電解錳渣上苔蘚結(jié)皮對2種草生長的影響

任軍 劉方

摘要：以紫花苜蓿（Medicagosativa）和黑麥草（Loliummultiflorum）為材料，在盆栽條件下探討了不同種類苔蘚結(jié)皮對電解錳渣上能源草種子萌發(fā)及幼苗生長的影響。結(jié)果表明：南亞絲瓜蘚（Pohliagedeana）結(jié)皮和紅蒴真蘚（Bryumatrovirens）結(jié)皮都能促進電解錳渣上2種草種子的萌發(fā)，南亞絲瓜蘚結(jié)皮對黑麥草種子的發(fā)芽率影響程度較大，發(fā)芽率提高了17.78個百分點，紅蒴真蘚結(jié)皮對紫花苜蓿種子的發(fā)芽率影響程度較大，發(fā)芽率提高了34.44個百分點。同時，與對照相比，苔蘚結(jié)皮促進了能源草幼苗的生長，增加了光合色素的含量，降低了過氧化物酶（Peroxidase，POD）活性，為能源植物的生長提供了適宜的環(huán)境。綜合各項發(fā)芽指標、生長指標和生理指標，南亞絲瓜蘚結(jié)皮對能源草的生長促進作用最強，是錳礦廢渣區(qū)生態(tài)修復(fù)理想的生物結(jié)皮，黑麥草的抗逆性強于紫花苜蓿，采用南亞絲瓜蘚結(jié)皮聯(lián)合黑麥草對錳礦廢渣區(qū)進行生態(tài)修復(fù)比較理想。

關(guān)鍵詞：苔蘚結(jié)皮；能源草；生長；電解錳渣；生態(tài)恢復(fù)

中圖分類號：X171.4

文獻標識碼：A

文章編號：1008－0457（2023）04－0033－05

國際DOI編碼：10.15958/j.cnki.sdnyswxb.2023.04.005

電解錳渣（EMR）是采用電解方法由錳礦（通常為碳酸錳礦）獲得金屬錳的過程中產(chǎn)生的廢渣，每生產(chǎn)1t電解錳的同時平均會產(chǎn)生6～10t的電解錳渣。2014年，僅銅仁市產(chǎn)生的電解錳渣約達122.23萬t［1］。電解錳渣中含有高濃度的錳離子、硫酸根、氨氮以及鎘、鋅、鉻、砷等有毒元素，大量電解錳渣的堆放造成了周邊水體及土壤不同程度的污染［2-4］。同時電解錳渣含有機質(zhì)、錳和氮等營養(yǎng)元素或物質(zhì)，具有作為植物生長基質(zhì)或肥料的潛力［5］。目前，采用植物修復(fù)技術(shù)對礦區(qū)進行生態(tài)恢復(fù)已成為熱門，篩選出一種耐性較強的植物是錳礦廢渣區(qū)生態(tài)恢復(fù)的關(guān)鍵。

苔蘚結(jié)皮作為生物結(jié)皮演替的高級階段，具有強大的吸水和保水功能，其特殊的生理代謝特征有利于環(huán)境中重金屬在苔蘚植物體內(nèi)的富集，具有優(yōu)良的抗逆性，苔蘚結(jié)皮在水土保持與礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)方面起著先鋒作用［6-8］。但苔蘚植物較小的生物量及無真正根的形態(tài)特征，限制了其對深層土壤中重金屬的吸收、凈化及生態(tài)恢復(fù)。目前，國內(nèi)外關(guān)于苔蘚結(jié)皮的研究主要集中在沙漠、草原、石漠化地區(qū)，而關(guān)于礦區(qū)苔蘚結(jié)皮的研究主要集中在物種多樣性、大氣環(huán)境監(jiān)測等方面［9-11］，關(guān)于礦區(qū)苔蘚結(jié)皮對維管植物定植能力的影響及其影響機制尚無報道。

能源草是一系列可以作為燃料使用及用作能源生產(chǎn)的草類植物的統(tǒng)稱，多為兩年或多年生叢生草本植物，種類繁多［12］。能源草具有生長迅速、生物質(zhì)產(chǎn)量高、根系發(fā)達、絕對富集量大等特點，在重金屬污染區(qū)種植能源草，能有效的改良土壤結(jié)構(gòu)，提高生物多樣性，可同時實現(xiàn)能源草生物質(zhì)原料生產(chǎn)和重金屬污染土壤修復(fù)的目的［13］。黑麥草（L.multiflorum）生長速度快、生物量大、根系發(fā)達，其木質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)化為生物乙醇的效率較高，是典型的生物質(zhì)能源植物［14-15］。有研究表明，黑麥草能在Cd（鎘）污染土壤中正常生長，是一種重金屬污染土壤修復(fù)的候選材料［16-17］。紫花苜蓿（M.sativa）適應(yīng)性強、生物質(zhì)產(chǎn)量高，木質(zhì)纖維素含量高，是最具開發(fā)潛力的能源植物之一［18］。種子萌發(fā)是植物生命歷程的起點，其萌發(fā)率高低，萌發(fā)參數(shù)改變，皆關(guān)乎植物后期生育狀況、種群動態(tài)乃至競爭格局的走向［19］。有研究表明，錳渣堆場廢棄地重金屬污染嚴重，土壤理化性質(zhì)較差，直接在錳渣堆場廢棄地上用植物進行修復(fù)效果并不理想［20］。因此，本研究選用黑麥草和紫花苜蓿2種能源草，以電解錳渣堆場優(yōu)勢苔蘚植物南亞絲瓜蘚（P.gedeana）結(jié)皮和紅蒴真蘚（B.atrovirens）為典型苔蘚結(jié)皮，探討苔蘚結(jié)皮對電解錳渣堆場上能源草種子萌發(fā)及幼苗生長的影響，旨在明確苔蘚結(jié)皮對能源草定植能力的影響，并揭示其作用機制，為錳礦廢渣區(qū)苔蘚和能源草的聯(lián)合修復(fù)提供依據(jù)。

1材料與方法

1.1供試材料

該縣苔蘚結(jié)皮采樣區(qū)域為銅仁市松桃縣，該縣屬中亞熱帶季風(fēng)氣候，春暖夏涼，四季分明，平均氣溫為16.3℃，年均降水量為1953.86mm，該縣錳礦資源豐富，對典型電解錳渣堆場上自然生長的2種優(yōu)勢苔蘚結(jié)皮（南亞絲瓜蘚和紅蒴真蘚）進行采樣，連同結(jié)皮下10cm厚電解錳渣基質(zhì)一同裝進盆內(nèi)，帶回實驗室。在生長苔蘚結(jié)皮附近的裸地上采集電解錳渣，選擇厚度為10cm進行采集，去除大的石頭及雜質(zhì)，將電解錳渣裝入盆內(nèi)，用于能源草種植。

供試能源草種分別為多年生黑麥草和紫花苜蓿，發(fā)芽率分別是95%、90%。

1.2試驗設(shè)計

本試驗于2020年7月19日至8月20日在貴州大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院樓頂進行。每種能源草種植設(shè)置3個處理，每個處理重復(fù)3次，分別為（1）純電解錳渣；（2）南亞絲瓜蘚結(jié)皮+電解錳渣；（3）紅蒴真蘚結(jié)皮+電解錳渣；以純電解錳渣為對照（CK）。每個處理的每盆中均勻放入30粒種子，在具有苔蘚結(jié)皮的處理中，將種子均勻撒在苔蘚結(jié)皮表面，并用直徑為1cm左右的木棍將種子適當戳入結(jié)皮層，使種子能夠充分接觸到水分與養(yǎng)分。將2個能源草的6個處理，18盆盆栽均在相同條件下進行，利用自然光源進行光照處理，采用蒸餾水對各盆進行澆灌，每周每盆定時澆水，保證生長基質(zhì)濕潤。逐日記錄種子發(fā)芽數(shù)，觀測幼苗生長情況。試驗進行30天后結(jié)束。裸地電解錳渣及附有苔蘚結(jié)皮電解錳渣基本理化性質(zhì)見表1，電解錳渣重金屬含量測定過程的質(zhì)量控制采用環(huán)境土壤標準物質(zhì)ESS-3（GSBZ50013-83）進行。

1.3能源草指標測定

發(fā)芽指標：發(fā)芽率=第7天發(fā)芽粒數(shù)/供試種子數(shù)×100%；發(fā)芽勢=第3天發(fā)芽種子數(shù)/供試種子粒數(shù)×100%；發(fā)芽指數(shù)（GI）=∑（Gt/Dt），Gt為t時間的發(fā)芽粒數(shù)，Dt為相應(yīng)的發(fā)芽天數(shù);

株高：盆栽培養(yǎng)15d后，每盆隨機挑選5株測量其株高，取平均值代表株高；

光合色素：盆栽結(jié)束后，選取新鮮的植物葉片，采用95%乙醇提取，分別于波長470nm、649nm、665nm下測定吸光度并計算光合色素的含量［23］。

丙二醛（MDA）：采用硫代巴比妥酸顯色法［23］。

過氧化物酶（POD）：采用愈創(chuàng)木酚顯色法測定［23］。

1.4電解錳渣理化性質(zhì)測定

滲濾液pH的測定：取滲濾液，采用精密pH計測定。

有機質(zhì)的測定：采用重鉻酸鉀容量法-稀釋熱法［21］。

堿解氮的測定：堿解擴散法［21］。

速效磷的測定：0.05mol/LHCl-0.025mol/L（1/2H2SO4）法。

速效鉀的測定：NH4OAc浸提，采用火焰原子吸收光譜儀測定［21］。

重金屬測定：Mn、Cd、Cu、Zn、Pb采用電感耦合等離子質(zhì)譜儀（ICP-MS）測定［22］。

1.5數(shù)據(jù)處理

運用SPSS23及MicrosoftExcel2016進行數(shù)據(jù)的處理與分析，采用LSD法在0.05水平上進行處理間差異性比較［5］，用Origin軟件進行作圖。

2結(jié)果與分析

2.1苔蘚結(jié)皮對電解錳渣上能源草種子萌發(fā)的影響

將紫花苜蓿、黑麥草種子直接種在電解錳渣上時，黑麥草發(fā)芽率較高，達72.22%，而紫花苜蓿發(fā)芽率只有35.56%。種在附有苔蘚結(jié)皮的電解錳渣上后，2種能源草種子發(fā)芽率均有所提高。與對照組相比，不同苔蘚結(jié)皮均提高了能源草種子的發(fā)芽率，南亞絲瓜蘚結(jié)皮顯著提高了紫花苜蓿和黑麥草種子的發(fā)芽率（P<0.05）；紅蒴真蘚結(jié)皮同樣提高了2種草種子的發(fā)芽率，但對黑麥草種子的提高未達顯著水平。

發(fā)芽勢是測試種子的發(fā)芽速度和整齊度的重要指標，由表2可以看出，不同苔蘚結(jié)皮均提高了紫花苜蓿和黑麥草種的發(fā)芽勢，與對照組相比，均達顯著水平（P<0.05）；2種苔蘚結(jié)皮對能源草種子發(fā)芽勢的影響程度存在差異，南亞絲瓜蘚提高了黑麥草種子的發(fā)芽勢，提高了32.22個百分點，而紅蒴真蘚對紫花苜蓿種子的發(fā)芽勢影響程度最大，提高了40.00個百分點。發(fā)芽指數(shù)是種子的活力指標，不同苔蘚結(jié)皮對能源草種子發(fā)芽指數(shù)的影響趨勢同發(fā)芽勢一致（表2），不同苔蘚結(jié)皮均提高了紫花苜蓿和黑麥草種的發(fā)芽指數(shù)，與對照組相比，均達顯著水平（P<0.05）。

試驗進行15d后，各處理能源草長勢不同，對地上部株高進行測量，發(fā)現(xiàn)苔蘚結(jié)皮能提高植株的地上部生長，但不同苔蘚結(jié)皮影響程度不同，南亞絲瓜蘚對2種草的株高影響較大，與對照組相比，均達顯著水平（P<0.05）。紅蒴真蘚雖然能增加植物株高，但影響程度未達顯著水平。

2.2苔蘚結(jié)皮對電解錳渣上能源草幼苗生理指標的影響

2.2.1光合色素含量

高等植物光合色素主要有2類，分別是葉綠素類和類胡蘿卜素類，其中葉綠素包括葉綠素a和葉綠素b，光合色素含量變化對植物光合特性具有重要意義［24］。苔蘚結(jié)皮對能源草幼苗光合色素的影響見表3，不同處理下，紫花苜蓿幼苗中葉綠素a的含量存在差異，含量范圍為0.53～0.80mg/g，其中南亞絲瓜蘚結(jié)皮中紫花苜蓿葉綠素a含量最高，含量達0.8mg/g，與對照組相比，達顯著水平（P<0.05）；黑麥草幼苗中葉綠素a的含量總體比紫花苜蓿幼苗中葉綠素a含量高，含量范圍為0.93～1.12mg/g，但不同處理間也存在差異，南亞絲瓜蘚結(jié)皮對黑麥草幼苗中葉綠素a含量影響程度最大，含量高達1.12mg/g。紫花苜蓿幼苗中葉綠素b的含量范圍為0.10～0.45mg/g，黑麥草幼苗中葉綠素b的含量范圍為0.20～0.28mg/g，南亞絲瓜蘚結(jié)皮均增加了2種草幼苗中葉綠素b的含量，對紫花苜蓿的影響達顯著水平（P<0.05）。紫花苜蓿和黑麥草中類胡蘿卜素的含量范圍分別是0.10～0.17mg/g、0.22～0.27mg/g，和對照組相比，苔蘚結(jié)皮均增加了幼苗中類胡蘿卜素的含量，但均未達顯著水平。

2.2.2丙二醛含量

丙二醛（MDA）是反映植物脂質(zhì)過氧化程度的指標，是生物膜系統(tǒng)脂質(zhì)過氧化的產(chǎn)物，能夠間接的反映植物在受到外界脅迫時細胞的受損程度，MDA含量越大，膜受損程度越大［25］。從圖1-a中可以看出，紫花苜蓿幼苗中MDA含量高于黑麥草，含量范圍分別為17.18～17.85nmol/g、3.03～10.29nmol/g；與對照處理相比，2種苔蘚結(jié)皮未能降低紫花苜蓿幼苗中MDA的含量，黑麥草幼苗中MDA的含量得到明顯的降低，分別降低了69.87%、62.10%，南亞絲瓜蘚結(jié)皮中黑麥草MDA含量最低，低至3.03nmol/g。該結(jié)果說明，在同一處理下，紫花苜蓿脂質(zhì)過氧化程度比黑麥草大，苔蘚結(jié)皮能有效降低黑麥草幼苗中MDA的含量，苔蘚結(jié)皮為黑麥草的定植提供了有利條件。

2.2.3過氧化物酶活性

植物在受到外界環(huán)境脅迫時，細胞內(nèi)會產(chǎn)生大量活性氧，造成膜系統(tǒng)的損傷，植物自身為避免受活性氧的危害，將主動調(diào)節(jié)抗氧化性酶類活性（SOD、POD和CAT）來清除體內(nèi)的活性氧。植物過氧化物酶（POD）是清除H2O2的重要保護酶［26］。從圖1-b可以看出，不同處理下，紫花苜蓿幼苗中POD活性均高于黑麥草，活性范圍分別是28.33～50.83U/g、24.17～45.00U/g；在2種苔蘚結(jié)皮上生長的紫花苜蓿和黑麥草，其幼苗中POD的活性均低于直接生長在電解錳渣上的植株，南亞絲瓜蘚結(jié)皮中紫花苜蓿和黑麥草幼苗中POD的活性分別降低了44.27%、46.29%，紅蒴真蘚結(jié)皮中分別降低了21.31%、40.73%，和對照處理相比，降低程度均達顯著水平；南亞絲瓜蘚結(jié)皮對能源草幼苗中POD活性的降低程度最大，和紅蒴真蘚相比，對紫花苜蓿幼苗中POD活性的降低程度達顯著水平（P<0.05）。

3結(jié)論與討論

電解錳渣中速效氮含量較高［27］，但由于較低的pH值和重金屬含量超標，電解錳渣堆場植被稀少。野外調(diào)查結(jié)果顯示，電解錳渣只有少部分渣堆上已經(jīng)生長有高等維管植物，且所有高等維管植物生長的區(qū)域均有苔蘚結(jié)皮附著。盆栽試驗發(fā)現(xiàn)，純電解錳渣上紫花苜蓿及黑麥草的發(fā)芽率只有35.56%和72.22%，在附有苔蘚結(jié)皮的電解錳渣上種植時，紫花苜蓿和黑麥草種子的發(fā)芽率最高分別達70.00%和90.00%，分別增加了34.44%、17.78%；從發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)來看，苔蘚結(jié)皮上種植的能源草種子發(fā)芽比較迅速且比較整齊，紅蒴真蘚結(jié)皮對紫花苜蓿的發(fā)芽勢及發(fā)芽指數(shù)提高程度較大，南亞絲瓜蘚結(jié)皮對黑麥草的提高程度最大。蘇延桂等［28-29］提出生物土壤結(jié)皮能促進荒漠植物種子的萌發(fā)，且經(jīng)過濕潤處理的生物結(jié)皮促進效果更加顯著。本研究結(jié)果表明苔蘚結(jié)皮能促進種子植物的萌發(fā)，同前人研究結(jié)果一致。苔蘚結(jié)皮在電解錳渣上著生后，淺層電解錳渣pH值及養(yǎng)分含量均得到了提高，同時苔蘚植物對Mn具有較強的吸收作用［30］，苔蘚結(jié)皮有效的降低了電解錳渣中的Mn和Pb的含量，附有苔蘚結(jié)皮的電解錳渣具備了種子萌發(fā)及生長的水分及養(yǎng)分條件，從而促進了能源草種子的萌發(fā)。同時黑麥草對Cd具有較強的富集能力，可作為礦區(qū)重金屬修復(fù)的候選植物［31］。

葉片是綠色植物進行光合作用的器官，葉片中葉綠素含量的高低對植物的生長發(fā)育起重要作用，反映了植物光合作用的強弱和能力，也可用葉綠素含量來反映逆境脅迫下植物組織、器官的衰老狀況［32-33］。莊偉偉等［34］研究結(jié)果表明，在西北荒漠地區(qū)，生物結(jié)皮區(qū)的草本植物葉綠素含量均高于去除生物結(jié)皮區(qū)的草本植物。本研究得出了類似的結(jié)果，在附有苔蘚結(jié)皮的電解錳渣上生長的紫花苜蓿和黑麥草，其幼苗中葉綠素a含量和總?cè)~綠素含量都高于各自的純電解錳渣對照組，且在南亞絲瓜蘚結(jié)皮上生長的能源草中葉綠素a和總?cè)~綠素含量高于紅蒴真蘚結(jié)皮上生長的能源草，這可能和苔蘚種類及其生理特性有關(guān)；同時，結(jié)果顯示黑麥草葉綠素含量高于紫花苜蓿。類胡蘿卜素是光合作用中不可缺少的輔助色素，其作用是將吸收的光能傳遞給葉綠素，還具有保護作用，本研究中苔蘚結(jié)皮均增加了2種能源草的類胡蘿卜素含量。該結(jié)果說明苔蘚結(jié)皮能促進植物的生長，黑麥草的抗逆性高于紫花苜蓿。

MDA含量是鑒別植物細胞膜破壞程度的指標之一。本研究結(jié)果顯示，不同處理下，紫花苜蓿中MDA的含量均高于黑麥草，與對照組相比，苔蘚結(jié)皮并未降低紫花苜蓿中MDA的含量，而黑麥草中MDA的含量明顯降低。植物在受到外界環(huán)境脅迫時，將主動調(diào)節(jié)POD的活性，起到保護作用。苔蘚結(jié)皮均顯著降低了2種能源草中POD的活性，說明在電解錳渣上苔蘚結(jié)皮能有效的促進能源草幼苗的生長，為能源草的生長提供了適宜的環(huán)境。

本文研究了苔蘚結(jié)皮對2種能源草種子萌發(fā)及幼苗生長的影響，結(jié)果顯示，苔蘚結(jié)皮對能源草種子的萌發(fā)及幼苗生長均起到了促進作用，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

苔蘚結(jié)皮均提高了紫花苜蓿和黑麥草的發(fā)芽指標，南亞絲瓜蘚結(jié)皮對黑麥草的影響程度較大，紅蒴真蘚結(jié)皮對紫花苜蓿的發(fā)芽指標影響較大。

苔蘚結(jié)皮促進了能源草幼苗的生長，增加了光合色素的含量，降低了POD活性，為草本植物的生長提供了適宜環(huán)境。

南亞絲瓜蘚結(jié)皮對能源草的生長促進作用最強，是錳礦廢渣區(qū)生態(tài)修復(fù)的理想生物結(jié)皮；黑麥草的抗逆性強于紫花苜蓿，采用南亞絲瓜蘚結(jié)皮聯(lián)合黑麥草對錳礦廢渣區(qū)進行生態(tài)修復(fù)比較理想。

（責任編輯：段麗麗）

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