糠醛渣和磷石膏对菱镁矿粉尘污染土壤的改良效果研究*

杨 丹

(贵阳学院生物与环境工程学院,贵州 贵阳 550005)

糠醛渣和磷石膏对菱镁矿粉尘污染土壤的改良效果研究*

杨 丹

(贵阳学院生物与环境工程学院,贵州 贵阳 550005)

采用盆栽试验，研究糠醛渣、磷石膏及两者混合物施入菱镁矿粉尘污染土壤后，土壤理化性质以及玉米幼苗生长状况、生物量、叶绿素含量、超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、过氧化物酶(POD)活性的变化，旨在了解糠醛渣和磷石膏对菱镁矿粉尘污染土壤的改良作用与效果。结果表明：糠醛渣和磷石膏均能显著增加土壤中微生物生物量碳和氮，糠醛渣能有效降低土壤pH，增加有机质含量；磷石膏能有效调节土壤水溶性Mg2+/Ca2+。糠醛渣和磷石膏混合施用时，玉米幼苗最大根长、株高、生物量、叶绿素含量及SOD、CAT、POD活性均优于其他处理组。可见，糠醛渣与磷石膏可有效改善菱镁矿粉尘污染土壤理化性质，促进植物生长，且两者混合施用效果优于单施。

菱镁矿 土壤 糠醛渣 磷石膏 玉米

我国菱镁矿资源储量丰富，其开采、加工及出口量均居世界首位。然而，大规模菱镁矿开采和加工严重破坏了矿区周边环境。菱镁矿在煅烧过程中释放的粉尘(主要成分为氧化镁和碳酸镁)沉降于地表后在降雨等作用下形成致密结皮(4MgCO3·Mg(OH)2·4H2O)，使矿区土壤性质恶化，主要表现为pH急剧上升，土壤有机质、氮、磷和有效钙含量等较低，土壤镁钙比例严重失调等[1-2]。菱镁矿粉尘还对土壤酶活性造成影响，土壤中多种酶的活性均与镁含量呈负相关关系[3]。随着污染程度的增加，菱镁矿煅烧厂附近土壤微生物纤维素酶活性、微生物群落呼吸强度、生物量和新陈代谢熵等均呈显著下降趋势[4]。由于菱镁矿粉尘造成土壤性质改变，使得植被生长受到影响[5]，污染严重的地区草本植物几乎不能生存，仅有少量灌木存活，从而导致森林和农田生产力急剧下降。

目前，菱镁矿粉尘污染土壤的治理和修复尚无成熟的技术和经验借鉴[6]。有学者提出通过施加硫酸钙降低粉尘中镁对土壤物理性质的影响[7]，或者对土壤改良后进行施肥，解决污染土壤中养分不足的问题，从而使农作物正常生长[8]。张立军等[9]的研究表明，在菱镁矿粉尘污染土壤中加入磷石膏后，不仅可增加有效钙含量，降低土壤中水溶性Mg2+/Ca2+，缓解土壤中过量镁的毒害作用，同时能降低土壤pH，提高有效磷含量，从而促进作物生长。若再施入猪粪，可使土壤的营养供给得到进一步改善，促进玉米根系发育，增大其根系活力[10]。VYSHPOLSKY等[11]在长期的田间实验中发现，在镁含量较高的地区，施加磷石膏能显著提高当地棉花的产量。王泓泉等[12]发现，在菱镁矿粉尘污染土壤中配施磷酸二氢钙后，显著促进了羊草、披碱草、剪股颖和碱茅的生长。可见，菱镁矿粉尘污染土壤理化性质的改良是解决菱镁矿区生态修复中植被构建问题的有效措施，是菱镁矿区环境综合治理的重点。

表1 土壤、糠醛渣和磷石膏的理化性质

本研究前期已对辽宁省海城市某菱镁矿区土壤污染状况进行了调查和分析，发现菱镁矿粉尘污染土壤的改良主要是解决土壤pH较高、水溶性Mg2+含量较高、水溶性Mg2+/Ca2+失调和养分不足等问题[13-14]。工业固体废弃物糠醛渣酸性较强，且富含有机质，可用来调节污染土壤中的pH，增加土壤养分；磷石膏中含有大量Ca2+和P，可用于调节污染土壤中水溶性Mg2+/Ca2+，提高土壤养分含量。因此，根据菱镁矿粉尘污染土壤的特点，采用糠醛渣和磷石膏作为改良剂，研究不同改良剂添加方案对土壤理化性质和玉米生长及生理指标的影响，评价糠醛渣和磷石膏对菱镁矿粉尘污染土壤的改良效果，旨在为菱镁矿粉尘污染土壤的改良提供依据，进而为菱镁矿区生态修复中的植被构建提供有效途径。

1 材料与方法

1.1试验材料

供试土壤采自辽宁省海城市内距某菱镁矿煅烧厂300m左右的菱镁矿粉尘污染废弃地，土壤采样深度0～20cm，为发育于黄土状母质的棕壤；供试糠醛渣为某糠醛生产公司的废弃物，磷石膏为某化肥厂生产磷铵的副产品。土壤、糠醛渣、磷石膏的理化性质见表1。

1.2试验设计

土壤、糠醛渣、磷石膏均风干后过2mm筛。在预实验中，将糠醛渣和磷石膏分别以5.0%(质量分数，下同)、10.0%、15.0%、20.0%、30.0%的添加量加入菱镁矿粉尘污染土壤中，平衡45d后种植玉米。研究发现，糠醛渣、磷石膏的添加量为15.0%时玉米幼苗的长势、株高和生物量均为最佳。为此，本试验设计改良剂添加量为15.0%，单施糠醛渣处理记为F组，单施磷石膏处理记为P组，两者混施(糠醛渣7.5%+磷石膏7.5%)处理记为F+P组。将改良剂与土壤混合均匀，每盆装土2.5kg放于室内，每天称重，土壤含水率始终保持在田间持水量的70%(质量分数)左右，平衡45d后种植玉米，同时设不加改良剂的对照处理(CK组)。玉米种子经消毒浸泡后，每盆撒种3粒，待出苗后每盆定植2株，每个处理种植6盆，其中3盆用于测定生长指标，3盆用于测定生理指标，45d后收获。

1.3测定方法

土壤、糠醛渣及磷石膏的pH、全氮、全磷、硝态氮、铵态氮、碱解氮、速效磷，有机碳，水溶性Ca2+、水溶性Mg2+等理化性质的测定采用土壤农业化学分析法[15]；微生物生物量碳(MBC)的测定参照文献[16]；微生物生物量氮(MBN)的测定参照文献[17]；采用丙酮浸提/分光光度法测定叶绿素含量[18]；采用氮蓝四唑(NBT)光还原法测定超氧化物歧化酶(SOD)活性[19]；采用愈创木酚法测定过氧化物酶(POD)活性[20]；采用过氧化氢法测定过氧化氢酶(CAT)活性[21]。

1.4数据处理

采用Microsoft Excel2010进行数据处理，所有数据均为3次重复平均值。采用最小显著差异法(LSD)进行差异显著性检验。

2 结果与讨论

2.1改良剂对土壤理化性质的影响

不同处理组菱镁矿粉尘污染土壤的基础理化性质见表2。由表2可见，与CK组相比，F组、P组pH均有所下降，F组pH下降较P组明显；F组有机碳明显增加，P组有机碳没有明显变化；F组、P组土壤中铵态氮、硝态氮含量均有不同程度的增加，P组速效磷增幅较大，F组中水溶性Ca2+提高了66.7%，P组水溶性Ca2+增加了23.3倍。F组水溶性Mg2+/Ca2+(摩尔比)降低到10.68，而P组水溶性Mg2+/Ca2+降低到0.80，相比CK组降幅为94.3%，F+P组对各理化指标及水溶性Mg2+/Ca2+的调节作用也十分明显。

表2 不同处理下菱镁矿粉尘污染土壤的基础理化性质1)

注：1)字母不同代表组间处理差异显著(P<0.05)，图1至图5及表3同。

由表2可知，两种改良剂对土壤均具有一定改良效果，分析原因，糠醛渣是用玉米芯生产糠醛后排出的固体废弃物，含残余硫酸，且含有丰富的有机质以及一定量的氮磷等速效养分[22]。由于本身酸性较强，糠醛渣能够有效中和污染土壤的碱性，使土壤pH显著降低，其中富含的有机质也显著提高了土壤有机碳含量。磷石膏是生产磷肥排放的固体废弃物，几乎不含有机质，主要成分为磷酸钙，并富含速效磷、水溶性Ca2+等，游离酸含量相对较少，因而对土壤pH调节效果不大，也不会增加土壤中的有机碳含量。碱性条件下铵态氮易挥发[23]，添加糠醛渣可有效调节土壤pH，且糠醛渣中的无机酸和有机酸与铵结合形成铵盐，避免了土壤中铵态氮的挥发损失[24]。磷石膏中含有的少量无机酸也能与铵结合，提高土壤铵态氮含量。由于糠醛渣和磷石膏中都含有大量速效磷(见表1)，因此添加改良剂的处理组中速效磷含量均显著高于CK组。磷石膏中所含的钙提高了土壤中水溶性Ca2+含量，因而有效调节了土壤中的水溶性Mg2+/Ca2+，而糠醛渣含钙量较低，对水溶性Mg2+/Ca2+的调节效果不显著。

土壤中水溶性Mg2+/Ca2+是影响植物生长发育的一个重要因素，土壤中过量Mg2+对植物的危害不取决于水溶性Mg2+的绝对含量，而是取决于水溶性Mg2+/Ca2+。水溶性Mg2+/Ca2+过大时将对作物吸收Ca2+产生拮抗作用，导致作物缺钙，从而发生Mg2+的毒害作用[25]。吴洪生等[26]研究发现，水溶性Mg2+/Ca2+小于1时，植物生长不受Mg2+的毒害；水溶性Mg2+/Ca2+为1～3时，某些作物的生长将受到一定的影响；水溶性Mg2+/Ca2+为3～9时，小麦种根受到明显影响；水溶性Mg2+/Ca2+为9～15时，小麦种根无根毛，苗直立而叶卷缩，三叶期后种子胚乳耗尽；水溶性Mg2+/Ca2+为15～20时，所有作物和树木都生根困难；水溶性Mg2+/Ca2+大于20时，所有植物种子都难以萌发。本研究中F组水溶性Mg2+/Ca2+为10.68，仍在10以上；P组、F+P组的水溶性Mg2+/Ca2+分别为0.80、1.11，P组、F+P组玉米生长状况好于F组，可能与水溶性Mg2+/Ca2+的调节效果有关。

2.2 改良剂对土壤MBC、MBN及玉米生长的影响

不同处理组的MBC、MBN对比见图1。由图1可见，F组土壤MBC、MBN比CK组分别高出2.02、4.75倍；P组土壤MBC、MBN比CK组分别高出2.27、5.54倍；F+P组土壤MBC、MBN比CK组分别高出8.08、7.14倍。这是因为加入改良剂后土壤pH和养分状况得到改善，且MBC、MBN与土壤水溶性Mg2+/Ca2+呈显著负相关，因此微生物量得到增加。值得说明的是，F+P组土壤MBC、MBN明显高于F组和P组，说明此条件下土壤pH、养分含量、水溶性Mg2+/Ca2+等更适宜微生物生长。

图1 不同处理组的MBC、MBNFig.1 MBC and MBN of different treatment groups

不同处理组的玉米幼苗生长情况见表3。由表3可见，F组玉米幼苗最大根长、株高、地上生物量、根部生物量分别高于CK组1.05、1.15、1.46、1.52倍；P组玉米幼苗最大根长、株高、地上生物量、根部生物量分别高于CK组1.14、1.34、1.54、1.71倍；F+P组玉米幼苗最大根长、株高、地上生物量、根部生物量分别高于CK组1.27、2.20、1.54、2.29倍。其中，F+P组的玉米幼苗最大根长、株高、植株生物量明显优于其他处理组，与土壤MBC、MBN改良效果相似。可见，两种改良剂混合添加对于改良菱镁矿粉尘污染土壤更为有效。

表3 不同处理组的玉米幼苗生长情况1)

注：1)地上生物量、根部生物量均以干质量计。

2.3 改良剂对玉米幼苗叶绿素及酶活性的影响

不同处理组玉米幼苗叶绿素含量见图2。由图2可见，F组、P组、F+P组的叶绿素含量显著高于CK组，F组与P组叶绿素含量差异性不显著，F+P组叶绿素高于CK组56%。叶绿素含量的高低反映了植物叶片光合能力的强弱。糠醛渣和磷石膏混合添加时，玉米幼苗叶片叶绿素含量显著高于其他处理，说明此条件下玉米幼苗光合能力较强。弓建国等[27]的研究表明，有机肥与磷肥的施用能够提高马铃薯叶绿素含量。糠醛渣富含丰富的有机质及腐殖酸，磷石膏富含大量的磷和钙，糠醛渣和磷石膏混合对土壤的改良效果与有机肥和磷肥混合的改良效果类似。

不同处理组在玉米幼苗生长20、30、40 d时叶片及根部SOD活性对比见图3。由图3可见，F组、P组、F+P组玉米幼苗叶片及根部SOD活性均显著高于CK组，F组与P组玉米幼苗叶片SOD活性无显著差异， P组玉米幼苗根部SOD活性接近F+P组，显著高于F组及CK组。

图2 不同处理组的玉米幼苗叶绿素Fig.2 Chlorophyll content of maize seedlings in different treatment groups

不同处理组在玉米幼苗生长20、30、40 d时叶片及根部CAT活性对比见图4，POD活性对比见图5。由图4可见，F组、P组、F+P组玉米幼苗叶片及根部CAT活性均显著高于CK组，其中F+P组玉米幼苗叶片及根部CAT活性均最高，其次为P组。由图5可见，F+P组玉米幼苗叶片POD活性最高，P组根部POD活性最高。总体而言，F+P组玉米幼苗叶片和根部抗氧化酶活性最好。

生物细胞在污染、盐胁迫等逆境条件下会受到活性氧自由基的伤害[28-29]。SOD是清除体系中活性氧的关键酶，是防止超氧自由基对细胞膜系统造成伤害的保护酶；CAT参与活性氧代谢过程，其活性变化是植物对环境的一种生理生化反应；POD是与植物抵御不良环境如污染胁迫等有关的细胞内保护酶[30-31]。SOD、CAT、POD共同组成了活性氧清除系统，防止自由基的毒害，维护膜系统的稳定性，SOD、CAT和POD活性的高低，反映了植物细胞膜的抗氧化能力以及植物生长状况[32]。在本研究中，添加改良剂的玉米幼苗SOD、CAT、POD活性均显著高于对照组，说明改良剂可提高植物保护自身细胞膜系统的能力，有利于植物的生长发育。P组玉米幼苗叶片和根部SOD、CAT、POD活性均高于F组，可能与磷石膏对土壤中可溶性Mg2+/Ca2+的调节效果更佳有关。F+P组玉米幼苗叶片和根部的SOD、CAT、POD活性最高，说明此时植物保护自身细胞膜系统的能力强于其他处理组，结合玉米幼苗株高、生物量、叶绿素含量等玉米生长指标可知，糠醛渣与磷石膏的混合施用能更有效地改善菱镁矿粉尘污染土壤的性质，促进植物生长发育。

图3 不同处理组玉米幼苗的SOD活性Fig.3 The SOD activity of maize seedlings in different treatment groups

图4 不同处理组玉米幼苗CAT活性Fig.4 The CAT activity of maize seedlings in different treatment groups

图5 不同处理组玉米幼苗POD活性Fig.5 The POD activity of maize seedlings in different treatment groups

3 结 论

糠醛渣能够有效降低菱镁矿粉尘污染土壤pH、增加土壤有机质含量，磷石膏能够显著增加水溶性Ca2+含量，调节土壤水溶性Mg2+/Ca2+；将糠醛渣与磷石膏混合添加于菱镁矿粉尘污染土壤中后种植玉米，玉米幼苗的株高、生物量、叶绿素含量、SOD、CAT及POD活性等明显高于单施糠醛渣、单施磷石膏及对照组。由此可知，糠醛渣与磷石膏混合施用能更有效地改善菱镁矿粉尘污染土壤性质，促进植物生长，有利于菱镁矿区植被构建。

(致谢：感谢中国科学院沈阳应用生态研究所林业生态工程组为本研究提供实验场所，感谢艾桂艳和李晶石在室内样品处理及分析过程中的大力帮助！)

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Amelioratingeffectoffurfuralresidueandphosphogypsumonsoilcontaminatedbymagnesitedusts

YANGDan.

(CollegeofBiologicalandEnvironmentalEngineering,GuiyangUniversity,GuiyangGuizhou550005)

A pot experiment was conducted,in which furfural residue,phosphogypsum and their mixture were added to magnesite dusts contaminated soil. Soil physicochemical properties,as well as growth,biomass,chlorophyll concentration,superoxide dismutase (SOD),catalase (CAT) and peroxidase (POD) activities of maize seedlings were determined to analyze ameliorating effect of furfural residue and phosphogypsum on contaminated soil. The results showed that both furfural residue and phosphogypsum could obviously increase soil microbial biomass C and N；furfural residue could effectively decrease soil pH and increase organic matter; phosphogypsum could significantly adjust soil Mg2+/Ca2+. Mixed amendment addition could better increase the maximum root length,height,biomass,chlorophyll concentration,SOD,CAT and POD activities of maize seedlings than other treatments. Therefore,furfural residue and phosphogypsum could significantly improve physicochemical properties for such contaminated soil,promote plant growth,and their mixed addition had better ameliorating effect.

magnesite； soil； furfural residue； phosphogypsum； maize

作者：杨 丹，女，1982年生，博士，副教授，研究方向为土壤环境质量评价与污染防治。

*贵州省科学技术基金资助项目(黔科合J字[2013]2299号)；贵州省科学技术联合基金资助项目(黔科合LH字[2014]7180号)。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.03.014

2016-08-20)