紫花苜蓿對蛭石改良某煤礦表土替代材料的響應(yīng)*

位蓓蕾 陳玉玖 胡振琪 林 杉 楊 潔 李 耀

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)土地復(fù)墾與生態(tài)重建研究所;2.礦山生態(tài)安全教育部工程研究中心;3.神華寶日希勒能源有限公司)

我國大型露天煤礦多處于干旱、半干旱的生態(tài)脆弱區(qū)，露天開采方式會損毀當(dāng)?shù)氐谋硗翆优c植被，長期開采不僅會損毀大量土地資源，還會嚴(yán)重破壞當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境。因此露天礦區(qū)土地復(fù)墾與生態(tài)重建是當(dāng)?shù)匾豁?xiàng)十分緊迫的任務(wù)［1］。選擇適宜的復(fù)墾用土是完成該任務(wù)的關(guān)鍵。當(dāng)露天礦區(qū)表土層極薄，不能滿足儲存再利用時，從上覆巖層的剝離物中選擇適宜的表土替代材料進(jìn)行科學(xué)的改良，是完成礦區(qū)土地復(fù)墾與生態(tài)恢復(fù)經(jīng)濟(jì)合理的模式［2-5］。本試驗(yàn)以某露天煤礦上覆巖層的褐土層為改良對象，以紫花苜蓿的生長性能和抗逆性能為評價指標(biāo)研究蛭石對褐土的改良效果，并篩選適宜的蛭石添加量。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)供試土壤為某礦區(qū)提供的褐土，屬于重黏土，改良劑為蛭石(由靈壽縣川石礦產(chǎn)加工廠提供)，褐土和蛭石的化學(xué)特性見表1。盆栽植物為中國農(nóng)業(yè)大學(xué)提供的紫花苜蓿。

表1 土壤及改良劑理化性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與盆栽試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)采用單因素隨機(jī)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，以當(dāng)?shù)氐谋硗磷鳛閷φ战M(DZ處理)，褐土作為改良對象，蛭石對干土的添加量設(shè)置為0、10、30、50 g/kg 4個水平(分別稱作V0、V10、V30、V50處理)，每個水平設(shè)置3個重復(fù)。

褐土經(jīng)風(fēng)干、過2 mm篩后，與蛭石按添加比例混合均勻置于直徑為15 cm的塑料盆中，加去離子水造墑，平衡2周后播種。苜蓿種子用去離子水在表面皿催芽24 h后，均勻地播于上述塑料盆中，每盆20粒，4周后測定紫花苜蓿的生理及生長指標(biāo)。

1.3 測定指標(biāo)與方法

將作物根部沖洗干凈后，用吸水紙吸干根系表面水分，用直尺測得其主根長;生物量采用刈割稱質(zhì)量法測定其鮮質(zhì)量，再用去離子水洗凈，在105℃下殺青15 min，在70℃下烘48 h，稱干質(zhì)量;葉面積采用LI－3000型葉面積儀測定;作物株高的測定在每個處理中隨機(jī)選取3株紫花苜蓿，測量其自然高度，取平均值記為該處理的平均株高［6］;葉綠素含量的測定采用SPAD－502型葉綠素儀測定;葉片超氧化物歧化酶(SOD)活性采用氮藍(lán)四唑染色法測定;葉片過氧化物酶(POD)活性采用愈創(chuàng)木酚染色法測定;葉片過氧化氫酶(CAT)活性采用紫外吸收法測定［7-8］;可溶性蛋白含量用考馬斯亮藍(lán)法測定;細(xì)胞膜透性采用電導(dǎo)法測定［9］。

1.4 計(jì)算公式

1.4.1 葉片超氧化物歧化酶活性ASOD

式中，A0為照光對照管的吸光度值;AS為樣品管的吸光度值;VT為樣液總體積，mL;V1為測定時樣品用量，mL;FW為樣品鮮質(zhì)量，g。

1.4.2 葉片過氧化物酶活性APOD式中，ΔOD240為平均每分鐘的消光度變化值;n為酶液稀釋倍數(shù);其他同上。

1.4.3 葉片過氧化氫酶活性ACAT

1.4.4 細(xì)胞膜透性

細(xì)胞膜透性用葉片的相對電導(dǎo)率L表示，

式中，S1為初電導(dǎo)，S2為終電導(dǎo)，S0為去離子水空白電導(dǎo)。

1.4.5 可溶性蛋白

可溶性蛋白含量(C')

式中，C為標(biāo)準(zhǔn)曲線所得蛋白含量，mg;其他同上。

1.5 統(tǒng)計(jì)分析

利用Excel 2010和SPSS17.0統(tǒng)計(jì)軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。利用Origin Pro 8.5軟件繪制圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 蛭石對紫花苜蓿生長性能的影響

作物的葉面積、葉綠素、株高、根長、生物量是表示作物生長量的基本指標(biāo)，也是作物生理研究和作物生產(chǎn)中經(jīng)常需要測定的基本項(xiàng)目［9］。

2.1.1 對葉面積、葉綠素的影響

葉面積直接影響到作物進(jìn)行光合作用的面積，進(jìn)而影響作物的生物量［9］。由圖1可知，DZ組與添加蛭石的處理，對紫花苜蓿葉面積存在差異顯著(P＜0.05)，其中DZ處理中紫花苜蓿的葉面積是V0處理的2.24倍，說明當(dāng)?shù)乇硗僚c表土替代材料相比，對紫花苜蓿葉面積影響效果差異明顯，表土替代材料需進(jìn)行適當(dāng)改良。隨著蛭石量的增加，紫花苜蓿在苗期的葉面積顯著增大，當(dāng)褐土中蛭石對干土添加量達(dá)到50 g/kg時，葉面積達(dá)到194.58 mm2，顯著高于對照組。究其原因在于植株葉面積的大小取決于土壤養(yǎng)分含量(有效氮、有效磷等)與養(yǎng)分運(yùn)輸?shù)饺~片的效率。蛭石本身含有一定養(yǎng)分(見表1)且具有疏松土壤、涵養(yǎng)水分的作用，因此隨著蛭石添加量的增加，紫花苜蓿葉面積增大，這與鐘繼洪等人［10］的研究結(jié)果一致。

圖1 不同添加量蛭石對紫花苜蓿葉面積及葉綠素的影響

葉綠素是光合作用中將光能變?yōu)榛瘜W(xué)能的關(guān)鍵物質(zhì)，本試驗(yàn)結(jié)果為各處理組葉綠素的含量在35.6～33.03 SPAD，各處理組間無顯著性差異(P＞0.05)說明蛭石對于紫花苜蓿葉綠素含量影響不大。這與李敬蕊等［11］對茄子幼苗葉色指數(shù)的影響不存在顯著差異的研究結(jié)果相一致。

2.1.2 對株高、根長的影響

由圖2可知，DZ組與V0處理相比，對紫花苜蓿株高存在差異顯著(P＜0.05)，其中DZ處理中紫花苜蓿的株高是V0處理的1.66倍。隨著改良劑蛭石的加入，紫花苜蓿的株高明顯增加，且蛭石的添加量與植株的株高之間呈二次曲線增長，當(dāng)蛭石對土的添加量為10 g/kg時，株高達(dá)118.73 mm，優(yōu)于當(dāng)?shù)乇硗粒鳹30處理明顯低于V10和V50處理，同時V10處理與V50處理間不存在顯著差異(P＞0.05)，可見當(dāng)蛭石對干土添加量為10 g/kg時可以達(dá)到提高紫花苜蓿株高的目的。

對于植株根長，當(dāng)?shù)乇硗僚c添加蛭石的處理間存在顯著差異(P＜0.05)，且DZ處理中植株的根長是未改良處理V0組的1.59倍。當(dāng)表土替代材料中添加蛭石后，植株的根長明顯增加，當(dāng)其對干土添加量為10 g/kg時植株根長達(dá)72.37 mm，顯著高于當(dāng)?shù)乇硗痢?/p>

圖2 不同添加量蛭石對紫花苜蓿根長及株高的影響

2.1.3 對生物量的影響

植株的生物量主要包括鮮質(zhì)量和干質(zhì)量兩部分，由圖3可知，DZ組與V0處理相比，對紫花苜蓿生物量的影響存在差異顯著(P＜0.05)，其中DZ處理中紫花苜蓿的鮮質(zhì)量、干質(zhì)量分別是V0處理的3.41、2.54倍。當(dāng)蛭石作為改良劑添加到表土替代材料中時，對紫花苜蓿生物量具有顯著影響(P＜0.05)，其中當(dāng)蛭石添對干土加量為10 g/kg時，紫花苜蓿的生物量顯著高于對照組和其他處理組，以此說明當(dāng)蛭石對干土添加量為10 g/kg時，有利于紫花苜蓿的生長，這與蛭石對紫花苜蓿的株高和根長的影響是一致的。

圖3 不同添加量蛭石對紫花苜蓿鮮質(zhì)量、干質(zhì)量的影響

2.2 對抗逆性能的影響

本試驗(yàn)中研究區(qū)位于氣候惡劣的半干旱地區(qū)，研究改良劑對于作物抗逆性能的影響十分必要。本試驗(yàn)測定了超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)和過氧化物酶(POD)酶的活性及可溶性蛋白和細(xì)胞膜透性等指標(biāo)，研究蛭石對作物抗逆性能的影響。

2.2.1 蛭石對SOD活性的影響

在植物酶保護(hù)系統(tǒng)中，SOD處于核心地位，SOD酶主要清除植物體內(nèi)的氧自由基，增強(qiáng)膜的穩(wěn)定性［9］。由圖4可知，DZ處理時葉片ASOD是V0處理的5.44倍，顯著的高于V0處理(P＜0.05)，當(dāng)蛭石添加量為10 g/kg時，ASOD為104.37 unit/g，與DZ處理相比無顯著差異(P＞0.05)，而添加量為30 g/kg和50 g/kg處理與V0相比，有增高的趨勢，但差異不顯著(P＞0.05)。表明褐土中蛭石添加量為1 0 g/kg可有效地提高紫花苜蓿ASOD。其原因在于SOD屬于金屬酶類，主要以Fe－SOD，Mn－SOD和Cu/Zn－SOD的形式存在，蛭石中K、Mg、Ca、Fe等常量元素與Mn、Cu、Zn等微量元素含量較高［12-13］，即使較低的添加量就能達(dá)到提高紫花苜蓿的ASOD的效果，SOD活性增大提高了植株對凍害、干旱等逆境的耐受性［14-15］。

圖4 不同添加量蛭石對紫花苜蓿A SOD、A POD、A CAT的影響

2.2.2 對POD、CAT活性的影響

POD和CAT的主要作用都是清除作物體內(nèi)的H2O2

［16］。由圖4可知，DZ處理中葉片的APOD顯著高于V0處理，當(dāng)蛭石添加量為10 g/kg時，紫花苜蓿葉片APOD為419.67 unit/g與表土處理(414.56 unit/g)之間無顯著差異(P＞0.05)，表明褐土中蛭石添加量為10 g/kg可以有效地提高紫花苜蓿葉片APOD。

由圖4可知，DZ處理紫花苜蓿ACAT是V0處理的3.77倍，當(dāng)蛭石對干土添加量為10 g/kg時，與添加量為50 g/kg處理組之間無顯著差異(P＞0.05)，顯著高于對照組和蛭石添加量為0和30 g/kg的處理組(P＜0.05)，表明褐土中蛭石添加量為10 g/kg即可達(dá)到提高紫花苜蓿葉片ACAT的效果。蛭石添加量為10 g/kg時對褐土改良的效果明顯，這與蛭石中富含F(xiàn)e等微量元素有關(guān)，F(xiàn)e元素2個價態(tài)之間的轉(zhuǎn)換構(gòu)成了活細(xì)胞內(nèi)最重要的氧化還原系統(tǒng)，其中Fe3+對過氧化氫酶既有激活作用，又有抑制作用，這種作用與Fe3+的濃度有關(guān)，如Fe3+的濃度較低時，CAT活性升高，濃度增大時，CAT活性下降，當(dāng)蛭石添加量為10 g/kg時較為適宜，CAT活性達(dá)其峰值，可以有效地提高植株的抗逆性［17-18］。

2.2.3 對可溶性蛋白、細(xì)胞膜透性的影響

植物體內(nèi)的可溶性蛋白質(zhì)大多數(shù)是參與各種代謝的酶類，其含量是了解植物體總代謝的一個重要指標(biāo)［6］。本次試驗(yàn)中葉片對照組紫花苜蓿葉片可溶性蛋白濃度為70.12 mg/g，顯著高于其他各處理組(P＜0.05);但試驗(yàn)組中各處理組間紫花苜蓿葉片可溶性蛋白濃度無顯著差異(P＞0.05)，說明蛭石對紫花苜蓿葉片可溶性蛋白濃度的影響不大，土質(zhì)才是影響紫花苜蓿葉片可溶性蛋白含量的主要原因。

植物葉片的相對電導(dǎo)率越大，說明細(xì)胞膜的選擇透過性受損越大［6］。由表2可知褐土中蛭石的添加量為50 g/kg，葉片的相對電導(dǎo)率為0.21，顯著低于其他處理(P＜0.05)，表明蛭石添加量為50 g/kg時，葉片細(xì)胞膜選擇透過性受損最小，同時細(xì)胞膜透性隨著蛭石添加量的增加而降低(表2)，其原因在于蛭石具有良好的蓄水和陽離子交換性，能有效地降低土壤中的鹽分，進(jìn)而達(dá)到較好的改良效果［19］。

表2 不同處理對可溶性蛋白及細(xì)胞膜透性影響

3 結(jié)論

(1)蛭石作為改良劑，對紫花苜蓿的葉面積、株高、根長、生物量、SOD活性、POD活性、CAT活性、細(xì)胞膜透性等品質(zhì)的提高均有顯著效果，但其添加量與作用結(jié)果不存在線性相關(guān)關(guān)系，對紫花苜蓿葉片葉綠素含量和可溶性蛋白濃度無顯著影響。

(2)褐土中蛭石對干土添加量為10 g/kg時最有利于紫花苜蓿生長和抗逆性能的發(fā)揮，此添加量對褐土具有較好的改良效果。

［1］ 王金滿，楊睿璇，白中科.草原區(qū)露天煤礦排土場復(fù)墾土壤質(zhì)量演替規(guī)律與模型［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2012，28(14)，229-234.

［2］ 付梅臣，陳秋計(jì).礦區(qū)生態(tài)復(fù)墾中表土剝離及其工藝［J］.金屬礦山，2004(8):63-65.

［3］ 才慶祥，高更君，尚 濤.露天礦剝離與土地復(fù)墾一體化作業(yè)優(yōu)化研究［J］.煤炭學(xué)報，2002，27(3):276-280.

［4］ 胡振琪.采煤沉陷土地資源的管理與復(fù)墾［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，1996.

［5］ 趙景逵.礦區(qū)土地復(fù)墾技術(shù)與管理［M］.北京:農(nóng)業(yè)出版社，1993.

［6］ 張志良，瞿偉菁.植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)［M］.北京:高等教育出版社，2003:213-214.

［7］ 李合生.植物生理生化實(shí)驗(yàn)原理和技術(shù)［M］.北京:高等教育出版社，2000.

［8］ 陳貽竹，帕特森B.低溫對植物葉片中超氧化物歧化酶、過氧化酶和過氧化氫酶的影響［J］.植物生理學(xué)報，1988，14(4):323-328.

［9］ 張憲政.作物生理研究法［M］.北京:農(nóng)業(yè)出版社，1992.

［10］ 鐘繼洪，廖觀榮，郭慶榮，等.不同土壤水分條件下幼齡桉樹生理生態(tài)特點(diǎn)分析［J］.水土保持學(xué)報，2003，17(5):126-128.

［11］ 李敬蕊，章鐵軍，高洪波，等.不同基質(zhì)配比對茄子幼苗生長和葉綠素?zé)晒馓匦缘挠绊懀跩］.西北農(nóng)業(yè)學(xué)報，2010，19(6):139-143.

［12］ Fester T，Schuster W.Potato mitochondrial manganese superoxide dismutase is an RNA-bingding protein［J］.Biochem Mol BiolInt，1995，36(1):67-75.

［13］ Bowler C，Van Montagu M，Inze D.Superoxide dismutase and stress tolerance［J］.Plant Mol Biol，1992，43:83-116.

［14］ McKersie B D，Chen Y.de Beus M et al，Superoxide dismutase enhances tolerance of freezing stress in t ransgenic alfalfa(Medicao saiva L.)［J］.Plant Physiol，1993，103:1155-1163.

［15］ Van Camp W，Willekens H，Bower C et al.Elevated levels of superoxide dismutase protectt ransgenic plants against ozone damage［J］.Bio/Technology，1994，12:165-168.

［16］ Welinder K G.Superfamily of plant，fungal and bacterial peroxidases［J］.Curr Opin Struc Biol，1992(2):388-393.

［17］ 劉長海，劉世鵬，張 歡，等.Fe3+脅迫對日本三角渦蟲體內(nèi)過氧化氫酶活性的影響［J］.江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2007(1):232-233.

［18］ 鄭炳松，朱 誠，金松恒.高級植物生理學(xué)［M］.杭州:浙江大學(xué)出版社，2011:43-47.

［19］ 于陽輝，李永霞，張俊紅，等.非金屬礦物在土壤改良中的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展前景［J］.中國非金屬礦工業(yè)導(dǎo)刊，20055，45(1):37-39.