探讨矿井中水对草地早熟禾的生态危害

　　神东矿区位于鄂尔多斯高原东南部、陕北黄土高原北缘、毛乌素沙漠的东南边缘，属世界八大煤田之一，是我国最大的煤炭生产基地和优质动力煤出口基地。由于这一地区水资源十分缺乏，生态建设需要大量的水资源作为保障，而煤炭开采又必将对水资源造成很大影响，应用中水灌溉是神东矿区生态建设的重要措施，也是生态建设取得成效的保障。但在中水长期的灌溉应用中，一些问题已然显现，如部分地段土壤严重盐碱化，植物生长不良，病害频发等，而且这些问题呈累积发展态势，如果不尽早解决，必然对生态安全构成威胁。矿井中水所含的营养元素及盐分较多，是构成污水排放与绿化用水的一对矛盾因素和限制其广泛应用的主要原因，也是中水合理利用研究的热点。中水在我国的应用历史较短、使用范围小等特点决定了中水应用专项研究还很少，对矿井中水用于草坪灌溉的研究更是鲜有报导。

　　土壤次生盐碱化是应用中水灌溉绿地后多发的问题之一。中水灌溉会造成土壤盐分的累积，对植物生长造成胁迫危害。解决土壤盐碱化问题需从两方面着手，一是恢复治理，二是源头控制。恢复治理就是对已受到影响的土壤进行改良与复壮，而源头控制就是通过对矿井中水净化处理达到中水成分不再对土壤与植被造成影响。为了加强植物的修复效果，向污染土壤加入改良剂也是修复退化土壤的重要措施。

　　植物在修复盐碱土壤方面有工程措施无法相比的优势，其高效、安全、经济、持久等特点与实现可持续发展目标相吻合。许多研究表明，草类植物对盐碱土壤具有良好的修复效果。因此，种植具有吸盐能力的草坪绿化植物，不但能修复盐碱土壤，同时还能满足矿区居民对绿地景观的要求。草地早熟禾（Poapratensis）是应用较为广泛的草坪植物之一，亦是我国北方重要的草坪草种，繁殖力强、再生性好，被美誉为“草霸王”；此外，它还具有生长年限长、耐旱、抗寒、返青早、绿期长等特点，堪称“绿草之冠”。

　　本文采用种子暴露试验，通过研究 2 个国内外应用较为广泛的草地早熟禾品种在不同水质浇灌和不同土壤改良方式下的种子萌发及其幼苗生长试验，探讨矿井中水对草地早熟禾的生态危害，以其为矿区退化土壤的生态修复和绿化及矿井中水合理应用提供理论依据和实践参考。

　　1 材料与方法

　　1.1 试验材料
　　1.1.1 矿井中水和清水
　　供试矿井中水和清水均取自神东矿区活鸡兔矿井污水处理厂。矿井中水为矿区废水在经过混凝、沉淀、过滤、消毒净化处理后，可以直接排放或用于生产的水。清水为矿井中水进一步淡化处理后的水（反渗透出水），用作对照。各种水质成分见表 1。【表1】

　　1.1.2 土壤和改良剂
　　供试土壤取自神东矿区黑炭沟污水处理厂草坪区地表 0~20 cm 土壤，土壤经混匀、风干、研磨、过筛（2 mm）备用。土壤理化性质如下：pH 7.21，全氮 0.73g·kg-1，全磷 0.41 g·kg-1，全钾21.8 g·kg-1，速氮 54.4mg·kg-1，速磷 26.7 mg·kg-1，速钾 79.8 mg·kg-1，有机质18.5 g·kg-1。脱硫石膏购自神东热电公司，碳粉取自神东矿区上湾煤矿附近，污泥取自神东矿区黑炭沟生活污水处理厂。

　　1.1.3 种子
　　供试草种以在神东矿区适应强的草地早熟禾品种新歌来德（Nuglade）和奖品（Award）为研究对象，种子购自北京克劳沃草业技术开发中心。均选用饱满、健康种子。
　　
　　1.2 试验设计和方法
　　1.2.1 土壤处理
　　试验设计分为 2 部分：

　　第 1 部分设 4 个处理，分别为矿井中水（C1）、矿井中水与清水 2∶1 混合（C2）、矿井中水与清水 1∶1 混合（C3）和清水对照处理（CK），每个处理 3 次重复。选取直径 120 mm 的培养皿，每个培养皿放 60 g 过筛土壤。分别加入不同的试验用水，待水分挥发干后，搅拌均匀。这样连续处理 5 次后，放置几天使用。

　　第 2 部分设 10 个处理，处理分别为矿井中水石膏改良（C1S）、矿井中水碳粉改良（C1C）、矿井中水污泥改良（C1W）、2∶1 混合石膏改良（C2S）、2∶1 混合碳粉改良（C2C）、2∶1 混合污泥改良（C2W）、1∶1 混合石膏改良（C3S）、1∶1 混合碳粉改良（C3C）、1∶1 混合污泥改良（C3W）、清水无改良（CK），每个处理 3 次重复。

　　土壤按第 1 部分设置，石膏、碳粉和污泥以土重 2%的比例加入，混匀。为使各处理的重量一致，CK 中加入2%的原状土。

　　1.2.2 发芽试验
　　将精选的饱满健康的新歌来德和奖品种子分别放入土壤表面，每个培养皿中均匀播种 30 粒，置光照培养箱培养，在 25 ℃/15 ℃昼/夜（昼 10 h/夜 14 h）温度条件下萌发，每天用滴管补充相应的水分，用称重法使土壤水分维持在田间持水量的 60%。发芽期间每天 8：00~10：00 记录一次，第 3 d 统计发芽势，第 8 d统计发芽率，用直尺计量第 8 d 的苗长和根长并计算发芽指数和活力指数。

　　1.2.3 指标测定
　　发芽率=（种子发芽数/供试种子数）×100%发芽势=（3 d 内种子发芽数/供试种子数）×100%发芽指数（GI）=ΣGt/Dt式中：Gt 为在 t 日的发芽数；Dt 为发芽天数。活力指数（VI）=GI×S式中：S 为萌发第 8 d 幼苗的长度；GI 为发芽指数。

　　1.3 数据处理与分析
　　采用 Excel 2007 制表、制图，运用 SPSS 13.0 软件对试验测得种子萌发指标及幼苗生长指标在不同处理下得到的结果进行单因素方差分析，用 Duncan 法多重比较，采用 LSD 法在 0.05 水平确定各个均值之间的差异显着性。用 DPS 7.02 软件的灰色系统方法进行关联度分析，取新歌来德和奖品各指标的平均值，初值化无量纲处理。

　　2 结果与分析

　　2.1 灌溉水质对草地早熟禾种子萌发的影响
　　不同水质处理对新歌来德和奖品种子的发芽率无明显影响，但发芽势在矿井中水和 2∶1 混合下与 1∶1 混合相比显着降低（P<0.05），新歌来德分别降低了45.6%和 31.1%，奖品分别降低了 42.2%和 18.9%。发芽指数在 2∶1 混合下与 1∶1 混合相比差异性显着（P<0.05），新歌来德分别降低了 8.2%和 5.0%，奖品分别降低了 8.2%和 3.7%。种子活力指数在矿井中水和 2∶1 混合下与 1∶1 混合相比显着降低（P<0.05），新歌来德分别降低了 51.3%和 27.8%，奖品分别降低了50.8%和 43.5%。总的来看，1∶1 混合下新歌来德和奖品的发芽率、发芽势、发芽指数和种子活力指数与清水对照处理相比没有显着差异，且除发芽率与对照相同外其他均高于对照，新歌来德分别提高了 5.6%、0.8%、8.2%，奖品分别提高了 4.5%、0.7%、6.6%（表2）。【表2】

　　
　　2.2 灌溉水质对草地早熟禾幼苗生长的影响
　　对比各供试植物不同水质处理下苗长和根长数据的方差分析结果可以看出（图 1、图 2），在种子萌发期，2 个品种新歌来德和奖品在矿井中水和 2∶1 混合下与 1∶1 混合相比苗长和根长显着降低（P<0.05），新歌来德苗长分别降低了 1、0.44 cm，根长分别降低了1.93、1.8 cm，奖品苗长均降低了 1.03 cm，根长分别降低了 1.13、0.96 cm。与对照相比，1∶1 混合下新歌来德的苗长和奖品的苗长、根长增长不显着，而新歌来德的根长伸长显着（P<0.05），增加了0.83 cm。【图1-2】

　　2.3 不同水质、不同土壤改良方式对草地早熟禾种子萌发的影响
　　不同水质、不同土壤改良方式对草地早熟禾种子萌发影响的试验结果列于表 3。在相同水质浇灌下，添加石膏和碳粉与添加污泥改良相比，新歌来德和奖品种子的发芽率、发芽势、发芽指数均显着提高（P<0.05），种子活力指数差异不显着。在不同水质灌溉下，石膏、碳粉和污泥改良处理的新歌来德和奖品种子的发芽率差异不显着。1∶1 混合和2：1 混合浇灌与单一矿井中水浇灌相比，石膏改良在发芽势和发芽指数上显着提高（P<0.05）。1∶1 混合浇灌与矿井中水浇灌相比，碳粉改良可显着提高新歌来德种子的发芽势和活力指数，而污泥改良则显着提高了新歌来德和奖品种子的发芽势、发芽指数和活力指数。2∶1 混合浇灌与单一矿井中水浇灌相比，可显着提高新歌来德种子的发芽指数。可见，矿井中水对新歌来德和奖品种子的萌发具有很强的抑制作用。总体来看，1∶1 混合浇灌经石膏和碳粉改良后，新歌来德和奖品种子的所有萌发指标与对照相比差异不显着，2∶1 混合浇灌再加之石膏和碳粉改良后，供试草种的发芽率、发芽势、发芽指数与对照相比差异不显着，只有种子活力指数差异显着。【表3】

　　2.4 不同水质、不同土壤改良方式对草地早熟禾幼苗生长的影响
　　图 3、图 4 的分析结果表明，在相同矿化度矿井中水灌溉的前提下，与土壤中加入石膏和碳粉的处理相比，土壤中加入污泥的处理可显着提高 2 种草地早熟禾材料的苗长，但对其根长的抑制作用同样显着。【图3-4】

　　矿井中水灌溉后，经石膏和碳粉改良对新歌来德的苗长和根长以及奖品苗长的影响不显着，但对奖品的根长影响显着（P<0.05）；2∶1 混合石膏改良与碳粉改良相比，新歌来德的根长显着提高（P<0.05），而新歌来德的苗长和奖品的苗长、根长差异不显着，由此也可以看出石膏改良后供试材料的苗长、根长等指标稍优于碳粉改良；1∶1 混合石膏改良与碳粉改良相比，新歌来德和奖品的苗长、根长均显着提高（P<0.05）。总体来看：1∶1 混合石膏改良后，新歌来德的苗长以及奖品的苗长、根长与对照相比差异不显着，而新歌来德的根长显着提高（P<0.05）；1∶1 混合碳粉改良后，供试材料的所有指标与对照相比差异不显着。

　　2.5 不同处理的关联度分析
　　试验观测了不同影响因素处理后，草地早熟禾 2个品种的发芽率、发芽势、发芽指数、种子活力指数、苗长、根长 6 项指标，以试验结果中各性状最优值构造标准组合。在此基础上，采用灰色关联度分析的方法，评价各处理组合间的优劣。分析结果表明，关联系数最大的为处理 7（1∶1 混合，石膏改良），与标准组合关系最近（γ=0.992 0），即该处理效果最好；处理组合3（矿井中水，污泥改良）的关联系数最小（γ=0.547 6），处理效果亦最差。由关联系数依次排列获得各处理的关联序（表 4）。从表 4 看出，关联序排在前 4 位的组合依次是 1∶1 混合石膏改良、1∶1 混合碳粉改良、2∶1混合石膏改良和 2∶1 混合碳粉改良，可见 1∶1 混合和2∶1 混合浇灌的前提下，土壤经石膏改良的效果最好。【表4】

　　3 讨论

　　盐分抑制植物种子萌发的原因主要是由渗透胁迫、离子毒害以及其他因素如激素、蛋白质、氨基酸等引致，盐分对幼苗生长的抑制亦主要通过渗透胁迫、离子毒害和离子吸收不平衡等因素影响植物。

　　供试材料新歌来德和奖品种子萌发与幼苗生长在 1∶1 混合浇灌下存在促进效应，随着矿化程度的加重呈现下降的趋势，即高矿化度矿井中水含有影响植物种子萌发和幼苗生长的较多盐分，也可能是高矿化度矿井中水破坏了土壤环境，使土壤盐碱化。总之，种子萌发和幼苗生长是植物生活史中对环境胁迫反应最为敏感的时期。苗期是植物整个生命周期中耐盐碱性最差的时期，而发育早期又是对盐分胁迫最为敏感的时期，此时期生长环境盐分的高低不仅影响植物能否定植，甚至还会决定物种的分布和群落组成。

　　高水平的盐碱条件无疑会完全抑制种子的萌发，而低水平盐碱条件诱导种子的休眠，或者对种子萌发没有显着的抑制作用，或者促进某些植物种子的萌发。1∶1 混合浇灌促进了草种的萌发和幼苗的生长，可能是由于矿井中水与清水混合有效降低了矿井中水的矿化度，而且矿井中水富含植物生长的营养物质，营养成分起主导作用促使种子的萌发和幼苗的生长，同时掩盖了盐害作用，随着灌溉时间的增长盐害可能会表现出来。中水与常规的灌溉水相比含有较高的盐分，因而中水长期灌溉对绿地土壤和植物的影响备受关注。郑伟等研究发现，与清水相比，中水灌溉 2 年后总体呈现土壤盐分增加的趋势；Pintou等发现中水灌溉后土壤 pH 值增高；王齐研究发现，中水中盐离子在土壤中积累，在短期或交替灌溉下不会对植物的生长产生危害，但长期单一中水灌溉可能会造成土壤盐渍化而对植物生长造成胁迫危害。

　　本文重点研究了不同矿井中水处理下早熟禾种子萌发和幼苗生长指标的室内模拟试验，缺乏矿井中水长期灌溉下对土壤环境和植物生长的影响。因此，为了进一步研究矿井中水对草坪绿化植物的生态危害以及矿井中水的处理和应用，还应该加强长期矿井中水浇灌下土壤环境指标的监测及草坪植物的形态指标和生理生化指标的研究，从根本上解决矿井中水绿化应用与去污排放间矛盾的难题，实现从源头控制的目的。

　　为寻找进一步加强植物耐胁迫性及其修复效果的土壤改良措施，本研究还比较了在不同水质浇灌下添加不同改良剂后新歌来德和奖品种子萌发和幼苗生长的反应。结果表明，几种改良方式对新歌来德和奖品种子的萌发和幼苗生长在一定程度上表现出积极的作用。石膏改良可促进草种萌发和幼苗生长，具体原因可能是石膏改良后，盐碱土化学性质有明显改变，碳酸氢钠含量明显降低，钠质胶体变为钙质胶体，进而改善盐碱土的钙质营养条件，即石膏起到了离子代换作用。在盐碱地施用脱硫石膏具有降低土壤pH、提高作物出苗率和产量的效果，此外石膏是一种钙肥，能提高植物的抗旱能力。研究还发现污泥改良促进了幼苗的生长，却抑制了种子的萌发和幼苗根的发育，可能是由于污泥中含有大量的营养元素促进了幼苗的生长，污泥盐分含量高则抑制种子萌发和根的发育。综合分析新歌来德和奖品的种子萌发和幼苗生长指标，石膏改良在 1∶1 混合和 2∶1 混合浇灌下效果最好。这可能是由于高矿化度矿井中水和清水混合有效降低了矿井中水的矿化度，对土壤的污染程度较小，同时石膏增施稳定增加了土壤中 Ca2+、Mg2+、SO2-4离子含量，进而有效降低 HCO-3离子含量、pH 值和碱化度，满足了新歌来德和奖品种子的萌发和幼苗的生长。利用中水过量灌溉存在的碱化趋势主要是由钙、镁离子变化引起的，土壤碱化过程常是灌溉水中可溶性 Na+与土壤胶体表面其他阳离子如 Ca2+、Mg2+进行交换的过程。Ca2+、Mg2+可以使土壤通气透水，导水性能改善，灌溉水中 Na+过高可以引起土壤分散和膨胀，导致表层土壤板结与土壤碱化。在矿井中水灌溉条件下土壤中加入脱硫石膏可有效降低碱化的风险。本文研究了矿井中水和清水 1∶1 和 2∶1 两种比例以及 2%的脱硫石膏添加比例早熟禾种子萌发和幼苗生长的响应，旨在验证矿井中水深度除盐效果及选择适宜的混灌比例和合适的土壤改良措施。为了达到更好的效果，还需进一步研究矿井中水和清水的不同混合比例和石膏量的配置，以期实现无盐害土壤源头控制，受盐害土壤恢复治理。

　　综上所述，对矿井中水灌溉草坪应采取慎重态度。对未受矿井中水污染的草坪，在盐分易于累积的季节应适当调整灌溉方式、灌溉量，必要时采用中水与清水混合灌溉或轮灌等措施以减少盐分累积，并避免盐胁迫超过草坪的耐受限度。用矿井中水灌溉已受污染危害的草坪时，首先应对土壤进行改良，其次对矿井中水进行深度除盐后再进行灌溉或改进矿区的排水方式。经济、安全、有效的方法是应选育适宜性强的物种并结合矿区气候特点，科学调节灌溉方式、灌溉时间和灌溉量，使矿井中水利用效果达到最佳。

　　4 结论

　　神东矿区矿井中水矿化度为 1844 mg·L-1，是对照 250 mg·L-1的 7.38 倍，对草坪生长属于中度危害范畴；矿井中水亦含有较高浓度对土壤和植物产生毒害的钠离子和氯化物。因此，在用此种性质的矿井中水浇灌后，草地早熟禾两个品种种子的发芽势、发芽指数和种子活力指数会显着降低，幼苗生长受抑制。

　　矿井中水与清水混合有效降低了矿井中水的矿化度，同时矿井中水富含植物生长的营养物质，能促进种子萌发和幼苗生长。采用矿井中水与反渗透出水（清水）1∶1 混合的方法，既可以减少对反渗透设备的消耗，又可以满足绿化用水的要求，在一定程度上起到了源头控制的目的。

　　土壤改良措施中，石膏和碳粉的改良均能有效促进草种萌发和幼苗生长，但污泥改良措施主要促进幼苗生长，对种子萌发和根的发育有抑制作用。不同处理组合多指标的关联度分析结果表明，矿井中水与清水不同比例混合浇灌石膏改良效果最好，碳粉改良措施次之。

　　参考文献：

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