張永蘭 ，王友保

（1. 安徽師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 / 生物環(huán)境與生態(tài)安全安徽省高校重點(diǎn)實驗室，安徽 蕪湖 241000；2. 池州職業(yè)技術(shù)學(xué)院園林系，安徽 池州 247000）

土壤重金屬污染是目前環(huán)境中十分嚴(yán)峻的問題。重金屬尾礦廢棄地作為一類特殊的重金屬污染土壤，有相當(dāng)一部分位于山谷、河谷等相對低凹的地帶，改良修復(fù)為耕地在當(dāng)前不是最為迫切的要求，將這部分土壤裸露而不穩(wěn)定的尾礦基質(zhì)進(jìn)行改良，通過實現(xiàn)植被覆蓋，達(dá)到減少該類型廢棄地對周圍環(huán)境的危害是當(dāng)前急需解決的課題[1-3]。Cu作為重金屬污染土壤的主要污染源之一，國內(nèi)外許多學(xué)者對其污染現(xiàn)狀，包括其含量、分布以及對銅礦區(qū)植被的影響進(jìn)行了大量的研究[4-6]。對Cu污染土壤植物修復(fù)的關(guān)鍵在于基質(zhì)的改良與物種的選擇，尤其是耐性植物和超積累植物的應(yīng)用。而在生態(tài)系統(tǒng)中，草坪草在減低環(huán)境污染與生態(tài)保護(hù)方面發(fā)揮著極其重要的作用。選用具有一定重金屬耐性的草坪草進(jìn)行重金屬污染土壤的植物修復(fù)，對于污染土壤的再利用和避免污染物通過食物鏈傳遞影響人類健康具有十分重要的理論意義和實用價值[7-8]。多年生黑麥草(Lolium perenne)作為一種重要的冷季型草坪草，因其具有分蘗能力強(qiáng)、成坪速度快等特點(diǎn)而常被作為建坪的先鋒草種，在我國過渡地帶及其以北廣大溫帶地區(qū)是建坪的重要材料，在長江以南也有相當(dāng)?shù)膽?yīng)用面積[8-9]。此外，已有研究表明，多年生黑麥草具有一定的抗逆境脅迫的能力，在一定濃度的重金屬污染土壤中可以正常生長，對重金屬污染土壤的修復(fù)具有良好的應(yīng)用前景[10-11]。陳鳴暉等[12]研究發(fā)現(xiàn)，多年生黑麥草在不同濃度Cu污染土壤中種植后有明顯的富集效應(yīng)，證明在Cu污染土壤的修復(fù)治理中可優(yōu)先考慮。

本研究以多年生黑麥草為研究對象，探討其對不同處理銅尾礦基質(zhì)的修復(fù)效果，以期為銅陵銅尾礦庫區(qū)的植物修復(fù)積累材料。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

試驗所用銅尾礦砂取自安徽省銅陵市獅子山銅尾礦庫區(qū)；多年生黑麥草作為供試草坪草購自安徽省合肥市農(nóng)畜推廣總站草業(yè)中心。土壤取自近郊農(nóng)田，土壤中有機(jī)物、全氮、全磷、全鉀、全銅含量分別為 25.45、1.57、0.92、8.04、30.50 g·kg-1，pH 為 5.99，電導(dǎo)率為 105.00 μs·cm-1。

1.2 試驗設(shè)計

在銅尾礦砂中，按不同比例(質(zhì)量比)添加正常土壤，設(shè)計5個處理水平，即Ⅰ(100%土壤)為同組對照(CK)，Ⅱ(75%土壤 + 25%尾礦)，Ⅲ(50%土壤 +50%尾礦)，Ⅳ(25% 土壤 + 75%尾礦)，Ⅴ(100%尾礦)。土壤基質(zhì)處理好后裝入花盆(直徑約為12.5 cm)中，每盆裝500 g，播種100粒多年生黑麥草種子，設(shè)3個重復(fù)。另設(shè)不種植黑麥草的為空白組。種子出苗后1個月進(jìn)行多年生黑麥草生物量測定和外傷癥狀分析、不同比例處理下銅尾礦土壤理化性、土壤酶活性、土壤中銅的總量和有效態(tài)、多年生黑麥草體內(nèi)含銅量分析試驗。

1.3 試驗方法

1.3.1 多年生黑麥草外傷癥狀的判斷及植物生長量的測定

用目測法估計[13]，可將多年生黑麥草的外傷癥狀分為4級：1)正常生長，目測不到傷害癥狀；2)輕度傷害，植株葉片輕微失綠；3)中度傷害，生長遲緩，葉片不同程度失綠，葉尖、葉緣黃化；4)重度傷害，植株萎蔫，葉片發(fā)黃變枯。

植物生長量的測定：測定多年生黑麥草地上部分鮮重、地下部分鮮重、地上部分干重、地下部分干重、株高、根長[13]。

1.3.2 土壤理化性質(zhì)與土壤Cu含量的測定

按土壤農(nóng)化常規(guī)分析方法測定土壤pH、電導(dǎo)率、土壤有機(jī)質(zhì)含量及土壤氮、磷、鉀含量，以及土壤銅全量和有效態(tài)[14]。

1.3.3 土壤中過氧化氫酶、蔗糖酶、脲酶、酸性磷酸酶活性的測定

過氧化氫酶用滴定過氧化氫消耗的0.1 mol·L-1KMnO4的體積(mL)表示；蔗糖酶用滴定法測定，以 37 ℃ 下培養(yǎng) 24 h 后，每克土所消耗的 0.1 mol·L-1Na2S2O3的體積(mL)表示；脲酶用比色法測定，以37 ℃下培養(yǎng)24 h后每克土中NH3-N的質(zhì)量(mg)表示；酸性磷酸酶用比色法測定，以37 ℃下培養(yǎng)12 h后每克土所消耗酚的質(zhì)量(mg)表示[13]。

1.3.4 植物體內(nèi)Cu含量的測定

取植物的根和地上兩部分，分別用蒸餾水洗滌3次后用濾紙吸干。經(jīng)105 ℃殺青0.5 h后于70 ℃烘干至恒重，磨碎，用濃HNO3∶濃H2SO4∶HClO4(V∶V∶V = 8∶1∶1)聯(lián)合消化后，采用原子吸收分光光度法測定Cu含量，以mg·kg-1表示測定結(jié)果。

1.4 數(shù)據(jù)處理方法

富集系數(shù) = 生物體內(nèi)污染物的濃度/生存環(huán)境中該污染物的濃度[15]；

轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù) = 地上部分的金屬含量/根中的金屬含量[10, 16]。

利用SPSS統(tǒng)計分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、方差分析與 T檢驗及差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 多年生黑麥草在不同比例的尾礦土壤中外傷癥狀及生物量分析

尾礦對多年生黑麥草的外部傷害癥狀與土壤基質(zhì)中尾礦比例有關(guān)(表1)。在萌發(fā)初期，處理水平Ⅰ和Ⅱ的幼苗生長正常，而尾礦砂比例高的土壤基質(zhì)上生長的植株開始表現(xiàn)出外傷癥狀。隨著時間的進(jìn)一步延長，處理水平Ⅰ和Ⅱ無明顯變化；處理水平Ⅲ的植株葉尖輕微失綠，表現(xiàn)出輕度傷害，處理水平Ⅳ和Ⅴ的植株生長遲緩，葉片不同程度失綠，葉尖、葉緣黃化。但是，試驗組中所有處理水平下的植株并沒有出現(xiàn)重度傷害。

表1 添加不同比例的尾礦土壤對多年生黑麥草生長的影響Table 1 Effects of different levels of the copper tailings on the growth of L. perenne

不同比例的尾礦基質(zhì)對多年生黑麥草的生長影響明顯(表1)。從處理水平Ⅰ到處理水平Ⅴ，多年生黑麥草的各項生長指標(biāo)隨著尾礦砂比例的增加均出現(xiàn)了下降趨勢。處理水平Ⅱ時，多年生黑麥草的地上和地下部分鮮重、地上和地下部分干重、株高及平均根長比處理水平Ⅰ均略微升高，但處理水平Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ的各項生長指標(biāo)基本上顯著下降(P＜0.05)。當(dāng)達(dá)到處理水平Ⅴ時，多年生黑麥草的地上和地下部分鮮重、地上和地下部分干重、株高、平均根長與處理水平Ⅰ的相比，分別降低了56.7%、77.2%、54.0%、77.6%、39.5%、44.6%。其中，不同比例的尾礦土壤對多年生黑麥草地下部分生長的影響明顯大于地上部分。尤其是達(dá)到處理水平Ⅲ及以后，隨著尾礦比例的增加，多年生黑麥草的根冠比顯著降低(r = -0.989)，這可能與多年生黑麥草的地下部分能和污染物Cu直接接觸有關(guān)。

2.2 多年生黑麥草生長對不同比例的尾礦土壤基本理化性質(zhì)的影響

從處理水平Ⅰ到處理水平Ⅴ，隨著尾礦砂比例的升高，未種植黑麥草組的pH和電導(dǎo)率逐漸上升，相較于同組對照，分別平均上升了31.1%和100%(表2)。在土壤營養(yǎng)成分方面，有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀含量隨尾礦砂比例的升高而逐漸下降，分別較同組對照平均下降了93.9%、85.4%、55.4%和68.5%。這主要是由于尾礦砂較為貧瘠，其營養(yǎng)成分處于一個極低的處理水平，當(dāng)尾礦砂與正常土壤按照不同比例混合，土壤基本性質(zhì)發(fā)生變化，其中尾礦砂的比例越高，土壤就越貧瘠。植多年生黑麥草組，這反映了種植1個月后的多年生黑麥草的土壤基質(zhì)趨向于中性。土壤電導(dǎo)率從處理水平Ⅰ到處理水平Ⅴ，隨著尾礦砂比例的升高而上升，這種變化趨勢與未種植組的一致(表2)，種植組土壤電導(dǎo)率與未種植組的平均低36.9%，且存在極顯著差異(P＜0.01)(表3)。在土壤營養(yǎng)成分方面，種植組的變化趨勢與未種植組的表現(xiàn)一致，即從處理水平Ⅰ到處理水平Ⅴ，有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷和全鉀含量均隨尾礦砂比例的升高逐漸下降。同一處理水平，相較于未種植組，種植組土壤基質(zhì)的養(yǎng)分含量均出現(xiàn)了不同程度的增加(表2)，從處理水平Ⅰ到處理水平Ⅴ種植組有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀含量平均增加了55.5%、44.1%、30.0%和24.9%，最高增加達(dá)158%、44.4%、63.4%和32.0%。這可能是由于多年生黑麥草根系的吸收作用，根系分泌物作用以及土壤微生物活動等的影響，使得多年生黑麥草根際土壤在化學(xué)組成上發(fā)生了顯著變化，導(dǎo)致養(yǎng)分含量均出現(xiàn)了不同程度的增加，土壤基質(zhì)得到一定程度的改良。

表2 多年生黑麥草生長對不同比例尾礦土壤的基本理化性質(zhì)的影響Table 2 Effect of L. perenne growth on physical and chemical properties of copper tailings with different proportions

表3 種植黑麥草組與未種植黑麥草組土壤基本理化性質(zhì)差別的T檢驗(n=15)Table 3 t-test for the difference in some physical and chemical properties between the planted groups and control groups

2.3 多年生黑麥草生長對不同比例的尾礦土壤酶活性的影響

未種植組中蔗糖酶、脲酶、磷酸酶、過氧化氫酶的活性，從處理水平Ⅰ至Ⅴ，隨著尾礦砂比例的增加而逐漸降低(表4)。處理水平Ⅱ至Ⅴ中4種土壤酶活性分別比處理水平Ⅰ下降了31.9%、58.7%、42.9%和13.1%，所以土壤酶活性對銅尾礦處理的敏感程度為脲酶 ＞ 磷酸酶 ＞ 蔗糖酶 ＞ 過氧化氫酶。

表4 多年生黑麥草生長對不同比例尾礦土壤酶活性的影響Table 4 Effect of L. perenne growth on soil enzymatic activities of copper tailings with different proportions

與未種植黑麥草組相似，種植組中土壤酶活性與土壤中尾礦砂的比例呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(P ＜0.05)(表5)，從處理水平Ⅱ后，土壤酶活性迅速下降(表4)。種植組中4種土壤酶活性相對于同組對照無銅尾礦砂的處理水平Ⅰ分別平均下降了22.2%、56.3%、37.1%和11.0%。種植了多年生黑麥草的土壤，各土壤酶對尾礦砂處理的敏感順序均為脲酶 ＞磷酸酶 ＞ 蔗糖酶 ＞ 過氧化氫酶，脲酶最為敏感，與未種植組一致。因此，在評價土壤污染監(jiān)測和植物修復(fù)污染土壤效果時，可以將脲酶作為一個優(yōu)先指標(biāo)。

在種植1個月多年生黑麥草后，與未種植組相比，土壤Cu污染對土壤酶活性的抑制作用被有效降低，各處理水平的土壤酶活性均顯著增加(表4)，蔗糖酶、脲酶、磷酸酶和過氧化氫酶活性比未種植組分別平均顯著增加了24.8%、20.5%、11.4%和 14.2%(P＜0.05)(表 5)。土壤酶活性的增加，反映出種植了多年生黑麥草的土壤基質(zhì)得到了一定的改良，土壤條件得到了改善。

表5 種植黑麥草組與未種植黑麥草組土壤酶活性差別的T檢驗(n=15)Table 5 T-test to the difference of soil enzymatic activities between the planted groups and control groups

2.4 多年生黑麥草生長對不同比例的尾礦土壤Cu含量的影響

種植多年生黑麥草與未種植組的土壤Cu總量和有效態(tài)含量均隨著尾礦砂比例的升高而增加(表6)。但種植組處理水平Ⅰ到處理水平Ⅴ，Cu的總量相較于未種植組的均出現(xiàn)了不同程度地下降，在處理水平Ⅰ和處理水平Ⅱ時，降幅較大，分別達(dá)到23.2%和17.4%，而在處理水平Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ，降幅在4.4%～10%，平均降幅為12.2%，種植組和未種植組間存在顯著差異 (T = 2.845，P＜0.05)。雖然Cu總量在多年生黑麥草根際土壤中有相對減少的趨勢，但種植多年生黑麥草的種植組土壤Cu的有效態(tài)含量不僅沒有減少，反而比未種植組有所增加，平均增幅為13.1%，在處理水平Ⅲ時增加最大，達(dá)到 34.3%，存在顯著差異 (T = -2.891，P＜0.05)。這說明多年生黑麥草對Cu的吸收主要來源于Cu的其他形態(tài)的轉(zhuǎn)化，而其生長及對Cu的吸收促進(jìn)了土壤Cu形態(tài)的轉(zhuǎn)化。

表6 多年生黑麥草生長對不同比例尾礦的土壤Cu總量及有效態(tài)含量的影響Table 6 Effect of L. perenne growth on total concentration and available state of Cu of copper tailings with different proportions

2.5 多年生黑麥草體內(nèi)Cu的含量與分布

從處理水平Ⅰ到Ⅴ，隨土壤尾礦砂比例升高，多年生黑麥草地上部分和根的Cu的積累呈上升趨勢，在處理水平Ⅴ時，多年生黑麥草地上部分和根的Cu含量分別是無銅尾礦砂處理水平Ⅰ的6.1和10.5倍(表7)。而在Ⅰ至Ⅴ處理水平中，Cu在多年生黑麥草體內(nèi)的含量均為根 ＞ 地上部分，且隨土壤尾礦砂比例升高，根中Cu含量增加的幅度也明顯大于地上部分的，特別是在達(dá)到處理水平Ⅱ后，這種差距急劇加大。轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)從處理水平Ⅰ的0.35迅速下降到處理水平Ⅱ的0.23，但處理水平Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)差別不大，都在0.21左右，說明多年生黑麥草體內(nèi)Cu的含量盡管地上部分小于根部，但多年生黑麥草體內(nèi)的Cu向地上部分的遷移總量較大。在Ⅰ至Ⅴ處理水平中，多年生黑麥草根的富集系數(shù)也均大于地上部分的富集系數(shù)，說明根的富集能力要高于地上部分，這與Cu在多年生黑麥草體內(nèi)的分布表現(xiàn)一致，且這也與隨尾礦砂比例的增加對多年生黑麥草地下部分生長的影響顯著大于地上部分表現(xiàn)一致(表1)。由此可說明，多年生黑麥草的地下部分對Cu2+產(chǎn)生滯留作用，從而阻礙Cu2+向地上部分運(yùn)輸，進(jìn)一步降低了Cu對其地上部分的傷害，這可能是多年生黑麥草具有一定抗Cu能力的原因之一。

表7 種植在不同比例尾礦基質(zhì)上的多年生黑麥草體內(nèi)Cu含量與分布Table 7 Cu concentration and distributing in L. perenne grown on copper tailings with different proportions

3 討論

多年生黑麥草在比例較低的銅尾礦砂土壤中，地上和地下部分鮮重、地上和地下部分干重、株高及根長都有增加，隨著銅尾礦砂在土壤中比例的增高，多年生黑麥草仍能生長，傷害程度不大。多年生黑麥草能夠降低土壤電導(dǎo)率，增加土壤的有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷和全鉀含量，土壤性質(zhì)有所改善，說明多年生黑麥草在保持土壤性質(zhì)和肥力方面有很好的作用。

土壤酶的活性與土壤肥力、植物營養(yǎng)利用效率顯著相關(guān)，可以用來衡量土壤生物活性和土壤生產(chǎn)力[17-18]。種植多年生黑麥草顯著增加了土壤酶活性，其中對脲酶的影響最大。這主要是由于多年生黑麥草在生長過程中向土壤中分泌各種有機(jī)物、無機(jī)物和生長激素，同時促進(jìn)微生物等的生長發(fā)育，使得土壤中酶的含量增加。有研究表明尾礦土壤的植物修復(fù)中狗牙根(Cynodon dactylon)和雙穗雀稗(Paspalum distichum)根際脲酶活性分別是空白組的1.78倍和0.93倍[19]，本研究多年生黑麥草修復(fù)銅尾礦(處理水平V)的土壤基質(zhì)中脲酶活性是空白組的2倍。

多年生黑麥草生長能較好地降低土壤Cu含量。一方面通過多年生黑麥草對Cu的吸收作用；另一方面，多年生黑麥草的生長、根系分泌物作用可使土壤Cu活化，加速了結(jié)合態(tài)的Cu有效態(tài)轉(zhuǎn)化，使得土壤有效態(tài)Cu的含量有所增加，可以增加土壤Cu的遷移能力。這種活化與吸收過程共同降低了土壤Cu的含量，推動了Cu污染土壤的修復(fù)進(jìn)程。

富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)可以作為衡量植物重金屬積累能力大小的重要指標(biāo)。富集系數(shù)越大，其富集能力越強(qiáng)，轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)則反映出重金屬在植物體內(nèi)的運(yùn)輸和分配情況[10,15-16,20-21]。雖然多年生黑麥草的地上部分Cu累積量與海州香薷 (Elsholtzia splendens)和鴨跖草(Commelina communis)[22]尚存在明顯差距；但與芨芨草（Achnatherum splendens）在土壤Cu 濃度達(dá)到 2 440.33 mg·kg-1時，其地上部分的43.34 mg·kg-1銅含量，以及蘇丹草在土壤銅含量1 236.35 mg·kg-1時，其地上部分的 19.48 mg·kg-1銅含量[23]相比，已超過其累積量，亦高于白茅(Imperata cylindrica)、濱蒿(Artemisia scoparia)等植物的累積量[23]。多年生黑麥草地上部分的累積系數(shù)同樣也高于國內(nèi)外所研究的白蓮蒿(A. sacrorum)和櫛葉蒿(Neopallasia pectinata)[23]。在Cu由植物根部向地上部分轉(zhuǎn)移中，燈心草(Juncus effusus)[24]在土壤銅含量為 400 mg·kg-1時，其轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)為 0.18，低于多年生黑麥草在土壤銅含量為307.9 mg·kg-1時的0.231，在轉(zhuǎn)運(yùn)能力上，多年生黑麥草 ＞ 燈心草。然而，Cu2+可以被多年生黑麥草的地下部分滯留，向地上部分運(yùn)輸?shù)腃u2+被很好地阻止，這種機(jī)制與Mohite等[25]提到的重金屬排斥機(jī)制相類似，從而減少多年生黑麥草地上部分受Cu的傷害。

4 結(jié)論

銅尾礦營養(yǎng)成份含量低，基質(zhì)極端貧瘠，重金屬全Cu以及有效態(tài)的Cu含量過高，是限制植物生長的重要因子。而將尾礦與土壤按照不同比例混合后，基質(zhì)的理化性質(zhì)得到了初步地改善。作為一種常見的草坪草植物，多年生黑麥草能對不同比例銅尾礦土壤基質(zhì)中的Cu吸收和遷移，進(jìn)一步降低了基質(zhì)中Cu的含量，加速了Cu污染土壤的修復(fù)進(jìn)程。