黔西北煉鋅廢渣基質(zhì)上不同草種苗期生長(zhǎng)狀況

敖成紅，劉 方，羅 洋

(1.貴州大學(xué)農(nóng)學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025； 2.貴州大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025)

土法煉鋅是一種落后的煉鋅工藝，其直接利用燃煤建爐和制罐，原料、燃料消耗大，金屬回收率低(45%～80%)，煤燃燒后產(chǎn)生的大量煙塵(其中含有相當(dāng)?shù)腜b、Zn和Cd等重金屬元素)直接排入大氣，產(chǎn)生了大量的固體廢棄物(包括大量的煤灰渣、煉鋅后的礦渣、破損的蒸餾罐和耐火磚塊等)[1]。黔西北地區(qū)有300多年的土法煉鋅歷史，該區(qū)土法煉鋅廢渣為2.051×107t，廢渣堆放面積達(dá)400 hm2[2]。煉鋅廢渣中重金屬含量高，且重金屬的遷移對(duì)周邊的土壤及河流造成了明顯的污染[3-5]。煉鋅區(qū)生長(zhǎng)的玉米(Zeamays)和土豆(Solanumtuberosum)可食部分的Cd、Cu、Pb和Zn含量高，絕大多數(shù)樣品Cd、Pb含量超過(guò)國(guó)家食品衛(wèi)生限量標(biāo)準(zhǔn)[6]。污染點(diǎn)的白菜(Brassicapekinensis)中重金屬Pb、Cd的含量超過(guò)對(duì)照點(diǎn)的2～4倍[7]，重金屬通過(guò)食物鏈的富集，威脅著人體健康。由于煉鋅廢渣的重金屬含量高，堆積處幾乎寸草不生，堆場(chǎng)自然植被恢復(fù)緩慢，生態(tài)環(huán)境惡劣。研究表明，多年生黑麥草(Loliumperenne)對(duì)鉛鋅尾礦污染土壤中Cd、Pb、Zn和Cu的吸收量明顯大于早熟禾(Poaannua)和紫花苜蓿(Medicagosativa)[8]，黑麥草對(duì)Cd有較強(qiáng)的耐性[9]。因此，本研究以土法煉鋅廢渣為生長(zhǎng)基質(zhì)，探討常規(guī)牧草在該基質(zhì)上生長(zhǎng)的適應(yīng)性，篩選適合的草種對(duì)廢棄地進(jìn)行快速植被恢復(fù)，以期為煉鋅廢棄地的生態(tài)環(huán)境治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1試驗(yàn)材料 土法煉鋅廢渣采集于赫章縣媽姑鎮(zhèn)的一個(gè)廢渣堆場(chǎng)，基本理化指標(biāo)為pH值8.10、總碳174.3 g·kg-1、全氮1.09 g·kg-1、堿解氮37 mg·kg-1、有效磷3.70 mg·kg-1、速效鉀85 mg·kg-1。供試草種分別為一年生黑麥草(L.multiflorum)(X1)、多年生黑麥草(X2)、 白三葉(Trifoliumrepens) (X3)、紅三葉(T.pratense) (X4)、紫花苜蓿 (X5)、草地早熟禾(P.pratensis) (X6)和狗牙根(Cynodondactylon) (X7)。容器為塑料盆缽(16 cm×16 cm×12 cm)。

1.2試驗(yàn)方法

1.2.1廢渣化學(xué)性質(zhì)的測(cè)定 總碳用油浴加熱重鉻酸鉀氧化-容量法測(cè)定，全氮用凱氏蒸餾法測(cè)定，堿解氮用堿解擴(kuò)散法測(cè)定，有效磷用0.5 mol·L-1碳酸氫鈉-鉬銻抗比色法測(cè)定，速效鉀采用醋酸銨浸提-火焰光度法測(cè)定，pH值用電位測(cè)定法測(cè)定[10]。

1.2.2試驗(yàn)方法及數(shù)據(jù)處理 試驗(yàn)在貴州大學(xué)農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境專(zhuān)業(yè)試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行，于2011年7月27日播種。土法煉鋅廢渣自然風(fēng)干、除雜后過(guò)5 mm孔徑篩，混勻備用。每盆廢渣基質(zhì)用量800 g，播種100粒，每處理6個(gè)重復(fù)，每天早上澆水，保持基質(zhì)濕潤(rùn)。試驗(yàn)觀測(cè)指標(biāo)：出苗率=規(guī)定時(shí)間出苗種子數(shù)/供試種子數(shù)×100%,均以第20天出苗種子數(shù)計(jì)算；出苗時(shí)間；播種后第30天、40天、60天7種草的株高(隨機(jī)測(cè)量5株植株的株高，求平均值)；播種后第30天、40天、60天7種草的分蘗(枝)數(shù)[隨機(jī)測(cè)定5株植株的分蘗(枝)數(shù)，求平均值]。

數(shù)據(jù)分析：采用DPS 7.05軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1廢渣上不同草種出苗狀況 在播種后對(duì)不同草種的出苗時(shí)間進(jìn)行觀察(圖1)，土法煉鋅廢渣基質(zhì)上紅三葉、白三葉在播種后的第3天就出苗，一年生黑麥草、多年生黑麥草在播種后的第4天出苗，紫花苜蓿在第5天出苗，草地早熟禾在第7天出苗，狗牙根出苗所需時(shí)間最長(zhǎng)，在第15天才出苗。土法煉鋅廢渣基質(zhì)上不同草種的出苗高峰期不同。其中紅三葉、白三葉、一年生黑麥草、多年生黑麥草、紫花苜蓿、草地早熟禾、狗牙根出苗高峰期分別為3～6 d、3～5 d、4～6 d、4～6 d、6～9 d、8～11 d、16～20 d。白三葉、一年生黑麥草、多年生黑麥草出苗高峰期最短，紅三葉、紫花苜蓿、草地早熟禾次之，狗牙根的出苗高峰期最長(zhǎng)。在氣候驟變的地區(qū)建植草坪或快速植被恢復(fù)礦業(yè)廢棄地，出苗高峰期是一個(gè)重要的指標(biāo)[11]。出苗高峰期的長(zhǎng)短影響到幼苗對(duì)環(huán)境的抗逆能力。出苗高峰期越短，幼苗受環(huán)境因素的影響就越小。不同草種在廢渣上的出苗早晚順序?yàn)榧t三葉、白三葉<一年生黑麥草、多年生黑麥草<紫花苜蓿<草地早熟禾<狗牙根。

圖1 不同草種開(kāi)始出苗時(shí)間Fig.1 Days to emergence aftersowing of different grass species

土法煉鋅廢渣基質(zhì)上多年生黑麥草的出苗率極顯著高于一年生黑麥草、白三葉、紅三葉、紫花苜蓿、草地早熟禾和狗牙根的出苗率(P<0.01)。一年生黑麥草的出苗率極顯著高于紫花苜蓿、草地早熟禾、狗牙根的出苗率(P<0.01)，與紅三葉、白三葉的出苗率無(wú)顯著差異(P>0.05)。紫花苜蓿的出苗率與草地早熟禾、狗牙根的出苗率無(wú)顯著差異。多年生黑麥草的出苗率最高，為83.3%，其次為白三葉、一年生黑麥草、紅三葉，草地早熟禾的出苗率最低，為26.2%，紫花苜蓿與狗牙根的出苗率接近(圖2)。

圖2 煉鋅廢渣基質(zhì)上7種草種的出苗率Fig.2 Emergence rate of seven grass species on zinc smelting slag

2.2廢渣基質(zhì)上不同草種生長(zhǎng)情況 株高是衡量植株生長(zhǎng)快慢的指標(biāo)之一,牧草株高性狀與葉片的長(zhǎng)度和寬度呈正相關(guān)[12]。在第30天，一年生黑麥草、多年生黑麥草、白三葉、紅三葉和紫花苜蓿生長(zhǎng)狀況良好，株高分別為8.0、5.0、4.4、3.7、4.7 cm，草地早熟禾、狗牙根生長(zhǎng)緩慢，株高分別為3.1和0.9 cm。在第40天，一年生黑麥草、多年生黑麥草、白三葉、紅三葉和紫花苜蓿株高分別為9.8、6.0、6.8、5.0、5.9 cm，草地早熟禾和狗牙根株高分別為4.4和1.2 cm。在第60天，一年生黑麥草、多年生黑麥草、白三葉、紅三葉、紫花苜蓿、草地早熟禾和狗牙根，株高分別為11.3、5.1、8.2、4.3、10.0、4.4和1.4 cm(圖3)。一年生黑麥草長(zhǎng)勢(shì)最好，第60天達(dá)到最大株高(11.3 cm)，但第30～60天變化不大，原因可能是植株前期長(zhǎng)勢(shì)較快，消耗廢渣中僅存的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，導(dǎo)致后期養(yǎng)分缺乏。紫花苜蓿的株高也在第60天達(dá)到了最高值(10.0 cm)，但隨后葉片全部變黃脫落，可能是營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)缺乏。多年生黑麥草和紅三葉均在第40天達(dá)到最大株高，其后開(kāi)始逐漸降低，葉色變黃。白三葉株高與一年生黑麥草類(lèi)似。草地早熟禾和狗牙根在第30～60天植株株高變化不大，葉片為綠色，可能是植株矮小、出苗率低，消耗的養(yǎng)分少造成的。整體來(lái)看，各種草的株高排序?yàn)橐荒晟邴湶?白三葉>多年生黑麥草>紅三葉>紫花苜蓿生長(zhǎng)>草地早熟禾>狗牙根，只有第60天時(shí)紫花苜蓿大于白三葉(圖3)。

試驗(yàn)觀察期內(nèi)，一年生黑麥草、多年生黑麥草、草地早熟禾出現(xiàn)分蘗，狗牙根未分蘗，白三葉、紅三葉、紫花苜蓿出現(xiàn)分枝。分蘗數(shù)為一年生黑麥草>多年生黑麥草>草地早熟禾；分枝數(shù)為白三葉>紅三葉>紫花苜蓿(圖4)。在觀察期內(nèi)，記錄了7個(gè)草種葉片顏色的變化現(xiàn)。紫花苜蓿葉片最先脫落變黃，其次紅三葉葉片變黃且部分植株死亡，一年生黑麥草、多年生黑麥草、白三葉的葉片均有變黃現(xiàn)象。草地早熟禾和狗牙根葉在觀察期內(nèi)沒(méi)有變黃。

圖3 不同時(shí)期7種草的株高Fig.3 Plant height of seven grass species

圖4 不同草種的分蘗(枝) 數(shù) Fig.4 Tillers (branches) of seven grass species

3 討論

7種草在黔西北土法煉鋅廢渣基質(zhì)上均能出苗，但不同草種出苗率差異很大，說(shuō)明在黔西北土法煉鋅廢渣上篩選出適宜草種是可行的。發(fā)芽率是衡量種子質(zhì)量好壞的重要指標(biāo)，也是檢測(cè)種子活力的指標(biāo)之一。種子發(fā)芽除受種子自身的基因型、籽粒的飽滿(mǎn)程度、種皮的厚度和胚的活性等內(nèi)部因素影響外，還受環(huán)境因素如光照、溫度、水分、生長(zhǎng)基質(zhì)和濕度等影響。張志權(quán)和藍(lán)崇鈺[13]研究表明，鉛鋅礦尾礦對(duì)種子萌發(fā)早期的呼吸作用有抑制作用。Pb、Zn、Cd、Cu等重金屬脅迫會(huì)影響草類(lèi)種子的萌發(fā)[14]。分蘗可以促進(jìn)植株利用土壤中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，有利于植物擴(kuò)大營(yíng)養(yǎng)面積，加強(qiáng)植物占據(jù)地面的能力[15]。分蘗多、快，有利于植被快速恢復(fù)，增加地表覆蓋度。在綠色礦山的建設(shè)中，綠化覆蓋率在生態(tài)恢復(fù)中占12.5%[16]。

在幼苗生長(zhǎng)后期，紫花苜蓿、紅三葉、白三葉、一年生黑麥草和多年生黑麥草葉片均有變黃現(xiàn)象，其可能原因是：1)土法煉鋅廢渣基質(zhì)中養(yǎng)分缺乏，廢渣基質(zhì)中有機(jī)質(zhì)含量低，速效氮、磷、鉀含量低，不能夠滿(mǎn)足幼苗后期對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的需求，因此，在土法煉鋅廢渣基質(zhì)上植草應(yīng)考慮養(yǎng)分的補(bǔ)給。林文杰等[2]研究表明，土法煉鋅廢渣上植被重建的主要限制因子包括高鹽堿脅迫、有機(jī)質(zhì)含量低、養(yǎng)分缺乏。2)土法煉鋅廢渣中重金屬Pb、Zn、Cd[3，7]等含量較高，這些重金屬在植株體內(nèi)不斷富集，從而影響植株的生長(zhǎng)。王慧忠和何翠屏[17]對(duì)草坪草在受重金屬污染的土壤中生長(zhǎng)的研究發(fā)現(xiàn)，草坪草根系大量死亡，根系生物量下降，根系活力急劇降低，從而影響根系對(duì)水肥的吸收和傳導(dǎo)，最終導(dǎo)致地上部分生長(zhǎng)受到影響。低濃度的Zn2+能促進(jìn)紫花苜蓿根和苗的生長(zhǎng)，高濃度的Cd2+、Zn2+抑制紫花苜蓿根和苗的生長(zhǎng)，但對(duì)于根生長(zhǎng)的影響大于芽[18]。因此，下一步的工作重點(diǎn)是改良土法煉鋅廢渣基質(zhì)，增加養(yǎng)分，減少重金屬的毒害，從而達(dá)到快速有效地實(shí)現(xiàn)土法煉鋅廢渣堆場(chǎng)的植被恢復(fù)，減少?gòu)U渣被雨水沖刷流失，減少對(duì)周邊土壤和河流的重金屬污染。

4 結(jié)論

7種草種在土法煉鋅廢渣基質(zhì)上的出苗時(shí)間有明顯的差異，其出苗需時(shí)順序?yàn)榘兹~、紅三葉(3 d)<一年生黑麥草、多年生黑麥草(4 d)<紫花苜蓿(5 d)<草地早熟禾(7 d)<狗牙根(15 d)。煉鋅廢渣基質(zhì)上7種草均能萌發(fā)，但出苗率差異較大，多年生黑麥草的出苗率最高(83.3%)，其次是一年生黑麥草、白三葉、紅三葉(高于60%)，而紫花苜蓿、草地早熟禾和狗牙根的出苗率較低(30%左右)。

從苗期的長(zhǎng)勢(shì)來(lái)看，一年生黑麥草、白三葉及多年生黑麥草的株高和分蘗數(shù)都比紅三葉、紫花苜蓿、草地早熟禾和狗牙根好。一年生黑麥草、白三葉、多年生黑麥草適宜在土法煉鋅廢渣基質(zhì)上生長(zhǎng)，對(duì)土法煉鋅廢渣堆場(chǎng)的人工植被恢復(fù)有一定的指導(dǎo)意義。

[1] 羅燦忠.土法煉鋅與環(huán)境保護(hù)[J].云南冶金,1993(2):28-29.

[2] 林文杰,肖唐付,敖子強(qiáng),等.黔西北土法煉鋅廢棄地植被重建的限制因子[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2007,18(3):631-635.

[3] 吳攀,劉叢強(qiáng),楊元根,等.土法煉鋅廢渣堆中的重金屬及其釋放規(guī)律[J].中國(guó)環(huán)境科學(xué),2002,22(2):119-123.

[4] 吳攀,劉叢強(qiáng),張國(guó)平,等.黔西北煉鋅地區(qū)河流重金屬污染特征[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù),2002,21(5):443-446.

[5] 張國(guó)平,劉叢強(qiáng),楊元根,等.貴州省幾個(gè)典型金屬礦區(qū)周?chē)铀闹亟饘俜植继卣鱗J].地球與環(huán)境,2004,31(1):82-85.

[6] 畢向陽(yáng).西南土法煉鋅導(dǎo)致的環(huán)境重金屬污染研究[D].貴陽(yáng)：中國(guó)科學(xué)院地球化學(xué)研究所,2007.

[7] 武藝,林文杰,敖子強(qiáng).黔西北土法煉鋅區(qū)Pb、Cd 污染與生態(tài)修復(fù)[J].環(huán)?？萍?2008(1):34-36,42.

[8] 袁敏,鐵柏清,唐美珍,等.四種草本植物對(duì)鉛鋅尾礦土壤重金屬的抗性與吸收特性研究[J].草業(yè)學(xué)報(bào),2005,14(6):57-62.

[9] 楊明杰,林咸永,楊肖娥.Cd對(duì)不同種類(lèi)植物生長(zhǎng)和養(yǎng)分積累的影響[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),1998,9(1):89-94.

[10] 全國(guó)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣服務(wù)中心.土壤分析技術(shù)規(guī)范[M].北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社,2006:36-44,55-56,67-68,73-74.

[11] 向仰州,劉方.不同草種在磷石膏基質(zhì)中生長(zhǎng)適應(yīng)性[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2010,29(3):525-528.

[12] 恩和,格日勒,烏云高娃,等.生態(tài)環(huán)境對(duì)牧草株高葉片性狀的影響[J].當(dāng)代畜牧,2008(10):39-40.

[13] 張志權(quán),藍(lán)崇鈺.鉛鋅礦尾礦場(chǎng)植被重建的生態(tài)學(xué)研究.I尾礦對(duì)種子萌發(fā)的影響[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),1994,5(1):52-56.

[14] 張芳,方溪,張麗靜.草類(lèi)對(duì)重金屬脅迫的生理生化響應(yīng)機(jī)制[J].草業(yè)科學(xué),2012,29(4):534-541.

[15] 內(nèi)蒙古農(nóng)牧學(xué)院.草原管理學(xué)[M].北京:農(nóng)業(yè)出版社,1980:23.

[16] 奇鳳,宋桂龍.草坪草分蘗特征及調(diào)控機(jī)理研究進(jìn)展[J].草原與草坪,2012(1):79-86.

[17] 王慧忠,何翠屏.重金屬離子脅迫對(duì)草坪草根系生長(zhǎng)及其活力的影響[J].中國(guó)草地,2002,24(3):55-63．

[18] 張春榮,李紅,夏立江,等.鎘、鋅對(duì)紫花苜蓿種子萌發(fā)及幼苗的影響[J].華北農(nóng)學(xué)報(bào),2005,20(1):96-99.