不同植物组合对煤矸石混合土中镉的吸收效应*

李 侠，王 雪，杜世杰，杨俊霞，高志慧，韩志平，甄莉娜**



不同植物组合对煤矸石混合土中镉的吸收效应*

李 侠1，王 雪1，杜世杰2，杨俊霞1，高志慧1，韩志平1，甄莉娜1**

（1．山西大同大学生命科学学院，大同 037009；2．山西大同市城区投资促进局，大同 037009）

煤矸石是煤炭开采和利用过程中产生的废弃物，堆放的煤矸石风化物镉含量高，易造成邻近水体和土壤污染，利用植物修复煤矸石重金属污染已成为研究热点。本文采用盆栽模拟试验方法，将煤矸石风化物与土壤以1︰1混合作为培养基质，比较黑麦草、菊苣、紫花苜蓿单作与间作条件下的生长状况，以及植株氮、磷、镉含量和吸收量等，以期筛选出适合煤矸石镉污染修复的植物组合。结果表明，单作条件下黑麦草在煤矸石混合土壤上生物量最大，但其镉吸收量与菊苣、苜蓿无显著差异；间作提高了黑麦草生物量、氮、磷和镉的吸收量，降低了菊苣的生物量、氮、磷和镉的吸收量，间作对苜蓿的影响不明显；6种植物组合中，黑麦草与苜蓿间作植物地上部生物量、氮、磷和镉吸收量均最高，其中镉吸收量是其它组合的1.29～1.76倍，可作为修复煤矸石重金属镉污染的优质组合。

煤矸石；镉；黑麦草；菊苣；紫花苜蓿；单作；间作

煤矸石是煤炭开采、洗选、利用过程中产生的废弃物，截至2011年，中国煤矸石堆积已达50亿t[1]，矸石山1500多座，且以每年1.5亿～2.0亿t[2]的速度增长。排放的煤矸石山占用了大量耕地，煤矸石中重金属由于雨水的冲刷极易进入水体和土壤，造成水资源和土壤的重金属污染。魏忠义等[3]调查发现，抚顺西露天矿煤矸石山表层风化物中镉（Cd）含量为1.89mg·kg-1，附近农田土壤重金属Cd的含量也变化明显，距离煤矸石山0.5km和1.5km的农田表层土壤Cd含量分别达到1.5和0.7mg·kg-1，所有采样位点Cd含量均超出土壤环境质量II级标准，部分样点甚至超出土壤环境质量III级标准，严重影响了矿区农田生态安全。

植物修复是污染场地和废弃地修复的重要方式，其对土壤的扰动性小、花费的成本较低且具有美化环境的作用，植物修复技术已发展成为一种非常有潜力的修复措施。然而煤矸石风化物肥力低，氮、磷含量少，且重金属污染严重，严重影响植物的存活，因此，修复植物物种的筛选尤为重要。近年来，国内外对煤矸石山的基质改良和适应煤矸石山修复植物调查和筛选等方面的研究非常活跃。王丽艳等[4]比较了12种耐受性木本植物，筛选出适合煤矸石山生态恢复的3种先锋植物胡枝子、臭椿和紫杆柳；赵广东等[5]比较了不同植物在煤矸石山废弃地的成活率及对煤矸石山废弃地土壤化学性质的影响，筛选出适合当地煤矸石山废弃地修复的植物白榆、沙打旺等。这些研究在筛选适合煤矸石修复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较单一植物种群对矸石山生态恢复的影响。间套作是中国传统农牧业常采用的种植方式，李立[6]通过分析河南省传统农区4种不同种植方式的农田土壤表层Cr、Ni、Cu、Cd、Pb、As和Zn含量，发现单一种植方式下土壤重金属元素残留普遍较高，而采用多样化的种植方式后土壤表层重金属元素残留较低。可见，通过不同植物间套作有助于降低矸石山土壤中重金属含量，提高植物修复的效率。目前国内外在这方面的研究仍相对较少，特别是在不同植物间套作组合方式筛选及其修复效果评价方面仍有明显不足。因此，本研究采用大同晋华宫矿煤矸石山常见的几种植物黑麦草、菊苣和紫花苜蓿，通过比较3种植物在单作和间作条件下的生长、营养状况和吸镉量，以期筛选出适合当地煤矸石山镉污染修复的植物组合，为该类污染土壤的植物修复提供参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试植物为紫花苜蓿（L，豆科植物）、黑麦草（L，禾本科）、菊苣（L，菊科）3种植物。

供试基质为大同晋华宫矿煤矸石风化物（风化年份50～60a）和大同大学北校区土壤，分别过2mm筛，以1:1 (w/w)混合作为培养基质。其中煤矸石风化物pH6.84，全氮0.75g·kg-1，速效磷5.26mg·kg-1，镉1.67mg·kg-1，镉含量超出山西省“七五”土壤背景值（0.128mg·kg-1）的13倍[7]、超过《中华人民共和国土壤环境质量标准》（GB15618-1995) 的III级标准（1.0mg·kg-1）；大同大学北校区土壤pH7.25，全氮0.95g·kg-1，速效磷13.71mg·kg-1。

1.2 试验设计

盆栽试验在温室进行，共设6个处理，即黑麦草单作（R），菊苣单作（C），紫花苜蓿单作（A），黑麦草与菊苣间作（R‖C），黑麦草与苜蓿间作（R‖A），菊苣和紫花苜蓿间作（C‖A），4次重复，共24盆。每盆装培养基质700g，在播种前施底肥NH4NO3100mg·kg-1(N)、K2HPO450mg·kg-1(P)、K2SO4150mg·kg-1(K)。

选用籽粒大小均匀、饱满的黑麦草（禾本科）、紫花苜蓿（豆科）、菊苣（菊科）3种植物的种子，用10%H2O2浸泡消毒10min，去离子水洗净，单作每盆撒播32粒种子，间作处理将盆钵从中均匀划分为两部分，每部分种植一种植物，每种植物播种16粒种子，每盆共32粒种子，植株出苗后进行间苗，单作每盆留苗20株，间作每盆中每种植物留苗10株。试验在山西大同大学生命科学院温室内进行，每日定期浇水，保持基质含水量维持在饱和持水量的60%左右。

1.3 测定指标与方法

植物出苗35d，直尺测量株高后，拔出植株，用剪刀从分蘖处把地上部分与根系分开，用去离子水清洗干净，105℃下杀青30min，70℃烘干，分别测定地上部和根系的干重。

植物地上部全氮采用H2SO4-H2O2消煮，全自动凯氏定氮仪（仪器型号K9860，济南某公司）测定；植物全磷采用钼锑抗比色法测定；植物全镉采用HNO3-HCl-HClO4消煮，原子吸收仪（仪型型号TAS-990AFG，北京某公司，石墨炉）测定[8]。

试验数据采用SPSS软件进行方差分析，Duncan法进行多重比较。黑麦草、菊苣和苜蓿3种植物进行单作和间作模式比较时，由于间作模式下一盆中每种植物种植10株，为保持一致，单作模式中每种植株的地上部干重、根系干重、地上部吸氮、吸磷量和吸镉量数值均为每盆的0.5倍，即以10株合计，株高、地上部含氮量、含磷量和含镉量数值与每盆的数值一致，某一植物的单作4次重复，某一植物的间作分别包含与其它两种植物的间作，因此间作为8次重复；以盆为单位进行6种植物组合间比较时，每盆植株地上部、根系干重、地上部的吸氮、吸磷量和吸镉量均为20株合计。

2 结果与分析

2.1 不同组合方式下植物的生长状况分析

由图1可见，单作条件下，除黑麦草地上部干重与菊苣无显著差异外，黑麦草地上部干重、根系干重以及株高均极显著高于菊苣和苜蓿（P＜0.01），黑麦草地上部干重分别是菊苣、苜蓿的1.3倍和1.5倍，根系干重分别是菊苣、苜蓿的4.8倍和10.8倍，株高分别是菊苣、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现最低但与菊苣的差异不显著。

间作条件下，黑麦草地上部干重、根系干重和株高均显著增加（P＜0.05），间作黑麦草地上部干重、根系干重和株高分别是单作条件下的1.8、1.6和1.1倍；间作极显著降低了菊苣地上部干重和株高（P＜0.01），但对菊苣根系干重无显著影响；间作显著降低了苜蓿株高（P＜0.05），但对苜蓿地上部和根系干重无显著影响。间作后3种植物的地上部干重、根系干重和株高仍表现为黑麦草显著高于菊苣和苜蓿，且其差异比单作条件下更为显著。黑麦草地上部干重分别是菊苣、苜蓿的5.4倍和2.3倍，根系干重分别是菊苣、苜蓿的23.9倍和5.8倍，植株高度分别是菊苣、苜蓿的2.8倍和2.0倍。间作后苜蓿的地上部干重、株高极显著高于菊苣（P＜0.01）。可见，本研究中无论是单作还是间作，黑麦草长势均优于菊苣和苜蓿。

比较不同处理条件下每盆中植物产量可知（图2），6种植物组合间植株地上部干重表现为黑麦草与苜蓿间作＞黑麦草单作≈黑麦草与菊苣间作＞苜蓿单作≈菊苣与苜蓿间作；根系干重表现为黑麦草≈黑麦草与菊苣间作＞黑麦草与苜蓿间作＞菊苣单作≈苜蓿单作≈菊苣与苜蓿间作；总干重表现为黑麦草单作≈黑麦草与菊苣间作≈黑麦草与苜蓿间作＞菊苣单作≈苜蓿单作≈菊苣与苜蓿间作。

图1 3种植物单作和间作生长状况的比较

注：短线表示标准误（单作N=4，间作N=8）；小写字母表示处理间在0.05水平上的差异显著性。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

图2 不同组合方式下每盆内植物重量的比较（N=4）

注：R表示黑麦草单作，C表示菊苣单作，A表示紫花苜蓿单作，R‖C表示黑麦草与菊苣间作，R‖A表示黑麦草与苜蓿间作，C‖A表示菊苣和紫花苜蓿间作。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 不同组合方式下植物的氮磷吸收量分析

由图3a可知，单作条件下苜蓿地上部含氮量极显著高于菊苣（P＜0.01），而后者又极显著高于黑麦草（P＜0.01）；间作对黑麦草地上部含氮量无显著影响，却极显著降低了菊苣和苜蓿地上部含氮量（P＜0.01）。

由图3b可知，单作条件下3种植物地上部含磷量无显著差异，间作处理在一定程度上降低了植株地上部含磷量，但差异不显著。此外，间作处理下3种植物地上部含磷量亦无显著差异。

由图3c可知，单作条件下3种植物地上部吸氮量无显著差异；间作后黑麦草地上部吸氮量极显著增加（P＜0.01），菊苣地上部吸氮量极显著降低（P＜0.01），而苜蓿地上部吸氮量变化不显著；不同植物比较来看，间作后黑麦草地上部吸氮量极显著高于苜蓿（P＜0.01），而后者地上部吸氮量极显著高于菊苣（P＜0.01）。对每盆中植物的总吸氮量进行比较可知（图4a），不同植物组合间植物地上部总吸氮量差异显著，表现为黑麦草与苜蓿间作地上部总吸氮量显著高于其它处理（P＜0.05）。

由图3d可知，单作、间作条件下3种植物地上部吸磷量与植株地上部干重变化趋势基本一致，间作极显著提高了黑麦草的吸磷量（P＜0.01），但极显著降低了菊苣吸磷量（P＜0.01），对苜蓿吸磷量则无显著影响。对每盆中植物的总吸磷量进行比较可知（图4b），不同植物组合间植物地上部总吸磷量差异极显著（P＜0.01），表现为黑麦草和苜蓿间作植株地上部总吸磷量最高，苜蓿单作、苜蓿与菊苣间作最低。

2.3 不同组合方式下植物的镉吸收量分析

由图5可以看出，间作对3种植物地上部含镉量无显著影响，单作和间作条件下均表现为菊苣地上部含镉量显著高于黑麦草（P＜0.05），而苜蓿地上部含镉量与菊苣、黑麦草无显著差异。

单作条件下3种植物地上部吸镉量无显著差异。间作后黑麦草地上部吸镉量极显著提高（P＜0.01），菊苣地上部吸镉量则极显著下降（P＜0.01），而苜蓿地上部吸镉量无显著差异；间作条件下黑麦草地上部的吸镉量＞苜蓿＞菊苣（P＜0.01）。

以每盆中植物的总吸收镉量进行比较可知（图6），不同植物组合地上部总吸镉量差异显著，表现为黑麦草与苜蓿间作植株地上部总吸镉量显著高于其它处理（P＜0.05），是其它组合的1.29～1.76倍。

从图7中可以看出，植物的镉吸收量与植株地上部干重呈极显著正相关（P＜0.01），植株地上部干重变化可解释镉吸收量变化的83.83%。而植株镉吸收量与植株含镉量则无显著相关性。

图3 3种植物单作和间作地上部氮、磷含量和吸收量比较

图4 不同组合方式下每盆中植物地上部氮、磷吸收量比较

图5 3种植物单作和间作地上部含镉量和吸镉量

图6 不同植物组合每盆地上部吸镉量

图7 3种植物单作和间作地上部干重与吸镉量的相关关系（N=36）

3 结论与讨论

本研究表明，无论单作还是间作处理，黑麦草的长势均优于菊苣和苜蓿，是植物重金属修复中常采用的先锋植物，可能与黑麦草根系发达、生长速度快、对Cd具有较强的忍耐性有关。张尧等[9]研究表明，当Cd浓度为10mg·kg-1时，黑麦草的生长和发育没有受到明显抑制，且对Zn、Cd、Pb等重金属具有较强的富集能力。此外，虽然单作时黑麦草长势最优，但其地上部吸镉量与菊苣、苜蓿却无显著差异。这可能是因为黑麦草的根系生物量显著高于菊苣、苜蓿（黑麦草根冠比均值为0.85，菊苣为0.21，紫花苜蓿为0.10，黑麦草的根冠比是菊苣和苜蓿的4.0～8.5倍），而吸收的镉主要富集在发达的根部[10]，向地上部转移的比例较少。

紫花苜蓿是一种豆科植物，能与根瘤菌共生固氮，将空气中的N2还原为可被植物吸收利用的NH3，适于生长在贫瘠的土壤上，对镉有一定的耐受力[11-12]，长期种植还有利于培肥土壤。已有研究表明，紫花苜蓿在Cd浓度为5mg·kg-1时，生长未受到明显影响，当Cd浓度达到10mg·kg-1时生长才明显受到抑制[13]，也常被用于重金属污染修复中。潘澄等[14]在重金属与多氯联苯复合污染土壤的修复研究中发现，紫花苜蓿对Cd和Cu的去除率分别达到10.5%和39.0%；种植紫花苜蓿还有助于降低煤矿废弃地的污染指数[15]，盆栽试验中亦发现紫花苜蓿对Cd和Cr具有较好的富集能力，随着Cd浓度的增加紫花苜蓿地上部吸收Cd量显著增加[16]。

植物间作可以充分利用不同植物的生态位分离（如对光源、土壤资源等的利用）、分泌物及根际微生物的不同，促进间作植物的生长。豆科植物与禾本科植物间作是中国传统农牧业的精华，本研究中紫花苜蓿的根系主根发达，侧根很少，根扎入土壤较深[17]，与黑麦草根系在空间上存在一定的分离，间作后可以占据更大的生态位，利用更多的土壤资源。Li等[18-19]对玉米与蚕豆的间作研究表明，蚕豆根系释放质子、酸性磷酸酶和有机酸，使玉米根际酸化，能促进玉米对难移动性磷的吸收。花生在石灰性土壤上种植经常表现缺铁黄化症状，当与玉米间作时，玉米根系分泌一种植物Fe载体，为麦根酸类物质，能活化Fe3+，使其从玉米根系周围扩散至花生根附近，促进花生对Fe的吸收[20-21]。也有研究表明，禾本科通过发达的根系吸收豆科植物根周的氮，使豆科植物根际土壤含氮量减少，可以一定程度解除根瘤固氮的氮阻遏现象。Li等[22-23]研究表明，玉米根系分泌物还可以直接促进根瘤结瘤和固氮。

本研究中，植株地上部干重是影响植物吸镉量的主要因素之一。黑麦草与苜蓿间作地上部生物量、吸镉量均最高，可作为修复煤矸石镉污染的最优植物组合。Luo等[24]研究表明，豌豆和大麦混作，豌豆地上部的Cu、Pb、Zn、Cd和Fe浓度分别是单作的1.5、1.8、1.4、1.4和1.3倍，混作中大麦的根系分泌物能活化土壤重金属并有利于豌豆对重金属的吸收，显现出间作技术用于修复Cd污染土壤的潜力。

相比其它牧草，菊苣向地上部转移Cd的能力较强，经常作为一种先锋植物修复重金属污染[25]。而本研究中菊苣与黑麦草间作，表现出一定的竞争劣势。这可能是由于菊苣根肉质、短粗，主要分布在上层土壤中，竞争能力较弱，因而其生物量、地上部吸氮量、吸磷量和吸镉量均受到抑制。总体上，黑麦草与苜蓿间作可作为修复煤矸石镉污染的最优植物组合，相关结果将在野外原位条件下进一步验证，从而为煤矸石山镉污染土壤的植物修复提供借鉴。

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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

李侠,王雪,杜世杰,等.不同植物组合对煤矸石混合土中镉的吸收效应[J].中国农业气象,2017,38(12):787-794

2017-04-15

。E-mail：zhenln2003@163.com

大同市科技攻关项目（2015099）；国家自然科学基金（31400479）；山西大同大学科研项目（2011K9）

李侠（1981-），女，硕士，讲师，主要从事环境生态过程与调控研究。E-mail：lixia810504@163.com