礦區(qū)土壤砷污染對植物生長影響盆栽試驗1)

陳丙良 劉志斌

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)，阜新，123000)

隨著礦產(chǎn)資源的開發(fā)，特別是一些不合理的開發(fā)利用活動，引發(fā)礦區(qū)環(huán)境各種污染問題，其中土壤重金屬污染尤為突出。污染嚴(yán)重的礦區(qū)植物生長受損嚴(yán)重，特別是草本植物。砷是一種非金屬元素，但它的毒性及其在環(huán)境中的遷移規(guī)律與重金屬相似，已被劃入有害金屬之列。目前，國內(nèi)外學(xué)者主要從微觀和宏觀兩個方面研究砷對植物的影響。在微觀方面［1－4］，國內(nèi)外學(xué)者主要以蜈蚣草為主要實驗材料，研究植物對砷的富集及抗性機(jī)理;在宏觀方面［5－8］，國內(nèi)外學(xué)者主要是基于植物對砷的富集及抗性機(jī)理，研究一些植物在砷污染中生態(tài)修復(fù)的作用;另外一些學(xué)者從生態(tài)學(xué)觀點(diǎn)出發(fā)，分析了砷污染對植物生物多樣性的影響［9］;但在建立礦區(qū)砷污染土壤防治體系方面還是一個空白。本文擬以大柳塔礦區(qū)為例，基于盆栽試驗，尋找和發(fā)現(xiàn)適合礦區(qū)氣候條件與土壤條件的砷耐性植物，為建立礦區(qū)砷污染土壤防治體系提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究選取陜西大柳塔礦區(qū)為研究區(qū)。

大柳塔礦區(qū)位于陜西省神木縣北部和內(nèi)蒙古與伊金霍洛旗南部的陜蒙接壤區(qū)，地理位置為東經(jīng)110°5'～110°20'，北緯 39°27'～ 39°15'。研究區(qū)地處黃土高原與毛烏素沙地的過渡地帶，主要為覆沙黃土丘陵區(qū)，海拔一般1 000～1 250 m。區(qū)域內(nèi)地質(zhì)條件復(fù)雜，在基巖上覆有黃土、老黃土、古土壤、古風(fēng)沙、粘土互層、黑沙土、風(fēng)積沙等，形成夾層現(xiàn)象。研究區(qū)屬溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，受西伯利亞高寒氣候和海洋暖氣團(tuán)的控制，形成冬季嚴(yán)寒干燥，春季風(fēng)沙頻繁，夏季高溫炎熱，秋季涼爽濕潤，晝夜溫差懸殊，無霜期短，冰凍期長的氣候特征。

1.2 土壤分析樣品及盆栽試驗土壤基質(zhì)的采集

研究區(qū)土壤樣品采集采用網(wǎng)格布點(diǎn)法，按每4 km2一個網(wǎng)格進(jìn)行布點(diǎn)，每個采樣點(diǎn)以網(wǎng)格對角線交點(diǎn)為中心，在周圍50 m范圍內(nèi)采集0～20 cm土層的土壤3處。將土壤樣品帶回實驗室后，一部分運(yùn)用常規(guī)分析方法［10］進(jìn)行土壤基本理化性質(zhì)分析，分別測定土壤顆粒組成、密度、總孔隙度、自然含水量、pH值、氮、磷、鉀、砷等元素的含量，對土壤樣品逐一分析，取其平均值作為最終分析結(jié)果;剩余土壤樣品混勻后用于盆栽試驗的土壤基質(zhì)。

1.3 盆栽試驗植物

研究區(qū)為風(fēng)沙草灘區(qū)，植物以灌草類居多。依據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂蚝屯寥罈l件，遵循自然規(guī)律，從礦區(qū)草本植物中篩選荊條(Vitex negundo var.heterophylla)、白羊草(Bothriochloa ischaemum(L.)Keng)、黃背 草 (Themeda triandra Forsk. var. Japonica(Willd.)Makino)、蔥(Allium fistulosum)4 種植物進(jìn)行盆栽試驗。

1.4 盆栽試驗土壤基質(zhì)處理

供試作物采用上述4種植物幼苗。底肥為m(氮)∶m(磷)∶m(鉀)=16∶16∶16的復(fù)合肥。容器采用直徑30 cm、高50 cm塑料盆。供試試劑品為As2O3，配置溶液濃度為100 mg/L。將供試土壤均勻攤開，去除其中的樹葉和石頭等雜質(zhì)，風(fēng)干24 h，最后過2 mm篩后備用。

盆栽試驗分為3組:一組對照試驗，土壤基質(zhì)不加處理，記為O組試驗;兩組研究試驗——一組測定土壤中砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低時對植物長期累積作用的影響，記為A組試驗(包含2個處理水平);一組測定土壤中砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高時對植物的影響，記為B組試驗(包含3個處理水平)。

O組:每個塑料盆裝入10 kg礦區(qū)土壤，并栽入12～15株同一種植物幼苗。每種植物種植一盆，作為對照。A組:每個塑料盆裝入10 kg礦區(qū)土壤，并栽入12～15株同一種植物幼苗。種植4種植物，每種植物2個處理，共用8個盆。B組:每個塑料盆裝入10 kg礦區(qū)土壤，并栽入12～15株同一種植物幼苗，種植4種植物，每種植物3個處理，共用12個盆。對每盆植物適時施肥和澆水，待每盆植物成活后進(jìn)行間苗，每盆保留5株苗木，然后用移液槍將不同量As2O3溶液按處理水平依次均勻地注入盆栽土壤表層1～2 cm處。As2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)及加入量見表1。

表1 礦區(qū)土壤中As2O3施用量

1.5 管理及生長觀察

栽植后保持一致的管理，并在加入試劑的30、74、152 d時觀測各盆植物的生長高度、葉片大小與成色、地下根部的長度。

根據(jù)成活率、株高、根深及葉色，將在砷影響下的植物分為4級:抗性、中抗性、低抗性和敏感。能很好適應(yīng)土壤條件，生長勢旺，根深且葉色較濃綠的植物為“抗性”級;能適應(yīng)土壤條件，生長勢頭一般，根較深且葉色淡黃的植物為“中抗性”級;勉強(qiáng)能夠生存，生長勢弱，根淺，葉色異常的植物為“低抗性”級;種植后不能適應(yīng)土壤條件，在生長季節(jié)相繼死亡的植物為“敏感”級。

1.6 樣品處理

依據(jù)時間段分別測量草樣株高。152 d后采集新鮮草樣，經(jīng)清洗后測其根長。鮮樣在105℃殺青20 min后，再在70℃下烘干12 h，質(zhì)量恒定后稱量、粉碎過60目篩待用。植物中砷的測定參考GB/T5009.11—1996，并采用分光光度法測定植物體中砷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 礦區(qū)土壤理化性質(zhì)

土壤理化性質(zhì)見表2所示。根據(jù)土壤顆粒分級標(biāo)準(zhǔn)［11］，由表2 可知，礦區(qū)土壤石礫(3 ～1 mm)、物理性砂粒(1 ～0.01 mm)、物理性粘粒(＜0.01 mm)的顆粒百分比分別為0、94.04%和5.96%，土壤質(zhì)地主要為細(xì)砂土類，土壤通氣透水性能良好，但保水能力較差。礦區(qū)土壤的pH值平均為8.56，土壤偏堿性，適合于多數(shù)灌草植物的生長。

表2 礦區(qū)土壤理化性質(zhì)

2.2 試驗植物在不同處理水平土壤中的生長狀況

從表3中可以看出，經(jīng)A組水平處理，荊條的株高增長率最大，蔥的株高增長率最小。這說明在砷長期累積影響下，荊條還能保持與背景水平植株的生長態(tài)勢，觀察其根、莖、葉的生長狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)荊條在砷污染條件下屬“抗性”級植物。黃背草的株高增長率隨土壤中砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大呈下降趨勢，而且根、莖、葉的狀態(tài)變化較小，生長勢頭一般，屬“中抗性”級植物。白羊草和蔥的株高增長率隨土壤中砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大均大幅降低，而且根、莖、葉的生長狀態(tài)變化較大，異常趨勢明顯，屬“低抗性”級。

表3 試驗植物在不同處理土壤中的生長狀況

表4 不同處理土壤中的植物全株砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)和根長值

2.3 試驗植物在不同處理水平土壤中的富集系數(shù)

植物富集系數(shù)［12］(Plant Accumulation Coefficient，PA，C)反映植物對某種元素的富集能力，是某種元素在植物體地上部分中的含量與該植物所生長土壤中該元素含量的比值。

從圖1可以看出，白羊草和蔥中砷的富集系數(shù)均隨其質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而降低;在砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)高的污染土壤中生長的荊條和黃背草，其富集系數(shù)較質(zhì)量分?jǐn)?shù)低的砷污染土壤的富集系數(shù)有所增高。就植物對As的富集能力而言，荊條、白羊草、黃背草、蔥這4類植物中均未達(dá)到As超富集的條件(PA，C＞1)，但仍表現(xiàn)出良好的生長優(yōu)勢與耐受能力，因此，可以作為礦區(qū)的適生植物，用以防風(fēng)固沙。

圖1 試驗植物在不同處理水平土壤中的富集系數(shù)

3 結(jié)論

礦山開采、選冶、尾礦堆放和燃煤飛灰已成為礦區(qū)土壤砷污染的主要因素，并對礦區(qū)周圍生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生潛在危害。試驗研究發(fā)現(xiàn)，荊條和黃背草，尤其是荊條可用于大柳塔礦區(qū)土壤砷污染防治，而白羊草和蔥可以作為礦區(qū)土壤砷污染的指示植物。

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