矿区土壤砷污染对植物生长影响盆栽试验1)

2013-08-08陈丙良刘志斌

东北林业大学学报 2013年3期

陈丙良刘志斌

(辽宁工程技术大学，阜新，123000)

随着矿产资源的开发，特别是一些不合理的开发利用活动，引发矿区环境各种污染问题，其中土壤重金属污染尤为突出。污染严重的矿区植物生长受损严重，特别是草本植物。砷是一种非金属元素，但它的毒性及其在环境中的迁移规律与重金属相似，已被划入有害金属之列。目前，国内外学者主要从微观和宏观两个方面研究砷对植物的影响。在微观方面［1－4］，国内外学者主要以蜈蚣草为主要实验材料，研究植物对砷的富集及抗性机理;在宏观方面［5－8］，国内外学者主要是基于植物对砷的富集及抗性机理，研究一些植物在砷污染中生态修复的作用;另外一些学者从生态学观点出发，分析了砷污染对植物生物多样性的影响［9］;但在建立矿区砷污染土壤防治体系方面还是一个空白。本文拟以大柳塔矿区为例，基于盆栽试验，寻找和发现适合矿区气候条件与土壤条件的砷耐性植物，为建立矿区砷污染土壤防治体系提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本研究选取陕西大柳塔矿区为研究区。

大柳塔矿区位于陕西省神木县北部和内蒙古与伊金霍洛旗南部的陕蒙接壤区，地理位置为东经110°5'～110°20'，北纬 39°27'～ 39°15'。研究区地处黄土高原与毛乌素沙地的过渡地带，主要为覆沙黄土丘陵区，海拔一般1 000～1 250 m。区域内地质条件复杂，在基岩上覆有黄土、老黄土、古土壤、古风沙、粘土互层、黑沙土、风积沙等，形成夹层现象。研究区属温带半干旱大陆性季风气候，受西伯利亚高寒气候和海洋暖气团的控制，形成冬季严寒干燥，春季风沙频繁，夏季高温炎热，秋季凉爽湿润，昼夜温差悬殊，无霜期短，冰冻期长的气候特征。

1.2 土壤分析样品及盆栽试验土壤基质的采集

研究区土壤样品采集采用网格布点法，按每4 km2一个网格进行布点，每个采样点以网格对角线交点为中心，在周围50 m范围内采集0～20 cm土层的土壤3处。将土壤样品带回实验室后，一部分运用常规分析方法［10］进行土壤基本理化性质分析，分别测定土壤颗粒组成、密度、总孔隙度、自然含水量、pH值、氮、磷、钾、砷等元素的含量，对土壤样品逐一分析，取其平均值作为最终分析结果;剩余土壤样品混匀后用于盆栽试验的土壤基质。

1.3 盆栽试验植物

研究区为风沙草滩区，植物以灌草类居多。依据当地的气候和土壤条件，遵循自然规律，从矿区草本植物中筛选荆条(Vitex negundo var.heterophylla)、白羊草(Bothriochloa ischaemum(L.)Keng)、黄背草 (Themeda triandra Forsk. var. Japonica(Willd.)Makino)、葱(Allium fistulosum)4 种植物进行盆栽试验。

1.4 盆栽试验土壤基质处理

供试作物采用上述4种植物幼苗。底肥为m(氮)∶m(磷)∶m(钾)=16∶16∶16的复合肥。容器采用直径30 cm、高50 cm塑料盆。供试试剂品为As2O3，配置溶液浓度为100 mg/L。将供试土壤均匀摊开，去除其中的树叶和石头等杂质，风干24 h，最后过2 mm筛后备用。

盆栽试验分为3组:一组对照试验，土壤基质不加处理，记为O组试验;两组研究试验——一组测定土壤中砷质量分数较低时对植物长期累积作用的影响，记为A组试验(包含2个处理水平);一组测定土壤中砷质量分数较高时对植物的影响，记为B组试验(包含3个处理水平)。

O组:每个塑料盆装入10 kg矿区土壤，并栽入12～15株同一种植物幼苗。每种植物种植一盆，作为对照。A组:每个塑料盆装入10 kg矿区土壤，并栽入12～15株同一种植物幼苗。种植4种植物，每种植物2个处理，共用8个盆。B组:每个塑料盆装入10 kg矿区土壤，并栽入12～15株同一种植物幼苗，种植4种植物，每种植物3个处理，共用12个盆。对每盆植物适时施肥和浇水，待每盆植物成活后进行间苗，每盆保留5株苗木，然后用移液枪将不同量As2O3溶液按处理水平依次均匀地注入盆栽土壤表层1～2 cm处。As2O3质量分数及加入量见表1。

表1 矿区土壤中As2O3施用量

1.5 管理及生长观察

栽植后保持一致的管理，并在加入试剂的30、74、152 d时观测各盆植物的生长高度、叶片大小与成色、地下根部的长度。

根据成活率、株高、根深及叶色，将在砷影响下的植物分为4级:抗性、中抗性、低抗性和敏感。能很好适应土壤条件，生长势旺，根深且叶色较浓绿的植物为“抗性”级;能适应土壤条件，生长势头一般，根较深且叶色淡黄的植物为“中抗性”级;勉强能够生存，生长势弱，根浅，叶色异常的植物为“低抗性”级;种植后不能适应土壤条件，在生长季节相继死亡的植物为“敏感”级。

1.6 样品处理

依据时间段分别测量草样株高。152 d后采集新鲜草样，经清洗后测其根长。鲜样在105℃杀青20 min后，再在70℃下烘干12 h，质量恒定后称量、粉碎过60目筛待用。植物中砷的测定参考GB/T5009.11—1996，并采用分光光度法测定植物体中砷的质量分数。

2 结果与分析

2.1 矿区土壤理化性质

土壤理化性质见表2所示。根据土壤颗粒分级标准［11］，由表2 可知，矿区土壤石砾(3 ～1 mm)、物理性砂粒(1 ～0.01 mm)、物理性粘粒(＜0.01 mm)的颗粒百分比分别为0、94.04%和5.96%，土壤质地主要为细砂土类，土壤通气透水性能良好，但保水能力较差。矿区土壤的pH值平均为8.56，土壤偏碱性，适合于多数灌草植物的生长。

表2 矿区土壤理化性质

2.2 试验植物在不同处理水平土壤中的生长状况

从表3中可以看出，经A组水平处理，荆条的株高增长率最大，葱的株高增长率最小。这说明在砷长期累积影响下，荆条还能保持与背景水平植株的生长态势，观察其根、茎、叶的生长状态，发现荆条在砷污染条件下属“抗性”级植物。黄背草的株高增长率随土壤中砷质量分数的增大呈下降趋势，而且根、茎、叶的状态变化较小，生长势头一般，属“中抗性”级植物。白羊草和葱的株高增长率随土壤中砷质量分数的增大均大幅降低，而且根、茎、叶的生长状态变化较大，异常趋势明显，属“低抗性”级。

表3 试验植物在不同处理土壤中的生长状况

表4 不同处理土壤中的植物全株砷质量分数和根长值

2.3 试验植物在不同处理水平土壤中的富集系数

植物富集系数［12］(Plant Accumulation Coefficient，PA，C)反映植物对某种元素的富集能力，是某种元素在植物体地上部分中的含量与该植物所生长土壤中该元素含量的比值。

从图1可以看出，白羊草和葱中砷的富集系数均随其质量分数的增加而降低;在砷质量分数高的污染土壤中生长的荆条和黄背草，其富集系数较质量分数低的砷污染土壤的富集系数有所增高。就植物对As的富集能力而言，荆条、白羊草、黄背草、葱这4类植物中均未达到As超富集的条件(PA，C＞1)，但仍表现出良好的生长优势与耐受能力，因此，可以作为矿区的适生植物，用以防风固沙。