生活垃圾填埋土對喬灌木幼苗光合特性的影響1)

楊 柳 李 君

(華東師范大學，上海，200062)

鄭思俊 張慶費

(上海市園林科學研究所)

城市生活垃圾除小部分通過焚燒、堆肥處置外，大部分采用衛生填埋方式［1-2］處理。垃圾填埋不僅占用大量土地，浪費資源，而且垃圾的不斷腐敗分解使土壤營養元素、重金屬、有毒物質等含量增加，土壤理化性質改變［3］。對已封場的填埋場進行生態恢復，實現填埋土資源化利用具有重要意義。目前對生活垃圾填埋場的研究多集中在土壤性質、污染處置、植被生理方面［4-6］，填埋場生態恢復的工程設計、植被重建也有涉及［3，6］，但垃圾填埋土對植物光合作用的影響方面研究甚少。筆者以老港生活垃圾填埋場不同封場期土壤為對象，研究了女貞、蚊母等6種喬灌木幼苗的光合、熒光特性，以期找到適合填埋場生態恢復的植物種類。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗在上海市園林科學研究所實驗大棚內進行。供試植物為女貞(Ligustrum lucidum)、蚊母(Distylium racemosum)、香樟(Cinnamomum camphora)、紅葉石楠(Photinia serrulata)、夾竹桃(Nerium oleander)、胡頹子(Elaeagnus pungens)6種喜光、抗性強常綠喬、灌木健康幼苗，其中胡頹子株高30～50 cm，其它5種植物株高100～150 cm。試驗土采自上海老港生活填埋場封場于1995年、2000年、2005年的填埋單元，采土深度控制在距地面150(100)cm內。塑料盆規格為直徑350 cm、高度560 cm，盆底有孔，盆下墊置直徑500 cm和高度5 cm的塑料盤，用于回灌。

1.2 試驗方法

2010年5月中旬，于3個填埋年限的垃圾土上分別種植紅葉石楠、女貞等6種喬灌木的幼苗，每種植物各種4盆，共72盆。將所有盆栽置于大棚內，棚頂蓋有塑料膜，用于遮雨。大棚四周通風，棚內外溫差控制在±0.5℃以內。實時澆水，土壤相對濕度控制在40%～45%。

土壤測定:各期填埋土經自然干燥篩分后進行測定，土壤pH、EC值采用電位法，有機質采用重鉻酸鉀法，全氮采用半微量開氏法，全磷采用堿熔—鉬銻抗比色法，水解氮采用堿解—擴散法，重金屬采用鹽酸—硝酸—高氯酸消解—ICP法。

光合參數測定:2011年8月中旬，選取晴朗無云的天氣，于9:00—11:00將盆栽搬至室外空曠地后采用Li-6400(Li-Cor Inc.USA)光合儀對植株進行 Pn、Ci、Gs、Tr的測量。測量時，選取靠近植株頂端的第3～5片健康葉［7］，每盆3片，每片葉待數據穩定后記錄10個數據。

葉綠素熒光參數:采用Li-6400-40熒光葉室和Li-6400-01 CO2液化鋼瓶對葉片PSⅡ最大光能轉換效率 Fv/Fm、PSⅡ實際光化學量子效率ΦPSⅡ、光化學淬滅系數qP、非光化學淬滅系數qN進行測定。測定前將用于光合指標測定的葉片用暗適應葉片夾暗處理12 h，測量時飽和光強設定為500 μmol/m2·s，CO2摩爾分數設為 400 μmol·mol-1。

1.3 數據處理

數值運用 SPSS18.0統計軟件進行 one-way ANOVA分析，選用LSD法進行多重比較，相關性分析采用Pearson法。

2 結果與分析

2.1 土壤因子

從表1可見，不同封場期填埋單元土壤養分因子差異顯著，EC、全磷質量分數隨填埋年限增大而減小，最小值為最大值的61.2%、62.2%;全氮年際變化與之相反;有機質、水解氮質量分數2000年垃圾土中最低，僅有71.37 g·kg-1、548.63 mg·kg-1，土壤pH值2000年垃圾土最高。總體上，各封場期土壤營養水平遠超國家林業有機肥養分含量標準，其中水解氮超過標準5倍以上，可能對植物造成營養脅迫［8］。

表1 不同封場期垃圾填埋土養分指標

從表2可見，不同垃圾土重金屬差異顯著，其質量分數隨填埋年限變化規律不明顯，但除砷外均為2000年垃圾土最低，土壤砷質量分數是《土壤環境質量標準GB15618-1995》三級的5倍，鋅為國家標準三級的兩倍多，鎘也為國家標準三級的一倍多。當重金屬過量時將影響植物對水分和營養元素的吸收和運輸，對葉綠素合成有關酶系統和電子傳遞產生負面影響，抑制其光合作用［9-11］。

表2 不同封場期垃圾填埋土土壤重金屬質量分數 mg·kg-1

2.2 不同填埋年限的垃圾土中各喬灌木的光合特征

表3表明，生長于1995、2000、2005年垃圾填埋土中的6種喬灌木幼苗，夾竹桃Pn最高，女貞、胡頹子、蚊母、香樟、石楠Pn均值分別為夾竹桃的73.9%、50.7%、49.5%、49.2%、43.0%。蚊母、石楠Pn隨填埋年限變化趨勢相近，1995年垃圾土中最高;女貞、胡頹子2000年垃圾土中Pn顯著高于其他2期，隨填埋齡先升后降;夾竹桃Pn變化趨勢則隨填埋齡先降后升，與香樟同為2005年垃圾土中最高。香樟、石楠的Gs在不同填埋齡垃圾土中差異不顯著，胡頹子Gs為1995年填埋土中最高;女貞、蚊母Gs變化呈先降后升趨勢，夾竹桃與之相反。Ci、Tr與Gs正相關，變化趨勢與 Gs相似(rCi=0.744，PCi=0 ＜0.05;rTr=0.927，PTr=0 ＜0.05)。

2.3 不同填埋年限的垃圾土中各喬灌木的熒光特征

植物葉片熒光參數的變化可以有效地衡量植物的受害程度和光合潛能的高低［12］，其中Fv/Fm是植物光合潛力的靈敏指標［13］。由表4可知，6種植物Fv/Fm最高值相近，最大光合作用潛力相當，但出現的填埋年限不同。女貞、石楠Fv/Fm隨填埋年限減小，1995年垃圾土中最高;夾竹桃、胡頹子Fv/Fm隨填埋年限增大，2005年垃圾土中最高;蚊母、香樟Fv/Fm變化呈先降后升趨勢，2000年垃圾土中最低。各幼苗Fv/Fm值不同程度地低于0.83，說明植物處于受脅迫狀態，光合作用受到不同程度的抑制［14］。夾竹桃ΦPSⅡ均值顯著高于其他植物，女貞、胡頹子、香樟、蚊母、石楠ΦPSⅡ均值分別為夾竹桃的70.0%、66.1%、63.9%、42.3%、38.6%。不同填埋年限垃圾土中各植物 ΦPSⅡ差異顯著:蚊母、石楠1995年垃圾土中最高，女貞、夾竹桃、胡頹子為2000年垃圾土中最高，香樟ΦPSⅡ最高值出現于2005年垃圾土。各試驗幼苗qP與ΦPSⅡ變化趨勢相似。女貞、胡頹子在不同填埋年限垃圾土中，qN差異不顯著。

表3 不同封場期垃圾填埋土中各植物幼苗光合指標

表4 不同封場期垃圾填埋土中各植物幼苗熒光指標

2.4 光合指標與土壤因子間的相關性

由表5可知:土壤因子與光合指標的相關性，pH、全氮、水解氮與Pn負相關，在一定程度上限制了光合作用的進行。Pn隨土壤中砷、鎘、銅、汞質量分數的升高顯著減小，垃圾土中過量的砷、鎘、銅、汞使得幼苗葉肉光合能力遭受限制［15］，光合作用遭受脅迫。土壤因子與葉綠素熒光指標的相關性表現為，Fv/Fm與顯著負相關，植物光合作用潛力受到pH、砷抑制。ΦPSⅡ與 EC、有機質等營養因子，全部所測重金屬負相關，部分顯著負相關。垃圾土中各因子，尤其是重金屬的改變使得植物實際光化學效率下降。全磷、水解氮等營養元素，鎘、鎳等重金屬與qP顯著負相關，過量營養元素、重金屬質量分數抑制了PSⅡ反應中心“開放”程度，使得QA重新氧化量減小。qN與土壤因子的相關性與qP相似，受土壤因子的影響與qP相似。

表5 光合指標與土壤化學因子、土壤重金屬間的相關系數

3 結論與討論

3.1 垃圾土中各土壤指標對喬灌木光合特征的影響

Pn下降的原因分氣孔限制和非氣孔限制［15］:Pn與Ci變化趨勢一致時為氣孔限制，否則為非氣孔限制［16］。本實驗不同填埋年限垃圾土中6種幼苗 Pn與 Ci顯著負相關(r=-0.473，P=0.048＜0.05)，兩者變化趨勢相反，為非氣孔限制。垃圾填埋土營養水平、重金屬含量高，各種有害物質摻雜在一起，可能對植物光合造成復合抑制［17］，對土壤因子與光合指標進行相關性分析:pH、全氮、水解氮與Pn負相關，在一定程度上限制了光合作用的進行。Pn隨土壤中砷、鎘、銅、汞質量分數的升高顯著減小，說明垃圾土中過量的砷、鎘、銅、汞使得幼苗葉肉光合能力遭受限制［18］，光合作用遭受脅迫。結合圖1～圖4看出6種植物光合均受抑制，葉肉細胞受到不同程度損害，其中蚊母Gs、Ci是6種幼苗中最大的，Pn卻相對較小，說明其葉肉細胞受到損害最大，光合受到的抑制最強。女貞、夾竹桃Gs較小，而Pn較大，光合作用受到的抑制相對較小。凈光合速率反映了立地質量狀況［19］，就3種不同填埋年限實驗垃圾土而言:蚊母、石楠在1995年垃圾土中Pn最大，1995年垃圾土對蚊母、石楠光合作用相對有利;2000填埋垃圾土立地條件最有利于女貞、胡頹光合能力的發揮;夾竹桃、胡頹子則在2005年垃圾土中光合能力最強。

3.2 垃圾土中各土壤指標對喬灌木熒光特征的影響

Fv/Fm隨pH、砷升高而下降，說明在高pH、高砷脅迫下，葉片發生了光抑制或PSⅡ復合體受損害，植物光合作用潛力下降［20］。ΦPSⅡ是光下 PSⅡ反應中心部分關閉情況下的實際光化學效率，反映了PSⅡ的光能轉換效率［21］。夾竹桃 ΦPSⅡ最高，實際光化學效率最大，其次為胡頹子、女貞、香樟，蚊母和石楠實際光化學效率相對最低，對光能的利用率最低。隨著土壤肥力的增加、重金屬濃度的增大，植物ΦPSⅡ不斷下降，說明高營養水平、高重金屬濃度抑狀態直接相關［22］。qP與PSⅡ反應中心“開放”狀態［23］，PSⅡ穩定原初電子受體QA的氧化還原狀態有關;qN表示吸收的光能以熱的形式耗散掉的部分，是植物保護PSⅡ的重要機制［24］。本研究下全磷、水解氮等營養元素，鎘、鎳等重金屬與qP顯著負相關，說明過量營養元素、重金屬含量抑制了PSⅡ反應中心“開放”程度，使得QA重新氧化量減小。qP降低時，qN并未相應升高，說明在非光脅迫條件下光合機構遭受破壞，光合受到抑制［25］。6種幼苗中夾竹桃qP最高，光化學潛能最大［26］，女貞、香樟、胡頹子次之，蚊母、石楠最小。各植物幼苗qN相近，熱耗散能力相當，對光合結構的保護能力相當。本試驗條件下，相對其他垃圾土，蚊母、石楠在1995年垃圾土中光合潛力大，實際光合能力較高;女貞、胡頹子在2000年垃圾土中PSⅡ開放狀態好，光能利用率高，光合機構損害小;香樟在2005年垃圾土中光合潛能高，實際光合效率、有效光合效率強;夾竹桃在2005年垃圾土中潛在光合能力強，但實際光合能力并不是最大。

綜上所述，垃圾土中水解氮、砷超過國家標準5倍以上，鋅為國標三級的1倍多，成分復雜的垃圾土中多種有害物質復合脅迫對喬灌木幼苗光合、熒光造成不同程度的抑制:6種植物中夾竹桃光合、熒光受到的抑制最小;蚊母、石楠對垃圾土環境敏感，光合作用受到的抑制相對最大。不同植物在不同垃圾土中光合能力差異顯著，相對其他期土壤，蚊母、石楠光合能力在堿度相對較大，營養水平及銅、鉛、鎘、汞含量較高的1995年垃圾土中較強;女貞、胡頹子在營養水平中等、重金屬質量分數相對最小2000年垃圾土中光合能力較好;營養水平低，鋅、砷、鎳質量分數高的2005年垃圾土能使夾竹桃、香樟光合能力得到最大水平的發揮。

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