一种离子型稀土尾矿区的修复材料、修复方法和应用与流程

1.本发明属于生态修复技术领域，具体涉及一种离子型稀土尾矿区的修复材料、修复方法和应用。


背景技术：

2.离子型稀土是国家战略性资源，具有不可再生性，在国防建设和高新技术领域被广泛应用。江西省赣南地区离子型稀土资源丰富，被称为我国的“稀土王国”，江西省赣州市拥有全国30％的离子型稀土，目前备受国内外关注。赣南稀土开采始于20世纪70～80年代，大致历经池浸、堆浸和原地浸矿3种开采工艺。稀土开采在创造高收益的同时造成植被和土地资源破坏、水土污染等一系列生态环境问题。尤其是20世纪90年代以来使用原地浸矿工艺提取稀土元素造成矿区及周边水土污染问题最为严重。野外调查发现，赣南受离子型稀土矿山开采影响严重地区土质疏松、土壤沙化严重、出现寸草不生现象，在南方暴雨季节，赣南稀土废弃矿山极易发生水土流失，由此产生大量废弃边坡，坡体不稳、地表裸露以及植被缺乏引起塌陷、崩塌、滑坡等严重地质灾害，严重制约和阻碍着区域农业和社会发展。因此，针对离子型稀土矿开采对周边环境的破坏，开展赣南离子型稀土尾矿区生态重建迫在眉睫。


技术实现要素：

3.为了解决上述问题，本发明提供了一种离子型稀土尾矿区的修复材料、修复方法和应用。本发明提供的离子型稀土尾矿区的修复材料能够有效改善离子型稀土废弃矿区因尾矿废弃地所造成的极度退化的生态环境、提高因稀土矿毁山开采所导致的矿区土壤退化与环境污染。
4.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
5.本发明提供了一种离子型稀土尾矿区的修复材料，包括丛枝菌根真菌和先锋植物；
6.所述丛枝菌根真菌的种类包括根内球囊霉、摩西球囊霉和隐类球囊霉中的一种或多种；
7.所述先锋植物的种类包括雀稗、苎麻和芒中的一种或多种。
8.优选的，所述丛枝菌根真菌经扩繁培养后使用，所述扩繁培养包括如下步骤：将丛枝菌根真菌侵染宿主植物的幼苗进行扩繁培养，扩繁培养后取含有丛枝菌根真菌孢子、根外菌丝及被侵染寄主植物根段的根际土，得到扩繁后的丛枝菌根真菌。
9.优选的，所述宿主植物包括苏丹草。
10.优选的，所述侵染的方法包括以下步骤：所述宿主植物的幼苗生长至2周后进行根部浸染。
11.优选的，所述扩繁培养的基质包括红壤、粗砂和细沙；所述基质中红壤、粗砂和细沙的质量比为(3～5):(1～3):1。
12.优选的，所述扩繁培养的时间为60～90d。
13.本发明提供了一种离子型稀土尾矿区的修复方法，采用上述技术方案中所述的修复材料进行修复。
14.优选的，所述修复方法包括如下步骤：将丛枝菌根真菌接种到离子型稀土尾矿砂；在接种了丛枝菌根真菌的离子型稀土尾矿砂播种先锋植物的种子，实现丛枝菌根真菌和先锋植物共生对离子型稀土尾矿区进行修复。
15.优选的，所述先锋植物的播种密度为150～300粒/m2。
16.本发明提供提供了上述技术方案中所述的修复材料或上述技术方案中所述的修复方法在离子型稀土尾矿区修复中的应用。
17.有益效果：
18.本发明提供了一种离子型稀土尾矿区的修复材料，包括丛枝菌根真菌和先锋植物；所述丛枝菌根真菌的种类包括根内球囊霉、摩西球囊霉和隐类球囊霉中的一种或多种；所述先锋植物的种类包括雀稗、苎麻和芒中的一种或多种。本发明中的先锋植物具有良好的抗逆性，在盐化酸化矿渣，环境非常恶劣的情况下生长良好，对离子型稀土尾矿区具有良好的修复效果；丛枝菌根真菌可以进一步提高先锋植物对高盐、高酸的抗逆性能力及对重金属的耐受性，从而提高先锋植物对离子型稀土废弃矿区的修复效果。本发明提供的修复材料应用到离子型稀土尾矿区的修复时具有植物恢复成功率高、效果优良、能够明显降低水土流失率等特点，对南方多雨地区的离子型稀土废弃矿区的植被生态恢复效果好，适用于南方多雨地区稀土尾矿废弃地的快速治理。
具体实施方式
19.本发明提供了一种离子型稀土尾矿区的修复材料，包括丛枝菌根真菌和先锋植物；所述丛枝菌根真菌的种类包括根内球囊霉、摩西球囊霉和隐类球囊霉中的一种或多种；所述先锋植物的种类包括雀稗、苎麻和芒中的一种或多种。本发明提供的修复材料应用到离子型稀土尾矿区的修复时具有植物恢复成功率高、效果优良、能够明显降低水土流失率等特点，对南方多雨地区的离子型稀土废弃矿区的植被生态恢复效果好，适用于南方多雨地区稀土尾矿废弃地的快速治理。
20.在本发明中，所述丛枝菌根真菌的种类包括根内球囊霉、摩西球囊霉和隐类球囊霉中的一种或多种；所述根内球囊霉、摩西球囊霉和隐类球囊霉优选购自北京市农林科学院植物营养与资源研究所，所述根内球囊霉的菌种编号为1511c0001bgcam0030，所述摩西球囊霉的菌种编号为1511c001bgcam0010，所述隐类球囊霉的菌种编号为1511c0001bgcam007。本发明的丛枝菌根真菌对先锋植物根系的侵染率超过80％，共生关系良好；丛枝菌根真菌还对先锋植物的生长以及根际土壤理化指标含量高低具有明显的促进作用，可以显著提高先锋植物的成活率和生物量，提高先锋植物对高盐、高酸的抗逆性能力及对重金属的耐受性，改善根际土壤理化指标，提高先锋植物对离子型稀土废弃矿区的修复效果。在本发明中，所述丛枝菌根真菌优选经扩繁培养后使用，所述扩繁培养优选包括如下步骤：将丛枝菌根真菌侵染宿主植物的幼苗进行扩繁培养，扩繁培养后取含有丛枝菌根真菌孢子、根外菌丝及被侵染寄主植物根段的根际土，得到扩繁后的丛枝菌根真菌。在本发明中，所述扩繁培养的宿主植物优选包括苏丹草，苏丹草与本发明的丛枝菌根真菌具有良
好的共生关系，扩繁效果好；所述扩繁培养的基质优选包括红壤、粗砂和细沙；所述基质中红壤、粗砂和细沙的质量比优选为(3～5):(1～3):1，进一步优选为3:1:1，该基质具有良好的透气性，为苏丹草提供了良好的生存环境及营养物质，所述基质在使用前优选进行灭菌，所述灭菌的条件优选为121℃条件下灭菌2h，对基质进行灭菌可防止基质污染，对苏丹草和丛枝菌根真菌的生长产生不利影响。本发明优选将宿主植物的种子播种后长成幼苗后用丛枝菌根真菌进行根部侵染，所述宿主植物的幼苗优选生长至2周后进行侵染。侵染后，本发明优选将浸染后的宿主幼苗栽入灭菌基质中进行扩繁培养，所述扩繁培养的时间优选为60～90d，进一步优选为60d。扩繁后，本发明取含有丛枝菌根真菌孢子、根外菌丝及被侵染寄主植物根段的根际土，得到扩繁后的丛枝菌根真菌。
21.在本发明中，所述先锋植物的种类包括雀稗、苎麻和芒中的一种或多种。本发明对先锋植物的来源没有特殊要求，本领域可以常规获得的上述先锋植物品种即可。本发明中的先锋植物具有良好的抗逆性，在盐化酸化矿渣，环境非常恶劣的情况下生长良好，对促离子型稀土尾矿区具有良好的修复效果。
22.本发明提供了一种离子型稀土尾矿区的修复方法，采用上述技术方案中所述的修复材料进行修复。
23.在本发明中，所述修复方法优选包括如下步骤：将丛枝菌根真菌接种到离子型稀土尾矿砂；在接种了丛枝菌根真菌的离子型稀土尾矿砂播种先锋植物的种子，实现丛枝菌根真菌和先锋植物共生对离子型稀土尾矿区进行修复。在本发明中，所述丛枝菌根真菌接种到离子型稀土尾矿砂的接种量优选为50～200gam菌/kg尾矿砂，进一步优选为100gam菌/kg尾矿砂。在本发明中，所述先锋植物的播种密度优选为150～300粒/m2，进一步优选为200粒/m2。种植后，本发明还优选包括田间水分和施肥管理，本发明对于所述田间水分和施肥管理的具体操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的方法即可，如可以浇水2～6次，追肥1次，按照底肥的1/10量追施；植物生长60～180d后，收获植物体，晒干后测定相关指标，如符合《gb 13078饲料卫生标准》可作牲畜饲料，如不符合相关标准转移后集中焚烧无害化处理。
24.本发明提供的修复方法具有植物恢复成功率高、效果优良、能够明显降低水土流失率等特点，对南方多雨地区的离子型稀土废弃矿区的植被生态恢复效果好，适用于南方多雨地区稀土尾矿废弃地的快速治理；同时，本发明提供的修复方法技术工艺简便、施工容易，美观安全、易于推广应用，具有巨大的应用前景和市场需求。
25.本发明提供提供了上述技术方案中所述的修复材料或上述技术方案中所述的修复方法在离子型稀土尾矿区修复中的应用。本发明提供的离子型稀土尾矿区的修复材料或修复方法能够有效改善离子型稀土废弃矿区因尾矿废弃地所造成的极度退化的生态环境、提高因稀土矿毁山开采所导致的矿区土壤退化与环境污染。
26.为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的一种离子型稀土尾矿区的修复材料、修复方法和应用进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
27.实施例1
28.一种离子型稀土尾矿区的修复材料，由丛枝菌根真菌和雀稗组成，其中丛枝菌根真菌的种类为隐类球囊霉，购自北京市农林科学院植物营养与资源研究所，菌种编号
1511c0001bgcam007；雀稗种子购自江西省新余市稻草人农业园。
29.丛枝菌根真菌的扩繁方法为：
30.将丛枝菌根真菌浸染宿主植物的幼苗进行扩繁培养，宿主植物为苏丹草，扩繁的基质为红壤、粗砂和细沙按质量3:1:1比例混合，扩繁基质使用前对扩繁基质在121℃条件下灭菌2h。首先将苏丹草种子播种于灭菌后的扩繁基质中，长至2周后取出幼苗，将根部冲洗干净，再将丛枝菌根真菌菌剂均匀接种至幼苗根部，栽入灭菌基质中扩繁培养3个月，扩繁后取其含有丛枝菌根真菌孢子、根外菌丝及被侵染寄主植物根段的根际土，得到扩繁后的丛枝菌根真菌。
31.一种离子型稀土尾矿区的修复方法：
32.用去离子水将雀稗种子清洗干净，用10％h2o2对雀稗种子进行表面消毒10min，而后再用无菌水(蒸馏水置于高压灭菌锅121℃灭菌20min)漂洗至干净无味。
33.将扩繁培养后的丛枝菌根真菌接种到离子型稀土尾矿砂，接种量为100gam菌/kg尾矿砂基质，然后点播消毒后的先锋植物雀稗种子(选取籽粒饱满的植物种子200粒/m2)，每穴(7～10cm直径)，覆盖200g尾矿砂基质。幼苗出土2周后每间隔1周加入一次氮磷钾肥，采用1/10稀释的hongland溶液进行施加的，幼苗基部喷洒1～2下；植物生长2个月后，收获植物体，本发明利用丛枝菌根真菌和先锋植物共生对离子型稀土尾矿区进行修复。
34.实施例2
35.一种离子型稀土尾矿区的修复材料，由丛枝菌根真菌和雀稗组成，其中丛枝菌根真菌的种类为摩西球囊霉，购自北京市农林科学院植物营养与资源研究所，菌种编号1511c001bgcam0010；雀稗购自江西省新余市稻草人农业园。
36.丛枝菌根真菌的扩繁方法和离子型稀土尾矿区的修复方法同实施例1，不同之处在于：丛枝菌根真菌的种类为摩西球囊霉。
37.实施例3
38.一种离子型稀土尾矿区的修复材料，由丛枝菌根真菌和雀稗组成，其中丛枝菌根真菌的种类为根内球囊霉，购自北京市农林科学院植物营养与资源研究所，菌种编号1511c0001bgcam0030；雀稗购自江西省新余市稻草人农业园。
39.丛枝菌根真菌的扩繁方法和离子型稀土尾矿区的修复方法同实施例1，不同之处在于：丛枝菌根真菌的种类为根内球囊霉。
40.对比例1
41.一种离子型稀土尾矿区的修复方法，具体步骤同实施例1，不同之处在于：未采用丛枝菌根真菌浸染雀稗。
42.应用例1
43.效果评价
44.地点：江西省南昌市东湖区——江西省环境保护科学研究院科研实验室内
45.供试土壤来源：江西省赣州市寻乌县文峰镇打罗石废弃稀土矿区
46.时间：2019年9月～11月
47.尾砂基质的基本理化指标含量为：全磷100.0mg/kg、全氮170.0mg/kg、硝态氮7.12mg/kg、铵态氮18.4mg/kg、有机质2.61g/kg、ph值为4.38，镧608.0mg/kg、钇114.0mg/kg和铕16.8mg/kg。
48.扩繁所需的土壤取自江西省南昌市东湖区丘陵红壤(茶花树周围红壤，使用前在121℃条件下灭菌2h)。灭菌处理后的尾矿砂和土壤装入试验用盆中(上口径14cm、下内径7cm、盆高9cm的塑料盆)，用于种植雀稗。
49.试验方案：本试验设4个处理水平，分别采用实施例1～3和对比例1的修复方法对江西省赣州市寻乌县文峰镇打罗石废弃稀土矿区尾矿砂进行异位修复，每一种处理设6个平行，本试验共种植60盆，随机摆放于室内。植物生长2个月后进行收获，收获后将根系清洗干净、测定先锋植物雀稗的地上株长、地下根长、总鲜重、数总株数、叶绿素总浓度、取部分植物根系测定菌根侵染率，检测结果见表1；采集根际尾矿砂基质样品用于土壤理化指标以及酶活性测定，检测结果见表2～4。
50.具体检测方法如下：
51.叶绿素总浓度测定采用wintermans&de mots(1965)的分光光度法(参考文献：wintermans j.f.g.m.,de mots,a.spectrophotometric characteristics ofchlorophylls a andb andtheirpheophytins in ethanol[j].biochimica etbiophysicaacta,1965,109(2):448
‑
453)。
[0052]
植物根系菌根侵染率测定采用曲利苯蓝染色法，将植物根系剪成1cm长的根段装入试管，加入5％～10％的koh溶液，放入90℃水浴锅中脱色(60min)，脱色完成后去掉溶液，用去离子水漂洗多次，加入2％hcl溶液浸泡5min后去掉酸液，再加入0.05％曲利苯蓝染色液(乳酸：甘油：水＝1:1:1)放回90℃水浴锅中进行染色60min，染色后用去离子水进行多次漂洗。将染色的根段置于显微镜下进行观察菌根组织结构及侵染根段数，其侵染率计算公式为：侵染率＝被菌根侵染根段数/观察总根段数
×
100％。
[0053]
根际土壤固氮酶活性测定用土壤固氮酶(nitrogenase)酶联免疫分析试剂盒进行测定、蛋白酶活性测定用土壤(soil)蛋白酶(protease)elisa检测试剂盒、脲酶活性采用土壤(soil)脲酶(urease)elisa检测试剂盒，所用试剂盒均购买于武汉博士康生物工程有限公司。
[0054]
土壤理化指标测定方法参照鲁如坤(2000)编写的《土壤农业化学分析方法》。土壤ph采用电位法；重铬酸钾氧化比色法用于测定有机质；阳离子交换量采用氯化钡
‑
硫酸镁；速效钾采用四苯硼钠比浊法；有效磷采用盐酸
‑
氟化铵；铵态氮采用靛酚蓝比色法；盆栽实验植物根际土壤中全磷含量采用森林土壤磷的测定ly/t 1232
‑
2015，全氮、铵态氮和硝态氮的测定采用森林土壤氮的测定ly/t 1228
‑
2015；重金属元素镉(cd)、铜(cu)、锌(zn)、铅(pb)和稀土元素镧(la)、钇(y)、铕(eu)含量采用gb/t 14506.30
‑
2010硅酸盐岩石化学分析方法测定；汞(hg)含量采用gb/t 22105.1
‑
2008原子荧光法测定。
[0055]
表1不同处理对雀稗根侵染率及生物量影响的统计表
[0056][0057]
表中数值为平均值
±
标准误差。
[0058]
由表1的结果可知，实施例1～3的丛枝菌根真菌与雀稗之间具有良好共生关系，侵染率可达80％以上；本发明实施例1～3与对比例1相比，实施例1～3的雀稗成活株数、地上根长、地下根长和鲜重均有明显提高，尤其是实施例3对雀稗生长的影响最为明显，其株数、地上株长、地下根长和鲜重的平均值分别对比例1的2.8、1.6、1.17和4.16倍。
[0059]
由表1的结果还可知道，实施例1～3的叶绿素含量均高于对比例1(16.83mg/g)，尤其实施例3的叶绿素含量最高(82.44mg/g)，是对比例1的4.9倍。叶绿素含量高低既能够表明植物的营养状况，还可以成为植物受外界环境干扰和胁迫状态的指示器，反应植物的生产能力，表1的结果表明丛枝菌根真菌能够使雀稗根际尾矿砂基质中n、p等营养元素增加，扩大植物根系吸收营养成分面积，进而促进叶绿素合成，使叶绿素含量得以提升。本发明的丛枝菌根真菌对离子型稀土矿区先锋植物雀稗的生长能起到良好的促进作用，尤其是实施例3对雀稗的生物量的提升作用最为明显。
[0060]
表2不同处理对雀稗根际尾矿砂基质的酶活性影响的统计表
[0061][0062]
表中数值为平均值
±
标准误差。
[0063]
由表2的结果可知，实施例3的尾矿砂基质中固氮酶活性平均值(481.48u/l)高于对比例1(476.23u/l)，但两者相差较小；实施例1～2的尾矿砂基质中固氮酶活性平均值均低于对比例1，实施例1～3与对比例1相比并未表现出明显的优势，表明接种实施例1～3的丛枝菌根真菌对雀稗根际尾矿砂基质中固氮酶活性影响较小。
[0064]
通过测定不同处理组雀稗根际尾矿砂基质中的蛋白酶和脲酶活性，结果表明：实施例1～3的尾矿砂基质的蛋白酶活性和脲酶活性平均值均高于对比例1，尤其是实施例2对尾矿砂基质的蛋白酶和脲酶活性的促进作用最为明显，其平均值分别是对比例1的1.97和1.46倍，在离子型稀土矿区尾矿砂中接种实施例1～3的丛枝菌根真菌能够提高尾矿砂基质的蛋白酶和脲酶活性，修复效果提高。
[0065]
表3不同处理对雀稗根际尾矿砂基质氮含量影响的统计表
[0066][0067]
表中数值为平均值
±
标准误差。
[0068]
由表3可知，与对比例1比较，实施例1～3提高了根际尾矿砂基质中全氮和铵态氮的含量，降低了硝态氮的含量，表明实施例1～3的丛枝菌根真菌可以促进尾矿砂基质中无机氮铵态氮的形成，将尾矿砂基质中氮素转化成植物生长可直接利用的的铵态氮，为雀稗提供生长发育所需要的氮，同时也起到去除尾矿砂基质中氮污染物的作用。
[0069]
表4不同处理对雀稗根际尾矿砂基质有机质和全磷含量影响的统计表
[0070][0071]
表中数值为平均值
±
标准误差。
[0072]
由表4的结果可知，对比例1的全磷含量最低，为110.0mg/kg，实施例1～3的全磷含量由高到低依次表现为实施例1>实施例2>实施例3，盆栽实验前尾矿砂基质中的全磷含量(100.0mg/kg)低于对比例1和实施例1～3；有机质含量表现为实施例2最低，实施例1和实施例3均高于对比例1，盆栽实验前尾矿砂基质中的有机质含量(2.61g/kg)低于实施例1和实施例3，高于对比例1和实施例2。总体上，接种实施例1～3的丛枝菌根真菌可促使雀稗根际尾矿砂基质中有机质和全磷含量增加，进而促进雀稗对磷的吸收，提高雀稗成活率和生物量，提高修复效果。
[0073]
由上述实施例的结果可知，本发明提供的离子型稀土尾矿区的修复材料用于离子型稀土尾矿区的修复时，可显著提高先锋植物的成活率和生物量，提高矿砂基质的蛋白酶和脲酶活性以及矿砂基质中磷和有机质的含量，改善离子型稀土废弃矿区因尾矿废弃地所造成的极度退化的生态环境、提高因稀土矿毁山开采所导致的矿区土壤退化与环境污染。
[0074]
尽管上述实施例对本发明做出了详尽的描述，但它仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，人们还可以根据本实施例在不经创造性前提下获得其它实施例，这些实施例都属于本发明保护范围。