土壤改良劑對垃圾土生長的五種草坪植物生理特性的影響

聶磊+鍾秋鳳

摘要:以简易垃圾填埋场的垃圾土为研究对象,通过5种草坪植物盆栽试验,研究了添加生物质焦、磷灰石等改良剂对草坪植物生长及抗逆性的影响。结果表明,垃圾土处理能明显增加细叶结缕草、假俭草和大叶油草叶片的相对电导率和MDA、脯氨酸的含量,从而加剧植物质膜透性和膜脂过氧化程度,进而明显降低叶绿素含量、净光合速率、根系活力以及硝酸还原酶活性,最终减少植物生物量的积累。由生物质焦和磷灰石组成的土壤改良剂对于缓解垃圾土对细叶结缕草和假俭草叶片质膜伤害、提高植物的抗逆性、改善植物的生长活性有着较明显的作用。垃圾土生长环境并未对蔓花生和三裂叶蟛蜞菊造成逆境胁迫,垃圾土和土壤改良剂处理能促进蔓花生和三裂叶蟛蜞菊的生长。研究结果可为简易垃圾填埋场的土地回用、环境修复以及观赏草坪绿地的建设规划提供技术依据。

关键词:土壤改良剂; 垃圾土;草坪植物; 生理特性

中图分类号:S156.2;X53文献标识码:A文章编号:0439-8114(2014)11-2514-06

Effects of Soil Remediators on the Physiological Characteristics of Lawn

Plants in Landfill Soil

NIE Lei,ZHONG Qiu-feng

(Department of Biology and Environmental Engineering, Guangzhou City College,Guangzhou 510405,China)

Abstract: The effects of the soil remediators composed of bio-char and apatite on the growth and the physiological characteristics of lawn plants grown in landfill soil from a simple dumping-type waste landfill were investigated. The results showed that relative conductivity, the contents of MDA and free proline of Zoysia tenuifolia, Eremochloa ophiuroides and Axonopus affonis were significantly increased under landfill soil treatment. The chlorophyll contents, net photosynthetic rate (Pn), root activity and nitrate reductase acticity were decreased. The biomass accumulation was reduced. Soil remediators alleviated the membrane lipid peroxidation of Zoysia tenuifolia, Eremochloa ophiuroides induced from landfill soil, therefore improved the stress resistance and growth activity of lawn plants. Landfill soil treatment did not caused the stress environment to Arachis duranensis and Wedelia trilobata. Instead, landfill soil environment had the stimulative effects on the growth, similar to the behavior of soil remediators. The results could provide technical basis for land recycling, environment remediation and grassland construction and planning.

Key words: soil remediators; landfill soil; lawn plants ;physiological characteristics

基金项目:国家星火计划项目(2011GA7800);广州市科技计划项目(2010Z1-E211);广东省教育厅高层次人才项目;广州市羊城学者计划项目(10B004D)

由于历史的原因,自20世纪80年代开始,我国城市边缘的农村地区形成了大量非正规的简易垃圾填埋场,目前这些简易垃圾填埋场都已陆续封场。这些填埋场的存在,不仅阻碍着城市化进程的发展,而且对周围环境造成了严重的环境安全隐患。从生态资源化角度出发,开展这些垃圾填埋场的清场土地回用,有着十分重要的经济与环境意义,已引起国内外的广泛关注[1]。为此,以农村简易垃圾填埋场埋龄7~8年的陈旧垃圾为主要研究对象,采用生物质焦、磷灰石等土壤改良剂,分析不同改良剂对5种常见草坪植物生长、生理特性的影响,以期为简易垃圾填埋场的土地修复和回用提供科学依据。

1材料与方法

1.1试验材料

垃圾土样采集于广州市番禺区会江村的大石简易垃圾填埋场(113°17′16″E,23°00′02″N),该垃圾场垃圾埋龄7~8年。在垃圾场采用多点取样法取土约1 t,运回室内自然风干,剔除砾石、塑料袋、植物根系碎屑等杂质,充分混合,装袋备用.该土呈现沙质土的外貌特征,有机质含量较高;对照土壤取自当地果园,为常规园林土。两种土壤基本理化性质见表1。改良剂由生物质焦和磷灰石组成,生物质焦和磷灰石分别购自山东铝业股份有限公司和南京埃普瑞纳米材料有限公司。

供试草坪植物为蔓花生(Arachis duranensis,AD)、三裂叶蟛蜞菊(Wedelia trilobata,WT)、细叶结缕草(Zoysia tenuifolia,ZT)、假俭草(Eremochloa ophiuroides,EO)和大叶油草(Axonopus affonis,AA)。

1.2试验方法

1.2.1试验设计盆栽试验于大棚内进行,用塑料盆装土,每盆装土1 kg。试验设3个处理,即垃圾土处理(L);改良剂处理(在垃圾土中添加改良剂,L+R),改良剂由生物质焦和磷灰石组成,生物质焦按5%(质量分数)添加,磷灰石按2%(质量分数)添加;园林土处理(CK)。

1.2.2测定方法叶片叶绿素用丙酮提取,721型分光光度计在665和645 nm处测定吸光度;叶片丙二醛(MDA)含量的测定采用硫代巴比妥酸比色法[2];细胞膜透性用相对电导率表示,采用电极法(DDS-11A型电导率仪)测定[3];脯氨酸含量采用酸性茚三酮比色法测定,用分光光度计测定520 nm处各样品的吸光度,从标准曲线方程中计算出被测样品脯氨酸含量[3];可溶性蛋白质含量测定采用考马斯亮蓝G-250法;根系活力测定采用氯化三苯基四氮唑法测定[4];硝酸还原酶(NR)活性测定参照中国科学院上海植物生理研究所和上海植物生理学会的方法,单位为μg/(g·h)[5]。

草坪植物生长10周后收获整个植株,用自来水洗净后,去离子水清洗2~3遍,晾干后放入烘箱内65 ℃烘48 h至恒重,测定生物量。

净光合速率测定:草坪植物生长5周后对试验标记的叶片进行测定,利用美国Li-COR6400便携式光合测量系统的标准开放式叶室,选择晴天在自然条件下测定倒数第3片健康叶片的净光合速率(Pn),测定时间为6:00~12:00,每2 h测定1次,连续测定3 d。

1.2.3数据统计分析所有试验数据用SPSS(12.0 版)软件进行方差分析和多重比较。

2结果与分析

2.1不同处理对草坪植物抗逆性生理指标的影响

各草种的相对电导率变化见图1。正常土壤条件下, 细叶结缕草的叶片相对电导率最低(7.1%),其次是蔓花生(8.2%)。垃圾土处理下,细叶结缕草、假俭草和大叶油草叶片相对的电导率均有不同程度增高,其中,细叶结缕草的增长幅度最高,较对照增加了345.07%;其次是大叶油草和假俭草,分别较对照增加了234.95%和209.41%。土壤改良剂处理能抑制草坪植物质膜透性增加的趋势,其中缓解幅度最高的为假俭草,降幅达到了44.11%。由此可见,土壤改良剂对于改善垃圾土环境在草种叶片质膜伤害方面有着较明显的作用。垃圾土处理对蔓花生和三裂叶蟛蜞菊叶片质膜透性影响不大,处理前后叶片相对电导率均维持在较低水平,土壤改良剂处理对于这两种草坪植物影响也不明显。

植物器官在逆境条件下往往发生膜脂过氧化作用,产生丙二醛(MDA),造成细胞膜系统的破坏。丙二醛含量的高低可以反映生物膜脂过氧化强度和膜系统受伤害的程度,是逆境生理研究中的一项重要指标[6]。从图1可以看出,垃圾土种植的细叶结缕草、假俭草和大叶油草3种草坪草的MDA含量都有所增加。其中,细叶结缕草叶片MDA含量增加了189.47%,假俭草则增加了95.45%。方差分析表明,垃圾土处理对这2种草MDA含量的影响均达到极显著水平(P<0.01)。土壤改良剂处理下,细叶结缕草、假俭草和大叶油草叶片MDA含量比垃圾土处理降低,尤其是细叶结缕草,MDA含量降低幅度达到32.73%。土壤改良剂及垃圾土处理对蔓花生和三裂叶蟛蜞菊叶片MDA含量没有明显影响。

垃圾土种植条件以及土壤改良剂处理略增加蔓花生和三裂叶蟛蜞菊叶片的可溶性蛋白质含量,但均未达到显著水平。垃圾土种植的细叶结缕草、假俭草和大叶油草叶片可溶性蛋白质含量显著减少,尤其是大叶油草,下降幅度达到了61.05%,细叶结缕草和假俭草也分别减少了41.54%和32.50%。经土壤改良剂处理后,细叶结缕草、假俭草和大叶油草的可溶性蛋白质含量有恢复趋势,其中细叶结缕草恢复最为明显,与对照的园林土相比,已没有显著差异。分析其原因可能是在改良剂的刺激下,植物体内物质和能量代谢加快。土壤改良剂对提高垃圾土种植下假俭草和大叶油草叶片的可溶性蛋白质含量效果不明显。

脯氨酸是植物体内主要的渗透调节物质,具有保护膜系统结构、防止细胞脱水、稳定原生质胶体及组织内代谢过程的作用[7]。在逆境胁迫下,脯氨酸在细胞质内大量积累,可以降低渗透势,有助于细胞或组织吸水,对植物进行正常生理活动起到重要的渗透调节作用,从而提高植物抗逆境能力。垃圾土种植以及土壤改良剂处理对蔓花生和三裂叶蟛蜞菊叶片脯氨酸含量影响不大。垃圾土处理下,细叶结缕草、假俭草和大叶油草叶片中脯氨酸含量较对照分别增长了29.01%、23.83%和61.46%,虽然改良剂作用下细叶结缕草和假俭草叶片脯氨酸水平明显增加(较对照分别增加了48.85%、34.58%,较垃圾土处理分别增加了15.38%、8.68%,但大叶油草的脯氨酸含量却较垃圾土处理降低了7.42%。

2.2不同处理对草坪植物生长性生理指标的影响

由图2可知,垃圾土培养与改良剂作用均能增加蔓花生和三裂叶蟛蜞菊的叶绿素含量,其中蔓花生增加了27.17%(垃圾土)和38.72%(改良剂),均达到了显著差异(P<0.05)。垃圾土处理下细叶结缕草、假俭草和大叶油草叶绿素含量分别减少了48.73%、33.48%和59.86%,尤其是大叶油草下降幅度最明显,从1.42 mg/g减少到0.57 mg/g;土壤改良剂能很好地缓解叶绿素含量因垃圾土处理而下降的趋势,以细叶结缕草的效果最好,其叶绿素含量较垃圾土处理上升了40.74%,差异达到显著水平(P<0.05)。

与叶绿素含量变化情况类似,垃圾土作用下细叶结缕草、假俭草和大叶油草叶片的净光合速率分别降低了57.65%、30.61%和35.14%,而土壤改良剂能缓解这3种草坪植物净光合速率因垃圾土处理而下降的现象,其中以大叶油草的效果最明显。尽管垃圾土培养和改良剂作用都能略微增加蔓花生和三裂叶蟛蜞菊的净光合速率,但都未达到显著水平。

垃圾土培养和改良剂作用都促进了蔓花生和三裂叶蟛蜞菊的根系活力。蔓花生的根系活力在垃圾土培养和改良剂作用下分别提高了28.13%和48.44%,而三裂叶蟛蜞菊则分别提高了22.41%和36.21%。垃圾土生长条件下细叶结缕草和假俭草的根系活力显著降低了42.11%和29.32%,而土壤改良剂能缓解垃圾土对这两种草种根系活力的抑制,细叶结缕草和假俭草的根系活力分别达到了对照的84.20%和89.66%。土壤改良剂对恢复大叶油草根系活力未表现出效果,垃圾土培养和改良剂作用下,其根系活力分别降低了37.50%和55.00%。

硝酸还原酶(NR)是植物氮素同化的关键酶, 它对植物的光合作用、呼吸作用及碳素代谢等都有重要影响,其活性高低也是评价草坪植物活力的重要指标[8]。垃圾土培养条件下,细叶结缕草、假俭草和大叶油草的叶片硝酸还原酶活性分别明显降低了46.62%、27.89%和49.16%。在垃圾土的基础上施用改良剂后,细叶结缕草、假俭草情况有所好转,硝酸还原酶活性较垃圾土处理分别上升了37.07%和18.72%,土壤改良剂对大叶油草的作用效果不明显。垃圾土对蔓花生和三裂叶蟛蜞菊硝酸还原酶活性影响不明显,但是经土壤改良剂的作用,蔓花生叶片硝酸还原酶活性上升了26.92%,差异达到显著水平(P<0.05)。

2.3不同处理对草坪植物生物量的影响

垃圾土及土壤改良剂对草坪植物的生物量(以相对生物量表示)积累有着明显影响(图3)。在垃圾土的作用下,蔓花生的地上部分生物量及总生物量较对照提高,差异均达到了显著水平(P<0.05)。三裂叶蟛蜞菊的地上部分生物量及总生物量较对照提高,差异均达到了极显著水平(P<0.01)。在垃圾土基础上添加土壤改良剂,蔓花生、三裂叶蟛蜞菊的地上部分生物量及总生物量较对照提高幅度增大,差异均达到极显著水平(P<0.01)。垃圾土及土壤改良剂处理降低了假俭草的地上部分生物量和总生物量,但下降幅度较小。种植在垃圾土上的细叶结缕草和大叶油草,其根部、地上部分及总生物量均明显降低,尤其是根部生物量细叶结缕草和大叶油草较对照下降幅度较大。土壤改良剂在减缓大叶油草生物量的降低方面效果不明显,但对细叶结缕草的效果较好。细叶结缕草的根部、地上部分生物量及总生物量较单纯的垃圾土处理提高,尤以根部的效果最为明显。

3讨论

目前,我国正处在城市化的进程之中,城市经济的迅速发展和城市人口的迅速增加,带来了一系列的城市问题,城市生活垃圾的处理与处置就是其中亟待解决的问题之一。城市边缘历史上形成的众多简易垃圾填埋场在封场后仍然会存在着大量陈垃圾如何处理的问题。填埋封场数年后,垃圾中易降解物质完全或接近完全降解,垃圾自然产生的渗滤液和气体量极少或不产生,达到稳定化状态,因此填埋气体和渗滤液已不会对植物构成威胁[9]。生活垃圾在填埋场中经多年反应后形成一种稳定化产物,即矿化垃圾。矿化垃圾具有类土壤性质,在实践中常称为垃圾土。与常规土壤相比,矿化垃圾腐殖土在物理结构和水力学性能上具有沙土特征,其在大量施用的过程中可能会导致土壤沙化、盐渍化,垃圾填埋场垃圾土部分重金属超标的问题较严重,且随着填埋时间的增长,其污染有加重的趋势,重金属含量超标是影响其应用的关键因子[10]。从试验垃圾填埋场所取的土样同样存在着上述问题,垃圾土略偏碱性,呈沙土性质,有机质含量达到52.5 g/kg,明显高于对照的园林土。垃圾土养分主要以氮素为主,磷、钾营养元素的总量较低,但速效态含量相对较高。从植物养分供应的角度看,垃圾土具有资源化利用的价值,其土地利用已引起国内外学者的广泛关注[11]。虽然有在垃圾土上栽植各种植物均可成活的报道,但由于农作物和牧草可食部分的重金属含量超标,因此垃圾土上宜直接种植草坪和观赏树木、花卉等,不宜直接种植粮食作物和牧草,以免通过食物链作用危及人畜安全。有不少研究者开展了观赏植物在垃圾土上生长的试验分析,如高吉喜等[12]以青岛市湖岛垃圾填埋场为试验基地,探讨了在城市垃圾填埋场上植树造林的方法、适宜树种的筛选以及影响树木成活和生长发育的主要因素,试验结果表明,枸杞、紫穗槐、刺槐、白蜡树、女贞、金银木、臭椿、正木、龙柏等木本植物和苜蓿、画眉草、牛筋草、知风草等草本植物对沼气的耐性较强,适宜在填埋场上种植。曾峰海[13]发现,土壤中配以垃圾对草坪草生长有明显的促进作用,但对草子的发芽有明显的抑制作用,表现在发芽推迟和发芽率下降,且随着垃圾比例的增加发芽推迟时间延长和发芽率下降幅度增大。在植物生理分析方面,有一些研究结果表明垃圾土可显著抑制植物的生长发育,诱导植物体内抗氧化酶活性升高,导致植物细胞的脂质过氧化和蛋白氧化损伤,并呈现出时间依赖性关系[14]。因此,开展垃圾土对于草坪植物等在内的观赏植物生理性状的影响研究,为我国城市垃圾填埋场的污染治理、垃圾土资源化利用提供技术参考就显得尤为必要。

目前,修复土壤污染的主要措施有改良剂原位修复、土壤淋洗、动电修复、生物修复和农艺措施等。改良剂原位修复主要是指通过添加外来物质,以改变土壤的化学性质,如通过调节土壤酸碱度、氧化还原电位和阳离子交换量及其他化学性质(如土壤氧化铁、氧化锰和氧化硅等的活性),或者直接与重金属相结合,从而改变重金属的形态及生物有效性等,最终抑制或降低作物对重金属的吸收[15]。常用的改良剂分为无机改良剂和有机改良剂两种,因其成本低廉、易于实施、不破坏土壤原有结构,可作为垃圾土壤污染的一种切实可行的治理方法。然而,就目前而言,符合上述要求的改良剂很少,改良剂的修复效果往往受到重金属离子的种类、作物、土壤类型及环境因子的制约。不同改良剂的改良效果也具有很大的差异,有些改良剂,如有机物质在重金属的修复中甚至还存在着一些争议。因此必须进一步深入系统地研究现有改良剂的钝化修复机理,特别是影响改良剂发挥作用的土壤因子(土壤有机质含量、质地、pH、黏粒含量、铁锰氧化物含量等)以及温度、湿度、时间等环境因子。同时在现有研究工作的基础上,借鉴其他领域的最新研究成果,筛选出经济、有效、稳定且对环境友好的新型土壤钝化剂,这是改良剂原位修复技术的关键[16]。

生物质焦是指有机物质在高温、无氧条件下分解而成的一种固体物质(主要成分是碳)。具有很高的表面活性,能够让大量微生物在其表面蜂窝状间隙里繁衍,进而提高土地的肥力,增加土地的产出。在化学成分上,生物质焦除了含有丰富的多环芳香烃、脂肪族、氧化态碳等有机碳外,还包括钙、镁等矿物质以及无机碳酸盐。生物质炭具有大量的孔洞结构以及巨大的表面积,且表面带有大量的负电荷,因此吸附性很强,能吸附水、土壤或沉积物中的无机离子及极性或非极性有机化合物。这种孔洞结构有利于土壤微生物的生长,促进植物对营养元素的吸收、提高土壤肥力、控制农田养分流失。生物质焦的添加通常能促进菌根真菌对植物根部的侵染,增加菌根真菌的丰度,增强豆科植物的生物固氮能力[17]。施用生物质焦还能够吸附重金属(如镉、砷等),减少植物对污染物的吸收,维持与改良土壤、净化与修复被污染土壤,起到环境修复的效果。由于生物质焦在促进农产品生产、维持与改良土壤、净化与修复被污染土壤、减少温室气体排放等方面表现出来的巨大潜力,目前已成为土壤修复与改良领域的热门研究对象[18]。磷灰石不仅能够作为植物磷素的潜在来源,为植物生长提供营养元素,促进作物生长,还因其对多种金属阳离子具有广泛的容纳性和吸附固定作用、降低重金属的生物有效性,近年来日益受到人们的关注[19]。

在正常情况下,细胞膜对物质的吸收具有较强的选择透性,但逆境胁迫条件对质膜结构和功能的影响通常表现为质膜选择透性的丧失,电解质和某些有机物质的大量外渗。膜透性反映质膜受伤害的程度,膜透性越大,受伤害程度越大。MDA是膜脂过氧化的主要产物之一,对膜和许多生物功能分子均具有破坏作用,其在体内的积累是活性氧自由基毒害作用的表现,因此MDA含量与植物被逆境伤害的程度密切相关[20]。研究发现垃圾土处理能明显增加细叶结缕草、假俭草和大叶油草叶片的相对电导率。这三种草坪植物叶片MDA的含量也在垃圾土的作用下呈现显著上升的趋势,说明土壤污染胁迫使草坪植物体内膜脂过氧化作用加剧,膜透性增加。研究中发现,由生物质焦和磷灰石组成的土壤改良剂对于缓解垃圾土环境对草种叶片细胞膜的伤害有着较明显的作用。蔓花生和三裂叶蟛蜞菊在垃圾土作用下,叶片组织中MDA含量和膜透性与对照差异不明显,说明垃圾土对这两种草坪植物并未造成膜伤害。

许多研究发现,逆境胁迫下叶片中可溶性蛋白质含量均下降,而且主要是高分子量的蛋白质显著减少,低分子量的蛋白质含量却变化不大。随着高分子量蛋白质的减少,游离氨基酸特别是脯氨酸积累增加,这是植物细胞对逆境胁迫采取的一种保护机制[21]。试验结果表明,垃圾土种植下的细叶结缕草、假俭草和大叶油草叶片可溶性蛋白质含量显著减少,相应的脯氨酸含量增加。经过土壤改良剂的作用,细叶结缕草、假俭草叶片可溶性蛋白质含量得到了恢复,而脯氨酸含量继续有所增加。土壤改良剂对于缓解大叶油草受垃圾土胁迫的效果不明显。垃圾土对蔓花生和三裂叶蟛蜞菊并未形成逆境环境,土壤改良剂的添加对这两种植物的脯氨酸、可溶性蛋白质含量也影响不大。

在植物生长指标方面,垃圾土处理明显降低了细叶结缕草、假俭草和大叶油草的叶绿素含量和净光合速率,表明植物体内的光合系统活力受到土壤污染环境的显著抑制。根系活力和叶片硝酸还原酶活性也表现出类似的趋势,最终植物生物量的积累明显降低。土壤改良剂对于缓解细叶结缕草和假俭草叶绿素含量和净光合速率的下降,在根系活力、硝酸还原酶活性和生物量积累方面表现出较明显的保护效应,但对于大叶油草则没有明显效果。综合来看,垃圾土处理对细叶结缕草、假俭草和大叶油草形成了较明显的逆境胁迫,抑制了这3种植物的生长,添加生物质焦和磷灰石能增强细叶结缕草、假俭草对垃圾土的逆境抵抗能力,恢复了部分生长活力;土壤改良剂对大叶油草作用不明显,原因既可能是大叶油草在逆境下受伤害过大,无法恢复,也可能是生物质焦和磷灰石并非是其抵御土壤污染的理想改良化合物,原因有待进一步分析。垃圾土不仅未对蔓花生和三裂叶蟛蜞菊形成逆境胁迫,反而促进了植物的生长,土壤改良剂更进一步增加了植物的抗性和生长活力。尽管三裂叶蟛蜞菊对垃圾土的适应性更好,土壤改良剂的促进效应更显著,但由于它存在外来入侵物种的威胁,因此原产于亚洲热带及南美洲的豆科蝶形花亚科植物蔓花生在生态效益和景观效益上更适合作为垃圾土上营造绿地景观和绿化苗圃种植品种的首选对象。

目前对垃圾场种植草坪植物的研究很少,且主要集中在植物种类及种植条件方面,而对土壤污染胁迫的研究极少,仅有王新等[22]开展了污泥土地利用对结缕草的影响研究以及陈丽丽等[23]研究土壤铜污染对结缕草等草坪草生长指标影响的报道。因此,对草坪草在垃圾土污染胁迫下的生理响应及其适应机制的研究,包括土壤改良剂对草坪植物适应垃圾土环境的影响,不仅有助于深入了解垃圾土的毒害机理和植物的适应机制,也可为历史形成的大量简易垃圾填埋场的土地回用、环境修复以及观赏草坪绿地的建设规划提供重要的理论依据和技术支撑。

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