构树对菱镁矿区破损土地的生态适应性

焦阳 贾春云 范文玉 姜春阳 台培东

摘要 [目的] 研究菱镁矿粉尘对土壤理化性质的影响以及构树对镁粉尘污染土壤的耐受性。[方法] 采用盆栽试验，室内模拟氧化镁粉尘沉降、人工掺和废矿堆。[结果] 当镁粉尘施加量小于10%时，促进构树生长，当土壤镁含量为4.17 g/kg时，构树单株生物量达3.46 g，明显大于洁净土壤的生物量（2.81 g）；构树对生长土质的要求低，土壤中矿石含量25%时，生物量最大为6.12 g，明显比洁净土壤生物量高出3.31 g；施加镁粉尘明显改变了构树生长土壤的理化性质，pH由6.78升到9.48，电导率先增加到651.8 μS/cm后降至375.7 μS/cm，速效磷含量从52.1 mg/kg降至16.9 mg/kg，全镁含量从1.403 g/kg升至9.015 g/kg。 [结论] 构树对镁具有较强耐受能力， 并对生长土质要求低，在不同程度破损土质中均能健康生长，在修复菱镁矿区镁污染土地方面具有相当大的潜力。

关键词 构树；菱镁矿；粉尘；生态修复

中图分类号 S181.3；X53 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2014）16-05063-03

菱镁矿是一种重要的矿产资源，被广泛应用于材料、航天、交通、通信和电子产品等行业，与人类的生活息息相关。我国拥有的菱镁矿资源居世界首位，主要集中在素有“镁都”之称的辽宁省海城和大石桥一带[1]。菱镁矿在破碎、分选、烧结及运输过程中产生大量的粉尘、烟尘，通过风力推动，飘移到附近耕地土壤、空气中，对矿区附近的生态环境造成严重的污染与破坏，同时对周边农业生产以及人类身体健康产生严重危害。菱镁矿粉尘的主要成分是MgCO3和MgO[2]。镁粉尘具有一定的腐蚀性，会使作物的叶片与根系直接受到伤害，造成作物的减产甚至绝产；沉降于地面，造成土壤板结，作物生长发育环境恶劣，草本植物减少；在污染严重区域，草本植物几乎不能生存，仅有少量的灌木和松树幼苗存在[3-7]。

用于修復土壤的植物种类应具备生长快、根系发达、易栽培等特点。构树别名彀、楮树、鹿仔树、谷浆树、野杨梅子等，为桑科（Moreceae）构树属（Broussonetia ）多年生落叶乔木或灌木，雌雄异株，株高可达20 m[8]。构树属全世界共有5种，分布于亚洲东部和太平洋岛屿。我国有构树、小构树、藤构3种，分布于我国除东北北部、西北北部以外的大部分地区，大多数野生，少量栽培[9]。构树为阳性树种，具有一定的耐荫性，适应环境的能力极强，既耐干旱、贫瘠、盐碱，又耐干冷湿热气候，在酸性、中性或石灰质土、含盐量14%以下的土地和深山荒地均能旺盛生长[10]。构树韧皮纤维含量高，是生产制造高级用纸、高级混纺等产品的优质原材料[11]；构树树叶是生产加工鱼类和动物饲料的优质绿色原料[12]；构树果实可制成天然性保健果汁饮品[13]；构叶、果实、楮实子、树皮、根皮和乳汁均含有一定的生理活性物质，具有广泛的医药用途[14]。笔者以构树为研究对象，通过温室盆栽试验研究了构树对土壤中镁污染的耐受、积累能力，以了解它对镁污染土壤修复的可能性、潜力，为辽中南菱镁矿区大面积镁污染破损土地的修复提供技术和理论指导。

1 材料与方法

1.1 试验材料 供试构树树苗购自大连中植环境生物科技有限公司。供试土壤采自中国科学院沈阳生态研究所沈阳生态实验站，室内自然风干（室温约25 ℃），用研钵磨细，过1 mm尼龙筛，备用。供试土壤基本性质为：pH 6.83，有机质26.40 g/kg，全碳含量17.70 g/kg，全氮含量1.10 g/kg，全磷0.35 g/kg 。供试矿石采自海城菱镁矿区。供试矿粉为轻烧氧化镁，过100目筛，备用。

1.2 试验设计 将已风干、磨细的土壤称重，装盆。从所购构树树苗中选取长势一致的树苗，移入盆中，每盆定株1株，放入光照温室中培养。

经过30 d的缓和期后，根据菱镁矿区土壤矿粉污染强度，向盆内土壤表面投加菱镁矿粉，使其形成不同程度的镁污染，分别为0（对照）、5%、10%、15%、20%、30%[w/w，菱镁矿粉/（菱镁矿粉+土壤）]，分别记为G0、G1、G2、G3、G4、G5。另选取一定量的矿石，与土壤混合形成含有不同程度碎矿石的土壤，混合比例分别为0（CK）、10%、15%、25%、50%、70%、100%[w/w，矿石/（矿石+土壤）]，分别记为W0（G0）、W1、W2、W3、W4、W5、W6。移入盆中后洒水1 000 ml，在培养期间保持土壤润湿。

在镁污染土壤中培养60 d后，分别对植物和土壤采样。将植物从盆中连根挖出，鲜重用电子天平称取，并测量植株高度。先用自来水冲洗，后用去离子水冲洗。将植物样品在105 ℃鼓风干燥箱中杀青5 min后，于75 ℃烘干至恒重，用电子天平称取；烘干的植物样品用于镁含量分析。

随机采集土样，将取出的每个土样去掉结皮块和植物残渣、根系，在室温（25 ℃）下自然风干7 d，研磨后过16目尼龙筛，用于土壤pH、全盐量等理化性质的测定；另外，采用四分法取出一部分风干土，研磨，使其全部过100目尼龙筛，用于土壤全镁、有机质等含量的测定。重复3次，取平均值。

1.3 测定方法

1.3.1 植物镁含量的测定。取0.5 g植物样品，经混合酸（HNO3/HClO4，8∶2，V/V）消解后，定容于50 ml容量瓶，用火焰原子吸收分光光度计（Varian，AA240）测定根、茎、叶以及全镁含量。

1.3.2 土壤理化性质的测定。土壤理化性质的测定参照土壤农化分析[15]。有机质含量的测定采用重铬酸钾法；pH的测定采用电位法，用无CO2水浸提，pHs.3C型精密pH剂测定；全盐含量的测定采用电导法；速效磷含量的测定采用碳酸氢钠法；水溶镁含量的测定方法为：经水土比5∶1浸提后的土壤浸提液，用火焰原子吸收分光光度计（Varian，AA240）测定镁含量；土壤全镁含量测定方法为：取1 g土壤样品，经混合酸（HF/HNO3/HClO4，8∶4∶4，V/V/V）消解后，定容于50 ml容量瓶，用火焰原子吸收分光光度计（Varian，AA240）测定全镁含量。

1.4 数据处理 数据结果采用 SPSS18.0 和 Microsoft Excel 2007 进行统计分析，利用一元方差分析（one.way ANOVA）对试验结果进行分析，同时根据需要采用Duncan 多重比较法或Paired.Samples T检验法比较差异显著性，所有检验的显著性水平如无特殊说明，均为P=0.05。试验所得数据以平均值±标准差表示，增加量表示处理前后植物株高的差值，生物量以植物地上部分干重计，镁含量以整株植物干重计。

2 结果与分析

2.1 构树对镁粉尘污染土壤的适应性研究

2.1.1 矿粉施加量对构树生长特征的影响。随着镁污染的加重，构树的生长状况变化显著。由图1可知，与对照组相比，培养60 d后，构树的单株生物量以及株高增加量均有较明显的变化。随着矿粉施加量的变化，植物的单株生物量与株高增加量均呈现出先增加后降低的趋势。污染浓度为5%、10%时生长状况比对照组（未污染）有明显提高，10%处达到最高，单株生物量为4.12 g，株高增加量为11.63 cm。随着污染浓度的继续增加，构树的生长状况逐渐变差，处理G5的生物量（1.84 g）以及增加量（1.9 cm）较对照组有明显下降。这表明镁粉尘施加量小于10%时促进构树生长，但当镁粉尘污染加剧后，构树的生长将受到抑制。这可能与土壤镁含量过高导致土壤镁含量增大有一定的关系，其具体原因有待进一步的研究。

2.1.2 矿粉施加量对构树镁富集特征的影响。由图2可知，随着矿粉施加量的增加，植物中的镁含量逐渐增加。植物根中镁含量从0.32 g/kg增加到0.69 g/kg，茎中镁含量从0.57 g/kg增加到0.97 g/kg，叶中镁含量从1.56 g/kg增加到5.26 g/kg。植物根茎中镁含量明显低于叶片镁含量。植物全镁含量均高于对照组，最高达到1.32 g/kg，较对照组（0.55 g/kg）有明显的增加。由此可知，构树对镁具有一定的耐受能力。

2.1.3 矿粉施加量对构树生长土壤性质的影响。由表1可知，被镁粉尘污染后的土壤理化性质变化较大。与对照组相比，随着投加镁粉尘的增加，土壤pH明显升高，从6.78升高到9.48；电导率变化显著，增大到651.77 μS/cm后降低至375.73 μS/cm；速效磷含量较对照组均有所降低，最低降至16.9 mg/kg，降低幅度较大；土壤中的镁含量逐渐增大，全镁含量由1.403 g/kg升高至9.015 g/kg，水溶镁从47.81 mg/kg升高至121.26 mg/kg。这些与其他学者的研究结果[16-17]相符，但辽宁海城菱镁矿污染区尾矿地土壤pH达到10.3[1]，高于该研究成果。其原因可能为：该研究所采用的是盆栽试验，供试土壤为采自生态站的洁净土，且研究周期较短，随着周期的延长，土壤的pH发生改变。土壤有机质含量先降低后升高，最高达到3.48%，处理G3、G4、G5尽管有所降低（2.94%、2.92%、2.8%），但是其降低程度并不明顯，差异也并不显著。这与方英等[18]研究结果一致，但与李军等[19]研究发现的施加镁粉尘的土壤有机质有所降低的观点并不相同，其具体原因有待进一步研究。

2.2 构树对不同土质的适应性特征 由图3可知，在矿石与土壤混合的土壤中，构树依旧可以生长。随着土壤中所含矿石量的增加，植物的含镁量由1.16 g/kg增加至6.19 g/kg。当矿石与土壤混合比例为15%、25%、50%时，构树株高增加量（7.23 cm、12.7 cm、9.01 cm）明显高于对照组（4.53 cm），生物量（4.43 g、6.12 g、4.07 g）较对照组（2.81 g）也有所增加，生长状况良好。即便在全部由矿石组成的土质（处理W6）中，构树依然可以生长，但长势明显差于对照组。综上所述，构树对生长环境的要求不高，对镁具有一定的耐受能力，对修复菱镁矿区镁污染土壤具有一定的潜力。

2.3 构树生物学特征与污染浓度的相关性 由表2可知，构树的各项指标及土壤镁含量与镁粉尘污染浓度具有一定的三次函数相关关系。随着镁污染浓度的增加，构树的生物量、增长量、镁含量以及土壤镁含量均发生变化。土壤、构树的含镁量随着镁粉尘污染浓度的增加表现出逐渐升高的趋势，而构树的单株生物量、增长量随镁粉尘污染浓度的增加呈现出先增加后减小的趋势。由于试验中最大镁粉尘施加量为30%，没有设置更高浓度的处理，所得相关方程在超过30%污染浓度下的准确性有待进一步研究。

3 结论与讨论

镁是植物生长的必需元素，而土壤对植物而言是一个巨大的水分、养分库，植物所需的镁主要来自土壤，植物对镁的吸收利用在很大程度上依赖于土壤中镁的数量、供应机制[19]。在菱镁矿区，土壤长期处于镁粉尘污染之中，表层形成结皮，使得土壤中镁含量急剧增加，改变土壤理化性质，影响土壤酶活性和微生物活性[5-6，17，20]。镁不仅会对土壤理化性质造成影响，而且会对植物的生长发育造成影响。刘绮等[21]研究表明，过量镁会影响植物对其他离子的吸收，使得植物生长受阻，品质下降，产量降低；Kobayashi等[22]发现，当水溶液中Mg浓度为30 mmol/L时，水稻和稗属植物生长量分别比对照组降低54%～67%和33%～42%；李亚洲等[23]研究表明，当土壤可溶态镁含量达到800 mg/kg时，大豆的株高、根长、叶绿素含量开始下降；当土壤可溶态镁含量达到1 800 mg/kg 时，植株全部死亡。

研究表明，构树对镁具有较高的耐受能力。在镁含量4.17 g/kg的土壤上培养60 d，构树单株生物量为3.46 g，比对照组的生物量2.81 g有所增加； 构树对生长环境的要求较小。当矿石与土壤混合比例达到25%时，生物量为6.12 g，株高增加量为12.7 cm，较对照组有明显的增加；当混合比例为50%时，构树生长特征较对照组有一定的增加，生长状况良好；被镁粉尘污染后的土壤理化性质变化很大。与未施加镁粉尘的土壤相比，施加镁粉尘的土壤pH显著升高，速效磷含量明显减小，土壤镁含量明显增加。随着镁污染浓度的增加，土壤电导率与有机质含量均呈现先增大后降低的趋势。

在菱镁矿资源开发集中的地区开展土壤镁污染的修复以及土地复垦，对于提高矿区环境质量、恢复矿区生态健康有着重要的意义。构树不仅可以在较高浓度镁污染土壤中正常发育，而且具有较好的水土保持、阻止土地沙化的功能和较强的净化环境的能力，能够大量吸滞粉尘，对二氧化硫、氮氧化物等有毒气体有较强的吸收能力[24-25]。构树将在恢复菱镁矿区的生态健康以及植被重建中发挥重要的作用。

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