位蓓蕾 陈玉玖 胡振琪 林 杉 杨 洁 李 耀

(1.中国矿业大学(北京)土地复垦与生态重建研究所;2.矿山生态安全教育部工程研究中心;3.神华宝日希勒能源有限公司)

我国大型露天煤矿多处于干旱、半干旱的生态脆弱区，露天开采方式会损毁当地的表土层与植被，长期开采不仅会损毁大量土地资源，还会严重破坏当地的生态环境。因此露天矿区土地复垦与生态重建是当地一项十分紧迫的任务［1］。选择适宜的复垦用土是完成该任务的关键。当露天矿区表土层极薄，不能满足储存再利用时，从上覆岩层的剥离物中选择适宜的表土替代材料进行科学的改良，是完成矿区土地复垦与生态恢复经济合理的模式［2-5］。本试验以某露天煤矿上覆岩层的褐土层为改良对象，以紫花苜蓿的生长性能和抗逆性能为评价指标研究蛭石对褐土的改良效果，并筛选适宜的蛭石添加量。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本试验供试土壤为某矿区提供的褐土，属于重黏土，改良剂为蛭石(由灵寿县川石矿产加工厂提供)，褐土和蛭石的化学特性见表1。盆栽植物为中国农业大学提供的紫花苜蓿。

表1 土壤及改良剂理化性质

1.2 试验设计与盆栽试验方法

本试验采用单因素随机试验设计，以当地的表土作为对照组(DZ处理)，褐土作为改良对象，蛭石对干土的添加量设置为0、10、30、50 g/kg 4个水平(分别称作V0、V10、V30、V50处理)，每个水平设置3个重复。

褐土经风干、过2 mm筛后，与蛭石按添加比例混合均匀置于直径为15 cm的塑料盆中，加去离子水造墒，平衡2周后播种。苜蓿种子用去离子水在表面皿催芽24 h后，均匀地播于上述塑料盆中，每盆20粒，4周后测定紫花苜蓿的生理及生长指标。

1.3 测定指标与方法

将作物根部冲洗干净后，用吸水纸吸干根系表面水分，用直尺测得其主根长;生物量采用刈割称质量法测定其鲜质量，再用去离子水洗净，在105℃下杀青15 min，在70℃下烘48 h，称干质量;叶面积采用LI－3000型叶面积仪测定;作物株高的测定在每个处理中随机选取3株紫花苜蓿，测量其自然高度，取平均值记为该处理的平均株高［6］;叶绿素含量的测定采用SPAD－502型叶绿素仪测定;叶片超氧化物歧化酶(SOD)活性采用氮蓝四唑染色法测定;叶片过氧化物酶(POD)活性采用愈创木酚染色法测定;叶片过氧化氢酶(CAT)活性采用紫外吸收法测定［7-8］;可溶性蛋白含量用考马斯亮蓝法测定;细胞膜透性采用电导法测定［9］。

1.4 计算公式

1.4.1 叶片超氧化物歧化酶活性ASOD

式中，A0为照光对照管的吸光度值;AS为样品管的吸光度值;VT为样液总体积，mL;V1为测定时样品用量，mL;FW为样品鲜质量，g。

1.4.2 叶片过氧化物酶活性APOD式中，ΔOD240为平均每分钟的消光度变化值;n为酶液稀释倍数;其他同上。

1.4.3 叶片过氧化氢酶活性ACAT

1.4.4 细胞膜透性

细胞膜透性用叶片的相对电导率L表示，

式中，S1为初电导，S2为终电导，S0为去离子水空白电导。

1.4.5 可溶性蛋白

可溶性蛋白含量(C')

式中，C为标准曲线所得蛋白含量，mg;其他同上。

1.5 统计分析

利用Excel 2010和SPSS17.0统计软件对试验数据进行统计分析。利用Origin Pro 8.5软件绘制图表。

2 结果与分析

2.1 蛭石对紫花苜蓿生长性能的影响

作物的叶面积、叶绿素、株高、根长、生物量是表示作物生长量的基本指标，也是作物生理研究和作物生产中经常需要测定的基本项目［9］。

2.1.1 对叶面积、叶绿素的影响

叶面积直接影响到作物进行光合作用的面积，进而影响作物的生物量［9］。由图1可知，DZ组与添加蛭石的处理，对紫花苜蓿叶面积存在差异显著(P＜0.05)，其中DZ处理中紫花苜蓿的叶面积是V0处理的2.24倍，说明当地表土与表土替代材料相比，对紫花苜蓿叶面积影响效果差异明显，表土替代材料需进行适当改良。随着蛭石量的增加，紫花苜蓿在苗期的叶面积显著增大，当褐土中蛭石对干土添加量达到50 g/kg时，叶面积达到194.58 mm2，显著高于对照组。究其原因在于植株叶面积的大小取决于土壤养分含量(有效氮、有效磷等)与养分运输到叶片的效率。蛭石本身含有一定养分(见表1)且具有疏松土壤、涵养水分的作用，因此随着蛭石添加量的增加，紫花苜蓿叶面积增大，这与钟继洪等人［10］的研究结果一致。

图1 不同添加量蛭石对紫花苜蓿叶面积及叶绿素的影响

叶绿素是光合作用中将光能变为化学能的关键物质，本试验结果为各处理组叶绿素的含量在35.6～33.03 SPAD，各处理组间无显著性差异(P＞0.05)说明蛭石对于紫花苜蓿叶绿素含量影响不大。这与李敬蕊等［11］对茄子幼苗叶色指数的影响不存在显著差异的研究结果相一致。

2.1.2 对株高、根长的影响

由图2可知，DZ组与V0处理相比，对紫花苜蓿株高存在差异显著(P＜0.05)，其中DZ处理中紫花苜蓿的株高是V0处理的1.66倍。随着改良剂蛭石的加入，紫花苜蓿的株高明显增加，且蛭石的添加量与植株的株高之间呈二次曲线增长，当蛭石对土的添加量为10 g/kg时，株高达118.73 mm，优于当地表土，而V30处理明显低于V10和V50处理，同时V10处理与V50处理间不存在显著差异(P＞0.05)，可见当蛭石对干土添加量为10 g/kg时可以达到提高紫花苜蓿株高的目的。

对于植株根长，当地表土与添加蛭石的处理间存在显著差异(P＜0.05)，且DZ处理中植株的根长是未改良处理V0组的1.59倍。当表土替代材料中添加蛭石后，植株的根长明显增加，当其对干土添加量为10 g/kg时植株根长达72.37 mm，显著高于当地表土。

图2 不同添加量蛭石对紫花苜蓿根长及株高的影响

2.1.3 对生物量的影响

植株的生物量主要包括鲜质量和干质量两部分，由图3可知，DZ组与V0处理相比，对紫花苜蓿生物量的影响存在差异显著(P＜0.05)，其中DZ处理中紫花苜蓿的鲜质量、干质量分别是V0处理的3.41、2.54倍。当蛭石作为改良剂添加到表土替代材料中时，对紫花苜蓿生物量具有显著影响(P＜0.05)，其中当蛭石添对干土加量为10 g/kg时，紫花苜蓿的生物量显著高于对照组和其他处理组，以此说明当蛭石对干土添加量为10 g/kg时，有利于紫花苜蓿的生长，这与蛭石对紫花苜蓿的株高和根长的影响是一致的。

图3 不同添加量蛭石对紫花苜蓿鲜质量、干质量的影响

2.2 对抗逆性能的影响

本试验中研究区位于气候恶劣的半干旱地区，研究改良剂对于作物抗逆性能的影响十分必要。本试验测定了超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)和过氧化物酶(POD)酶的活性及可溶性蛋白和细胞膜透性等指标，研究蛭石对作物抗逆性能的影响。

2.2.1 蛭石对SOD活性的影响

在植物酶保护系统中，SOD处于核心地位，SOD酶主要清除植物体内的氧自由基，增强膜的稳定性［9］。由图4可知，DZ处理时叶片ASOD是V0处理的5.44倍，显著的高于V0处理(P＜0.05)，当蛭石添加量为10 g/kg时，ASOD为104.37 unit/g，与DZ处理相比无显著差异(P＞0.05)，而添加量为30 g/kg和50 g/kg处理与V0相比，有增高的趋势，但差异不显著(P＞0.05)。表明褐土中蛭石添加量为1 0 g/kg可有效地提高紫花苜蓿ASOD。其原因在于SOD属于金属酶类，主要以Fe－SOD，Mn－SOD和Cu/Zn－SOD的形式存在，蛭石中K、Mg、Ca、Fe等常量元素与Mn、Cu、Zn等微量元素含量较高［12-13］，即使较低的添加量就能达到提高紫花苜蓿的ASOD的效果，SOD活性增大提高了植株对冻害、干旱等逆境的耐受性［14-15］。

图4 不同添加量蛭石对紫花苜蓿A SOD、A POD、A CAT的影响

2.2.2 对POD、CAT活性的影响

POD和CAT的主要作用都是清除作物体内的H2O2

［16］。由图4可知，DZ处理中叶片的APOD显著高于V0处理，当蛭石添加量为10 g/kg时，紫花苜蓿叶片APOD为419.67 unit/g与表土处理(414.56 unit/g)之间无显著差异(P＞0.05)，表明褐土中蛭石添加量为10 g/kg可以有效地提高紫花苜蓿叶片APOD。

由图4可知，DZ处理紫花苜蓿ACAT是V0处理的3.77倍，当蛭石对干土添加量为10 g/kg时，与添加量为50 g/kg处理组之间无显著差异(P＞0.05)，显著高于对照组和蛭石添加量为0和30 g/kg的处理组(P＜0.05)，表明褐土中蛭石添加量为10 g/kg即可达到提高紫花苜蓿叶片ACAT的效果。蛭石添加量为10 g/kg时对褐土改良的效果明显，这与蛭石中富含Fe等微量元素有关，Fe元素2个价态之间的转换构成了活细胞内最重要的氧化还原系统，其中Fe3+对过氧化氢酶既有激活作用，又有抑制作用，这种作用与Fe3+的浓度有关，如Fe3+的浓度较低时，CAT活性升高，浓度增大时，CAT活性下降，当蛭石添加量为10 g/kg时较为适宜，CAT活性达其峰值，可以有效地提高植株的抗逆性［17-18］。

2.2.3 对可溶性蛋白、细胞膜透性的影响

植物体内的可溶性蛋白质大多数是参与各种代谢的酶类，其含量是了解植物体总代谢的一个重要指标［6］。本次试验中叶片对照组紫花苜蓿叶片可溶性蛋白浓度为70.12 mg/g，显著高于其他各处理组(P＜0.05);但试验组中各处理组间紫花苜蓿叶片可溶性蛋白浓度无显著差异(P＞0.05)，说明蛭石对紫花苜蓿叶片可溶性蛋白浓度的影响不大，土质才是影响紫花苜蓿叶片可溶性蛋白含量的主要原因。

植物叶片的相对电导率越大，说明细胞膜的选择透过性受损越大［6］。由表2可知褐土中蛭石的添加量为50 g/kg，叶片的相对电导率为0.21，显著低于其他处理(P＜0.05)，表明蛭石添加量为50 g/kg时，叶片细胞膜选择透过性受损最小，同时细胞膜透性随着蛭石添加量的增加而降低(表2)，其原因在于蛭石具有良好的蓄水和阳离子交换性，能有效地降低土壤中的盐分，进而达到较好的改良效果［19］。

表2 不同处理对可溶性蛋白及细胞膜透性影响

3 结论

(1)蛭石作为改良剂，对紫花苜蓿的叶面积、株高、根长、生物量、SOD活性、POD活性、CAT活性、细胞膜透性等品质的提高均有显著效果，但其添加量与作用结果不存在线性相关关系，对紫花苜蓿叶片叶绿素含量和可溶性蛋白浓度无显著影响。

(2)褐土中蛭石对干土添加量为10 g/kg时最有利于紫花苜蓿生长和抗逆性能的发挥，此添加量对褐土具有较好的改良效果。

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