污泥-五种植物协同对赤矿泥土壤化处置的促进作用

徐 敏 ,成官文 ,岳远隋 ,徐晓宇 ,杜诚豪 ,王云龙 ,曾玉辉,冯 杰,农国武,黄振艺

(1.桂林理工大学 环境科学与工程学院,广西 桂林 541006;2.中国铝业股份有限公司 广西分公司,广西 平果 531400)

赤泥是铝土矿提炼氧化铝后排出的铝工业大宗固废,而提炼1 t 氧化铝产生1～2 t 赤泥[1-2],2018年,赤泥全球库存达到46 ×108t,年均增长约2 ×108t,我国赤泥年产量达到6 900 ×104t[3];矿泥是洗矿中产生的矿业固体废物以浆状形式排出后形成的沉淀物[4],我国矿泥堆存量已超过3.5 ×108t,利用率不足4%,赤泥、矿泥的堆存为环境与安全带来巨大风险[5]。

目前,矿泥资源化的主要途径是制备氧化铁红、聚合氯化铝铁、高铝水泥、煤矸石砖等[6];赤泥综合利用的主要途径是用于制备生产建筑材料、陶瓷和吸附材料,还可以提取有价金属等[7],但受技术可操作性、产品竞争力、生产成本、物理费用以及放射性等局限,难以推广和实施[8],因而赤泥土壤化修复的技术思路逐渐引起学者的关注。COURTNEY和薛生国[9]研究发现利用石膏无机矿物材料作为改良剂,可以在一定程度上改善赤泥的土壤性质,有效降低可交换钠比例,促进植物生长;胡树翔等[10]发现添加生物质可大幅度提升赤泥基质中微生物群落的活性和多样性,并增强土壤酶活性。但目前为止尚没有成熟的推广技术方法。经课题组初步探究,张宇玲等[11]研究发现黑麦草种子发芽率在控碱赤泥与脱水矿泥组合成的赤矿泥基质达到99.67%;段绍彦等[12]研究发现,矿坑周边坡耕地土壤理化性质与赤泥-矿泥土壤化处置赤矿泥基质特性较为互补,能够为赤泥-矿泥土壤化处置提供适宜环境空间。在此研究基础上,课题组进行了实际生态处置工程应用,开展赤泥-矿泥土壤化矿坑原位生态复垦研究,要考察外源施加污泥及不同种类的植物下赤矿泥基质的盐碱、养分、酶活、微生物多样性的变化特征及相互关系,以期为赤泥、矿泥土壤化处置和规模化消纳提供技术依据。

1 材料与方法

1.1 试验场地及材料

赤泥和脱水矿泥取自中国铝业股份有限公司广西分公司。赤泥pH 值为11.12～11.18;脱水矿泥pH 值为7.01～7.06。赤泥和脱水矿泥主要化学成分见表1。

表1 赤泥、脱水矿泥的化学组分Table 1 Chemical compositions of red mud and dehydrated mineral slime %

示范研究场地位于北纬23°22′52″、东经107°30′57″,属于中国铝业股份有限公司广西分公司矿山采空区。根据前期研究成果[11,13],赤泥按3.3 g·kg-1石膏粉、5 g·kg-1FeCl3、3.3 g·kg-1MgCl2配比控碱,陈化90 d 后与脱水矿泥按1∶4(干重比)在采矿矿坑进行土壤化处置:混匀、摊平、压实后,再表层覆盖10 cm 场地整理杂土,选取其中长16 m、宽3.5 m的示范研究场地作为污泥-五种植物协同作用对控碱赤泥、脱水矿泥土壤化矿坑原位生态复垦进行研究。试验选择经小试初步筛选的翠芦绿(R)、鬼针草(S)、狗牙根(B)3 种草本植物和桑树(M)、桉树(E)2 种乔木植物,分别种植在5 块同等大小的样区(每块样区面积:2.8 m×3.5 m=9.8 m2),且植物种类区域间隔为0.5 m。在2021 年4 月施加一次污泥肥料。

场地土壤化处置覆土前赤矿泥基质盐碱及其养分指标:pH 值8.86,全盐5.02 g·kg-1,有机质2.23 g·kg-1,全氮0.62 g·kg-1,全磷0.73 g·kg-1,速效钾269.33 mg·kg-1。与正常耕地土相比,试验场地赤矿泥基质具有高盐碱,除速效钾外其他养分含量呈现较低的特征。

1.2 试验方法与分析

按“S”形选取5 个采样点,采集20 cm 处赤泥-矿泥处置赤矿泥基质样品,等量混匀为1 个混合样。将取回的土样分成4 部分:其一烘箱烘干后过10 目(孔径约1.65 mm)筛测定pH 值;其二室内自然风干(全干状态)后过100 目(孔径约0.165 mm)筛测定水溶性盐分和养分;其三室内自然风干(半湿半干状态)后过10 目筛,存于4 ℃冰箱内用于测定赤矿泥基质酶活性;其四保存于装有干冰的保温箱中用于土壤微生物群落分析。

本文微生物多样性采用16SRNA 扩增子测序技术;对赤矿泥基质的脲酶活性、碱性磷酸酶活性分别用苯酚-次氯酸钠比色法、磷酸苯二钠比色法进行测定;赤矿泥基质pH 值、全盐含量、有机质、全磷、速效钾分别用电位法、残渣烘干质量法、水合热重铬酸钾氧化-比色法、酸溶-钼锑抗比色法、乙酸铵提取法进行测定;全氮用元素分析仪测定。赤矿泥基质养分基于第二次全国土壤普查养分分级指标进行评估[14]。采用Excel 与SPSS22.0 统计软件进行数据处理及统计分析,用QIIME2(2019.4)和R 语言ggplot2 进行微生物物种组成分析,用皮尔森(Person)相关系数进行相关性分析。

2 结果与讨论

2.1 污泥-五种植物协同作用对赤矿泥基质盐碱的影响

污泥-五种植物作用下矿泥土壤化处置20 cm处赤矿泥基质的盐、碱测定结果统计见图1。

图1 污泥-五种植物协同下赤矿泥基质的盐碱变化Fig.1 Saline-alkali change of red mineral mud substrate under the coordination of sludge and five kinds of plants

2021 年,施加污泥利于植物生长,强化了植物的蒸腾作用及其全盐的迁移,并随地表径流而减少,不同植物种类赤矿泥基质全盐含量下降大小排序为:B ＞S ＞R ＞E ＞M。其中,种植B 赤矿泥基质全盐含量下降了2.07 g·kg-1,低于轻度盐渍化标准,其他植物类型也降到了轻度盐渍化区间,五种植物都有较好的去盐效果,其中植物B 效果显著。进入2021 年、2022 年季节轮替时,植物进入休眠期,气候变得较为干旱,毛细管及水分蒸发作用导致全盐向表层迁移进入冬春年轮更替,全盐含量明显增加;进入夏季,植物生长旺盛,除R 植物组外,其他S、M、B、E 植物组全盐含量又分别减少了0.02、0.96、0.33、1.88 g·kg-1,显示植物生长能不同程度地消减赤矿泥基质全盐量。植物能通过扩散过程或载体、离子泵的主动转运对盐离子进行吸收,后利用茎叶中的盐腺排出,推进了赤矿泥基质全盐量的降低[15]。

赤矿泥基质的pH 值在2021 年呈现下降趋势,pH 值达到了矿山生态环境保护与恢复治理技术规范的要求,2021 年R、S、M、B、E 各种类赤矿泥基质pH 值分别下降了1.83、0.70、0.75、1.42、0.88,均有不同程度的控碱作用,2022 年伴随全盐的运移转化,赤矿泥基质的pH 值呈现类似上升趋势,除M、B 植物组外pH 值仍低于8.50。污泥提供养分维持植物正常生长,植物产生的根系分泌物中的草酸、氨基酸、乳酸等有机酸[16],降低赤矿泥基质中的pH 值。

赤矿泥基质盐、碱显示类似的年度变化规律,说明其盐、碱物质具有类似的迁移转化或变化规律:污泥促进了植物生长,植物生长强化了盐、碱物质的迁移,二者的协同作用使赤泥矿泥土壤化处置赤矿泥基质的盐、碱达到了正常范围,也表明污泥-植物的协同作用更利于赤泥矿泥土壤化处置赤矿泥基质的控盐与控碱。

2.2 污泥-五种植物协同作用下赤矿泥基质养分的变化

施加污泥后五种不同植物作用下的赤泥矿泥土壤化处置20 cm 处赤矿泥基质的有机质、氮磷钾测定结果统计见图2 和图3。

图3 污泥-五种植物协同下赤矿泥基质全磷、速效钾的变化Fig.3 Changes of total phosphorus and available potassiumin red mineral mud substrate under the coordination of sludge and five kinds of plants

赤矿泥基质有机质含量的变化见图2(a)。污泥有机质较高,施加污泥后的赤矿泥基质有机质含量从2.23 g·kg-1增加到了20.00 g·kg-1,达到了全国第二次土壤普查第三级标准以上[14]。2021 年,不同植物的生长周期、生长特性、凋落物及其分解过程的差异导致各植物在赤泥矿泥土壤化处置中的有机质含量呈现较大差异,R、S、M、B、E 组赤矿泥基质有机质含量分别增加了20.08、15.39、8.41、-3.28、5.09 g·kg-1,一年生植物R、S 进入冬季整株枯萎腐烂,而多年生植物M、B、E 进入休眠期,仅叶子凋落腐烂,使得种植植物R、S 的赤矿泥基质有机质增加量明显高于M、B、E 组赤矿泥基质,低矮草本植物B 因生物量低、根系作用浅,对取样深度范围内赤矿泥基质有机质的补偿少。进入来年,为研究植物生长对赤矿泥基质肥分及其赤矿泥基质的改良效果,未追加污泥。2022 年,种植多年生植物M、B、E 赤矿泥基质有机质下降量为:11.93、3.46、7.71 g·kg-1,小于种植一年生植物R、S 赤矿泥基质有机质的下降量:20.84、16.86 g·kg-1,表明一年生植物在春季枝叶复苏对有机质需求量大。

不同植物种类的全氮、全磷、速效钾含量统计见图2(b)和图3(a)、图3(b)。赤泥矿泥土壤化处置赤矿泥基质在施加污泥后的全氮含量均在1 g·kg-1及以上(图2(b)),达到了全国第二次土壤普查第三级标准以上,全磷含量均在1 g·kg-1及以上(图3(a)),达到了全国第二次土壤普查第一级标准以上,速效钾含量均在50 mg·kg-1及以上(图3(b)),处于全国第二次土壤普查标准第三级中等以上[14],达到了植物正常生长需求范围。从不同植物类型看,氮磷钾含量发生了较大差异。土壤氮以有机态氮为主[17],有机氮的升高直接增加全氮含量,2021 年7 月为控碱赤泥、脱水矿泥土壤化矿坑原位生态复垦初期,刚施加的污泥能为赤矿泥基质提供大量有机氮,污泥对全氮的供应量大于植物生长吸收量,此时全氮含量较高;2022 年7 月输入赤矿泥基质的有机残茬量减少的累积效应降低了有机质生成,导致有机态氮减少,此外植物处于生长期对氮的需求量也增加,全氮的供应量低于植物生长吸收量,致使2022 年7 月时的五种不同植物类型的赤矿泥基质中全氮含量均低于2021 年7 月的同期水平土壤全氮降低。除植物R 外,种植植物S、M、B、E 赤矿泥基质全氮含量变化趋势一样,全氮含量在2021年10 月、2022 年呈现下降,究其原因可能与植物生长有关。氮是植物体内蛋白质和叶绿素的主要成分,植物快速生长对氮的吸收导致土壤中的全氮含量下降。2022 年5 月,E 地块赤矿泥基质全氮含量为1.14 g·kg-1,低于其他植物,这是因为桉树生长的生物量大,且一直吸收氮素用于细胞的增长和分裂。2021 年种植S、M、B、E 植物组赤矿泥基质全磷含量一直增加,植物B 赤矿泥基质全磷增加量为1.14 g·kg-1,高于其他植物组的增加量,磷元素主要促进植物发芽和生根,植物B 的生物量最小,对全磷的吸收量较少,使得全磷积累量最大。由图3(b)可知赤矿泥基质速效钾含量处于较缺状态,是因为速效钾是可被作物直接吸收利用的钾素部分[18],再加上水溶性钾、可交换性钾是速效钾主要形态,也是土壤中钾流失的主要形态[19],区域强烈的淋溶作用使其受到耗损,共同导致赤矿泥基质速效钾含量处于较缺状态。2021 年7 月,种植S 后赤矿泥基质速效钾含量为47.03 mg·kg-1,明显低于其他植物组,表明草本植物S 的快速生长对速效钾需求量大。

节点安全连通度能够反映网络安全性能的高低,节点的安全连通度越大节点与更多的邻居节点存在共享密钥,网络的安全性能越高。

2.3 污泥-五种植物协同作用下赤矿泥基质微生物多样性与酶活性

土壤酶作为土壤中各种生物化学反应的重要催化剂,其能反映土壤中各种生化过程的动向与强度,其活性还在一定程度上表征了土壤中微生物的状态、土壤理化性质及肥力状况[20-21]。表2、图4 为2022 年7 月赤矿泥基质的多样性指数和细菌门水平下物种丰富度统计。表明群落丰富度的Chao 指数和物种指数分别在3 000、2 800 以上,综合考虑群落的丰富度和均匀度的香农指数和辛普森指数分别在8.7、0.99 以上,与纯赤泥的Chao 指数、香农指数和辛普森指数934.05、7.83、0.99[22]相比,污泥-植物协同下赤矿泥基质的Chao 指数、香农指数明显大于纯赤泥,辛普森指数无变化。OTUs 归类结果显示,赤矿泥基质中相对丰度大于1%的菌门共有5个,分别为变形菌门(Roeobacteria) 34.08%～49.44%、放线菌(Atinbaternr)27.14%～41.44%、酸杆菌门(Aidobacteral)6.97%～11.15%,绿弯菌门(Chloroflexi)4.11%～7.03%、芽单胞菌门(Gemmatimonadetes)1.92%～4.40%,这5 种菌门相对丰度占细菌总OTUs 的90.17%～95.44%。说明污泥-植物协同作用为微生物提供了良好的生存环境,致使赤矿泥基质微生物多样性、丰富度发生了明显提升。污泥的添加和植物的生长有效地促进了微生物在赤泥矿泥土壤化处置过程中大量定殖扩增及优势种群的建立。

图4 2022 年7 月份赤矿泥基质细菌门水平的群落组成Fig.4 Community composition at the level of matrix bacteria phylum in red mineral mud in July 2022

表2 2022 年7 月份赤矿泥基质细菌的生物多样性指数Table 2 Biodiversity index of red mineral mud matrix bacteria in sludge area in July 2022

微生物和土壤酶之间存在共代谢效应,土壤微生物多样性的提升对应着酶活性的提升。图5 为试验场地施加污泥后不同植物协同作用下的赤泥矿泥土壤化处置20 cm 处赤矿泥基质的酶活性测定结果。

图5 污泥-五种植物协同下赤矿泥基质的酶活性变化Fig.5 Changes ofenzyme activityin red mineral mud substrate under the coordination of sludge and five kinds of plants

2021 年施加污泥后各植物组赤矿泥基质碱性磷酸酶、脲酶的酶活性呈增加趋势,酶活与植物生长、植物根际范围内赤矿泥基质养分及微生物丰富度之间关系密切[23],污泥施加使得基质肥力、微生物丰富度增加致使酶活性增强。各植物属性及生物量存在明显差异,导致各植物组赤矿泥基质酶浓度也存在着较大区别。图5(a)显示各植物组赤矿泥基质碱性磷酸酶活性在2022 年5 月达到最高值,后经夏季生长,而在2022 年7 月又降到低值;图5(b)显示脲酶活性在当年12 月达到最高值,来年5 月有所降低,但7 月又有所抬升。碱性磷酸酶的积累滞后脲酶活性,并在来年5 月彼此分别处于峰顶与峰谷,出现时空差,产生这种差异在于赤矿泥基质酶活性是由赤矿泥基质性质、水热条件、赤矿泥基质生物种类及数量以及植物物种组成等多种因素决定的,同时不同种类酶的活性对环境变化的敏感程度也不完全相同[24]。从植物类别看E 组的碱性磷酸酶、脲酶活性均偏低,而S、R 组的碱性磷酸酶、脲酶活性高于E 组。出现这一现象可能与植物根系深度作用范围有关,S 为一年生草本植物,生物量大、覆盖度较高,赤矿泥基质中根系发达,其分泌物和脱落细胞提高了酶活性,地表植物枯枝落叶的分解又使赤矿泥基质酶活性得到不同程度增强。

2.4 赤矿泥基质盐碱、养分、酶活性的相关性分析

图6 为赤矿泥基质盐碱、养分、酶活性之间的相关性统计。赤泥矿泥土壤化处置赤矿泥基质的盐碱与速效钾呈极显著正相关,与其他养分、酶活指标之间呈极显著负相关。说明污泥中速效钾含量能使赤矿泥基质的盐碱变高,而投加污泥或赤矿泥基质有机质和氮磷元素的增加、酶活性的提升能促进赤泥矿泥土壤化处置赤矿泥基质盐碱调控效果,促进土壤化处置赤矿泥基质改良或者生态修复。

图6 赤矿泥基质盐碱、养分、酶活性的相关性Fig.6 Correlation of salt,alkali,nutrient and enzyme activity in red mineral mud substrate

脲酶与有机质、全氮、全磷呈极显著正相关,与速效钾呈极显著负相关;碱性磷酸酶与有机质、全氮呈极显著正相关,与速效钾、全磷呈极显著负相关。可见酶活性与养分之间具有一定的相互作用,赤泥矿泥土壤化处置赤矿泥基质施加或补充有机质、全氮、全磷有助于植物及其根际微生物的生长繁殖,从而促进或影响脲酶与碱性磷酸酶的活性;与此同时,赤矿泥基质中的脲酶、碱性磷酸酶活性反过来又参与植物和微生物残体的分解、污泥物质组分的转化,以及赤矿泥基质养分固定与释放,如磷酸酶为适应性酶,在赤矿泥基质有效磷含量低时磷酸酶活性增强[25]。可见,对于营养组分匮乏的赤泥矿泥土壤化处置赤矿泥基质,适量补充含有有机质、氮、磷的肥料利于植物生长及其根系的发育、植物根际土壤微生物系统的构建与土壤酶活性的提高,但钾的增加具有负面影响。

脲酶、碱性磷酸酶间存在显著正相关,表明在赤泥矿泥土壤化处置生态修复过程中,当同一底物被多种酶同时作用时,几种酶之间既能相互释放多种信号物质刺激对方,影响赤矿泥基质的生物活性与肥力,进而改良赤矿泥基质的理化性质、肥力状况与微生物群落[20],又维持自身相对独立的酶促反应。

3 结论

2)污泥-植物协同作用一个生长周期后,赤泥矿泥土壤化处置赤矿泥基质的有机质、全氮、全磷含量达到了全国第二次土壤普查标准中三级水平。

3)施加污泥有助于植物生长、根系分泌物的脱落及其根际微生物的生长与繁殖,使得脲酶与碱性磷酸酶的活性得到明显提升。

4)污泥-耐盐碱植物协同是赤泥矿泥土壤化处置规模化原位生态修复的有效方法。