黔西北煉鋅廢渣基質上不同草種苗期生長狀況

敖成紅，劉 方，羅 洋

(1.貴州大學農學院，貴州 貴陽 550025； 2.貴州大學資源與環境工程學院，貴州 貴陽 550025)

土法煉鋅是一種落后的煉鋅工藝，其直接利用燃煤建爐和制罐，原料、燃料消耗大，金屬回收率低(45%～80%)，煤燃燒后產生的大量煙塵(其中含有相當的Pb、Zn和Cd等重金屬元素)直接排入大氣，產生了大量的固體廢棄物(包括大量的煤灰渣、煉鋅后的礦渣、破損的蒸餾罐和耐火磚塊等)[1]。黔西北地區有300多年的土法煉鋅歷史，該區土法煉鋅廢渣為2.051×107t，廢渣堆放面積達400 hm2[2]。煉鋅廢渣中重金屬含量高，且重金屬的遷移對周邊的土壤及河流造成了明顯的污染[3-5]。煉鋅區生長的玉米(Zeamays)和土豆(Solanumtuberosum)可食部分的Cd、Cu、Pb和Zn含量高，絕大多數樣品Cd、Pb含量超過國家食品衛生限量標準[6]。污染點的白菜(Brassicapekinensis)中重金屬Pb、Cd的含量超過對照點的2～4倍[7]，重金屬通過食物鏈的富集，威脅著人體健康。由于煉鋅廢渣的重金屬含量高，堆積處幾乎寸草不生，堆場自然植被恢復緩慢，生態環境惡劣。研究表明，多年生黑麥草(Loliumperenne)對鉛鋅尾礦污染土壤中Cd、Pb、Zn和Cu的吸收量明顯大于早熟禾(Poaannua)和紫花苜蓿(Medicagosativa)[8]，黑麥草對Cd有較強的耐性[9]。因此，本研究以土法煉鋅廢渣為生長基質，探討常規牧草在該基質上生長的適應性，篩選適合的草種對廢棄地進行快速植被恢復，以期為煉鋅廢棄地的生態環境治理提供科學依據。

1 材料與方法

1.1試驗材料 土法煉鋅廢渣采集于赫章縣媽姑鎮的一個廢渣堆場，基本理化指標為pH值8.10、總碳174.3 g·kg-1、全氮1.09 g·kg-1、堿解氮37 mg·kg-1、有效磷3.70 mg·kg-1、速效鉀85 mg·kg-1。供試草種分別為一年生黑麥草(L.multiflorum)(X1)、多年生黑麥草(X2)、 白三葉(Trifoliumrepens) (X3)、紅三葉(T.pratense) (X4)、紫花苜蓿 (X5)、草地早熟禾(P.pratensis) (X6)和狗牙根(Cynodondactylon) (X7)。容器為塑料盆缽(16 cm×16 cm×12 cm)。

1.2試驗方法

1.2.1廢渣化學性質的測定 總碳用油浴加熱重鉻酸鉀氧化-容量法測定，全氮用凱氏蒸餾法測定，堿解氮用堿解擴散法測定，有效磷用0.5 mol·L-1碳酸氫鈉-鉬銻抗比色法測定，速效鉀采用醋酸銨浸提-火焰光度法測定，pH值用電位測定法測定[10]。

1.2.2試驗方法及數據處理 試驗在貴州大學農業資源與環境專業試驗場進行，于2011年7月27日播種。土法煉鋅廢渣自然風干、除雜后過5 mm孔徑篩，混勻備用。每盆廢渣基質用量800 g，播種100粒，每處理6個重復，每天早上澆水，保持基質濕潤。試驗觀測指標：出苗率=規定時間出苗種子數/供試種子數×100%,均以第20天出苗種子數計算；出苗時間；播種后第30天、40天、60天7種草的株高(隨機測量5株植株的株高，求平均值)；播種后第30天、40天、60天7種草的分蘗(枝)數[隨機測定5株植株的分蘗(枝)數，求平均值]。

數據分析：采用DPS 7.05軟件對數據進行方差分析。

2 結果與分析

2.1廢渣上不同草種出苗狀況 在播種后對不同草種的出苗時間進行觀察(圖1)，土法煉鋅廢渣基質上紅三葉、白三葉在播種后的第3天就出苗，一年生黑麥草、多年生黑麥草在播種后的第4天出苗，紫花苜蓿在第5天出苗，草地早熟禾在第7天出苗，狗牙根出苗所需時間最長，在第15天才出苗。土法煉鋅廢渣基質上不同草種的出苗高峰期不同。其中紅三葉、白三葉、一年生黑麥草、多年生黑麥草、紫花苜蓿、草地早熟禾、狗牙根出苗高峰期分別為3～6 d、3～5 d、4～6 d、4～6 d、6～9 d、8～11 d、16～20 d。白三葉、一年生黑麥草、多年生黑麥草出苗高峰期最短，紅三葉、紫花苜蓿、草地早熟禾次之，狗牙根的出苗高峰期最長。在氣候驟變的地區建植草坪或快速植被恢復礦業廢棄地，出苗高峰期是一個重要的指標[11]。出苗高峰期的長短影響到幼苗對環境的抗逆能力。出苗高峰期越短，幼苗受環境因素的影響就越小。不同草種在廢渣上的出苗早晚順序為紅三葉、白三葉<一年生黑麥草、多年生黑麥草<紫花苜蓿<草地早熟禾<狗牙根。

圖1 不同草種開始出苗時間Fig.1 Days to emergence aftersowing of different grass species

土法煉鋅廢渣基質上多年生黑麥草的出苗率極顯著高于一年生黑麥草、白三葉、紅三葉、紫花苜蓿、草地早熟禾和狗牙根的出苗率(P<0.01)。一年生黑麥草的出苗率極顯著高于紫花苜蓿、草地早熟禾、狗牙根的出苗率(P<0.01)，與紅三葉、白三葉的出苗率無顯著差異(P>0.05)。紫花苜蓿的出苗率與草地早熟禾、狗牙根的出苗率無顯著差異。多年生黑麥草的出苗率最高，為83.3%，其次為白三葉、一年生黑麥草、紅三葉，草地早熟禾的出苗率最低，為26.2%，紫花苜蓿與狗牙根的出苗率接近(圖2)。

圖2 煉鋅廢渣基質上7種草種的出苗率Fig.2 Emergence rate of seven grass species on zinc smelting slag

2.2廢渣基質上不同草種生長情況 株高是衡量植株生長快慢的指標之一,牧草株高性狀與葉片的長度和寬度呈正相關[12]。在第30天，一年生黑麥草、多年生黑麥草、白三葉、紅三葉和紫花苜蓿生長狀況良好，株高分別為8.0、5.0、4.4、3.7、4.7 cm，草地早熟禾、狗牙根生長緩慢，株高分別為3.1和0.9 cm。在第40天，一年生黑麥草、多年生黑麥草、白三葉、紅三葉和紫花苜蓿株高分別為9.8、6.0、6.8、5.0、5.9 cm，草地早熟禾和狗牙根株高分別為4.4和1.2 cm。在第60天，一年生黑麥草、多年生黑麥草、白三葉、紅三葉、紫花苜蓿、草地早熟禾和狗牙根，株高分別為11.3、5.1、8.2、4.3、10.0、4.4和1.4 cm(圖3)。一年生黑麥草長勢最好，第60天達到最大株高(11.3 cm)，但第30～60天變化不大，原因可能是植株前期長勢較快，消耗廢渣中僅存的營養物質，導致后期養分缺乏。紫花苜蓿的株高也在第60天達到了最高值(10.0 cm)，但隨后葉片全部變黃脫落，可能是營養物質缺乏。多年生黑麥草和紅三葉均在第40天達到最大株高，其后開始逐漸降低，葉色變黃。白三葉株高與一年生黑麥草類似。草地早熟禾和狗牙根在第30～60天植株株高變化不大，葉片為綠色，可能是植株矮小、出苗率低，消耗的養分少造成的。整體來看，各種草的株高排序為一年生黑麥草>白三葉>多年生黑麥草>紅三葉>紫花苜蓿生長>草地早熟禾>狗牙根，只有第60天時紫花苜蓿大于白三葉(圖3)。

試驗觀察期內，一年生黑麥草、多年生黑麥草、草地早熟禾出現分蘗，狗牙根未分蘗，白三葉、紅三葉、紫花苜蓿出現分枝。分蘗數為一年生黑麥草>多年生黑麥草>草地早熟禾；分枝數為白三葉>紅三葉>紫花苜蓿(圖4)。在觀察期內，記錄了7個草種葉片顏色的變化現。紫花苜蓿葉片最先脫落變黃，其次紅三葉葉片變黃且部分植株死亡，一年生黑麥草、多年生黑麥草、白三葉的葉片均有變黃現象。草地早熟禾和狗牙根葉在觀察期內沒有變黃。

圖3 不同時期7種草的株高Fig.3 Plant height of seven grass species

圖4 不同草種的分蘗(枝) 數 Fig.4 Tillers (branches) of seven grass species

3 討論

7種草在黔西北土法煉鋅廢渣基質上均能出苗，但不同草種出苗率差異很大，說明在黔西北土法煉鋅廢渣上篩選出適宜草種是可行的。發芽率是衡量種子質量好壞的重要指標，也是檢測種子活力的指標之一。種子發芽除受種子自身的基因型、籽粒的飽滿程度、種皮的厚度和胚的活性等內部因素影響外，還受環境因素如光照、溫度、水分、生長基質和濕度等影響。張志權和藍崇鈺[13]研究表明，鉛鋅礦尾礦對種子萌發早期的呼吸作用有抑制作用。Pb、Zn、Cd、Cu等重金屬脅迫會影響草類種子的萌發[14]。分蘗可以促進植株利用土壤中的營養物質，有利于植物擴大營養面積，加強植物占據地面的能力[15]。分蘗多、快，有利于植被快速恢復，增加地表覆蓋度。在綠色礦山的建設中，綠化覆蓋率在生態恢復中占12.5%[16]。

在幼苗生長后期，紫花苜蓿、紅三葉、白三葉、一年生黑麥草和多年生黑麥草葉片均有變黃現象，其可能原因是：1)土法煉鋅廢渣基質中養分缺乏，廢渣基質中有機質含量低，速效氮、磷、鉀含量低，不能夠滿足幼苗后期對營養物質的需求，因此，在土法煉鋅廢渣基質上植草應考慮養分的補給。林文杰等[2]研究表明，土法煉鋅廢渣上植被重建的主要限制因子包括高鹽堿脅迫、有機質含量低、養分缺乏。2)土法煉鋅廢渣中重金屬Pb、Zn、Cd[3，7]等含量較高，這些重金屬在植株體內不斷富集，從而影響植株的生長。王慧忠和何翠屏[17]對草坪草在受重金屬污染的土壤中生長的研究發現，草坪草根系大量死亡，根系生物量下降，根系活力急劇降低，從而影響根系對水肥的吸收和傳導，最終導致地上部分生長受到影響。低濃度的Zn2+能促進紫花苜蓿根和苗的生長，高濃度的Cd2+、Zn2+抑制紫花苜蓿根和苗的生長，但對于根生長的影響大于芽[18]。因此，下一步的工作重點是改良土法煉鋅廢渣基質，增加養分，減少重金屬的毒害，從而達到快速有效地實現土法煉鋅廢渣堆場的植被恢復，減少廢渣被雨水沖刷流失，減少對周邊土壤和河流的重金屬污染。

4 結論

7種草種在土法煉鋅廢渣基質上的出苗時間有明顯的差異，其出苗需時順序為白三葉、紅三葉(3 d)<一年生黑麥草、多年生黑麥草(4 d)<紫花苜蓿(5 d)<草地早熟禾(7 d)<狗牙根(15 d)。煉鋅廢渣基質上7種草均能萌發，但出苗率差異較大，多年生黑麥草的出苗率最高(83.3%)，其次是一年生黑麥草、白三葉、紅三葉(高于60%)，而紫花苜蓿、草地早熟禾和狗牙根的出苗率較低(30%左右)。

從苗期的長勢來看，一年生黑麥草、白三葉及多年生黑麥草的株高和分蘗數都比紅三葉、紫花苜蓿、草地早熟禾和狗牙根好。一年生黑麥草、白三葉、多年生黑麥草適宜在土法煉鋅廢渣基質上生長，對土法煉鋅廢渣堆場的人工植被恢復有一定的指導意義。

[1] 羅燦忠.土法煉鋅與環境保護[J].云南冶金,1993(2):28-29.

[2] 林文杰,肖唐付,敖子強,等.黔西北土法煉鋅廢棄地植被重建的限制因子[J].應用生態學報,2007,18(3):631-635.

[3] 吳攀,劉叢強,楊元根,等.土法煉鋅廢渣堆中的重金屬及其釋放規律[J].中國環境科學,2002,22(2):119-123.

[4] 吳攀,劉叢強,張國平,等.黔西北煉鋅地區河流重金屬污染特征[J].農業環境保護,2002,21(5):443-446.

[5] 張國平,劉叢強,楊元根,等.貴州省幾個典型金屬礦區周圍河水的重金屬分布特征[J].地球與環境,2004,31(1):82-85.

[6] 畢向陽.西南土法煉鋅導致的環境重金屬污染研究[D].貴陽：中國科學院地球化學研究所,2007.

[7] 武藝,林文杰,敖子強.黔西北土法煉鋅區Pb、Cd 污染與生態修復[J].環?？萍?2008(1):34-36,42.

[8] 袁敏,鐵柏清,唐美珍,等.四種草本植物對鉛鋅尾礦土壤重金屬的抗性與吸收特性研究[J].草業學報,2005,14(6):57-62.

[9] 楊明杰,林咸永,楊肖娥.Cd對不同種類植物生長和養分積累的影響[J].應用生態學報,1998,9(1):89-94.

[10] 全國農業技術推廣服務中心.土壤分析技術規范[M].北京:中國農業出版社,2006:36-44,55-56,67-68,73-74.

[11] 向仰州,劉方.不同草種在磷石膏基質中生長適應性[J].遼寧工程技術大學學報(自然科學版),2010,29(3):525-528.

[12] 恩和,格日勒,烏云高娃,等.生態環境對牧草株高葉片性狀的影響[J].當代畜牧,2008(10):39-40.

[13] 張志權,藍崇鈺.鉛鋅礦尾礦場植被重建的生態學研究.I尾礦對種子萌發的影響[J].應用生態學報,1994,5(1):52-56.

[14] 張芳,方溪,張麗靜.草類對重金屬脅迫的生理生化響應機制[J].草業科學,2012,29(4):534-541.

[15] 內蒙古農牧學院.草原管理學[M].北京:農業出版社,1980:23.

[16] 奇鳳,宋桂龍.草坪草分蘗特征及調控機理研究進展[J].草原與草坪,2012(1):79-86.

[17] 王慧忠,何翠屏.重金屬離子脅迫對草坪草根系生長及其活力的影響[J].中國草地,2002,24(3):55-63．

[18] 張春榮,李紅,夏立江,等.鎘、鋅對紫花苜蓿種子萌發及幼苗的影響[J].華北農學報,2005,20(1):96-99.