菌渣改良淤泥用于黑麦草种植试验

王龙涛,徐扬帆,陈文峰,夏新星

(1.中交第二航务工程局有限公司,武汉 430040; 2.长大桥梁建设施工技术交通行业重点实验室,武汉 430040;3.交通运输行业交通基础设施智能制造技术研发中心,武汉 430040; 4.中交公路长大桥建设国家工程研究中心有限公司,武汉 430040)

0 引 言

为了改善城市水环境,阻断河湖底泥内源污染对水体的污染,环保清淤已成为城市河湖治理的常用方法之一。它通过清除水体中的污染底泥,大规模减少了湖泊污染负荷,阻断了污染物质从底泥流向水体的通量[1]。清淤后的淤泥含水率往往较高,因此需要对淤泥进行脱水处理(机械脱水、化学絮凝和电渗脱水等)以达到资源化利用的要求[2-3]。目前清淤淤泥资源化利用主要分为综合利用(堆肥、填方材料、建筑材料、土地利用等)和填埋处理,而将淤泥中富集的大量营养物质转化成土壤改良剂的成分来促进植物的生长,并且由于园林绿化观赏性植物不会对食物链造成污染和危害,这种资源利用方式得到广泛认可[4]。在自然土壤中添加合适比例的疏浚底泥不仅改善了土壤养分含量,而且提高了土壤微生物群落的多样性[5]。但研究发现脱水干化泥饼经破碎处理后直接用于园林绿化种植后,会导致土壤孔隙率低、容易板结,并且影响植物根部的呼吸作用以及对水、无机盐等营养物质的吸收[6]。因此脱水泥饼进行土地利用之前需要对其进行改良处理,以达到园林绿化种植土的要求。

目前已有不同技术将淤泥进行改良用于园林绿化种植土,研究发现将河沙作为淤泥改良剂后,改良土含盐率、有机质等均能满足《绿化种植土壤》的要求[7],但改良后的土壤后期仍会出现板结问题。而将脱硫石膏和有机肥改良底泥虽然会提高有机质含量[8],但该方法对盐碱性土壤效果较好。菌渣富含多种生物活性成分及有机营养物质[9-10],这些营养物质不但能改变土壤的营养结构,菌渣分解形成的腐殖质也具有良好的通气蓄水能力[11]。投加菌渣也能影响植物根系微生物的群落结构及多样性,引起土壤生物学特性的差异,对土壤的改良和肥力的提高具有重要意义[12]。

因此本文针对城市环保清淤过程中产生的大量淤泥,探讨经过不同处理的菌渣对脱水泥饼理化性质的影响,同时利用改良淤泥种植植物,分析各处理组植物的生长状况及根系微生物群落多样性和丰度的变化,为合理处理脱水泥饼提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本研究供试泥饼为投加复合絮凝调理药剂后经板框脱水设备压滤出来的改良泥饼,复合絮凝调理药剂由聚合氯化铝、阴离子型聚丙烯酰胺和改性剂组成[13],从泥饼的X射线衍射(X-ray Diffraction,XRD)图谱可以看出(图1),泥饼中的主要矿物组分包括石英、高岭石和伊利石,还含有少量的水化硅酸钙和水化硅铝酸钙矿物。菌渣从襄阳市某饲料厂购买,菌渣中含有丰富的蛋白质、纤维素和氨基酸,此外还含有钙、磷、铁、镁等微量元素。分别将风干的泥饼和菌渣进行破碎,其中泥饼破碎粒径分布见表1,菌渣过50 mm方孔筛,分别取筛下物细颗粒菌渣50 g,筛上物粗颗粒菌渣40 g。

表1 泥饼破碎粒径分布Table 1 Particle size distribution of crushed sludge cake

图1 泥饼XRD图谱Fig.1 XRD pattern of sludge cake

1.2 试验设计

本试验设置3个处理组,分别为T1、T2、T3,其中T1组为添加10 g/kg细颗粒菌渣,T2组为添加40 g/kg细颗粒菌渣,T3组为添加40 g/kg粗颗粒菌渣,另外将不添加任何菌渣处理的CK组作为空白对照。然后将菌渣和泥土按照不同比例混合后使用搅拌机搅拌均匀,每组设置3个盆栽平行样。实验盆栽的花盆尺寸为14 cm(长)×11 cm(宽)×13 cm(高),每个盆栽种植30株黑麦草,所有处理组隔天灌溉一次,并确保每组灌溉量相同。各组pH值、土壤表观密度(Soil Bulk Density,SBD)、孔隙率(Void Ratios,VR)见表2。

表2 各组样本基本理化性质Table 2 Basic physicochemical properties of each group of samples

1.3 样本收集

本试验于2021年8月在中交第二航务工程局有限公司阳逻实验基地进行,每隔一周观察黑麦草的生长状况,在种植4周后,将所有处理组的植物取出,并测量根系部分的生长状况;同时对根系土壤进行取样,取出的根系土壤一部分用于土壤养分的测定;还有一部分在4 ℃保存,用于基本理化指标(有机质、有效钾、有效磷等)的测定,相关理化性质的测定参考《土壤农化分析》[14]中的方法进行;剩余部分保存在-80 ℃超低温冰箱,用于DNA的提取。

1.4 微生物测序

使用Fast DNA Spin Kit for Soil (Qbiogene Inc., USA)试剂盒提取土壤样品基因组DNA,将提取的DNA样品使用超微分光光度计检查其纯度和浓度后进行聚合酶链式反应(Polymerase Chain Reaction,PCR)扩增。土壤16S rRNA基因PCR扩增体系见表3,扩增引物为338F(ACTCCTACGGGAGGCAGCAG)和806R(GGACTACHVGGGTWTCTAAT)。PCR反应条件:95 ℃预变性3 min,95 ℃变性30 s,56 ℃退火10 s,72 ℃延伸45 s,72 ℃延伸10 min,共35个循环,PCR产物使用1.0%的琼脂糖凝胶电泳进行检验。由上海美吉生物医药科技有限公司完成后续高通量测序,其中高通量测序平台为Illumina MiSeq PE300。

表3 PCR扩增体系Table 3 PCR amplification system

1.5 数据分析

使用SPSS 20.0软件进行单向方差分析(Analysis of Variance,ANOVA)和Tukey检验(P<0.05)对土壤理化性质数据进行显著性差异分析,采用Origin 8.0软件绘图。使用Canoco 4.5软件分析微生物群落丰度与环境因子的相互关系。使用消除趋势对应分析(Detrended Correspondence Analysis,DCA)得到本研究中梯度长度值<3,因而选用冗余分析(Redundancy Analysis, RDA)法分析微生物丰度与环境因子。

2 试验结果

2.1 不同菌渣用量对黑麦草生长的影响

在对黑麦草培养4周后进行收割并对其径长和根长进行测定。结果如图2所示,菌渣与调理泥饼的混合利用可以促进植物的生长,各处理组径长生长量的差异显著(P<0.05),并且其生长量均高于CK组。其中T1和T2处理组径长的生长量比CK组分别提高了17.17%和28.27%。而添加粗颗粒菌渣T3处理组增量最为显著,径长达到了14.65 cm。各处理组根长的生长量差异显著(P<0.05),T3处理组根长生长量最大为2.86 cm。并且相对于CK组,T3处理组根长生长量提高了3.3%。

图2 不同菌渣对泥饼改良作用下黑麦草径和根的生长量的影响Fig.2 Plant height and root growth of ryegrass under the effect of sludge cake modified with different bacteria residues

2.2 不同菌渣用量对改良泥饼基本理化性质的影响

在土壤中施加菌渣不但能加强土壤的透气和保水等特性,而且还能提高土壤养分的含量。由图3可看出,相对于CK处理组,施加不同含量的菌渣均能显著(P<0.05)提高土壤中有机质含量和阳离子交换量,并且在投加40 g/kg细颗粒菌渣时效果最优,土壤中有机质和阳离子交换量分别为39.73 g/kg、39×10-2mol/kg。

图3 菌渣调理对土壤理化性质的影响Fig.3 Effect of bacterial residue on physicochemical properties of soil

菌渣施加作用下各处理组矿质元素含量如图4所示,相对于CK处理组,施加菌渣后,各组矿质元素含量均明显升高(P<0.05)。并且各组水解性氮、有效磷、有效钾和有效硫含量差异显著(P<0.05),其中T2处理组水解性氮含量最高为86.3 mg/kg,而T3处理组有效磷含量最高为120 mg/kg。各处理组有效钾含量随着菌渣的增加而提高。

图4 菌渣调理对土壤矿质元素含量的影响Fig.4 Effect of bacterial residue on mineral element content of soil

2.3 不同菌渣用量对微生物物种分布的影响

从群落组成柱状图5可以看出,各样本的群落组成均有区别,所有样品中的前5个主要门分别为:变形菌门(Proteobacteria)、放线菌门(Actinobacteriota)、厚壁菌门(Firmicutes)、芽单胞菌门(Gemmatimonadota)和拟杆菌门(Bacteroidota),它们总共占细菌群落相对丰度的75%以上。在这些优势门类中,变形菌门在T2处理组中所占比例最为丰富(36.02%),但在T3处理组最少(27.74%)。放线菌门作为第二丰富的门,在T3处理中最高(28.53%),在CK处理中最低(15.88%)。厚壁菌门在各处理组所占的比例均在10%左右,芽单胞菌门在T3处理组中占比例最多为11.74%。拟杆菌门在CK处理组最为丰富为12.23%,而在T1处理组中占比例仅为2.14%。

注:Proteobacteria、Actinobacteriota、Firmicutes、Gemmatimonadota、Bacteroidota、Acidobacteriota、Chloroflexi、Myxococcota、Bdellovibrionota、Cyanobacteria、Patescibacteria、others 分别表示:变形菌门、放线菌门、厚壁菌门、芽单胞菌门、拟杆菌门、酸杆菌门、绿弯菌门、粘菌门、蛭弧菌门、蓝细菌门、髌骨菌门、其他。图5 菌渣改良作用下植物根系微生物群落组成Fig.5 Microbial community composition of plant roots under the effect of bacterial residue improvement

从菌渣改良作用下植物根系微生物多样性和丰度指数表可以看出(表4),所有处理组的覆盖率指数(coverage)均>0.99,表明此次测序可以较真实地反映土壤样本的群落特征。与CK处理组相比,添加菌渣的处理组的丰富度ace指数和chao指数明显增加。T2处理组的shannon多样性指数最高为4.790 903,而simpson指数最高的处理组为T3(0.040 952)。

表4 菌渣改良作用下植物根系微生物多样性指数Table 4 Microbial diversity index of plant roots under the effect of bacterial residue improvement

2.4 不同菌渣用量对微生物群落丰度的冗余分析

从冗余分析(Redundancy Analysis, RDA)图(图6)可以看出,前2个RDA轴共同解释了97.83%的方差。放线菌门(Actinobacteriota)和芽单胞菌门(Gemmatimonadota)群落相对丰度与孔隙率(VR)呈正相关,并且放线菌门与孔隙率相关性较强。拟杆菌门(Bacteroidota)群落相对丰度与土壤pH值和重度呈正相关。而各处理组代表的点之间距离较远。

图6 微生物群落丰度和环境因素的冗余分析Fig.6 Redundancy analysis of abundance and environmental factors of microbial community

3 讨 论

研究发现单一使用破碎泥饼作为种植土,在种植过程中土壤会出现板结、透气性差、水分难以入渗等情况,而将菌渣作为有机成分施加到土壤中,不但加强了土壤的保水能力和透气性能,同时也改善土壤的理化性质,进而促进了植物的生长[15]。本研究中黑麦草径长和根长的长势与菌渣的投加量呈正比,并且T3处理组植物的生长状况最好,这可能是因为T3组中较高的孔隙度增加了土壤中氧气含量,进而提高了植物根系与土壤中的空气交换能力,使植物获得了自身生长所需的氧气含量。在对草坪土壤投加菌渣进行改良也发现,投加菌渣后不但可以提高土壤持水性还能有效降低土壤重度,并且土壤的田间持水量随着菌渣使用量的增加而提高[16]。

菌渣富含多种有机成分,能够改善土壤中营养成分的组成。研究发现菌渣还田后,土壤溶解性有机碳含量明显增加,并且总有机碳含量可提高到32.7%～56.0%[11,17]。本研究中,各处理组有机质含量及阳离子交换量明显高于CK组(P<0.05),并且土壤中水解性氮、有效磷和有效钾含量随着菌渣的投加量增多而增加,这与温广蝉等[18]的研究相似,即菌渣的投加量与土壤供钾能力呈正相关关系。菌渣投加后提高了以带负电荷为主的土壤有机胶体的含量,而这些带负电荷的有机胶体进而对钙、镁等土壤中的阳离子养分进行吸附,吸附的阳离子养分也可以随时被植物根系吸收[15],这可能是投加菌渣后植物的生长状况较好的另外一个原因。

菌渣的投加也能影响植物根系微生物群落结构和多样性[18]。本研究投加菌渣后,在一定程度上改变了土壤重度和孔隙率等理化性质,而土壤微生物所生存的微环境随土壤的理化性质改变而改变,从而使土壤中不同微生物的群落结构及丰度发生改变。本研究中,菌渣处理组放线菌门中微生物相对丰度明显升高,而拟杆菌门则相反。这与先前的研究结果相似,即放线菌门中的微生物相对丰度与土壤养分呈正相关[19],并且放线菌可以产生多种抗生素来保护土壤和植物根部免受病原微生物的侵害,同时降解基质中难降解的物质进而提高植物需要的养分[20],这进一步促进了放线菌门中微生物的生长和繁殖。各处理组中变形菌门中微生物的相对丰度也较高,这可能是因为变形菌门中拥有较多种类的有机物降解功能的微生物,而菌渣所带来的养分促进了这些微生物的生长[21]。本研究中放线菌门与孔隙率相关性较强,而土壤中氧气和有机质含量则是影响根系微生物群落的重要因素[22-23]。研究发现向土壤施加菌渣后,土壤中微生物的丰度也明显提升,其中放线菌的丰度增加达18.0%[24-25],作物的品质和产量也得到了大幅的提升[26]。因此菌渣改变了土壤性质的同时也影响细菌群落的组成,对植物的生长和有益微生物繁殖起到了至关重要的作用。

脱水泥饼是一种具有潜在利用价值的资源,其处理研究已成为一种必然的趋势。本研究利用菌渣改良脱水泥饼应用于工程施工现场的绿化种植,不仅可以使泥饼得到资源化利用,而且施工步骤简单,过程中无需考虑泥饼保存、外运及处置等成本。并且与传统泥饼处置方法相比,处理成本较低,具有良好的经济效益及适用性。

4 结 论

本研究中对脱水泥饼进行了3种不同的菌渣处理。结果表明:

(1)菌渣能显著提高土壤中营养成分的含量,并且对植物径长和根长的生长作用明显。

(2)菌渣处理不仅能改变土壤微生物的群落结构,还能显著提高土壤中有益菌放线菌门中微生物相对丰度,并且菌渣的粒径越大,对植物及土壤根系微生物的生长越有利。

本研究结果为河湖疏浚底泥减量化、资源化利用方面提供了借鉴,可以应用于工程施工现场园林绿化等土壤改良及生态护岸的植被恢复。