不同处理的铜尾砂基质对黑麦草生长及铜富集的影响

尤佳佳 薛锦春 王伟伟 蔡若妍 赵珠宇

摘 要 硫化铜矿开采过程中会产生大量的铜尾砂，铜尾砂经过改良修复可以充当客土用于矿山生态复垦。黑麦草因其生物量大、适应性强，常被用作恶劣环境下的先锋植物。为探究不同修复改良处理后的铜尾砂对植物生长及铜富集的影响，在盆栽条件下种植黑麦草，以经调理剂、EM菌剂、改性秸秆、HDS底泥改良处理后的铜尾砂基质作为试验组，分析不同处理的铜尾砂基质对黑麦草生长发育、部分生理指标、CAT活性、Cu2+积累及转运的影响。试验结果显示，添加调理剂、EM菌剂和改性秸秆的铜尾砂可促进黑麦草生长发育；添加调理剂、EM菌剂的铜尾砂可显著提高黑麦草对Cu2+的转运能力，降低铜尾砂中的铜含量。

关键词 铜尾砂；黑麦草；生长发育；Cu2+转运；铜富集

中图分类号：X53 文献标志码：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2022.19.030

铜尾砂是铜矿石经磨碎、精选后被遗弃的矿石提取残余物，以沙粒和粉粒为主。铜尾砂基质不稳定、重金属含量高、肥力贫乏、植被覆盖率低，极易造成生态危害和安全隐患。随着人们对尾砂危害认识日益加深，对尾砂的管理和修复逐渐形成新的发展趋势，植被重建成为当前尾砂治理的最佳方式之一。有研究表明，多年生黑麦草具有一定的抗逆境胁迫能力，在一定浓度的重金属污染土壤中可以正常生长，在重金属污染土壤的修复中具有良好的应用前景[1]。张永兰等研究发现，多年生黑麦草在不同浓度Cu2+污染土壤中有明显的金属富集效应，可用于Cu2+污染土壤的修复治理[2]。

目前对矿区污染土壤进行改良和耐性植物筛选的研究很多，但有关铜尾砂对植物生长产生的影响少有報道。基于此，本研究通过对江西省德兴铜矿铜尾砂进行不同混合基质处理，并用于黑麦草盆栽试验，测定和分析存活植物的株高、根长、根冠比、生物量、含水量、叶绿素含量、CAT活性、Cu2+富集能力及转运系数等理化指标，旨在筛选出植物生长效果较好的铜尾砂改善处理方式，以期为铜尾砂作为客土进行矿山生态复垦提供参考。

1  材料与方法

1.1  试验材料

供试植物为黑麦草。供试铜尾砂取自江西省德兴市德兴铜矿4号尾矿库，采集0～20 cm处铜尾砂用于盆栽试验，容重为1.6 g·cm-3，pH值8.5～9.0。供试调理剂由16.0%泥炭+12.0%麦饭石+1.5%方解石+1.0%乳香+23.0%茶籽饼+46.5%复合肥经堆沤发酵制成。供试HDS底泥pH值7.5～9.0，供试EM菌剂为市售普通产品。供试秸秆晾晒后剪成5～8 cm小段，用10%硫酸铵溶液对其进行改性。

1.2  试验方法

共设5个试验组，每组设置3个重复。1）CK组仅添加4 000 g铜尾砂。2）处理1为4 000 g铜尾砂+160 g调理剂。3）处理2为4 000 g铜尾砂+160 g调理剂+500 g EM菌剂+25 g改性秸秆。4）处理3为4 000 g铜尾砂+160 g调理剂+500 g EM菌剂。5）处理4为2 500 g铜尾砂+160 g调理剂+25 g改性秸秆+500 g EM菌剂+1 500 g HDS底泥。

将不同处理组基质充分混合均匀后，置于口径440 mm的花盆内，在26 ℃左右时，每盆播种大小一致、品相饱满的25粒黑麦草草籽，放于室外。试验于2020年11月5日开始，2021年1月14日收获，共计70 d，收获后对黑麦草进行指标测定。

1.3  指标测定

每盆选择长势基本一致的3株黑麦草，测定其株高和根长。将植物幼苗分为地上部分和地下部分，用电子天平称取地上部分和地下部分的鲜重，地上部分和地下部分鲜重之和为样品鲜重（FW），地下部分和地上部分鲜重的比值为根冠比；用电子天平称量植株地上部分和地下部分干重，地上部分和地下部分干重之和为样品干重（DW），则植株含水量=（1-DW/FW）×100%。水土质量比2.5∶1.0浸提得待测溶液，用PHS-3C酸度计测定pH值[3]。植物体内叶绿素含量采用乙醇提取比色法测定。过氧化氢酶（CAT）活性采用紫外吸收法测定[4]。Cu2+含量采用电感耦合等离子体原子发射光谱法（ICP-OES）测定[5]。

1.4  数据分析

试验数据的统计主要利用Excel、Origin 8.0，采用SPSS 20软件的方差分析（ANOVA）邓肯氏新复极差法（P＜0.05）对数据差异的显著性进行检验。

2  结果与分析

2.1  不同铜尾砂基质处理对黑麦草生长指标的影响

如表1所示，收获时处理1、处理2、处理3、处理4的幼苗株高分别较CK增长了20.61%、53.18%、39.25%和50.22%，处理2、处理3、处理4之间无显著差异，但与CK差异显著（P＜0.05）。黑麦草CK组幼苗平均根长21.11 cm，处理1、处理2、处理3、处理4较CK分别下降了54.24%、60.21%、48.46%和51.49%，与CK差异显著（P＜0.05）。单独以铜尾砂为基质种植的黑麦草根冠比高达1.33，与在添加其他材料基质中生长的黑麦草根冠比差异显著（P＜0.05）。

2.2  不同铜尾砂基质处理对黑麦草生物量和含水量的影响

如表2所示，各处理组的黑麦草幼苗地上部分和地下部分鲜重、地上部分和地下部分干重、含水率较CK均有不同程度的升高。处理1、处理2、处理3、处理4的黑麦草幼苗地上部分干重分别是CK组的7.67倍、17.00倍、7.00倍、11.67倍，与CK组差异显著（P＜0.05）。处理1、处理2、处理3和处理4地下部分干重与CK组差异显著（P＜0.05），相比CK分别增加了60%、100%、20%和60%。在不同处理的铜尾砂基质下生长的黑麦草植株含水率较CK组均显著增加。

2.3  不同铜尾砂基质处理对黑麦草叶绿素含量的影响

如图1所示，CK组黑麦草叶绿素a、b含量分别为6.03、2.49 mg·L-1，4个处理组黑麦草叶绿素含量较CK组均有所提高。其中，处理2和处理4含量提升显著，叶绿素a、b的增幅均超出一倍。

2.4  不同铜尾砂基质处理对黑麦草CAT活性的影响

酶活性的提高有利于增强植物对抗外界毒害的能力。如图2所示，CK组黑麦草叶片CAT活性为237.51 U·g-1·min-1，处理1、处理2、处理3和处理4的CAT活性分别是CK组的2.21倍、2.92倍、1.19倍、3.61倍，其中处理2、处理4基质中添加的材料可显著提高植物的抗逆性。

2.5  不同铜尾砂基质处理对黑麦草Cu2+富集及转运系数的影响

植物体内的重金属含量直接反映植物富集重金属的能力。如图3所示，对照组中黑麦草植株地上部分重金属Cu2+的含量为42.35 mg·kg-1，地下部分为601.96 mg·kg-1。通过不同的处理方式，地上部分、地下部分Cu2+含量都发生了变化。就黑麦草地上部分而言，仅处理3的Cu2+含量上升至65.88 mg·kg-1，其他处理组皆下降，为19.09 ～39.47 mg·kg-1。而植株地下部分所富集的Cu2+含量均显著下降，为223.52～351.34 mg·kg-1。不同的栽培基质会影响黑麦草对Cu2+由根部向茎叶的转移能力，试验表明，对照组对Cu2+的转运系数为0.07，处理2、处理3、处理4对Cu2+的转运系数分别为0.11、0.29、0.10，仅添加调理剂的处理1对Cu2+的转运影响较小，而在此基础上添加EM菌剂后的处理3转运系数较高，表明EM菌剂可促进黑麦草将尾矿中的Cu2+转移到植物中去。处理2、处理3、处理4均添加了EM菌剂，但处理2和处理4对Cu2+的转运效果不如处理3，这可能与植物的“稀释效应”有关，即随着植物生物量的增加，生长在土壤中的植物体内重金属浓度降低的现象。

3  结论

本研究测定了在不同处理的铜尾砂基质下生长的黑麦草生长指标、部分生理指标、Cu2+富集及转运系数，数据显示，添加调理剂、EM菌剂、改性秸秆可促进黑麦草生长发育；向铜尾砂中添加调理剂和EM菌剂能有效提升黑麦草对重金属Cu2+的吸附量和转运活性。但本试验仅研究了不同处理铜尾砂基质对黑麦草生长发育及部分生理特性的影响，未考虑不同植物、不同基质的理化性质对试验结果的影响，在今后的试验研究中，将增加对不同基质和植物配比之间的样地试验，为铜尾砂的实际应用与修复提供理论依据和技术支持。

参考文献：

[1] 田胜尼，刘登义，彭少麟，等.5种豆科植物对铜尾矿的适应性研究[J].环境科学，2004（3）：138-143.

[2] 张永兰，王友保.多年生黑麦草对覆土作用下铜尾矿的修复[J].草业科学，2019，36（1）：3-10.

[3] 中国科学院南京土壤研究所.土壤理化分析[M].上海：上海科学技术出版社，1978.

[4] 孔祥生，易现峰.植物生理学实验技术[M].北京：中國农业出版社，2008.

[5] 李东玉.电感耦合等离子体发射光谱法测定铜等元素分析探讨[J].世界有色金属，2021（18）：130-131.

（责任编辑：张春雨  丁志祥）