構樹對菱鎂礦區破損土地的生態適應性

焦陽 賈春云 范文玉 姜春陽 臺培東

摘要 [目的] 研究菱鎂礦粉塵對土壤理化性質的影響以及構樹對鎂粉塵污染土壤的耐受性。[方法] 采用盆栽試驗，室內模擬氧化鎂粉塵沉降、人工摻和廢礦堆。[結果] 當鎂粉塵施加量小于10%時，促進構樹生長，當土壤鎂含量為4.17 g/kg時，構樹單株生物量達3.46 g，明顯大于潔凈土壤的生物量（2.81 g）；構樹對生長土質的要求低，土壤中礦石含量25%時，生物量最大為6.12 g，明顯比潔凈土壤生物量高出3.31 g；施加鎂粉塵明顯改變了構樹生長土壤的理化性質，pH由6.78升到9.48，電導率先增加到651.8 μS/cm后降至375.7 μS/cm，速效磷含量從52.1 mg/kg降至16.9 mg/kg，全鎂含量從1.403 g/kg升至9.015 g/kg。 [結論] 構樹對鎂具有較強耐受能力， 并對生長土質要求低，在不同程度破損土質中均能健康生長，在修復菱鎂礦區鎂污染土地方面具有相當大的潛力。

關鍵詞 構樹；菱鎂礦；粉塵；生態修復

中圖分類號 S181.3；X53 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2014）16-05063-03

菱鎂礦是一種重要的礦產資源，被廣泛應用于材料、航天、交通、通信和電子產品等行業，與人類的生活息息相關。我國擁有的菱鎂礦資源居世界首位，主要集中在素有“鎂都”之稱的遼寧省海城和大石橋一帶[1]。菱鎂礦在破碎、分選、燒結及運輸過程中產生大量的粉塵、煙塵，通過風力推動，飄移到附近耕地土壤、空氣中，對礦區附近的生態環境造成嚴重的污染與破壞，同時對周邊農業生產以及人類身體健康產生嚴重危害。菱鎂礦粉塵的主要成分是MgCO3和MgO[2]。鎂粉塵具有一定的腐蝕性，會使作物的葉片與根系直接受到傷害，造成作物的減產甚至絕產；沉降于地面，造成土壤板結，作物生長發育環境惡劣，草本植物減少；在污染嚴重區域，草本植物幾乎不能生存，僅有少量的灌木和松樹幼苗存在[3-7]。

用于修復土壤的植物種類應具備生長快、根系發達、易栽培等特點。構樹別名彀、楮樹、鹿仔樹、谷漿樹、野楊梅子等，為桑科（Moreceae）構樹屬（Broussonetia ）多年生落葉喬木或灌木，雌雄異株，株高可達20 m[8]。構樹屬全世界共有5種，分布于亞洲東部和太平洋島嶼。我國有構樹、小構樹、藤構3種，分布于我國除東北北部、西北北部以外的大部分地區，大多數野生，少量栽培[9]。構樹為陽性樹種，具有一定的耐蔭性，適應環境的能力極強，既耐干旱、貧瘠、鹽堿，又耐干冷濕熱氣候，在酸性、中性或石灰質土、含鹽量14%以下的土地和深山荒地均能旺盛生長[10]。構樹韌皮纖維含量高，是生產制造高級用紙、高級混紡等產品的優質原材料[11]；構樹樹葉是生產加工魚類和動物飼料的優質綠色原料[12]；構樹果實可制成天然性保健果汁飲品[13]；構葉、果實、楮實子、樹皮、根皮和乳汁均含有一定的生理活性物質，具有廣泛的醫藥用途[14]。筆者以構樹為研究對象，通過溫室盆栽試驗研究了構樹對土壤中鎂污染的耐受、積累能力，以了解它對鎂污染土壤修復的可能性、潛力，為遼中南菱鎂礦區大面積鎂污染破損土地的修復提供技術和理論指導。

1 材料與方法

1.1 試驗材料 供試構樹樹苗購自大連中植環境生物科技有限公司。供試土壤采自中國科學院沈陽生態研究所沈陽生態實驗站，室內自然風干（室溫約25 ℃），用研缽磨細，過1 mm尼龍篩，備用。供試土壤基本性質為：pH 6.83，有機質26.40 g/kg，全碳含量17.70 g/kg，全氮含量1.10 g/kg，全磷0.35 g/kg 。供試礦石采自海城菱鎂礦區。供試礦粉為輕燒氧化鎂，過100目篩，備用。

1.2 試驗設計 將已風干、磨細的土壤稱重，裝盆。從所購構樹樹苗中選取長勢一致的樹苗，移入盆中，每盆定株1株，放入光照溫室中培養。

經過30 d的緩和期后，根據菱鎂礦區土壤礦粉污染強度，向盆內土壤表面投加菱鎂礦粉，使其形成不同程度的鎂污染，分別為0（對照）、5%、10%、15%、20%、30%[w/w，菱鎂礦粉/（菱鎂礦粉+土壤）]，分別記為G0、G1、G2、G3、G4、G5。另選取一定量的礦石，與土壤混合形成含有不同程度碎礦石的土壤，混合比例分別為0（CK）、10%、15%、25%、50%、70%、100%[w/w，礦石/（礦石+土壤）]，分別記為W0（G0）、W1、W2、W3、W4、W5、W6。移入盆中后灑水1 000 ml，在培養期間保持土壤潤濕。

在鎂污染土壤中培養60 d后，分別對植物和土壤采樣。將植物從盆中連根挖出，鮮重用電子天平稱取，并測量植株高度。先用自來水沖洗，后用去離子水沖洗。將植物樣品在105 ℃鼓風干燥箱中殺青5 min后，于75 ℃烘干至恒重，用電子天平稱取；烘干的植物樣品用于鎂含量分析。

隨機采集土樣，將取出的每個土樣去掉結皮塊和植物殘渣、根系，在室溫（25 ℃）下自然風干7 d，研磨后過16目尼龍篩，用于土壤pH、全鹽量等理化性質的測定；另外，采用四分法取出一部分風干土，研磨，使其全部過100目尼龍篩，用于土壤全鎂、有機質等含量的測定。重復3次，取平均值。

1.3 測定方法

1.3.1 植物鎂含量的測定。取0.5 g植物樣品，經混合酸（HNO3/HClO4，8∶2，V/V）消解后，定容于50 ml容量瓶，用火焰原子吸收分光光度計（Varian，AA240）測定根、莖、葉以及全鎂含量。

1.3.2 土壤理化性質的測定。土壤理化性質的測定參照土壤農化分析[15]。有機質含量的測定采用重鉻酸鉀法；pH的測定采用電位法，用無CO2水浸提，pHs.3C型精密pH劑測定；全鹽含量的測定采用電導法；速效磷含量的測定采用碳酸氫鈉法；水溶鎂含量的測定方法為：經水土比5∶1浸提后的土壤浸提液，用火焰原子吸收分光光度計（Varian，AA240）測定鎂含量；土壤全鎂含量測定方法為：取1 g土壤樣品，經混合酸（HF/HNO3/HClO4，8∶4∶4，V/V/V）消解后，定容于50 ml容量瓶，用火焰原子吸收分光光度計（Varian，AA240）測定全鎂含量。

1.4 數據處理 數據結果采用 SPSS18.0 和 Microsoft Excel 2007 進行統計分析，利用一元方差分析（one.way ANOVA）對試驗結果進行分析，同時根據需要采用Duncan 多重比較法或Paired.Samples T檢驗法比較差異顯著性，所有檢驗的顯著性水平如無特殊說明，均為P=0.05。試驗所得數據以平均值±標準差表示，增加量表示處理前后植物株高的差值，生物量以植物地上部分干重計，鎂含量以整株植物干重計。

2 結果與分析

2.1 構樹對鎂粉塵污染土壤的適應性研究

2.1.1 礦粉施加量對構樹生長特征的影響。隨著鎂污染的加重，構樹的生長狀況變化顯著。由圖1可知，與對照組相比，培養60 d后，構樹的單株生物量以及株高增加量均有較明顯的變化。隨著礦粉施加量的變化，植物的單株生物量與株高增加量均呈現出先增加后降低的趨勢。污染濃度為5%、10%時生長狀況比對照組（未污染）有明顯提高，10%處達到最高，單株生物量為4.12 g，株高增加量為11.63 cm。隨著污染濃度的繼續增加，構樹的生長狀況逐漸變差，處理G5的生物量（1.84 g）以及增加量（1.9 cm）較對照組有明顯下降。這表明鎂粉塵施加量小于10%時促進構樹生長，但當鎂粉塵污染加劇后，構樹的生長將受到抑制。這可能與土壤鎂含量過高導致土壤鎂含量增大有一定的關系，其具體原因有待進一步的研究。

2.1.2 礦粉施加量對構樹鎂富集特征的影響。由圖2可知，隨著礦粉施加量的增加，植物中的鎂含量逐漸增加。植物根中鎂含量從0.32 g/kg增加到0.69 g/kg，莖中鎂含量從0.57 g/kg增加到0.97 g/kg，葉中鎂含量從1.56 g/kg增加到5.26 g/kg。植物根莖中鎂含量明顯低于葉片鎂含量。植物全鎂含量均高于對照組，最高達到1.32 g/kg，較對照組（0.55 g/kg）有明顯的增加。由此可知，構樹對鎂具有一定的耐受能力。

2.1.3 礦粉施加量對構樹生長土壤性質的影響。由表1可知，被鎂粉塵污染后的土壤理化性質變化較大。與對照組相比，隨著投加鎂粉塵的增加，土壤pH明顯升高，從6.78升高到9.48；電導率變化顯著，增大到651.77 μS/cm后降低至375.73 μS/cm；速效磷含量較對照組均有所降低，最低降至16.9 mg/kg，降低幅度較大；土壤中的鎂含量逐漸增大，全鎂含量由1.403 g/kg升高至9.015 g/kg，水溶鎂從47.81 mg/kg升高至121.26 mg/kg。這些與其他學者的研究結果[16-17]相符，但遼寧海城菱鎂礦污染區尾礦地土壤pH達到10.3[1]，高于該研究成果。其原因可能為：該研究所采用的是盆栽試驗，供試土壤為采自生態站的潔凈土，且研究周期較短，隨著周期的延長，土壤的pH發生改變。土壤有機質含量先降低后升高，最高達到3.48%，處理G3、G4、G5盡管有所降低（2.94%、2.92%、2.8%），但是其降低程度并不明顯，差異也并不顯著。這與方英等[18]研究結果一致，但與李軍等[19]研究發現的施加鎂粉塵的土壤有機質有所降低的觀點并不相同，其具體原因有待進一步研究。

2.2 構樹對不同土質的適應性特征 由圖3可知，在礦石與土壤混合的土壤中，構樹依舊可以生長。隨著土壤中所含礦石量的增加，植物的含鎂量由1.16 g/kg增加至6.19 g/kg。當礦石與土壤混合比例為15%、25%、50%時，構樹株高增加量（7.23 cm、12.7 cm、9.01 cm）明顯高于對照組（4.53 cm），生物量（4.43 g、6.12 g、4.07 g）較對照組（2.81 g）也有所增加，生長狀況良好。即便在全部由礦石組成的土質（處理W6）中，構樹依然可以生長，但長勢明顯差于對照組。綜上所述，構樹對生長環境的要求不高，對鎂具有一定的耐受能力，對修復菱鎂礦區鎂污染土壤具有一定的潛力。

2.3 構樹生物學特征與污染濃度的相關性 由表2可知，構樹的各項指標及土壤鎂含量與鎂粉塵污染濃度具有一定的三次函數相關關系。隨著鎂污染濃度的增加，構樹的生物量、增長量、鎂含量以及土壤鎂含量均發生變化。土壤、構樹的含鎂量隨著鎂粉塵污染濃度的增加表現出逐漸升高的趨勢，而構樹的單株生物量、增長量隨鎂粉塵污染濃度的增加呈現出先增加后減小的趨勢。由于試驗中最大鎂粉塵施加量為30%，沒有設置更高濃度的處理，所得相關方程在超過30%污染濃度下的準確性有待進一步研究。

3 結論與討論

鎂是植物生長的必需元素，而土壤對植物而言是一個巨大的水分、養分庫，植物所需的鎂主要來自土壤，植物對鎂的吸收利用在很大程度上依賴于土壤中鎂的數量、供應機制[19]。在菱鎂礦區，土壤長期處于鎂粉塵污染之中，表層形成結皮，使得土壤中鎂含量急劇增加，改變土壤理化性質，影響土壤酶活性和微生物活性[5-6，17，20]。鎂不僅會對土壤理化性質造成影響，而且會對植物的生長發育造成影響。劉綺等[21]研究表明，過量鎂會影響植物對其他離子的吸收，使得植物生長受阻，品質下降，產量降低；Kobayashi等[22]發現，當水溶液中Mg濃度為30 mmol/L時，水稻和稗屬植物生長量分別比對照組降低54%～67%和33%～42%；李亞洲等[23]研究表明，當土壤可溶態鎂含量達到800 mg/kg時，大豆的株高、根長、葉綠素含量開始下降；當土壤可溶態鎂含量達到1 800 mg/kg 時，植株全部死亡。

研究表明，構樹對鎂具有較高的耐受能力。在鎂含量4.17 g/kg的土壤上培養60 d，構樹單株生物量為3.46 g，比對照組的生物量2.81 g有所增加； 構樹對生長環境的要求較小。當礦石與土壤混合比例達到25%時，生物量為6.12 g，株高增加量為12.7 cm，較對照組有明顯的增加；當混合比例為50%時，構樹生長特征較對照組有一定的增加，生長狀況良好；被鎂粉塵污染后的土壤理化性質變化很大。與未施加鎂粉塵的土壤相比，施加鎂粉塵的土壤pH顯著升高，速效磷含量明顯減小，土壤鎂含量明顯增加。隨著鎂污染濃度的增加，土壤電導率與有機質含量均呈現先增大后降低的趨勢。

在菱鎂礦資源開發集中的地區開展土壤鎂污染的修復以及土地復墾，對于提高礦區環境質量、恢復礦區生態健康有著重要的意義。構樹不僅可以在較高濃度鎂污染土壤中正常發育，而且具有較好的水土保持、阻止土地沙化的功能和較強的凈化環境的能力，能夠大量吸滯粉塵，對二氧化硫、氮氧化物等有毒氣體有較強的吸收能力[24-25]。構樹將在恢復菱鎂礦區的生態健康以及植被重建中發揮重要的作用。

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