稀土尾砂对樟树幼苗生长及营养元素吸收的影响

张 琴，李 凤，肖祖飞，金志农，张北红，马一丹，张海娜，鲁向晖

(1.南昌工程学院 江西省樟树繁育与开发利用工程研究中心，江西 南昌 330099； 2.江西省科学院生物资源研究所，江西 南昌 330096)

稀土尾砂为稀土矿开采后的残留矿渣，不仅大量占压土地资源，而且质地疏松，处理不当极易引发水土流失，严重影响生态环境。南岭山区既是我国重要的稀土产地，也是长江流域和珠江流域重要的水源区，为了保护生态环境，防治水土流失和水污染，必须重视对稀土尾砂的整治。有研究表明，百喜草、狼尾草、弯叶画眉草和狗牙根均适应南方稀土尾砂分布区的水热条件，在水分条件较好的区域以弯叶画眉草为主，水分条件差的区域以百喜草为主，肥力较差区域以狗尾草为主[1]。在江西省龙南县稀土尾砂上种植百喜草，可以有效地降低稀土尾砂水土流失[2]。稀土尾砂区域种植果树芙蓉李能够提高稀土尾砂含水量，增加稀土尾砂中N、P、K的含量，同时可以增加果实维生素C和总糖含量，提高果实品质[3]。也有研究中草药对赣南尾砂的治理，结果表明紫珠草、栀子、果桑和金银花在生长力、耐干旱和耐贫瘠等方面表现较好，适用于赣南稀土尾砂的治理[4]。樟树(Cinnamomumcamphora)为樟科樟属常绿高大乔木，高可达30 m，分布区域为北纬10°～34°,东经88°～122°,原产于我国东南及西南各地。樟树作为城市园林绿化美化中利用频率最高的树种，在城乡绿化、用材、医药原料及生物化工原料中都具有重要作用。樟树适应性强，具有较强的抗性[5]。

本研究以樟树2年生实生苗为材料，以红壤土作为对照栽培基质，研究稀土尾砂对樟树幼苗生长及营养元素吸收的影响，以期为稀土尾砂的治理提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

稀土尾砂来自江西省寻乌县，以来自南昌工程学院园林实训基地的红壤土作为对照组，风干后碾碎过3 mm筛待用。稀土尾砂与红壤土理化性质见表1。选用生长健壮、长势基本一致的2年生樟树实生苗。栽培选用外口径29 cm、内口径25 cm、高26 cm的塑料盆。

表1 稀土尾砂与红壤土理化性质

1.2 试验设计

试验场地设在南昌工程学院园林实训基地温室大棚内。试验于2016年5月5日开始，同年9月5日结束，共计120 d。每盆装基质8 kg，每盆栽苗1株，栽前对每棵苗木株高和地径进行测定。根据盆中水分状况，进行浇水管理，以保证植物正常生长。每个处理15盆，3次重复，完全随机区组排列。

1.3 测定指标与方法

2016年8月14日上午9:00—11:30测定光合指标，每个处理挑选3株具代表性的植株，每株再选出有代表性的当年生成熟叶片3片(从枝条顶部开始第5～6片叶片)为待测材料，采用Li-6400XT光合仪进行测定，选取叶片净光合速率、蒸腾速率、气孔导度和胞间CO2浓度等参数，光源为仪器的红蓝光，叶室大小为2 cm×3 cm，光照强度为1000 μmol/(m2·s)，测定温度设为25 ℃，气源为试验区3 m以外的空气。同时，每个处理随机选取3盆，将植株整体挖出、洗净，叶片取自从枝条顶部开始第5～8片，根系选取二级侧根，迅速包好放入液氮罐中保存，带回实验室测定叶绿素和类胡萝卜素、超氧化物歧化酶(POD)、过氧化物酶(SOD)、可溶性蛋白和总蛋白，其中POD活性采用愈创木酚法测定，SOD活性采用氮蓝四唑法测定，叶绿素和类胡萝卜素含量采用丙酮浸提法测定，可溶性糖采用蒽酮比色法[6]，总蛋白含量采用南京建成生物工程研究所的试剂盒测定。

2016年9月14日试验结束，将剩下的试验苗整体挖出，先用自来水洗净，再用去离子水冲洗晾干，测量株高、地径和鲜质量，之后将地上部分与地下部分分开，分别测定鲜质量，用根系分析仪WinRHIZO扫描根系，再在105 ℃温度下杀青0.5 h，70 ℃下烘至恒质量，称干质量。将植物样品磨碎过0.25 mm筛，用于测定N、P、K的含量。先用浓H2SO4-H2O2消煮植物样品，获得待测液，N含量用凯氏法，P含量用钼锑抗比色法，K含量用火焰分光光度计法测定。

栽培基质各指标测定方法如下：pH值采用pH计法[7](水土比为2.5∶1)，有机质采用重铬酸钾容量法，全N、碱解N采用碱解扩散法，全P采用NaOH熔融-钼锑抗比色法，速效P采用HCl和H2SO4溶液浸提-钼锑抗比色法，全K采用NaOH熔融-火焰分光光度计法，速效K采用NH4OAc浸提-火焰分光光度计法。

1.4 数据分析

所有试验数据先用Excel2010计算、整理，再用SPSS19.0对不同处理的株高、地径、生物量、重金属含量等分别进行单因素方差分析和Duncan多重比较，显著性水平为0.05。

2 结果与分析

2.1 稀土尾砂对樟树生长的影响

2.1.1 稀土尾砂对樟树株高、地径的影响

从表2可以看出，稀土尾砂上生长的樟树株高净生长显著低于红壤土上的，地径也小于红壤土上的，但二者之间差异不显著，说明稀土尾砂抑制樟树株高和地径生长，特别是对株高生长抑制明显。

表2 稀土尾砂对樟树株高、地径的影响

注:表中数据为平均值±标准误，同一列字母依据邓肯新复极差P<0.05检测标准，下同。

2.1.2 稀土尾砂对樟树根系生长的影响

从表3可以看出，稀土尾砂对樟树幼苗的根系生长具有抑制作用，稀土尾砂处理下樟树的根长、总根面积、总根体积以及细根直径均低于红壤土，稀土尾砂对樟树幼苗根长的影响较为显著，总根长较红壤土下降了49.85%，樟树幼苗根系系统发育不正常，受到了稀土尾砂的干扰，抑制了樟树幼苗根系的生长发育，尤其是抑制侧根的形成，说明根部是樟树生长最直接的受害区域。

表3 稀土尾砂对樟树根系生长的影响

2.1.3 稀土尾砂对樟树生物量的影响

从表4可以看出，稀土尾砂处理下，樟树的生物量有明显的下降。与红壤土相比，地上、地下部分的生物量分别下降了50.83%、25.06%，总生物量下降了38.57%，红壤土上生长的樟树总生物量是稀土尾砂上的1.63倍。

表4 稀土尾砂对樟树生物量的影响

2.2 稀土尾砂对樟树生理生化的影响

2.2.1 稀土尾砂对樟树叶片叶绿素和类胡萝卜素的影响

叶绿素是一类与植物的光合作用密切相关的非常重要的色素，主要包括叶绿素a、叶绿素b等。环境因子的改变能影响植物叶片中叶绿素的合成，进而影响到植物的光合作用。由表5可知，稀土尾砂上生长的樟树叶片叶绿素a、叶绿素b、叶绿素、类胡萝卜素和叶绿素/类胡萝卜素均较红壤土上的低，说明稀土尾砂对樟树叶片叶绿素和类胡萝卜素的合成均有阻滞作用。

表5 稀土尾砂对樟树叶片叶绿素和类胡萝卜素的影响

2.2.2 稀土尾砂对樟树光合作用的影响

净光合速率反映了植物有机物的积累速率，细胞间CO2浓度能反映植物的光合速率；蒸腾速率是单位时间叶片通过蒸腾作用散失的水量，能反映蒸腾作用的强弱；气孔导度表示气孔张开的程度，影响蒸腾作用、光合作用以及呼吸作用。由表6可知，与红壤土相比，稀土尾砂对樟树净光合速率、气孔导度、细胞间CO2浓度及蒸腾速率的影响都达到了显著水平，稀土尾砂能够降低樟树的净光合速率、气孔导度、细胞间CO2浓度及蒸腾速率，净光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度与蒸腾速率分别都低了17.91%、31.37%、15.04%、27.92%，其中气孔导度受到的影响较为显著。

表6 稀土尾砂对樟树光合作用的影响

2.2.3 稀土尾砂对樟树叶和根中可溶性糖和总蛋白含量的影响

可溶性糖是逆境条件下植物体内重要的渗透调节物质之一，也是合成其他有机溶质的碳架和能量来源[8]。由表7可以看出，稀土尾砂下樟树叶片中的可溶性糖含量与总蛋白含量与红壤土差异不显著，根系中的可溶性糖含量与总蛋白含量显著高于红壤土，根系的可溶性糖含量高了53.26%，总蛋白含量高了34.10%。

2.2.4 稀土尾砂对樟树叶和根中SOD和POD的影响

在遭受逆境胁迫时，植物体内产生的活性氧物质

表7 稀土尾砂对樟树叶片和根中可溶性糖和总蛋白含量的影响

会有一定程度的增多，它们能破坏植物的细胞膜透性，导致其生长代谢紊乱。而SOD活性能够与植物体内产生的氧自由基反应生成H2O2，从而减少活性氧自由基对植物造成的伤害。POD能催化H2O2与其他底物发生氧化还原反应，还能够清除由于SOD产生的过量的H2O2，同POD和过氧化氢酶(CAT)一起构成保护酶系统，协同清除由逆境产生的活性氧对膜质过氧化造成的伤害[9]。由表8可知，稀土尾砂处理下，樟树叶片的POD、SOD活性显著高于红壤土，可能稀土尾砂对樟树产生了一定的胁迫作用。

表8 稀土尾砂对樟树叶片和根中POD和SOD的影响

2.3 稀土尾砂下樟树对N、P和K的吸收

N是植物生长发育的基础物质氨基酸、蛋白质和核酸的重要组成成分，在植物生长发育过程中发挥着重要作用。从表9可以看出，稀土尾砂处理下的樟树叶、根、茎中N的含量明显比红壤土中的低，相比低了38.22%、52.97%、50.17%；樟树叶、根、茎中P含量与红壤土中的相比，叶片中P含量比对照高了22.54%，茎中P含量低了4.21%，根中P含量高了10.74%；樟树叶、根、茎中的K含量与N含量呈现同样的规律，稀土尾砂处理下的樟树叶、根、茎中的K含量与红壤土中的相比分别低了42.33%、47.62%、30.83%。

3 结论与讨论

我国稀土资源丰富，但因我国开采技术较低，在开采过程中导致植被被破坏，大量尾砂堆置使土地沦为荒芜之地，造成水土流失和环境污染，稀土尾砂的治理迫在眉睫。高志强等[10-11]的调查结果表明，稀土矿尾砂地理化性质差、黏粒含量低、容重大、土壤养分匮乏、保水保肥能力弱。本研究结果表明，樟树的株高、地径、地上部分、地下部分、根长、生物量等均低于红壤土，说明稀土尾砂条件下樟树幼苗生长受到了抑制，这可能与稀土尾砂不保水，肥力差有关。

表9 稀土尾砂下樟树叶、茎和根对N、P、K的吸收 g/kg

叶绿体作为光合作用的部位，能反映植株进行光合作用的情况，叶绿素作为光合作用的主要物质直接反映植株叶片光合作用的强弱[12]。通过樟树幼苗叶片的光合结果以及叶绿素含量的测定，结果显示在稀土尾砂上生长的樟树幼苗，其叶绿素含量、净光合速率、气孔导度、细胞间CO2浓度及蒸腾速率均低于红壤土上生长的。有研究表明植物在逆境下会使植物色素降低，影响叶绿素的合成，导致叶绿素含量及光合作用下降[13]，这与本研究结果相符。而可溶性糖含量、蛋白质含量、SOD和POD活性高于红壤土，可溶性糖与蛋白质含量高的原因可能是逆境下樟树通过调节自身蛋白质含量用以降低细胞的渗透性，以抵抗逆境带来的伤害；SOD和POD酶活性高可能是樟树在稀土尾砂条件下遭受到一定胁迫造成的。有研究表明，植物在受到轻度胁迫时会激发体内的酶活性升高，若胁迫强度过大或胁迫时间过长，会导致植株无法承受，从而使体内酶活性遭受抑制而下降[14]。

N、P、K是植物生长的主要元素，在植株体内不同部位进行生物循环用以适应不同生长环境，三种营养元素在植株体内的积累与分布可以反映植株对环境的响应情况。本研究结果表明稀土尾砂下樟树的N、K元素的吸收受到抑制，P元素的吸收与对照差异不显著，这与株高、地径、根系、生物量等生长指标受到抑制的结果相符合。