全 文 ：芒颖大麦草对菱镁矿粉尘污染的生态适应性*
方摇 英1,2 摇 赵摇 琼1 摇 台培东1 **摇 吴海燕3 摇 李培军1 摇 秦摇 秦1,2 摇 邓摇 鑫1,2
( 1中国科学院沈阳应用生态研究所污染生态与环境工程重点实验室, 沈阳 110016; 2中国科学院大学, 北京 100049; 3水利部
黄河水利委员会黑河流域管理局, 兰州 730030)
摘摇 要摇 采用盆栽试验,向土壤表面投加不同量(0、1% 、5% 、10% 、15% 、20% 、30% )的菱镁
矿粉尘,研究土壤理化性质和芒颖大麦草对镁的耐性. 结果表明: 菱镁矿粉尘施加到土壤表
面时,可快速形成结皮.当菱镁粉尘比例超过 20%时,土壤理化性质发生明显变化,表现为 pH
显著升高,电导率逐渐降低,有机质含量先降低后升高;芒颖大麦草的叶绿素含量随着镁粉尘
含量的增加呈现先增加后降低的趋势,而可溶性蛋白含量随着镁粉尘含量的增加呈现先增加
后降低再升高的趋势;芒颖大麦草具有较强的耐镁特性,土壤中镁浓度达到 4. 61 g·kg-1时,
芒颖大麦草仍生长良好.芒颖大麦草适宜作为菱镁矿区撂荒地生态恢复的植物种.
关键词摇 芒颖大麦草摇 镁摇 菱镁矿摇 生态恢复
文章编号摇 1001-9332(2012)12-3474-05摇 中图分类号摇 X53摇 文献标识码摇 A
Ecological adaptability of Hordeum jubatum to magnesite dust. FANG Ying1,2, ZHAO Qiong1,
TAI Pei鄄dong1, WU Hai鄄yan3, LI Pei鄄jun1, QIN Qin1,2, DENG Xin1,2 ( 1Key Laboratory of Pollu鄄
tion Ecology and Environmental Engineering, Institute of Applied Ecology, Chinese Academy of Sci鄄
ences, Shenyang 110016, China; 2University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, Chi鄄
na; 3Heihe River Bureau of the Yellow River Commission, Ministry of Water Resources, Lanzhou
730030, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. ,2012,23(12): 3474-3478.
Abstract: Hordeum jubatum was pot鄄cultured with the soil sprayed with different amounts of magne鄄
site dust (0, 1% , 5% , 10% , 15% , 20% , and 30% ) to study the magnesium (Mg) tolerance of
the plant. After sprayed onto soil surface, the magnesite dust could rapidly form a crust. When the
amount of the sprayed dust was bigger than 20% , soil pH increased significantly, soil conductivity
had a gradual decrease, whereas soil organic matter content increased after an initial decrease.
With the increasing amount of sprayed magnesite dust, the leaf chlorophyll content of H. jubatum
increased first and decreased then, while the leaf soluble protein content showed a trend of increase 鄄
decrease 鄄 increase. H. jubatum had stronger tolerance to Mg. When the soil Mg content was as high
as 4. 61 g·kg-1, H. jubatum could still grow well, indicating that this plant species could be used as
an appropriate candidate for the ecological restoration of waste lands in magnesite mining areas.
Key words: Hordeum jubatum; magnesium; magnesite; ecological restoration.
*“十二五冶国家科技支撑计划项目( 2012BAC13B03)和沈阳大学
区域污染环境生态修复教育部重点实验室基金项目资助.
**通讯作者. E鄄mail: pdtai@ sina. com
2012鄄03鄄06 收稿,2012鄄09鄄27 接受.
摇 摇 我国的菱镁矿资源储量、开采、加工及出口量均
居世界首位,主要集中在富有“镁都冶之称的辽宁省
海城市和大石桥一带[1] .在目前的经济和技术条件
下,菱镁矿的开采和加工远远达不到清洁生产和环
境保护的基本要求,菱镁矿的破碎、分选、烧结及运
输过程中产生的大量粉尘和烟尘,对矿区周边环境
造成污染和破坏,并对区域环境质量、农业生产及人
群健康造成严重威胁. 菱镁矿生产和加工过程中产
生了大量粉尘,其主要成分为 MgCO3和 MgO[2],沉
降到植物叶片上,会直接使作物受害,造成减产甚至
绝产;沉降于地面会导致土壤质量下降[3-7],粉尘污
染严重的地区,土壤表面形成坚硬而紧实的结壳,导
致种子萌发和幼苗破土困难,草本植物种类减少,而
在污染严重区域,草本植物几乎不能生存,仅有少量
灌木和松树幼树存活[5,7] .
菱镁矿粉尘污染土壤的修复及其人工植被构建
成为辽中南菱镁矿集中地区环境综合治理和景观重
应 用 生 态 学 报摇 2012 年 12 月摇 第 23 卷摇 第 12 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Dec. 2012,23(12): 3474-3478
建的重点和难点.由于菱镁矿世界性分布的不均匀,
成规模开发的菱镁矿主要集中在我国辽中南地区.
国际上鲜有开展关于菱镁粉尘污染土壤的研究和治
理工作,我国在该领域的基础研究和治理工作刚刚
起步,没有成熟的技术和经验可供借鉴,土壤修复和
植被恢复的工作必须从基础的生态学和群落学研究
起步.
在前期的矿区植被调查中,笔者发现一种较为
理想的菱镁矿粉尘污染土壤修复植物———芒颖大麦
草(Hordeum jubatum),该植物生态适应性广、抗逆
性强,在形成结皮的土壤上仍能形成植被盖度较高
的群落.该草属禾本科大麦属,简称芒麦草,原产于
美国西部,为多年生植物,须根性,秆丛生.由于其超
强的繁殖能力和广泛的生态适应能力,目前在世界
范围广泛分布[8-9] .在 pH 为 6郾 4 ~ 9郾 5 的壤土或粘
性土上,芒颖大麦草都具有较高的生物量.它还具高
耐盐性,可在全盐含量达 1郾 0%的土壤中快速生长,
其根和叶能积累比较高的盐分,并能降低土壤含盐
量[10-11] .其生长范围广,在潮湿或者干旱的土壤上
都能生长.在受干扰地区和高盐区,芒麦草经常作为
先锋植物出现,其适应性强,引种容易成活,且成活
后无需浇水[12-13] .
本文以芒颖大麦草为研究对象,分析菱镁粉尘
对土壤理化性质的影响,以及在土壤形成结皮的条
件下,芒颖大麦草生长发育及主要抗逆性生理的变
化,初步阐明芒颖大麦草对菱镁粉尘污染土壤的抗
性极限和抗性机制,为辽中南菱镁矿区大面积的粉
尘污染土壤修复和人工植被快速恢复提供技术和理
论指导.
1摇 材料与方法
1郾 1摇 材料
供试芒颖大麦草种子购于厦门爱垦园艺有限公
司.供试草甸棕壤采自中国科学院沈阳应用生态研
究所沈阳生态实验站,室内自然风干 (室温约 25
益),用研钵磨细,过 2 mm筛备用.土壤 pH 为 6郾 8,
有机质为 2郾 64% ,全碳含量为 17郾 8 g·kg-1,全氮含
量为 1郾 1 g·kg-1,全磷为 0郾 35 g·kg-1 .
供试菱镁矿粉成分为轻烧氧化镁,过 100 目筛
备用.
1郾 2摇 试验设计
芒颖大麦草种子经 2% H2O2消毒 10 min后,用
去离子水冲洗,均匀播种在装有蛭石的盆中.置人工
气候箱培养(湿度 50% ,温度 25 益 / 20 益,光周 16
h / 8 h,光照 200 滋mol·s-1·m-2).播种后以 Hoag鄄
land营养液浇灌,遮光培养 4 周.
根据菱镁矿区土壤矿粉污染强度(中重度),向
盆内土壤表面投加菱镁矿粉,使其形成不同量镁污
染土壤,分别为 0 (对照)、 1% 、5% 、10% 、15% 、
20% 、30% [菱镁矿粉 / (菱镁矿粉+土)],分别记为
W0、W1、W2、W3、W4、W5、W6 . 土壤表面投加菱镁矿
粉,喷水约 200 mL,此时菱镁矿粉尘初步形成结皮.
选取长势一致的芒颖大麦草植株幼苗移栽入盆栽土
壤中,每盆定苗 30 株,放在光照温室内培养.
培养 40 d 后,分别对植物和土壤采样. 采集地
上部分植物样品,每个重复取 3 ~ 4 株,用电子天平
称植物鲜质量,用米尺测量植株高度. 植物样品 90
益电热鼓风干燥箱中杀青 20 min,于 75 益烘干至恒
量,称量后用于镁含量分析.土壤样品随机从盆中取
出,将每个土样去掉结皮块和植物残渣及根系,自然
风干后研磨使其过 2 mm 筛,用于土壤 pH 值、全盐
量等理化性质的测定;另外,采用四分法取出一部
分,研磨使其过 100 目筛,用于土壤全镁、有机质等
的测定,测定时各重复 3 次,取平均值为试验结果.
1郾 3摇 测定方法
质量保证与质量控制(QA / QC)样品分析过程
中采用方法空白和样品平行样等措施进行质量控
制.每次分析试样前,按照相同分析步骤作空白试
验,以保证试验结果的准确度和精密度;在绘制标准
曲线及分析实际样品时,采用 3 组平行样进行分析.
1郾 3郾 1 植物镁含量测定 摇 植物样品经 HNO3 / HClO4
(4 颐 1, v / v)消解后,用火焰原子吸收分光光度计
(Varian, AA240)测定全镁含量.
1郾 3郾 2 土壤化学性质测定摇 土壤理化性质的测定参
照土壤农化分析[14] . pH含量测定采用电位法,用无
CO2水浸提,pHs鄄3C 型精密 pH 计测定.全盐含量测
定为电导法;有机质含量采用重铬酸钾法测定;全镁
含量测定方法为:土壤样品经 HF / HNO3 / HClO4
(10 颐 5 颐 5, v / v / v)消解后,用火焰原子吸收分光光
度计(Varian, AA240)测定镁含量.
1郾 3郾 3 叶绿素、可溶性蛋白测定 摇 叶绿素的测定参
照 Wellburn 和 Lichtenthaler[15]的方法,采取植物顶
端叶片进行测定,可溶性蛋白采用紫外分光光度法
测定.
1郾 4摇 数据处理
试验所得数据以平均值依标准差表示,生物量
以植物地上部分干质量计,镁含量以整株植物干质
量计. 数据结果采用 SPSS 16郾 0 和 Microsoft Excel
574312 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 方摇 英等: 芒颖大麦草对菱镁矿粉尘污染的生态适应性摇 摇 摇 摇 摇
2003 进行统计分析,并根据需要采用 Duncan 多重
比较法或 Paired鄄Samples T 检验法比较差异显著性
(琢=0郾 05).
2摇 结果与分析
2郾 1摇 菱镁矿粉尘对土壤的影响
菱镁矿粉尘对土壤理化性质影响很大. 从表 1
可以看出,与对照相比,施加了镁粉尘的土壤 pH 均
显著升高,电导率多显著降低. 处理 W1、W2 土壤中
的有机质含量有所降低,但差异不显著 ,其他处理
有机质含量显著升高. 表明菱镁矿产生的镁粉尘对
土壤理化性质影响很大.
2郾 2摇 菱镁矿粉尘对芒颖大麦草生长的影响
从表 2 可以看出,处理 40 d 后,随着土壤中菱
镁矿镁粉尘含量的升高,植物中的镁含量逐渐升高.
处理 W4 植物中镁含量为 2郾 24 g·kg-1,处理 W6 植
物中镁含量达到了 3郾 76 g·kg-1 . 芒颖大麦草地上
部分的单株生物量呈现出先增加后降低的趋势. 处
理W1、W2、W3地上部生物量较对照显著增加,处理
表 1摇 菱镁矿粉尘对土壤性质的影响
Table 1摇 Effects of magnesite dust on soil property
处理
Treatments
结皮厚度
Crust thickness
(cm)
pH 电导率
Conductivity
(滋S·cm-1)
有机质
Organic matter
(% )
W0 0 6郾 44依0郾 24d 967依19a 1郾 91依0郾 07c
W1 0郾 34依0郾 05a 8郾 19依0郾 04c 489依26c 1郾 75依0郾 04c
W2 0郾 69依0郾 06b 8郾 45依0郾 45bc 653依60b 1郾 88依0郾 16c
W3 1郾 01依0郾 03c 8郾 96依0郾 05a 895依33a 3郾 69依0郾 15a
W4 1郾 77依0郾 06d 9郾 14依0郾 20a 688依54b 2郾 99依0郾 16b
W5 2郾 23依0郾 06e 8郾 90依0郾 12ab 616依71b 3郾 03依0郾 36b
W6 2郾 67依0郾 06f 8郾 90依0郾 15ab 530依33c 2郾 92依0郾 20b
同列不同字母表示处理间差异显著(P<0郾 05) Different letters in the
same column meant significant difference among treatments at 0郾 05 level郾
下同 The same below郾
表 2摇 镁粉尘对芒颖大麦草株高和单株生物量的影响
Table 2摇 Effects of magnesite dust on height and the bio鄄
mass per plant of Hordeum jubatum
处理
Treatment
植物组织
镁含量
Mg content in
plant tissue
(g·kg-1)
单株地上
部生物量
Aboveground
biomass per
plant (mg)
株高
Height
(cm)
W0 0郾 57依0郾 04 115依3cd 24郾 2依0郾 6b
W1 0郾 82依0郾 03 140依0郾 5bc 27郾 4依0郾 4ab
W2 0郾 85依0郾 25 181依54ab 30郾 1依3郾 3ab
W3 0郾 87依0郾 39 210依29ca 32郾 0依3郾 3ab
W4 1郾 95依1郾 07 140依40bc 23郾 9依3郾 9b
W5 2郾 24依0郾 98 79依28de 18郾 2依4郾 2c
W6 3郾 76依1郾 42 34依13e 15郾 1依3郾 0c
W4 地上部生物量开始显著低于对照,处理 W6 地上
部生物量则降低了 70郾 3% .芒颖大麦草株高也随着
土壤中菱镁矿镁粉尘含量的升高呈现先升高后降低
的趋势.表明随着菱镁矿镁粉尘浓度的升高,芒颖大
麦草镁含量升高,生物量和株高生长受到抑制.
2郾 3摇 菱镁矿粉尘对芒颖大麦草叶绿素和可溶性蛋
白含量的影响
叶片是植物进行光合作用的主要器官,而叶绿
体是光合作用的重要细胞器,植物叶片叶绿素含量
与光合速率、营养状况等密切相关,其含量高低可以
表征植物生长状况,是叶片衰老的重要指标.植物体
内的可溶性蛋白大多是参与各种代谢的酶类,其含
量是表征植物体总体代谢状况的一个重要指标.
摇 摇 从图 1 可以看出,随着粉尘的增加,芒颖大麦草
叶绿素含量整体呈现先增加后降低的趋势,处理
W1、W2 叶绿素含量与对照没有显著差异,处理 W3
的叶绿素含量显著高于对照,当镁粉尘比例继续升
高时,芒颖大麦草叶绿素含量显著降低.芒麦草叶可
溶性蛋白含量则表现为先小幅升高而后降低,最后
又升高的趋势.处理 W1、W2、W3 的可溶性蛋白含量
与对照没有显著差异,处理 W4 的可溶性蛋白含量
显著低于对照,而处理 W6 可溶性蛋白含量显著高
于对照.
2郾 4摇 芒颖大麦草生物学特征与土壤结皮厚度的相
关性
图 1摇 菱镁矿粉尘对芒颖大麦草叶片中叶绿素和可溶性蛋
白含量的影响
Fig. 1摇 Effect of magnesite dust on chlorophyll and soluble pro鄄
tein contents of Hordeum jubatum郾
6743 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 23 卷
表 3摇 芒麦草的生物学特征与结皮厚度的相关方程
Table 3摇 Correlation equations between the biological char鄄
acteristics of Hordeum jubatum and thickness of crust
生物学特征
Biological characteristic
相关方程
Correlation equation
R2
地上部单株生物量
Aboveground biomass per plant
Y=105郾 283+199郾 753x-132郾 209x2+
17郾 515x3
0郾 955
株高
Height
Y=23郾 490+20郾 426x-16郾 243x2+
2郾 758x3
0郾 974
植物镁含量
Mg content in plant
Y=0郾 589+0郾 530x-0郾 327x2+
0郾 211x3
0郾 979
土壤镁含量
Mg content in soil
Y=0郾 976+4郾 860x-2郾 531x2+
0郾 562x3
0郾 987
摇 摇 由表 3 可以看出,芒颖大麦草的各项指标及土
壤镁含量与结皮厚度表现为很好的三次函数相关关
系.芒颖大麦草的生物量、株高、镁含量(包括植物
和土壤)随着结皮厚度的变化而改变,地上部分单
株生物量和株高随着结皮厚度的增加表现出先增大
后减小的趋势,而植物和土壤中的镁含量随着结皮
厚度的增加呈现升高的趋势.
3摇 讨摇 摇 论
3郾 1摇 菱镁矿粉尘与土壤理化性质
镁是植物生长的必需元素.植物体内镁含量为
0郾 05%~0郾 7% ,平均为 0郾 2% .全国范围内的土壤有
效镁含量较低,供镁潜力较低[16] .在缺镁的土壤上,
施用镁肥可提高土壤中有效镁含量,消除作物缺镁
症状,增加作物产量并改善产品品质[16] . 在菱镁矿
区,土壤受到含镁粉尘的污染,使土壤中的镁含量急
剧升高[17],过量镁尘降到土壤中 (可溶镁 > 800
mg·kg-1),改变土壤理化性质,影响土壤酶活性和
微生物活性[5,7,18] .
本研究结果显示,与未施加镁粉尘的土壤相比,
施加镁粉尘的土壤 pH 显著升高,与其他研究结果
相符[6,19-20] .印度皮特拉加尔州菱镁矿污染区土壤
的 pH平均为 9郾 3[4];辽宁海城菱镁矿污染区尾矿地
土壤 pH达到 10郾 3[1],均高于本研究的结果,其原因
可能为:本研究供试土壤为酸性土,且研究周期比较
短,随着时间的推移,土壤的 pH 将发生改变. 李军
等[18]研究发现,施加镁粉尘的土壤有机质有所降
低.而本研究中,随着菱镁矿粉尘投加量的增加,有
机质有升高的迹象,其具体原因有待进一步研究.过
量镁对土壤电导率的影响也很大,导致土壤电导率
显著降低.
3郾 2摇 菱镁矿粉尘与芒颖大麦草叶绿素、可溶性蛋白
Mg能促进植物的光合作用,活化植物体内的多
种酶以及促进蛋白质合成[19,21-23] . 植物一旦缺镁,
叶绿体结构就会受到破坏,基粒数下降,被膜损伤,
类囊体数目降低,影响植物的光合作用[21,24] . 本试
验中,随着菱镁粉尘含量的升高,结皮厚度逐渐升
高,芒颖大麦草的叶绿素含量呈现先增加后降低的
趋势.说明低浓度的 Mg对叶绿素合成有刺激作用.
而在高浓度处理下,植物叶绿素含量均较对照低,
说明过量 Mg 对叶绿素合成起抑制作用. 与叶绿素
不同,低浓度的 Mg 在短期内对可溶性蛋白合成影
响不大;而较高浓度的 Mg 使植物可溶性蛋白含量
明显升高,说明适当浓度的 Mg 有促进植物体内蛋
白质合成的作用.
3郾 3摇 芒颖大麦草对镁污染区的恢复
研究表明,过量镁会影响植物对其他离子(如
N、P、K)的吸收,使得植物生长发育受阻,品质下降,
产量降低[25-27] . Kobayashi等[28]通过水培试验表明,
当水溶液中 Mg 浓度达到 30 mmol·L-1时,水稻和
稗属植物生长量分别比对照降低 54% ~ 67% 和
33%~42% ;张立军等[29]研究发现,在受污染土壤
(水溶性镁 1642郾 5 mg·kg-1)上生长的玉米出苗慢,
叶片小,植株矮小,发育不良.本研究中,土壤全镁浓
度为 4郾 61 g·kg-1时,连续培养 40 d后,植物内镁含
量为 1郾 95 g·kg-1,单株芒颖大麦草地上部生物量
较对照有所增加. 李亚洲等[30]研究表明,土壤中可
溶态镁含量超过 800 mg·kg-1后,大豆的株高、根
长、叶绿素含量开始下降;当土壤可溶态镁含量达到
1800 mg·kg-1时,植株全部死亡. 表明芒颖大麦草
对镁有较强抗性,可以作为菱镁矿高镁污染区撂荒
地植物恢复的抗性或耐性植物.
菱镁矿区大面积镁污染土壤的修复及人工植被
的快速恢复是辽中南矿山密集区环境综合整治地的
首要任务.芒颖大麦草是该矿区植物区系重要的优
势植物和建群物种,抗寒、易繁殖、生长迅速、根系发
达,可在较高浓度的镁污染土壤中正常生长发育,形
成单一物种的稳定植物群落.此外,芒颖大麦草株形
优美,穗状紫色花序,随风舞动,尤为美观,是早春优
良的绿化材料[31] . 因此,芒颖大麦草将在菱镁矿区
高镁污染土壤的生态恢复和植被快速重建中发挥不
可替代的作用.
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作者简介摇 方摇 英,女,1986 年生,硕士.主要从事污染土壤
修复研究. E鄄mail: sdmyfy789@ 163. com
责任编辑摇 肖摇 红
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