焦陽 賈春云 范文玉 姜春陽 臺(tái)培東

摘要 [目的] 研究菱鎂礦粉塵對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響以及構(gòu)樹對(duì)鎂粉塵污染土壤的耐受性。[方法] 采用盆栽試驗(yàn)，室內(nèi)模擬氧化鎂粉塵沉降、人工摻和廢礦堆。[結(jié)果] 當(dāng)鎂粉塵施加量小于10%時(shí)，促進(jìn)構(gòu)樹生長(zhǎng)，當(dāng)土壤鎂含量為4.17 g/kg時(shí)，構(gòu)樹單株生物量達(dá)3.46 g，明顯大于潔凈土壤的生物量（2.81 g）；構(gòu)樹對(duì)生長(zhǎng)土質(zhì)的要求低，土壤中礦石含量25%時(shí)，生物量最大為6.12 g，明顯比潔凈土壤生物量高出3.31 g；施加鎂粉塵明顯改變了構(gòu)樹生長(zhǎng)土壤的理化性質(zhì)，pH由6.78升到9.48，電導(dǎo)率先增加到651.8 μS/cm后降至375.7 μS/cm，速效磷含量從52.1 mg/kg降至16.9 mg/kg，全鎂含量從1.403 g/kg升至9.015 g/kg。 [結(jié)論] 構(gòu)樹對(duì)鎂具有較強(qiáng)耐受能力， 并對(duì)生長(zhǎng)土質(zhì)要求低，在不同程度破損土質(zhì)中均能健康生長(zhǎng)，在修復(fù)菱鎂礦區(qū)鎂污染土地方面具有相當(dāng)大的潛力。

關(guān)鍵詞 構(gòu)樹；菱鎂礦；粉塵；生態(tài)修復(fù)

中圖分類號(hào) S181.3；X53 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2014）16-05063-03

菱鎂礦是一種重要的礦產(chǎn)資源，被廣泛應(yīng)用于材料、航天、交通、通信和電子產(chǎn)品等行業(yè)，與人類的生活息息相關(guān)。我國(guó)擁有的菱鎂礦資源居世界首位，主要集中在素有“鎂都”之稱的遼寧省海城和大石橋一帶[1]。菱鎂礦在破碎、分選、燒結(jié)及運(yùn)輸過程中產(chǎn)生大量的粉塵、煙塵，通過風(fēng)力推動(dòng)，飄移到附近耕地土壤、空氣中，對(duì)礦區(qū)附近的生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染與破壞，同時(shí)對(duì)周邊農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及人類身體健康產(chǎn)生嚴(yán)重危害。菱鎂礦粉塵的主要成分是MgCO3和MgO[2]。鎂粉塵具有一定的腐蝕性，會(huì)使作物的葉片與根系直接受到傷害，造成作物的減產(chǎn)甚至絕產(chǎn)；沉降于地面，造成土壤板結(jié)，作物生長(zhǎng)發(fā)育環(huán)境惡劣，草本植物減少；在污染嚴(yán)重區(qū)域，草本植物幾乎不能生存，僅有少量的灌木和松樹幼苗存在[3-7]。

用于修復(fù)土壤的植物種類應(yīng)具備生長(zhǎng)快、根系發(fā)達(dá)、易栽培等特點(diǎn)。構(gòu)樹別名彀、楮樹、鹿仔樹、谷漿樹、野楊梅子等，為?？疲∕oreceae）構(gòu)樹屬（Broussonetia ）多年生落葉喬木或灌木，雌雄異株，株高可達(dá)20 m[8]。構(gòu)樹屬全世界共有5種，分布于亞洲東部和太平洋島嶼。我國(guó)有構(gòu)樹、小構(gòu)樹、藤構(gòu)3種，分布于我國(guó)除東北北部、西北北部以外的大部分地區(qū)，大多數(shù)野生，少量栽培[9]。構(gòu)樹為陽性樹種，具有一定的耐蔭性，適應(yīng)環(huán)境的能力極強(qiáng)，既耐干旱、貧瘠、鹽堿，又耐干冷濕熱氣候，在酸性、中性或石灰質(zhì)土、含鹽量14%以下的土地和深山荒地均能旺盛生長(zhǎng)[10]。構(gòu)樹韌皮纖維含量高，是生產(chǎn)制造高級(jí)用紙、高級(jí)混紡等產(chǎn)品的優(yōu)質(zhì)原材料[11]；構(gòu)樹樹葉是生產(chǎn)加工魚類和動(dòng)物飼料的優(yōu)質(zhì)綠色原料[12]；構(gòu)樹果實(shí)可制成天然性保健果汁飲品[13]；構(gòu)葉、果實(shí)、楮實(shí)子、樹皮、根皮和乳汁均含有一定的生理活性物質(zhì)，具有廣泛的醫(yī)藥用途[14]。筆者以構(gòu)樹為研究對(duì)象，通過溫室盆栽試驗(yàn)研究了構(gòu)樹對(duì)土壤中鎂污染的耐受、積累能力，以了解它對(duì)鎂污染土壤修復(fù)的可能性、潛力，為遼中南菱鎂礦區(qū)大面積鎂污染破損土地的修復(fù)提供技術(shù)和理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料 供試構(gòu)樹樹苗購自大連中植環(huán)境生物科技有限公司。供試土壤采自中國(guó)科學(xué)院沈陽生態(tài)研究所沈陽生態(tài)實(shí)驗(yàn)站，室內(nèi)自然風(fēng)干（室溫約25 ℃），用研缽磨細(xì)，過1 mm尼龍篩，備用。供試土壤基本性質(zhì)為：pH 6.83，有機(jī)質(zhì)26.40 g/kg，全碳含量17.70 g/kg，全氮含量1.10 g/kg，全磷0.35 g/kg 。供試礦石采自海城菱鎂礦區(qū)。供試礦粉為輕燒氧化鎂，過100目篩，備用。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 將已風(fēng)干、磨細(xì)的土壤稱重，裝盆。從所購構(gòu)樹樹苗中選取長(zhǎng)勢(shì)一致的樹苗，移入盆中，每盆定株1株，放入光照溫室中培養(yǎng)。

經(jīng)過30 d的緩和期后，根據(jù)菱鎂礦區(qū)土壤礦粉污染強(qiáng)度，向盆內(nèi)土壤表面投加菱鎂礦粉，使其形成不同程度的鎂污染，分別為0（對(duì)照）、5%、10%、15%、20%、30%[w/w，菱鎂礦粉/（菱鎂礦粉+土壤）]，分別記為G0、G1、G2、G3、G4、G5。另選取一定量的礦石，與土壤混合形成含有不同程度碎礦石的土壤，混合比例分別為0（CK）、10%、15%、25%、50%、70%、100%[w/w，礦石/（礦石+土壤）]，分別記為W0（G0）、W1、W2、W3、W4、W5、W6。移入盆中后灑水1 000 ml，在培養(yǎng)期間保持土壤潤(rùn)濕。

在鎂污染土壤中培養(yǎng)60 d后，分別對(duì)植物和土壤采樣。將植物從盆中連根挖出，鮮重用電子天平稱取，并測(cè)量植株高度。先用自來水沖洗，后用去離子水沖洗。將植物樣品在105 ℃鼓風(fēng)干燥箱中殺青5 min后，于75 ℃烘干至恒重，用電子天平稱取；烘干的植物樣品用于鎂含量分析。

隨機(jī)采集土樣，將取出的每個(gè)土樣去掉結(jié)皮塊和植物殘?jiān)?、根系，在室溫?5 ℃）下自然風(fēng)干7 d，研磨后過16目尼龍篩，用于土壤pH、全鹽量等理化性質(zhì)的測(cè)定；另外，采用四分法取出一部分風(fēng)干土，研磨，使其全部過100目尼龍篩，用于土壤全鎂、有機(jī)質(zhì)等含量的測(cè)定。重復(fù)3次，取平均值。

1.3 測(cè)定方法

1.3.1 植物鎂含量的測(cè)定。取0.5 g植物樣品，經(jīng)混合酸（HNO3/HClO4，8∶2，V/V）消解后，定容于50 ml容量瓶，用火焰原子吸收分光光度計(jì)（Varian，AA240）測(cè)定根、莖、葉以及全鎂含量。

1.3.2 土壤理化性質(zhì)的測(cè)定。土壤理化性質(zhì)的測(cè)定參照土壤農(nóng)化分析[15]。有機(jī)質(zhì)含量的測(cè)定采用重鉻酸鉀法；pH的測(cè)定采用電位法，用無CO2水浸提，pHs.3C型精密pH劑測(cè)定；全鹽含量的測(cè)定采用電導(dǎo)法；速效磷含量的測(cè)定采用碳酸氫鈉法；水溶鎂含量的測(cè)定方法為：經(jīng)水土比5∶1浸提后的土壤浸提液，用火焰原子吸收分光光度計(jì)（Varian，AA240）測(cè)定鎂含量；土壤全鎂含量測(cè)定方法為：取1 g土壤樣品，經(jīng)混合酸（HF/HNO3/HClO4，8∶4∶4，V/V/V）消解后，定容于50 ml容量瓶，用火焰原子吸收分光光度計(jì)（Varian，AA240）測(cè)定全鎂含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理 數(shù)據(jù)結(jié)果采用 SPSS18.0 和 Microsoft Excel 2007 進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，利用一元方差分析（one.way ANOVA）對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，同時(shí)根據(jù)需要采用Duncan 多重比較法或Paired.Samples T檢驗(yàn)法比較差異顯著性，所有檢驗(yàn)的顯著性水平如無特殊說明，均為P=0.05。試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示，增加量表示處理前后植物株高的差值，生物量以植物地上部分干重計(jì)，鎂含量以整株植物干重計(jì)。

2 結(jié)果與分析

2.1 構(gòu)樹對(duì)鎂粉塵污染土壤的適應(yīng)性研究

2.1.1 礦粉施加量對(duì)構(gòu)樹生長(zhǎng)特征的影響。隨著鎂污染的加重，構(gòu)樹的生長(zhǎng)狀況變化顯著。由圖1可知，與對(duì)照組相比，培養(yǎng)60 d后，構(gòu)樹的單株生物量以及株高增加量均有較明顯的變化。隨著礦粉施加量的變化，植物的單株生物量與株高增加量均呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì)。污染濃度為5%、10%時(shí)生長(zhǎng)狀況比對(duì)照組（未污染）有明顯提高，10%處達(dá)到最高，單株生物量為4.12 g，株高增加量為11.63 cm。隨著污染濃度的繼續(xù)增加，構(gòu)樹的生長(zhǎng)狀況逐漸變差，處理G5的生物量（1.84 g）以及增加量（1.9 cm）較對(duì)照組有明顯下降。這表明鎂粉塵施加量小于10%時(shí)促進(jìn)構(gòu)樹生長(zhǎng)，但當(dāng)鎂粉塵污染加劇后，構(gòu)樹的生長(zhǎng)將受到抑制。這可能與土壤鎂含量過高導(dǎo)致土壤鎂含量增大有一定的關(guān)系，其具體原因有待進(jìn)一步的研究。

2.1.2 礦粉施加量對(duì)構(gòu)樹鎂富集特征的影響。由圖2可知，隨著礦粉施加量的增加，植物中的鎂含量逐漸增加。植物根中鎂含量從0.32 g/kg增加到0.69 g/kg，莖中鎂含量從0.57 g/kg增加到0.97 g/kg，葉中鎂含量從1.56 g/kg增加到5.26 g/kg。植物根莖中鎂含量明顯低于葉片鎂含量。植物全鎂含量均高于對(duì)照組，最高達(dá)到1.32 g/kg，較對(duì)照組（0.55 g/kg）有明顯的增加。由此可知，構(gòu)樹對(duì)鎂具有一定的耐受能力。

2.1.3 礦粉施加量對(duì)構(gòu)樹生長(zhǎng)土壤性質(zhì)的影響。由表1可知，被鎂粉塵污染后的土壤理化性質(zhì)變化較大。與對(duì)照組相比，隨著投加鎂粉塵的增加，土壤pH明顯升高，從6.78升高到9.48；電導(dǎo)率變化顯著，增大到651.77 μS/cm后降低至375.73 μS/cm；速效磷含量較對(duì)照組均有所降低，最低降至16.9 mg/kg，降低幅度較大；土壤中的鎂含量逐漸增大，全鎂含量由1.403 g/kg升高至9.015 g/kg，水溶鎂從47.81 mg/kg升高至121.26 mg/kg。這些與其他學(xué)者的研究結(jié)果[16-17]相符，但遼寧海城菱鎂礦污染區(qū)尾礦地土壤pH達(dá)到10.3[1]，高于該研究成果。其原因可能為：該研究所采用的是盆栽試驗(yàn)，供試土壤為采自生態(tài)站的潔凈土，且研究周期較短，隨著周期的延長(zhǎng)，土壤的pH發(fā)生改變。土壤有機(jī)質(zhì)含量先降低后升高，最高達(dá)到3.48%，處理G3、G4、G5盡管有所降低（2.94%、2.92%、2.8%），但是其降低程度并不明顯，差異也并不顯著。這與方英等[18]研究結(jié)果一致，但與李軍等[19]研究發(fā)現(xiàn)的施加鎂粉塵的土壤有機(jī)質(zhì)有所降低的觀點(diǎn)并不相同，其具體原因有待進(jìn)一步研究。

2.2 構(gòu)樹對(duì)不同土質(zhì)的適應(yīng)性特征 由圖3可知，在礦石與土壤混合的土壤中，構(gòu)樹依舊可以生長(zhǎng)。隨著土壤中所含礦石量的增加，植物的含鎂量由1.16 g/kg增加至6.19 g/kg。當(dāng)?shù)V石與土壤混合比例為15%、25%、50%時(shí)，構(gòu)樹株高增加量（7.23 cm、12.7 cm、9.01 cm）明顯高于對(duì)照組（4.53 cm），生物量（4.43 g、6.12 g、4.07 g）較對(duì)照組（2.81 g）也有所增加，生長(zhǎng)狀況良好。即便在全部由礦石組成的土質(zhì)（處理W6）中，構(gòu)樹依然可以生長(zhǎng)，但長(zhǎng)勢(shì)明顯差于對(duì)照組。綜上所述，構(gòu)樹對(duì)生長(zhǎng)環(huán)境的要求不高，對(duì)鎂具有一定的耐受能力，對(duì)修復(fù)菱鎂礦區(qū)鎂污染土壤具有一定的潛力。

2.3 構(gòu)樹生物學(xué)特征與污染濃度的相關(guān)性 由表2可知，構(gòu)樹的各項(xiàng)指標(biāo)及土壤鎂含量與鎂粉塵污染濃度具有一定的三次函數(shù)相關(guān)關(guān)系。隨著鎂污染濃度的增加，構(gòu)樹的生物量、增長(zhǎng)量、鎂含量以及土壤鎂含量均發(fā)生變化。土壤、構(gòu)樹的含鎂量隨著鎂粉塵污染濃度的增加表現(xiàn)出逐漸升高的趨勢(shì)，而構(gòu)樹的單株生物量、增長(zhǎng)量隨鎂粉塵污染濃度的增加呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢(shì)。由于試驗(yàn)中最大鎂粉塵施加量為30%，沒有設(shè)置更高濃度的處理，所得相關(guān)方程在超過30%污染濃度下的準(zhǔn)確性有待進(jìn)一步研究。

3 結(jié)論與討論

鎂是植物生長(zhǎng)的必需元素，而土壤對(duì)植物而言是一個(gè)巨大的水分、養(yǎng)分庫，植物所需的鎂主要來自土壤，植物對(duì)鎂的吸收利用在很大程度上依賴于土壤中鎂的數(shù)量、供應(yīng)機(jī)制[19]。在菱鎂礦區(qū)，土壤長(zhǎng)期處于鎂粉塵污染之中，表層形成結(jié)皮，使得土壤中鎂含量急劇增加，改變土壤理化性質(zhì)，影響土壤酶活性和微生物活性[5-6，17，20]。鎂不僅會(huì)對(duì)土壤理化性質(zhì)造成影響，而且會(huì)對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育造成影響。劉綺等[21]研究表明，過量鎂會(huì)影響植物對(duì)其他離子的吸收，使得植物生長(zhǎng)受阻，品質(zhì)下降，產(chǎn)量降低；Kobayashi等[22]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水溶液中Mg濃度為30 mmol/L時(shí)，水稻和稗屬植物生長(zhǎng)量分別比對(duì)照組降低54%～67%和33%～42%；李亞洲等[23]研究表明，當(dāng)土壤可溶態(tài)鎂含量達(dá)到800 mg/kg時(shí)，大豆的株高、根長(zhǎng)、葉綠素含量開始下降；當(dāng)土壤可溶態(tài)鎂含量達(dá)到1 800 mg/kg 時(shí)，植株全部死亡。

研究表明，構(gòu)樹對(duì)鎂具有較高的耐受能力。在鎂含量4.17 g/kg的土壤上培養(yǎng)60 d，構(gòu)樹單株生物量為3.46 g，比對(duì)照組的生物量2.81 g有所增加； 構(gòu)樹對(duì)生長(zhǎng)環(huán)境的要求較小。當(dāng)?shù)V石與土壤混合比例達(dá)到25%時(shí)，生物量為6.12 g，株高增加量為12.7 cm，較對(duì)照組有明顯的增加；當(dāng)混合比例為50%時(shí)，構(gòu)樹生長(zhǎng)特征較對(duì)照組有一定的增加，生長(zhǎng)狀況良好；被鎂粉塵污染后的土壤理化性質(zhì)變化很大。與未施加鎂粉塵的土壤相比，施加鎂粉塵的土壤pH顯著升高，速效磷含量明顯減小，土壤鎂含量明顯增加。隨著鎂污染濃度的增加，土壤電導(dǎo)率與有機(jī)質(zhì)含量均呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢(shì)。

在菱鎂礦資源開發(fā)集中的地區(qū)開展土壤鎂污染的修復(fù)以及土地復(fù)墾，對(duì)于提高礦區(qū)環(huán)境質(zhì)量、恢復(fù)礦區(qū)生態(tài)健康有著重要的意義。構(gòu)樹不僅可以在較高濃度鎂污染土壤中正常發(fā)育，而且具有較好的水土保持、阻止土地沙化的功能和較強(qiáng)的凈化環(huán)境的能力，能夠大量吸滯粉塵，對(duì)二氧化硫、氮氧化物等有毒氣體有較強(qiáng)的吸收能力[24-25]。構(gòu)樹將在恢復(fù)菱鎂礦區(qū)的生態(tài)健康以及植被重建中發(fā)揮重要的作用。

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