稀土尾砂对樟树和任豆幼苗生长及元素吸收的影响

肖祖飞，张北红，王颜波，金志农，李 凤，张 琴，马一丹

（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.国家林业和草原局木本香料(华东)工程技术研究中心，江西南昌330099）

稀土作为我国重要的有色金属资源，广泛分布于南方的赣南、粤北、闽西等地.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，稀土尾砂治理不当，将对下流土壤和水域造成严重污染.目前，国内外专家对稀土尾砂的治理已经开展了部分研究，并取得一定效果.有研究表明，百喜草、狼尾草、弯叶画眉草和狗牙根适应南方稀土尾砂分布区水热条件，在水分条件较好的区域以弯叶画眉草为主，水分条件差的区域应以百喜草为主，肥力较差区域应以狗尾草为主[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].芙蓉李能够提高稀土尾砂含水量，增加稀土尾砂的N、P 和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，适宜用于赣南稀土尾砂的治理[4].樟树（Cinnamomum camphora）是樟科樟属常绿高大乔木，原产于我国东南及西南各地[5]，是我国重要的经济树种，也是长江流域重要的乡土树种，樟树适应性强，具有较强的抗性[6-8].任豆（Zenia insignis）是豆科任豆属落叶乔木，国家二级重点保护植物，主要分布于中亚热带与南亚热带之间的广西、广东、云南、湖南和贵州等地[9].任豆的适应能力较强，生长迅速，根系发达，能耐干旱瘠薄，是岩溶石漠化地区优良造林树种[10-11].本文以樟树和任豆为1年生实生苗为材料，采用盆栽控制试验，研究稀土尾砂对樟树和任豆幼苗的生长及元素吸收的影响，以期为稀土尾砂的治理提供支撑.

1 材料与方法

1.1 试验材料

稀土尾砂来自江西省寻乌县.樟树和任豆为1年生实生苗，生长健壮、长势一致.栽培盆选用外口径29 cm、内口径25 cm、高26 cm的塑料盆.

1.2 试验设计

试验场地设置在我校园林实训基地.2016 年4月5日对任豆进行上盆，之后进行缓苗.试验于2016年5 月5 日开始，同年9 月5 日结束.每盆装基质8 kg，每盆栽苗1 株，栽前对每株苗木株高和地径进行测定.任豆和樟树盆栽各30 盆.根据盆中水分状况，进行浇水管理，以保证植物正常生长.

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，樟树和任豆各挑选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（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(2×3) cm，光照强度为1 000 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，樟树和任豆各随机挑取6 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保存，带回实验室测定叶绿素和类胡萝卜素、POD、SOD、可溶性糖和总蛋白，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[12-13]，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5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，晾干植株表面离子水，测量株高、地径和鲜重，之后将地上部分与地下部分分开，分别测定鲜重，用根系分析仪WinRHIZO 扫描根系，再在105 ℃下杀青0.5 h，80 ℃下烘至恒量，干样品用于营养元素和重金属的测定.将干样品磨碎，然后过0.25 mm 筛，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；重金属（Cu、Zn、Pd、Cd）采用干灰化-原子吸收分光光度计法测定.

栽培基质各指标测定方法如下[14]：pH 采用pH计法（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，重金属采用HF-HNO3-HClO4消煮-原子吸收分光光度法测定.

1.4 数据分析

所有实验数据先用Excel 2010 计算、整理，再用SPSS 19.0 对樟树和任豆的株高、地径、生物量等分别进行单因素方差分析（one⁃way ANOVA），显著性水平为0.05.

2 结果与分析

2.1 稀土尾砂理化性质

表1 显示，稀土尾砂容重为2.25 g/cm3，容重大；电导率高达79.12 dS/m，是未破坏地红壤土（6.90 dS/m）的10 倍多；pH 值4.8，属于强酸性；有机碳1.00 g/kg、全氮0.22 g/kg、碱解氮20.18 mg/kg、全磷0.13 g/kg、速效磷2.27 mg/kg、全钾64.23 g/kg、速效钾225.97 mg/kg，稀土尾砂比较贫瘠，植物生长所需营养元素不足；重金属铜含量1.64 mg/kg、锌含量86.92 mg/kg 和镉含量0.11 mg/kg，均在土壤自然背景值范围内，铅含量48.36 mg/kg，高于土壤自然背景值（35 mg/kg）.

2.2 稀土尾砂对樟树和任豆幼苗生长的影响

（1）稀土尾砂对樟树和任豆幼苗株高和地径的影响.表2 统计表明，任豆株高净生长10.92 cm，樟树株高净生长4.28 cm，任豆株高净生长是樟树的2.5 倍；樟树和任豆地径净生长分别为0.15 cm 和0.12 cm，二者差异不显著，可见稀土尾砂对樟树和任豆幼苗株高生长影响较大，对地径生长影响较小，任豆幼苗株高生长显著优于樟树.

表1 稀土尾砂理化性质

表2 稀土尾砂对樟树和任豆幼苗株高、地径的影响（平均值±标准误差，下同）

（2）稀土尾砂对樟树和任豆幼苗根系生长的影响.由表3 可知，任豆和樟树单株平均总根长分别为3 152.49 cm 和1 995.06 cm、根面积分别为582.30 cm2和437.96 cm2、根 体积分别为8.61 cm3和7.65 cm3、细根直径分别为0.71 mm 和0.60 mm.表明稀土尾砂对樟树和任豆幼苗单株总根长、根面积和根体积影响较大，对单株平均细根直径影响较小，且任豆幼苗单株平均总根长、根面积和根体积显著大于樟树，任豆幼苗根系生长显著好于樟树.

表3 稀土尾砂对樟树和任豆幼苗根系生长的影响

（3）稀土尾砂对樟树和任豆幼苗单株生物量的影响.图1 显示，生长在稀土尾砂上的樟树和任豆幼苗单株地上部分鲜重分别为2.97 g 和2.86 g，地下部分鲜重分别为2.35 g 和2.56 g，根冠比分别为0.79和0.89，总生物量分别为5.33 g和5.42 g，樟树和任豆生物量各指标间差异不显著.

图1 稀土尾砂对樟树和任豆幼苗单株平均生物量的影响

综上可知，樟树和任豆均能在稀土尾砂上生长，任豆在株高、单株平均总根长、根面积、根体积方面好于樟树，地径、单株平均细根直径、地上部分鲜重、地下部分鲜重和总生物量二者之间差异不显著.即任豆在稀土尾砂上生长指标好于樟树.

2.3 稀土尾砂对樟树和任豆幼苗生理生化指标的影响

（1）稀土尾砂对樟树和任豆幼苗叶片叶绿素和类胡萝卜素含量的影响.由图2 可知，生长在稀土尾砂上的任豆叶片中叶绿素a含量为1.13 mg/kg、总叶绿素1.57 mg/kg，叶绿素/类胡萝卜素为6.63，是樟树叶片的近2 倍；任豆叶片中叶绿素b 为0.44 mg/kg，是樟树的2.5 倍；任豆叶片叶绿素a/叶绿素b为2.56，显著低于樟树叶片；而任豆和樟树叶片类胡萝卜素二者之间差异不显著.由此可见，稀土尾砂对樟树和任豆幼苗叶片叶绿素的影响较大，且任豆叶绿素a、叶绿素b 和总叶绿素含量显著高于樟树，这与任豆在稀土尾砂上生长势优于樟树一致.

图2 稀土尾砂对樟树和任豆幼苗叶片叶绿素和类胡萝卜素含量的影响

（2）稀土尾砂对樟树和任豆幼苗叶片光合作用的影响.表4 表明，生长在稀土尾砂上的任豆叶片的净光合速率、蒸腾速率分别为12.57 μmol/(m2·s)、2.61 mmol/(m2·s)，与樟树相比，分别增加了17.98%、22.61%，而气孔导度和胞间CO2浓度差异不显著.可见稀土尾砂对樟树和任豆幼苗叶片净光合速率和蒸腾速率影响较大，任豆幼苗叶片净光合速率和蒸腾速率显著高于樟树，这与任豆生长指标、叶片叶绿素指标优于樟树一致.

表4 稀土尾砂对樟树和任豆幼苗光合作用的影响

（3）稀土尾砂对樟树和任豆幼苗叶和根中可溶性糖和总蛋白含量的影响.表5 显示，生长在稀土尾砂上的樟树和任豆幼苗叶片和根中可溶性糖和总蛋白含量差异不显著.樟树幼苗叶片和根中可溶性糖含量略低于任豆；而任豆叶中总蛋白含量略高于樟树，根中总蛋白则略低于樟树.

表5 稀土尾砂对樟树和任豆幼苗叶片和根中可溶性糖和总蛋白含量的影响

（4）稀土尾砂对樟树和任豆幼苗叶和根中SOD和POD含量的影响.表6的统计说明，生长在稀土尾砂上的樟树和任豆幼苗叶片和根中的POD 活性和SOD 活性差异不显著.樟树叶片中POD 活性略高于任豆，根中POD 活性略低于任豆；任豆叶和根中SOD活性略高于樟树.

2.4 稀土尾砂对樟树和任豆幼苗叶、茎和根中N、P和K含量的影响

图3 显示，生长在稀土尾砂上的樟树和任豆叶、茎和根中N、P 和K 含量低，N、P 和K 在樟树和任豆叶、茎和根中的分布也有差异.任豆叶、茎和根中N的含量高于樟树，但二者之间差异不显著；任豆叶、茎中P和K的含量显著高于樟树，而根中P和K二者差异不显著.任豆和樟树根、茎和叶中N、P 和K 的含量均为：叶＞茎＞根，根部吸收的N、P 和K 大部分运输到地上部分，供地上部分生长所需.

表6 稀土尾砂对樟树和任豆幼苗叶片和根中POD和SOD含量的影响

图3 稀土尾砂对樟树和任豆幼苗叶、茎和根中N、P和K富集的影响

2.5 樟树和任豆幼苗对稀土尾砂中重金属的吸收

由表7 可见，樟树和任豆幼苗对稀土尾砂中Cu、Zn、Pb 和Cd 的吸收规律相似，根据吸收量大小依次为Zn、Pb、Cu、Cd，且Cu、Pb 和Cd 主要富集在地下部分，Zn主要富集在地上部分.任豆对Zn的富集显著高于樟树，对Cu、Pb 和Cd 的富集略高于樟树，这与任豆长势好于樟树相一致，任豆可能对稀土尾砂的抗性强于樟树.

表7 樟树和任豆幼苗对稀土尾砂中重金属的吸收

3 讨论与结论

我国拥有丰富的稀土资源，在稀土开采过程中不仅会破坏当地的植被，而且会产生大量的稀土尾砂；在稀土提取过程中，大量使用硫酸铵、硝酸铵、碳酸铵等溶液冲洗，使尾砂的理化性质遭到严重破坏，容易随水土的流失污染周边环境，造成严重生态危害.测定稀土尾砂的理化性质后发现，稀土尾砂的容重大（2.25 g/cm3）、电导率高（79.12 dS/m）、呈强酸性（pH4.8）；有机碳、全氮、全磷、速效磷、全钾含量较低，不能满足植物生长对营养元素的需求；重金属铜、锌和镉的含量虽然均在土壤自然背景值范围内，但铅含量（48.36 mg/kg）高于土壤自然背景值（35 mg/g），不适宜大部分植物生长.因此，在稀土尾砂上种植植物需选取生长快、抗性强的树种.

目前，植物修复技术是稀土尾砂治理中常用的方法，具有稳定性好、应用性强、可行性高等优点，是一种低投入、可持续的绿色修复技术[15].樟树是长江流域重要的乡土树种，适应性强、抗性强.任豆适应能力较强，生长迅速，根系发达，能耐干旱瘠薄，是石漠化地区优良造林树种.本文以樟树和任豆1 年生幼苗为材料，研究樟树和任豆幼苗在稀土尾砂上生长及元素吸收情况，结果表明，樟树和任豆幼苗可以生长在稀土尾砂上，任豆株高生长显著高于樟树，是樟树的2.5 倍；任豆单株平均总根长、单株平均根面积、单株平均根体积显著高于樟树；樟树和任豆地上部分、地下部分、根冠比、总生物量之间差异不显著.因此，从生长指标来看，任豆在稀土尾砂上生长略优于樟树，这可能与任豆是速生树种[16]、樟树是中慢生树种有关，也有可能是任豆对稀土尾砂的抗性略强于樟树.

叶绿素含量与植物的营养状况、光合作用密切相关的色素，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[17].本试验研究结果表明，任豆叶片叶绿素a、总叶绿素和叶绿素/类胡萝卜素是樟树的近2倍，叶绿素b是樟树的2.5倍，这与任豆净光合速率显著高于樟树基本一致.

可溶性糖和总蛋白是逆境条件下植物体内重要的渗透调节物质之一[18-19]，超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化物酶（POD）是植物体内重要的保护酶，能够清除由逆境产生的活性氧对膜质过氧化造成的伤害[20-22].本试验研究结果表明，任豆和樟树叶片和根中可溶性糖含量、总蛋白含量、SOD 活性和POD 活性差异不显著，各项值均略偏高，樟树和任豆可能在稀土尾砂尾砂上生长遭到胁迫，这与之前研究基本一致[8].

氮、磷和钾是植物生长的重要营养元素，在植物的生长过程中发挥重要作用.生长在稀土尾砂上的任豆和樟树叶、茎和根中N、P 和K 含量均不高，这与稀土尾砂本身肥力不足有关（表1），任豆叶、茎和根中N 的含量高于樟树，P 和K 的含量也高于樟树，且叶片中P 和K 的含量均显著高于樟树，有利于任豆的生长，这与任豆长势略好于樟树相一致.有研究表明，任豆是石山造林的优良树种[23]，任豆对重金属Cu2+、Zn2+、Cd2+、Pd2+有较强的抗性[24].试验研究表明，樟树和任豆幼苗对稀土尾砂中Cu、Zn、Pb 和Cd的吸收规律相似，吸收量大小依次为Zn、Pb、Cu、Cd，这可能与稀土尾砂中Zn和Pb含量较高有关，也可能与樟树和任豆对Zn的需求量大有关.Cu、Pb和Cd 主要富集在地下部分，Zn 主要富集在地上部分，这可能是因为Zn 在植物体内比较容易移动，而Cu、Pb 和Cd 比较难转移有关，也有可能樟树和任豆对重金属的吸收属于根部囤积型.任豆对Zn 的富集高于樟树，对Cu、Pb 和Cd 的富集略高于樟树，这与任豆长势好于樟树一致，任豆可能对稀土尾砂的抗性强于樟树.总之，任豆和樟树可用于稀土尾砂的治理，任豆对稀土尾砂的抗性强于樟树.