（土地资源管理专业论文）采煤塌陷地复垦基质中镉的植物去除研究.pdf

缩写 b c r c d c u g k g k m g n p p b z n 英文 符号说明 中文说明 t h ec o m m u n i t yb u r e a uo f r e f e r n c e欧共体标准物质局 c a d m i u m c o p p e r g r a m k i l o g r a m p o t a s s i u m 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 镉 铜 克 千克 钾 毫克 氮 磷 铅 锌 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。 保密论文在解密后应遵守此规定。 论文作者签名：立出壶敏 钏币一狮寺 e t期：型1 f 山东农业人学坝i j 学位论文 中文摘要 采煤塌陷土地是我国重要的后备土地资源，塌陷土地的丌发复垦可有 效缓解我国的人地矛盾。目自，j 我国广泛采用的塌陷地复垦方式是充填后覆 土，但是塌陷地范闸一般较大，表层覆：上难以解决。自，j 期研究已用粉煤狄 分别与酒糟、污泥、糠醛渣配置了复垦基质代替土壤。但粉煤从和城市污 泥中含有一定量的重会属元素，而且长期监测结果表明，基质中的镉含量 高于土壤环境质量标准( 二级标准值) ，不适合种植食用植物。要使复 星基质可以代替土壤种植食用植物，必须将基质中的镉去除。 本文通过室外笳栽试验，选取可以在基质中生长并对镉有潜在修复能 力的十字花科植物和草种植在基质中。通过对基质重会属的形态分析，确 定了对基质镉进行植物修复的可行性；测定了植物的生长状况、各部位的 生物量、c d 含量等；比较了各试验植物对基质c d 的富集积累能力，分析 了植物对基质c d 的去除效果。 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，客观上有利于植物的生长发育和基质养分的转化； 阳i 日j 持水量在7 0 以上，可为植物生长提供充足的水分；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e f , 网- u - - 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 ) 基质c u 、z n 、p b 含量较低，基质c d 含量大于土壤环境质量标 准值( 二级) ，但 基质2 基质3 ，速效钾含量大小顺序为：基质3 基质1 基质2 。三种基质中的有机质含量均在1 5 2 以上，可以满足植物生长需 要。而基质的盐分含量较高，尤其是基质3 的盐分含量达到了8 9 3 9 k g 。 基质的p h 值在6 5 - 7 1 之间，这是因为粉煤灰虽然呈现碱性但与酸性的 酒糟、糠醛渣混合后，p h 降低到了中性范围。 表3 1 基质的主要物理性质 t a b l e 3 一ip h y s i c a lc h a r a c t e ro fs u b s t r a t e s 2 4 山东农业人学顺l j 学位论义 表3 2 供试材料和基质的主要化学性质 t a b l e3 2c h e m i c a lc h a r a c t e ro fe x p e r i m e n tm a t e r i a la n ds u b s t r a t e s 处理速效氮速效磷速效钾有机质含盐量 t r e a t m e n t ( m g k g 1 )( m g k g )( m g k g 1 ) ( ) ( g k g ) 3 1 1 1 速效氮含量变化 表3 - 3 速效氮含量变化对照表( m g l 嘻1 ) t a b l e 3 3t h ec o n t e n to fr ap i d l yn i t r o g e n ( m g k g 。1 ) 氮是影响植物生长的重要元素，氮元素含量的多少，在很大程度上影 响植物能否进行币常的生理活动。土壤速效氮是指氨态氮和硝态氮的总 2 5 采煤塌5 f 1 地复垦某质中镉的植物去除研究 和，它们都是能够被植物直接吸收利用的氮素，因此，土壤速效氮含量一 般可作为土壤供氮的水平指标。对基质不同时期的速效氮含量进行测定， 结果表明，经过一年的种植后，三种基质中的速效氮含量都有降低趋势， 这与植物的吸收利用和雨季的淋洗有关，但基质中的速效氮含量仍维持在 满足植物正常生长水平( 见表3 3 ) 。 3 1 1 2 速效磷含量变化 表3 - 4 速效磷含量变化对照表( r a g k 9 1 ) t a b l e 3 4t h ec o n t e n to fr a p i d l yp h o s p h o r ( m g k g - 1 ) 土壤速效磷是指土壤中能被当季作物吸收的磷量。速效磷与作物产量 关系密切，土壤速效磷含量能比较全面说明土壤磷素的供应情况。由表 3 4 可以看出，经过一年的种植后，基质中磷含量均有不同程度的降低， 但仍保持在中等肥力土壤的速效磷含量以上。因此，不需要对基质追加磷 肥。 3 1 1 3 速效钾含量变化 土壤速效钾是指土壤中的交换性钾和水溶性钾，它们可以直接被作物 吸收利用，其含量的多少是反映钾肥肥效高低的指标之一。种植植物| j ， 基质3 中速效钾含量较高，经过一年的种植后，基质3 中的速效钾含量降 低较快，这是由于速效钾容易被淋溶，雨季过多的雨水使基质3 中速效钾 淋溶、散失；基质l 和基质2 中的速效钾含量降低趋势较缓，但速效钾含 2 6 山东农业人学颂i j 学位论义 量仍在2 0 0m g k g 。左右，无需专门施加钟肥。 表3 - 5 速效钾含量变化对照表( m g k g j ) t a b l e 3 5t h ec o n t e n to fr a p i d l yp o t a s s i u m ( m g - k g - 1 ) 3 1 1 4 盐分含量变化 由表3 2 可以看出，基质中黼分含量较高，基质3 中盐分含量高达 8 9 3 9 k g1 ，属于重盐土，只有耐盐作物有收成，不但影响种子发芽，而且 出现缺苗，严重影响产量。基质3 盐分含量高，一方面因为粉煤狄本身含 赫量高，另一方面因为糠醛渣是经过盐酸或硫酸酸化后的残渣，盐分含量 高达4 5 2 8 9 k g 。虽然在配制基质3 时，粉煤狄与糠醛渣的质量比为9 ：1 ， 基质3 中的盐分含量仍为三种 基质中盐分含量最高的。盐分 含量高会抑制植物的出苗，进 而影响植物的生长，因此在种 植植物自妒，对基质的豁分进行 冲洗，种植植物后进行f 常的 灌溉；雨季时出现连续一周以 上降雨，雨水的淋洗使基质黼 分含量有很大幅度的下降，结 果见图3 1 。由图看出，基质经 儡 、 删 钲 蟮 谢 3 门9 门1 2 门 图3 1 基质盐分含量变化图 f i g 3 - 1t h ec o n t e n to fs a l ti ns u b s t r a t e s 采煤塌陷地复垦幕质中镉的植物去除研究 过一年的种植后，由于定期灌溉和降雨淋洗，1 2 月份基质中盐分含量降 至3 o g k 一左右可以满足一般作物生长的要求。 3 。1 。2 基质重金属含量 采用全量消解法对基质中的重会属全量进行测定。由表3 6 可以看 出，三种基质中c u 、z n 、p b 的含量均未超过土壤坏境质量标准( 二级标 准值，二级标准是为保障农业生产、维护人体健康的土壤限制值) 。其中， 基质2 中c u 、z n 含量明显高于基质1 和基质3 ，这与基质2 由粉煤狄与 污泥混合组成有关，而污泥中c u 、z n 含量较高。基质2 中所用污泥为城 市生活污水污泥，经过厌养消化后，污泥中的各项指标满足农用污泥中 污染物控制标准( g b 4 2 8 8 4 ) ( 见表3 7 ) 。c u 、z n 是植物生长所必须的 元素，基质中c u 、z n 含量适中，p b 含量较小不会对植物生长造成影响。 因此，只对基质中c u 、z n 、p b 的形念进行分析，而各试验植物对基质中 c u 、z n 、p b 的吸收积累不进行研究。三种基质中c d 的含量差别不大， 均接近3 0m g k g ，接近土壤环境质量标准( 二级标准值) 的1 0 倍，而且 镉是一种对人体健康有危害的元素。土壤中过量的镉，不仅能在植物体内 残留，而且也会对植物的生长发育产生明显的危害。因此，本文主要进行 基质中镉的植物去除研究。 表3 - 6 基质重金属的本底值 t a b l e 3 6t h ec o n t e n to fh e a v ym e t a l si ns u b s t r a t e s ( m g k g 1 ) 山东农业人学坝l j 学位论义 表3 7 粉煤灰、污泥中重金属含量( m g - k 9 1 ) t a b l e 3 7t h ec o n t e n to fh e a v ym e t a l si nf l ya s ha n ds e w a g es l u d g e ( m g k g 。) 3 1 3 基质重金属形态分析 土壤是一个复杂的生念系统，土壤重金属污染的严重性及重金属在 土壤环境中的行为不仅取决于其总量，更大程度上由其在土壤中的存在形 念所决定。不同的形态产生不同的环境效应，直接影响到重命属的毒性、 迁移及其在自然界的循坏。 b c r 法是欧共体标准物质局( e u r o p e a nc o m m u n i t i e sb u r e a uo f r e f e r e n c e ) 提出的一种三步提取法，将重余属分成四种形态。研究表明， b c r 方法的重现性很好。采用b c r 法测定的基质中c u 、z n 、p b 、c d 的 各形态含量( 见表3 8 ) 。 弱酸提取念( b 1 念) 包括水溶态、可交换态和碳酸盐结合念等，在 中性条件下，可释放出来，对环境造成影响；对p h 值最敏感，在酸性条 件下容易释放，具有最大的可移动性和生物有效性。可还原念( b 2 念) 主要是与易还原性铁锰氧化物结合的重余属，这部分重金属属于较强的离 子键结合的化学形态，但在还原条件下较易释放。可氧化念( b 3 态) 主 要是有机物及硫化物结合念，当有机质分解时也会逐渐释放。残渣态( b 4 念) 在自然条件下不易释放，对动植物的毒性和生物有效性影响很小。 2 9 采煤塌陷地复垦堆质中镉的植物去除研究 表3 - 8 基质中各形态重金属的含量 t a b l e 3 - 8t h ec o n t e n to fh e a v ym e t a l so fd i f f e r e r n tf o r mi ns u b s t r a t e s 基质i基质2 基质3 重金属 形态 s u b s t r a t el s u b s t r a t e2s u b s t r a t e3 h e a v y m e t a i s f o r m 含域白分比含t g 白分比含量白分比 m g k g 。 m g k g - 1 m g k g 1 基质z n 活性较大，各形念的相对含量在三种基质中表现出相对一致 性。其中，弱酸提取态占总量的2 0 0 0 以上；可还原态占总量的百分比 最高，基质l 中的可还原念z n 占到总量的3 9 8 l 。各形态z n 占总量的 百分比的顺序为：可还原态 弱酸提取态 残渣态 可氧化态。 3 0 山东农业人学坝i ：学位论义 基质p b 相对稳定，主要以可氧化态和残渣念存在，残渣念占到总量 的3 0 以上，弱酸提取念的相对含量不足1 0 。除基质1 中可氧化态大 于残渣念外，基质p b 各形念相对含量的大小顺序为：残渣态 可氧化态 可还原念 弱酸提取念。基质中p b 总量及活性均较小，不会造成土壤和 环境污染，也不会给植物生长带来影响。 c d 各形态的相对含量在三种基质中即表现出一致性，又存在差异性。 其中，弱酸提取念c d 的相对含量趋于一致，最大相对含量为2 8 2 6 ； 基质l 和基质2 中可还原念c d 的相对含量接近，基质3 中可还原态c d 的相对含量最大，为3 0 2 2 ；可氧化念c d 的相对含量表现出差异性，其 最大相对含量为3 5 0 0 ；基质2 和基质3 中残渣态c d 的相对含量近似且 含量较小，基质1 中残渣态c d 的相对含量最大，为3 4 3 8 。三种基质中 各形态c d 的相对含量大小顺序为，基质1 ：残渣态( 3 2 1 7 ) 弱酸提 取态( 2 6 8 2 ) 可还原念( 2 2 7 3 ) 可氧化念( 1 8 2 8 ) ；基质2 ：可 氧化念( 3 4 3 8 ) 弱酸提取念( 2 8 2 6 ) 可还原念( 2 0 9 3 ) 残渣态 ( 1 6 4 4 ) ；基质3 ：可还原态( 3 0 2 2 ) 可氧化念( 2 7 3 4 ) 弱酸提 取念( 2 6 2 6 ) 残渣念( 16 18 ) 。c d 的存在形态与基质的物理化学性 质有关。三种基质中c d 各形态相对含量的不一致性可能与粉煤灰分别与 几种废弃物混合后，基质的孔隙度、容重、有机质、p h 值等物理化学性 质的差异性有关。 但从表3 8 可以看出基质中c d 的活性较大，对环境有潜在影响的镉 约占总量的6 0 以上，最高含量达到2 3 5 m g k 9 1 ，这说明采用植物修复技 术对基质中c d 进行治理在理论上具有可行性和必要性。 表3 - 9 基质各形态c d 的相关系数表 t a b l e3 - 9c o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n t sa m o n gc di ns u b s t r a t e s j ：木表，j j0 0 5 址酱水、l i ，木木表1 o 0 1u 鲁水i ，。 3 l 采煤塌5 f 1 地复垦皋质中镉的植物去除研究 为进一步探讨基质中各形态镉之间的关系，对各形态c d 进行相关性 分析( 见表3 - 9 ) ，由表可知，b 1 态与b 2 念、b 1 态与b 3 态显著相关， 相关系数分别为0 4 5 3 和0 5 4 3 ，而b l 态与b 4 念呈负相关，相关性不显 著：b 2 念与b 3 态在0 0 5 水平下显著相关，相关系数为0 3 3 9 ；b 3 与b 4 念呈负相关，相关系数为0 3 7 8 。这说明b 1 态、b 2 态、b 3 态镉有相互转 化的趋势。 3 2 基质对不同植物的生物效应 3 2 1 不同处理对植物出苗的影响 测定种子出苗率的目的是了解种子在基质中的适应性和抗逆性。植物 种子在基质中能否f 常出苗是决定该植物能否作为基质镉的修复植物的 先决条件。重会属对植物种子萌发及幼苗的影响一般认为存在一个较低浓 度下的刺激效应和高浓度下的抑制效应。 2 0 0 7 年4 月1 0 同在基质中种植结球甘蓝、油菜和小白菜。观测记录 播种5 d 和1 0 d 后种子的出苗情况。结果表明，植物出苗率较低，5 天出 苗率均在5 0 以下，1 0 天出苗率也不足6 0 ，这是由于种植时气温偏低， 不利于植物出苗。从三种基质中植物出苗情况对比可以看出，基质l 和基 质3 中各植物的出苗情况均好于基质2 。其中，油菜在基质l 中的1 0 天 出苗率最高，为5 8 0 0 ；基质2 中各植物的出苗率普遍较低，1 0 天出苗 率最高为3 2 0 0 。这可能是由于基质l 由粉煤灰与酒糟组成，基质的孔 隙度大，盐分含量小于基质2 和基质3 ，利于植物出苗；基质2 由粉煤灰 与污泥组成，加重了基质的紧实度，不利于植物破土出苗；而基质3 虽然 孔隙度大，利于植物出苗，但盐分含量高，幼苗成活难度大。 2 0 0 7 年7 月1 0 同，第二次种植结球甘蓝、油菜和小白菜，观测3 种 植物的出苗情况。结果表明，基质中各植物的出苗情况均好于4 月份的种 植试验。其中，基质3 中小白菜的1 0 天出苗率最高，为7 8 o o ，基质l 和基质3 中植物的出苗率仍高于基质2 的出苗率。原因可能，一是7 月份 气温升高，植物容易出苗；二是基质经过一个种植期的熟化后，盐分含量 降低，理化性质得到了改善。 3 2 山东农业人学坝i ：学位论义 表3 1 0 不同作物出苗率 t a b l e 3 - 1 0t h ee m e r g e n c er a t i oo fc r o p si ns u b s t r a t e s 三种草在2 0 0 7 年4 月l o 同种植，由于气温偏低，草发芽较慢，因此， 记录了1 0 天出苗率和1 5 天出苗率。由表3 1 1 可以看出，三种草的出苗 率普遍低于三种作物的出苗率，这既与气温、基质有关也与草出苗率低有 关。三种草相比，紫花苜蓿出苗率最高，其次是黑麦草，早熟禾。其中紫 花苜蓿在基质l 中的出苗率最高，1 5 天出苗率为5 4 6 7 ，在基质2 中的 出苗率较低为4 0 6 7 ；黑麦草1 5 天出苗率仍不足5 0 ，最高出苗率为 4 3 1 6 ；早熟禾的出苗率是3 种草中出苗率最低的，1 0 天和1 5 天出苗率 都在3 0 左右，最高出苗率为3 7 6 9 。草在三种基质中的出苗率表现出 一致性，即出苗率有高到低的顺序为：基质l 基质3 基质2 。这也与基 质1 质地疏松，盐分含量相对较低，而基质2 质地紧实有关。 采煤塌陷地复垦举质中镉的植物去除研究 表3 1 l 不同草类出苗率 t a b l e 3 - 1 1t h ee m e r g e n c er a t i oo fg r a s si ns u b s t r a t e s 3 2 2 不同处理对植物生长的影响 植物生长状况的优劣是该植物能否作为基质的修复植物的重要条件， 也是基质理化性质能否满足植物生长条件的综合反映。因此，定期观测记 录植物生长状况、生物量等指标是研究基质对植物生长的影响，确定基质 修复植物的一项重要内容。 3 2 2 1 结球甘蓝的生长状况 2 0 0 7 年4 月1 0 同种植结球甘蓝，出苗后观察记录其生长状况。结果 表明，基质1 中结球甘蓝能正常生长；基质2 中结球甘蓝生长缓慢，可能 是由于基质2 的通透性差，对植物的根部呼吸造成影响，进而影响了植物 的正常生长：基质3 中结球甘蓝出苗后不久，就表现出基质的抑制作用， 叶面发黄，生长缓慢。这是由于基质3 中盐分含量过高引起的症状，而不 是缺肥症状或镉中毒症状。 7 月1 0 同，种植第二季结球甘蓝，对结球甘蓝的生长状况进行观察记 录。结果表明，三种基质中结球甘蓝均能f 常生长，其中基质2 中结球甘 3 4 山东农业人学坝l 学位论上 蓝好f 基质1 ，基质i 好于基质3 。这可能是因为基质1 经过第一季植物 的吸牧和i ：盯季的淋溶养分有所降低；而基质2 经过第一季种植的熟化和 雨季的淋洗，捕分降低，理化性质得到改善：基质3 的盐分降低，结球甘 蓝面花黄的症状消失。 由圈3 - 2 和罔3 - 3 的对比，可以看出：两季结球h 蓝生长差别明显， 第一季( i ) 结球甘蓝在基质1 中生长最好，但生长一个月后株高仅为 1 32 0 c m ：第二季( i j l 纬球甘蓝在基质2 中生长最好，生长半月后株高就 达到1 97 0 c m ，明显高千第一季株高，这说明经过一个雨季和一个种植期 后，荜质2 更适合结球甘蓝的生长。在基质l 和基质3 中结球甘蓝株高差 别不明显，但基质1 中结球甘蓝叶片发自，表现出缺肥症状。这可能是因 为基质1 质地疏松，经过雨季的淋沈，肥力有所损失，需对基质1 适当旌 肥。 1 2 i8 耄e =4 薹z 0 图3 - 2 结球甘蓝生长对照图( i ) t a b l e3 - 2t h eg r o w t ho f c a b b a g e ( i ) 图3 3 结球甘蓝生长对照图( 1 1 ) t a b l e3 - 3 t h eg r o w t ho fc a b b a g e ( ) 结球甘蓝( 基质1 ) 鏊兰 采蝉蟛1 地复垦桀质中锭的植蚴士除研究 结球甘蓝( 基质2 ) 结球甘蓝( 基质3 ) 3 2 22 油菜的生长状况 油菜是密植型作物，2 0 0 7 年4 月1 0h 种植第一季( i ) 油菜，观测h 录其生长状况。结果表明，基质1 中油菜可以j 下常生长；基质2 中油菜生 长缓慢受到抑制：基质3 中油菜叶面发黄，受到明显抑制。7 月l o 口种 植第：二季( i i ) 油菜，并对其进行观测记录。结果表明，油菜均能正常生长， 基质l 中油菜生长最好，且与基质2 差距不大，基质3 中油菜较差。生长 半个月后，基质1 中油菜的株高为2 40 3 c m ，两季油菜生长状况的对比见 圈3 - 4 ，图3 - 5 。 山东农业人学坝l j 学位论义 1 4 1 2 e 1 0 、：r 。- - 8 ：蚌6 碟4 是， 0 图3 - 4 油菜生长对照图( i ) t a b l e3 - 4t h eg r o w t ho fr a p e ( i ) 3 2 2 3 小白菜的生长状况 3 ：c 至 选 蝶 裹 - - 4 - - - 基质1 l 一丛质2 已一 图3 - 5 油菜生长对照图( ) t a b l e3 - 5t h eg r o w t ho fr a p e ( ) 小白菜出苗后，定期进行观测记录。由图3 6 ，图3 7 可以看出，第 一季( i ) 种植的小白菜在基质1 中生长好于基质2 和基质3 ，小白菜生 长一个月后，基质1 中小白菜株高为1 3 2 0 c m ，基质3 中为8 3 3 c m ：第二 季( i i ) 种植的小白菜在基质2 中生长较好，基质l 和基质3 差距不大， 小白菜生长2 0 天后，基质2 中小白菜株高为2 3 3 0 c m ，基质1 和基质3 中小白菜株高分别为1 7 2 3 c m 和1 4 6 0 c m 。 1 4 ，、1 2 3 1 0 j 宦8 囊。 14 下2 o 图3 6 小白菜生长对照图( i ) t a b l e3 - 6t h eg r o w t ho fp a c k o i ( i ) 2 5 名2 0 一l 5 曩1 0 95 o - - 4 1 - - - 丛质1 图3 7 小白菜生长对照图( i i ) t a b l e3 7t h eg r o w t ho fp a c k o i ( i i ) 采煤上箱1 地复垦坫质中镉的植物士埭日f 懿 小白菜( 基质i ) 小白菜( 基质2 ) 小白菜( 基质3 ) 山东农业人学砸f j 学位论文 3 2 2 4 紫花苜蓿的生长状况 2 0 0 7 年4 月1 0 同种植紫花苜蓿，紫花苜蓿是一种较抗盐的作物，且 生物量大。紫花苜蓿生长到5 c m 。左右，丌始观测记录其生长状况。由图 3 8 可以看出，基质l 和基质2 中紫花苜蓿好于基质3 ，基质3 中紫花苜 蓿出苗后一个月内表现出抑制作用，生长缓慢，3 0 天的株高仅为1 0 c m 。 3 0 天后，基质对紫花苜蓿的抑制性减弱，紫花苜蓿丌始生长，整体生长 表现出上扬的趋势，但基质3 仍低于基质1 和基质2 。基质1 和基质2 中 紫花苜蓿生长趋势相似，基质1 略好于基质2 。2 个月后基质1 中紫花苜 蓿株高为3 6 3 0 c m ，而基质3 中仅为2 0 3 8 c r n 。 6 月2 8 同，对紫花苜蓿进行刈割，留茬1 0 c m ，并继续观测记录其生 长状况。第二季( i i ) 紫花苜蓿在基质2 中生长最好，在基质1 和基质3 中表现出了相似的生长趋势。由图3 - 9 可以看出，第二季紫花苜蓿的生长 趋势比较平缓。这主要是因为7 、8 月份是北方的雨水季节，紫花苜蓿是 防涝植物，2 0 0 7 年夏季，山东地区雨水充足，本实验地区，出现连续一 周以上的持续降陌，影响了紫花苜蓿的生长，个另l j 处理出现叶片脱落现象。 但从总体趋势看，第二季紫花苜蓿的生长好于第一季，其中基质2 中紫花 苜蓿的株高达到4 7 6 7 c m ，基质3 中紫花苜蓿的株高也达到3 1 0 3 c m ，较第 一季有较大提高。 图3 - 8 紫花苜蓿生长对照图( i ) t a b l e3 - 8t h e g r o w t ho fc l o v e r ( i ) 3 9 图3 - 9 紫花苜蓿生长对照图( ) t a b l e3 - 9t h eg r o w t ho fc l o v e r ( ) 如 如加 o 售u一耄霉缸掣紫 如 加b m ，0 一m。一翌卷蒜近掣装 莱缨崩陷地复垦璀质中镌的 自物士际 w 究 紫花苜蓿( 基质1 ) 辈花苜蓿( 摹后2 ) 紫花苜蓿( 基质3 ) 3 2 25 黑麦草的生长状况 黑麦草出苗后，株高5 c m 矗右时，对其进行观测记录。结果表明 山东农业人学删i 学位论上 黑麦草在三种基质中7 l 睦差刖不显著，总体趋势是：基质1 基质2 基质 3 ，摹质1 中黑麦革2 个月后林高2 6 3 2 c m ，基质3 中为2 20 0 c m 。6 月2 8 同，进行第一次刈割，刈割后第一三天对黑麦革的生长进行观测记录，结果 表明黑麦草在三种基质中的q ：妊趋势发生了变化，基质2 中黑麦草生长 最好，基质1 和基质3 中黑麦草生长差距不大，8 月2 0r ，基质2 中黑 麦草株高为3 30 0 c m 基质3 中为3 11 5 e r a 。从两季黑麦草的对比看，黑 麦草的生长状况都较好，经过一季的分蘖后，第二季黑麦草变得稠密，生 物量明显增加。 3 0 t 2 5 三2 0 薹” 盖l o 5 0 4 - 2 85 - 8f - i ! r 7b i76 2 7 p it i ，。z i，。iu 图3 1 0 黑麦草生长对照图( 1 )图3 1 l 黑麦草生长对照图( n ) t a b l e 3 - 1 0 t h eg r o w t ho fr y e g r a s s ( i ) t a b l e 3 - 1 1 t h eg r o w t ho fr y e g r a s s ( ) 黑麦草( 基质1 ) 一eu一哐茸。制班 采煤塌陷地复垦幂质中铜的植物士除q f 究 黑麦草( 基质2 ) 黑麦草( 基质3 ) 3 2 26 早熟禾的生长状况 2 0 0 7 年4 月1 0 种植早熟禾，由 于能分和种子的原因，出苗后出现死 m 亡现象。2 0 0 7 年7 月l 开进行移栽，三j 0 经过1 0 天的缓苗期后，观测已录其 堰】0 生长状况。结果表明，基质中的早熟 苎2 0 禾丌始生长较慢，一个月后，早熟禾畔i o 丌始快速生长。基质2 中早熟禾生长。 最好，基质i 中早熟禾生长略差。 图3 1 2 早熟禾株高对照图 聪3 4 2 t h eg r o w t ho f b l u e g r a s s r 劓 山东农业人学坝i j 学位论义 3 2 3 植物的生物量情况 生物量是衡量植物生长情况的重要指标。分别对结球甘蓝、油菜和小 白菜两季的生物量进行比较( 见表3 1 2 ) ；对黑麦草和苜蓿两次刈割后的 生物量进行比较( 见表3 1 3 ) 。由表可以看出，结球甘蓝在基质2 中的生 物量最大，但第一季和第二季生物量差距较大，第二季明显好于第一季， 其中第二季茎叶最大鲜重为2 9 3 2 l g p o t ，干重为2 6 9 8 9 p o t ，根鲜重为 1 1 3 4 9 p o t ，干重1 3 7 9 p o t 一：油菜在基质l 中的生物量最大，但两季的 差别不大，第二季最大茎叶干重为1 2 0 2 9 p o t 一，根干重1 1 8 9 - p o t l ；小白 菜两季的生物量差距明显，第二季明显好于第一季，第一季在基质1 中的 生物量最大，第二季在基质2 中的生物量最大，第二季的最大茎叶干重为 2 2 8 6 9 p o t 。，根干重1 8g p o t 。 表3 1 2 三种作物的生物量对照表( g - p o t 1 ) t a b l e3 1 2t h eb i o m a s so ft h r e ec r o p s ( g p o t l ) 三种作物比较可以看出，结球甘蓝第二季在基质2 中的干生物量最 大，其次是小白菜第二季在基质2 中的干生物量，这与基质的不断熟化， 利于植物生长有关，另方面与植物的含水量有关，小白菜鲜重大于结球 甘蓝，但含水量较大，最终干生物量小于结球甘蓝。 4 3 采煤塌陷地复垦桀质中镉的植物去除研究 表3 - 1 3 三种草的生物量对照表( g p o t l ) t a b l e3 1 3t h eb i o m a s so ft h r e eg r a s s ( g p o t 1 ) 由表3 1 3 可以看出，黑麦草和紫花苜蓿第二季的生物量均比第一季 的生物量大；其中基质2 中黑麦草和紫花苜蓿生物量增长量最大，黑麦草 最大鲜重为1 0 8 3 8 9 p o t ，紫花苜蓿最大鲜重为1 0 7 9 2 9 p o t 1 ，这说明基质 2 更适合黑麦草和紫花苜蓿的生长。从干生物量看，第一季黑麦草的最大 干生物量为2 2 5 1 9 p o t l ，紫花苜蓿的最大干生物量为1 6 5 9 9 - p o t l ；第二季 黑麦草的最大干生物量为2 0 2 8 9 p o t 一，紫花苜蓿的最大干生物量为 2 3 3 7 9 p o t - 1 。 3 3 植物中镉的积累规律研究 3 3 1 镉在植物体内的含量与分布 重会属在植株内的积累和运输情况直接影响着植物对重金属的吸收 和耐性程度，表现在植物体内各部位所吸收和积累的重金属的种类和数量 不同( a n g u i s s o l as c o t t ie ta 1 ，1 9 9 9 ) ，重会属在植物体内各部位的分布情 况也有所差异( 刘秀梅，2 0 0 2 ) 。 3 3 1 1 植物不同生长时期c d 含量比较 山东农业人学颂l j 学位论义 植物不同生长时期，体内积累c d 的速度和数量会有所差异。对植物 不同生长时期c d 含量进行分析比较，可以确定植物的最佳收获时i 、日j 。由 图3 1 3 可以看出，结球甘蓝、油菜和小白菜地上部和根部的c d 含量都随 着生长时f b j 的延长而增加，但增加的幅度和规律不完全一致。结球甘蓝在 尘长初期体内就迅速积累一定浓度的c d ，且在各基质中c d 含量差别不 大；生长中后期，c d 的积累速度变慢，基质1 中c d 含量的增加速度大 于基质2 和基质3 ，但总体上都是增加趋势。小白菜不同时期体内c d 含 量的增加趋势与结球甘蓝的变化类似；油菜不同时期体内c d 含量的增加 趋势也与结球甘蓝类似，但在三种基质中的差别不大。 黑麦草、紫花苜蓿和早熟禾体内c d 含量随着生长时间的延长，表现 出增减不一致的特性，其中，基质1 中紫花苜蓿3 0 天体内c d 含量达到 2 1 7 2 m g k g - 1 ，3 0 天以后c d 含量变化较小；基质2 和基质3 中，随着生 长时问的延长，紫花苜蓿c d 含量缓慢增加。黑麦草体内c d 含量在三种 基质中随生长时间的延长均有小幅度增加，但基质2 中黑麦草体内c d 含 量明显高出基质1 和基质3 。早熟禾c d 含量随生长时间的延长，变化较 小，在基质1 和基质3 中有小幅降低趋势，在基质2 中有增加的趋势，但 在三种基质中的含量差别较大，6 0 天时，基质2 和基质3 中早熟禾c d 萎瞻霹网剥勿崩 蒜 萤一瞻晰3 n 网引勿崩 燃 皿手2 o 钍1 5 导0 主加5 螽o 2 5 ( 芋2 0 舡1 5 弓1 0 碳0 5 襄o o 4 0 大地上部7 0 大地上部4 0 大根部7 0 大根部 3 0 大地f ：部5 0 大地i ：部3 0 大根部 5 0 大撤部 ( a 结球甘监)( 卜油菜) 4 5 采煤塌阡1 地复垦堆质中镉的植物去除研究 二、3 5 鼍3 o b d 基2 5 2 0 删 缸1 5 弓1 0 袱0 5 皿 0 0 口基质1 4 0 天地l ：部6 0 天地 ：部4 0 天搬部天根部 ( r 小白菜) d 丛质l 质2 质3 3 0 人地l 部4 5 犬地l 部6 0 人地l 部 ( d - 紫花苜蓿) 基质l 基质2 基质3 栅盯3 3 0 大地r 部4 j 天地l 部6 0 天地t 郭 3 0 大地卜凸| ：4 5 灭地r 部6 0 人地r 酃 ( r 黑麦草)( f _ 早熟禾) 图3 1 3 植物不同生长时期c d 含量 t a b l e3 1 3t h ec o n t e n to fc di nd i f f e r e n tg r o wt i m eo fp l a n t s 虽然各植物随着生长时问的延长，体内c d 含量的增加速度变缓甚至 c d 含量有小幅度下降，但是随着生长时间的延长，植物的生物量增加很 大。因此，要让植物带走基质中更多的c d ，不应减少植物的生长期。植 物生长到一定时期后，生物量增加会达到一个稳定状态，体内镉质量分数 的增长幅度不大，使得吸收总量随之也达到稳定状态。因此确定各试验植 物的最佳生长时间，结球甘蓝为9 0 天，油菜为5 0 天，小白菜为6 0 天， 黑麦草、紫花苜蓿、早熟禾6 0 天刈割一次。 3 3 1 2 植物不同部位c d 含量比较 图3 1 4 为几种植物不同部位c d 含量的对比情况。由图可知，几种 植物地上部c d 含量均大于根部c d 含量，这说明它们符合富集植物的特 征，具有从地下部向地上部运输c d 的能力。其中，结球甘蓝和油菜地上 7 4 8 5 2 9 6 3 0”“他=2”旧嘶 鼍e一棚舡u躲粗撑粕 眈仰 昱-暑e一嘲缸口u帐臻 坦瞄蛇们 k一e一喀啦口u烀雕 山东农业人学坝i j 学位论义 部c d 含量与根部c d 含量差距较大，各基质中结球甘蓝地上部c d 含量与 根部c d 含量的差均在0 5 m g k g l 以上，油菜地上部c d 含量与根部c d 含 量的差均在0 6 m g k g 以上；基质1 中小白菜地上部c d 含量略大于根部 c d 含量，但差距不大，基质2 和基质3 中小白菜地上部c d 含量与根部 c d 含量的差在0 3 m g k g 一左右。 黑麦草在基质1 和基质3 中地上部c d 含量略大于根部c d 含量，在 基质2 中，地上部c d 含量与根部c d 含量的差约0 5 m g k g 一左右；紫花苜 蓿地上部c d 含量与根部c d 含量的差距较大，在三种基质中地上部c d 含量与根部c d 含量的差均在1 1 m g k 9 1 以上；早熟禾在基质1 中地上部 c d 含量与根部c d 含量的差距不大，在基质2 和基质3 中的含量差为0 5 m g k g 一左右。由以上分析得出，各试验植物地上部c d 含量均大于根部 c d 含量，特别是紫花苜蓿地上部c d 含量为根部c d 含量的2 倍以上，因 此植物体内积累的c d 主要分布在地上部。本试验进行植物修复的最终目 的就是要把镉从基质中提取出来，植物地上部分比地下部分容易收获且根 部的生物量要远小于地上部的生物量，因此各试验植物能满足植物修复的 要求。 从不同种植季看，植物体内c d 的分布表现出了相同的规律：植物地 上部c d 含量大于根部c d 含量，但两季植物体内c d 的含量不同。结球甘 蓝、油菜和小白菜第二季地上部和根部c d 含量大于第一季c d 含量。其 中，结球甘蓝地上部和根部c d 含量均是在基质1 中最高，第二季基质1 中结球甘蓝地上部c d 含量为3 0 6 1 m g k g - 1 ，根部为2 3 3 5 m g k 9 1 ：油菜在 基质l 中两季的c d 含量变化很小，在基质2 和基质3 中第二季明显大于 第一季c d 含量，第二季地上部c d 含量在基质3 中最高，为3 5 5 4 m g k g ； 地下部c d 含量在基质2 中最高，为2 5 0 2m g k g ；小白菜体内c d 含量 第二季略高于第一季，第二季c d 含量在基质1 中最高，地上部为3 1 0 4 r n g k 一，地下部为2 6 7 4m g k 一。这可能是因为基质经过一季的种植后， 更加适合植物的生长，结球甘蓝、油菜和小白菜第二季根系比第一季发达， 可以吸收并向植物地上部转运更多的c d 。 紫花苜蓿、黑麦草两季的c d 含量变化不明显且变化规律不一致。黑 麦草两季c d 含量变化不大。紫花苜蓿第二季地上部c d 含量小于第一季 4 7 采煤塌陷地复垦甚厩中镉的植物士除研究 地上部c d 含量，而地下部c d 含量略有增加，这可能是因为随着生长时 间的延长，紫花苜蓿根部积累的c d 量略有增加；而第二季是雨水季节， 在经过第一季的刈割后，紫花曲蓿生长较快，地上部积累的c d 量较第一 季减少。 r r 口 h “ l 藜 蓑m 图3 1 d 植物不同部位c d 含量比较 t a b l e 3 - 1 4 t h ec o n t e n to f c d i nd i f f e r e n tp a r t o f p l a n t s =|一_|_#tu#!i 乞|一=_t=g#!4i彗# ；：二一eeg#!# 七二一一btudi!：# 山东农业人学坝i j 学位论义 3 3 1 3 植物吸c d 量比较 植物对重会属的修复能力不仅与植物体内重会属含量有关，而且与植 物的干生物量有关。植物生物量越大，对重会属的吸收效率也就越高。植 物吸c d 量= 植物地上部c d 含量地上部干生物量+ 植物根部c d 含量 根部干重。由表3 1 4 可知，结球甘蓝、油菜和小白菜第二季的吸c d 量显 著大于第一季的吸c d 量，其中结球甘蓝吸c d 量的变化最大，基质2 中 结球甘蓝的吸c d 量第二季为第一季的5 倍多，这一方面与植物第二季的 生物量有大幅度增加有关，另一方面与植物第二季体内c d 含量略有增加 有关。黑麦草第二季在基质l 中的吸c d 量有所降低，这主要与基质l 中 黑麦草在第二季的干生物量的降低有关。紫花苜蓿第二季在基质1 中的吸 c d 量也有所降低，这主要是因为紫花苜蓿在第二季的c d 含量低于第一 季，且基质1 中紫花苜蓿第二季的干生物量低于第一季的干生物量。 比较六种试验植物得出，结球甘蓝的吸c d 量最大，为 7 3 8 9 2 x 1 0 3 m g p o t l ：其次是小白菜，为7 1 4 2 5 1 0 d m g p o t l 。 表3 1 4 不同植物吸c d 量l o - 3 m g p o f l t a b l e3 1 4c o n t e n to fc di np l a n t sa b s o r b e df r o ms u b s t r a t e s 3 3 1 4 植物对基质c d 的积累特征分析 富集系数是植物体内c d 含量与基质中c d 含量的比值( s a l ted ，1 9 9 5 ) ， 它是反映植物对基质镉的富集能力大小的指标，富集系数越大，植物对基 4 9 采煤塌陷地复垦皋质中镉的植物去除研究 质镉的修复能力就越强。由表3 1 5 可知，结球甘蓝、油菜、小白菜三种 十字花科植物的富集系数要大于黑麦草、紫花苜蓿和早熟禾。其中，结球 甘蓝、油菜和小白菜的富集系数第二季有增加趋势，并且第二季油菜和小 白菜在三种基质中富集系数均大于1 ；结球甘蓝仅在基质l 中的富集系数 大于l 。这说明这三种植物对基质c d 的富集能力较强，而且随着基质的 熟化，种植季数的增加，富集能力有增强趋势。黑麦草、紫花苜蓿和早熟 禾的富集系数均小于1 ，而且第二季表现出了富集系数减小的趋势，其中 黑麦草的最大富集系数为0 5 5 4 ，紫花苜蓿为o 8 3 7 ，早熟禾为0 5 1 5 ，这 可能与这三种草在第一季刈割之后，第二季生长较快，体内积累的c d 量 减少有关。虽然这三种草的富集系数小于1 ，但比非富集型植物的富集系 数( 0 0 4 ) 高许多。 转运系数是植物地上部c d 含量与根部c d 含量的比值，它反映植物 从地下部向地上部运输镉的能力。由表3 1 5 可知，几种植物的转运系数 均大于l ，这说明这几种植物均具备了超富集植物的转运系数条件。结球 甘蓝第二季的转运系数略低于第一季；油菜在三种基质中的转运系数变化 表现不一致，其中基质1 和基质3 中，油菜的转运系数略有增加，基质2 中略有减小；小白菜在三种基质中，第二季的转运系数又略高于第一季； 黑麦草的转运系数在基质l 中略有增加，基质2 和基质3 中略有减小；紫 花苜蓿的转运系数第二季比第一季有下降趋势，但仍是这几种植物中最高 的，其转运系数在三种基质中均大于2 2 0 3 ，在基质1 中的最高，为3 5 6 8 。 富集系数和转运系数在评价超富集植物的修复能力时能说明一些问 题，但仍存在一些不足。假设给定植物的富集系数大，即地上器官中重金 属质量分数相对大，但若在给定生