（土壤学专业论文）富镉复垦基质的农作物利用与选择.pdf

山东农业大学硕士学位论文 中文摘要 近年来随着耕地资源的日趋减少，采煤塌陷地的复垦成为一项重要的 研究课题。复垦方式多以表层覆土为主，但是土壤来源难以保证。尝试用 废弃的粉煤灰与污泥、粉煤灰与酒糟以一定的质量比组成采煤沉陷地复垦 基质，来代替表层覆土进行塌陷地的复垦研究己取得了一定的成果，经测 定新配基质中的镉含量高于土壤环境质量标准( 二级标准值) ，不适合 种植一般食用植物。需要探讨种植食用器官吸收鼋金属镉不超标的作物。 本研究通过室外盆栽试验，选取可以在基质中生长并且食用部分的重 金属镉含量相对较低的作物种植在基质中。检测了植株的生长状况、食用 器官的营养成分、c d 含量等；比较了各试验作物对基质适宜性研究。 研究结果表明：( 1 ) 基质理化性状可以满足各植物生长要求。基质的容 重均低于一般土壤，这有利于植物的生长发育和基质养分的转化：田间持 水量可维持在7 0 左右，有利于作物吸收水分；基质配置初期盐分含量 较高，经过雨季的淋洗和一年植物种植后能够满足一般植物正常生长的需 要；有机质和速效氮、磷、钾含量维持在正常水平。 ( 2 ) 富镉复垦基质一第一季不适合种植绿豆、大豆、马铃薯、芸豆 和豇豆。而富镉复垦基质二除不适合种植绿豆外，马铃薯、大豆、芸豆和 豇豆生长良好，但是大豆的产量低。而马铃薯不仅长势良好，其食用部分 和秸秆的重金属含量均符合国家标准，适于推广。 ( 3 ) 马铃薯、大豆和芸豆的主要营养成分也没有受到富镉复垦基质 的影响。说明上述三种作物在富镉复垦基质中种植的可行性。为其大规模 推广提供理论依据。 ( 4 ) 分析预测了富镉复垦基质中镉减少到安全环境值所需要的时间。 ( 5 ) 这种富镉复垦基质的利用模式在生产可食用作物的同时也可达 到植物修复的效果，不仅可以提高其经济效益，促进区域经济发展，而且 对塌陷与破坏的废弃地区可以带来社会效益和生态效益，起到改善居民生 活环境，稳定社会秩序的作用。 关键词：富镉复垦基质粉煤灰污泥酒糟c d 作物利用 富镉复垦慕质的农作物利用与选择 t h es t u d i e so nu t i l i z a t i o nf o rc d - - r i c hs u b s t r a t ea n d s e l e c t i o no fc r o p s a b s t r a c t r e c e n t l ya sp l a n t a t i o nr e s o u r c ei sd e c r e a s i n g ，c o a lm i n es u b s i d e n c el a n d h a sb e c a m ea l li m p o r t a n tr e s e a r c hp r o je c t m o s t l y t h em e t h o do fl a n d r e c l a m a t i o ni ss u r f a c es o i l ，h o w e v e r , t h es o i lr e s o u r c ei sh a r dt ob eg u a r a n t e e d t h es u b s i d e dl a n dr e c l a m a t i o nr e s e a r c hw h i c hc o a lm i n es u b s i d e n c e1 a n d r e c l a m a t i o ns u b s t r a t e si sc o m p o s e do fm a s sr a t i o so ff l ya s ht os l u d g eo rf l y a s ht od i s t i l l e r sg r a i n si ns t e a do fs u r f a c es o i lh a sg o ts o m ea c h i e v e m e n t i ti s d e t e r m i n e dt h a tt h ec o n c e n t r a t i o no fc a d m i u mi nt h en e wc o m p o s e ds u b s t r a t e s i sh i g h e rt h a n t h eq u a t i t ys t a n d a r do fs o i ls o u r c e ”( n a t i o n a ls t a n d a r di i ) i ti s n o ts u i t a b l ef o rg r o w i n gt h en o r m a le d i b l ep l a n t s i ti sn e c e s s a r yt of m do u t t h ep l a n t sw h o s ee d i b l eo r g a n sa b s o r bt h el e s sh e a v ym e t a l s t h i s r e s e a r c hi sa b o u to u t d o o rp o t t e dp l a n te x p e r i m e n t t h es e l e c t e d p l a n t sw h o s ee d i b l ep a r t sn e e dr e l a t i v e l yl o wh e a v ym e t a lc a d m i u mg r o wi n s u b s t r a t e s t h ed e t e c t i o ni sa b o u tt h ep l a n t s g r o w t hc o n d i t i o n ，t h en u t r i e n t i n g r e d i e n to fe d i b l eo r g a n s ，t h ec o n c e n t r a t i o no f c da n ds oo n m e a n w h i l e ，i ti s a b o u tt h ec o m p a r i s o nw i t hm u l t i p l ee x p e r i m e n t a lp l a n t s r e s e a r c hr e s u l t ss h o wt h a t ( 1 ) t h ep h y s i c a la n d ，c h e m i c a lp r o p e r t i e so f s u b s t r a t e sc a nb es u i t b l ef o rt h eg r o w t ho fv a r i e t yp l a n t s t h es u b s t r a t e s c a p a c i t yi sl o w e rt h a nn o r m a ls o i lr e s o u r c eo na v e r a g e i ti sa d v a n t a g e o u sf o r p l a n t sd e v e l o p m e n ta n ds u b s t r a t e s n u t r i e n tt r a n s f o r m a t i o n t h a tt h ef i e l d m o i s t u r ec a p a c i t yk e e p sa b o v e7 0 c o u l dp r o v i d ew i t ha d e q u a t ew a t e rf o r p l a n t sg r o w t h a tt h ee a r l yp h a s eo fs u b s t r a t e sa l l o c a t i o nt h es a l tc o n t e n ti s r e l a t i v e l yh i g h 。t h eg e n e r a lp l a n t sr e q u i r e m e n t sa r es a t i s f i e dw i t h t h er a i n y s e a s o na n dp l a n t sg r o w t hi no n ey e a r t h ec o n t e n to fo r g a n i cm a t t e ra n d r a p i d l ya v a i l a b l ea z o t e ，p h o s p h o r u s ，p o t a s s i u ma r ei nt h en o r m a ll e v e l s ( 2 ) r i c hc a d m i u mr e c l a m a t i o ns u b s t r a t e s1i sn o ta d a p t i v ef o rp l a n t i n gm u n g 2 山东农业大学硕上学位论文 b e a n ，s o y b e a n ，p o t a t o e s ，k i d n e yb e a na n dc o w p e a r i c hc a d m i u mr e c l a m a t i o n s u b s t r a t e s2i sn o tf i tf o rm u n gb e a n ，h o w e v e r , p o t a t o e s ，s o y b e a n ，k i d n e yb e a n a n dc o w p e ag r o wv e r yw e l l b u ts o y b e a np r o d u c t i o ni sl o w p o t a t e sn o to n l y g r o wv e r yw e l lb u ta l s ot h eh e a v ym e t a lc o n c e n t r a t i o n so fe d i b l ep a r t sa n d s t r a wa r eh i g h e rt h a nt h en a t i o ns t a n d a r d a n di tc a nb ew i d e l ya p p l i e d ( 3 ) t h e m a j o rn u t r i e n ts o u r c eo fp o t a t o e s ，s o y b e a na n dk i d n e yb e a na r en o ta f f e c t e db y t h er i c hc a d m i u mr e c l a m a t i o ng r o u n d m a s s i ti ss h o w e dt h a tt h eg r o w t h a b i l i t i e so ft h ea b o v et h r e e p l a n t s i nt h er i c hc a d m i u mr e c l a m a t i o n g r o u n d m a s s i ti sp r o v i d e dt h et h e o r yb a s i sf o rt h el a r g es c a l ea p p l i c a t i o n ( 4 ) a n a l y z e da n dp r e d i c t e dt h er e q u i s i t et i m et h a tc a d m i u mi sr e d u c e dt ot h e s a f e t ye n v i r o n m e n tv a l u ei nr i c hc a d m i u mr e c l a m a t i o ns u b s t r a t e s ( 5 ) t h i s a p p l i c a t i o np a t t e r no fr i c hc a d m i u mr e c l a m a t i o ns u b s t r a t e sc a l lg e tp l a n t s r e h a b i l i t a t i o np u r p o s ew h i l ep r o d u c i n ge d i b l ec r o p s 。 i tp r o m o t e st h ee c o n o m i cb e n e f i t s ，a c c e l e r a t e sa r e ae c o n o m i cd e v e l o p m e n ta n db r i n g ss o c i a la n de c o l o g i c a lb e n e f i t s ，a n dp l a y sr o l e si ni m p r o v i n gr e s i d e n tl i v i n ge n v i r o n m e n ta n dk e e p i n ge u n o m y k e yw o r d ：c d r i c hr e c l a i m i n gs u b s t r a t e ；f l ya s h ；s l u d g e ；d i s t i l l e r s g r a i n s ；c d ；p l a n tu t i l i z a t i o n 3 缩写 c d c u c r c e c g k g k m n m g n p p b z n v c 符号说明 英文 c a d m i u m c o p p e r c h r o m i u m c a t i o ne x c h a n g ec a p a c i t y g r a m k i l o g r a m k a l i u m 、 m a n g a n e s e 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 v i t a m i nc 中文说明 镉 铜 铬 阳离子交换量 克 千克 钾 锰 毫克 氮 磷 铅 锌 维生素c 关于学位论文原创性和使用授权的声明 本人所呈交的学位论文，是在导师指导下，独立进行 科学研究所取得的成果。对在论文研究期间给予指导、帮 助和做出重要贡献的个人或集体，均在文中明确说明。本 声明的法律责任由本人承担。 本人完全了解山东农业大学有关保留和使用学位论文 的规定，同意学校保留和按要求向国家有关部门或机构送 交论文纸质本和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权山东农业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文和汇编本学位论文，同时授权中国科学技术研 究所将本论文收录到中国学位论文全文数据库，并向 社会提供信息服务。 保密论文在解密后应遵守此规定。 论文作者签名：巫逑毒 导师签名：么垄0 彩 e l 期：皇华- 富镉复垦基质的农作物利用与选择 1 引言 近年来随着耕地资源的日趋减少，采煤塌陷地的复垦成为一项重要的 研究课题，但方式多以表层覆土为主( 胡振琪等，2 0 0 4 ；韩桂泉等，2 0 0 6 ； 罗玉萍等，2 0 0 7 ) ，但是土壤来源难以保证，所以寻求一种可替代土壤的 基质显得尤为重要，尝试用废弃的粉煤灰与污泥、粉煤灰与酒糟以一定的 质量比组成采煤沉陷地复垦基质，来代替表层覆土进行塌陷地的复垦研究 已取得了一定的成果( 康惊涛，2 0 0 4 ) 。研究表明粉煤灰与酒糟，粉煤灰 与污泥混合配比的最佳质量比例均为4 ：1 ，在这种配比下，基质理化性 状良好，田间持水量呈逐年增加趋势，p h 值基本维持在植物生长的范围， 有机质和无机营养含量高，可满足植物生长需要的养分( 康惊涛等，2 0 0 4 ) ， 但经检测发现基质中只有重金属镉超标，其它重金属含量都没有超过国家 允许的最高标准( 康惊涛，2 0 0 4 ) 。探索利用镉污染的土壤或基质的方法 很多，但多以先治理后利用为主。目前，国内外用来降解或消除土壤重金 属污染的方法基本上可分为物理方法、化学方法和植物修复3 大类( m e g r a t hsp ，1 9 9 8 ) 。虽然每种方法都各有优点但是毕竟需要耗费一些人力、 物力、财力。而研究基质中的重金属污染国内外较少，是一个值得关注的 焦点( 郑九华等，2 0 0 8 ) 。本试验拟选择几种可以在富镉复垦基质中种植而 食用部分又不易超标的作物，为富镉复垦基质的推广与利用提供理论依 据。 1 1 采煤塌陷地的复垦现状 1 1 1 国内外采煤塌陷地复垦概况 早在1 9 世纪2 0 年代德国和美国就开始了土地复垦的研究与应用 ( s i e g f r i e dl a n g e ，1 9 9 8 ) 。美国在1 9 1 8 年就在印第安那州煤矿的煤矸石 堆上进行再种植试验。澳大利亚作为一个以矿业为主的国家，矿山复垦已 经取得了长足进展和令人瞩目的成绩，被认为是世界上先进而且成功地处 置扰动土地的国家。它把土地复垦视为矿区开发整体活动不可缺少的组成 部分( m p h i l i p s ，1 9 9 1 ) 。目前多数发达国家土地复垦率已达到5 0 以 e 。 4 山东农业大学硕士学位论文 我国矿区塌陷上地的复土造田工作开始于5 0 年代末期，如1 9 5 7 年辽 宁桓仁铅锌矿就开始用废弃的尾矿复土造田。1 9 6 4 年广东坂潭锡矿利用 剥离废土边采边填，开创了当年征地当年造地还田的先例。1 9 7 0 年河北 唐山马兰庄铁矿利用剥离物和尾矿平坑造e f l 和充填河滩地造田总量超过 该矿征地而积。但是1 9 7 0 年以前的土地复垦总的来说仍是处于自发状念， 没有统一的管理和领导，也没有相应的法规，从事这方而的研究机构和人 员也很少。 进入8 0 年代后，土地复垦工作取得了很大的进展。1 9 8 6 年颁布了国 家 - h 地管理法，明确规定了土地复垦的任务。1 9 8 8 年国务院又颁布 了土地复垦规定，明确了“谁破坏，谁治理”的原则，并且对复垦规 划、综合治理、资金来源等也做了相应的规定。与此同时，土地复垦研究 试点工作也逐渐开展起来。1 9 8 5 年在淮北召开了第1 次全国土地复垦学 术讨论会，1 9 8 7 年成立了土地复垦研究会，有关行业的科研部门都设立 或指定专门机构对土地复垦中的塌陷盆地预测，矸石弃填造地的承载力、 矸石与粉煤灰充填复垦作业系统与操作方法、粉煤灰种植利用技术等课题 进行了研究( 宝力特等，2 0 0 6 ) 。我国塌陷地面积较大，但没有确切数据。 1 1 2 采煤塌陷地复垦方式 1 1 2 1 沉陷地整平及梯田化技术 位于丘陵区或中低潜水位采煤厚度较大的地区，耕地受损的特征是形 成高低不平甚至台阶状地貌，采煤塌陷区的边缘地带，地形破坏较轻，不 会出现大的沉陷坑，但往往造成地形高低不平，一般情况会积水。当地表 坡度在3 。一6 。之间时，可沿地形等高线修整成梯田，并略向内倾以拦水 保墒。梯田化利用可解决充填物料来源不足的问题。由于梯田化相对地势 低、地下水位高，容易引起涝灾或此生盐渍化等问题，因此，该技术的关 键是要注意排水和灌溉设施的配套。 1 1 2 2 充填复垦模式 根据沉陷地状况，选用适当的充填物进行充填复垦，充填料包括粉煤 灰、矸石等固体废弃物及城市、工业垃圾等，然后确定利用方式。此技术 主要用于季节性积水绝产地的复垦。按表土处理分为覆土种植与不覆土种 植，覆土种植又分为薄覆土盖和厚覆盖，以及覆盖加隔离层等多种形式。 5 富镉复垦基质的农作物利用与选择 1 1 2 3 沉陷地直接利用 在高潜水位经常积水的矿区，通过采取水面利用和生态工程相结合的 办法在消除积水花费投资的同时保留一定的水面( 宝立特，2 0 0 6 ) ，比如 发展水生种植与养殖业，修建人工湖公园等。对维持矿区生态平衡也具有 较高的生态学价值。是省工、省时、增效的方法。 1 1 2 4 挖深挚浅，综合利用 该项技术主要用于浅积水沉陷区或深积水沉陷区的边缘区域，是实现 现代立体农业的基塘复垦和实现生态农业的工程复垦技术。挖深垫浅强调 的是复垦工程措施，其复垦一般利用煤矿挖掘机械，如水力挖掘机和推土 机等( 张蕾娜，2 0 0 1 ) 。 1 2 新型复垦基质的应用与存在问题 在粉煤灰回填覆土改造沉陷地的过程中，上层覆土缺乏供应之源，严 重影响着造田进度和粉煤灰的利用率。张蕾娜把糠醛渣与粉煤灰分别以不 同的比例混合( 其比例为5 ，1 0 ，2 0 ，3 0 ，4 0 ，5 0 ) 种植玉米。 试验结果表明：粉煤灰与糠醛渣混合基质的速效氮、速效磷含量都能满足 植物生长的需要，经过两个月的淋洗后，其速效钾的含量和一般土壤的速 效钾含量相差不大，可以适应作物生长，随着糠醛渣的增加，不仅会长期 为作物供给大量养分，而且可改善基质的结构性，维持一定的肥力水平： 灌溉一定时间后p h 接近一般土壤( 中性) 不会影响作物生长；经过多次 灌水后，全盐含量呈明显下降趋势，但是仍然较高，只有以5 ，1 0 ， 2 0 l 匕例混合的基质可以适宜作物的生长，以3 0 ，4 0 ，5 0 比例混合 的基质中作物的生长明显受到抑制，只有继续冲洗脱盐后才能种植利用； 并且混合基质的氯离子含量很高，氯离子过高会影响其它养分的吸收，使 其它养分失调，造成盐害，解决氯离子过高的方法是种植前多次灌水淋洗； 基质的透水率、持水量随糠醛渣掺入量的增加而增大；综合分析结果，糠 醛渣与粉煤灰以2 0 的比例混合，在一定的肥水管理条件下，显著的提高 了二者的肥力水平，为“变废为宝，化害为利”、节土造田、促进可持续 利用提供了理论依据和新的方法( 张蕾娜，2 0 0 1 ) 。康惊涛探讨了粉煤灰 与城市污泥、粉煤灰与酒糟的这几种废弃物混合的最佳比例，作为植物生 长基质而促进塌陷地生态修复，试验结果表明城市污泥和粉煤灰以及酒糟 6 山东农业大学硕士学位论文 和粉煤灰按照1 ：4 的质量比混合而成的基质，能够满足早熟禾、棉花、 高羊茅、苜蓿、柏树等植物的生长需要( 康惊涛，2 0 0 4 ) ，为粉煤灰和有 机废料的利用提供了新的领域。而组配基质存在的最大问题就是重金属镉 含量超过国家( - i - 壤环境质量标准的二级标准值，( 王晓玲，2 0 0 6 ) ， 这一定程度上阻碍了基质的推广，基质中镉作为植物非必需元素是毒性最 强的重金属元素之一，在生物圈中移动性较大( 鲍志娟，2 0 0 2 ) 要利用需 先进行修复或选择一些吸收重金属镉而又不易超标的作物，本研究拟通过 后一种方式进行试验。 1 3 复垦土壤污染的研究现状 目前关于采煤塌陷地充填复垦后土壤质量及复垦土壤的污染研究较 多，但多集中在对复垦土壤的质量评价上，而对复垦土壤污染进行修复的 研究也较少。有研究表明，煤矸石、粉煤灰中含有部分重金属元素，主要 包括c u 、z n 、c r 、p b 、c d 、m n 等，在它们的堆放、运输、处理过程中 一方面烟尘回落到土壤中污染土壤，另一方面通过降雨淋洗污染土壤和地 下水( 李新举，2 0 0 7 ；胡振琪，2 0 0 4 ) 。利用煤矸石、粉煤灰充填复垦土 壤的污染性研究不够重视，以往的研究往往注重复垦的方法、增加耕地面 积的多少等，对复垦土壤的污染研究甚少。秦俊梅采用单项和综合污染指 数对山西平朔露天矿复垦土壤的环境质量进行了研究，结果表明复垦土壤 虽然有一定的污染性，但土壤环境质量可以达到环境质量标准，不会影响 植物生长( 秦俊梅，2 0 0 6 ) 。 杨秀红通过对粉煤灰充填复垦地进行采样分析和生态风险评价，研究 表明：复垦土壤整体处于受污染状态，主要受到镉的污染。复垦土壤受重 金属污染状况及其潜在的生态危害性有随复垦年限的增加而呈逐渐加重 的趋势。盆栽试验表明，采用粘土矿物和微生物菌根技术可以修复镉污染 土壤( 杨秀红，2 0 0 6 ) 。 c d 是一种稀有分散元素，未污染土壤中的c d 主要来源于成土母质。 土壤c d 含量范围一般为0 0 1 2 m 虹，我国土壤c d 背景值为 0 0 9 7 m g k g ，略低于日本和英国( 许嘉琳，1 9 9 5 ) 。c d 的有效性可能还会随 时间推移而逐渐减弱，如水溶性镉施入土壤0 5 天后，有效性仅变为原 添加量的7 0 一9 0 ，1 年后则仅为1 0 左右。有机质对c d 有一定吸附 7 富镉复垦基质的农作物利用与选择 作用，有机质含量高的土壤可减轻c d 的毒害( 夏汉平，1 9 9 7 ) 。 土壤中c d 的形态变化影响其活性和对植物有效性。土壤中的c d 可 分为水溶态、可还原态、交换态、d t p a 可提取态、碳酸盐结合态、铁锰 氧化物结合态、有机态和残渣态等形态，其中碳酸盐结合态和可交换态的 比例将影响植物对c d 的吸收。研究表明抗重金属水稻可通过改变重金属 形态而降低其毒性，根际土壤交换态镉与有机态镉增加( s h u m a n l m 1 9 9 7 ) 。 1 4 重金属污染土壤的治理方法 2 0 世纪9 0 年代以前，重金属污染土壤修复大多采用挖掘填埋法，但 这种方法实质上只不过是污染物的转移，并非根治重金属的污染，而且还 存在着占用土地、渗漏、污染周边环境等负面影响。当前世界各国都很重 视对重金属污染治理方法的研究。目前，土壤污染的修复途径包括物理修 复、化学修复和生物修复，每种方法各有优缺点和适用范围，在实际应用 中也有将以上方法结合应用的情况，从而达到对污染土壤重金属治理的较 佳修复效果。 1 4 1 物理修复 物理修复主要是电动修复技术，它是一种治理污染土壤的原位修复方 法，主要是通过在污染土壤两侧施加直流电压形成电场梯度，土壤中的污 染物质在电场作用下通过电迁移、电渗流或电泳的方式被带到电极两端从 而达到清洁污染土壤的目的。在荷兰，采用电动修复己成功地去除土壤中 的重金属和其他无机污染物。我国有研究表明，可以将电动修复技术用于 去除城市污泥的重金属。袁华山等研究表明，污泥经电动力作用5 d 后， 对c d 、z n 的总去除率分别为6 4 5 0 、6 5 0 2 ，修复后的污泥可作为土 壤进行利用( 袁华山，2 0 0 6 ) 。 1 4 2 化学修复 目前应用较为广泛的重金属污染土壤的化学修复技术是化学萃取技 术和化学改良技术。化学萃取技术一般应用于重金属含量高、污染特别严 重、直接的植物修复难以进行的土壤的修复；化学改良技术一般应用于土 8 山东农业大学硕士学位论文 壤中重金属含量超标不多的土壤。 ( 1 ) 化学萃取技术 化学萃取是利用一些萃取剂的水溶液通过化学和物理的方法将污染 物质从土壤颗粒分离或解吸到萃取液中而去除的技术。常用的土壤重金属 萃取剂有螯合试剂( 如e d t a ，d t p a 和n t a 等) 、无机酸( 如h n 0 3 ) 和有机酸( 如柠檬酸、酒石酸) 等( b a r o n a a ，2 0 0 1 ) 。化学萃取技术具 有方法简便、成本低、处理量大、见效快等优点，适用于大面积、重度污 染土壤的治理，特别适用于轻质土和砂质土。但也存在一些缺点：化学萃 取技术在去除重金属污染的同时，也使营养元素流失、破坏土壤结构，造 成土壤肥力下降；萃取液可能会污染地下水造成二次污染等。 ( 2 ) 化学改良技术 化学改良技术是向土壤投入改良剂，通过对重金属的吸附、氧化还原、 拮抗或沉淀作用，以降低重金属的生物有效性。该技术关键在于选择经济 有效的改良剂，常用的改良剂有石灰、沸石、碳酸钙、磷酸盐、硅酸盐和 促进还原作用的有机物质，不同改良剂对重金属的作用机理不同。 施用改良剂治理重金属污染土壤，能在一定时期内、一定程度上降低 重金属的毒性和生物可利用性，但并不能彻底清除重金属。治理效果极大 程度上依赖于环境条件，可靠性和长期性较低。当土壤条件，特别是酸度 变化时，钝化的金属可能重新析出或活化。改良剂选择不当，也可能破坏 土壤肥力或产生新的污染。该法适用于轻度污染的土壤。 1 4 3 生物修复 ( 1 ) 微生物修复技术。就是利用微生物改变重金属离子的氧化还原状 态来降低环境和水体中的重金属水平( 王宏树，1 9 8 7 ) 。某些土壤重金属 与微生物有密切关系，如某些细菌对a s 5 + 、f e 3 + 、h 9 2 + 等离子有还原作用， 而另一些细菌对a s 3 + 、f e 2 + 等离子有氧化作用。随着金属价态的改变，金 属的稳定性也随之改变，对生物的有效性也会有所不同，如某些细菌产生 的h 。s 可使许多金属离子转化为难溶的硫化物使之被固定，从而降低了重 金属的有效性。 微生物对被重金属污染的土壤具有独特的修复作用，虽然它不能降解 和破坏重金属，但可以降低土壤中重金属的毒性、吸附积累重金属、改变 9 富镉复垦基质的农作物利用与选择 根际微环境，从而提高植物对重金属的吸收、挥发或固定效率。 ( 2 ) 植物修复技术。植物修复技术就是将某种特定的植物种植在受重 金属污染的土壤上，而该种植物对土壤中的污染元素有特殊的吸收和吸附 能力，将植物收获并进行妥善处理( 如灰化回收) 后即可将该种重金属移 出土体，达到污染治理与生态修复的目的( 韦朝阳，2 0 0 2 ) 。植物修复技 术以其治理过程的原位性、治理成本的低廉性、管理与操作的简易性及环 境美学兼容性日益受到人们的重视，成为污染土壤修复研究的热点之一。 1 5 植物的重金属抗性和抗性机理 环境中过量的重金属对植物是一种不利因素，它们会限制植物的正常 生长、发育。尽管如此，不少种类的植物仍能在高浓度的重金属环境中生 长、繁殖，并完成生活史，研究表明植物在长期的进化过程中也相应地产 生了对重金属的抗性( 文传浩，1 9 9 9 ) 。 1 5 1 植物对重金属的抗性 研究( t o m s e t t ，1 9 8 8 ) 认为植物对重金属的抗性即植物能生存于某一特 定的含量较高的重金属环境中而不会出现生长率下降或死亡等毒害症状。 例如，芦苇对重金属有很高的抗性。在其它植物都不能生长的环境中，芦 苇能j 下常生长，甚至还能完成生活史。 1 5 2 植物对重金属的抗性机理 研究( b a k e r ，1 9 8 7 ) 表明植物对重金属抗性可通过两种途径，即避 性( a v o i d a n c e ) 和耐性( t o l e r a n c e ) ，抗性= 避性+ 耐性。这两条途径并不排斥， 往往能统一作用于一种植物上。因此，研究抗性机理就必须弄清这些特定 的生理机理，及作用方式和条件。 1 5 2 1 避性 一些植物可通过某种外部机制保护自己，使其不吸收环境中高含量的 重金属从而免受毒害，称之为避性。在这种情况下，植物体内重金属的浓 度并不高( b a k e r ，1 9 8 7 ) 。 ( 1 ) 限制重金属离子跨膜吸收。植物可通过限制重金属离子跨膜吸收 降低体内的重金属离子的浓度，所以在重会属污染条件下，植物之间膜组 1 0 山东农业大学硕士学位论文 成和变化能力的差异可能是不同植物对重金属抗性不同的原因之一。 ( 2 ) 与体外分泌物络合。在重金属胁迫条件下，植物可反馈分泌一些 物质。通过这些物质与重金属离子发生络合反应，降低植物周围环境中有 效态的重金属离子含量，避免植物受害。 1 5 2 2 耐性 耐性是指植物体内具有某些特定的生理机制，使植物能生存于高含量 的重金属环境中而不受伤害，此时植物体内具有较高浓度的重金属。研究 ( b a k e r ，1 9 8 7 ) 认为，耐性具备两条基本途径，即金属排斥性 ( m e t a l e x c l u s i o n ) 矛l ：! 金属积累( m e t a l a c c u m u l a t i o n ) 。 ( 1 ) 金属排斥性。所谓金属排斥性即重金属被植物吸收后又被排出体 外，或重金属在植物体内的运输受到阻碍排除体外。重金属从生物体内排 除，也是一种很好的解毒方式。研究表明( n i e s d h ，1 9 8 9 ) 不同耐性植物 的金属离子吸收与代谢的关系，认为植物原生质膜有主动排出金属离子的 作用。植物还可以通过老叶的脱落把重金属离子排出体外。许多研究 ( s a l t d e ，1 9 9 5 ；y e z h l 9 9 7 ；何勇强，2 0 0 0 ) 认为一些耐性植物能在根 部积累大量重金属离子，而限制向地上部分运输，从而使地上部分免遭伤 害，一定程度上提高了植物的耐性。 ( 2 ) 金属积累。植物耐性的另一个途径是金属积累，但可自身解毒， 即重金属在植物体内积累，但以不具生物活性的形式存在。研究 ( n i s h i z o n o ，1 9 8 7 ；m o l o n e ，1 9 7 4 ) 认为，植物细胞壁是重金属离子进 入的第一道屏障，它的金属沉淀作用可能是一些植物耐重金属的原因，这 种作用能阻止重金属离子进入细胞原生质，而使其免受伤害。n i s h i z o n o 在1 9 8 7 年发现，a t h y r i u m y o k o s c e n s 细胞壁中积累大量c u 、z n 和c d ，以 至于占整个细胞总量的7 0 9 0 。m o l o n e 等在电子显微镜下更直接地证明 了细胞壁重金属沉淀作用。但是，不是所有的耐性植物都表现为重金属在 细胞壁物质上的特定积累。研究( 杨居荣，1 9 9 3 ) 用c d 和p b 处理黄瓜 与菠菜，发现p b 大量沉积在细胞壁上，而c d 则以可溶性成分所占比例 最大。因此，植物的耐性机制可能因植物和重金属的不同而异。同时液泡 里含有的各种蛋白质、糖、有机酸、有机碱等都能与重金属结合而解毒， 因此液泡常被认为是分隔重金属元素的机构。进入植物体内的重金属也会 富镉复垦基质的农作物利用与选择 与植物体内许多成分结合而失去毒性。当部分重金属穿过细胞壁和细胞膜 进入细胞后，能和细胞质中的蛋白质、谷胱甘肽、草酸、柠檬酸、苹果酸 等形成复杂的稳定螯合物，它们多能使重金属的毒性降低( m a j f ，1 9 9 8 ) 。 其中，金属结合蛋白对重金属的结合能力远远大于上述物质，是生物解毒 的重要方面。在重金属胁迫下，植物能迅速合成p c 。p c 可与重金属离子 结合形成无毒的化合物，降低了细胞内游离的重金属离子浓度，从而直接 减轻重金属对植物的毒害作用。研究( k n e e r ，1 9 9 2 ) 发现，在重金属胁 迫条件下，p c 能保护r a u v o l f i a 细胞中的r u b p 羧化酶、硝酸还原酶、脲 酶、3 一磷酸甘油醛脱氢酶、醇脱氢酶等的活性，使它们免遭重金属的伤害。 近来，有研究( r a u s e r ，1 9 9 5 ) 提出p c 与c d 的复合物在细胞内的定位 及其转运机制模式，认为p c 可能具有把细胞质中的c d 转运到液泡内作 用。与其它形式的胁迫相似，重金属污染也能导致植物体内产生大量的活 性氧自由基，引起蛋白质和核酸等生物大分子变性、膜脂过氧化，从而使 植物受到伤害。然而，植物体内的s o d 、p o d 、g s h 等抗氧化系统能清 除胁迫诱导的自由基，保护细胞免遭伤害。杨居荣等用c d 处理几种植物， 结果耐性植物体内s o d 、c a t 、p o d 等酶活性可维持与正常水平近似： c d 污染发生后，大豆幼苗c a t 活性上升( 周青，1 9 9 8 ) ；一些蔬菜幼苗 可以通过汞诱导产生新的p o d 同工酶与外界不良环境条件相适应，使植 物得以生存下去，这可能是植物体内氧化酶抗汞的部分原因( 祁忠占， 1 9 9 1 ) 。经过大量的研究( v a n a s s t h e ，1 9 9 0 ) 发现，一些植物对重金属 的共同响应是它们组织中p o d 总活性明显升高，表明其在清除重金属产 生的自由基以及提高植物的耐性能力上有十分重要的作用。 1 。6 选题依据与研究内容 1 6 1 选题依据 粉煤灰与酒糟，粉煤灰与污泥混合配比的最佳质量比例均为4 ：1 ， 在这种配比下，基质能够满足植物生长需要：基质理化性状良好，田间持 水量呈逐年增加趋势，基质p h 值基本能维持在植物生长的范围，有机质 和无机营养含量高，可为植物提供足够的养分供应。但粉煤灰和城市污泥 中除了含有丰富的有机质、n 、p 、k 等植物营养成分外，还含有一定量 1 2 山东农业大学硕士学位论文 的重金属元素，虽然基质淋溶液中铬、铅、铜、锌几种重金属元素的浓度 均较低，远低于污水综合排放标准中规定的限值，对地表水和地下水 没有太大影响，但监测结果表明基质中的c d 高于土壤环境质量二级标准 值，镉( c d ) 是一种剧毒重金属元素，可引起呼吸系统、肾损伤等多种疾病， 对人体毒性极高，可通过多种途径暴露于人体，危害人体健康。土壤一植 物一食品一人的迁移途径在人类对环境镉的暴露中占主导地位。近年来， c d 通过饮食途径对人体健康造成的风险日益引起人们的关注和重视( 师 荣光，2 0 0 8 ) 。所以需要种植食用器官积累重金属镉不易超标的作物。本 课题就是研究探索在含有重金属镉超标的复垦基质中，直接种植一些可食 用的作物，而食用的器官中的重金属含量又不超标，进而加快采煤塌陷地 的复垦，以取得最大的经济、社会和生态效益。 1 6 2 研究内容 ( 1 ) 基质理化性质分析。对以粉煤灰与污泥、粉煤灰与酒糟为原料 组成的复混基质的理化性状进行测定分析，测定基质的养分、p h 值、盐 分、部分重金属离子含量及存在形态等指标。 ( 2 ) 所选作物对基质的适宜性研究。对选取的作物进行种植试验， 观测植物生长状况，并测定相关指标：出苗情况、株高、生物量、叶绿素 等，并相互进行比较分析。分析在正常的管理措施条件下，基质中重金属 离子对植物的影响。 ( 3 ) 所选作物的食用器官及其他器官的重金属含量，以揭示食用器 官的重金属含量是否超过国家规定的食用标准。 ( 4 ) 并且要测定一些作物的主要营养物质含量，以验证作物营养是 否受到影响。 ( 5 ) 预测作物利用过程中基质中重金属镉含量减少的速度。 ( 6 ) 效益分析。分析试验成功后能带来的经济、社会和生态环境效 益，选择确定能大量推广应用并能带来最大经济、社会和生态效益的作物 及可以直接利用的基质。 2 材料与方法 2 1 试验材料 1 3 富镉复垦基质的农作物利用与选择 2 。1 。1 植物选择 研究表明作物各部位吸收累积镉的能力不同，贮藏器官含镉量虽低。 ( 董克虞，1 9 8 3 ) 。同时作物种间和不同品种间对镉的积累和耐性存在着 明显差异( 秦天才，1 9 9 4 ) 。y i n l i 等报道，莴苣、亚麻、向日葵、硬粒 小麦、花生等作物较易积累镉。杨居荣等发现，禾谷类作物对镉的耐性普 遍高于蔬菜类( 杨居荣，1 9 9 4 ) 。蔬菜对重金属镉的吸收、累积也具有基 因型差异，这种差异是引起不同蔬菜品种中镉含量差异的重要原因之一。 另外，同一蔬菜品种的不同部位对于镉的累积能力也不一样，所以镉含量 也具有一定的差异。不同的蔬菜品种累积镉的能力不同，按照累积镉量的 高低，蔬菜可分为高富集、中富集和低富集3 种，镉对蔬菜的污染影响以 叶菜类最大，果菜类次之，根菜及豆类最小，而瓜类均无超标现象( 李其 林，2 0 0 4 ) 。 ( 1 ) 试验选择的根菜类蔬菜为马铃薯。马铃薯，多年生草本，但作 一年生或一年两季栽培。地下块茎呈圆、卵、椭圆等形，有芽眼，皮红、 黄、白或紫色。地上茎呈棱形，有毛。奇数羽状复叶。聚伞花序顶生，花 白、红或紫色。浆果球形，绿或紫褐色。种子肾形，黄色。多用块茎繁殖。 性喜冷凉干燥，对土壤适应性较强，但以疏松肥沃的砂质土为佳。 ( 2 ) 试验选择的豆类作物有绿豆、大豆、豇豆、芸豆。绿豆为豆科 一年生草本植物，原产于我国、印度、缅甸，有2 0 0 0 多年的栽培史。我 国现在产于黄河、淮河流域的河南、河北、山东、安徽等省，一般秋季成 熟上市。绿豆种皮的颜色主要有青绿、黄绿、墨绿三大类，种皮分有光泽 ( 明绿) 和无光泽( 暗绿) 两种。以色浓绿而富有光泽、粒大整齐、形圆、 煮之易酥者品质最好。绿豆是我国人民的传统豆类食物。绿豆中的多种维 生素、钙、磷、铁等矿物质都比粳米多。 大豆为豆科大豆属年生草本植物，原产我国。中国古称菽，是一种 含有丰富蛋白质的豆科植物。大豆具有较强的抗旱、耐贫瘠等特点，常作 为矿区复垦土壤的主要种植作物。王志坤等人的研究表明低浓度的重金属 对大豆在幼苗期的生长有促进作用( 王志坤，2 0 0 6 ) 。赵雨云、赵海珊等 人的研究也证实：当c d 2 + 低浓度时，可以促进黄豆的萌发，提高黄豆的发 芽势和发芽率，促进黄豆芽与幼根的生长( 赵雨云，2 0 0 5 ) 。 1 4 山东农业大学硕士学位论文 豇豆是豆科豇豆属一年生草本，别名豆角、长角豆、带豆、裙带豆。 以嫩荚及种子供食用。豇豆是夏天盛产的蔬菜。属豇豆种中能形成长形豆 荚的栽培种，一年生缠绕草本植物含有各种维生素和矿物质等。嫩豆荚肉 质肥厚，炒食脆嫩，也可烫后凉拌或腌泡。豆荚长而像管状，质脆而身软， 常见有白豇豆和青豇豆两种。豇豆含丰富维生素b 、c 和植物蛋白质。 芸豆学名菜豆，以嫩荚或豆粒供食用。原产南美洲，至今该地仍有野 生种。公元前在美洲己普遍种植，1 6 世纪末中国已有栽培，后传至日本。 现广泛分布于世界各地。芸豆为喜温植物。生长适宜温度为1 5 - - 2 5 ， 开花结荚适温为2 0 - - - 2 5 ，1 0 以下低温或3 0 以上高温会影响生长和 正常授粉结荚。属短日照植物，但多数品种对日照长短的要求不严格，栽 培季节主要受温度的制约。中国的西北和东北地区在春夏栽培。华北、长 江流域和华南为春播或秋播。直播或育苗移栽均可。对土壤要求不严格， 以p h 5 5 - - 7 的壤土或砂壤土为宜。排水良好、土质疏松、有机质多的土 壤有利于根系生长和根瘤形成。嫩荚约含蛋白质6 ，纤维1 0