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(dòng)，引發(fā)礦區(qū)環(huán)境各種污染問(wèn)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(zhǎng)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(guó)內(nèi)外學(xué)者主要從微觀和宏觀兩個(gè)方面研究砷對(duì)植物的影響。在微觀方面［1－4］，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要以蜈蚣草為主要實(shí)驗(yàn)材料，研究植物對(duì)砷的富集及抗性機(jī)理;在宏觀方面［5－8］，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要是基于植物對(duì)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(duì)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(gè)空白。本文擬以大柳塔礦區(qū)為例，基于盆栽試驗(yàn)，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(guò)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(rùn)，晝夜溫差懸殊，無(wú)霜期短，冰凍期長(zhǎng)的氣候特征。

1.2 土壤分析樣品及盆栽試驗(yàn)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(gè)網(wǎng)格進(jìn)行布點(diǎn)，每個(gè)采樣點(diǎn)以網(wǎng)格對(duì)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(shí)驗(yàn)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(cè)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(duì)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(yàn)的土壤基質(zhì)。

1.3 盆栽試驗(yàn)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(yàn)。

1.4 盆栽試驗(yàn)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(guò)2 mm篩后備用。

盆栽試驗(yàn)分為3組:一組對(duì)照試驗(yàn)，土壤基質(zhì)不加處理，記為O組試驗(yàn);兩組研究試驗(yàn)——一組測(cè)定土壤中砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低時(shí)對(duì)植物長(zhǎng)期累積作用的影響，記為A組試驗(yàn)(包含2個(gè)處理水平);一組測(cè)定土壤中砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高時(shí)對(duì)植物的影響，記為B組試驗(yàn)(包含3個(gè)處理水平)。

O組:每個(gè)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(duì)照。A組:每個(gè)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(gè)處理，共用8個(gè)盆。B組:每個(gè)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(gè)處理，共用12個(gè)盆。對(duì)每盆植物適時(shí)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(jiàn)表1。

表1 礦區(qū)土壤中As2O3施用量

1.5 管理及生長(zhǎng)觀察

栽植后保持一致的管理，并在加入試劑的30、74、152 d時(shí)觀測(cè)各盆植物的生長(zhǎng)高度、葉片大小與成色、地下根部的長(zhǎng)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(jí):抗性、中抗性、低抗性和敏感。能很好適應(yīng)土壤條件，生長(zhǎng)勢(shì)旺，根深且葉色較濃綠的植物為“抗性”級(jí);能適應(yīng)土壤條件，生長(zhǎng)勢(shì)頭一般，根較深且葉色淡黃的植物為“中抗性”級(jí);勉強(qiáng)能夠生存，生長(zhǎng)勢(shì)弱，根淺，葉色異常的植物為“低抗性”級(jí);種植后不能適應(yīng)土壤條件，在生長(zhǎng)季節(jié)相繼死亡的植物為“敏感”級(jí)。

1.6 樣品處理

依據(jù)時(shí)間段分別測(cè)量草樣株高。152 d后采集新鮮草樣，經(jīng)清洗后測(cè)其根長(zhǎng)。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(guò)60目篩待用。植物中砷的測(cè)定參考GB/T5009.11—1996，并采用分光光度法測(cè)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(jiàn)表2所示。根據(jù)土壤顆粒分級(jí)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(zhǎng)。

表2 礦區(qū)土壤理化性質(zhì)

2.2 試驗(yàn)植物在不同處理水平土壤中的生長(zhǎng)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(zhǎng)率最大，蔥的株高增長(zhǎng)率最小。這說(shuō)明在砷長(zhǎng)期累積影響下，荊條還能保持與背景水平植株的生長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，觀察其根、莖、葉的生長(zhǎng)狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)荊條在砷污染條件下屬“抗性”級(jí)植物。黃背草的株高增長(zhǎng)率隨土壤中砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大呈下降趨勢(shì)，而且根、莖、葉的狀態(tài)變化較小，生長(zhǎng)勢(shì)頭一般，屬“中抗性”級(jí)植物。白羊草和蔥的株高增長(zhǎng)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(zhǎng)狀態(tài)變化較大，異常趨勢(shì)明顯，屬“低抗性”級(jí)。

表3 試驗(yàn)植物在不同處理土壤中的生長(zhǎng)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(zhǎng)值

2.3 試驗(yàn)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(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)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(duì)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(zhǎng)優(yōu)勢(shì)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(yàn)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(duì)礦區(qū)周圍生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生潛在危害。試驗(yàn)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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