種植耐鹽植物對赤泥堆場有機(jī)質(zhì)及微生物數(shù)量的影響

趙 雅，劉鐘森，王驥博，岳晶晶，龔巍崢

（1.河南省地質(zhì)環(huán)境規(guī)劃設(shè)計院有限公司，河南鄭州450007；2.鄭州市土壤污染防治利用工程技術(shù)研究中心，河南鄭州450007；3.河南省地質(zhì)環(huán)境勘查院，河南鄭州450007）

鋁是國防建設(shè)和國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展必不可少的金屬材料，生產(chǎn)鋁的主要原料是氧化鋁[1-2]，赤泥是氧化鋁在工業(yè)生產(chǎn)過程中的固體廢棄物。由于赤泥強(qiáng)堿性（pH 值高達(dá)10～12）、高鹽含量、缺乏有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分，一般植物很難生長[3-4]，而且赤泥庫的環(huán)境十分惡劣，對于周邊生態(tài)環(huán)境具有嚴(yán)重危害。赤泥處置問題已成為國內(nèi)外氧化鋁行業(yè)亟待解決的問題之一。

赤泥的理化性質(zhì)與普通土壤有很大不同，其物理結(jié)構(gòu)較差，對植物根系的生長有著嚴(yán)重的影響[5]。因此，可以通過對赤泥的物理結(jié)構(gòu)進(jìn)行改良，使其成為一種類似土壤的生長基質(zhì)。XUE 等[6]提出可以通過赤泥土壤化來解決赤泥規(guī)?；幹玫膯栴}，但目前相關(guān)研究還處于起步階段，需加強(qiáng)環(huán)境風(fēng)險防控管理。赤泥土壤化處理技術(shù)的研究以及赤泥場植被的重建和生態(tài)恢復(fù)的實(shí)現(xiàn)，是一種很有前景的赤泥規(guī)模化處置方法。研究發(fā)現(xiàn)，可以通過種植合適的植物來改善土壤性質(zhì)、促進(jìn)土壤發(fā)育、提高土壤肥力，這對于維持土壤生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能很重要[7-8]。孟廣濤等[9]研究發(fā)現(xiàn)，礦區(qū)植被恢復(fù)可以改善群落物種多樣性。COURTNEY 等[10]發(fā)現(xiàn)，植被重建可以顯著減少赤泥表層的風(fēng)蝕和水蝕現(xiàn)象，減少環(huán)境污染，并促進(jìn)赤泥建立有機(jī)碳庫。

基質(zhì)改良和篩選耐性植物對于赤泥堆場的植被重建具有基礎(chǔ)性意義。盡管國內(nèi)外學(xué)者對赤泥的生態(tài)化處置和土壤化進(jìn)行了一些探索性研究，但是對赤泥堆場土壤有機(jī)質(zhì)和微生物數(shù)量的系統(tǒng)研究還相對缺乏。

本試驗以赤泥為研究對象，在氧化鋁赤泥堆場上添加合適的改良劑進(jìn)行土壤修復(fù)，并在改良后的土壤上種植不同的耐鹽植物，3 a 后測定赤泥土壤化后植物根際土壤的有機(jī)質(zhì)含量和土壤微生物數(shù)量，并分析土壤有機(jī)質(zhì)含量與微生物數(shù)量之間的相關(guān)性，以期充分認(rèn)識土壤有機(jī)質(zhì)與微生物的相互作用機(jī)制，從生態(tài)重建角度考慮更適合的植物種類，為篩選能夠適應(yīng)強(qiáng)堿性環(huán)境的優(yōu)良耐性植物、赤泥土壤化處置和植被重建提供參考。

1 材料和方法

1.1 研究地區(qū)概況

試驗區(qū)位于河南省焦作市修武縣，屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，其特點(diǎn)是春旱多風(fēng)，夏熱多雨，秋高氣爽，冬寒少雪，年平均蒸發(fā)量2 040.8 mm，主要集中在夏季；赤泥粒徑在0.02～2.00 mm 的占75%，孔隙度為58.20%。赤泥的物理化學(xué)性質(zhì)列于表1。赤泥堆場周邊為荒山，植被覆蓋率較低，且以草本植物為主。該區(qū)域無地表水體，但在暴雨條件下較易形成洪水，平時干枯。

表1 赤泥的物理化學(xué)性質(zhì)

試驗場地位于坡面階地上，面積約0.47 hm2，改良時間為3 a。2016 年8 月開始對試驗區(qū)土壤進(jìn)行基質(zhì)改良（改良材料主要有秸稈、有機(jī)肥、生物鋸末、FeSO4和脫硫石膏），并種植耐鹽植物。由于赤泥的高堿性特征，試驗場地?zé)o植被生長。場地上赤泥干結(jié)后龜裂分布，赤泥質(zhì)地致密堅硬，返鹽返堿現(xiàn)象嚴(yán)重。因此，壩體坡面和庫頂?shù)闹脖簧鷳B(tài)恢復(fù)是目前急需解決的問題。

1.2 耐鹽植物的選擇

選擇適合的植物種類是保證氧化鋁赤泥堆場植被恢復(fù)成功的重點(diǎn)工作，根據(jù)赤泥庫和礦區(qū)附近的場地條件，并結(jié)合試驗區(qū)域的天氣、降水等因素，所選擇的植物應(yīng)具有適應(yīng)能力強(qiáng)、生命力旺盛、根系發(fā)達(dá)、播種栽培較容易及成活率高等特點(diǎn)[11-12]。根據(jù)以上原則，初步選擇的植物品種有檉柳、堿蓬、菌草和竹子。種植3 a 后，蓋度高達(dá)95%以上，基本實(shí)現(xiàn)了氧化鋁赤泥堆場的復(fù)綠。

1.3 土壤樣品采集

供試土樣選取的地塊為赤泥直接堆放地（原狀土）和種植耐鹽植物的區(qū)域，在所選取的6 個具有代表性的樣地上進(jìn)行取樣。其中包括赤泥直接堆放地（實(shí)驗室中原狀土的取樣地，CK）、種植4 種耐鹽植物（檉柳、堿蓬、菌草和竹子）的地塊（采取植物根際土壤）和僅經(jīng)過基質(zhì)改良不種植植物的空地。

采用多點(diǎn)混合采樣法采集0～20 cm 耕層土壤，樣品質(zhì)量約1 kg。將采集到的土壤樣品稱質(zhì)量，記錄后帶回室內(nèi)，將樣品分為2 份，其中一份用于測定微生物數(shù)量，樣品需放冰箱保存（0～5 ℃），另一份樣品風(fēng)干后，挑去植物細(xì)根后研磨、過篩，密封放置，備測。

1.4 測定項目及方法

土壤的有機(jī)質(zhì)含量采用文獻(xiàn)[13]的方法進(jìn)行測定；土壤微生物數(shù)量采用文獻(xiàn)[14]的方法進(jìn)行測定。

1.5 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)采用Microsoft Office Excel 2007 進(jìn)行處理，采用IBMSPSS 22.0 進(jìn)行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 種植耐鹽植物對赤泥庫土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響

本研究測定了基質(zhì)改良和種植4 種不同耐鹽植物3 a 后土壤的有機(jī)質(zhì)含量，其測定結(jié)果見表2。由表2 可知，種植不同植物的土壤中有機(jī)質(zhì)含量大小順序為竹子＞堿蓬＞檉柳＞菌草＞空地＞赤泥。其中，種植竹子和堿蓬的土壤有機(jī)質(zhì)含量提高較為明顯，與赤泥（CK）相比，土壤有機(jī)質(zhì)含量分別提高103.80%和101.27%；與不種植植物的空地相比，土壤有機(jī)質(zhì)含量分別提高99.38%和96.90%。土壤有機(jī)質(zhì)主要來自動植物殘體以及植物生長過程中的根系分泌物。種植竹子和堿蓬的土壤有機(jī)質(zhì)含量較高，是由于竹子和堿蓬的根系發(fā)達(dá)，改善了土壤的通氣狀況，使得植物枯落物及根系殘體更易轉(zhuǎn)化為有機(jī)質(zhì)；種植檉柳和菌草的土壤有機(jī)質(zhì)含量較低，可能是由于檉柳樹冠較大，阻擋了部分光照和降水，地面凋落物形成有機(jī)質(zhì)的必要條件不足，菌草的枯枝落葉等凋落物較少，所以造成了有機(jī)質(zhì)含量較低。

表2 種植不同植物的土壤有機(jī)質(zhì)含量比較

2.2 種植耐鹽植物對赤泥庫土壤微生物數(shù)量的影響

本研究表明，氧化鋁赤泥堆場通過基質(zhì)改良和種植耐鹽植物能夠增加土壤養(yǎng)分，改善其生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)土壤微生物活動。由表3 可知，與對照土壤相比，種植耐鹽植物的土壤根系微生物數(shù)量增加了幾倍甚至幾十倍。種植不同植物的土壤中細(xì)菌數(shù)量大小順序為堿蓬＞竹子＞空地＞檉柳＞赤泥＞菌草；真菌數(shù)量大小順序為堿蓬＞檉柳＞空地＞菌草＞竹子＞赤泥；放線菌數(shù)量大小順序為堿蓬＞竹子＞檉柳＞空地＞菌草＞赤泥；微生物總數(shù)大小順序為堿蓬＞竹子＞空地＞檉柳＞赤泥＞菌草。

表3 種植不同植物的土壤微生物數(shù)量比較

微生物總數(shù)為細(xì)菌、真菌和放線菌的總和。由表3 可以看出，細(xì)菌數(shù)量在微生物總數(shù)中所占比例最大。細(xì)菌是土壤中的主要微生物類群，個體小，繁殖方法簡單，速度快，耐高溫、耐酸堿、抗逆性強(qiáng)。本研究于4 月末采集根系土壤進(jìn)行研究，適宜的水熱條件為細(xì)菌的生長發(fā)育提供了良好環(huán)境。

未種植耐鹽植物的裸地土壤，微生物數(shù)量較少，經(jīng)過對基質(zhì)改良和種植4 種不同耐鹽植物3 a后，土壤微生物總量和細(xì)菌、真菌、放線菌的數(shù)量均有不同程度的增加，堿蓬在提高土壤微生物數(shù)量上有明顯優(yōu)勢。種植堿蓬的土壤中，細(xì)菌數(shù)量達(dá)1.20×108個/g，真菌數(shù)量達(dá)1.70×106個/g，放線菌數(shù)量達(dá)2.90×107個/g，微生物總數(shù)達(dá)1.507×108個/g。與赤泥（CK）相比，分別提高164.90%、942.94%、244.01%和179.59%；與不種植植物的空地相比，分別提高83.21%、301.89%、215.90%和100.67%。影響土壤微生物生長活動的重要因素為溫度、水分和土壤通氣性。堿蓬生長密集且根系較發(fā)達(dá)，改善了土壤的通氣透水性，增加了有機(jī)質(zhì)的積累。死亡的根系和根系分泌物可以作為微生物生長所需的能源物質(zhì)，促進(jìn)微生物的生長。且種植堿蓬的土壤鹽分含量低，更適宜微生物生長。微生物數(shù)量的變化反映了土壤的理化性質(zhì)和微生物環(huán)境得到了改善，這些變化也有利于植物的生長。

與赤泥（CK）相比，僅進(jìn)行基質(zhì)改良的空地微生物總數(shù)提高39.33%。這是由于改良劑中的有機(jī)肥等物質(zhì)為微生物的生長繁殖提供了所需的營養(yǎng)物質(zhì)，使土壤中的微生物活性增強(qiáng)[15]，同時也調(diào)控了土壤的微生物區(qū)系，從而促進(jìn)植物對土壤中營養(yǎng)物質(zhì)的吸收與利用。

2.3 土壤微生物數(shù)量與土壤有機(jī)質(zhì)含量之間的相關(guān)性分析

土壤中有機(jī)質(zhì)的含量與土壤中微生物數(shù)量之間有一定的相關(guān)性，土壤中微生物的數(shù)量在一定程度上受到土壤中有機(jī)質(zhì)含量的影響。土壤質(zhì)量取決于土壤理化性質(zhì)、礦物質(zhì)營養(yǎng)成分和微生物特性，且兩兩之間的相關(guān)系數(shù)超過0.98[16]。

由圖1 可知，不同處理的土壤有機(jī)質(zhì)含量與微生物總數(shù)的變化趨勢基本一致。其中，種植堿蓬的土壤有機(jī)質(zhì)含量和微生物總數(shù)最高，種植菌草的土壤有機(jī)質(zhì)含量和微生物數(shù)量較低。

由表4 可以看出，有機(jī)質(zhì)含量與細(xì)菌、真菌、放線菌數(shù)量和微生物總數(shù)的相關(guān)系數(shù)分別為0.893、0.397、0.755 和0.875，呈現(xiàn)正相關(guān)性。這主要是由于植物在土壤中生長時，產(chǎn)生的凋落物、殘留根系及其分泌物增加了土壤有機(jī)質(zhì)含量，土壤N 素和土壤微生物數(shù)量也隨之增加；土壤微生物的活動增強(qiáng)，植物根部呼吸產(chǎn)生的CO2形成的碳酸以及植物根系分泌的檸檬酸等有機(jī)酸促進(jìn)了P、K、Ca 和其他鹽類的溶解，從而提高了土壤肥力并促進(jìn)了植物的生長，整個微生態(tài)系統(tǒng)處于良性循環(huán)中。

表4 有機(jī)質(zhì)含量與微生物數(shù)量的相關(guān)性分析

3 結(jié)論與討論

土壤有機(jī)質(zhì)作為衡量土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，是土壤生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ)，對土壤肥力具有重要影響。它與土壤的物理、化學(xué)、生物學(xué)性質(zhì)及良好的生產(chǎn)力有關(guān)。土壤有機(jī)質(zhì)是一種穩(wěn)定長效的N源物質(zhì)，能夠為植物和微生物的生長提供所需的多種營養(yǎng)元素，增強(qiáng)土壤的保肥、供肥能力和土壤養(yǎng)分的有效性，改善土壤的通氣透水性和蓄水能力，增強(qiáng)土壤的緩沖性等。

土壤微生物作為生態(tài)系統(tǒng)的重要組分之一，是土壤生命活體的重要組成部分，主要包括細(xì)菌、真菌和放線菌，其參與了大部分的土壤活動，在土壤中主要起分解作用。微生物可以將土壤上枯枝落葉中的有機(jī)物分解成無機(jī)物，并向土壤中釋放一定量的營養(yǎng)物質(zhì)，以維持土壤養(yǎng)分和植物生長。

微生物數(shù)量受溫度、濕度、土壤養(yǎng)分、植物凋落物、枯死根系、根系活動及分泌物等以及人為因素的影響，并且隨季節(jié)變化而變化。本次采樣時間處于春末夏初，溫度升高且降水增加，植被生長旺盛，根系微生物活動增強(qiáng)，大量的根系分泌物促進(jìn)了土壤微生物的生長和繁殖，是一年中微生物數(shù)量增長最快的時期[17-18]。因此，在最適宜的溫度和濕度條件下，有機(jī)質(zhì)含量與細(xì)菌、真菌、放線菌和微生物總數(shù)之間就呈現(xiàn)顯著相關(guān)。

土壤微生物的數(shù)量不僅反映了土壤的養(yǎng)分和通氣透水性，其也是土壤中微生物活性[19-20]的具體體現(xiàn)。土壤有機(jī)質(zhì)影響著土壤結(jié)構(gòu)、土壤肥力和土壤微生物的特性，它提供了土壤微生物生命活動所需的養(yǎng)分和能量，也參與了土壤中所有動植物以及微生物的生物化學(xué)過程。但是，土壤有機(jī)質(zhì)含量和微生物數(shù)量會受到季節(jié)等條件的不同程度的影響，因此，不同季節(jié)條件下，有機(jī)質(zhì)含量與微生物數(shù)量的相關(guān)性還有待進(jìn)一步研究。

本研究結(jié)果表明，通過對氧化鋁赤泥堆場進(jìn)行基質(zhì)改良和種植不同耐鹽植物，土壤有機(jī)質(zhì)含量和微生物數(shù)量總體上比赤泥（原狀土）有明顯的提高。種植不同植物的土壤中有機(jī)質(zhì)含量大小順序為竹子＞堿蓬＞赤泥＞空地＞檉柳＞菌草；微生物總數(shù)大小順序為堿蓬＞竹子＞空地＞檉柳＞赤泥＞菌草。其中，種植堿蓬和竹子的土壤，有機(jī)質(zhì)含量和微生物數(shù)量有較為明顯的提高。有機(jī)質(zhì)含量與微生物數(shù)量呈顯著相關(guān)。有機(jī)質(zhì)含量與細(xì)菌、真菌、放線菌數(shù)量和微生物總數(shù)的相關(guān)系數(shù)分別為0.893、0.397、0.755 和0.875，呈現(xiàn)正相關(guān)性。