电解锰渣是硫酸浸取菱锰矿中金属锰（Mn）而产生的滤渣，呈弱酸性黑色黏稠状，以细粒成分为主[1]。锰矿石单位产渣量大，锰渣通常采用露天堆放或填埋方式进行处理[2-3]。研究表明，锰渣中的Mn含量达4%～6%[4]。高浓度的Mn2+会抑制植物根系吸收活性，引起氧化性胁迫，导致叶绿素含量下降，叶绿体超微结构被破坏和植株光合速率降低[5]。Mn具有生殖毒性，人体吸收过量的Mn会导致中毒[6]。因此，采取适宜措施，阻控电解锰渣中的Mn向周围环境迁移，对于区域生态保护和人类健康具有重要意义。
植物修复技术是利用植物吸收、累积、固定和净化等作用去除土壤中的重金属污染物，并逐步改善土壤养分状况，同时恢复土壤原有地貌，促使局部气候改善、微环境得以优化的一种环境治理技术[7]。采用植物修复方法对矿区进行生态修复是当前的研究热点之一。电解锰渣长期堆放过程中，在风化作用的影响下，部分堆场上已有少数植物定居[8]。这些植物具有耐贫瘠性，可通过吸收和固定作用降低电解锰渣中Mn的迁移转化能力，并恢复当地景观，具有良好的生态应用价值[9]。在前期对一锰渣堆场的调查中，发现堆体上面生长有五节芒（Miscanthus floridulus）和一年蓬（Erigeron annuus）两种优势植物。这两种植物定植对电解锰渣中Mn的调控作用尚未可知。为此，本研究对电解锰渣堆场基质、定植优势植物及渗透水进行调查。通过测定植株Mn含量、电解锰渣全Mn含量、电解锰渣有效态Mn含量和渗透水中Mn含量，探讨植物定植对电解锰渣中Mn迁移的影响，为电解锰渣堆场Mn污染治理及生态恢复提供参考。
1 材料与方法
1.1 试验材料
供试电解锰渣：采自电解锰渣堆场，堆存时间2～4年。
1.2 试验设计
从电解锰渣堆场选取长势良好的五节芒和一年蓬，在其根部20 cm直径范围外开挖，深挖40 cm，植株用无纺布包裹后，将其整丛连同基质移栽至塑料桶中，做好标记。同时在采样点附近挖取土壤基质作为对照。试验共设计4组处理：M处理，五节芒定植的电解锰渣基质；MCK处理，五节芒采样点附近的裸露电解锰渣基质；P处理，一年蓬定植的电解锰渣基质；PCK处理，一年蓬采样点附近的裸露电解锰渣基质。每个处理重复3次，每盆装基质4 kg。试验期间不做施肥处理，每盆底部安装渗透水收集装置。根据自然降水情况在9—11月间隔15 d采集1次渗透水，共收集5次。渗透水用0.45 μm滤膜过滤到50 mL塑料离心管中，加酸酸化后保存于冰箱内[12-13]。采摘的五节芒和一年蓬地上部用自来水冲洗一遍，再用去离子水反复冲洗后自然晾干，样品烘干至恒重后粉碎，用于Mn含量测定。充分混合电解锰渣样品，经自然风干、去除杂物后利用研钵研磨粉碎，过10和100目尼龙筛，装入密封袋，备用。
1.3 测定项目及方法
电解锰渣全Mn含量：准确称取废渣基质样品0.15～0.30 g，在HNO3-HCl-HF-H2O2体系（体积比3∶1∶1∶1）下，按120 ℃（7 min）—150 ℃（9 min）—190 ℃（25 min）程序进行微波消解，消解至液体透明澄清后，用火焰原子吸收分光光度计测定。
锰渣中有效态Mn含量：采用0.1 mol/L HCl浸提，用火焰原子吸收分光光度计测定。
渗透水Mn含量：用0.45 μm滤膜将渗透水过滤到50 mL塑料离心管中，用火焰原子吸收分光光度计测定。测试过程中设置空白和重复样用于质量控制。
植物Mn富集系数采用式（1）计算[16]。
富集系数=植物体Mn含量/电解锰渣中Mn含量
1.4 数据分析
采用Excel 2007软件进行数据整理，结果以平均值±标准差形式表示，用SPSS 26.0软件进行统计分析。
2 结果与分析
2.1 植物对电解锰渣中Mn的富集吸收效果
由表1可知，电解锰渣堆场基质全Mn含量7 671.42～25 948.61 mg/kg，是该地区土壤背景值的9.66～32.68倍[17]。从分布上来看，以一年蓬周边的裸渣全Mn含量最高，五节芒生长区基质全Mn含量最低。其中，五节芒根际电解锰渣（M）全Mn含量较其周围的裸渣（MCK）降低了3.74%；一年蓬根际电解锰渣（P）全Mn含量较其周围的裸渣（PCK）降低了2.24%。五节芒植株中Mn含量98.30 mg/kg，一年蓬植株中Mn含量37.62 mg/kg，两种植物对Mn的富集系数较低，其中五节芒的Mn富集系数（12.81×10-3），是一年蓬Mn富集系数（1.48×10-3）的8.66倍。
表1 电解锰渣全Mn含量、植物Mn含量及Mn富集系数 |
| 处理 | 电解锰渣全Mn含量/（mg/kg） | 植物Mn含量/（mg/kg） | Mn富集系数（×10-3） |
|---|---|---|---|
| M | 7 671.42±366.50 | 98.30±5.54 | 12.81±0.44 |
| MCK | 7 969.66±882.19 | ||
| P | 25 366.64±2 174.02 | 37.62±7.31 | 1.48±0.42 |
| PCK | 25 948.61±195.40 | ||
| 当地土壤背景值 | 794 |
2.2 植物定植对电解锰渣中有效态Mn含量的影响
由图1可知，五节芒定植区（M）电解锰渣有效态Mn平均含量356.45 mg/kg，而五节芒采样点附近裸渣（MCK）的有效态Mn含量688.78 mg/kg。与裸渣处理组相比，五节芒生长区电解锰渣中有效态Mn的含量降低了48.25%。一年蓬定植区电解锰渣（P）有效态Mn平均含量1 016.50 mg/kg，一年蓬采样点附近裸渣（PCK）有效态Mn含量1 618.33 mg/kg；与裸渣处理组相比，一年蓬定植区域电解锰渣中有效态Mn含量降低了37.19%。
2.3 植物定植对电解锰渣中Mn向水体迁移的影响
由表2可知，五节芒采样点附近裸渣处理组（MCK）渗透水中Mn的质量浓度37.12～54.45 mg/L，随着时间的推移呈下降趋势；五节芒定植后（M），渗透水中Mn的质量浓度下降至7.23～18.71 mg/L，降幅65.64%～80.66%。一年蓬采样点附近裸渣处理组（PCK）渗透水中Mn的质量浓度88.92～103.48 mg/L，随着时间的推移呈下降趋势；一年蓬定植后（P），渗透水中Mn的质量浓度下降至71.60～90.16 mg/L，降幅12.87%～19.48%。两种植物的定植均能减少电解锰渣中Mn向水体迁移，其中五节芒的阻控效果优于一年蓬。
表2 不同处理条件下渗透水中Mn含量 (mg/L) |
| 处理 | 收集次数 | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| 第1次 | 第2次 | 第3次 | 第4次 | 第5次 | |
| M | 18.71±2.31 | 13.80±2.56 | 9.23±0.86 | 8.67±0.99 | 7.23±1.02 |
| MCK | 54.45±4.21 | 51.24±7.10 | 42.47±5.67 | 44.83±4.93 | 37.12±4.99 |
| P | 90.16±5.94 | 81.81±4.37 | 74.89±9.37 | 74.85±8.43 | 71.60±9.11 |
| PCK | 103.48±7.45 | 96.56±5.08 | 91.28±5.47 | 92.29±4.65 | 88.92±3.32 |
3 结论与讨论
Mn是植物体的必需微量元素之一[18]，而过量的Mn会影响植物细胞代谢和矿质养分吸收，对植物造成损害[19]。在本研究中，五节芒定植区电解锰渣中全Mn含量低于一年蓬定植区，可能是因为电解锰渣堆场的电解锰渣是按照批次倾倒的，两种植物生长区域的冶炼矿石类型、矿石品位、冶炼工艺及堆存时间等可能不同[20]。两种植物的Mn含量在37.62～98.30 mg/kg，富集系数在1.48×10-3～12.81×10-3，未达到超积累植物的标准[21]（Mn含量10 000 mg/kg，富集系数大于1）。对比发现，五节芒的Mn富集系数是一年蓬的8.66倍，说明五节芒对Mn的吸收能力比一年蓬更强，这与徐晓莹等[22]的研究结果一致。
GB 5749—2022《生活饮用水卫生标准》规定出厂水中Mn含量限值为0.1 mg/L[26]。在本研究中，各处理组渗透水中的Mn含量均超过该限值。一年蓬和五节芒定植后，渗透水中Mn的浓度与对照相比出现了不同程度的下降，说明这两种优势植物定植能阻控电解锰渣中Mn向水体迁移。一方面可能是植物对Mn有一定的吸收作用[27]，从本研究结果来看，该途径的贡献率相对较小。另一方面，植物的根际效应降低了Mn的有效性，削弱了其扩散能力。五节芒对电解锰渣中Mn向水体迁移的阻控能力强于一年蓬，可能是因为五节芒地上部生物量及对Mn的吸收能力大于一年蓬，部分Mn被固定在植株体内。此外，五节芒根系较一年蓬发达，对电解锰渣的固持能力较强，且其根系分泌物对Mn有效性的降低作用强于一年蓬。因此，在电解锰渣堆场的Mn污染治理中，可将五节芒作为先锋植物。
本研究对电解锰渣堆场两种植物（五节芒、一年蓬）定植条件下植株Mn含量、电解锰渣全Mn含量、电解锰渣有效态Mn含量和渗透水中Mn含量进行测定，探讨植物定植对电解锰渣中Mn迁移的影响，得出以下结论。
（1）五节芒和一年蓬对电解锰渣中的Mn均具有一定的吸收作用，其植株体内Mn含量在37.62～98.30 mg/kg，Mn富集系数在1.48×10-3～12.81×10-3，未达到超积累植物标准。
（2）植物定植降低了电解锰渣中Mn的有效性，与相对应的裸露电解锰渣相比，五节芒、一年蓬定植区域基质中有效态Mn含量分别降低了48.25%和37.19%。
（3）植物定植减少了电解锰渣中Mn向水体的迁移，与相对应的裸露电解锰渣处理组相比，五节芒、一年蓬的定植使渗透水中的Mn含量分别降低了65.64%～80.66%和12.87%～19.48%。