位蓓蕾 陳玉玖 胡振琪 林 杉 楊 潔 李 耀

(1.中國礦業(yè)大學(北京)土地復墾與生態(tài)重建研究所;2.礦山生態(tài)安全教育部工程研究中心;3.神華寶日希勒能源有限公司)

我國大型露天煤礦多處于干旱、半干旱的生態(tài)脆弱區(qū)，露天開采方式會損毀當?shù)氐谋硗翆优c植被，長期開采不僅會損毀大量土地資源，還會嚴重破壞當?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境。因此露天礦區(qū)土地復墾與生態(tài)重建是當?shù)匾豁検志o迫的任務［1］。選擇適宜的復墾用土是完成該任務的關(guān)鍵。當露天礦區(qū)表土層極薄，不能滿足儲存再利用時，從上覆巖層的剝離物中選擇適宜的表土替代材料進行科學的改良，是完成礦區(qū)土地復墾與生態(tài)恢復經(jīng)濟合理的模式［2-5］。本試驗以某露天煤礦上覆巖層的褐土層為改良對象，以紫花苜蓿的生長性能和抗逆性能為評價指標研究蛭石對褐土的改良效果，并篩選適宜的蛭石添加量。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗供試土壤為某礦區(qū)提供的褐土，屬于重黏土，改良劑為蛭石(由靈壽縣川石礦產(chǎn)加工廠提供)，褐土和蛭石的化學特性見表1。盆栽植物為中國農(nóng)業(yè)大學提供的紫花苜蓿。

表1 土壤及改良劑理化性質(zhì)

1.2 試驗設計與盆栽試驗方法

本試驗采用單因素隨機試驗設計，以當?shù)氐谋硗磷鳛閷φ战M(DZ處理)，褐土作為改良對象，蛭石對干土的添加量設置為0、10、30、50 g/kg 4個水平(分別稱作V0、V10、V30、V50處理)，每個水平設置3個重復。

褐土經(jīng)風干、過2 mm篩后，與蛭石按添加比例混合均勻置于直徑為15 cm的塑料盆中，加去離子水造墑，平衡2周后播種。苜蓿種子用去離子水在表面皿催芽24 h后，均勻地播于上述塑料盆中，每盆20粒，4周后測定紫花苜蓿的生理及生長指標。

1.3 測定指標與方法

將作物根部沖洗干凈后，用吸水紙吸干根系表面水分，用直尺測得其主根長;生物量采用刈割稱質(zhì)量法測定其鮮質(zhì)量，再用去離子水洗凈，在105℃下殺青15 min，在70℃下烘48 h，稱干質(zhì)量;葉面積采用LI－3000型葉面積儀測定;作物株高的測定在每個處理中隨機選取3株紫花苜蓿，測量其自然高度，取平均值記為該處理的平均株高［6］;葉綠素含量的測定采用SPAD－502型葉綠素儀測定;葉片超氧化物歧化酶(SOD)活性采用氮藍四唑染色法測定;葉片過氧化物酶(POD)活性采用愈創(chuàng)木酚染色法測定;葉片過氧化氫酶(CAT)活性采用紫外吸收法測定［7-8］;可溶性蛋白含量用考馬斯亮藍法測定;細胞膜透性采用電導法測定［9］。

1.4 計算公式

1.4.1 葉片超氧化物歧化酶活性ASOD

式中，A0為照光對照管的吸光度值;AS為樣品管的吸光度值;VT為樣液總體積，mL;V1為測定時樣品用量，mL;FW為樣品鮮質(zhì)量，g。

1.4.2 葉片過氧化物酶活性APOD式中，ΔOD240為平均每分鐘的消光度變化值;n為酶液稀釋倍數(shù);其他同上。

1.4.3 葉片過氧化氫酶活性ACAT

1.4.4 細胞膜透性

細胞膜透性用葉片的相對電導率L表示，

式中，S1為初電導，S2為終電導，S0為去離子水空白電導。

1.4.5 可溶性蛋白

可溶性蛋白含量(C')

式中，C為標準曲線所得蛋白含量，mg;其他同上。

1.5 統(tǒng)計分析

利用Excel 2010和SPSS17.0統(tǒng)計軟件對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。利用Origin Pro 8.5軟件繪制圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 蛭石對紫花苜蓿生長性能的影響

作物的葉面積、葉綠素、株高、根長、生物量是表示作物生長量的基本指標，也是作物生理研究和作物生產(chǎn)中經(jīng)常需要測定的基本項目［9］。

2.1.1 對葉面積、葉綠素的影響

葉面積直接影響到作物進行光合作用的面積，進而影響作物的生物量［9］。由圖1可知，DZ組與添加蛭石的處理，對紫花苜蓿葉面積存在差異顯著(P＜0.05)，其中DZ處理中紫花苜蓿的葉面積是V0處理的2.24倍，說明當?shù)乇硗僚c表土替代材料相比，對紫花苜蓿葉面積影響效果差異明顯，表土替代材料需進行適當改良。隨著蛭石量的增加，紫花苜蓿在苗期的葉面積顯著增大，當褐土中蛭石對干土添加量達到50 g/kg時，葉面積達到194.58 mm2，顯著高于對照組。究其原因在于植株葉面積的大小取決于土壤養(yǎng)分含量(有效氮、有效磷等)與養(yǎng)分運輸?shù)饺~片的效率。蛭石本身含有一定養(yǎng)分(見表1)且具有疏松土壤、涵養(yǎng)水分的作用，因此隨著蛭石添加量的增加，紫花苜蓿葉面積增大，這與鐘繼洪等人［10］的研究結(jié)果一致。

圖1 不同添加量蛭石對紫花苜蓿葉面積及葉綠素的影響

葉綠素是光合作用中將光能變?yōu)榛瘜W能的關(guān)鍵物質(zhì)，本試驗結(jié)果為各處理組葉綠素的含量在35.6～33.03 SPAD，各處理組間無顯著性差異(P＞0.05)說明蛭石對于紫花苜蓿葉綠素含量影響不大。這與李敬蕊等［11］對茄子幼苗葉色指數(shù)的影響不存在顯著差異的研究結(jié)果相一致。

2.1.2 對株高、根長的影響

由圖2可知，DZ組與V0處理相比，對紫花苜蓿株高存在差異顯著(P＜0.05)，其中DZ處理中紫花苜蓿的株高是V0處理的1.66倍。隨著改良劑蛭石的加入，紫花苜蓿的株高明顯增加，且蛭石的添加量與植株的株高之間呈二次曲線增長，當蛭石對土的添加量為10 g/kg時，株高達118.73 mm，優(yōu)于當?shù)乇硗?，而V30處理明顯低于V10和V50處理，同時V10處理與V50處理間不存在顯著差異(P＞0.05)，可見當蛭石對干土添加量為10 g/kg時可以達到提高紫花苜蓿株高的目的。

對于植株根長，當?shù)乇硗僚c添加蛭石的處理間存在顯著差異(P＜0.05)，且DZ處理中植株的根長是未改良處理V0組的1.59倍。當表土替代材料中添加蛭石后，植株的根長明顯增加，當其對干土添加量為10 g/kg時植株根長達72.37 mm，顯著高于當?shù)乇硗痢?/p>

圖2 不同添加量蛭石對紫花苜蓿根長及株高的影響

2.1.3 對生物量的影響

植株的生物量主要包括鮮質(zhì)量和干質(zhì)量兩部分，由圖3可知，DZ組與V0處理相比，對紫花苜蓿生物量的影響存在差異顯著(P＜0.05)，其中DZ處理中紫花苜蓿的鮮質(zhì)量、干質(zhì)量分別是V0處理的3.41、2.54倍。當蛭石作為改良劑添加到表土替代材料中時，對紫花苜蓿生物量具有顯著影響(P＜0.05)，其中當蛭石添對干土加量為10 g/kg時，紫花苜蓿的生物量顯著高于對照組和其他處理組，以此說明當蛭石對干土添加量為10 g/kg時，有利于紫花苜蓿的生長，這與蛭石對紫花苜蓿的株高和根長的影響是一致的。

圖3 不同添加量蛭石對紫花苜蓿鮮質(zhì)量、干質(zhì)量的影響

2.2 對抗逆性能的影響

本試驗中研究區(qū)位于氣候惡劣的半干旱地區(qū)，研究改良劑對于作物抗逆性能的影響十分必要。本試驗測定了超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)和過氧化物酶(POD)酶的活性及可溶性蛋白和細胞膜透性等指標，研究蛭石對作物抗逆性能的影響。

2.2.1 蛭石對SOD活性的影響

在植物酶保護系統(tǒng)中，SOD處于核心地位，SOD酶主要清除植物體內(nèi)的氧自由基，增強膜的穩(wěn)定性［9］。由圖4可知，DZ處理時葉片ASOD是V0處理的5.44倍，顯著的高于V0處理(P＜0.05)，當蛭石添加量為10 g/kg時，ASOD為104.37 unit/g，與DZ處理相比無顯著差異(P＞0.05)，而添加量為30 g/kg和50 g/kg處理與V0相比，有增高的趨勢，但差異不顯著(P＞0.05)。表明褐土中蛭石添加量為1 0 g/kg可有效地提高紫花苜蓿ASOD。其原因在于SOD屬于金屬酶類，主要以Fe－SOD，Mn－SOD和Cu/Zn－SOD的形式存在，蛭石中K、Mg、Ca、Fe等常量元素與Mn、Cu、Zn等微量元素含量較高［12-13］，即使較低的添加量就能達到提高紫花苜蓿的ASOD的效果，SOD活性增大提高了植株對凍害、干旱等逆境的耐受性［14-15］。

圖4 不同添加量蛭石對紫花苜蓿A SOD、A POD、A CAT的影響

2.2.2 對POD、CAT活性的影響

POD和CAT的主要作用都是清除作物體內(nèi)的H2O2

［16］。由圖4可知，DZ處理中葉片的APOD顯著高于V0處理，當蛭石添加量為10 g/kg時，紫花苜蓿葉片APOD為419.67 unit/g與表土處理(414.56 unit/g)之間無顯著差異(P＞0.05)，表明褐土中蛭石添加量為10 g/kg可以有效地提高紫花苜蓿葉片APOD。

由圖4可知，DZ處理紫花苜蓿ACAT是V0處理的3.77倍，當蛭石對干土添加量為10 g/kg時，與添加量為50 g/kg處理組之間無顯著差異(P＞0.05)，顯著高于對照組和蛭石添加量為0和30 g/kg的處理組(P＜0.05)，表明褐土中蛭石添加量為10 g/kg即可達到提高紫花苜蓿葉片ACAT的效果。蛭石添加量為10 g/kg時對褐土改良的效果明顯，這與蛭石中富含F(xiàn)e等微量元素有關(guān)，F(xiàn)e元素2個價態(tài)之間的轉(zhuǎn)換構(gòu)成了活細胞內(nèi)最重要的氧化還原系統(tǒng)，其中Fe3+對過氧化氫酶既有激活作用，又有抑制作用，這種作用與Fe3+的濃度有關(guān)，如Fe3+的濃度較低時，CAT活性升高，濃度增大時，CAT活性下降，當蛭石添加量為10 g/kg時較為適宜，CAT活性達其峰值，可以有效地提高植株的抗逆性［17-18］。

2.2.3 對可溶性蛋白、細胞膜透性的影響

植物體內(nèi)的可溶性蛋白質(zhì)大多數(shù)是參與各種代謝的酶類，其含量是了解植物體總代謝的一個重要指標［6］。本次試驗中葉片對照組紫花苜蓿葉片可溶性蛋白濃度為70.12 mg/g，顯著高于其他各處理組(P＜0.05);但試驗組中各處理組間紫花苜蓿葉片可溶性蛋白濃度無顯著差異(P＞0.05)，說明蛭石對紫花苜蓿葉片可溶性蛋白濃度的影響不大，土質(zhì)才是影響紫花苜蓿葉片可溶性蛋白含量的主要原因。

植物葉片的相對電導率越大，說明細胞膜的選擇透過性受損越大［6］。由表2可知褐土中蛭石的添加量為50 g/kg，葉片的相對電導率為0.21，顯著低于其他處理(P＜0.05)，表明蛭石添加量為50 g/kg時，葉片細胞膜選擇透過性受損最小，同時細胞膜透性隨著蛭石添加量的增加而降低(表2)，其原因在于蛭石具有良好的蓄水和陽離子交換性，能有效地降低土壤中的鹽分，進而達到較好的改良效果［19］。

表2 不同處理對可溶性蛋白及細胞膜透性影響

3 結(jié)論

(1)蛭石作為改良劑，對紫花苜蓿的葉面積、株高、根長、生物量、SOD活性、POD活性、CAT活性、細胞膜透性等品質(zhì)的提高均有顯著效果，但其添加量與作用結(jié)果不存在線性相關(guān)關(guān)系，對紫花苜蓿葉片葉綠素含量和可溶性蛋白濃度無顯著影響。

(2)褐土中蛭石對干土添加量為10 g/kg時最有利于紫花苜蓿生長和抗逆性能的發(fā)揮，此添加量對褐土具有較好的改良效果。

［1］ 王金滿，楊睿璇，白中科.草原區(qū)露天煤礦排土場復墾土壤質(zhì)量演替規(guī)律與模型［J］.農(nóng)業(yè)工程學報，2012，28(14)，229-234.

［2］ 付梅臣，陳秋計.礦區(qū)生態(tài)復墾中表土剝離及其工藝［J］.金屬礦山，2004(8):63-65.

［3］ 才慶祥，高更君，尚 濤.露天礦剝離與土地復墾一體化作業(yè)優(yōu)化研究［J］.煤炭學報，2002，27(3):276-280.

［4］ 胡振琪.采煤沉陷土地資源的管理與復墾［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，1996.

［5］ 趙景逵.礦區(qū)土地復墾技術(shù)與管理［M］.北京:農(nóng)業(yè)出版社，1993.

［6］ 張志良，瞿偉菁.植物生理學實驗指導［M］.北京:高等教育出版社，2003:213-214.

［7］ 李合生.植物生理生化實驗原理和技術(shù)［M］.北京:高等教育出版社，2000.

［8］ 陳貽竹，帕特森B.低溫對植物葉片中超氧化物歧化酶、過氧化酶和過氧化氫酶的影響［J］.植物生理學報，1988，14(4):323-328.

［9］ 張憲政.作物生理研究法［M］.北京:農(nóng)業(yè)出版社，1992.

［10］ 鐘繼洪，廖觀榮，郭慶榮，等.不同土壤水分條件下幼齡桉樹生理生態(tài)特點分析［J］.水土保持學報，2003，17(5):126-128.

［11］ 李敬蕊，章鐵軍，高洪波，等.不同基質(zhì)配比對茄子幼苗生長和葉綠素熒光特性的影響［J］.西北農(nóng)業(yè)學報，2010，19(6):139-143.

［12］ Fester T，Schuster W.Potato mitochondrial manganese superoxide dismutase is an RNA-bingding protein［J］.Biochem Mol BiolInt，1995，36(1):67-75.

［13］ Bowler C，Van Montagu M，Inze D.Superoxide dismutase and stress tolerance［J］.Plant Mol Biol，1992，43:83-116.

［14］ McKersie B D，Chen Y.de Beus M et al，Superoxide dismutase enhances tolerance of freezing stress in t ransgenic alfalfa(Medicao saiva L.)［J］.Plant Physiol，1993，103:1155-1163.

［15］ Van Camp W，Willekens H，Bower C et al.Elevated levels of superoxide dismutase protectt ransgenic plants against ozone damage［J］.Bio/Technology，1994，12:165-168.

［16］ Welinder K G.Superfamily of plant，fungal and bacterial peroxidases［J］.Curr Opin Struc Biol，1992(2):388-393.

［17］ 劉長海，劉世鵬，張 歡，等.Fe3+脅迫對日本三角渦蟲體內(nèi)過氧化氫酶活性的影響［J］.江蘇農(nóng)業(yè)科學，2007(1):232-233.

［18］ 鄭炳松，朱 誠，金松恒.高級植物生理學［M］.杭州:浙江大學出版社，2011:43-47.

［19］ 于陽輝，李永霞，張俊紅，等.非金屬礦物在土壤改良中的應用現(xiàn)狀與發(fā)展前景［J］.中國非金屬礦工業(yè)導刊，20055，45(1):37-39.