黔西北炼锌废渣基质上不同草种苗期生长状况

敖成红，刘 方，罗 洋

(1.贵州大学农学院，贵州 贵阳 550025； 2.贵州大学资源与环境工程学院，贵州 贵阳 550025)

土法炼锌是一种落后的炼锌工艺，其直接利用燃煤建炉和制罐，原料、燃料消耗大，金属回收率低(45%～80%)，煤燃烧后产生的大量烟尘(其中含有相当的Pb、Zn和Cd等重金属元素)直接排入大气，产生了大量的固体废弃物(包括大量的煤灰渣、炼锌后的矿渣、破损的蒸馏罐和耐火砖块等)[1]。黔西北地区有300多年的土法炼锌历史，该区土法炼锌废渣为2.051×107t，废渣堆放面积达400 hm2[2]。炼锌废渣中重金属含量高，且重金属的迁移对周边的土壤及河流造成了明显的污染[3-5]。炼锌区生长的玉米(Zeamays)和土豆(Solanumtuberosum)可食部分的Cd、Cu、Pb和Zn含量高，绝大多数样品Cd、Pb含量超过国家食品卫生限量标准[6]。污染点的白菜(Brassicapekinensis)中重金属Pb、Cd的含量超过对照点的2～4倍[7]，重金属通过食物链的富集，威胁着人体健康。由于炼锌废渣的重金属含量高，堆积处几乎寸草不生，堆场自然植被恢复缓慢，生态环境恶劣。研究表明，多年生黑麦草(Loliumperenne)对铅锌尾矿污染土壤中Cd、Pb、Zn和Cu的吸收量明显大于早熟禾(Poaannua)和紫花苜蓿(Medicagosativa)[8]，黑麦草对Cd有较强的耐性[9]。因此，本研究以土法炼锌废渣为生长基质，探讨常规牧草在该基质上生长的适应性，筛选适合的草种对废弃地进行快速植被恢复，以期为炼锌废弃地的生态环境治理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1试验材料 土法炼锌废渣采集于赫章县妈姑镇的一个废渣堆场，基本理化指标为pH值8.10、总碳174.3 g·kg-1、全氮1.09 g·kg-1、碱解氮37 mg·kg-1、有效磷3.70 mg·kg-1、速效钾85 mg·kg-1。供试草种分别为一年生黑麦草(L.multiflorum)(X1)、多年生黑麦草(X2)、 白三叶(Trifoliumrepens) (X3)、红三叶(T.pratense) (X4)、紫花苜蓿 (X5)、草地早熟禾(P.pratensis) (X6)和狗牙根(Cynodondactylon) (X7)。容器为塑料盆钵(16 cm×16 cm×12 cm)。

1.2试验方法

1.2.1废渣化学性质的测定 总碳用油浴加热重铬酸钾氧化-容量法测定，全氮用凯氏蒸馏法测定，碱解氮用碱解扩散法测定，有效磷用0.5 mol·L-1碳酸氢钠-钼锑抗比色法测定，速效钾采用醋酸铵浸提-火焰光度法测定，pH值用电位测定法测定[10]。

1.2.2试验方法及数据处理 试验在贵州大学农业资源与环境专业试验场进行，于2011年7月27日播种。土法炼锌废渣自然风干、除杂后过5 mm孔径筛，混匀备用。每盆废渣基质用量800 g，播种100粒，每处理6个重复，每天早上浇水，保持基质湿润。试验观测指标：出苗率=规定时间出苗种子数/供试种子数×100%,均以第20天出苗种子数计算；出苗时间；播种后第30天、40天、60天7种草的株高(随机测量5株植株的株高，求平均值)；播种后第30天、40天、60天7种草的分蘖(枝)数[随机测定5株植株的分蘖(枝)数，求平均值]。

数据分析：采用DPS 7.05软件对数据进行方差分析。

2 结果与分析

2.1废渣上不同草种出苗状况 在播种后对不同草种的出苗时间进行观察(图1)，土法炼锌废渣基质上红三叶、白三叶在播种后的第3天就出苗，一年生黑麦草、多年生黑麦草在播种后的第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，狗牙根出苗所需时间最长，在第15天才出苗。土法炼锌废渣基质上不同草种的出苗高峰期不同。其中红三叶、白三叶、一年生黑麦草、多年生黑麦草、紫花苜蓿、草地早熟禾、狗牙根出苗高峰期分别为3～6 d、3～5 d、4～6 d、4～6 d、6～9 d、8～11 d、16～20 d。白三叶、一年生黑麦草、多年生黑麦草出苗高峰期最短，红三叶、紫花苜蓿、草地早熟禾次之，狗牙根的出苗高峰期最长。在气候骤变的地区建植草坪或快速植被恢复矿业废弃地，出苗高峰期是一个重要的指标[11]。出苗高峰期的长短影响到幼苗对环境的抗逆能力。出苗高峰期越短，幼苗受环境因素的影响就越小。不同草种在废渣上的出苗早晚顺序为红三叶、白三叶<一年生黑麦草、多年生黑麦草<紫花苜蓿<草地早熟禾<狗牙根。

图1 不同草种开始出苗时间Fig.1 Days to emergence aftersowing of different grass species

土法炼锌废渣基质上多年生黑麦草的出苗率极显著高于一年生黑麦草、白三叶、红三叶、紫花苜蓿、草地早熟禾和狗牙根的出苗率(P<0.01)。一年生黑麦草的出苗率极显著高于紫花苜蓿、草地早熟禾、狗牙根的出苗率(P<0.01)，与红三叶、白三叶的出苗率无显著差异(P>0.05)。紫花苜蓿的出苗率与草地早熟禾、狗牙根的出苗率无显著差异。多年生黑麦草的出苗率最高，为83.3%，其次为白三叶、一年生黑麦草、红三叶，草地早熟禾的出苗率最低，为26.2%，紫花苜蓿与狗牙根的出苗率接近(图2)。

图2 炼锌废渣基质上7种草种的出苗率Fig.2 Emergence rate of seven grass species on zinc smelting slag

2.2废渣基质上不同草种生长情况 株高是衡量植株生长快慢的指标之一,牧草株高性状与叶片的长度和宽度呈正相关[12]。在第30天，一年生黑麦草、多年生黑麦草、白三叶、红三叶和紫花苜蓿生长状况良好，株高分别为8.0、5.0、4.4、3.7、4.7 cm，草地早熟禾、狗牙根生长缓慢，株高分别为3.1和0.9 cm。在第40天，一年生黑麦草、多年生黑麦草、白三叶、红三叶和紫花苜蓿株高分别为9.8、6.0、6.8、5.0、5.9 cm，草地早熟禾和狗牙根株高分别为4.4和1.2 cm。在第60天，一年生黑麦草、多年生黑麦草、白三叶、红三叶、紫花苜蓿、草地早熟禾和狗牙根，株高分别为11.3、5.1、8.2、4.3、10.0、4.4和1.4 cm(图3)。一年生黑麦草长势最好，第60天达到最大株高(11.3 cm)，但第30～60天变化不大，原因可能是植株前期长势较快，消耗废渣中仅存的营养物质，导致后期养分缺乏。紫花苜蓿的株高也在第60天达到了最高值(10.0 cm)，但随后叶片全部变黄脱落，可能是营养物质缺乏。多年生黑麦草和红三叶均在第40天达到最大株高，其后开始逐渐降低，叶色变黄。白三叶株高与一年生黑麦草类似。草地早熟禾和狗牙根在第30～60天植株株高变化不大，叶片为绿色，可能是植株矮小、出苗率低，消耗的养分少造成的。整体来看，各种草的株高排序为一年生黑麦草>白三叶>多年生黑麦草>红三叶>紫花苜蓿生长>草地早熟禾>狗牙根，只有第60天时紫花苜蓿大于白三叶(图3)。

试验观察期内，一年生黑麦草、多年生黑麦草、草地早熟禾出现分蘖，狗牙根未分蘖，白三叶、红三叶、紫花苜蓿出现分枝。分蘖数为一年生黑麦草>多年生黑麦草>草地早熟禾；分枝数为白三叶>红三叶>紫花苜蓿(图4)。在观察期内，记录了7个草种叶片颜色的变化现。紫花苜蓿叶片最先脱落变黄，其次红三叶叶片变黄且部分植株死亡，一年生黑麦草、多年生黑麦草、白三叶的叶片均有变黄现象。草地早熟禾和狗牙根叶在观察期内没有变黄。

图3 不同时期7种草的株高Fig.3 Plant height of seven grass species

图4 不同草种的分蘖(枝) 数 Fig.4 Tillers (branches) of seven grass species

3 讨论

7种草在黔西北土法炼锌废渣基质上均能出苗，但不同草种出苗率差异很大，说明在黔西北土法炼锌废渣上筛选出适宜草种是可行的。发芽率是衡量种子质量好坏的重要指标，也是检测种子活力的指标之一。种子发芽除受种子自身的基因型、籽粒的饱满程度、种皮的厚度和胚的活性等内部因素影响外，还受环境因素如光照、温度、水分、生长基质和湿度等影响。张志权和蓝崇钰[13]研究表明，铅锌矿尾矿对种子萌发早期的呼吸作用有抑制作用。Pb、Zn、Cd、Cu等重金属胁迫会影响草类种子的萌发[14]。分蘖可以促进植株利用土壤中的营养物质，有利于植物扩大营养面积，加强植物占据地面的能力[15]。分蘖多、快，有利于植被快速恢复，增加地表覆盖度。在绿色矿山的建设中，绿化覆盖率在生态恢复中占12.5%[16]。

在幼苗生长后期，紫花苜蓿、红三叶、白三叶、一年生黑麦草和多年生黑麦草叶片均有变黄现象，其可能原因是：1)土法炼锌废渣基质中养分缺乏，废渣基质中有机质含量低，速效氮、磷、钾含量低，不能够满足幼苗后期对营养物质的需求，因此，在土法炼锌废渣基质上植草应考虑养分的补给。林文杰等[2]研究表明，土法炼锌废渣上植被重建的主要限制因子包括高盐碱胁迫、有机质含量低、养分缺乏。2)土法炼锌废渣中重金属Pb、Zn、Cd[3，7]等含量较高，这些重金属在植株体内不断富集，从而影响植株的生长。王慧忠和何翠屏[17]对草坪草在受重金属污染的土壤中生长的研究发现，草坪草根系大量死亡，根系生物量下降，根系活力急剧降低，从而影响根系对水肥的吸收和传导，最终导致地上部分生长受到影响。低浓度的Zn2+能促进紫花苜蓿根和苗的生长，高浓度的Cd2+、Zn2+抑制紫花苜蓿根和苗的生长，但对于根生长的影响大于芽[18]。因此，下一步的工作重点是改良土法炼锌废渣基质，增加养分，减少重金属的毒害，从而达到快速有效地实现土法炼锌废渣堆场的植被恢复，减少废渣被雨水冲刷流失，减少对周边土壤和河流的重金属污染。

4 结论

7种草种在土法炼锌废渣基质上的出苗时间有明显的差异，其出苗需时顺序为白三叶、红三叶(3 d)<一年生黑麦草、多年生黑麦草(4 d)<紫花苜蓿(5 d)<草地早熟禾(7 d)<狗牙根(15 d)。炼锌废渣基质上7种草均能萌发，但出苗率差异较大，多年生黑麦草的出苗率最高(83.3%)，其次是一年生黑麦草、白三叶、红三叶(高于60%)，而紫花苜蓿、草地早熟禾和狗牙根的出苗率较低(30%左右)。

从苗期的长势来看，一年生黑麦草、白三叶及多年生黑麦草的株高和分蘖数都比红三叶、紫花苜蓿、草地早熟禾和狗牙根好。一年生黑麦草、白三叶、多年生黑麦草适宜在土法炼锌废渣基质上生长，对土法炼锌废渣堆场的人工植被恢复有一定的指导意义。

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