金属锰作为一种重要的冶金、化工原料,是国民经济重要的基础物资,有“战略金属”之称[1]。电解锰工艺是指将锰矿石经酸浸出获得锰盐,再送电解槽电解析出单质金属锰。在电解锰的生产过程中,会产生大量的废渣,包括酸浸渣、阳极泥、硫化渣、含铬废渣等[2]。从目前的电解金属锰技术和锰矿品位来看,每生产1t电解金属锰就会产生5～6t废渣。2010-2017年,我国的电解金属锰年均产量约为206万t,电解锰渣的储量约以1000万t·年-1的速度逐渐增加[3]。一方面,电解锰渣含有机质、锰和氮等营养元素或物质,具有作为植物生长基质或肥料的潜力;另一方面,电解锰渣也含有Mn、Cd等重金属元素,在风化淋溶作用下具有迁移至周围土壤、水体从而导致污染的可能[4,5,6,7]。因此,从资源利用和环境保护的角度出发,在电解锰渣堆场种植经济植物,既能通过根系的吸收、固定等作用降低有害元素对周围环境的污染风险,又能充分利用废弃锰渣资源促进经济社会的可持续发展,其中的关键步骤是筛选出合适的植物类型和理想的基质改良措施。

能源草是可直接作燃料及用于生产生物质能源的草本植物的统称,多为两年或多年生,由于具有根系发达、抗性较强、适生范围广等特点,也常被用作水土保持和荒滩地治理植物[8]。能源草对重金属的富集能力没有超积累植物强,但因其植株高大、生长迅速、生物质产量高,并且种植、管理、收获、运输、贮藏、预处理及加工等方面可实现机械化操作,生产成本低,在环境修复领域仍存在着独特的优势[9]。因此,有学者建议在矿区废弃地规模化种植能源草,既能充分利用边际土地资源,又能实现生物质原料生产与生态恢复的双赢[10,11,12]。

目前,国内外关于对电解锰渣堆场周边环境污染调查、锰渣重金属浸出、锰渣及其浸出液对黑麦草(Loliumperenne)、紫花苜蓿(Medicagosativa)、小白菜(Brassicachinensis)等植物生长的影响的研究较多[13,14,15],但以能源草为试验材料开展其在电解锰渣上生长的对比性研究却鲜见报道。种子萌发是植物生命历程的起点,其萌发率高低,萌发参数改变,皆关乎植物后期生育状况、生物量高低、种群动态乃至竞争格局的走向[16]。幼苗生长阶段是植物对外界环境响应最为敏感的时期,当气温、湿度、光照和生长基质等综合条件不佳时,会对幼苗产生胁迫作用,导致其体内代谢紊乱,生长发育受到抑制[17,18]。有研究表明,直接在锰渣堆场废弃地上用植物进行修复效果并不理想,通过施用不同的改良剂可以改善基质理化性状,吸附有害重金属,对土壤微生物产生积极影响,进而改善植物生长环境[19]。因此,本研究选取4种代表性的能源草,探讨无机改良剂硅藻土、有机改良剂木炭及两者的混合改良剂施用对其在电解锰渣基质上种子萌发和幼苗生长的影响,旨在筛选出适宜的能源草和改良剂类型,以期为电解锰渣的资源化利用和堆场生态恢复提供参考。

1、材料与方法

1.1供试材料

电解锰渣:采自遵义锰矿长沟矿段,该地已经有60多年的开采加工历史。废渣散落在山坡、河道旁边,对周围生态环境造成严重影响。电解锰渣是在碳酸锰矿粉中加入硫酸溶液电解生产锰的滤渣[20]。样品挑出石头、废物后于室内自然风干。分别过5.00和0.15mm尼龙筛,用于发芽试验和性质测定,其基本理化性质和重金属含量见表1。

能源草:分别为甜象草(Pennisetumpurpureum)、皇竹草(Pennisetumhydridum)、苏丹草(Sorghumsudanense)和杂交狼尾草(Pennisetumamericanum×Pennisetumpurpureum),其种子购于西安彩虹草业公司,发芽率分别为92.03%、85.42%、88.79%和85.91%;改良剂:木炭和硅藻土购于贵州平兴源工贸有限公司,分别过0.15mm尼龙筛备用。其基本理化性质及重金属含量见表1。

表1电解锰渣及改良剂基本性质

1.2试验设计

本试验于2019年5月19日-6月1日在贵州师范学院农业资源与环境实验室进行。共设计4个处理,每个处理重复3次,改良剂的添加量参照陈然等[21]的研究,分别为:1)5%硅藻土;2)5%木炭;3)2.5%硅藻土+2.5%木炭;4)CK(不加改良剂)。按照每个80g的用量将基质与改良剂充分混匀后平铺于直径为12cm的培养皿中,静置钝化3d,制成种子发芽床。挑选颗粒饱满、均匀的草种置于1%的H2O2溶液浸种10min进行消毒,用自来水流水清洗,再用去离子水冲洗3次后,用滤纸吸干种子表面水分。每个培养皿中均匀放入30粒处理后的种子,盖上皿盖并置于阴凉通风处,利用自然光源对其进行光照处理,每日按照称量法加去离子水保持基质湿润。逐日观察发芽数并及时清理发霉腐烂的种子(以胚根长大于或等于种子长、胚芽长度达到种子一半或胚根突破种皮1mm为判断种子发芽的标准),第14天结束发芽试验。

1.3测定项目及方法

1.3.1发芽指标

发芽率=第7天发芽粒数/供试种子数×100%;发芽势=发芽初期发芽粒数/供试种子粒数×100%,以第3天发芽种子数计算;发芽指数(germinationindex,GI)=∑(Gt/Dt),Gt为t时间的发芽粒数,Dt为相应的发芽天数。

1.3.2幼苗生长指标

在试验结束后,每皿随机挑选10株苗,用尺子测量株高、根长,用万分之一天平称量地上部鲜重。

1.3.3幼苗生理生化指标

叶绿素:采用95%乙醇提取,分别于649nm(叶绿素b)和665nm(叶绿素a)下测定吸光度并计算其含量;丙二醛(malondialdehyde,MDA):采用硫代巴比妥酸显色法,以鲜重计[22];酶活性:取植株幼苗0.10g,置于5mL(pH值7.8,2%聚乙烯吡咯烷酮)预冷的磷酸缓冲液中匀浆,4℃下10000r·min-1高速离心15min,上清液即为粗酶液,用0.05mol·L-1磷酸缓冲液定容至10mL。然后分别采用氮蓝四唑比色法测定超氧化物歧化酶(superoxidedismutase,SOD)活性,采用愈创木酚法测定过氧化物酶(peroxidase,POD)活性,采用过氧化氢法测定过氧化氢酶(catalase,CAT)活性[23,24,25]。

1.4数据处理

用SPSS22.0及Excel2007进行数据的处理与分析,相关指标数据以平均值±标准差表示,用LSD法在0.05水平上进行处理间差异性比较。

2、结果与分析

2.1改良剂对电解锰渣上4种能源草种子萌发的影响

能源草在试验周期内的生长状况如图1所示。将4种能源草种子直接播种在电解锰渣基质上时,发芽率最高的是甜象草,达95.56%,其次是杂交狼尾草,为80.00%。发芽率较低的是苏丹草和皇竹草,分别只有73.33%和42.22%(表2)。随着改良剂的添加,不同草种发芽率变化趋势不同。硅藻土、木炭及两者的混合改良剂处理组杂交狼尾草的发芽率在对照组基础上分别提高了5.56、5.00和2.22个百分点。施用硅藻土及混合改良剂使甜象草种子萌发率略有下降,与对照相比未达显著水平,而木炭处理组的发芽率与对照相比无明显变化,但显著高于混合改良剂处理组。3种改良剂均能显著提高皇竹草发芽率(P<0.05),但发芽率最大值也不足70.00%,改良剂处理组之间无明显差别。除木炭处理组的苏丹草发芽率略有降低外,其他两种改良剂添加后能一定程度提高其发芽率,但与对照组差异未达显著水平。

图1电解锰渣上4种能源草生长过程

发芽势是评估种子发芽整齐度及发芽速率的重要指标之一。由表2可以看出,木炭和硅藻土单独施用后,两者对杂交狼尾草发芽势的影响呈相反趋势且有显著差异,其中木炭处理组比对照组低了7.78个百分点,而硅藻土处理组则升高了6.67个百分点,混合处理组其发芽势与对照无明显区别。硅藻土和混合改良剂添加后并未对甜象草的发芽势造成明显影响,而木炭处理组其发芽势与对照相比显著降低了13.89个百分点(P<0.05),说明木炭对甜象草的发芽速度有一定的减缓作用。除木炭处理组皇竹草的发芽势与对照无明显区别外,硅藻土和混合改良剂处理组其发芽势较对照显著提高了11.11%和8.88%(P<0.05)。单施硅藻土或木炭对苏丹草的发芽势影响一致,均比对照提高了5.56个百分点,而混合改良剂处理组其发芽势达到了55.56%,显著高于其他3个处理(P<0.05)。

3种改良剂的添加对杂交狼尾草和甜象草的发芽指数无明显影响(表2),其值分别介于23.10～26.73和27.65～29.16,各改良剂之间,改良剂与对照组之间差异均不显著。皇竹草的发芽指数大小顺序为:硅藻土>混合改良剂>木炭>CK,说明改良剂的添加使皇竹草的发芽指数有了明显增加,以硅藻土处理组值最高。木炭处理组和对照组的苏丹草发芽指数无明显差异,而硅藻土和混合改良剂使其较对照增加了8.81%和20.08%,其中混合改良剂处理组的苏丹草发芽指数显著高于其他处理(P<0.05)。

2.2改良剂对电解锰渣上4种能源草幼苗生长的影响

发芽试验进行14d后,各处理间能源草的长势有所不同(表3)。硅藻土和木炭的混施没有使杂交狼尾草的株高、根长和鲜重发生明显改变,而单独施用硅藻土和木炭却能使其鲜重与对照相比分别显著增加36.54%和30.77%(P<0.05)。施用混合改良剂处理组甜象草生长指标优于其他处理,其株高和根长与未施改良剂处理组相比分别增加了25.00%和30.16%,且达显著水平(P<0.05)。与对照相比,木炭和混合改良剂处理组甜象草的地上部单株鲜重分别增加了3.08%和7.69%,而硅藻土单独施用时其鲜重却下降了9.23%,显著低于其他两种改良剂(P<0.05),但各处理组与对照组之间差异不显著,说明硅藻土对甜象草地上部生长有一定抑制作用。硅藻土施用对皇竹草根部无明显影响,但能促进其地上部生长,使其株高和鲜重分别显著增加了35.33%和35.71%(P<0.05);施用木炭能使皇竹草的根长由5.91cm显著增加到7.00cm(P<0.05),但对其单株鲜重无显著影响;硅藻土与木炭混合施用后,皇竹草的各项生长指标均有所增加,其中株高和鲜重显著高于对照(P<0.05)。与皇竹草施用效果类似,硅藻土能显著促进苏丹草地上部生长,使其株高和鲜重较对照有明显提升;而木炭能显著促进其根部延伸(P<0.05),两者的混合施用使其株高、根长和鲜重与对照相比分别增加了6.52、1.05和7.46个百分点,但处理间差异未达显著水平。

表2改良剂对电解锰渣上4种能源草种子萌发的影响

表3改良剂对电解锰渣上4种能源草幼苗生长的影响

2.3改良剂对电解锰渣上4种能源草幼苗部分生理指标的影响

2.3.1叶绿素含量

3种改良剂对4种能源草叶绿素含量的影响状况见表4。施加改良剂后,杂交狼尾草的叶绿素a含量与对照相比有小幅增加,但差异并不显著;叶绿素b含量也与对照无明显差异,但混合改良剂处理组的叶绿素b含量比单一木炭施用情况下有显著降低(P<0.05);杂交狼尾草总叶绿素含量介于1.38～1.42mg·g-1,各处理间无明显差异。除了混合改良剂处理组甜象草的叶绿素a含量与对照和硅藻土处理组相比分别显著增加了12.95%和13.77%外,其余处理间差异不显著;施加硅藻土处理组甜象草的叶绿素b含量最低,为0.66mg·g-1,显著低于其他3个处理,表明硅藻土对于甜象草的叶绿素b的合成有一定抑制作用;甜象草的总叶绿素含量大小顺序为混合改良剂>木炭>CK>硅藻土,除混合改良剂处理组含量显著高于对照组外(P<0.05),其余两种改良剂与对照间无显著差异。施用改良剂还显著提高了皇竹草的叶绿素a和总叶绿素含量(P<0.05),提高幅度分别为28.95%(硅藻土)、25.00%(木炭)和27.63%(硅藻土+木炭)及29.20%(硅藻土)、19.47%(木炭)和26.55%(硅藻土+木炭)。改良剂也能增加苏丹草叶绿素a含量,硅藻土、木炭及混合改良剂的增加幅度分别为17.69%、14.97%和9.52%,其中硅藻土处理组与对照组差异显著。4个处理的苏丹草的叶绿素b含量无显著差异,而总叶绿素含量大小为硅藻土>木炭>硅藻土+木炭>CK,其中硅藻土含量增幅为13.74%,与对照相比达显著水平(P<0.05)。

表4改良剂对电解锰渣上4种能源草幼苗叶绿素含量的影响

2.3.2丙二醛含量

图2改良剂对电解锰渣上4种能源草丙二醛含量的影响

不同小写字母表示各处理间差异显著(P<0.05),下同。

图3改良剂对电解锰渣上4种能源草抗氧化酶活性的影响

从图2可知,由于草种不同,其体内丙二醛含量范围也有所不同。除了混合改良剂以外,添加硅藻土及木炭使杂交狼尾草叶片的丙二醛含量明显降低,由2.57nmol·g-1分别降至1.88和1.92nmol·g-1。改良剂对甜象草丙二醛的降低效果以木炭及混合改良剂最优,与对照相比降幅分别为25.22%和29.36%,显著低于CK和硅藻土处理组(P<0.05)。各处理下皇竹草体内丙二醛含量分别为3.43(硅藻土)、4.85(木炭)、3.51(硅藻土+木炭)和5.08(CK)nmol·g-1,其中硅藻土和混合改良剂处理组显著低于另外两个组。未施加改良剂的情况下,电解锰渣基质上苏丹草幼苗叶片的丙二醛含量达到了7.46nmol·g-1,而随着硅藻土、木炭及混合改良剂的施入,其值分别降低了42.65%、29.43%和28.45%,且硅藻土处理显著低于其他处理组,而木炭和混合改良剂之间差异不显著,但都显著低于对照(P<0.05)。

2.3.3抗氧化酶活性

改良剂添加后,能源草体内抗氧化酶活性发生了变化(图3)。单独施用硅藻土和木炭的处理组,杂交狼尾草的超氧化物歧化酶(SOD)活性分别比对照显著提高了36.11%和27.67%(P<0.05),而混合改良剂处理组和对照无显著差异。甜象草的SOD在各处理组之间均有显著差异,其中木炭及混合改良剂的施入使其SOD活性分别提高了14.97%和24.90%,而硅藻土施入却使其在对照基础上下降了16.31%。木炭、硅藻土及混合改良剂添加后皇竹草的SOD活性的增幅分别为9.97%、69.41%和61.98%,其中后两者与对照相比达显著水平。3种改良剂添加均能提高苏丹草的SOD活性,以硅藻土处理组活性最高,为301.52U·g-1,显著高于对照和其他两种改良剂处理组(P<0.05)。

杂交狼尾草单独施用木炭和硅藻土处理组的过氧化物酶(POD)活性分别是对照的2.44和1.98倍,说明这两种改良剂的运用使其POD活性显著提升,而混合组的POD活性与对照相比无显著差异。与SOD活性几乎一致,硅藻土施入使甜象草的POD活性显著降低了37.50%,而木炭及混合改良剂的施用则使其分别提高了33.36%和50.97%。各处理之间、处理与对照之间差异均达显著水平。皇竹草硅藻土和混合改良剂处理组的POD活性分别为9.13和8.46U·g-1,显著高于对照(2.91U·g-1)和木炭处理组(3.12U·g-1)。木炭和混合改良剂处理条件下苏丹草的POD活性无显著差异,但显著高于对照,且显著低于硅藻土处理组(P<0.05)。

由图3可知,硅藻土和木炭的加入使杂交狼尾草的过氧化氢酶(CAT)活性由2.10U·g-1分别显著增加至6.47和6.33U·g-1(P<0.05),混合改良剂处理组却和对照无显著差异。不同处理条件下甜象草的CAT活性大小顺序为硅藻土+木炭>木炭>CK>硅藻土,各处理间均有显著差异(P<0.05),除硅藻土处理组有所下降外,另外两种改良剂添加均使甜象草CAT活性呈上升趋势。硅藻土、木炭及混合改良剂均能显著提升皇竹草的CAT活性(P<0.05),其分别是对照的2.88、1.51和2.70倍。硅藻土处理条件下,苏丹草的CAT活性为6.25U·g-1,比对照高264.59%,比木炭处理组和混合改良剂处理组分别显著增加了38.20%和35.70%(P<0.05)。

3、讨论

能源草在新的环境能否定植成功,种子萌发阶段是关键[26]。一般来说只要土壤温度和水分条件适宜,大部分种子均能发芽。然而本研究却发现,除甜象草外,种植在电解锰渣上的其余3种能源草的发芽率与滤纸试验相比都有不同程度的下降,显示出了一定的抑制作用,尤其是皇竹草,发芽率只有42.22%。可能是因为本研究所选用的基质中重金属含量仍然较高[27],尤其是Mn,是贵州土壤Mn含量最高值的20.91倍[28],而Mn胁迫环境下种子内部储存物质的分解及转化受到抑制,进而影响种子萌发[29]。此外,锰渣中Cd含量也达2.34mg·kg-1,是农用地土壤污染筛选值的3.90倍[30],也可能会抑制种子的萌发。添加3种改良剂(包括养分含量低的硅藻土)后,其发芽指标有显著提升的现象也从侧面证实了这一点。

新鲜电解锰渣由于存在着酸度大、重金属总量和有效性高等限制因素,并不适合植物生长。本研究所用电解锰渣已在野外堆存几十年,经过长时间的物理、化学和生物风化,加之风力和水力运移作用下与周围自然土壤的机械混合,使其pH值已提高至微碱性,并具备了一定肥力特征(表1),使能源草幼苗在该基质上生长成为可能。研究发现,4种能源草幼苗在电解锰渣基质上生长状况不一。其中添加硅藻土处理组的杂交狼尾草、皇竹草和苏丹草的株高及地上部单株鲜重与对照相比均有明显提高(P<0.05),是因为硅藻土具有较大的比表面积、毛管孔隙度、最大持水量和较多的负电荷,对于电解锰渣中的重金属有较好的吸附作用,从而减少其对种子的毒害作用和向地上部的迁移,促进了植物生长[31]。值得注意的是,硅藻土对于甜象草的地上部生长有明显抑制作用,可能是由于其施入土壤后也一定程度降低了养分的有效性,而甜象草在苗期对重金属的耐性高,对营养元素的要求也相对较高[32]。木炭富含C、N、P等元素,施入土壤可改善电解锰渣基质营养状况,疏松土壤,促进土壤团聚体的形成,有利于根系的发育和伸展[33]。本研究发现木炭处理组4种草的根长较对照均有一定的提高,幅度在6.51%～32.66%,这与孙嘉曼等[34]的研究结果一致。将硅藻土与木炭混施后,皇竹草和苏丹草的幼苗生长指标和单施无明显差异,而对甜象草的生长则体现出了协同作用,效果优于单施改良剂,可能是因为两者复配后,从提高植物营养和降低重金属有效性两方面共同作用造成的。

叶绿素含量的变化反映了植物叶片光合作用功能的强弱,也可用以表征逆境胁迫下植物组织、器官的衰老状况。叶利勇等[35]的研究表明,改良剂可缓解植物逆境胁迫,使叶绿素含量增加。本试验得出了类似的结果,混合改良剂处理组的甜象草的叶绿素a含量、3种改良剂处理组的皇竹草叶绿素a和总叶绿素含量、硅藻土处理组的苏丹草的叶绿素a和总叶绿素含量均显著高于各自草种的对照组。硅藻土处理组的甜象草叶绿素含量低于对照组,可能是因为硅藻土吸附性较强,阻碍了Ca、Mg等矿质元素进入叶片,抑制了甜象草叶绿素的合成。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以及膜系统受伤害的程度,是逆境生理研究中的一项重要指标[36]。植物进化过程中形成的抗氧化酶(主要包括SOD、POD和CAT)有助于维持活性氧代谢平衡,从而阻止其对于细胞膜的伤害[37]。本研究结果显示,改良剂处理组能源草幼苗的丙二醛含量与对照组相比有不同程度的下降,而SOD、POD和CAT活性则呈上升趋势。说明改良剂的添加能抑制电解锰渣中重金属在能源草中的迁移,提供了植物需要的部分营养,改善植物生长微环境,促进了幼苗生长,增强了幼苗的抗逆性。

本研究所采用的硅藻土呈碱性,对重金属有着良好的固化效果,使得杂交狼尾草、皇竹草和苏丹草的发芽、生长和生理指标均有一定的提高。然而也有研究表明硅藻土能使土壤碱解氮、速效磷和速效钾的含量降低25.80%、48.00%和12.00%,到生长后期可能造成植物缺素,还有可能使土壤板结[38,39]。木炭作为一种有机改良剂,和硅藻土等比起来其对重金属离子的吸附作用结合力较弱,易发生解吸[40],因此在本研究中单独施用时并未展示出较好的改良效果。但如果延长种植时间,随着其中养分的释放,也有可能会产生一定的促进效果。本试验证实甜象草和杂交狼尾草在老化的电解锰渣基质上有较好的适宜性,但随着生长发育过程的推进,基质中的重金属可能会不断被吸收进入植物体内,累积到一定程度而引起中毒现象,也有可能因为基质中养分的逐渐消耗引起枯萎现象。因此,能源草不同生育时期在电解锰渣基质上的生长表现、木炭和硅藻土混施过程中两者的配比问题、改良剂施用效果的持久性等都需要进一步观察。此外,能源草不同生长阶段对应的基质养分状况、重金属有效态状况、基质物理结构状况及微生物状况等也需要综合研究,找出限制因子,才能更好地在电解锰渣基质上开展以能源草为先锋植物的生态恢复工作,使其种植真正做到“不与民争粮,不与粮争地”。

4、结论

1)无改良剂添加条件下,4种能源草的发芽率大小顺序为:甜象草>杂交狼尾草>苏丹草>皇竹草;3种改良剂添加能显著提高皇竹草的发芽率、发芽势和发芽指数;硅藻土与木炭的混合施用组的苏丹草的发芽势和发芽指数与对照相比也有明显提升。

2)改良剂的添加促进了能源草幼苗的生长,与对照相比,能源草的株高、根长和地上部单株鲜重最大增幅分别达35.33%、32.66%和36.54%。

3)施用改良剂提高了能源草的叶绿素含量和SOD、POD和CAT活性,且降低了叶片丙二醛含量。

4)在电解锰渣上适宜种植的是甜象草和杂交狼尾草,前者以2.5%的木炭和2.5%的硅藻土混合施用改良效果最优,后者以5%硅藻土的单独施用改良效果最优。

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基金:国家自然科学基金委员会-贵州省人民政府喀斯特科学研究中心项目(U1612442-3);国家自然科学基金项目(41661094);贵州省科技计划项目(黔科合基础[2019]1247号)资助.