羊草根系和葉片生長(zhǎng)對(duì)煤粉塵沉降的響應(yīng)

王占義+侯佳+吳迪

摘要：粉塵污染是露天煤礦開(kāi)采中主要的環(huán)境問(wèn)題之一，粉塵沉降對(duì)周邊生態(tài)系統(tǒng)具有重要影響。采用室內(nèi)人工噴撒煤粉到水培植物的方法，模擬研究了煤粉塵沉降對(duì)草地植物羊草的影響。結(jié)果表明，以1.18 g/（m2·d）的劑量噴撒煤粉35 d時(shí)，羊草根系生長(zhǎng)速率、葉片凈光合效率、氣孔導(dǎo)度均降低，并最終導(dǎo)致植株生物量減小，與對(duì)照相比，植株總生物量顯著減少。說(shuō)明露天煤礦的粉塵沉降會(huì)阻礙礦區(qū)周邊草地植物羊草的生長(zhǎng)，長(zhǎng)期作用可能導(dǎo)致周邊草地植物多樣性的改變。

關(guān)鍵詞：粉塵；矸石粉；羊草；草原；光合

中圖分類(lèi)號(hào)： S812文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2017）07-0261-04

粉塵污染是露天煤礦開(kāi)采過(guò)程中的主要環(huán)境問(wèn)題之一。該問(wèn)題在美國(guó)、中國(guó)、印度、俄羅斯、南非等5個(gè)國(guó)家普遍存在，這些國(guó)家占有了全球84%的煤炭絕對(duì)持有量[1-2]。近年來(lái)內(nèi)蒙古草原開(kāi)采了很多露天煤礦，粉塵污染在地處干旱區(qū)的內(nèi)蒙古草原也比較嚴(yán)重。2010年內(nèi)蒙古的煤炭產(chǎn)量在全國(guó)排第1位[3]。全國(guó)14個(gè)大型露天煤礦有11個(gè)分布在內(nèi)蒙古[4]。大部分露天煤礦分布在內(nèi)蒙古草原，而這些草地是當(dāng)?shù)匦竽翗I(yè)和牧民賴(lài)以生存的基礎(chǔ)。因此，粉塵可能通過(guò)影響草地健康進(jìn)而影響到居民的生存和健康。2011—2013年內(nèi)蒙古錫林浩特市至少有106 km2的草地被煤粉塵污染，67萬(wàn)元人民幣被用于支付草地污染補(bǔ)償費(fèi)[5]。

粉塵污染對(duì)生態(tài)系統(tǒng)具有重要影響。煤粉塵可以增加土壤表面溫度[6]及礦坑淋溶地下水的pH值和金屬離子濃度[7-8]。這些淋溶液包含氟、硫化合物，對(duì)植物生長(zhǎng)產(chǎn)生危害[9]。在南非的研究發(fā)現(xiàn)，煤塵排放遮擋陽(yáng)光，減弱了植物參加光合作用的日光強(qiáng)度[10]、光合作用效率[2]。粉塵顆粒阻擋氣孔開(kāi)放[11-12]。在印度的研究發(fā)現(xiàn)，煤塵改變了葉片生理和葉片形態(tài)[13]。在美國(guó)的研究發(fā)現(xiàn)，煤塵沉降的煙羽區(qū)一年生植物的生物量顯著大于非煙羽區(qū)[14]。

不同來(lái)源的粉塵對(duì)植物影響不同。內(nèi)蒙古露天煤礦主要有2種成分的粉塵：煤粉塵，產(chǎn)生于礦坑或選煤場(chǎng)，主要成分是煤，內(nèi)蒙古草原上最主要的煤種是褐煤，褐煤含碳（63.73%）、氫（6.26%）、氧（28.12%）、氮（1.43%）、硫（0.46%）[15]；煤矸石粉，來(lái)源于挖掘，運(yùn)輸剝離煤層上覆蓋的廢土，含SiO2（76%～77%）、Na2O和K2O（7.75%～8.15%）、CaO（0.20%～0.22%）[16]。Wong等研究發(fā)現(xiàn)，道路粉塵對(duì)植物生長(zhǎng)產(chǎn)生影響，有些抑制植物生長(zhǎng)，有些促進(jìn)植物生長(zhǎng)[17]。煤礦上不同來(lái)源粉塵可能對(duì)植物生長(zhǎng)有不同影響。

如果煤粉塵或矸石粉塵對(duì)植物生長(zhǎng)的影響不同，那么其長(zhǎng)期作用以后，有些植物可能會(huì)受到威脅甚至從礦區(qū)周邊消失，還有些植物可能會(huì)過(guò)度生長(zhǎng)。換句話說(shuō)，長(zhǎng)期煤粉塵污染可能改變草地植物種類(lèi)成分，改變草地狀態(tài)和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能。以往相關(guān)研究重點(diǎn)關(guān)注煤粉塵污染對(duì)植物地上部的影響，而關(guān)于粉塵污染對(duì)植物地下部的影響還未見(jiàn)報(bào)道。本研究以?xún)?nèi)蒙古天然草地上重要的飼用植物羊草（Agropyron cristatum）為材料，通過(guò)噴撒煤粉到羊草的方法，模擬研究了煤粉塵對(duì)于羊草生長(zhǎng)的影響，以期為更好地保護(hù)和管理天然草原、實(shí)現(xiàn)草地生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展提供支撐。

1材料與方法

1.1煤礦周邊煤粉塵沉降監(jiān)測(cè)

煤粉塵監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于錫林浩特市西二號(hào)露天煤礦周邊草地，該煤礦煤種是褐煤。礦區(qū)盛行風(fēng)向是西風(fēng)，年平均降水量350 mm[18]。2013年4—9月采用玻璃球法監(jiān)測(cè)粉塵沉降速率，此時(shí)是植物生長(zhǎng)期和煤礦開(kāi)采活動(dòng)頻繁期。監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于礦坑外圍下風(fēng)向200 m處，根據(jù)地面顏色和煤粉塵保留程度選擇1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，該監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)計(jì)3個(gè)集塵缸（直徑15 cm、高30 cm），間距50 m，安置在高度180 cm的水泥樁上。集塵缸內(nèi)鋪設(shè)1層玻璃球（直徑1.2 cm）。每月將集塵缸內(nèi)的粉塵用去離子水清洗后，將淋洗液放入坩堝，蒸干獲得粉塵質(zhì)量[19-20]。

1.2室內(nèi)試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選擇羊草為試驗(yàn)材料，所用種子采集于距離西二礦較遠(yuǎn)的錫林浩特市白音錫勒牧場(chǎng)。試驗(yàn)于2015年在內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)生態(tài)環(huán)境學(xué)院普通溫室進(jìn)行，種子發(fā)芽后采用水培方法培養(yǎng)，每個(gè)培養(yǎng)箱裝入10 L Hoagland營(yíng)養(yǎng)液。試驗(yàn)設(shè)3個(gè)處理：對(duì)照、煤粉處理、矸石粉處理。煤粉、矸石粉采集于西二號(hào)露天礦，采集后過(guò)100目篩備用。每個(gè)處理3次重復(fù)，每個(gè)重復(fù)2株羊草。

試驗(yàn)時(shí)，每隔2 d噴撒1次煤粉、矸石粉。按照野外粉塵沉降速率[0.59 g/（m2·d）]的2倍即1.18 g/（m2·d）噴撒粉塵。噴撒時(shí)，先用長(zhǎng)方體有機(jī)玻璃罩子（100 cm×50 cm×160 cm）將同一處理的植物罩住，然后用自制噴塵器從罩子側(cè)面小口噴撒煤粉到葉片。因?yàn)橛卸ㄖ舶遄钃醴指舻厣喜颗c地下部，必須同時(shí)添加同等的粉末到地下根部溶液中。煤粉、矸石粉過(guò)0.149 mm篩后，采用原子吸收分光光度計(jì)（Z-8000型，日本日立公司）測(cè)定鎘、鉻、鉛、銅含量，采用原子熒光儀（AFS-3100型，北京海光儀器公司）測(cè)定砷含量。采用pH計(jì)（雷磁PHS-3C型，上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司）以粉水比1 ∶5混合后，測(cè)定溶液pH值。以上儀器由內(nèi)蒙古農(nóng)牧漁業(yè)生物實(shí)驗(yàn)研究中心提供。

移苗后開(kāi)始噴撒煤粉處理，每隔7 d掃描1次根系，每次掃描后把植株再放回原位繼續(xù)培養(yǎng)，直到根系形態(tài)指標(biāo)出現(xiàn)明顯差異為止。根系形態(tài)采用根系掃描分析系統(tǒng)（WinRHIZO 2009a型，加拿大Regent Instruments公司）觀測(cè)分析，獲得根系長(zhǎng)度、直徑、表面積、體積、根尖數(shù)、分叉數(shù)等根系形態(tài)參數(shù)。在最后1次處理時(shí)，采用光合儀（LI-6400XT型，美國(guó) LI-COR 公司）測(cè)定葉片光合效率、氣孔導(dǎo)度、葉溫等參數(shù)。測(cè)定時(shí)選取相同位置的健康、成熟葉片，在每天09：00—11：30測(cè)定，最后收獲所有植物并烘干，測(cè)定生物量。根系掃描儀、光合儀由內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)草地資源教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提供。

1.3數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析采用SPSS 13.0統(tǒng)計(jì)分析軟件。采用單因素方差分析處理不同處理間的各項(xiàng)指標(biāo)。

2結(jié)果與分析

2.1煤粉塵沉降速率與煤粉、矸石粉成分

野外監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，礦區(qū)污染最嚴(yán)重的地段粉塵沉降速率是0.59 g/（m2·d）（N=3，se=0.10）。煤粉、矸石粉的理化性質(zhì)見(jiàn)表1，煤粉中鉻、鉛含量顯著、極顯著小于矸石粉。

2.2噴灑煤粉對(duì)羊草根系形態(tài)的影響

煤粉處理到試驗(yàn)第5周時(shí)，各項(xiàng)羊草根系形態(tài)參數(shù)出現(xiàn)明顯差異。由圖1可見(jiàn)，測(cè)定的6項(xiàng)根系形態(tài)參數(shù)中，根表面積以對(duì)照組最大，其他處理較小。煤粉處理35 d時(shí)羊草根系直徑顯著大于其他處理（P<0.05）。其他根系形態(tài)參數(shù)（根體積、根長(zhǎng)度、根尖數(shù)、分叉數(shù)）在整個(gè)試驗(yàn)期間總體上以對(duì)照較大，但在統(tǒng)計(jì)上無(wú)顯著差異。

2.3噴灑煤粉對(duì)羊草光合參數(shù)、生物量的影響

由表2可見(jiàn)，煤粉和矸石粉處理羊草后的凈光合速率均顯著小于對(duì)照。在蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度方面，均以對(duì)照最大，其中煤粉處理氣孔導(dǎo)度顯著小于對(duì)照，其他處理間在統(tǒng)計(jì)上無(wú)顯著差異。煤粉處理、矸石粉處理下葉片溫度顯著高于對(duì)照。

由表3可見(jiàn)，對(duì)照的總生物量、根系生物量均顯著大于煤粉處理、矸石粉處理，煤粉處理和矸石粉處理的總生物量、根系生物量均無(wú)顯著差異。

3結(jié)論與討論

3.1討論

煤粉塵可以改變區(qū)域植物種類(lèi)[22]，影響植物光合作用[23]，但未見(jiàn)關(guān)于煤粉塵對(duì)于植物根系影響的研究。本研究發(fā)現(xiàn)，在羊草的6項(xiàng)根系形態(tài)參數(shù)中，處理35 d時(shí)，根系形態(tài)出現(xiàn)表面積減小、直徑增大的趨勢(shì)，說(shuō)明噴撒煤粉、矸石粉對(duì)羊草生長(zhǎng)有抑制作用，這種抑制作用很可能和光合作用減弱導(dǎo)致地上部輸送給根系的碳水化合物減少有關(guān)，因?yàn)閷?duì)葉片測(cè)定發(fā)現(xiàn)，煤粉處理降低了羊草光合速率。

雖然矸石粉中含有鉛、鉻，可能會(huì)毒害羊草根系。試驗(yàn)期間，觀察到根系形態(tài)正常，沒(méi)有根尖腐爛、變黑現(xiàn)象發(fā)生（圖2）。鉛毒害引起草本植物根量減少，根管膨大變黑、腐爛[24]。試驗(yàn)期間，共添加煤粉35 d，添加量約為7.2 g，煤矸石中含鉛30.03 mg/kg，添加到10 L營(yíng)養(yǎng)液中，濃度是0.02 mg/L，一般低濃度鉛可刺激禾草根系生長(zhǎng)，高濃度鉛則抑制根系生長(zhǎng)，對(duì)禾本科牧草產(chǎn)生明顯抑制作用的鉛濃度是250 mg/L[25-26]。可見(jiàn)，本研究中營(yíng)養(yǎng)液里鉛濃度很低，不足以對(duì)羊草產(chǎn)生毒害作用。

煤矸石含鉻51.07 mg/kg，試驗(yàn)期末溶液中含鉻 0.037 mg/L，對(duì)草本植物生長(zhǎng)產(chǎn)生顯著影響的最低鉻濃度為100 mg/kg[27]。可見(jiàn)，本研究中煤矸石所含的重金屬都因含量太低而不足以產(chǎn)生毒害作用。此外，煤礦周?chē)悦悍叟欧啪佣啵肥圯^少，因此煤矸石粉的環(huán)境毒害效應(yīng)相對(duì)有限。

3.2結(jié)論

本研究以?xún)?nèi)蒙古草原重要的飼用植物羊草為對(duì)象，通過(guò)定期人工噴撒煤粉、矸石粉到羊草葉片、根系，研究露天煤礦粉塵沉降對(duì)周邊草地植物的影響。研究發(fā)現(xiàn)，在處理5周后，煤粉塵抑制了羊草根系生長(zhǎng)，降低了葉片光合效率、氣孔導(dǎo)度，說(shuō)明目前以0.59 g/（m2·d）的速率沉降會(huì)阻礙羊草的正常生長(zhǎng)，長(zhǎng)期會(huì)導(dǎo)致羊草死亡，甚至使羊草從礦區(qū)周邊消失，改變礦區(qū)周邊草地的物種多樣性和生態(tài)服務(wù)功能。

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