^[1]。一旦处置不当，尾矿将成为一个持久的污染源，极易通过风化、风蚀、水蚀、地下渗漏等途径对周边地区的农业生产和人群健康造成严重的影响，且其环境影响具有普遍性、严重性、持久性和区域性等特点^[2]。

重金属尾矿的治理是世界性的难题^{[3, 4]}。传统的尾矿治理方法主要包括开挖、转移、填埋等。这些方法虽简单有效，但存在费用高、工程量大、易造成二次污染等问题^[5]。重金属原位基质改良技术因其成本低、见效快、不破坏土壤结构、易于实施、适合大面积推广等优势，在世界范围内得到了广泛的认可。该技术的核心是在尾矿中添加改良剂，因改良剂可改善尾矿基质的物理结构，增加营养成分，促进尾矿土壤的熟化过程，所以有利于植物的定居、生长^[6]。

各种各样的无机或有机材料被作为改良剂，用于重金属尾矿治理时的基质改良，主要包括石灰、沸石、粉煤灰、赤泥、禽畜粪便、污水污泥、作物秸秆等^{[7, 8, 9]}。大量研究表明，富含有机质的材料能够有效地改善尾矿基质的物理、化学性质，缓解重金属毒性，可促进尾矿土壤的熟化过程和植物的生长^[10]。此外，在尾矿改良过程中通常添加氮肥、磷肥^[7]，一方面可弥补大量元素(N、P)的不足，另一方面磷肥还具有吸附和沉淀重金属离子的功效。中药渣是中药熬制过程中产生的大量废渣。我国对中药的使用可追朔到远古年代，随着中医药事业的迅速发展，全国各大制药厂的中药渣产生量日益增加，年排放量高达3000万t ^[11]。中药渣的处理已成为中药现代化进程中一个不可回避的问题，常规的处理方法一般包括焚烧、填埋、固定区域堆放，不仅要投入大量的资金，而且也造成了资源的浪费和环境的污染。近年来，研究人员就如何有效地综合利用药渣做了大量的研究工作，但利用中药渣作为改良剂用于环境污染修复的研究鲜有报道。

本研究以中药渣作为重金属尾矿的改良材料，配合氮肥、磷肥的施用，通过室内盆栽实验种植耐性植物黑麦草(Lolium perenne L.)，研究中药渣、氮肥、磷肥及其组合对黑麦草生长及铅锌尾矿理化性质的影响，探讨中药渣配合氮磷肥施用对铅锌尾矿的改良效果，为中药渣的合理利用寻找途径，为尾矿库废弃地人工生态修复提供科学依据和技术支持。

铅锌尾矿取自湘西太丰矿业有限公司铅锌尾矿库。中药渣采自湖南湘泉制药厂，其主要成分为中草药植物熬制中药后形成的废渣，有机质含量约为75%。氮肥为尿素[(NH2)2CO]，磷肥为过磷酸钙[Ca(H2PO4)2]，种植植物为耐性植物黑麦草。尿素、过磷酸钙和黑麦草种子均购自当地农资公司。铅锌尾矿、中药渣基本理化性质见表 1。

表 1 尾矿和中药渣的基本理化性质 Table 1 General physico-chemical properties of mine tailings andmedicinal herb residue（mean ±S.E.，n=5）

表选项

尾矿和中药渣自然风干，碾碎。以800 g尾矿为植物盆栽基质，分别添加中药渣(MHR)、尿素(N肥)、过磷酸钙(P肥)及其组合，不添加改良剂的尾矿处理作为对照(CK)，共设置8个处理，分别记作CK、MHR、N、P、MHR+N、MHR+P、N+P、MHR+N+P。根据我们前期研究及参考相关文献[12^-13]，中药渣、氮肥、磷肥的添加量分别为30 000 g·kg^-1、150 g·kg^-1和300 g·kg^-1。将尾矿与改良剂充分混匀，装入直径为14 cm、高度约为9 cm的白色塑料盆，每组处理设置4个重复，共计32盆。选择颗粒饱满、成熟度一致的黑麦草种子，播于盆中，播种深度为0.5~1.0 cm，播种量为每盆30粒，种子萌发一周后间苗，每盆保留10棵健壮的幼苗，定期浇水。为避免位置效应的影响，盆栽植物按随机区组排列，每周调整一次位置，种植时间为4个月。

收获时将植株与栽培基质小心分离，植物样品按根、茎叶分开，用流动的自来水充分冲洗，然后用去离水冲洗3次，晾干，于烘箱内70 ℃下烘至恒重，称量茎叶生物量和根系生物量。盆栽尾矿基质充分混匀，四分法分为两份：一份过20目的尼龙筛，储存于4 ℃用于土壤酶活性的测定；另一份风干，过100目的尼龙筛，用于营养元素与重金属有效态含量分析。

pH、电导率及重金属含量测定：pH值采用电位法(土∶水=1∶2.5，W∶V)；电导率采用电导法(土∶水=1∶2.5，W∶V)。重金属有效态含量采用DTPA浸提法^[14]，称取10.00 g土样，加入20 mL DTPA浸提液[0.005 mol·L^-1 DTPA+0.01 mol·L^-1 CaCl2+0.1 mol· L^-1 TEA(三乙醇胺)，pH=7.3]，于25 ℃振荡器180次·min^-1振荡2 h后过滤。植物重金属含量采用浓硝酸-高氯酸消解法^[15]，称取烘干、磨碎、过 70 目筛的植物样品约 0.5 g，倒入消化管内，加 5 mL浓 HNO3浸泡过夜，第二天放入消化炉内，90 ℃加热 30 min、140 ℃加热 30 min、180 ℃ 加热 1 h后冷却，加1 mL HClO4，然后160 ℃加热 20 min、180 ℃加热 2 h，冷却，定容，过滤。尾矿浸提液和植物消解液中的重金属元素(Cd、Cu、Pb、Zn)含量采用iCAP6300型电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-AES美国，热电)测定。

营养元素测定：有机质采用高温外热重铬酸钾氧化-容量法测定^[16]；铵态氮采用KCl浸提-靛酚蓝比色法测定^[17]；有效磷采用NaHCO3浸提-钼锑抗比色法测定^[18]。

土壤酶活性测定：脱氢酶采用TTC(三苯基氯化四氮唑)比色法^[19]，称取5 g鲜土，加入5 mL羟甲基氨基甲烷(0.1 mol·L^-1)，黑暗中25 ℃下培养16 h，加入25 mL丙酮，在半黑暗情况下过滤，静置1 h，在波长546 nm 比色，活性以μg TPF·g^-1表示。β-葡萄糖苷酶采用硝基苯水杨酸比色法^[20]，称取5 g鲜土，加入20 mL醋酸缓冲液(2 mol·L^-1)，37 ℃下培养3 h，加入0.5 mL溴苯醌氯酰亚胺显色剂(0.6 mol·L^-1)，过滤，放置1 h成色，在波长578 nm比色，活性以μg水杨苷·g^-1表示。脲酶采用靛酚蓝比色法^[21]，称取5 g鲜土，加入20 mL硼酸缓冲液(0.1 mol·L^-1)，37 ℃下培养2 h，加入2 mL二氯异氰尿酸钠(3.9 mol·L^-1)，静置 30 min，在波长660 nm比色，活性以μg NH+4-N·g^-1表示。磷酸酶采用对硝基苯磷酸钠比色法^[22]，称取1 g鲜土，加入4 mL磷酸酶工作缓冲液，37 ℃下培养1 h，加入4 mL NaOH溶液(0.5 mol·L^-1)，摇匀，过滤，在波长400 nm比色，活性以μg PNP·g^-1表示。

数据的统计分析采用SPSS16.0 进行，不同处理间的差异分析采用单因素方差分析法(One way ANOVA)，最小显著差数法进行显著性检验，差异显著水平设为P < 0.05。典范对应分析(Canonical correspondence analysis，CCA)用于各处理组分析与尾矿理化因子的相关关系，比较不同处理组间的相似性和差异性。作图软件采用Origin 8.0和Canoco 4.5。

营养元素缺乏，尤其C、N、P元素的缺乏是影响尾矿废弃地植物定居和生长的主要限制因子^[23]。由图 1可以看出，铅锌尾矿基质有机质、铵态氮、有效磷含量较低，分别为5.41、0.10、0.13 mg·kg^-1。添加中药渣、氮肥、磷肥及其组合显著增加了尾矿营养元素的含量。与对照(CK)相比，有机质、铵态氮、有效磷含量分别增加了1.8~3.4、12.9~73.0、1.9~7.0倍。尾矿营养状况的改善可以促进尾矿基质的土壤熟化过程，加速土壤微生物的活动，最终有利于植物的定居和生长。

不同小写字母表示同一营养元素间差异显著（P < 0.05） 图 1 中药渣配合氮磷肥施用对尾矿营养元素的影响 Figure 1 Effect of medicinal herb residue in combination with nitrogen and phosphorus fertilizers on organic matter,ammonium-N and available P in Pb/Zn tailings

图选项

与其他尾矿一样^{[3, 6]}，重金属毒性是限制该铅锌尾矿生态重建的主要限制因子。总体来看，铅锌尾矿基质重金属有效态含量相对较高，DTPA-提取态Cd、Pb、Zn含量分别为0.37、40.5、165.13 mg·kg^-1。除N处理外，添加中药渣、氮肥、磷肥及其组合(MHR、P、N+P、MHR+N、MHR+P、MHR+N+P)不同程度地降低了尾矿基质中DTPA-Cd、DTPA-Cu、DTPA-Pb、DTPA-Zn的含量。与对照(CK)相比，DTPA-Cd下降了0.16%~59.45%，DTPA-Cu下降了3.55%~46.81%，DTPA-Pb下降了5.09%~34.72%，DTPA-Zn下降了20.63%~32.06%(表 2)。这主要与中药渣、磷肥的特殊性质有关。中药渣表面存在大量的官能团且比表面积较大，可以通过吸收、沉淀、螯合等过程与重金属离子形成重金属有机络合物，降低重金属的有效性^[7]。磷肥则通过PO3-4对重金属的吸附或共沉淀作用降低重金属的生物有效性^[24]。此外，添加中药渣及配合氮磷肥施用不同程度地降低了尾矿pH值，增加了尾矿电导率。

表 2 中药渣配合氮磷肥施用对pH、电导率及重金属有效态含量的影响（均值± S.E.，n=4） Table 2 Effects of medicinal herb residue in combination with nitrogen and phosphorus fertilizers on pH, EC and DTPA-extractable Cd, Cu, Pb and Zn concentrations in Pb/Zn tailings（mean ± S.E., n=4）

表选项

添加中药渣配合氮磷肥施用显著促进了黑麦草的生长，与对照(CK)相比，黑麦草生物量增长了1.5~5.5倍。由表 3可以看出，黑麦草地上部分与根部重金属累积量呈现相同的下降趋势，除N处理外，添加中药渣、氮磷肥及其组合不同程度地降低了黑麦草地上部和根部重金属含量。与对照(CK)相比，黑麦草地上部Cd含量下降了38.46%~58.97%，Cu含量下降了22.09%~44.38%，Pb含量下降了16.40%~44.67%，Zn含量下降了19.58%~63.94%；根部Cd含量下降了44.44%~61.90%，Cu含量下降了14.40%~38.45%，Pb含量下降了15.90%~29.97%，Zn含量下降了27.30%~52.11%。其主要作用机制可能体现在以下两个方面：一是添加中药渣、磷肥及其组合降低了尾矿基质中重金属的有效态含量，从而减少了植物对重金属的吸收(表 2)；二是添加中药渣、氮肥、磷肥及其组合增加了植物的生物量，使植株内重金属浓度被稀释，进而减少植物重金属的累积量(表 3)。

表 3 中药渣配合氮磷肥施用对黑麦草生物量及植物重金属含量的影响（均值± S.E.，n=4） Table 3 Effects of medicinal herb residue in combination with nitrogen and phosphorus fertilizers on biomass and Cd, Cu, Pb and Zn concentrations in shoots and roots of L. perenne（mean±S.E., n=4）

表选项

土壤酶活性因对重金属和营养元素高度敏感，近年来逐渐被用作重金属污染土壤质量评价或污染土壤改良修复效果评价的生化指标^[25]。脱氢酶对重金属十分敏感，与土壤微生物数量相关，通常用来评价土壤微生物的代谢活性。β-葡萄糖苷酶、脲酶和磷酸酶分别与土壤中的碳循环、氮循环和磷循环密切相关，在一定程度上反映土壤碳代谢、氮代谢和磷代谢的水平和能力。总体来看，没有添加改良剂的对照组(CK)土壤酶活性较低，其中脱氢酶活性为0.43 μg TPF·g^-1，β-葡萄糖苷酶为10.31 μg水杨苷·g^-1，脲酶为1.93 μg NH+4-N·g^-1，磷酸酶为51.65 μg PNP·g^-1(图 2)。添加中药渣、氮肥、磷肥及其组合不同程度地提高了尾矿基质土壤酶活性，尤其是MHR、MHR+N、MHR+P和MHR+N+P处理，与对照组(CK)相比，脱氢酶、β-葡萄糖苷酶、脲酶、磷酸酶活性分别提高了1.2~5.4、1.2~5.3、1.7~5.4、1.3~8.4倍。

不同小写字母表示各处理间差异显著（P < 0.05） 图 2 中药渣配合氮磷肥施用对尾矿土壤酶活性的影响 Figure 2 Effect of medicinal herb residue in combination with nitrogen and phosphorus fertilizers on enzyme activities in Pb/Zn tailings

图选项

典范对应分析(CCA)是用来分析植物群落与环境之间生态关系的一种排序手段，近年来也逐渐被应用于重金属污染土壤与环境因子间的相互关系研究^{[25, 26]}。CCA二维排序图可将研究对象排序和环境因子排序表示在一个图上，直观地反映出各环境因子之间以及研究对象与环境因子之间的关系。环境因子用箭头表示，箭头所处的象限表示环境因子与排序轴之间的正负相关性，箭头连线的长度代表着某个环境因子与研究对象分布相关程度的大小，连线越长，代表这个环境因子对研究对象的分布影响越大。箭头连线与排序轴的夹角代表着某个环境因子与排序轴的相关性大小，夹角越小，相关性越高。从图 3可以看出，第一排序轴与有机质、铵态氮、有效磷、脱氢酶、β-葡萄糖苷酶、脲酶、磷酸酶呈正相关，与DTPA-Cd、DTPA-Cu、DTPA-Pb、DTPA-Zn、pH和电导率呈负相关。根据尾矿理化因子的分布特征，CCA排序将8种不同处理较清楚地划分为三组，从左到右依次为对照组(CK)，N、P、N+P处理组和MHR、MHR+N、MHR+P、MHR+N+P处理组。对照组(CK)落在第一轴的负半轴，与DTPA-Cd、DTPA-Cu、DTPA-Pb、DTPA-Zn表现出较强的相关性；N、P、N+P处理组落在中间；MHR、MHR+N、MHR+P、MHR+N+P处理组落在第一轴的正半轴，与有机质、铵态氮、有效磷、脱氢酶、β-葡萄糖苷酶，脲酶和磷酸酶有较强的相关性。这与我们前面的分析结果一致(图 1、图 2和表 2)，进一步说明添加中药渣，配合氮磷肥的施用有效降低了尾矿基质中重金属有效态含量，增加营养元素含量并提高土壤酶活性，可用于铅锌尾矿生态恢复的基质改良。

图 3 中药渣配合氮磷肥施用与尾矿理化因子关系的CCA 排序图 Figure 3 CCA ordination bioplot between treatments and physico-chemical properties of mine tailings

图选项

铅锌尾矿废弃地重金属毒性高，有机质及营养元素(N、P等)含量低，不利于植物定居和生长。添加中药渣配合氮磷肥施用促进了黑麦草的生长，增加了有机质、铵态氮、有效磷含量，降低了尾矿和植物中重金属含量，并提高了土壤酶活性，其中MHR、MHR+N、MHR+P、MHR+N+P处理组效果最好。因此，在铅锌尾矿的改良修复中添加中药渣作为改良材料，配合氮磷肥施用有利于尾矿废弃地的生态恢复。