城市剩余污泥在鐵礦尾礦庫(kù)生態(tài)修復(fù)中的試驗(yàn)

宋鳳敏+張興+李琛

摘要：針對(duì)陜西省略陽(yáng)縣鐵尾礦庫(kù)廢棄地的復(fù)墾，以城市剩余污泥作為改良劑，選用4種短期生長(zhǎng)葉類(lèi)植物進(jìn)行35 d盆栽試驗(yàn)，研究植物在以尾礦和剩余污泥按4種不同質(zhì)量配比所得的盆栽基質(zhì)中的生長(zhǎng)情況。盆栽基質(zhì)是以尾礦與剩余污泥按質(zhì)量100 ∶0、80 ∶20、60 ∶40、50 ∶50 混合而成，分別標(biāo)記為T(mén)100、T80、T60、T50，T0為正常土壤對(duì)照。結(jié)果表明，尾礦與剩余污泥比例為60 ∶40的土壤改良組植物在發(fā)芽率、地面以上部分株高和鮮質(zhì)量方面最高；在同一改良土壤組中，茼蒿生長(zhǎng)高度、發(fā)芽率、地上鮮質(zhì)量最高；植物地上莖葉中重金屬含量隨剩余污泥在混合基質(zhì)中比例的升高而增長(zhǎng)，同一土壤改良組中茼蒿莖葉重金屬含量最高。

關(guān)鍵詞：鐵礦尾礦；剩余污泥；土壤改良；盆栽；生態(tài)修復(fù)

中圖分類(lèi)號(hào)： X171.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2016）11-0453-04

鐵尾礦別稱(chēng)鐵尾砂，是鐵礦在開(kāi)采后，將礦石經(jīng)粉碎、浮選、精礦后產(chǎn)生的固體粉末，堆存起來(lái)不但占用大量土地，也是潛在的污染源[1-2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年產(chǎn)生6億～8億t尾礦，其中鐵礦尾礦6億余t[3]，其大多都累積堆放在尾礦庫(kù)，不但占用大量的土地、破壞生態(tài)系統(tǒng)，尾礦中污染物隨降雨淋溶滲濾對(duì)周?chē)w、土壤造成污染[4-6]，若不能得到很好的治理甚至?xí)绊懼苓吶巳旱纳眢w健康。我國(guó)人口眾多，土地資源短缺，每年由于采礦等各種原因使土地資源不斷減少，人多地少的矛盾日益突出。如果可以通過(guò)對(duì)尾礦廢棄地進(jìn)行有效的復(fù)墾，在一定程度上能夠緩解這種矛盾，并且使尾礦庫(kù)區(qū)的生態(tài)環(huán)境得以恢復(fù)。鐵尾礦砂養(yǎng)分含量低，保水保肥能力差，影響其復(fù)墾效果，因此尾礦砂復(fù)墾的關(guān)鍵因素是改良尾砂土壤結(jié)構(gòu)，增加尾砂養(yǎng)分。城市剩余污泥為一種廢棄物，因其含有豐富的氮、磷、鉀和大量的有機(jī)質(zhì)，經(jīng)礦化后易被植物吸收[7]，成為一種良好的有機(jī)肥料資源，在農(nóng)林上已有一定的應(yīng)用，在尾礦的生態(tài)修復(fù)改良中可作為一種有效的改良劑來(lái)使用。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)污泥堆肥在礦山廢棄地復(fù)墾中的應(yīng)用也有一些報(bào)道[8-9]。本研究針對(duì)陜西省略陽(yáng)縣某鐵礦尾礦廢棄地的復(fù)墾，選取4種短期收獲的葉類(lèi)植物在剩余污泥改良的尾礦中生長(zhǎng)，利用盆栽試驗(yàn)方法，研究尾礦與剩余污泥不同配比對(duì)葉類(lèi)植物種子發(fā)芽和生長(zhǎng)過(guò)程的影響，尋求植物生長(zhǎng)的城市剩余污泥對(duì)鐵尾礦基質(zhì)改變最佳配比，為鐵尾礦廢棄地復(fù)墾提供理論依據(jù)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

1 材料與方法

1.1 盆栽試驗(yàn)

1.1.1 試驗(yàn)材料 供試植物為大白菜、黃秧朝天委陵菜、小葉茼蒿、大眾小青菜（即白菜），這4種葉類(lèi)植物均為當(dāng)?shù)叵奶煲咨L(zhǎng)且周期短的葉類(lèi)植物。

供試尾礦砂土采自陜西省略陽(yáng)縣某鐵礦尾礦庫(kù)；城市剩余污泥采自陜西省漢中市城市污水處理廠污泥處理車(chē)間處理后的剩余污泥；自然土壤采自陜西理工學(xué)院校園花卉地。

1.1.2 盆栽方法 將尾礦與剩余污泥按不同比例（質(zhì)量比）充分混合，設(shè)5個(gè)處理，即T0（100%自然土壤）、T50（50%尾礦+50%污泥）、T60（60%尾礦+40%污泥）、T80（80%尾礦+20%污泥）、T100（100%尾礦砂），每個(gè)處理設(shè)3個(gè)重復(fù)。將混合好的土壤裝入直徑為25 cm、深為23 cm的盆缽中，放置1周備用，每盆總質(zhì)量為2.5 kg。選取無(wú)蟲(chóng)蝕、發(fā)育良好的茼蒿、朝天委陵菜、大白菜、白菜種子經(jīng)蒸餾水沖洗3次后播種于盆中，深0.5～1.0 cm。每盆播種15粒，每天澆自來(lái)水并自然光照，讓其自然生長(zhǎng)，同一物種在同一混合方式上設(shè)3個(gè)重復(fù)。播種后3 d觀察其發(fā)芽情況，7 d對(duì)每盆進(jìn)行間苗，5株以上隨機(jī)間苗為5株，5株以下保留原來(lái)株數(shù)不變，對(duì)其進(jìn)行跟蹤測(cè)定。出芽后，記錄其生長(zhǎng)狀況。測(cè)定項(xiàng)目為株高，每7 d測(cè)量1次。

1.2 樣品處理和分析方法

1.2.1 植物樣品處理 自播種后生長(zhǎng)至第35天時(shí)，小心倒盆，將植株與基質(zhì)分開(kāi)用自來(lái)水清洗植株根系3次，再用蒸餾水沖洗，晾干，稱(chēng)量其連帶莖葉和根系總鮮質(zhì)量。然后在烘箱中105 ℃殺青30 min，80 ℃烘24 h，稱(chēng)量其干質(zhì)量及粉碎供測(cè)植物體內(nèi)重金屬元素含量用。

1.2.2 分析方法 尾礦基質(zhì)基本化學(xué)性質(zhì)按常規(guī)分析方法測(cè)定，其中土壤速效氮含量采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定；土壤速效磷含量采用碳酸氫鈉浸提鉬藍(lán)比色法；土壤速效鉀含量采用NH4OAC浸提法；土壤有機(jī)質(zhì)（OM）含量采用低溫外熱重鉻酸鉀氧化法；土壤pH值采用土液比1 ∶2.5進(jìn)行配比，pH計(jì)法測(cè)定。尾礦基質(zhì)中重金屬元素含量采用硝酸-氫氟酸-高氯酸高溫溶解，其中Fe、Pb、Cr含量用電感耦合等離子發(fā)射光譜法ICP-AES）測(cè)定，Cd含量用原子熒光分光光度法測(cè)定。

1.3 數(shù)據(jù)的處理和分析

數(shù)據(jù)用SPSS 19.0軟件處理，Excel 2013作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同尾礦處理基質(zhì)中重金屬含量和營(yíng)養(yǎng)元素水平

有機(jī)質(zhì)、有效氮、有效磷、速效鉀等是植物生長(zhǎng)所需要的營(yíng)養(yǎng)成分。由表1可知，尾礦砂（T100）是一種營(yíng)養(yǎng)成分缺乏、鐵含量極高、不利于植物生長(zhǎng)的特殊基質(zhì)，而剩余污泥營(yíng)養(yǎng)成分很高，但是含有一定量的重金屬。尾礦與污泥、土壤混合后可顯著提高尾礦砂土中的速效氮和有效磷含量，當(dāng)尾礦比重在80%以下時(shí)有效磷含量達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，土壤速效氮含量變化不大，沒(méi)有達(dá)到自然土壤含氮量，可提高尾礦砂土中的有機(jī)質(zhì)和速效鉀含量，施加改良劑后土壤有機(jī)質(zhì)和速效鉀均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)；改善后尾礦pH值基本控制在弱堿性范圍之中，適宜植物生長(zhǎng)，其中尾礦比重為80%超過(guò)土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)7.5范圍，但超出率不大；改良后，土樣污泥中重金屬Cd超出土壤質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，其余2種金屬含量均在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，理論上不會(huì)影響植物正常生長(zhǎng)，在盆栽結(jié)束后對(duì)植株根部和莖葉進(jìn)行重金屬檢測(cè)分析。總之，尾礦比重小于80%的土樣均比改良前各要素含量高，均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)含量，能夠保證作物可正常生長(zhǎng)。

2.2 不同尾礦處理對(duì)植物種子發(fā)芽的影響

播種后4 d植物種子發(fā)芽數(shù)見(jiàn)表2。由表2可知，4種植物的出芽數(shù)為全尾礦土壤T100組最少，T60組最多，且T100組和T60組土壤植物出芽數(shù)與其他3組土壤各組差異顯著，而其他3組間（茼蒿的T0組與T50、T100組除外）出芽數(shù)差異不明顯。說(shuō)明T60組土壤最適合4種植物種子發(fā)芽，對(duì)種子發(fā)芽抑制最小。結(jié)合表1改良后5種土壤中營(yíng)養(yǎng)元素和重金屬含量分析，隨著剩余污泥施入量的增加，混合基質(zhì)中有機(jī)質(zhì)、速效氮、速效磷和速效鉀含量不斷增加，這些成分的增加使土壤中微生物新陳代謝加快，從而有利于土壤的礦化，增加植物生長(zhǎng)過(guò)程中所需要的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[10-11]。T100組雖然未檢出重金屬，但是土壤營(yíng)養(yǎng)成分過(guò)低導(dǎo)致種子發(fā)芽率最低；T50組土壤營(yíng)養(yǎng)成分含量最高，最有養(yǎng)分，但是Pb、Cr含量也最高，致使其種子發(fā)芽率受到很大影響；T60組營(yíng)養(yǎng)元素含量均高于T80組土壤，重金屬含量低于T50組土壤，T80組重金屬（除Fe外）含量、營(yíng)養(yǎng)元素也最低，所以T60組出芽率最高，其次是對(duì)照組T0。4種葉類(lèi)植物在同一種改良土壤中出芽數(shù)相差不大，T60組朝天委陵菜和大白菜的平均出芽數(shù)最多，達(dá)到12株；其次是白菜，11株；最少的是茼蒿，說(shuō)明朝天委陵菜和大白菜種子對(duì)改良尾礦砂的適應(yīng)性好于白菜和茼蒿。

2.3 不同尾礦處理對(duì)植物生長(zhǎng)高度變化的影響

不同剩余污泥施入量對(duì)各種植株地上部分生長(zhǎng)作用見(jiàn)圖1。圖1總體顯示T100的尾礦砂不適宜4種葉類(lèi)植物生長(zhǎng)，雖然生長(zhǎng)期前20 d有緩慢的生長(zhǎng)，但是20 d左右都停止生長(zhǎng)且死亡，所以后面的株高為0，主要原因是尾礦砂貧瘠營(yíng)養(yǎng)元素缺乏，植物無(wú)法獲取營(yíng)養(yǎng)繼續(xù)生長(zhǎng)。而其余組所有植物株高持續(xù)增加，14～28 d植物株高增加明顯，這4種葉類(lèi)植物的生長(zhǎng)周期基本一致，為30 d左右，14～28 d根系吸水吸肥能力增強(qiáng)，促使地面以上部分生長(zhǎng)發(fā)育良好。各個(gè)改良尾砂組隨著剩余污泥的加入，植物高度也呈現(xiàn)不同趨勢(shì)，T60組（剩余污泥添加量為40%處理）種植的植物在收獲期株高最大，其次是T0組，最后是T100組，另外在尾礦砂中增加一定量剩余污泥并添加黃黏土有利于提高植物在尾砂中生長(zhǎng)，但加入剩余污泥量偏大則不利于植物生長(zhǎng)。

不同配比混合基質(zhì)對(duì)4種植物在生長(zhǎng)初期和中期與不同剩余污泥施入量對(duì)生長(zhǎng)的促進(jìn)作用基本一致，說(shuō)明在該階段基質(zhì)中的營(yíng)養(yǎng)成分可以滿足植物生長(zhǎng)需求；在后期，即28～35 d呈現(xiàn)不同的趨勢(shì)，植物植株已經(jīng)基本不再生長(zhǎng)，有的出現(xiàn)黃葉，倒伏卷葉等現(xiàn)象。出現(xiàn)這種現(xiàn)象與2個(gè)方面有關(guān)：一方面是試驗(yàn)用的尾礦和剩余污泥加土壤混合，基質(zhì)相比正常土壤還是較少，在試驗(yàn)后期營(yíng)養(yǎng)成分不足以維持植物的生長(zhǎng)；另一方面是由于活性氧在植物體內(nèi)積累導(dǎo)致膜質(zhì)過(guò)度氧化而破壞膜結(jié)構(gòu)[12]，細(xì)胞內(nèi)離子可能存在的重金屬離子大量外滲使植物合成葉綠素的預(yù)制能力下降[13]，導(dǎo)致供給植物生長(zhǎng)的能量和物質(zhì)減少，植物葉片出現(xiàn)黃葉。

2.4 不同尾礦處理對(duì)植物生長(zhǎng)量的影響

4種葉類(lèi)植物在5種土壤單株平均生物量見(jiàn)表3。由表3可知，生長(zhǎng)35 d時(shí)，每種供試植物單株平均生物量在鐵尾礦與剩余污泥混合的4種基質(zhì)之間差異顯著，僅T50、T80組朝天委陵菜與T50、T80組白菜2組無(wú)明顯差異，與其他組存在明顯差異。對(duì)于同一種改良組而言，4種供試葉類(lèi)植物中茼蒿與其他3種植物差異明顯，朝天委陵菜、大白菜和白菜基本沒(méi)有差異，這與植物的品種有關(guān)。在4種改良基質(zhì)中，4種植物的平均鮮質(zhì)量均以T60組最高，其次是正常土壤，除了茼蒿T50組的鮮質(zhì)量是T80組鮮質(zhì)量的近2倍外，其他2種植物T50組與T80組鮮質(zhì)量差別不大，大白菜T50與T80組差異顯著，T100組由于出芽后不久就停止生長(zhǎng)，所以鮮質(zhì)量最低。這個(gè)規(guī)律與基質(zhì)對(duì)于植物種子發(fā)芽的影響和生長(zhǎng)高度基本一致。

由于在整個(gè)盆栽過(guò)程中并沒(méi)有外源添加任何肥料，觀察整個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程，發(fā)現(xiàn)植物發(fā)芽后有少量植株倒伏和黃葉情況。T60組生長(zhǎng)情況最好，倒伏和葉黃現(xiàn)象較少，比較健壯，結(jié)合理化性質(zhì)可知，當(dāng)土壤鉀供應(yīng)較充足時(shí)，作物能有效地利用水分，并保持在體內(nèi)，減少水分的蒸騰作用；鉀的另一特點(diǎn)是有助于作物的抗逆性，增強(qiáng)細(xì)胞對(duì)環(huán)境條件的調(diào)節(jié)作用，增強(qiáng)植物對(duì)各種不良狀況的忍受能力，如干旱、低溫、含鹽量、病蟲(chóng)害、倒伏等[14-16]。T60組營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量適中，較適宜作物正常生長(zhǎng)。T0組生長(zhǎng)情況較好，但少量在試驗(yàn)過(guò)程中倒伏和死亡，且伴有黃葉。T50組和T80組倒伏和死亡狀況更勝于T0組，T100組生長(zhǎng)較差，生長(zhǎng)極其緩慢，說(shuō)明當(dāng)尾礦砂含量超過(guò)80%時(shí)作物基本難以成活。

2.5 不同尾礦處理對(duì)植物重金屬含量的影響

栽種35 d后4種植物地上部分重金屬含量見(jiàn)表4。由表4可知，全尾礦砂T100組植物生長(zhǎng)時(shí)間短，收獲量很小，所測(cè)重金屬均未檢出，其他各組土壤栽種的4種植物中能夠檢出重金屬，4種植物在各改良組間有一定的差異，其中T50組4種植物中Pb、Cr、Cd含量最高，T80組Fe含量最高，這與改良土壤中重金屬含量高低一致，土壤中重金屬總含量越高，植物體內(nèi)重金屬含量也越高[17]。同一改良土壤中，茼蒿體內(nèi)4種重金屬含略高于其他3種植物，而其余3種植物體內(nèi)重金屬在同一改良土壤中差別不大。GB 2762—2012《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中污染物限量》要求Pb含量≤0.3 mg/kg、Cr含量≤0.5 mg/kg、Cd含量≤0.1 mg/kg，T50組茼蒿體內(nèi)的Pb含量超標(biāo)1倍，Cr含量超標(biāo)0.5倍，Cd含量超標(biāo)0.5倍；其余3種植物Cd含量均低于標(biāo)準(zhǔn)限值，Pb含量超標(biāo)0.6～0.83倍，Cr含量超標(biāo)0.2～0.3倍。T60組茼蒿體內(nèi)的Pb含量超標(biāo)0.57倍，Cd含量超標(biāo)0.2倍，Cr含量接近限值未超標(biāo)；其余3種植物僅Pb含量超標(biāo)0.3～0.4倍，Cd未檢出，Cr未超標(biāo)。T80組除了茼蒿體內(nèi)Pb含量超標(biāo)外，其余均在限值以內(nèi)。各組Fe元素含量適合植物營(yíng)養(yǎng)的范圍，F(xiàn)e為礦質(zhì)元素是植物體內(nèi)合成各種化合物的物質(zhì)基礎(chǔ)，其含量直接影響植物的生長(zhǎng)、發(fā)育及其他代謝過(guò)程[18]，利用鐵尾礦中含鐵量明顯高于一般土壤，如果植物能夠吸收，在一定范圍內(nèi)的Fe對(duì)植物的生長(zhǎng)具有促進(jìn)作用。

3 結(jié)論與討論

剩余污泥作為土壤改良劑添加在鐵尾礦中，改良后土壤理化性質(zhì)符合土壤質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，可以種植植物。由盆栽試驗(yàn)可知，施加剩余污泥后的鐵尾礦土壤均可以滿足種子發(fā)芽的基本要求，4種植物均能在5種土壤中發(fā)芽。其中T60組中的4種植物的出芽數(shù)均最高，而茼蒿的出芽率在4種植物中最高，達(dá)57.33%，全部是尾礦的土壤T100組出芽率最低，僅朝天委陵菜達(dá)到13.3%，其余3種植物都在6.67%。整個(gè)生長(zhǎng)周期中植物植株高度以及收獲后植物的鮮質(zhì)量以T60組最高，在同一土壤組中4種供試植物中茼蒿的植株高度和鮮質(zhì)量最大。對(duì)收獲后的各組植物地上部分進(jìn)行重金屬含量分析，發(fā)現(xiàn)改良土壤中重金屬能從土壤中向植株中遷移，使得供試植物體內(nèi)重金屬在各個(gè)土壤改良組都有超標(biāo)。其中，T50組超標(biāo)最嚴(yán)重，4種植物Pb、Cr含量均超標(biāo)；T60組茼蒿體內(nèi)Pb、Cd含量均超標(biāo)，其余3種植物僅Pb含量超標(biāo)；T80組僅有茼蒿Pb含量超標(biāo)，其余3種植物金屬含量未超標(biāo)。說(shuō)明剩余污泥直接用于尾礦土壤改良使用會(huì)使植物殘留重金屬尤其是種植葉類(lèi)蔬菜，如果要達(dá)到食用標(biāo)準(zhǔn)，還須對(duì)污泥進(jìn)行處理降低污泥中重金屬有效態(tài)含量，阻止其向植物中遷移。由于試驗(yàn)改良土壤中未外加肥料，導(dǎo)致植物生長(zhǎng)后期未達(dá)到植物生長(zhǎng)最佳要求，植物生長(zhǎng)過(guò)程中除了T100組所有植物僅存活20 d以外，其他4組土壤組植物都能存活到收獲期35 d，其中T0、T50、T80組有部分植物黃葉、死亡情況。

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