单体米黄大理石矿粉对小麦产量及各器官重金属含量的影响

中国石材网（stone365）单体米黄大理石矿粉对小麦产量及各器官重金属含量的影响1引言大理石是重要的天然石材之一，其独特多变的自然纹理受到建筑设计者的青睐，其市场消耗量大，开采规模逐年增加。然而，由于大理石中含有重金属，具有很强的蓄积性、隐蔽性、不可逆性和长期性，其开采产生的矿粉会对人体健康和周边作物产生潜在性影响。近年来，虽然国内外众多学者对金属矿造成的污染开展了比较广泛的研究，对非金属矿的开采可能诱发的地质灾害等也做过很多的研究，但目前就非金属矿石开采对环境水体、土壤、植被等造成的影响研究相对较少，尤其是大理石米黄系列矿的开采所造成的污染鲜见报道。本研究以小麦为试验材料，取矿区当地的栽培土壤作为栽培基质土，通过盆栽试验，探讨米黄系列大理石开采过程中的粉尘对坡耕地作物———小麦的产量及其器官中重金属的影响，为矿区环境治理提供参考依据。2研究区概述本研究的实验材料取自江油市香水乡耳子山大理石矿区，是目前全球最大单体米黄大理石矿山之一［7］，建于2008年12月，位于北川、江油两县(市)交界处，属中山中切割地貌区。该区属亚热带湿润季风气候区，年均日照总数1367h，年均降雨量1100mm，年无霜期280d，年均气温16.2℃，土壤以黄壤为主。该矿区内矿石岩性主要为灰白色、乳白色、肉色(米黄)中厚层块状泥晶灰岩，少量白云质灰岩，矿区内大理石(四川江油米黄系列)经过国家石材协会认证是我国比较罕有的大理石品种，弥补了国内中高档米黄大理石品种的空白，具有较高的开发和应用价值。矿区周围分布大量的坡耕地，耕种的作物主要有小麦、玉米等，在开采过程中有较多粉尘累积在耕地和作物上。3材料与方法3.1试验方法试验采用露天盆栽的方法，栽培于都江堰大佛寺苗圃，供试材料品种为小麦川农25，供试土壤取自与矿区周围土壤一致，但离矿区较远的坡耕地表层土壤(0～20cm)，试验土壤质地为壤质土，系黄壤(供试矿区土壤的理化性质见表1)。表1供试矿区土壤的理化性质Tab.1Thephysicalandchemicalpropertiesofsoilfromtheexperimentalminearea(mg/kg)指标pH有机质(%)速效N速效P速效K全Cd全Cr全Cu全Zn全Pb测试值5.230.88321800.55153.3238.40132.6640.64注:表1显示，供试土壤中隔含量已超过土壤环境质量二级标准(GB15618-1995)。盆栽试验用长40cm、宽30cm、深10cm的塑料盆、每盆装土10kg(干重)。试验设置5个处理水平:20g/kg(每kg土壤中添加20g大理石矿粉)、40g/kg、60g/kg、80g/kg、100g/kg，每个处理水平设3个重复试验;同时，设不加矿粉的对照实验。在播种前将试验土和不同含量梯度大理石矿粉混匀后，平衡7d。于2010年10月10日播种，每盆播种36粒，播深3cm，三叶期定苗10株，正常措施管理，2011年6月15日收获。收获时进行计产和考种，并采集小麦植株。3.2样品采集与处理将从盆栽试验采回来的小麦茎叶、根部组织新鲜样品，用蒸馏水洗净，剪碎，在40℃～60℃鼓风干燥箱中烘干。将采集的小麦种子样品去壳，在通风处风干，以免发霉腐烂，并减少化学和生物变化。将烘干的小麦茎叶样品和根部用微型植物试样粉碎机粉碎，籽粒经锤式旋风磨粉碎，过0.40mm筛。中国石材网（stone365）3.3测试方法在小麦成熟时，采用收获法调查盆栽试验中每盆所有小麦植株的株高、穗长、结实小穗数、不育小穗数，脱粒后数粒数、称重并计算出穗粒数、千粒重。小麦成熟期根、茎叶、果实中Cu、Zn、Pb、Cr用TAS-990型火焰原子吸收光谱仪测试，用GF-990型石墨炉原子吸收光谱仪测定Cd［8］。3.4数据处理采用Excel和SPSS统计软件进行数据整理分析。4结果与分析4.1不同含量大理石矿粉对小麦性状及产量的影响通过实验表明，随着添加大理石矿粉含量的增加，小麦各性状并不是呈线性变化(见表2)。随着大理石矿粉含量增加，株高、穗长及不育小穗数均呈先下降后升高的趋势，而结实小穗数、穗粒数及千粒重均呈先上升后下降的趋势，这说明小麦各性状与添加大理石矿粉的量的相关性不一致。除不育小穗数外，株高、穗长、结实小穗数、穗粒数、千粒重和产量的转折点都在添加60g/kg大理石矿粉处，说明添加60g/kg以下的大理石矿粉对小麦的结实小穗数、穗粒数、千粒重和产量有促进作用，有利于提高小麦的产量。这与邵云［9］等添加碳酸钙处理能促进小麦的生长，提高小麦产量的研究结果一致。经t检验，与空白对照相比，添加20g/kg大理石矿粉可显著增加小麦的穗粒数及产量;添加40g/kg大理石矿粉可显著降低小麦的株高;添加60g/kg大理石矿粉可显著降低小麦的穗长，极显著地增加小麦的结实小穗数、不育小穗数和千粒重。可见，添加大理石矿粉对小麦性状及产量的影响明显，通过控制添加大理石矿粉的量可以得到我们期望的小麦的性状和产量4.2不同含量大理石矿粉对小麦成熟期果实、茎叶、根中重金属的影响不同含量大理石矿粉对小麦各器官重金属含量影响结果见下图，小麦各器官中重金属的含量是:根＞茎叶＞果实，不同含量的大理石矿粉对小麦果实、茎叶及根中各重金属的影响不同。对小麦果实，随着大理石矿粉含量的增加，Pb、Zn的含量先减少后增加，Cu的含量逐渐减少，Cd、Cr的含量逐渐增加;Cu的含量与添加大理石矿粉的含量有显著负相关性(相关系数为－0.881)，Cd、Cr的含量与添加大理石矿粉的含量有极显著正相关性(相关系数分别为0.948、0.929)。对小麦茎叶，随着添加大理石矿粉含量的增加，Cu的含量先减少后增加，Pb、Zn的含量波动减少，Cd、Cr的含量波动增加;Cd(相关系数为0.909)、Cr(相关系数为0.902)的含量与添加大理石矿粉的含量有极显著正相关性。对小麦根，随着大理石矿粉含量的增加，Cu、Zn的含量波动减少，Pb、Cd、Cr的含量波动增加;经相关性分析，Cd(相关系数为0.869)、Cr(相关系数为0.875)的含量与添加大理石矿粉的含量有显著正相关性。为了比较分析不同含量大理石矿粉对小麦器官中各重金属含量的影响，采取测定值与空白对照的百分数表示，计算结果见表3。从表中可以看出，大理石矿粉对Cd的影响最大，当添加100g/kg大理石矿粉时，与空白对照相比，在果实中增加171.4%，在茎叶中增加187.5%，在根中增加36.0%;对Cr的影响次之，无论添加20～100g/kg的大理石矿粉，Cr在各器官中的含量均增加，增加的最大值是31.6%(在果实中，添加100g/kg大理石矿粉时);对Pb、Cu、Zn的影响相对较小，对Cu影响的最大值是－26.8%，对Pb影响的最大值是－13.7%，对Zn影响的最大值是－10.9%从分析结果来看，在添加不大于60g/kg大理石矿粉时，与空白对照组相比，小麦各器官中Pb、Cu、Zn的含量均减少，即有利于缓解这3种重金属对小麦的毒害，而当添加含量增加时，则表现不一。这说明，低含量的大理石矿粉能缓解重金属对小麦的抑制作用，高含量则表现出不同的现象。随中国石材网（stone365）着添加大理石矿粉含量的增加，小麦根、茎叶、果实中Cd和Cr的含量均在显著增加，这说明大理石矿粉中可能含有重金属Cd和Cr。5结论与讨论5.1大理石矿粉对小麦性状和产量有显著性的影响当添加的大理石矿粉含量增加到60g/kg能极显著地减少不育小穗数，增加结实小穗数、穗粒数、千粒重和产量;再增加大理石矿粉的含量，对不育小穗数的抑制作用有所减弱，而对结实小穗数、穗粒数、千粒重的促进作用也会减弱，这表明低含量的大理石矿粉可在一定程度上促进小麦生长性状和产量而高含量的大理石矿粉会抑制小麦生长性状和产量，这与陈玲［10］等人得出的结果一致。这可能是因为，大理石矿粉的主要成分是碳酸钙，钙是植物生长的必需元素，它是植物细胞壁和细胞间层的主要组成成分，它也是植物体内一些酶的组分和活化剂，影响氮和碳水化合物的代谢，有利于促进植物对钾离子的吸收，低浓度的碳酸钙表现出对小麦的有利作用;高浓度的碳酸钙会使HCO－3浓度大幅度增加，使pH增高［10］，会造成Ca、Fe、Mg等元素形成难溶或不溶性的盐，无法被植物吸收，也会抑制植物对N、P、K、Zn的吸收［11］。因此，在大理石开采区应该采取一定的措施，避免大量的大理石矿粉散入周围的耕地中，使土壤板结、作物减产。5.2大理石矿粉对小麦器官中重金属的影响各不相同大量研究发现，碳酸钙能降低重金属对植物的毒害，提高植物富集重金属的能力，如柴宝玲［12］等研究表明，适量的碳酸钙能有效缓解小麦铅毒害，原因可能与碳酸钙中富含钙元素有关，从而补充了因铅胁迫而造成的营养元素的缺失;钱海燕［13］等研究表明，在Cu、Zn污染的土壤上，施用石灰能降低重金属Cu、Zn的有效性;Minheelee［14］等开展了用石灰和碳酸钙整治自废弃矿山受重金属污染的地下水的研究，得出混合石灰和碳酸钙对重金属的去除效率很高。这与本实验研究，当添加不大于60g/kg大理石矿粉时，能减少小麦各器官中Cu、Zn、Pb含量的结果一致，但当大理石矿粉含量过高，对缓解重金属的毒害作用会受到抑制。对于重金属Cd、Cr而言，其在小麦各器官中的含量与添加大理石矿粉含量呈显著正相关，据此说明，大理石矿粉中可能含有重金属Cd和Cr，且碳酸钙并未有效的抑制Cd、Cr在小麦中的迁移。由于大理石矿粉的组成成分除碳酸钙外，还有其他物质，因此大理石矿粉未能与碳酸钙有完全相同的作用。本实验仅是盆栽试验，因此，大理石矿粉对小麦重金属的影响还有待于更加深入的研究。6大理石开采区粉尘对周围影响的防治措施在大理石开采区应该采取一定的措施，避免大量的大理石矿粉散入周围的耕地。在生产过程中，矿粉主要来自于穿孔、爆破、运矿等工序。为减少钻机工作产生的粉尘，可增加干式捕尘设备、湿式除尘设备、干湿结合除尘设备;大爆破产尘强度大，尘柱可达数十米高，可通过优化爆破参数，降低爆破产尘量，对于爆破产生的粉尘采用湿式措施，例如，可在大爆破前向预爆破矿体或表面洒水;在运输过程中，可向路面洒水或氯化钙水溶液(用洒水车或沿路铺设固定水管)，通过洒水器除尘。