（土地資源管理專業(yè)論文）采煤塌陷地復墾基質中鎘的植物去除研究.pdf

縮寫 b c r c d c u g k g k m g n p p b z n 英文 符號說明 中文說明 t h ec o m m u n i t yb u r e a uo f r e f e r n c e歐共體標準物質局 c a d m i u m c o p p e r g r a m k i l o g r a m p o t a s s i u m m i l l i g r a m n i t r o g e n p h o s p h o r u s p l u m b u m z i n c 鎘 銅 克 千克 鉀 毫克 氮 磷 鉛 鋅 關于學位論文原創(chuàng)性和使用授權的聲明 本人所呈交的學位論文，是在導師指導下，獨立進行 科學研究所取得的成果。對在論文研究期間給予指導、幫 助和做出重要貢獻的個人或集體，均在文中明確說明。本 聲明的法律責任由本人承擔。 本人完全了解山東農業(yè)大學有關保留和使用學位論文 的規(guī)定，同意學校保留和按要求向國家有關部門或機構送 交論文紙質本和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授 權山東農業(yè)大學可以將本學位論文的全部或部分內容編入 有關數據庫進行檢索，可以采用影印、縮印或其他復制手 段保存論文和匯編本學位論文。 保密論文在解密后應遵守此規(guī)定。 論文作者簽名：立出壺敏 釧幣一獅寺 e t期：型1 f 山東農業(yè)人學壩i j 學位論文 中文摘要 采煤塌陷土地是我國重要的后備土地資源，塌陷土地的丌發(fā)復墾可有 效緩解我國的人地矛盾。目自，j 我國廣泛采用的塌陷地復墾方式是充填后覆 土，但是塌陷地范閘一般較大，表層覆：上難以解決。自，j 期研究已用粉煤狄 分別與酒糟、污泥、糠醛渣配置了復墾基質代替土壤。但粉煤從和城市污 泥中含有一定量的重會屬元素，而且長期監(jiān)測結果表明，基質中的鎘含量 高于土壤環(huán)境質量標準( 二級標準值) ，不適合種植食用植物。要使復 星基質可以代替土壤種植食用植物，必須將基質中的鎘去除。 本文通過室外笳栽試驗，選取可以在基質中生長并對鎘有潛在修復能 力的十字花科植物和草種植在基質中。通過對基質重會屬的形態(tài)分析，確 定了對基質鎘進行植物修復的可行性；測定了植物的生長狀況、各部位的 生物量、c d 含量等；比較了各試驗植物對基質c d 的富集積累能力，分析 了植物對基質c d 的去除效果。 研究結果表明：( 1 ) 基質理化性狀可以滿足各植物生長要求。基質的 容重均低于一般土壤，客觀上有利于植物的生長發(fā)育和基質養(yǎng)分的轉化； 陽i 日j 持水量在7 0 以上，可為植物生長提供充足的水分；基質配置初期 鹽分含量較高，經過雨季的淋洗和一年植物種植后能e f , 網- u - - 足一般植物正常生 長的需要；有機質和速效氮、磷、鉀含量維持在正常水平。 ( 2 ) 基質c u 、z n 、p b 含量較低，基質c d 含量大于土壤環(huán)境質量標 準值( 二級) ，但 基質2 基質3 ，速效鉀含量大小順序為：基質3 基質1 基質2 。三種基質中的有機質含量均在1 5 2 以上，可以滿足植物生長需 要。而基質的鹽分含量較高，尤其是基質3 的鹽分含量達到了8 9 3 9 k g 。 基質的p h 值在6 5 - 7 1 之間，這是因為粉煤灰雖然呈現堿性但與酸性的 酒糟、糠醛渣混合后，p h 降低到了中性范圍。 表3 1 基質的主要物理性質 t a b l e 3 一ip h y s i c a lc h a r a c t e ro fs u b s t r a t e s 2 4 山東農業(yè)人學順l j 學位論義 表3 2 供試材料和基質的主要化學性質 t a b l e3 2c h e m i c a lc h a r a c t e ro fe x p e r i m e n tm a t e r i a la n ds u b s t r a t e s 處理速效氮速效磷速效鉀有機質含鹽量 t r e a t m e n t ( m g k g 1 )( m g k g )( m g k g 1 ) ( ) ( g k g ) 3 1 1 1 速效氮含量變化 表3 - 3 速效氮含量變化對照表( m g l 嘻1 ) t a b l e 3 3t h ec o n t e n to fr ap i d l yn i t r o g e n ( m g k g 。1 ) 氮是影響植物生長的重要元素，氮元素含量的多少，在很大程度上影 響植物能否進行幣常的生理活動。土壤速效氮是指氨態(tài)氮和硝態(tài)氮的總 2 5 采煤塌5 f 1 地復墾某質中鎘的植物去除研究 和，它們都是能夠被植物直接吸收利用的氮素，因此，土壤速效氮含量一 般可作為土壤供氮的水平指標。對基質不同時期的速效氮含量進行測定， 結果表明，經過一年的種植后，三種基質中的速效氮含量都有降低趨勢， 這與植物的吸收利用和雨季的淋洗有關，但基質中的速效氮含量仍維持在 滿足植物正常生長水平( 見表3 3 ) 。 3 1 1 2 速效磷含量變化 表3 - 4 速效磷含量變化對照表( r a g k 9 1 ) t a b l e 3 4t h ec o n t e n to fr a p i d l yp h o s p h o r ( m g k g - 1 ) 土壤速效磷是指土壤中能被當季作物吸收的磷量。速效磷與作物產量 關系密切，土壤速效磷含量能比較全面說明土壤磷素的供應情況。由表 3 4 可以看出，經過一年的種植后，基質中磷含量均有不同程度的降低， 但仍保持在中等肥力土壤的速效磷含量以上。因此，不需要對基質追加磷 肥。 3 1 1 3 速效鉀含量變化 土壤速效鉀是指土壤中的交換性鉀和水溶性鉀，它們可以直接被作物 吸收利用，其含量的多少是反映鉀肥肥效高低的指標之一。種植植物| j ， 基質3 中速效鉀含量較高，經過一年的種植后，基質3 中的速效鉀含量降 低較快，這是由于速效鉀容易被淋溶，雨季過多的雨水使基質3 中速效鉀 淋溶、散失；基質l 和基質2 中的速效鉀含量降低趨勢較緩，但速效鉀含 2 6 山東農業(yè)人學頌i j 學位論義 量仍在2 0 0m g k g 。左右，無需專門施加鐘肥。 表3 - 5 速效鉀含量變化對照表( m g k g j ) t a b l e 3 5t h ec o n t e n to fr a p i d l yp o t a s s i u m ( m g - k g - 1 ) 3 1 1 4 鹽分含量變化 由表3 2 可以看出，基質中黼分含量較高，基質3 中鹽分含量高達 8 9 3 9 k g1 ，屬于重鹽土，只有耐鹽作物有收成，不但影響種子發(fā)芽，而且 出現缺苗，嚴重影響產量?；|3 鹽分含量高，一方面因為粉煤狄本身含 赫量高，另一方面因為糠醛渣是經過鹽酸或硫酸酸化后的殘渣，鹽分含量 高達4 5 2 8 9 k g 。雖然在配制基質3 時，粉煤狄與糠醛渣的質量比為9 ：1 ， 基質3 中的鹽分含量仍為三種 基質中鹽分含量最高的。鹽分 含量高會抑制植物的出苗，進 而影響植物的生長，因此在種 植植物自妒，對基質的豁分進行 沖洗，種植植物后進行f 常的 灌溉；雨季時出現連續(xù)一周以 上降雨，雨水的淋洗使基質黼 分含量有很大幅度的下降，結 果見圖3 1 。由圖看出，基質經 儡 、 刪 鉦 蟮 謝 3 門9 門1 2 門 圖3 1 基質鹽分含量變化圖 f i g 3 - 1t h ec o n t e n to fs a l ti ns u b s t r a t e s 采煤塌陷地復墾幕質中鎘的植物去除研究 過一年的種植后，由于定期灌溉和降雨淋洗，1 2 月份基質中鹽分含量降 至3 o g k 一左右可以滿足一般作物生長的要求。 3 。1 。2 基質重金屬含量 采用全量消解法對基質中的重會屬全量進行測定。由表3 6 可以看 出，三種基質中c u 、z n 、p b 的含量均未超過土壤壞境質量標準( 二級標 準值，二級標準是為保障農業(yè)生產、維護人體健康的土壤限制值) 。其中， 基質2 中c u 、z n 含量明顯高于基質1 和基質3 ，這與基質2 由粉煤狄與 污泥混合組成有關，而污泥中c u 、z n 含量較高。基質2 中所用污泥為城 市生活污水污泥，經過厭養(yǎng)消化后，污泥中的各項指標滿足農用污泥中 污染物控制標準( g b 4 2 8 8 4 ) ( 見表3 7 ) 。c u 、z n 是植物生長所必須的 元素，基質中c u 、z n 含量適中，p b 含量較小不會對植物生長造成影響。 因此，只對基質中c u 、z n 、p b 的形念進行分析，而各試驗植物對基質中 c u 、z n 、p b 的吸收積累不進行研究。三種基質中c d 的含量差別不大， 均接近3 0m g k g ，接近土壤環(huán)境質量標準( 二級標準值) 的1 0 倍，而且 鎘是一種對人體健康有危害的元素。土壤中過量的鎘，不僅能在植物體內 殘留，而且也會對植物的生長發(fā)育產生明顯的危害。因此，本文主要進行 基質中鎘的植物去除研究。 表3 - 6 基質重金屬的本底值 t a b l e 3 6t h ec o n t e n to fh e a v ym e t a l si ns u b s t r a t e s ( m g k g 1 ) 山東農業(yè)人學壩l j 學位論義 表3 7 粉煤灰、污泥中重金屬含量( m g - k 9 1 ) t a b l e 3 7t h ec o n t e n to fh e a v ym e t a l si nf l ya s ha n ds e w a g es l u d g e ( m g k g 。) 3 1 3 基質重金屬形態(tài)分析 土壤是一個復雜的生念系統(tǒng)，土壤重金屬污染的嚴重性及重金屬在 土壤環(huán)境中的行為不僅取決于其總量，更大程度上由其在土壤中的存在形 念所決定。不同的形態(tài)產生不同的環(huán)境效應，直接影響到重命屬的毒性、 遷移及其在自然界的循壞。 b c r 法是歐共體標準物質局( e u r o p e a nc o m m u n i t i e sb u r e a uo f r e f e r e n c e ) 提出的一種三步提取法，將重余屬分成四種形態(tài)。研究表明， b c r 方法的重現性很好。采用b c r 法測定的基質中c u 、z n 、p b 、c d 的 各形態(tài)含量( 見表3 8 ) 。 弱酸提取念( b 1 念) 包括水溶態(tài)、可交換態(tài)和碳酸鹽結合念等，在 中性條件下，可釋放出來，對環(huán)境造成影響；對p h 值最敏感，在酸性條 件下容易釋放，具有最大的可移動性和生物有效性?？蛇€原念( b 2 念) 主要是與易還原性鐵錳氧化物結合的重余屬，這部分重金屬屬于較強的離 子鍵結合的化學形態(tài)，但在還原條件下較易釋放。可氧化念( b 3 態(tài)) 主 要是有機物及硫化物結合念，當有機質分解時也會逐漸釋放。殘渣態(tài)( b 4 念) 在自然條件下不易釋放，對動植物的毒性和生物有效性影響很小。 2 9 采煤塌陷地復墾堆質中鎘的植物去除研究 表3 - 8 基質中各形態(tài)重金屬的含量 t a b l e 3 - 8t h ec o n t e n to fh e a v ym e t a l so fd i f f e r e r n tf o r mi ns u b s t r a t e s 基質i基質2 基質3 重金屬 形態(tài) s u b s t r a t el s u b s t r a t e2s u b s t r a t e3 h e a v y m e t a i s f o r m 含域白分比含t g 白分比含量白分比 m g k g 。 m g k g - 1 m g k g 1 基質z n 活性較大，各形念的相對含量在三種基質中表現出相對一致 性。其中，弱酸提取態(tài)占總量的2 0 0 0 以上；可還原態(tài)占總量的百分比 最高，基質l 中的可還原念z n 占到總量的3 9 8 l 。各形態(tài)z n 占總量的 百分比的順序為：可還原態(tài) 弱酸提取態(tài) 殘渣態(tài) 可氧化態(tài)。 3 0 山東農業(yè)人學壩i ：學位論義 基質p b 相對穩(wěn)定，主要以可氧化態(tài)和殘渣念存在，殘渣念占到總量 的3 0 以上，弱酸提取念的相對含量不足1 0 。除基質1 中可氧化態(tài)大 于殘渣念外，基質p b 各形念相對含量的大小順序為：殘渣態(tài) 可氧化態(tài) 可還原念 弱酸提取念?；|中p b 總量及活性均較小，不會造成土壤和 環(huán)境污染，也不會給植物生長帶來影響。 c d 各形態(tài)的相對含量在三種基質中即表現出一致性，又存在差異性。 其中，弱酸提取念c d 的相對含量趨于一致，最大相對含量為2 8 2 6 ； 基質l 和基質2 中可還原念c d 的相對含量接近，基質3 中可還原態(tài)c d 的相對含量最大，為3 0 2 2 ；可氧化念c d 的相對含量表現出差異性，其 最大相對含量為3 5 0 0 ；基質2 和基質3 中殘渣態(tài)c d 的相對含量近似且 含量較小，基質1 中殘渣態(tài)c d 的相對含量最大，為3 4 3 8 。三種基質中 各形態(tài)c d 的相對含量大小順序為，基質1 ：殘渣態(tài)( 3 2 1 7 ) 弱酸提 取態(tài)( 2 6 8 2 ) 可還原念( 2 2 7 3 ) 可氧化念( 1 8 2 8 ) ；基質2 ：可 氧化念( 3 4 3 8 ) 弱酸提取念( 2 8 2 6 ) 可還原念( 2 0 9 3 ) 殘渣態(tài) ( 1 6 4 4 ) ；基質3 ：可還原態(tài)( 3 0 2 2 ) 可氧化念( 2 7 3 4 ) 弱酸提 取念( 2 6 2 6 ) 殘渣念( 16 18 ) 。c d 的存在形態(tài)與基質的物理化學性 質有關。三種基質中c d 各形態(tài)相對含量的不一致性可能與粉煤灰分別與 幾種廢棄物混合后，基質的孔隙度、容重、有機質、p h 值等物理化學性 質的差異性有關。 但從表3 8 可以看出基質中c d 的活性較大，對環(huán)境有潛在影響的鎘 約占總量的6 0 以上，最高含量達到2 3 5 m g k 9 1 ，這說明采用植物修復技 術對基質中c d 進行治理在理論上具有可行性和必要性。 表3 - 9 基質各形態(tài)c d 的相關系數表 t a b l e3 - 9c o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n t sa m o n gc di ns u b s t r a t e s j ：木表，j j0 0 5 址醬水、l i ，木木表1 o 0 1u 魯水i ，。 3 l 采煤塌5 f 1 地復墾皋質中鎘的植物去除研究 為進一步探討基質中各形態(tài)鎘之間的關系，對各形態(tài)c d 進行相關性 分析( 見表3 - 9 ) ，由表可知，b 1 態(tài)與b 2 念、b 1 態(tài)與b 3 態(tài)顯著相關， 相關系數分別為0 4 5 3 和0 5 4 3 ，而b l 態(tài)與b 4 念呈負相關，相關性不顯 著：b 2 念與b 3 態(tài)在0 0 5 水平下顯著相關，相關系數為0 3 3 9 ；b 3 與b 4 念呈負相關，相關系數為0 3 7 8 。這說明b 1 態(tài)、b 2 態(tài)、b 3 態(tài)鎘有相互轉 化的趨勢。 3 2 基質對不同植物的生物效應 3 2 1 不同處理對植物出苗的影響 測定種子出苗率的目的是了解種子在基質中的適應性和抗逆性。植物 種子在基質中能否f 常出苗是決定該植物能否作為基質鎘的修復植物的 先決條件。重會屬對植物種子萌發(fā)及幼苗的影響一般認為存在一個較低濃 度下的刺激效應和高濃度下的抑制效應。 2 0 0 7 年4 月1 0 同在基質中種植結球甘藍、油菜和小白菜。觀測記錄 播種5 d 和1 0 d 后種子的出苗情況。結果表明，植物出苗率較低，5 天出 苗率均在5 0 以下，1 0 天出苗率也不足6 0 ，這是由于種植時氣溫偏低， 不利于植物出苗。從三種基質中植物出苗情況對比可以看出，基質l 和基 質3 中各植物的出苗情況均好于基質2 。其中，油菜在基質l 中的1 0 天 出苗率最高，為5 8 0 0 ；基質2 中各植物的出苗率普遍較低，1 0 天出苗 率最高為3 2 0 0 。這可能是由于基質l 由粉煤灰與酒糟組成，基質的孔 隙度大，鹽分含量小于基質2 和基質3 ，利于植物出苗；基質2 由粉煤灰 與污泥組成，加重了基質的緊實度，不利于植物破土出苗；而基質3 雖然 孔隙度大，利于植物出苗，但鹽分含量高，幼苗成活難度大。 2 0 0 7 年7 月1 0 同，第二次種植結球甘藍、油菜和小白菜，觀測3 種 植物的出苗情況。結果表明，基質中各植物的出苗情況均好于4 月份的種 植試驗。其中，基質3 中小白菜的1 0 天出苗率最高，為7 8 o o ，基質l 和基質3 中植物的出苗率仍高于基質2 的出苗率。原因可能，一是7 月份 氣溫升高，植物容易出苗；二是基質經過一個種植期的熟化后，鹽分含量 降低，理化性質得到了改善。 3 2 山東農業(yè)人學壩i ：學位論義 表3 1 0 不同作物出苗率 t a b l e 3 - 1 0t h ee m e r g e n c er a t i oo fc r o p si ns u b s t r a t e s 三種草在2 0 0 7 年4 月l o 同種植，由于氣溫偏低，草發(fā)芽較慢，因此， 記錄了1 0 天出苗率和1 5 天出苗率。由表3 1 1 可以看出，三種草的出苗 率普遍低于三種作物的出苗率，這既與氣溫、基質有關也與草出苗率低有 關。三種草相比，紫花苜蓿出苗率最高，其次是黑麥草，早熟禾。其中紫 花苜蓿在基質l 中的出苗率最高，1 5 天出苗率為5 4 6 7 ，在基質2 中的 出苗率較低為4 0 6 7 ；黑麥草1 5 天出苗率仍不足5 0 ，最高出苗率為 4 3 1 6 ；早熟禾的出苗率是3 種草中出苗率最低的，1 0 天和1 5 天出苗率 都在3 0 左右，最高出苗率為3 7 6 9 。草在三種基質中的出苗率表現出 一致性，即出苗率有高到低的順序為：基質l 基質3 基質2 。這也與基 質1 質地疏松，鹽分含量相對較低，而基質2 質地緊實有關。 采煤塌陷地復墾舉質中鎘的植物去除研究 表3 1 l 不同草類出苗率 t a b l e 3 - 1 1t h ee m e r g e n c er a t i oo fg r a s si ns u b s t r a t e s 3 2 2 不同處理對植物生長的影響 植物生長狀況的優(yōu)劣是該植物能否作為基質的修復植物的重要條件， 也是基質理化性質能否滿足植物生長條件的綜合反映。因此，定期觀測記 錄植物生長狀況、生物量等指標是研究基質對植物生長的影響，確定基質 修復植物的一項重要內容。 3 2 2 1 結球甘藍的生長狀況 2 0 0 7 年4 月1 0 同種植結球甘藍，出苗后觀察記錄其生長狀況。結果 表明，基質1 中結球甘藍能正常生長；基質2 中結球甘藍生長緩慢，可能 是由于基質2 的通透性差，對植物的根部呼吸造成影響，進而影響了植物 的正常生長：基質3 中結球甘藍出苗后不久，就表現出基質的抑制作用， 葉面發(fā)黃，生長緩慢。這是由于基質3 中鹽分含量過高引起的癥狀，而不 是缺肥癥狀或鎘中毒癥狀。 7 月1 0 同，種植第二季結球甘藍，對結球甘藍的生長狀況進行觀察記 錄。結果表明，三種基質中結球甘藍均能f 常生長，其中基質2 中結球甘 3 4 山東農業(yè)人學壩l 學位論上 藍好f 基質1 ，基質i 好于基質3 。這可能是因為基質1 經過第一季植物 的吸牧和i ：盯季的淋溶養(yǎng)分有所降低；而基質2 經過第一季種植的熟化和 雨季的淋洗，捕分降低，理化性質得到改善：基質3 的鹽分降低，結球甘 藍面花黃的癥狀消失。 由圈3 - 2 和罔3 - 3 的對比，可以看出：兩季結球h 藍生長差別明顯， 第一季( i ) 結球甘藍在基質1 中生長最好，但生長一個月后株高僅為 1 32 0 c m ：第二季( i j l 緯球甘藍在基質2 中生長最好，生長半月后株高就 達到1 97 0 c m ，明顯高千第一季株高，這說明經過一個雨季和一個種植期 后，蓽質2 更適合結球甘藍的生長。在基質l 和基質3 中結球甘藍株高差 別不明顯，但基質1 中結球甘藍葉片發(fā)自，表現出缺肥癥狀。這可能是因 為基質1 質地疏松，經過雨季的淋沈，肥力有所損失，需對基質1 適當旌 肥。 1 2 i8 耄e =4 薹z 0 圖3 - 2 結球甘藍生長對照圖( i ) t a b l e3 - 2t h eg r o w t ho f c a b b a g e ( i ) 圖3 3 結球甘藍生長對照圖( 1 1 ) t a b l e3 - 3 t h eg r o w t ho fc a b b a g e ( ) 結球甘藍( 基質1 ) 鏊蘭 采蟬蟛1 地復墾桀質中錠的植蚴士除研究 結球甘藍( 基質2 ) 結球甘藍( 基質3 ) 3 2 22 油菜的生長狀況 油菜是密植型作物，2 0 0 7 年4 月1 0h 種植第一季( i ) 油菜，觀測h 錄其生長狀況。結果表明，基質1 中油菜可以j 下常生長；基質2 中油菜生 長緩慢受到抑制：基質3 中油菜葉面發(fā)黃，受到明顯抑制。7 月l o 口種 植第：二季( i i ) 油菜，并對其進行觀測記錄。結果表明，油菜均能正常生長， 基質l 中油菜生長最好，且與基質2 差距不大，基質3 中油菜較差。生長 半個月后，基質1 中油菜的株高為2 40 3 c m ，兩季油菜生長狀況的對比見 圈3 - 4 ，圖3 - 5 。 山東農業(yè)人學壩l j 學位論義 1 4 1 2 e 1 0 、：r 。- - 8 ：蚌6 碟4 是， 0 圖3 - 4 油菜生長對照圖( i ) t a b l e3 - 4t h eg r o w t ho fr a p e ( i ) 3 2 2 3 小白菜的生長狀況 3 ：c 至 選 蝶 裹 - - 4 - - - 基質1 l 一叢質2 已一 圖3 - 5 油菜生長對照圖( ) t a b l e3 - 5t h eg r o w t ho fr a p e ( ) 小白菜出苗后，定期進行觀測記錄。由圖3 6 ，圖3 7 可以看出，第 一季( i ) 種植的小白菜在基質1 中生長好于基質2 和基質3 ，小白菜生 長一個月后，基質1 中小白菜株高為1 3 2 0 c m ，基質3 中為8 3 3 c m ：第二 季( i i ) 種植的小白菜在基質2 中生長較好，基質l 和基質3 差距不大， 小白菜生長2 0 天后，基質2 中小白菜株高為2 3 3 0 c m ，基質1 和基質3 中小白菜株高分別為1 7 2 3 c m 和1 4 6 0 c m 。 1 4 ，、1 2 3 1 0 j 宦8 囊。 14 下2 o 圖3 6 小白菜生長對照圖( i ) t a b l e3 - 6t h eg r o w t ho fp a c k o i ( i ) 2 5 名2 0 一l 5 曩1 0 95 o - - 4 1 - - - 叢質1 圖3 7 小白菜生長對照圖( i i ) t a b l e3 7t h eg r o w t ho fp a c k o i ( i i ) 采煤上箱1 地復墾坫質中鎘的植物士埭日f 懿 小白菜( 基質i ) 小白菜( 基質2 ) 小白菜( 基質3 ) 山東農業(yè)人學砸f j 學位論文 3 2 2 4 紫花苜蓿的生長狀況 2 0 0 7 年4 月1 0 同種植紫花苜蓿，紫花苜蓿是一種較抗鹽的作物，且 生物量大。紫花苜蓿生長到5 c m 。左右，丌始觀測記錄其生長狀況。由圖 3 8 可以看出，基質l 和基質2 中紫花苜蓿好于基質3 ，基質3 中紫花苜 蓿出苗后一個月內表現出抑制作用，生長緩慢，3 0 天的株高僅為1 0 c m 。 3 0 天后，基質對紫花苜蓿的抑制性減弱，紫花苜蓿丌始生長，整體生長 表現出上揚的趨勢，但基質3 仍低于基質1 和基質2 。基質1 和基質2 中 紫花苜蓿生長趨勢相似，基質1 略好于基質2 。2 個月后基質1 中紫花苜 蓿株高為3 6 3 0 c m ，而基質3 中僅為2 0 3 8 c r n 。 6 月2 8 同，對紫花苜蓿進行刈割，留茬1 0 c m ，并繼續(xù)觀測記錄其生 長狀況。第二季( i i ) 紫花苜蓿在基質2 中生長最好，在基質1 和基質3 中表現出了相似的生長趨勢。由圖3 - 9 可以看出，第二季紫花苜蓿的生長 趨勢比較平緩。這主要是因為7 、8 月份是北方的雨水季節(jié)，紫花苜蓿是 防澇植物，2 0 0 7 年夏季，山東地區(qū)雨水充足，本實驗地區(qū)，出現連續(xù)一 周以上的持續(xù)降陌，影響了紫花苜蓿的生長，個另l j 處理出現葉片脫落現象。 但從總體趨勢看，第二季紫花苜蓿的生長好于第一季，其中基質2 中紫花 苜蓿的株高達到4 7 6 7 c m ，基質3 中紫花苜蓿的株高也達到3 1 0 3 c m ，較第 一季有較大提高。 圖3 - 8 紫花苜蓿生長對照圖( i ) t a b l e3 - 8t h e g r o w t ho fc l o v e r ( i ) 3 9 圖3 - 9 紫花苜蓿生長對照圖( ) t a b l e3 - 9t h eg r o w t ho fc l o v e r ( ) 如 如加 o 售u一耄霉缸掣紫 如 加b m ，0 一m。一翌卷蒜近掣裝 萊纓崩陷地復墾璀質中鐫的 自物士際 w 究 紫花苜蓿( 基質1 ) 輩花苜蓿( 摹后2 ) 紫花苜蓿( 基質3 ) 3 2 25 黑麥草的生長狀況 黑麥草出苗后，株高5 c m 矗右時，對其進行觀測記錄。結果表明 山東農業(yè)人學刪i 學位論上 黑麥草在三種基質中7 l 睦差刖不顯著，總體趨勢是：基質1 基質2 基質 3 ，摹質1 中黑麥革2 個月后林高2 6 3 2 c m ，基質3 中為2 20 0 c m 。6 月2 8 同，進行第一次刈割，刈割后第一三天對黑麥革的生長進行觀測記錄，結果 表明黑麥草在三種基質中的q ：妊趨勢發(fā)生了變化，基質2 中黑麥草生長 最好，基質1 和基質3 中黑麥草生長差距不大，8 月2 0r ，基質2 中黑 麥草株高為3 30 0 c m 基質3 中為3 11 5 e r a 。從兩季黑麥草的對比看，黑 麥草的生長狀況都較好，經過一季的分蘗后，第二季黑麥草變得稠密，生 物量明顯增加。 3 0 t 2 5 三2 0 薹” 蓋l o 5 0 4 - 2 85 - 8f - i ! r 7b i76 2 7 p it i ，。z i，。iu 圖3 1 0 黑麥草生長對照圖( 1 )圖3 1 l 黑麥草生長對照圖( n ) t a b l e 3 - 1 0 t h eg r o w t ho fr y e g r a s s ( i ) t a b l e 3 - 1 1 t h eg r o w t ho fr y e g r a s s ( ) 黑麥草( 基質1 ) 一eu一哐茸。制班 采煤塌陷地復墾冪質中銅的植物士除q f 究 黑麥草( 基質2 ) 黑麥草( 基質3 ) 3 2 26 早熟禾的生長狀況 2 0 0 7 年4 月1 0 種植早熟禾，由 于能分和種子的原因，出苗后出現死 m 亡現象。2 0 0 7 年7 月l 開進行移栽，三j 0 經過1 0 天的緩苗期后，觀測已錄其 堰】0 生長狀況。結果表明，基質中的早熟 苧2 0 禾丌始生長較慢，一個月后，早熟禾畔i o 丌始快速生長?；|2 中早熟禾生長。 最好，基質i 中早熟禾生長略差。 圖3 1 2 早熟禾株高對照圖 聰3 4 2 t h eg r o w t ho f b l u e g r a s s r 劓 山東農業(yè)人學壩i j 學位論義 3 2 3 植物的生物量情況 生物量是衡量植物生長情況的重要指標。分別對結球甘藍、油菜和小 白菜兩季的生物量進行比較( 見表3 1 2 ) ；對黑麥草和苜蓿兩次刈割后的 生物量進行比較( 見表3 1 3 ) 。由表可以看出，結球甘藍在基質2 中的生 物量最大，但第一季和第二季生物量差距較大，第二季明顯好于第一季， 其中第二季莖葉最大鮮重為2 9 3 2 l g p o t ，干重為2 6 9 8 9 p o t ，根鮮重為 1 1 3 4 9 p o t ，干重1 3 7 9 p o t 一：油菜在基質l 中的生物量最大，但兩季的 差別不大，第二季最大莖葉干重為1 2 0 2 9 p o t 一，根干重1 1 8 9 - p o t l ；小白 菜兩季的生物量差距明顯，第二季明顯好于第一季，第一季在基質1 中的 生物量最大，第二季在基質2 中的生物量最大，第二季的最大莖葉干重為 2 2 8 6 9 p o t 。，根干重1 8g p o t 。 表3 1 2 三種作物的生物量對照表( g - p o t 1 ) t a b l e3 1 2t h eb i o m a s so ft h r e ec r o p s ( g p o t l ) 三種作物比較可以看出，結球甘藍第二季在基質2 中的干生物量最 大，其次是小白菜第二季在基質2 中的干生物量，這與基質的不斷熟化， 利于植物生長有關，另方面與植物的含水量有關，小白菜鮮重大于結球 甘藍，但含水量較大，最終干生物量小于結球甘藍。 4 3 采煤塌陷地復墾桀質中鎘的植物去除研究 表3 - 1 3 三種草的生物量對照表( g p o t l ) t a b l e3 1 3t h eb i o m a s so ft h r e eg r a s s ( g p o t 1 ) 由表3 1 3 可以看出，黑麥草和紫花苜蓿第二季的生物量均比第一季 的生物量大；其中基質2 中黑麥草和紫花苜蓿生物量增長量最大，黑麥草 最大鮮重為1 0 8 3 8 9 p o t ，紫花苜蓿最大鮮重為1 0 7 9 2 9 p o t 1 ，這說明基質 2 更適合黑麥草和紫花苜蓿的生長。從干生物量看，第一季黑麥草的最大 干生物量為2 2 5 1 9 p o t l ，紫花苜蓿的最大干生物量為1 6 5 9 9 - p o t l ；第二季 黑麥草的最大干生物量為2 0 2 8 9 p o t 一，紫花苜蓿的最大干生物量為 2 3 3 7 9 p o t - 1 。 3 3 植物中鎘的積累規(guī)律研究 3 3 1 鎘在植物體內的含量與分布 重會屬在植株內的積累和運輸情況直接影響著植物對重金屬的吸收 和耐性程度，表現在植物體內各部位所吸收和積累的重金屬的種類和數量 不同( a n g u i s s o l as c o t t ie ta 1 ，1 9 9 9 ) ，重會屬在植物體內各部位的分布情 況也有所差異( 劉秀梅，2 0 0 2 ) 。 3 3 1 1 植物不同生長時期c d 含量比較 山東農業(yè)人學頌l j 學位論義 植物不同生長時期，體內積累c d 的速度和數量會有所差異。對植物 不同生長時期c d 含量進行分析比較，可以確定植物的最佳收獲時i 、日j 。由 圖3 1 3 可以看出，結球甘藍、油菜和小白菜地上部和根部的c d 含量都隨 著生長時f b j 的延長而增加，但增加的幅度和規(guī)律不完全一致。結球甘藍在 塵長初期體內就迅速積累一定濃度的c d ，且在各基質中c d 含量差別不 大；生長中后期，c d 的積累速度變慢，基質1 中c d 含量的增加速度大 于基質2 和基質3 ，但總體上都是增加趨勢。小白菜不同時期體內c d 含 量的增加趨勢與結球甘藍的變化類似；油菜不同時期體內c d 含量的增加 趨勢也與結球甘藍類似，但在三種基質中的差別不大。 黑麥草、紫花苜蓿和早熟禾體內c d 含量隨著生長時間的延長，表現 出增減不一致的特性，其中，基質1 中紫花苜蓿3 0 天體內c d 含量達到 2 1 7 2 m g k g - 1 ，3 0 天以后c d 含量變化較??；基質2 和基質3 中，隨著生 長時問的延長，紫花苜蓿c d 含量緩慢增加。黑麥草體內c d 含量在三種 基質中隨生長時間的延長均有小幅度增加，但基質2 中黑麥草體內c d 含 量明顯高出基質1 和基質3 。早熟禾c d 含量隨生長時間的延長，變化較 小，在基質1 和基質3 中有小幅降低趨勢，在基質2 中有增加的趨勢，但 在三種基質中的含量差別較大，6 0 天時，基質2 和基質3 中早熟禾c d 萎瞻霹網剝勿崩 蒜 螢一瞻晰3 n 網引勿崩 燃 皿手2 o 釷1 5 導0 主加5 螽o 2 5 ( 芋2 0 舡1 5 弓1 0 碳0 5 襄o o 4 0 大地上部7 0 大地上部4 0 大根部7 0 大根部 3 0 大地f ：部5 0 大地i ：部3 0 大根部 5 0 大撤部 ( a 結球甘監(jiān))( 卜油菜) 4 5 采煤塌阡1 地復墾堆質中鎘的植物去除研究 二、3 5 鼉3 o b d 基2 5 2 0 刪 缸1 5 弓1 0 袱0 5 皿 0 0 口基質1 4 0 天地l ：部6 0 天地 ：部4 0 天搬部天根部 ( r 小白菜) d 叢質l 質2 質3 3 0 人地l 部4 5 犬地l 部6 0 人地l 部 ( d - 紫花苜蓿) 基質l 基質2 基質3 柵盯3 3 0 大地r 部4 j 天地l 部6 0 天地t 郭 3 0 大地卜凸| ：4 5 滅地r 部6 0 人地r 酃 ( r 黑麥草)( f _ 早熟禾) 圖3 1 3 植物不同生長時期c d 含量 t a b l e3 1 3t h ec o n t e n to fc di nd i f f e r e n tg r o wt i m eo fp l a n t s 雖然各植物隨著生長時問的延長，體內c d 含量的增加速度變緩甚至 c d 含量有小幅度下降，但是隨著生長時間的延長，植物的生物量增加很 大。因此，要讓植物帶走基質中更多的c d ，不應減少植物的生長期。植 物生長到一定時期后，生物量增加會達到一個穩(wěn)定狀態(tài)，體內鎘質量分數 的增長幅度不大，使得吸收總量隨之也達到穩(wěn)定狀態(tài)。因此確定各試驗植 物的最佳生長時間，結球甘藍為9 0 天，油菜為5 0 天，小白菜為6 0 天， 黑麥草、紫花苜蓿、早熟禾6 0 天刈割一次。 3 3 1 2 植物不同部位c d 含量比較 圖3 1 4 為幾種植物不同部位c d 含量的對比情況。由圖可知，幾種 植物地上部c d 含量均大于根部c d 含量，這說明它們符合富集植物的特 征，具有從地下部向地上部運輸c d 的能力。其中，結球甘藍和油菜地上 7 4 8 5 2 9 6 3 0”“他=2”舊嘶 鼉e一棚舡u躲粗撐粕 眈仰 昱-暑e一嘲缸口u帳臻 坦瞄蛇們 k一e一喀啦口u烀雕 山東農業(yè)人學壩i j 學位論義 部c d 含量與根部c d 含量差距較大，各基質中結球甘藍地上部c d 含量與 根部c d 含量的差均在0 5 m g k g l 以上，油菜地上部c d 含量與根部c d 含 量的差均在0 6 m g k g 以上；基質1 中小白菜地上部c d 含量略大于根部 c d 含量，但差距不大，基質2 和基質3 中小白菜地上部c d 含量與根部 c d 含量的差在0 3 m g k g 一左右。 黑麥草在基質1 和基質3 中地上部c d 含量略大于根部c d 含量，在 基質2 中，地上部c d 含量與根部c d 含量的差約0 5 m g k g 一左右；紫花苜 蓿地上部c d 含量與根部c d 含量的差距較大，在三種基質中地上部c d 含量與根部c d 含量的差均在1 1 m g k 9 1 以上；早熟禾在基質1 中地上部 c d 含量與根部c d 含量的差距不大，在基質2 和基質3 中的含量差為0 5 m g k g 一左右。由以上分析得出，各試驗植物地上部c d 含量均大于根部 c d 含量，特別是紫花苜蓿地上部c d 含量為根部c d 含量的2 倍以上，因 此植物體內積累的c d 主要分布在地上部。本試驗進行植物修復的最終目 的就是要把鎘從基質中提取出來，植物地上部分比地下部分容易收獲且根 部的生物量要遠小于地上部的生物量，因此各試驗植物能滿足植物修復的 要求。 從不同種植季看，植物體內c d 的分布表現出了相同的規(guī)律：植物地 上部c d 含量大于根部c d 含量，但兩季植物體內c d 的含量不同。結球甘 藍、油菜和小白菜第二季地上部和根部c d 含量大于第一季c d 含量。其 中，結球甘藍地上部和根部c d 含量均是在基質1 中最高，第二季基質1 中結球甘藍地上部c d 含量為3 0 6 1 m g k g - 1 ，根部為2 3 3 5 m g k 9 1 ：油菜在 基質l 中兩季的c d 含量變化很小，在基質2 和基質3 中第二季明顯大于 第一季c d 含量，第二季地上部c d 含量在基質3 中最高，為3 5 5 4 m g k g ； 地下部c d 含量在基質2 中最高，為2 5 0 2m g k g ；小白菜體內c d 含量 第二季略高于第一季，第二季c d 含量在基質1 中最高，地上部為3 1 0 4 r n g k 一，地下部為2 6 7 4m g k 一。這可能是因為基質經過一季的種植后， 更加適合植物的生長，結球甘藍、油菜和小白菜第二季根系比第一季發(fā)達， 可以吸收并向植物地上部轉運更多的c d 。 紫花苜蓿、黑麥草兩季的c d 含量變化不明顯且變化規(guī)律不一致。黑 麥草兩季c d 含量變化不大。紫花苜蓿第二季地上部c d 含量小于第一季 4 7 采煤塌陷地復墾甚廄中鎘的植物士除研究 地上部c d 含量，而地下部c d 含量略有增加，這可能是因為隨著生長時 間的延長，紫花苜蓿根部積累的c d 量略有增加；而第二季是雨水季節(jié)， 在經過第一季的刈割后，紫花曲蓿生長較快，地上部積累的c d 量較第一 季減少。 r r 口 h “ l 藜 蓑m 圖3 1 d 植物不同部位c d 含量比較 t a b l e 3 - 1 4 t h ec o n t e n to f c d i nd i f f e r e n tp a r t o f p l a n t s =|一_|_#tu#!i 乞|一=_t=g#!4i彗# ；：二一eeg#!# 七二一一btudi!：# 山東農業(yè)人學壩i j 學位論義 3 3 1 3 植物吸c d 量比較 植物對重會屬的修復能力不僅與植物體內重會屬含量有關，而且與植 物的干生物量有關。植物生物量越大，對重會屬的吸收效率也就越高。植 物吸c d 量= 植物地上部c d 含量地上部干生物量+ 植物根部c d 含量 根部干重。由表3 1 4 可知，結球甘藍、油菜和小白菜第二季的吸c d 量顯 著大于第一季的吸c d 量，其中結球甘藍吸c d 量的變化最大，基質2 中 結球甘藍的吸c d 量第二季為第一季的5 倍多，這一方面與植物第二季的 生物量有大幅度增加有關，另一方面與植物第二季體內c d 含量略有增加 有關。黑麥草第二季在基質l 中的吸c d 量有所降低，這主要與基質l 中 黑麥草在第二季的干生物量的降低有關。紫花苜蓿第二季在基質1 中的吸 c d 量也有所降低，這主要是因為紫花苜蓿在第二季的c d 含量低于第一 季，且基質1 中紫花苜蓿第二季的干生物量低于第一季的干生物量。 比較六種試驗植物得出，結球甘藍的吸c d 量最大，為 7 3 8 9 2 x 1 0 3 m g p o t l ：其次是小白菜，為7 1 4 2 5 1 0 d m g p o t l 。 表3 1 4 不同植物吸c d 量l o - 3 m g p o f l t a b l e3 1 4c o n t e n to fc di np l a n t sa b s o r b e df r o ms u b s t r a t e s 3 3 1 4 植物對基質c d 的積累特征分析 富集系數是植物體內c d 含量與基質中c d 含量的比值( s a l ted ，1 9 9 5 ) ， 它是反映植物對基質鎘的富集能力大小的指標，富集系數越大，植物對基 4 9 采煤塌陷地復墾皋質中鎘的植物去除研究 質鎘的修復能力就越強。由表3 1 5 可知，結球甘藍、油菜、小白菜三種 十字花科植物的富集系數要大于黑麥草、紫花苜蓿和早熟禾。其中，結球 甘藍、油菜和小白菜的富集系數第二季有增加趨勢，并且第二季油菜和小 白菜在三種基質中富集系數均大于1 ；結球甘藍僅在基質l 中的富集系數 大于l 。這說明這三種植物對基質c d 的富集能力較強，而且隨著基質的 熟化，種植季數的增加，富集能力有增強趨勢。黑麥草、紫花苜蓿和早熟 禾的富集系數均小于1 ，而且第二季表現出了富集系數減小的趨勢，其中 黑麥草的最大富集系數為0 5 5 4 ，紫花苜蓿為o 8 3 7 ，早熟禾為0 5 1 5 ，這 可能與這三種草在第一季刈割之后，第二季生長較快，體內積累的c d 量 減少有關。雖然這三種草的富集系數小于1 ，但比非富集型植物的富集系 數( 0 0 4 ) 高許多。 轉運系數是植物地上部c d 含量與根部c d 含量的比值，它反映植物 從地下部向地上部運輸鎘的能力。由表3 1 5 可知，幾種植物的轉運系數 均大于l ，這說明這幾種植物均具備了超富集植物的轉運系數條件。結球 甘藍第二季的轉運系數略低于第一季；油菜在三種基質中的轉運系數變化 表現不一致，其中基質1 和基質3 中，油菜的轉運系數略有增加，基質2 中略有減??；小白菜在三種基質中，第二季的轉運系數又略高于第一季； 黑麥草的轉運系數在基質l 中略有增加，基質2 和基質3 中略有減?。蛔?花苜蓿的轉運系數第二季比第一季有下降趨勢，但仍是這幾種植物中最高 的，其轉運系數在三種基質中均大于2 2 0 3 ，在基質1 中的最高，為3 5 6 8 。 富集系數和轉運系數在評價超富集植物的修復能力時能說明一些問 題，但仍存在一些不足。假設給定植物的富集系數大，即地上器官中重金 屬質量分數相對大，但若在給定生