不同植物組合對煤矸石混合土中鎘的吸收效應*

李 俠，王 雪，杜世杰，楊俊霞，高志慧，韓志平，甄莉娜**

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不同植物組合對煤矸石混合土中鎘的吸收效應*

李 俠1，王 雪1，杜世杰2，楊俊霞1，高志慧1，韓志平1，甄莉娜1**

（1．山西大同大學生命科學學院，大同 037009；2．山西大同市城區投資促進局，大同 037009）

煤矸石是煤炭開采和利用過程中產生的廢棄物，堆放的煤矸石風化物鎘含量高，易造成鄰近水體和土壤污染，利用植物修復煤矸石重金屬污染已成為研究熱點。本文采用盆栽模擬試驗方法，將煤矸石風化物與土壤以1︰1混合作為培養基質，比較黑麥草、菊苣、紫花苜蓿單作與間作條件下的生長狀況，以及植株氮、磷、鎘含量和吸收量等，以期篩選出適合煤矸石鎘污染修復的植物組合。結果表明，單作條件下黑麥草在煤矸石混合土壤上生物量最大，但其鎘吸收量與菊苣、苜蓿無顯著差異；間作提高了黑麥草生物量、氮、磷和鎘的吸收量，降低了菊苣的生物量、氮、磷和鎘的吸收量，間作對苜蓿的影響不明顯；6種植物組合中，黑麥草與苜蓿間作植物地上部生物量、氮、磷和鎘吸收量均最高，其中鎘吸收量是其它組合的1.29～1.76倍，可作為修復煤矸石重金屬鎘污染的優質組合。

煤矸石；鎘；黑麥草；菊苣；紫花苜蓿；單作；間作

煤矸石是煤炭開采、洗選、利用過程中產生的廢棄物，截至2011年，中國煤矸石堆積已達50億t[1]，矸石山1500多座，且以每年1.5億～2.0億t[2]的速度增長。排放的煤矸石山占用了大量耕地，煤矸石中重金屬由于雨水的沖刷極易進入水體和土壤，造成水資源和土壤的重金屬污染。魏忠義等[3]調查發現，撫順西露天礦煤矸石山表層風化物中鎘（Cd）含量為1.89mg·kg-1，附近農田土壤重金屬Cd的含量也變化明顯，距離煤矸石山0.5km和1.5km的農田表層土壤Cd含量分別達到1.5和0.7mg·kg-1，所有采樣位點Cd含量均超出土壤環境質量II級標準，部分樣點甚至超出土壤環境質量III級標準，嚴重影響了礦區農田生態安全。

植物修復是污染場地和廢棄地修復的重要方式，其對土壤的擾動性小、花費的成本較低且具有美化環境的作用，植物修復技術已發展成為一種非常有潛力的修復措施。然而煤矸石風化物肥力低，氮、磷含量少，且重金屬污染嚴重，嚴重影響植物的存活，因此，修復植物物種的篩選尤為重要。近年來，國內外對煤矸石山的基質改良和適應煤矸石山修復植物調查和篩選等方面的研究非常活躍。王麗艷等[4]比較了12種耐受性木本植物，篩選出適合煤矸石山生態恢復的3種先鋒植物胡枝子、臭椿和紫桿柳；趙廣東等[5]比較了不同植物在煤矸石山廢棄地的成活率及對煤矸石山廢棄地土壤化學性質的影響，篩選出適合當地煤矸石山廢棄地修復的植物白榆、沙打旺等。這些研究在篩選適合煤矸石修復的植物方面都取得了很大的成果，但以往研究主要集中在比較單一植物種群對矸石山生態恢復的影響。間套作是中國傳統農牧業常采用的種植方式，李立[6]通過分析河南省傳統農區4種不同種植方式的農田土壤表層Cr、Ni、Cu、Cd、Pb、As和Zn含量，發現單一種植方式下土壤重金屬元素殘留普遍較高，而采用多樣化的種植方式后土壤表層重金屬元素殘留較低。可見，通過不同植物間套作有助于降低矸石山土壤中重金屬含量，提高植物修復的效率。目前國內外在這方面的研究仍相對較少，特別是在不同植物間套作組合方式篩選及其修復效果評價方面仍有明顯不足。因此，本研究采用大同晉華宮礦煤矸石山常見的幾種植物黑麥草、菊苣和紫花苜蓿，通過比較3種植物在單作和間作條件下的生長、營養狀況和吸鎘量，以期篩選出適合當地煤矸石山鎘污染修復的植物組合，為該類污染土壤的植物修復提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試植物為紫花苜蓿（L，豆科植物）、黑麥草（L，禾本科）、菊苣（L，菊科）3種植物。

供試基質為大同晉華宮礦煤矸石風化物（風化年份50～60a）和大同大學北校區土壤，分別過2mm篩，以1:1 (w/w)混合作為培養基質。其中煤矸石風化物pH6.84，全氮0.75g·kg-1，速效磷5.26mg·kg-1，鎘1.67mg·kg-1，鎘含量超出山西省“七五”土壤背景值（0.128mg·kg-1）的13倍[7]、超過《中華人民共和國土壤環境質量標準》（GB15618-1995) 的III級標準（1.0mg·kg-1）；大同大學北校區土壤pH7.25，全氮0.95g·kg-1，速效磷13.71mg·kg-1。

1.2 試驗設計

盆栽試驗在溫室進行，共設6個處理，即黑麥草單作（R），菊苣單作（C），紫花苜蓿單作（A），黑麥草與菊苣間作（R‖C），黑麥草與苜蓿間作（R‖A），菊苣和紫花苜蓿間作（C‖A），4次重復，共24盆。每盆裝培養基質700g，在播種前施底肥NH4NO3100mg·kg-1(N)、K2HPO450mg·kg-1(P)、K2SO4150mg·kg-1(K)。

選用籽粒大小均勻、飽滿的黑麥草（禾本科）、紫花苜蓿（豆科）、菊苣（菊科）3種植物的種子，用10%H2O2浸泡消毒10min，去離子水洗凈，單作每盆撒播32粒種子，間作處理將盆缽從中均勻劃分為兩部分，每部分種植一種植物，每種植物播種16粒種子，每盆共32粒種子，植株出苗后進行間苗，單作每盆留苗20株，間作每盆中每種植物留苗10株。試驗在山西大同大學生命科學院溫室內進行，每日定期澆水，保持基質含水量維持在飽和持水量的60%左右。

1.3 測定指標與方法

植物出苗35d，直尺測量株高后，拔出植株，用剪刀從分蘗處把地上部分與根系分開，用去離子水清洗干凈，105℃下殺青30min，70℃烘干，分別測定地上部和根系的干重。

植物地上部全氮采用H2SO4-H2O2消煮，全自動凱氏定氮儀（儀器型號K9860，濟南某公司）測定；植物全磷采用鉬銻抗比色法測定；植物全鎘采用HNO3-HCl-HClO4消煮，原子吸收儀（儀型型號TAS-990AFG，北京某公司，石墨爐）測定[8]。

試驗數據采用SPSS軟件進行方差分析，Duncan法進行多重比較。黑麥草、菊苣和苜蓿3種植物進行單作和間作模式比較時，由于間作模式下一盆中每種植物種植10株，為保持一致，單作模式中每種植株的地上部干重、根系干重、地上部吸氮、吸磷量和吸鎘量數值均為每盆的0.5倍，即以10株合計，株高、地上部含氮量、含磷量和含鎘量數值與每盆的數值一致，某一植物的單作4次重復，某一植物的間作分別包含與其它兩種植物的間作，因此間作為8次重復；以盆為單位進行6種植物組合間比較時，每盆植株地上部、根系干重、地上部的吸氮、吸磷量和吸鎘量均為20株合計。

2 結果與分析

2.1 不同組合方式下植物的生長狀況分析

由圖1可見，單作條件下，除黑麥草地上部干重與菊苣無顯著差異外，黑麥草地上部干重、根系干重以及株高均極顯著高于菊苣和苜蓿（P＜0.01），黑麥草地上部干重分別是菊苣、苜蓿的1.3倍和1.5倍，根系干重分別是菊苣、苜蓿的4.8倍和10.8倍，株高分別是菊苣、苜蓿的1.7倍和1.4倍。苜蓿的地上部干重、根系干重以及株高均表現最低但與菊苣的差異不顯著。

間作條件下，黑麥草地上部干重、根系干重和株高均顯著增加（P＜0.05），間作黑麥草地上部干重、根系干重和株高分別是單作條件下的1.8、1.6和1.1倍；間作極顯著降低了菊苣地上部干重和株高（P＜0.01），但對菊苣根系干重無顯著影響；間作顯著降低了苜蓿株高（P＜0.05），但對苜蓿地上部和根系干重無顯著影響。間作后3種植物的地上部干重、根系干重和株高仍表現為黑麥草顯著高于菊苣和苜蓿，且其差異比單作條件下更為顯著。黑麥草地上部干重分別是菊苣、苜蓿的5.4倍和2.3倍，根系干重分別是菊苣、苜蓿的23.9倍和5.8倍，植株高度分別是菊苣、苜蓿的2.8倍和2.0倍。間作后苜蓿的地上部干重、株高極顯著高于菊苣（P＜0.01）。可見，本研究中無論是單作還是間作，黑麥草長勢均優于菊苣和苜蓿。

比較不同處理條件下每盆中植物產量可知（圖2），6種植物組合間植株地上部干重表現為黑麥草與苜蓿間作＞黑麥草單作≈黑麥草與菊苣間作＞苜蓿單作≈菊苣與苜蓿間作；根系干重表現為黑麥草≈黑麥草與菊苣間作＞黑麥草與苜蓿間作＞菊苣單作≈苜蓿單作≈菊苣與苜蓿間作；總干重表現為黑麥草單作≈黑麥草與菊苣間作≈黑麥草與苜蓿間作＞菊苣單作≈苜蓿單作≈菊苣與苜蓿間作。

圖1 3種植物單作和間作生長狀況的比較

注：短線表示標準誤（單作N=4，間作N=8）；小寫字母表示處理間在0.05水平上的差異顯著性。下同

Note：Bars mean the standard error. For monoculture, N=4. For intercropping, N=8. Lowercase indicates the difference significance among treatments at 0.05 level. The same as below

圖2 不同組合方式下每盆內植物重量的比較（N=4）

注：R表示黑麥草單作，C表示菊苣單作，A表示紫花苜蓿單作，R‖C表示黑麥草與菊苣間作，R‖A表示黑麥草與苜蓿間作，C‖A表示菊苣和紫花苜蓿間作。下同

Note: R means ryegrass in monoculture, C means chicory in monoculture, A means alfalfa in monoculture, R‖C means ryegrass intercropping with chicory, R‖A means ryegrass intercropping with alfalfa, C‖A means chicory intercropping with alfalfa. The same as below

2.2 不同組合方式下植物的氮磷吸收量分析

由圖3a可知，單作條件下苜蓿地上部含氮量極顯著高于菊苣（P＜0.01），而后者又極顯著高于黑麥草（P＜0.01）；間作對黑麥草地上部含氮量無顯著影響，卻極顯著降低了菊苣和苜蓿地上部含氮量（P＜0.01）。

由圖3b可知，單作條件下3種植物地上部含磷量無顯著差異，間作處理在一定程度上降低了植株地上部含磷量，但差異不顯著。此外，間作處理下3種植物地上部含磷量亦無顯著差異。

由圖3c可知，單作條件下3種植物地上部吸氮量無顯著差異；間作后黑麥草地上部吸氮量極顯著增加（P＜0.01），菊苣地上部吸氮量極顯著降低（P＜0.01），而苜蓿地上部吸氮量變化不顯著；不同植物比較來看，間作后黑麥草地上部吸氮量極顯著高于苜蓿（P＜0.01），而后者地上部吸氮量極顯著高于菊苣（P＜0.01）。對每盆中植物的總吸氮量進行比較可知（圖4a），不同植物組合間植物地上部總吸氮量差異顯著，表現為黑麥草與苜蓿間作地上部總吸氮量顯著高于其它處理（P＜0.05）。

由圖3d可知，單作、間作條件下3種植物地上部吸磷量與植株地上部干重變化趨勢基本一致，間作極顯著提高了黑麥草的吸磷量（P＜0.01），但極顯著降低了菊苣吸磷量（P＜0.01），對苜蓿吸磷量則無顯著影響。對每盆中植物的總吸磷量進行比較可知（圖4b），不同植物組合間植物地上部總吸磷量差異極顯著（P＜0.01），表現為黑麥草和苜蓿間作植株地上部總吸磷量最高，苜蓿單作、苜蓿與菊苣間作最低。

2.3 不同組合方式下植物的鎘吸收量分析

由圖5可以看出，間作對3種植物地上部含鎘量無顯著影響，單作和間作條件下均表現為菊苣地上部含鎘量顯著高于黑麥草（P＜0.05），而苜蓿地上部含鎘量與菊苣、黑麥草無顯著差異。

單作條件下3種植物地上部吸鎘量無顯著差異。間作后黑麥草地上部吸鎘量極顯著提高（P＜0.01），菊苣地上部吸鎘量則極顯著下降（P＜0.01），而苜蓿地上部吸鎘量無顯著差異；間作條件下黑麥草地上部的吸鎘量＞苜蓿＞菊苣（P＜0.01）。

以每盆中植物的總吸收鎘量進行比較可知（圖6），不同植物組合地上部總吸鎘量差異顯著，表現為黑麥草與苜蓿間作植株地上部總吸鎘量顯著高于其它處理（P＜0.05），是其它組合的1.29～1.76倍。

從圖7中可以看出，植物的鎘吸收量與植株地上部干重呈極顯著正相關（P＜0.01），植株地上部干重變化可解釋鎘吸收量變化的83.83%。而植株鎘吸收量與植株含鎘量則無顯著相關性。

圖3 3種植物單作和間作地上部氮、磷含量和吸收量比較

圖4 不同組合方式下每盆中植物地上部氮、磷吸收量比較

圖5 3種植物單作和間作地上部含鎘量和吸鎘量

圖6 不同植物組合每盆地上部吸鎘量

圖7 3種植物單作和間作地上部干重與吸鎘量的相關關系（N=36）

3 結論與討論

本研究表明，無論單作還是間作處理，黑麥草的長勢均優于菊苣和苜蓿，是植物重金屬修復中常采用的先鋒植物，可能與黑麥草根系發達、生長速度快、對Cd具有較強的忍耐性有關。張堯等[9]研究表明，當Cd濃度為10mg·kg-1時，黑麥草的生長和發育沒有受到明顯抑制，且對Zn、Cd、Pb等重金屬具有較強的富集能力。此外，雖然單作時黑麥草長勢最優，但其地上部吸鎘量與菊苣、苜蓿卻無顯著差異。這可能是因為黑麥草的根系生物量顯著高于菊苣、苜蓿（黑麥草根冠比均值為0.85，菊苣為0.21，紫花苜蓿為0.10，黑麥草的根冠比是菊苣和苜蓿的4.0～8.5倍），而吸收的鎘主要富集在發達的根部[10]，向地上部轉移的比例較少。

紫花苜蓿是一種豆科植物，能與根瘤菌共生固氮，將空氣中的N2還原為可被植物吸收利用的NH3，適于生長在貧瘠的土壤上，對鎘有一定的耐受力[11-12]，長期種植還有利于培肥土壤。已有研究表明，紫花苜蓿在Cd濃度為5mg·kg-1時，生長未受到明顯影響，當Cd濃度達到10mg·kg-1時生長才明顯受到抑制[13]，也常被用于重金屬污染修復中。潘澄等[14]在重金屬與多氯聯苯復合污染土壤的修復研究中發現，紫花苜蓿對Cd和Cu的去除率分別達到10.5%和39.0%；種植紫花苜蓿還有助于降低煤礦廢棄地的污染指數[15]，盆栽試驗中亦發現紫花苜蓿對Cd和Cr具有較好的富集能力，隨著Cd濃度的增加紫花苜蓿地上部吸收Cd量顯著增加[16]。

植物間作可以充分利用不同植物的生態位分離（如對光源、土壤資源等的利用）、分泌物及根際微生物的不同，促進間作植物的生長。豆科植物與禾本科植物間作是中國傳統農牧業的精華，本研究中紫花苜蓿的根系主根發達，側根很少，根扎入土壤較深[17]，與黑麥草根系在空間上存在一定的分離，間作后可以占據更大的生態位，利用更多的土壤資源。Li等[18-19]對玉米與蠶豆的間作研究表明，蠶豆根系釋放質子、酸性磷酸酶和有機酸，使玉米根際酸化，能促進玉米對難移動性磷的吸收。花生在石灰性土壤上種植經常表現缺鐵黃化癥狀，當與玉米間作時，玉米根系分泌一種植物Fe載體，為麥根酸類物質，能活化Fe3+，使其從玉米根系周圍擴散至花生根附近，促進花生對Fe的吸收[20-21]。也有研究表明，禾本科通過發達的根系吸收豆科植物根周的氮，使豆科植物根際土壤含氮量減少，可以一定程度解除根瘤固氮的氮阻遏現象。Li等[22-23]研究表明，玉米根系分泌物還可以直接促進根瘤結瘤和固氮。

本研究中，植株地上部干重是影響植物吸鎘量的主要因素之一。黑麥草與苜蓿間作地上部生物量、吸鎘量均最高，可作為修復煤矸石鎘污染的最優植物組合。Luo等[24]研究表明，豌豆和大麥混作，豌豆地上部的Cu、Pb、Zn、Cd和Fe濃度分別是單作的1.5、1.8、1.4、1.4和1.3倍，混作中大麥的根系分泌物能活化土壤重金屬并有利于豌豆對重金屬的吸收，顯現出間作技術用于修復Cd污染土壤的潛力。

相比其它牧草，菊苣向地上部轉移Cd的能力較強，經常作為一種先鋒植物修復重金屬污染[25]。而本研究中菊苣與黑麥草間作，表現出一定的競爭劣勢。這可能是由于菊苣根肉質、短粗，主要分布在上層土壤中，競爭能力較弱，因而其生物量、地上部吸氮量、吸磷量和吸鎘量均受到抑制。總體上，黑麥草與苜蓿間作可作為修復煤矸石鎘污染的最優植物組合，相關結果將在野外原位條件下進一步驗證，從而為煤矸石山鎘污染土壤的植物修復提供借鑒。

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Effect of Different Plants Combinations on Cadmium Uptake Grown in a Mixed Matrix of Coal Gangue Weathered Material and Soil

LI Xia1, WANG Xue1, DU Shi-jie2, YANG Jun-xia1, GAO Zhi-hui1, HAN Zhi-ping1, ZHEN Li-na1

（1．School of Life Science, Shanxi Datong University, Datong 037009, China; 2．Shanxi Datong Investment Promotion Institute, Datong 037009）

Coal gangue with high cadmium (Cd) content is an inevitable product from the process of coal mining. The abandoned coal gangue could cause Cd contamination to the adjacent water and soil. Phytoremediation of heavy metals contamination has become a research hotspot. Using a mixed matrix of coal gangue weathered material and soil (w/w, 1:1) as cultivation medium, a pot experiment was conducted to investigate Cd uptake by ryegrass, chicory, and alfalfa in monoculture or intercropping. The results indicated that ryegrass biomass in monoculture was the largest, but with no significant different for Cd uptake compared with chicory and alfalfa. The biomass and nitrogen, phosphorus, Cd uptake by ryegrass significantly increased after intercropping with chicory or alfalfa. While the significant decrease and no significant change were observed for chicory and alfalfa, respectively. Among all treatments, ryegrass intercropping with alfalfa has the highest aboveground biomass and the uptake of nitrogen, phosphorus, and Cd. Especially, the Cd uptake was 1.29-2.76 times of other planting combinations. Ryegrass intercropping with alfalfa as the optimal planting combination could be used into the remediation of Cd contamination in coal gangue.

Coal gangue; Cadimium; Ryegrass; Chicory; Alfalfa; Monoculture; Intercropping

10.3969/j.issn.1000-6362.2017.12.005

李俠,王雪,杜世杰,等.不同植物組合對煤矸石混合土中鎘的吸收效應[J].中國農業氣象,2017,38(12):787-794

2017-04-15

。E-mail：zhenln2003@163.com

大同市科技攻關項目（2015099）；國家自然科學基金（31400479）；山西大同大學科研項目（2011K9）

李俠（1981-），女，碩士，講師，主要從事環境生態過程與調控研究。E-mail：lixia810504@163.com