重金屬污染地耐性木本植物篩選和野外測(cè)定技術(shù)規(guī)程

3重金屬污染地耐性木本植物篩選和野外測(cè)定技術(shù)規(guī)程2.規(guī)范性引用文件件。凡是不注明日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。LY/T1211-1999森林植物（包括森林枯枝落葉層）樣品的采集與制備LY/T1267-1999森林植物與森林枯枝落葉層樣品的制備LY/T1271-1999森林植物與森林枯枝落葉層全氮、磷、鉀、鈉、鈣、鎂的測(cè)定LY/T1952-2011森林生態(tài)系統(tǒng)長(zhǎng)期定位觀測(cè)方法DB43/T1030礦區(qū)廢棄地植被恢復(fù)技術(shù)規(guī)程3.術(shù)語(yǔ)和定義下列術(shù)語(yǔ)和定義適用于本標(biāo)準(zhǔn)。3.1重金屬污染地heavymetalcontaminatedland因采礦行為導(dǎo)致土壤中一種或多種重金屬超過(guò)土壤背景值的廢棄地或林地。3.2礦區(qū)廢棄地miningwasteland指在礦山開(kāi)采后形成的露天采礦場(chǎng)、排土場(chǎng)、尾礦庫(kù)及受重金屬污染的土地或林地。3.3礦區(qū)土壤環(huán)境minesoilenvironment有色金屬采礦、冶煉廠周?chē)耐寥拉h(huán)境，包括土壤理化特性、土壤肥力、土壤溫濕度和土壤重金屬污染程度等。3.4耐重金屬污染的木本植物heavymetalresistanceplant能夠忍耐土壤鉛、鋅、鎘、銅等重金屬含量在500mg/kg以上且能夠在35℃以上高溫條件下存活的樹(shù)。3.5植物功能性狀plantfunctionaltrait標(biāo)志植物存活、生長(zhǎng)、繁殖速率和適合度的基本生物學(xué)特征，通常易于測(cè)定并對(duì)生態(tài)系統(tǒng)功能有一定影響。43.6生長(zhǎng)型growthform生物對(duì)外界環(huán)境適應(yīng)的外部表現(xiàn)形式，同一生長(zhǎng)型的生物在體態(tài)上、適應(yīng)特點(diǎn)上是相似的。3.7生活型lifeform不同物種對(duì)于相同生境進(jìn)行趨同適應(yīng)而形成的外貌上相同或相似的類(lèi)型。3.8葉序phyllotaxy葉在莖或枝上的著生方式。3.9干物質(zhì)分配率drymatterPartitioningratio增加的全部干物質(zhì)，分配到植株根、莖、葉、花的比率。3.10富集系數(shù)bioaccumulationfactor也稱(chēng)吸收系數(shù)，是指植物中某元素含量與土壤中該元素含量之比。3.11轉(zhuǎn)移系數(shù)translocationfactor是指地上部元素的含量與地下部同種元素含量的比值。3.12根系耐性指數(shù)Roottoleranceindex指植物各處理的根系長(zhǎng)度與對(duì)照的根系長(zhǎng)度的比值。4.礦區(qū)廢棄地植被恢復(fù)遵循的基本原則4.1因地制宜原則根據(jù)礦區(qū)廢棄地的類(lèi)型，選擇適宜的木本植物進(jìn)行載種。4.2地域性原則注重景觀價(jià)值，使地域文化與景觀風(fēng)貌的修復(fù)策略相結(jié)合，不僅達(dá)到修復(fù)礦區(qū)受損生態(tài)系統(tǒng)的目的同時(shí)，使在景觀設(shè)計(jì)中通過(guò)地域性景觀特征的表達(dá)。4.3生態(tài)優(yōu)先，兼顧經(jīng)濟(jì)效益的原則以生態(tài)學(xué)的理論為指導(dǎo)，在保證生物多樣性的前提下，采用科學(xué)合理的工程和生物措施，構(gòu)建可自我更新，健康，穩(wěn)定，高效的生物群落。并大力營(yíng)造生態(tài)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)用材和生態(tài)能源林。5.重金屬污染地基本概況調(diào)查對(duì)重金屬污染地的地理位置、氣候條件（年降水量、年均溫、年降水量、無(wú)霜期）、地形、地貌（坡度和坡向）、土壤類(lèi)型、植物和污染進(jìn)行調(diào)查。5.1.1坡度和坡向坡度和坡向的調(diào)查及確定標(biāo)準(zhǔn)按照《森林生態(tài)學(xué)》書(shū)中的方法執(zhí)行[1]。5.1.2土壤類(lèi)型土壤類(lèi)型的調(diào)查按照DB43/T1030標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定執(zhí)行。55.1.3植物調(diào)查土壤類(lèi)型的調(diào)查按照DB43/T1030標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定執(zhí)行。5.1.4污染調(diào)查礦區(qū)污染程度劃分按照DB43/T1030標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定執(zhí)行。5.2重金屬污染形成歷史通過(guò)文件、檔案、影像等資料，結(jié)合實(shí)地勘察、人員訪談，考證已有資料，最終確定重金屬形成類(lèi)型和場(chǎng)地污染歷史情況。5.3植物整株性狀描述對(duì)重金屬污染地自然萌生的植物進(jìn)行調(diào)查。5.3.1生長(zhǎng)型5.3.2生活型依據(jù)植物休眠芽的高度劃分為高位芽植物、地上芽植物、地面芽植物。5.3.3光合途徑類(lèi)型通過(guò)查閱全球功能性狀數(shù)據(jù)庫(kù)（/TryWeb/Home.php）或相關(guān)文獻(xiàn)資料獲，分為C3、C4、CAM植物。5.3.4葉習(xí)性葉習(xí)性分為常綠、落葉和半落葉，通過(guò)查閱植物志結(jié)合野外觀測(cè)確定。5.4土壤和植被采樣5.4.1土壤采樣根據(jù)地形特點(diǎn)、按梅花型或蛇形布點(diǎn)法在相應(yīng)的區(qū)域采集土樣，一般在6-7公頃隨機(jī)設(shè)置4-5個(gè)具有代表性的樣點(diǎn)。挖掘剖面，深100-120cm，劃分層次，拍攝土壤剖面圖片并填寫(xiě)土壤剖面調(diào)查表。按20cm的土層厚度由上而下分層采集土壤樣品，樣品均用木制勺采取并裝入鋁盒中，稱(chēng)量記錄鮮重后密封編號(hào)存放。在采集完分析樣品后，在各層用環(huán)刀采土，用于測(cè)定土壤容重和孔隙度。5.4.2植物采樣選擇具有代表行的地方作為調(diào)查點(diǎn)。根據(jù)地形特點(diǎn)，依據(jù)植物群落的大概情況按照每6-7公頃隨機(jī)設(shè)置5-10個(gè)面積不等的樣方，記錄樣方內(nèi)的優(yōu)勢(shì)植物種類(lèi)、覆蓋度和受害特征及生長(zhǎng)狀況，采集一定數(shù)量的完整植株，分為根、莖、葉裝入塑料袋并密封中編號(hào)存放。5.4.3樣品處理土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)室后，風(fēng)干、除雜、研磨、過(guò)篩后裝入密封袋，保存在干燥器中，以供后續(xù)分析6用。采集的植物用自來(lái)水浸泡15-30min，去離子水沖洗3次，洗去表面泥土及自來(lái)水，擦干后按根、莖、葉分開(kāi)，置于恒溫干燥箱中105℃下殺青0.5h，70℃恒溫干燥箱中干燥24h，粉碎過(guò)100目尼龍篩，分別裝入封口袋并保存于干燥器中。5.4.4測(cè)定指標(biāo)及分析方法土壤和植物均測(cè)定鉛、鋅、鎘、銅、鐵含量。測(cè)定方法參照GB/T4325.4、GB/T4325.5、GB/T4325.24。6.木本植物野外測(cè)定方法6.1測(cè)定所需材料和儀器野外常規(guī)的樣品采集設(shè)備，包括枝剪、環(huán)刀、電子天平、熒光儀、光合儀、葉綠素儀等。6.2葉綠素?zé)晒鈪?shù)。采用便攜式葉綠素?zé)晒鈨xMini-Pam(Walz,E?eltrich,Germany)，每樣株選取5～10片長(zhǎng)勢(shì)一致、完全舒展的未受損葉片進(jìn)行葉綠素?zé)晒鉁y(cè)定。測(cè)定選擇晴朗天氣，測(cè)定時(shí)間為上午8:30～11:30，測(cè)定前先用暗適應(yīng)夾（避開(kāi)葉片主脈）對(duì)葉片進(jìn)行40min的暗適應(yīng)并做好標(biāo)記。在葉片進(jìn)行暗適應(yīng)期間，對(duì)儀器進(jìn)行日常檢查及校準(zhǔn)，使儀器的工作狀態(tài)穩(wěn)定，等暗適應(yīng)結(jié)束后按標(biāo)記對(duì)葉片進(jìn)行測(cè)定。測(cè)定時(shí)儀器的探頭與葉夾之間要緊密貼合，不能漏光，測(cè)定完后保存數(shù)據(jù)。測(cè)定參數(shù)包括：初始熒光F0，最大熒光Fm、最大光化學(xué)效率Fv/Fm、電子傳遞速率ETR、光化學(xué)猝滅qP、非光化學(xué)猝滅NPQ等，可由儀器的誘導(dǎo)曲線和快速光響應(yīng)模塊完成。6.3光合參數(shù)。采用便攜式光合儀Li-6400XT(LI-COR6400XT,Lincoln,USA），每樣株選取5～10片長(zhǎng)勢(shì)一致、完全舒展的未受損葉片，葉片大小應(yīng)能完全蓋住葉室，測(cè)定選擇晴朗天氣，測(cè)定時(shí)間8:00至11:00。在測(cè)定之前，需對(duì)儀器光路的穩(wěn)定性，氣路的密封性，藥品室等進(jìn)行日常檢查。然后將機(jī)器預(yù)熱半小時(shí)測(cè)定葉片的凈光合速率（Pn）,使用開(kāi)放氣路，空氣流速為0.5L·min-1，溫度為25℃,相對(duì)濕度為50%，CO2濃度為360μmol/mol-1。測(cè)定梯度設(shè)定為1800、1200、1000、800、600、400、300、200、150、100、90、-2-1，測(cè)定時(shí)每一光強(qiáng)下停留3min。測(cè)定前在600~1200μmol·m-2·s-1光強(qiáng)(依植物種類(lèi)及生長(zhǎng)光強(qiáng)而定)下誘導(dǎo)30min，以光量子通量密度(PFD)為橫軸，Pn為縱軸繪出光合作用光響應(yīng)曲線(Pn-PFD曲線)，依據(jù)葉子飄的方法擬合Pn-PAR的曲線方程：式中：Pn(I)為凈光合速率；I為光合有效輻射；Ic為光補(bǔ)償點(diǎn)；α、β、γ是獨(dú)立于I的系數(shù)。暗呼吸速率（RdRZ=-p(I=0)=-lc7光飽和點(diǎn)（Im）:最大凈光合速率P（Im）:CO2曲線的測(cè)量時(shí)，使用CO2注入系統(tǒng)提供不同的葉室CO2梯度(相當(dāng)于外界CO2濃度，Ca):1200、1000、800、600、400、380、200、150、100、80、50和0μmol·mol-1，測(cè)量飽和光強(qiáng)下（一般設(shè)定為800-1000μmol·m-2·s-1）葉片的凈光合速率(Pn)，即為光合CO2響應(yīng)曲線。利用新光合CO2的響應(yīng)模型(葉子飄等，2010)擬合光合CO2響應(yīng)曲線獲得最大光合能力(Anmax)、CO2補(bǔ)償點(diǎn)(Γ)和光呼吸(Rp)等參數(shù)。6.4葉片葉綠素相對(duì)含量。采用便攜式葉綠素測(cè)定儀SPAD-502測(cè)定。儀器在使用前，需進(jìn)行歸零校準(zhǔn)。每株選取長(zhǎng)勢(shì)相同且完全展開(kāi)葉10-15片，每片葉子測(cè)定3次，取平均值。6.5葉面積在樣株樹(shù)冠外緣向陽(yáng)面采集3片以上完全展開(kāi)且健康成熟的葉片，利用葉面積儀或者掃描儀對(duì)采集的葉片樣品進(jìn)行測(cè)定，獲取葉面積參數(shù)。葉面積應(yīng)該包括葉柄，復(fù)葉則測(cè)定整個(gè)葉片的面積。采集回來(lái)的葉片平鋪在地面上，旁邊放一張A4紙作為對(duì)照，用照相機(jī)拍照并做好編號(hào)。選取枝條上15片左右完全展開(kāi)、成熟且完整的葉片，用Epson掃描儀掃描植物葉片后分別放入信封袋內(nèi)保存。使用DigimizerFreeImageAnalysisSoftware處理得到的圖像，得到枝條面積。6.6比葉面積將測(cè)量葉面積后的葉片置于80℃烘箱內(nèi)烘干至少48h至恒重，并用分析天平稱(chēng)量干重，比葉面積=葉片面積/葉片干重，單位：cm2·g-1。6.7葉干物質(zhì)含量稱(chēng)取葉片鮮重后，將其放入85℃烘箱內(nèi)烘干至少48h至恒重后取出稱(chēng)重。干物質(zhì)含量=葉片干重/葉片鮮重，單位：g·g-1。6.8葉面積比率稱(chēng)取整株植株的鮮重后，將其置于85℃的烘箱中烘干至恒重，然后使用電子天平稱(chēng)重量，得到植株干重。葉面積比率=葉面積/植株干重，即單位干重的葉面積，單位：m2·g-1。6.9比葉重比葉重為單位葉面積的葉片重量，它與比葉面積互為倒數(shù)，是衡量葉片光合作用性能的一個(gè)參數(shù)，單位:kg·m-2。86.10葉干重比葉干重比是葉的干重與植株干重之比。6.11土壤和植物重金屬含量測(cè)定精確稱(chēng)取各種材料粉末0.4000g左右(精確到0.0001g)于ETHOS1/A微波消解儀(MDS)消解罐中，土壤樣品加8mLHNO3和2mLH2O2，植物地上部分加7mLHNO3和1mLH2O2，植物地下部分加7mLHNO3和2mLH2O2，運(yùn)用消解儀設(shè)定的消解程序進(jìn)行消解，結(jié)束后開(kāi)罐趕酸，用超純水將消解液轉(zhuǎn)入50mL容量瓶中定容，過(guò)濾去除雜質(zhì)，待測(cè)。待測(cè)溶液視測(cè)定條件酌情適當(dāng)稀釋。分析過(guò)程分別加入國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)土壤樣品(GSS-1)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)植物樣品(GSV-3)進(jìn)行分析質(zhì)量控制。每個(gè)樣品同時(shí)作2個(gè)平行分析樣。7.用于修復(fù)重金屬污染的優(yōu)良植物的篩選標(biāo)準(zhǔn)國(guó)內(nèi)外許多研究均總結(jié)了重金屬超積累植物的特征，如植物地上部的重金屬含量是普通植物在同一生長(zhǎng)條件下的100倍，Zn累積量為10g/kg，Cd累積量為100mg/kg，Pb、Cu累積量均為1000mg/kg等。然而，鑒于超積累植物生長(zhǎng)慢、地上部分生產(chǎn)量較低，且對(duì)重金屬的富集作用具有特異性等特征，若按上述標(biāo)準(zhǔn)篩選植物，卻具有很大的局限性。因此，筆者基于前人的研究成果，總結(jié)出用于修復(fù)重金屬污染的優(yōu)良植物應(yīng)具備以下幾個(gè)特征。7.1富集系數(shù)大于0.5富集系數(shù)表征土壤-植物體系中元素遷移的難易程度，是反映植物將重金屬吸收轉(zhuǎn)移到體內(nèi)的能力大小的評(píng)價(jià)指標(biāo)。富集系數(shù)越高，表明植物對(duì)重金屬富集質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大。然而有研究表明，植物生物量與重金屬富集量之間存在著某種平衡關(guān)系,即重金屬的高富集量是以低生物量為代價(jià)的，反之亦然。因此，將富集系數(shù)臨界值定為0.5，可以保證篩選到的植物有一定的生物量，便于推廣。7.2轉(zhuǎn)移系數(shù)大于0.5轉(zhuǎn)移系數(shù)用來(lái)評(píng)價(jià)植物將重金屬?gòu)牡叵孪虻厣线\(yùn)輸和富集的能力。轉(zhuǎn)移系數(shù)越大，則重金屬?gòu)母迪虻厣喜科鞴俎D(zhuǎn)運(yùn)的能力越強(qiáng)。轉(zhuǎn)移系數(shù)大于0.5，說(shuō)明植物能把大部分的重金屬遷移到地上部，有利于重金屬的回收利用。7.3對(duì)重金屬有較強(qiáng)的耐性根系耐性指數(shù)可以很好地反映植物對(duì)重金屬的耐性情況。因?yàn)橹亟饘倥c植物作用時(shí)，首先是根接觸重金屬，對(duì)重金屬進(jìn)行吸收或排斥，同時(shí)根細(xì)胞壁中存在大量的交換位點(diǎn)，能將重金屬離子交換吸收或固定，從而促進(jìn)或阻止重金屬離子進(jìn)一步向地上部分運(yùn)輸，因此，根系耐性指數(shù)是用來(lái)反映植物體對(duì)重金屬耐性大小的一個(gè)非常重要的指標(biāo)。從表象來(lái)看，即植物生長(zhǎng)良好，地上部生物量未減少，且未出現(xiàn)失綠癥狀和根系發(fā)黑現(xiàn)象。7.4生長(zhǎng)快，適應(yīng)性強(qiáng)，地上部生物量大限制超積累植物廣泛應(yīng)用的最主要原因，就是其生物量較小，而很多草本植物不僅對(duì)重金屬有一定9的吸收能力，而且具有適應(yīng)力強(qiáng)、生長(zhǎng)速度快、再生性強(qiáng)、地上部產(chǎn)量高等優(yōu)點(diǎn)。因此，選用草本植物修復(fù)重金屬污染的土壤，可在草本植物刈割幾茬之后，逐步“抽提”基質(zhì)中的重金屬，達(dá)到徹底修復(fù)重金屬污染的目的。南方地區(qū)重金屬污染區(qū)為鉛、鋅復(fù)合污染的礦區(qū)廢棄地，因此應(yīng)選取鉛、鋅污染耐受性較強(qiáng)，生態(tài)效益較好的木本植物栽種（附表I）。7.5不易進(jìn)入食物鏈有一些重金屬吸收強(qiáng)的植物，具有毒性或動(dòng)物不食性，在修復(fù)重金屬污染的土壤時(shí)，適量多栽種這些植物，可以避免重金屬進(jìn)入食物鏈，以免危害人體健康。8.耐性木本植物的篩選根據(jù)葉綠素?zé)晒鈪?shù)測(cè)得的Fv/Fm和氣體交換測(cè)得的Pn，構(gòu)建每個(gè)品種落葉木本植物“盆栽土壤鉛含量-Fv/Fm”和“盆栽土壤鉛含量-Pn”的拋物線擬合方程；通過(guò)拋物線擬合方程分別求得每個(gè)品種落葉木本植物Fv/Fm、Pn的最大值，分別記為maxFv/Fm，maxPn；該最大值表示該植物在最大凈光合速率和光化學(xué)活性上的潛在能力，最大程度地排除了葉片異質(zhì)性影響而造成的數(shù)據(jù)失真，比起通常通過(guò)測(cè)定無(wú)污染處理組植物的所得到的值更準(zhǔn)確的反映了葉片光合的性能；根據(jù)每個(gè)品種落葉木本植物拋物線擬合方程求得的maxFv/Fm、maxPn及步驟（3）、步驟（4）相同鉛污染濃度下實(shí)測(cè)的Fv/Fm、Pn，按下式求得相同鉛污染濃度下每個(gè)品種落葉木本植物的最大光化學(xué)效率的下降率、凈光合速率的下降率和總下降率：F（Fv/Fm）=（maxFv/Fm－Fv/Fm）/maxFv/Fm，F(xiàn)（Pn）=（maxPn－Pn）/maxPn，F(xiàn)=F（Fv/Fm）+F（Pn）=（maxFv/Fm－Fv/Fm）/maxFv/Fm+（maxPn－Pn）/maxPn，其中，F(xiàn)（Fv/Fm）為最大光化學(xué)效率的下降率，F(xiàn)（Pn）為凈光合速率的下降率，F(xiàn)為總下降率，即可通過(guò)總下降率F值來(lái)評(píng)價(jià)、比較不同品種落葉木本植物的鉛耐受性的強(qiáng)弱，下降率F值越大落葉木本植物的鉛脅迫耐受性越弱，總下降率F值越小落葉木本植物的鉛脅迫耐受性越強(qiáng)；作為優(yōu)選技術(shù)方案，采用便攜式葉綠素?zé)晒鈨x測(cè)定葉片的最大光化學(xué)效率Fv/Fm，采用便攜式光合儀測(cè)定葉片的凈光合速率Pn。作為優(yōu)選技術(shù)方案，最大光化學(xué)效率Fv/Fm的測(cè)定時(shí)間段為上午8:30～11:30，測(cè)定前用葉夾進(jìn)行40～60min的暗適應(yīng)。作為優(yōu)選技術(shù)方案，采用便攜式光合儀器測(cè)定葉片的Pn值時(shí)設(shè)定光強(qiáng)范圍為1000