稀土尾砂對樟樹和任豆幼苗生長及元素吸收的影響

肖祖飛，張北紅，王顏波，金志農(nóng)，李 鳳，張 琴，馬一丹

（1.南昌工程學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.國家林業(yè)和草原局木本香料(華東)工程技術(shù)研究中心，江西南昌330099）

稀土作為我國重要的有色金屬資源，廣泛分布于南方的贛南、粵北、閩西等地.南嶺山區(qū)既是我國重要的稀土產(chǎn)地，也是長江流域和珠江流域重要的水源區(qū)，稀土尾砂治理不當，將對下流土壤和水域造成嚴重污染.目前，國內(nèi)外專家對稀土尾砂的治理已經(jīng)開展了部分研究，并取得一定效果.有研究表明，百喜草、狼尾草、彎葉畫眉草和狗牙根適應(yīng)南方稀土尾砂分布區(qū)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)域應(yīng)以百喜草為主，肥力較差區(qū)域應(yīng)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].芙蓉李能夠提高稀土尾砂含水量，增加稀土尾砂的N、P 和K 的含量，同時可以增加果實維生素C 和總糖含量，提高果實品質(zhì)[3].也有研究中草藥對贛南尾砂的治理，結(jié)果表明紫珠草、梔子、果桑和金銀花在生長力、耐干旱和耐貧瘠等方面表現(xiàn)較好，適宜用于贛南稀土尾砂的治理[4].樟樹（Cinnamomum camphora）是樟科樟屬常綠高大喬木，原產(chǎn)于我國東南及西南各地[5]，是我國重要的經(jīng)濟樹種，也是長江流域重要的鄉(xiāng)土樹種，樟樹適應(yīng)性強，具有較強的抗性[6-8].任豆（Zenia insignis）是豆科任豆屬落葉喬木，國家二級重點保護植物，主要分布于中亞熱帶與南亞熱帶之間的廣西、廣東、云南、湖南和貴州等地[9].任豆的適應(yīng)能力較強，生長迅速，根系發(fā)達，能耐干旱瘠薄，是巖溶石漠化地區(qū)優(yōu)良造林樹種[10-11].本文以樟樹和任豆為1年生實生苗為材料，采用盆栽控制試驗，研究稀土尾砂對樟樹和任豆幼苗的生長及元素吸收的影響，以期為稀土尾砂的治理提供支撐.

1 材料與方法

1.1 試驗材料

稀土尾砂來自江西省尋烏縣.樟樹和任豆為1年生實生苗，生長健壯、長勢一致.栽培盆選用外口徑29 cm、內(nèi)口徑25 cm、高26 cm的塑料盆.

1.2 試驗設(shè)計

試驗場地設(shè)置在我校園林實訓基地.2016 年4月5日對任豆進行上盆，之后進行緩苗.試驗于2016年5 月5 日開始，同年9 月5 日結(jié)束.每盆裝基質(zhì)8 kg，每盆栽苗1 株，栽前對每株苗木株高和地徑進行測定.任豆和樟樹盆栽各30 盆.根據(jù)盆中水分狀況，進行澆水管理，以保證植物正常生長.

1.3 測定指標與方法

2016 年8 月14 日上午9:00-11:30 測定光合，樟樹和任豆各挑選3 株具代表性的植株，每株再選出有代表性的當年生成熟葉片3 片（枝條頂部開始第5～6 片葉片）為待測材料，采用Li-6400XT 光合儀進行測定，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)，光源為儀器的紅藍光，葉室大小為(2×3) cm，光照強度為1 000 μmol/(m2·s)，測定溫度設(shè)為25 ℃，氣源為試驗區(qū)3 m 以外的空氣.同時，樟樹和任豆各隨機挑取6 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，根系選取二級側(cè)根，迅速包好放入液氮罐保存，帶回實驗室測定葉綠素和類胡蘿卜素、POD、SOD、可溶性糖和總蛋白，其中POD 活性采用愈創(chuàng)木酚法測定，SOD 活性采用氮藍四唑法測定，葉綠素和類胡蘿卜素含量采用丙酮浸提法測定，可溶性糖采用蒽酮比色法[12-13]，總蛋白含量采用南京建成生物工程研究所的試劑盒測定.

2016年9月5日試驗結(jié)束，將剩下的試驗苗整體挖出，先用自來水洗凈，再用去離子水沖洗，晾干植株表面離子水，測量株高、地徑和鮮重，之后將地上部分與地下部分分開，分別測定鮮重，用根系分析儀WinRHIZO 掃描根系，再在105 ℃下殺青0.5 h，80 ℃下烘至恒量，干樣品用于營養(yǎng)元素和重金屬的測定.將干樣品磨碎，然后過0.25 mm 篩，先用濃H2SO4-H2O2消煮植物樣品，獲得待測液.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法測定；重金屬（Cu、Zn、Pd、Cd）采用干灰化-原子吸收分光光度計法測定.

栽培基質(zhì)各指標測定方法如下[14]：pH 采用pH計法（水土比為2.5∶1），有機質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法，全N、堿解N 采用堿解擴散法，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-火焰分光光度計法，速效K 采用NH4OAc 浸提-火焰分光光度計法，重金屬采用HF-HNO3-HClO4消煮-原子吸收分光光度法測定.

1.4 數(shù)據(jù)分析

所有實驗數(shù)據(jù)先用Excel 2010 計算、整理，再用SPSS 19.0 對樟樹和任豆的株高、地徑、生物量等分別進行單因素方差分析（one?way ANOVA），顯著性水平為0.05.

2 結(jié)果與分析

2.1 稀土尾砂理化性質(zhì)

表1 顯示，稀土尾砂容重為2.25 g/cm3，容重大；電導(dǎo)率高達79.12 dS/m，是未破壞地紅壤土（6.90 dS/m）的10 倍多；pH 值4.8，屬于強酸性；有機碳1.00 g/kg、全氮0.22 g/kg、堿解氮20.18 mg/kg、全磷0.13 g/kg、速效磷2.27 mg/kg、全鉀64.23 g/kg、速效鉀225.97 mg/kg，稀土尾砂比較貧瘠，植物生長所需營養(yǎng)元素不足；重金屬銅含量1.64 mg/kg、鋅含量86.92 mg/kg 和鎘含量0.11 mg/kg，均在土壤自然背景值范圍內(nèi)，鉛含量48.36 mg/kg，高于土壤自然背景值（35 mg/kg）.

2.2 稀土尾砂對樟樹和任豆幼苗生長的影響

（1）稀土尾砂對樟樹和任豆幼苗株高和地徑的影響.表2 統(tǒng)計表明，任豆株高凈生長10.92 cm，樟樹株高凈生長4.28 cm，任豆株高凈生長是樟樹的2.5 倍；樟樹和任豆地徑凈生長分別為0.15 cm 和0.12 cm，二者差異不顯著，可見稀土尾砂對樟樹和任豆幼苗株高生長影響較大，對地徑生長影響較小，任豆幼苗株高生長顯著優(yōu)于樟樹.

表1 稀土尾砂理化性質(zhì)

表2 稀土尾砂對樟樹和任豆幼苗株高、地徑的影響（平均值±標準誤差，下同）

（2）稀土尾砂對樟樹和任豆幼苗根系生長的影響.由表3 可知，任豆和樟樹單株平均總根長分別為3 152.49 cm 和1 995.06 cm、根面積分別為582.30 cm2和437.96 cm2、根 體積分別為8.61 cm3和7.65 cm3、細根直徑分別為0.71 mm 和0.60 mm.表明稀土尾砂對樟樹和任豆幼苗單株總根長、根面積和根體積影響較大，對單株平均細根直徑影響較小，且任豆幼苗單株平均總根長、根面積和根體積顯著大于樟樹，任豆幼苗根系生長顯著好于樟樹.

表3 稀土尾砂對樟樹和任豆幼苗根系生長的影響

（3）稀土尾砂對樟樹和任豆幼苗單株生物量的影響.圖1 顯示，生長在稀土尾砂上的樟樹和任豆幼苗單株地上部分鮮重分別為2.97 g 和2.86 g，地下部分鮮重分別為2.35 g 和2.56 g，根冠比分別為0.79和0.89，總生物量分別為5.33 g和5.42 g，樟樹和任豆生物量各指標間差異不顯著.

圖1 稀土尾砂對樟樹和任豆幼苗單株平均生物量的影響

綜上可知，樟樹和任豆均能在稀土尾砂上生長，任豆在株高、單株平均總根長、根面積、根體積方面好于樟樹，地徑、單株平均細根直徑、地上部分鮮重、地下部分鮮重和總生物量二者之間差異不顯著.即任豆在稀土尾砂上生長指標好于樟樹.

2.3 稀土尾砂對樟樹和任豆幼苗生理生化指標的影響

（1）稀土尾砂對樟樹和任豆幼苗葉片葉綠素和類胡蘿卜素含量的影響.由圖2 可知，生長在稀土尾砂上的任豆葉片中葉綠素a含量為1.13 mg/kg、總?cè)~綠素1.57 mg/kg，葉綠素/類胡蘿卜素為6.63，是樟樹葉片的近2 倍；任豆葉片中葉綠素b 為0.44 mg/kg，是樟樹的2.5 倍；任豆葉片葉綠素a/葉綠素b為2.56，顯著低于樟樹葉片；而任豆和樟樹葉片類胡蘿卜素二者之間差異不顯著.由此可見，稀土尾砂對樟樹和任豆幼苗葉片葉綠素的影響較大，且任豆葉綠素a、葉綠素b 和總?cè)~綠素含量顯著高于樟樹，這與任豆在稀土尾砂上生長勢優(yōu)于樟樹一致.

圖2 稀土尾砂對樟樹和任豆幼苗葉片葉綠素和類胡蘿卜素含量的影響

（2）稀土尾砂對樟樹和任豆幼苗葉片光合作用的影響.表4 表明，生長在稀土尾砂上的任豆葉片的凈光合速率、蒸騰速率分別為12.57 μmol/(m2·s)、2.61 mmol/(m2·s)，與樟樹相比，分別增加了17.98%、22.61%，而氣孔導(dǎo)度和胞間CO2濃度差異不顯著.可見稀土尾砂對樟樹和任豆幼苗葉片凈光合速率和蒸騰速率影響較大，任豆幼苗葉片凈光合速率和蒸騰速率顯著高于樟樹，這與任豆生長指標、葉片葉綠素指標優(yōu)于樟樹一致.

表4 稀土尾砂對樟樹和任豆幼苗光合作用的影響

（3）稀土尾砂對樟樹和任豆幼苗葉和根中可溶性糖和總蛋白含量的影響.表5 顯示，生長在稀土尾砂上的樟樹和任豆幼苗葉片和根中可溶性糖和總蛋白含量差異不顯著.樟樹幼苗葉片和根中可溶性糖含量略低于任豆；而任豆葉中總蛋白含量略高于樟樹，根中總蛋白則略低于樟樹.

表5 稀土尾砂對樟樹和任豆幼苗葉片和根中可溶性糖和總蛋白含量的影響

（4）稀土尾砂對樟樹和任豆幼苗葉和根中SOD和POD含量的影響.表6的統(tǒng)計說明，生長在稀土尾砂上的樟樹和任豆幼苗葉片和根中的POD 活性和SOD 活性差異不顯著.樟樹葉片中POD 活性略高于任豆，根中POD 活性略低于任豆；任豆葉和根中SOD活性略高于樟樹.

2.4 稀土尾砂對樟樹和任豆幼苗葉、莖和根中N、P和K含量的影響

圖3 顯示，生長在稀土尾砂上的樟樹和任豆葉、莖和根中N、P 和K 含量低，N、P 和K 在樟樹和任豆葉、莖和根中的分布也有差異.任豆葉、莖和根中N的含量高于樟樹，但二者之間差異不顯著；任豆葉、莖中P和K的含量顯著高于樟樹，而根中P和K二者差異不顯著.任豆和樟樹根、莖和葉中N、P 和K 的含量均為：葉＞莖＞根，根部吸收的N、P 和K 大部分運輸?shù)降厣喜糠?，供地上部分生長所需.

表6 稀土尾砂對樟樹和任豆幼苗葉片和根中POD和SOD含量的影響

圖3 稀土尾砂對樟樹和任豆幼苗葉、莖和根中N、P和K富集的影響

2.5 樟樹和任豆幼苗對稀土尾砂中重金屬的吸收

由表7 可見，樟樹和任豆幼苗對稀土尾砂中Cu、Zn、Pb 和Cd 的吸收規(guī)律相似，根據(jù)吸收量大小依次為Zn、Pb、Cu、Cd，且Cu、Pb 和Cd 主要富集在地下部分，Zn主要富集在地上部分.任豆對Zn的富集顯著高于樟樹，對Cu、Pb 和Cd 的富集略高于樟樹，這與任豆長勢好于樟樹相一致，任豆可能對稀土尾砂的抗性強于樟樹.

表7 樟樹和任豆幼苗對稀土尾砂中重金屬的吸收

3 討論與結(jié)論

我國擁有豐富的稀土資源，在稀土開采過程中不僅會破壞當?shù)氐闹脖?，而且會產(chǎn)生大量的稀土尾砂；在稀土提取過程中，大量使用硫酸銨、硝酸銨、碳酸銨等溶液沖洗，使尾砂的理化性質(zhì)遭到嚴重破壞，容易隨水土的流失污染周邊環(huán)境，造成嚴重生態(tài)危害.測定稀土尾砂的理化性質(zhì)后發(fā)現(xiàn)，稀土尾砂的容重大（2.25 g/cm3）、電導(dǎo)率高（79.12 dS/m）、呈強酸性（pH4.8）；有機碳、全氮、全磷、速效磷、全鉀含量較低，不能滿足植物生長對營養(yǎng)元素的需求；重金屬銅、鋅和鎘的含量雖然均在土壤自然背景值范圍內(nèi)，但鉛含量（48.36 mg/kg）高于土壤自然背景值（35 mg/g），不適宜大部分植物生長.因此，在稀土尾砂上種植植物需選取生長快、抗性強的樹種.

目前，植物修復(fù)技術(shù)是稀土尾砂治理中常用的方法，具有穩(wěn)定性好、應(yīng)用性強、可行性高等優(yōu)點，是一種低投入、可持續(xù)的綠色修復(fù)技術(shù)[15].樟樹是長江流域重要的鄉(xiāng)土樹種，適應(yīng)性強、抗性強.任豆適應(yīng)能力較強，生長迅速，根系發(fā)達，能耐干旱瘠薄，是石漠化地區(qū)優(yōu)良造林樹種.本文以樟樹和任豆1 年生幼苗為材料，研究樟樹和任豆幼苗在稀土尾砂上生長及元素吸收情況，結(jié)果表明，樟樹和任豆幼苗可以生長在稀土尾砂上，任豆株高生長顯著高于樟樹，是樟樹的2.5 倍；任豆單株平均總根長、單株平均根面積、單株平均根體積顯著高于樟樹；樟樹和任豆地上部分、地下部分、根冠比、總生物量之間差異不顯著.因此，從生長指標來看，任豆在稀土尾砂上生長略優(yōu)于樟樹，這可能與任豆是速生樹種[16]、樟樹是中慢生樹種有關(guān)，也有可能是任豆對稀土尾砂的抗性略強于樟樹.

葉綠素含量與植物的營養(yǎng)狀況、光合作用密切相關(guān)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，進而影響到植物的光合作用[17].本試驗研究結(jié)果表明，任豆葉片葉綠素a、總?cè)~綠素和葉綠素/類胡蘿卜素是樟樹的近2倍，葉綠素b是樟樹的2.5倍，這與任豆凈光合速率顯著高于樟樹基本一致.

可溶性糖和總蛋白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[18-19]，超氧化物歧化酶（SOD）和過氧化物酶（POD）是植物體內(nèi)重要的保護酶，能夠清除由逆境產(chǎn)生的活性氧對膜質(zhì)過氧化造成的傷害[20-22].本試驗研究結(jié)果表明，任豆和樟樹葉片和根中可溶性糖含量、總蛋白含量、SOD 活性和POD 活性差異不顯著，各項值均略偏高，樟樹和任豆可能在稀土尾砂尾砂上生長遭到脅迫，這與之前研究基本一致[8].

氮、磷和鉀是植物生長的重要營養(yǎng)元素，在植物的生長過程中發(fā)揮重要作用.生長在稀土尾砂上的任豆和樟樹葉、莖和根中N、P 和K 含量均不高，這與稀土尾砂本身肥力不足有關(guān)（表1），任豆葉、莖和根中N 的含量高于樟樹，P 和K 的含量也高于樟樹，且葉片中P 和K 的含量均顯著高于樟樹，有利于任豆的生長，這與任豆長勢略好于樟樹相一致.有研究表明，任豆是石山造林的優(yōu)良樹種[23]，任豆對重金屬Cu2+、Zn2+、Cd2+、Pd2+有較強的抗性[24].試驗研究表明，樟樹和任豆幼苗對稀土尾砂中Cu、Zn、Pb 和Cd的吸收規(guī)律相似，吸收量大小依次為Zn、Pb、Cu、Cd，這可能與稀土尾砂中Zn和Pb含量較高有關(guān)，也可能與樟樹和任豆對Zn的需求量大有關(guān).Cu、Pb和Cd 主要富集在地下部分，Zn 主要富集在地上部分，這可能是因為Zn 在植物體內(nèi)比較容易移動，而Cu、Pb 和Cd 比較難轉(zhuǎn)移有關(guān)，也有可能樟樹和任豆對重金屬的吸收屬于根部囤積型.任豆對Zn 的富集高于樟樹，對Cu、Pb 和Cd 的富集略高于樟樹，這與任豆長勢好于樟樹一致，任豆可能對稀土尾砂的抗性強于樟樹.總之，任豆和樟樹可用于稀土尾砂的治理，任豆對稀土尾砂的抗性強于樟樹.