稀土尾砂對(duì)樟樹幼苗生長(zhǎng)及營(yíng)養(yǎng)元素吸收的影響

張 琴，李 鳳，肖祖飛，金志農(nóng)，張北紅，馬一丹，張海娜，魯向暉

(1.南昌工程學(xué)院 江西省樟樹繁育與開發(fā)利用工程研究中心，江西 南昌 330099； 2.江西省科學(xué)院生物資源研究所，江西 南昌 330096)

稀土尾砂為稀土礦開采后的殘留礦渣，不僅大量占?jí)和恋刭Y源，而且質(zhì)地疏松，處理不當(dāng)極易引發(fā)水土流失，嚴(yán)重影響生態(tài)環(huán)境。南嶺山區(qū)既是我國(guó)重要的稀土產(chǎn)地，也是長(zhǎng)江流域和珠江流域重要的水源區(qū)，為了保護(hù)生態(tài)環(huán)境，防治水土流失和水污染，必須重視對(duì)稀土尾砂的整治。有研究表明，百喜草、狼尾草、彎葉畫眉草和狗牙根均適應(yīng)南方稀土尾砂分布區(qū)的水熱條件，在水分條件較好的區(qū)域以彎葉畫眉草為主，水分條件差的區(qū)域以百喜草為主，肥力較差區(qū)域以狗尾草為主[1]。在江西省龍南縣稀土尾砂上種植百喜草，可以有效地降低稀土尾砂水土流失[2]。稀土尾砂區(qū)域種植果樹芙蓉李能夠提高稀土尾砂含水量，增加稀土尾砂中N、P、K的含量，同時(shí)可以增加果實(shí)維生素C和總糖含量，提高果實(shí)品質(zhì)[3]。也有研究中草藥對(duì)贛南尾砂的治理，結(jié)果表明紫珠草、梔子、果桑和金銀花在生長(zhǎng)力、耐干旱和耐貧瘠等方面表現(xiàn)較好，適用于贛南稀土尾砂的治理[4]。樟樹(Cinnamomumcamphora)為樟科樟屬常綠高大喬木，高可達(dá)30 m，分布區(qū)域?yàn)楸本?0°～34°,東經(jīng)88°～122°,原產(chǎn)于我國(guó)東南及西南各地。樟樹作為城市園林綠化美化中利用頻率最高的樹種，在城鄉(xiāng)綠化、用材、醫(yī)藥原料及生物化工原料中都具有重要作用。樟樹適應(yīng)性強(qiáng)，具有較強(qiáng)的抗性[5]。

本研究以樟樹2年生實(shí)生苗為材料，以紅壤土作為對(duì)照栽培基質(zhì)，研究稀土尾砂對(duì)樟樹幼苗生長(zhǎng)及營(yíng)養(yǎng)元素吸收的影響，以期為稀土尾砂的治理提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

稀土尾砂來(lái)自江西省尋烏縣，以來(lái)自南昌工程學(xué)院園林實(shí)訓(xùn)基地的紅壤土作為對(duì)照組，風(fēng)干后碾碎過(guò)3 mm篩待用。稀土尾砂與紅壤土理化性質(zhì)見表1。選用生長(zhǎng)健壯、長(zhǎng)勢(shì)基本一致的2年生樟樹實(shí)生苗。栽培選用外口徑29 cm、內(nèi)口徑25 cm、高26 cm的塑料盆。

表1 稀土尾砂與紅壤土理化性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)場(chǎng)地設(shè)在南昌工程學(xué)院園林實(shí)訓(xùn)基地溫室大棚內(nèi)。試驗(yàn)于2016年5月5日開始，同年9月5日結(jié)束，共計(jì)120 d。每盆裝基質(zhì)8 kg，每盆栽苗1株，栽前對(duì)每棵苗木株高和地徑進(jìn)行測(cè)定。根據(jù)盆中水分狀況，進(jìn)行澆水管理，以保證植物正常生長(zhǎng)。每個(gè)處理15盆，3次重復(fù)，完全隨機(jī)區(qū)組排列。

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

2016年8月14日上午9:00—11:30測(cè)定光合指標(biāo)，每個(gè)處理挑選3株具代表性的植株，每株再選出有代表性的當(dāng)年生成熟葉片3片(從枝條頂部開始第5～6片葉片)為待測(cè)材料，采用Li-6400XT光合儀進(jìn)行測(cè)定，選取葉片凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度和胞間CO2濃度等參數(shù)，光源為儀器的紅藍(lán)光，葉室大小為2 cm×3 cm，光照強(qiáng)度為1000 μmol/(m2·s)，測(cè)定溫度設(shè)為25 ℃，氣源為試驗(yàn)區(qū)3 m以外的空氣。同時(shí)，每個(gè)處理隨機(jī)選取3盆，將植株整體挖出、洗凈，葉片取自從枝條頂部開始第5～8片，根系選取二級(jí)側(cè)根，迅速包好放入液氮罐中保存，帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)定葉綠素和類胡蘿卜素、超氧化物歧化酶(POD)、過(guò)氧化物酶(SOD)、可溶性蛋白和總蛋白，其中POD活性采用愈創(chuàng)木酚法測(cè)定，SOD活性采用氮藍(lán)四唑法測(cè)定，葉綠素和類胡蘿卜素含量采用丙酮浸提法測(cè)定，可溶性糖采用蒽酮比色法[6]，總蛋白含量采用南京建成生物工程研究所的試劑盒測(cè)定。

2016年9月14日試驗(yàn)結(jié)束，將剩下的試驗(yàn)苗整體挖出，先用自來(lái)水洗凈，再用去離子水沖洗晾干，測(cè)量株高、地徑和鮮質(zhì)量，之后將地上部分與地下部分分開，分別測(cè)定鮮質(zhì)量，用根系分析儀WinRHIZO掃描根系，再在105 ℃溫度下殺青0.5 h，70 ℃下烘至恒質(zhì)量，稱干質(zhì)量。將植物樣品磨碎過(guò)0.25 mm篩，用于測(cè)定N、P、K的含量。先用濃H2SO4-H2O2消煮植物樣品，獲得待測(cè)液，N含量用凱氏法，P含量用鉬銻抗比色法，K含量用火焰分光光度計(jì)法測(cè)定。

栽培基質(zhì)各指標(biāo)測(cè)定方法如下：pH值采用pH計(jì)法[7](水土比為2.5∶1)，有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法，全N、堿解N采用堿解擴(kuò)散法，全P采用NaOH熔融-鉬銻抗比色法，速效P采用HCl和H2SO4溶液浸提-鉬銻抗比色法，全K采用NaOH熔融-火焰分光光度計(jì)法，速效K采用NH4OAc浸提-火焰分光光度計(jì)法。

1.4 數(shù)據(jù)分析

所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)先用Excel2010計(jì)算、整理，再用SPSS19.0對(duì)不同處理的株高、地徑、生物量、重金屬含量等分別進(jìn)行單因素方差分析和Duncan多重比較，顯著性水平為0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 稀土尾砂對(duì)樟樹生長(zhǎng)的影響

2.1.1 稀土尾砂對(duì)樟樹株高、地徑的影響

從表2可以看出，稀土尾砂上生長(zhǎng)的樟樹株高凈生長(zhǎng)顯著低于紅壤土上的，地徑也小于紅壤土上的，但二者之間差異不顯著，說(shuō)明稀土尾砂抑制樟樹株高和地徑生長(zhǎng)，特別是對(duì)株高生長(zhǎng)抑制明顯。

表2 稀土尾砂對(duì)樟樹株高、地徑的影響

注:表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤，同一列字母依據(jù)鄧肯新復(fù)極差P<0.05檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，下同。

2.1.2 稀土尾砂對(duì)樟樹根系生長(zhǎng)的影響

從表3可以看出，稀土尾砂對(duì)樟樹幼苗的根系生長(zhǎng)具有抑制作用，稀土尾砂處理下樟樹的根長(zhǎng)、總根面積、總根體積以及細(xì)根直徑均低于紅壤土，稀土尾砂對(duì)樟樹幼苗根長(zhǎng)的影響較為顯著，總根長(zhǎng)較紅壤土下降了49.85%，樟樹幼苗根系系統(tǒng)發(fā)育不正常，受到了稀土尾砂的干擾，抑制了樟樹幼苗根系的生長(zhǎng)發(fā)育，尤其是抑制側(cè)根的形成，說(shuō)明根部是樟樹生長(zhǎng)最直接的受害區(qū)域。

表3 稀土尾砂對(duì)樟樹根系生長(zhǎng)的影響

2.1.3 稀土尾砂對(duì)樟樹生物量的影響

從表4可以看出，稀土尾砂處理下，樟樹的生物量有明顯的下降。與紅壤土相比，地上、地下部分的生物量分別下降了50.83%、25.06%，總生物量下降了38.57%，紅壤土上生長(zhǎng)的樟樹總生物量是稀土尾砂上的1.63倍。

表4 稀土尾砂對(duì)樟樹生物量的影響

2.2 稀土尾砂對(duì)樟樹生理生化的影響

2.2.1 稀土尾砂對(duì)樟樹葉片葉綠素和類胡蘿卜素的影響

葉綠素是一類與植物的光合作用密切相關(guān)的非常重要的色素，主要包括葉綠素a、葉綠素b等。環(huán)境因子的改變能影響植物葉片中葉綠素的合成，進(jìn)而影響到植物的光合作用。由表5可知，稀土尾砂上生長(zhǎng)的樟樹葉片葉綠素a、葉綠素b、葉綠素、類胡蘿卜素和葉綠素/類胡蘿卜素均較紅壤土上的低，說(shuō)明稀土尾砂對(duì)樟樹葉片葉綠素和類胡蘿卜素的合成均有阻滯作用。

表5 稀土尾砂對(duì)樟樹葉片葉綠素和類胡蘿卜素的影響

2.2.2 稀土尾砂對(duì)樟樹光合作用的影響

凈光合速率反映了植物有機(jī)物的積累速率，細(xì)胞間CO2濃度能反映植物的光合速率；蒸騰速率是單位時(shí)間葉片通過(guò)蒸騰作用散失的水量，能反映蒸騰作用的強(qiáng)弱；氣孔導(dǎo)度表示氣孔張開的程度，影響蒸騰作用、光合作用以及呼吸作用。由表6可知，與紅壤土相比，稀土尾砂對(duì)樟樹凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、細(xì)胞間CO2濃度及蒸騰速率的影響都達(dá)到了顯著水平，稀土尾砂能夠降低樟樹的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、細(xì)胞間CO2濃度及蒸騰速率，凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度與蒸騰速率分別都低了17.91%、31.37%、15.04%、27.92%，其中氣孔導(dǎo)度受到的影響較為顯著。

表6 稀土尾砂對(duì)樟樹光合作用的影響

2.2.3 稀土尾砂對(duì)樟樹葉和根中可溶性糖和總蛋白含量的影響

可溶性糖是逆境條件下植物體內(nèi)重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)之一，也是合成其他有機(jī)溶質(zhì)的碳架和能量來(lái)源[8]。由表7可以看出，稀土尾砂下樟樹葉片中的可溶性糖含量與總蛋白含量與紅壤土差異不顯著，根系中的可溶性糖含量與總蛋白含量顯著高于紅壤土，根系的可溶性糖含量高了53.26%，總蛋白含量高了34.10%。

2.2.4 稀土尾砂對(duì)樟樹葉和根中SOD和POD的影響

在遭受逆境脅迫時(shí)，植物體內(nèi)產(chǎn)生的活性氧物質(zhì)

表7 稀土尾砂對(duì)樟樹葉片和根中可溶性糖和總蛋白含量的影響

會(huì)有一定程度的增多，它們能破壞植物的細(xì)胞膜透性，導(dǎo)致其生長(zhǎng)代謝紊亂。而SOD活性能夠與植物體內(nèi)產(chǎn)生的氧自由基反應(yīng)生成H2O2，從而減少活性氧自由基對(duì)植物造成的傷害。POD能催化H2O2與其他底物發(fā)生氧化還原反應(yīng)，還能夠清除由于SOD產(chǎn)生的過(guò)量的H2O2，同POD和過(guò)氧化氫酶(CAT)一起構(gòu)成保護(hù)酶系統(tǒng)，協(xié)同清除由逆境產(chǎn)生的活性氧對(duì)膜質(zhì)過(guò)氧化造成的傷害[9]。由表8可知，稀土尾砂處理下，樟樹葉片的POD、SOD活性顯著高于紅壤土，可能稀土尾砂對(duì)樟樹產(chǎn)生了一定的脅迫作用。

表8 稀土尾砂對(duì)樟樹葉片和根中POD和SOD的影響

2.3 稀土尾砂下樟樹對(duì)N、P和K的吸收

N是植物生長(zhǎng)發(fā)育的基礎(chǔ)物質(zhì)氨基酸、蛋白質(zhì)和核酸的重要組成成分，在植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中發(fā)揮著重要作用。從表9可以看出，稀土尾砂處理下的樟樹葉、根、莖中N的含量明顯比紅壤土中的低，相比低了38.22%、52.97%、50.17%；樟樹葉、根、莖中P含量與紅壤土中的相比，葉片中P含量比對(duì)照高了22.54%，莖中P含量低了4.21%，根中P含量高了10.74%；樟樹葉、根、莖中的K含量與N含量呈現(xiàn)同樣的規(guī)律，稀土尾砂處理下的樟樹葉、根、莖中的K含量與紅壤土中的相比分別低了42.33%、47.62%、30.83%。

3 結(jié)論與討論

我國(guó)稀土資源豐富，但因我國(guó)開采技術(shù)較低，在開采過(guò)程中導(dǎo)致植被被破壞，大量尾砂堆置使土地淪為荒蕪之地，造成水土流失和環(huán)境污染，稀土尾砂的治理迫在眉睫。高志強(qiáng)等[10-11]的調(diào)查結(jié)果表明，稀土礦尾砂地理化性質(zhì)差、黏粒含量低、容重大、土壤養(yǎng)分匱乏、保水保肥能力弱。本研究結(jié)果表明，樟樹的株高、地徑、地上部分、地下部分、根長(zhǎng)、生物量等均低于紅壤土，說(shuō)明稀土尾砂條件下樟樹幼苗生長(zhǎng)受到了抑制，這可能與稀土尾砂不保水，肥力差有關(guān)。

表9 稀土尾砂下樟樹葉、莖和根對(duì)N、P、K的吸收 g/kg

葉綠體作為光合作用的部位，能反映植株進(jìn)行光合作用的情況，葉綠素作為光合作用的主要物質(zhì)直接反映植株葉片光合作用的強(qiáng)弱[12]。通過(guò)樟樹幼苗葉片的光合結(jié)果以及葉綠素含量的測(cè)定，結(jié)果顯示在稀土尾砂上生長(zhǎng)的樟樹幼苗，其葉綠素含量、凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、細(xì)胞間CO2濃度及蒸騰速率均低于紅壤土上生長(zhǎng)的。有研究表明植物在逆境下會(huì)使植物色素降低，影響葉綠素的合成，導(dǎo)致葉綠素含量及光合作用下降[13]，這與本研究結(jié)果相符。而可溶性糖含量、蛋白質(zhì)含量、SOD和POD活性高于紅壤土，可溶性糖與蛋白質(zhì)含量高的原因可能是逆境下樟樹通過(guò)調(diào)節(jié)自身蛋白質(zhì)含量用以降低細(xì)胞的滲透性，以抵抗逆境帶來(lái)的傷害；SOD和POD酶活性高可能是樟樹在稀土尾砂條件下遭受到一定脅迫造成的。有研究表明，植物在受到輕度脅迫時(shí)會(huì)激發(fā)體內(nèi)的酶活性升高，若脅迫強(qiáng)度過(guò)大或脅迫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致植株無(wú)法承受，從而使體內(nèi)酶活性遭受抑制而下降[14]。

N、P、K是植物生長(zhǎng)的主要元素，在植株體內(nèi)不同部位進(jìn)行生物循環(huán)用以適應(yīng)不同生長(zhǎng)環(huán)境，三種營(yíng)養(yǎng)元素在植株體內(nèi)的積累與分布可以反映植株對(duì)環(huán)境的響應(yīng)情況。本研究結(jié)果表明稀土尾砂下樟樹的N、K元素的吸收受到抑制，P元素的吸收與對(duì)照差異不顯著，這與株高、地徑、根系、生物量等生長(zhǎng)指標(biāo)受到抑制的結(jié)果相符合。