王占義+侯佳+吳迪

摘要：粉塵污染是露天煤礦開采中主要的環(huán)境問題之一，粉塵沉降對周邊生態(tài)系統(tǒng)具有重要影響。采用室內(nèi)人工噴撒煤粉到水培植物的方法，模擬研究了煤粉塵沉降對草地植物羊草的影響。結(jié)果表明，以1.18 g/（m2·d）的劑量噴撒煤粉35 d時，羊草根系生長速率、葉片凈光合效率、氣孔導度均降低，并最終導致植株生物量減小，與對照相比，植株總生物量顯著減少。說明露天煤礦的粉塵沉降會阻礙礦區(qū)周邊草地植物羊草的生長，長期作用可能導致周邊草地植物多樣性的改變。

關(guān)鍵詞：粉塵；矸石粉；羊草；草原；光合

中圖分類號： S812文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2017）07-0261-04

粉塵污染是露天煤礦開采過程中的主要環(huán)境問題之一。該問題在美國、中國、印度、俄羅斯、南非等5個國家普遍存在，這些國家占有了全球84%的煤炭絕對持有量[1-2]。近年來內(nèi)蒙古草原開采了很多露天煤礦，粉塵污染在地處干旱區(qū)的內(nèi)蒙古草原也比較嚴重。2010年內(nèi)蒙古的煤炭產(chǎn)量在全國排第1位[3]。全國14個大型露天煤礦有11個分布在內(nèi)蒙古[4]。大部分露天煤礦分布在內(nèi)蒙古草原，而這些草地是當?shù)匦竽翗I(yè)和牧民賴以生存的基礎(chǔ)。因此，粉塵可能通過影響草地健康進而影響到居民的生存和健康。2011—2013年內(nèi)蒙古錫林浩特市至少有106 km2的草地被煤粉塵污染，67萬元人民幣被用于支付草地污染補償費[5]。

粉塵污染對生態(tài)系統(tǒng)具有重要影響。煤粉塵可以增加土壤表面溫度[6]及礦坑淋溶地下水的pH值和金屬離子濃度[7-8]。這些淋溶液包含氟、硫化合物，對植物生長產(chǎn)生危害[9]。在南非的研究發(fā)現(xiàn)，煤塵排放遮擋陽光，減弱了植物參加光合作用的日光強度[10]、光合作用效率[2]。粉塵顆粒阻擋氣孔開放[11-12]。在印度的研究發(fā)現(xiàn)，煤塵改變了葉片生理和葉片形態(tài)[13]。在美國的研究發(fā)現(xiàn)，煤塵沉降的煙羽區(qū)一年生植物的生物量顯著大于非煙羽區(qū)[14]。

不同來源的粉塵對植物影響不同。內(nèi)蒙古露天煤礦主要有2種成分的粉塵：煤粉塵，產(chǎn)生于礦坑或選煤場，主要成分是煤，內(nèi)蒙古草原上最主要的煤種是褐煤，褐煤含碳（63.73%）、氫（6.26%）、氧（28.12%）、氮（1.43%）、硫（0.46%）[15]；煤矸石粉，來源于挖掘，運輸剝離煤層上覆蓋的廢土，含SiO2（76%～77%）、Na2O和K2O（7.75%～8.15%）、CaO（0.20%～0.22%）[16]。Wong等研究發(fā)現(xiàn)，道路粉塵對植物生長產(chǎn)生影響，有些抑制植物生長，有些促進植物生長[17]。煤礦上不同來源粉塵可能對植物生長有不同影響。

如果煤粉塵或矸石粉塵對植物生長的影響不同，那么其長期作用以后，有些植物可能會受到威脅甚至從礦區(qū)周邊消失，還有些植物可能會過度生長。換句話說，長期煤粉塵污染可能改變草地植物種類成分，改變草地狀態(tài)和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能。以往相關(guān)研究重點關(guān)注煤粉塵污染對植物地上部的影響，而關(guān)于粉塵污染對植物地下部的影響還未見報道。本研究以內(nèi)蒙古天然草地上重要的飼用植物羊草（Agropyron cristatum）為材料，通過噴撒煤粉到羊草的方法，模擬研究了煤粉塵對于羊草生長的影響，以期為更好地保護和管理天然草原、實現(xiàn)草地生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展提供支撐。

1材料與方法

1.1煤礦周邊煤粉塵沉降監(jiān)測

煤粉塵監(jiān)測點位于錫林浩特市西二號露天煤礦周邊草地，該煤礦煤種是褐煤。礦區(qū)盛行風向是西風，年平均降水量350 mm[18]。2013年4—9月采用玻璃球法監(jiān)測粉塵沉降速率，此時是植物生長期和煤礦開采活動頻繁期。監(jiān)測點位于礦坑外圍下風向200 m處，根據(jù)地面顏色和煤粉塵保留程度選擇1個監(jiān)測點，該監(jiān)測點設(shè)計3個集塵缸（直徑15 cm、高30 cm），間距50 m，安置在高度180 cm的水泥樁上。集塵缸內(nèi)鋪設(shè)1層玻璃球（直徑1.2 cm）。每月將集塵缸內(nèi)的粉塵用去離子水清洗后，將淋洗液放入坩堝，蒸干獲得粉塵質(zhì)量[19-20]。

1.2室內(nèi)試驗設(shè)計

選擇羊草為試驗材料，所用種子采集于距離西二礦較遠的錫林浩特市白音錫勒牧場。試驗于2015年在內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學生態(tài)環(huán)境學院普通溫室進行，種子發(fā)芽后采用水培方法培養(yǎng)，每個培養(yǎng)箱裝入10 L Hoagland營養(yǎng)液。試驗設(shè)3個處理：對照、煤粉處理、矸石粉處理。煤粉、矸石粉采集于西二號露天礦，采集后過100目篩備用。每個處理3次重復，每個重復2株羊草。

試驗時，每隔2 d噴撒1次煤粉、矸石粉。按照野外粉塵沉降速率[0.59 g/（m2·d）]的2倍即1.18 g/（m2·d）噴撒粉塵。噴撒時，先用長方體有機玻璃罩子（100 cm×50 cm×160 cm）將同一處理的植物罩住，然后用自制噴塵器從罩子側(cè)面小口噴撒煤粉到葉片。因為有定植板阻擋分隔地上部與地下部，必須同時添加同等的粉末到地下根部溶液中。煤粉、矸石粉過0.149 mm篩后，采用原子吸收分光光度計（Z-8000型，日本日立公司）測定鎘、鉻、鉛、銅含量，采用原子熒光儀（AFS-3100型，北京海光儀器公司）測定砷含量。采用pH計（雷磁PHS-3C型，上海儀電科學儀器股份有限公司）以粉水比1 ∶5混合后，測定溶液pH值。以上儀器由內(nèi)蒙古農(nóng)牧漁業(yè)生物實驗研究中心提供。

移苗后開始噴撒煤粉處理，每隔7 d掃描1次根系，每次掃描后把植株再放回原位繼續(xù)培養(yǎng)，直到根系形態(tài)指標出現(xiàn)明顯差異為止。根系形態(tài)采用根系掃描分析系統(tǒng)（WinRHIZO 2009a型，加拿大Regent Instruments公司）觀測分析，獲得根系長度、直徑、表面積、體積、根尖數(shù)、分叉數(shù)等根系形態(tài)參數(shù)。在最后1次處理時，采用光合儀（LI-6400XT型，美國 LI-COR 公司）測定葉片光合效率、氣孔導度、葉溫等參數(shù)。測定時選取相同位置的健康、成熟葉片，在每天09：00—11：30測定，最后收獲所有植物并烘干，測定生物量。根系掃描儀、光合儀由內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學草地資源教育部重點實驗室提供。

1.3數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析采用SPSS 13.0統(tǒng)計分析軟件。采用單因素方差分析處理不同處理間的各項指標。

2結(jié)果與分析

2.1煤粉塵沉降速率與煤粉、矸石粉成分

野外監(jiān)測結(jié)果顯示，礦區(qū)污染最嚴重的地段粉塵沉降速率是0.59 g/（m2·d）（N=3，se=0.10）。煤粉、矸石粉的理化性質(zhì)見表1，煤粉中鉻、鉛含量顯著、極顯著小于矸石粉。

2.2噴灑煤粉對羊草根系形態(tài)的影響

煤粉處理到試驗第5周時，各項羊草根系形態(tài)參數(shù)出現(xiàn)明顯差異。由圖1可見，測定的6項根系形態(tài)參數(shù)中，根表面積以對照組最大，其他處理較小。煤粉處理35 d時羊草根系直徑顯著大于其他處理（P<0.05）。其他根系形態(tài)參數(shù)（根體積、根長度、根尖數(shù)、分叉數(shù)）在整個試驗期間總體上以對照較大，但在統(tǒng)計上無顯著差異。

2.3噴灑煤粉對羊草光合參數(shù)、生物量的影響

由表2可見，煤粉和矸石粉處理羊草后的凈光合速率均顯著小于對照。在蒸騰速率、氣孔導度方面，均以對照最大，其中煤粉處理氣孔導度顯著小于對照，其他處理間在統(tǒng)計上無顯著差異。煤粉處理、矸石粉處理下葉片溫度顯著高于對照。

由表3可見，對照的總生物量、根系生物量均顯著大于煤粉處理、矸石粉處理，煤粉處理和矸石粉處理的總生物量、根系生物量均無顯著差異。

3結(jié)論與討論

3.1討論

煤粉塵可以改變區(qū)域植物種類[22]，影響植物光合作用[23]，但未見關(guān)于煤粉塵對于植物根系影響的研究。本研究發(fā)現(xiàn)，在羊草的6項根系形態(tài)參數(shù)中，處理35 d時，根系形態(tài)出現(xiàn)表面積減小、直徑增大的趨勢，說明噴撒煤粉、矸石粉對羊草生長有抑制作用，這種抑制作用很可能和光合作用減弱導致地上部輸送給根系的碳水化合物減少有關(guān)，因為對葉片測定發(fā)現(xiàn)，煤粉處理降低了羊草光合速率。

雖然矸石粉中含有鉛、鉻，可能會毒害羊草根系。試驗期間，觀察到根系形態(tài)正常，沒有根尖腐爛、變黑現(xiàn)象發(fā)生（圖2）。鉛毒害引起草本植物根量減少，根管膨大變黑、腐爛[24]。試驗期間，共添加煤粉35 d，添加量約為7.2 g，煤矸石中含鉛30.03 mg/kg，添加到10 L營養(yǎng)液中，濃度是0.02 mg/L，一般低濃度鉛可刺激禾草根系生長，高濃度鉛則抑制根系生長，對禾本科牧草產(chǎn)生明顯抑制作用的鉛濃度是250 mg/L[25-26]。可見，本研究中營養(yǎng)液里鉛濃度很低，不足以對羊草產(chǎn)生毒害作用。

煤矸石含鉻51.07 mg/kg，試驗期末溶液中含鉻 0.037 mg/L，對草本植物生長產(chǎn)生顯著影響的最低鉻濃度為100 mg/kg[27]?？梢姡狙芯恐忻喉肥闹亟饘俣家蚝刻投蛔阋援a(chǎn)生毒害作用。此外，煤礦周圍以煤粉排放居多，矸石粉較少，因此煤矸石粉的環(huán)境毒害效應相對有限。

3.2結(jié)論

本研究以內(nèi)蒙古草原重要的飼用植物羊草為對象，通過定期人工噴撒煤粉、矸石粉到羊草葉片、根系，研究露天煤礦粉塵沉降對周邊草地植物的影響。研究發(fā)現(xiàn)，在處理5周后，煤粉塵抑制了羊草根系生長，降低了葉片光合效率、氣孔導度，說明目前以0.59 g/（m2·d）的速率沉降會阻礙羊草的正常生長，長期會導致羊草死亡，甚至使羊草從礦區(qū)周邊消失，改變礦區(qū)周邊草地的物種多樣性和生態(tài)服務(wù)功能。

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