安宁河流域废弃冶炼厂重金属污染地植物群落特征研究
王佳莉1，辜彬1,2，陈冀川1*，张浩然1（1西昌学院旅游与城乡规划学院，四川西昌615000；2四川大学，四川成都610200）
摘要：随着城市化进程的加快，城区内荒地数量逐渐增加，其中部分荒地遭受重金属污染，对周边环境造成威胁。以安宁河流域某废弃冶炼厂为研究对象，选取污染区和非污染区2块样地以及西昌学院北校区校内废弃荒地作为对照组，对样地内植物群落进行调查分析。结果表明，污染区植物主要为菊科、禾本科、蓼科、莎草科、乌毛蕨科等，非污染区植物主要为菊科、禾本科、豆科、蔷薇科、唇形科等，对照区植物以禾本科、菊科、豆科、苋科为主。研究表明，金丝草、戟叶酸模、白羊草、朝天委陵菜、山莴苣、艾、白茅等具有重金属富集作用的乡土植物，可用于安宁河流域重金属污染地植物修复以及城市荒野的营造，其中艾与白茅可作为安宁河流域重金属污染地植物修复的先锋植物；狗牙根、中华胡枝子、艾、白茅可作为城市荒野再生利用过程中的先锋群落，随时间推移再引进白羊草、金丝草等。
城市荒野是指城市中以自然而非人类为主导的土地，具有独特的生态价值和景观价值。随着城市化进程的加快，城市荒野面积逐渐增加，其中部分工矿迹地遭受污染，对周边环境造成威胁[1-2]。《安宁河流域高质量发展规划（2022－2030年）》提出了统筹新型城镇化和乡村振兴发展，坚持城乡融合发展，推进以人为核心的新型城镇化，做深做实农村两项改革“后半篇”文章，加快构建以西昌为中心、其他县城和中心镇为支撑的城镇发展格局，实现巩固拓展脱贫攻坚成果同乡村振兴有效衔接。其中提到优化城乡发展空间，统筹国土空间布局，加强工矿废弃地、撂荒地等开发整理，加强水源涵养和水土保持，强化生态功能退化、生态系统受损等重点区域保护修复，维护生态保育功能，统筹上下游、左右岸、干支流生态环境保护，推进安宁河水系生态廊道建设。
以流域为单元整体规划实施山水林田湖草沙冰一体化保护修复工程，开展森林质量提升、生物多样性保护、河湖湿地保护修复、矿山生态修复，加强历史遗留矿渣、冶炼渣及尾矿库等污染治理，强化环境风险管控。实施安宁河流域水环境综合治理工程，探索开展安宁河流域水环境保护地方立法。采用水域空间增补措施，提高城市水环境自净能力。加快农业面源污染防治，严格执行重点行业重金属污染物减量或等量替换，开展污染地块环境保护监督管理，优先推进高风险地块土壤污染治理。
本研究在安宁河流域高质量发展背景下，聚焦西昌市工业废弃地，以西昌市安宁河边某废弃10年冶炼厂为对象，调查厂区内被重金属污染的荒地上自然迁入植物的总体状况，如分布特点、植物种类、数量、长势等，探讨迁入植物群落构成特点，初步确定优势种及伴生种，以期为该污染场地植物修复提供科学依据，为场地开发利用构建城市荒野景观植物选择提供参考，也为安宁河流域类似重金属污染的植物修复提供借鉴。
1材料与方法
1.1研究地区概况
研究区位于四川省凉山彝族自治州西昌市安宁河谷流域，该区域水系密布且降水充沛，流域内现有有效灌溉面积17.13万hm2，是省内农业生产条件最优越的区域之一，也成为省内的粮食主产区、优质农特产品生产基地、草食畜牧产品生产基地。矿产资源也十分丰富，有色金属、钒钛磁铁矿保有储量居全国、全省前列。安宁河流域为热带高原季风气候区，光热资源丰富，干湿季节分明，夏季炎热多雨，冬季干旱少雨，是典型的干热河谷环境。流域水土流失严重，生态十分脆弱。寒、旱、风、虫、草、火等自然灾害特别突出，区内植被以草本植物为主，其间散生灌木和乔木。
1.2研究样地选取
废弃冶炼厂位于西昌市，安宁河流域上游，该厂在废弃前一直是锌冶炼厂，土壤中含有砷、镉、汞、铅、锌、锑、铜共计7种污染物（见图1），土壤污染严重（图2），远远超过了人体健康风险可接受水平，对场地的后续开发利用造成巨大障碍。为了更好地认识重金属污染荒地植物迁入植物群落特性，选择了位于距工厂样地约2km的西昌学院北校区校内地块为对照样地，该地块原为农业用地，学校征地后一直未建设而成为荒地。
1.3研究方法
1.3.1样方调查。如图2所示，废弃冶炼厂厂区地块分为污染区和非污染区，由于工厂有些植物区域遭到人为破坏，为了全面把握迁入植物群分布，
在植物保留完整区域分别选取10m×10m的样方，采用5点取样法进行取样。对照组则选取了与废弃冶炼厂相距2km的西昌学院中的一块荒废多年的样地（图3、4），采取和工厂样地相同的方式进行样方调查。
1.3.2采集植物样本。利用工具对样方内植物的地上部分、根部及根部土壤进行取样，将植物分别放入不同的标本袋，同时标注样方号、时间、植株高度等，并对其进行拍照，以便将来对植株开展种类及生长状况研究。采样时，选择植物保留完整区域进行，应注意保护植物，避免造成损伤，尽快带回实验室进行处理。
1.3.3植物比对。采集的植物标本随即带回实验室进行标本处理。首先将标本进行清洗，去除杂草和枯枝败叶；然后将标本按科进行分类，并根据《中国植物志》进行鉴定；最后将鉴定结果记录在植物标本卡上，包括植物的科名、属名、种名、形态特征等信息。
1.3.4数据处理。运用Excel软件对数据进行统计，并对物种均匀度和群落多样性进行计算。
（1）Shannon-Wiener多样性指数是用信息公式表示的多样性指数，计算式为：H=-∑PilnPi。
（2）Pielou均匀度指数是以种的数目、全部种的个体总数及每个种的个体数总和表示的多样性指数，计算式为：J=H/InS。
（3）辛普森多样性指数是在一个无限大小的群落中，随机抽取2个个体，对它们属于同一物种的概率进行假设而推导出来的，计算式为：D=1-∑（Ni/N）^2。
2结果与分析
2.1工厂污染区
由表1可知，工厂污染区植物隶属于5科11属11种。其中，禾本科植物占比最高，为42%，其次是菊科，为41%。根据植物多样性指数的计算结果，工厂污染区的Shannon-Wiener多样性指数为2.090，Pielou均匀度指数为0.872。Simpson多样性指数为0.8502。说明工厂污染区中植物群落的物种丰富度、均匀度均较低，表明重金属污染对植物群落造成了较大的负面影响。且植物生长状况普遍较差，植株矮小、叶片小而稀疏，部分植物的叶片出现了变色、变形等现象。重金属富集表明，工厂污染区中的植物能够吸收和富集土壤中的重金属，这可能对植物自身和周围的生态环境造成一定的危害。而菊科[3]和禾本科[4]植物具有较强的抗逆性和重金属富集能力，因此在重金属污染地中能够生长较好。
2.2工厂非污染区
由表2可知，该区域植物隶属于10科14属14种，其中，禾本科植物占比最高，为45%，其次是菊科，为23%。根据植物多样性指数的计算结果，工厂非污染区的Shannon-Wiener多样性指数为2.200，Pielou均匀度指数为0.858。Simpson多样性指数为0.8432。该区域发现了其他区域未见的大型多年生草本植物芭蕉，长势良好，初步分析应该是原厂区遗留植物，同时地块中出现了污染区未有的豆科植物，这类植物有极强的固氮能力，能改善土壤营养，为周边植物提供生长所必需的氮元素，这表明在没有重金属污染的影响下，植物群落的生态效益逐渐增加，可以将其考虑作为城市荒野生境植物选择的先锋植物。非污染区植物的生活型多为多年生植物和灌木，占比为95%，与污染区相比植物群落更加稳定。
2.3对照区
由表3可知，该区域植物隶属于4科6属6种，其中，禾本科植物占比最高，为57%，其次是菊科，为21%。根据植物多样性指数的计算结果，对照区的Shannon-Wiener多样性指数为1.405，Pielou均匀度指数为0.784，Simpson多样性指数为0.6718。该区域植物生活型多为多年生草本，占79%，灌木次之，占21%。未见一年生草本，相对其他2个样本区植物，该区域植物群落更加稳定。
3讨论
3.1群落特点
本研究记录的自生植物共21种，隶属11科21属。其中草本植物种类最为丰富，菊科和禾本科为群落中的优势种，这一研究结果与成都[5]、哈尔滨[6]等城市的自生植物调查结果基本一致，这表明菊科与禾本科植物有较强的适应力和繁殖力，能迅速适应生境的恶劣环境，可以作为城市重金属污染地修复植物组成以及城市荒野植物组成的先锋物种。
对3个样本所统计的植物种类进行比较发现，在工厂受到重金属污染的区域，植物群落组成多为一二年生草本及多年生草本，灌木类植物较少。此类型群落抗逆性、稳定性均较差，生态效益较小。造成这种现象的原因有2个。一是重金属污染对植物的生长有选择作用。在重金属含量严重超过植物自我调节能力的情况下，大多数植物生长受到抑制，只有少量植物种类能够生长。这些植物往往具有较强的抗逆性和重金属富集能力，如菊科和禾本科植物。二是菊科和禾本科植物具有广泛的生态适应性，能够在不同环境条件下生存。因此，在重金属污染的环境中，它们能够较快地扩散并占据优势地位。
在工厂非污染区域，植物群落中新出现了豆科、莎草科等植物，植物种类也不再以草本为主，而是形成了乔灌草混合群落。植物群落生态效益、稳定性等优于污染区，但依然处于演替初级阶段，植物多样性低。在对照区的植物群落，由于演替时间较短，物种组成不如工厂非污染区植物群落丰富，但与工厂污染区域相比植物群落组成更加稳定，灌木占比较大，且草本以多年生植物为主。
综上所述[7-8]，由于重金属元素对植物的生长有选择作用，在其含量严重超过植物自我调节能力的情况下，会导致部分植物种类的生长受到抑制或死亡，从而降低植物群落的多样性。同时重金属污染会破坏群落内部的相互作用关系，从而影响群落的稳定性。植物群落是生态系统的重要组成部分，具有多种生态效益，如净化空气、净化水质、涵养水源、固碳等，因此重金属污染会降低植物群落的生态效益。在无污染情况下，植物群落随着时间推移发生自然演替，迁入的物种多为地块周边物种，物种之间在经过不断竞争后，最终确定各自生态位，形成稳定的植物群落。
3.2植物种类多样性分析
将3个样本所计算的Shannon-Wiener多样性指数、Pielou均匀度指数、Simpson多样性指数进行比较并绘制成图8，不同区域的Shannon-Wiener多样性指数从高到低依次为工厂非污染区、工厂污染区和对照区，说明工厂非污染区具有更丰富的物种多样性，因为该区域物种生长未受到重金属影响，且演替时间更长。但Pielou均匀度指数与Simpson多样性指数从高到低均依次为工厂污染区、工厂非污染区和对照区，与Shannon-Wiener多样性指数结论不符，初步分析为工厂非污染区域曾经受到重金属污染，由于污染程度较轻，植物群落能够部分恢复；但工厂非污染区域距离工厂污染区较近，因此仍受到一定程度的重金属污染，这限制了植物群落的多样性发展。
3.3特殊植物物种
对3个样方共有种进行分析并绘制成物种韦恩图（图9），针对上图植物查阅大量资料[9-13]发现，白茅、紫茎泽兰、山莴苣、艾、戟叶酸模为金属富集植物；而对苏铁蕨、水莎草在重金属富集及抗性方面研究较少；通过对每个样方特有种分析，小蓬草[14]、鬼针草[15]、金丝草[16]、白羊草[17]、朝天委陵菜[18]皆为超富集植物，其中小蓬草和金丝草为Pb富集植物；白羊草、鬼针草、朝天委陵菜对Pb、Zn有较强抗性。但目前对蚂蚱腿子、留兰香、白背枫、锥蚂蟥等在重金属的富集方面的研究较少。通过对比图4、5、6所列各植物在群落中的占比，工厂污染区的优势物种为紫茎泽兰、白茅、金丝草，次优势物种为蚂蚱腿子、戟叶酸模。工厂非污染区的优势物种为白羊草，次优势物种为白茅、紫茎泽兰。对照区的优势物种为狗牙根，次优势物种为艾与喜旱莲子草。
3.4西昌安宁河谷重金属污染植物修复
植物修复技术是新兴的土壤修复技术，具有易操作、二次污染小、成本低、不破坏土壤结构等优势，在选择植物时多选择乡土植物[19]，该类植物适应性好，抗逆性高，形成的景观具有地方特色，通过查询《中国植物志》《四川植物志》等资料发现，试验区域喜旱莲子草、紫茎泽兰、小蓬草、鬼针草均为外来植物，其余为乡土植物。其中白茅与艾在3个样方中均出现，说明它们适应性最强，同时这些植物也对重金属元素有较强的抗性和富集能力，因此对西昌重金属污染地进行修复时可选取以上植物做先锋物种；对在上述区域生长且具有富集作用的金丝草、戟叶酸模、白羊草、朝天委陵菜、山莴苣等植物，同样可引入，用以增加植物群落的多样性，达到更好的修复效果。小蓬草、鬼针草、紫茎泽兰[20]作为外来入侵物种，虽然有较强的金属富集能力，且生长快、适应力强等，在一定程度上可以应用在金属污染地修复上，但要注意控制该植物数量，因为在非污染区已经发现该植物的存在，可能会对原生植物造成影响。
由于目前对蚂蚱腿子、苏铁蕨、水莎草的金属富集能力、抗性等研究较少，其中蚂蚱腿子是重度污染区的次优势物种，苏铁蕨和水莎草为重度污染区和非污染区的共有植物，因此，初步推断这3种植物对重金属有一定的富集能力，在今后将对取样回来的植株样本将进行更深入研究，以期探明该植物是否具有重金属富集等能力。
3.5西昌城市荒野生境植物选择
随着城市的更替，用地性质的转变等，西昌市中出现了越来越多类似于该冶炼厂的荒野地；城市荒野兼具生态价值和文化价值[21]，为实现它们的再生利用，可通过人工手段辅助营造荒野景观[22]，这就涉及到植物的选择。
根据上述对植物物种的分析以及地块更替时间的长短，可将更替时间较短的学校样本区的狗牙根、中华胡枝子、艾、白茅等乡土植物作为先锋植物群落引入；而后随着时间迁移，将其他样本区的优势种如白羊草、金丝草等乡土植物引入，辅助加快更替过程，逐步形成较稳定的群落，从而达到更好的生态效益和景观价值。
4结论
通过对西昌安宁河流域某冶炼厂废弃地植物群落的调查分析，得出以下结论：
①工厂污染区植物群落以菊科、禾本科为主，植物多为草本，抗逆性强，具有一定的重金属富集能力。
②工厂非污染区植物群落以菊科、禾本科为主，植物种类更加丰富，包括乔木、灌木、草本等，生态系统更加稳定。
③学校区植物群落以禾本科、菊科为主，植物多为多年生草本，生态系统相对稳定。
④每个样方的多样性指数以及均匀度指数的差异表明工厂非污染区曾经可能遭受一定污染，导致物种多样性下降；
⑤在所统计的植物中，喜旱莲子草、紫茎泽兰、小蓬草、鬼针草均为外来入侵植物，在引种时需要慎重考虑。金丝草、戟叶酸模、白羊草、朝天委陵菜、山莴苣、艾、白茅等具有富集作用的乡土植物可考虑引进，用于修复金属污染地。其中，艾与白茅可作为先锋植物，其他植物还需进一步研究。
⑥城市荒野再生利用过程中，可将狗牙根、中华胡枝子、艾、白茅作为先锋群落，随时间推移再引进白羊草、金丝草等。
西昌安宁河谷地区由于环保监管而关闭废弃多年的冶炼厂有相当数量，这些城市荒地是研究重金属污染植物修复技术的绝好试验地，需要抓紧时间在场地被破坏前进行调查研究，积累重金属污染地自然植被修复的宝贵资料。
同时植被的恢复过程需要一个相对长的周期，因此不能只是寻求破坏后对其进行植物修复，应当加强宣传，使人们对重金属污染有所了解，关注保护自身周边环境，这样才能做到可持续发展。后期也将对采集的植物标本作进一步研究，以探明留兰香、白背枫、锥蚂蟥等植物是否具有富集能力，以及工厂非污染区是否曾经遭受过污染。
