不同種植植物對赤泥鹽離子遷移與分布的影響

岳晶晶，劉鐘森，程越邁，趙雅，王驥博

1.河南省地質(zhì)環(huán)境規(guī)劃設計院有限公司，河南 鄭州 450000；2.河南省地質(zhì)環(huán)境勘查院，河南 鄭州 450000；3.鄭州市土壤污染防治利用工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450000

赤泥是從鋁土礦中提煉氧化鋁后排出的工業(yè)固體廢物，具有產(chǎn)量大、堿度強、鹽分高和植物難以生長的特點，其處置方式主要以堆存為主，還會造成周邊土壤和水體污染[1-2]。赤泥堆場土壤化-植被恢復成為赤泥生態(tài)化處理的有效措施，但影響植物生長的最主要因素是高鹽堿[3]。

有研究表明，輪作、秸稈還田和土地整理等措施能夠降低鹽漬化土壤鹽分含量和土壤堿化度(ESP)[4-6]。添加有機肥基質(zhì)可以增加有機質(zhì)，提高通氣性和透水性，促進鹽分淋洗，分解后產(chǎn)生的有機酸中和土壤中的堿性，在一定程度上改善土壤酸堿度[7-8]。采用生物改良方法種植樹木、抗鹽性較強的牧草和植物等，也可以疏松土壤，改善土壤結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)，提高土壤肥力[9]。耐鹽植物可以增加土壤中陰陽離子溶解度，通過鹽分吸收、運移對鹽堿地表層土壤具有一定生物改良作用，其中田菁對表層的脫鹽效果最好[10-12]。牧草干枯后腐爛分解的有機酸和CO2又可以起到中和改堿的作用。雷金銀等[13]研究表明，種植檉柳的土壤表層0～20 cm的ESP降低了75.45%，但尹傳華等[14]研究表明，種植檉柳會產(chǎn)生灌叢下土壤表層鹽分的積累。

目前，赤泥堆場研究主要集中在赤泥生態(tài)化處置、土壤化以及耐性植物篩選等方面，但植物對赤泥鹽分的生物改良效果對比分析研究較少。系統(tǒng)深入地研究不同植物種植條件下赤泥堆場土壤鹽分組成變化，選擇適宜的植物，對于赤泥改良和生態(tài)環(huán)境改善具有重要意義。因此，本研究以河南某赤泥為研究對象，通過添加有機肥等改良劑對赤泥基質(zhì)進行改良后，分析不同種植植物條件下ESP、陰離子和可溶性陽離子含量變化，綜合分析不同植物的改良效果，為赤泥堆場植被復綠過程中的鹽分調(diào)控提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于河南某氧化鋁公司赤泥堆場(35°24′23″ N，113°25′17″ E)。氣候為暖溫帶大陸性季風氣候，四季分明，年平均氣溫14.5 ℃，年平均降水量560.4 mm。表1為赤泥初始性狀。

表1 赤泥的鹽分離子組成

1.2 樣品采集

背景赤泥樣品采自未改良赤泥堆場附近，赤泥改良后樣品采自改良后赤泥堆場。采樣時間為2016年8月和2019年4月，取樣深度為0～20 cm，分別將赤泥土壤與背景赤泥樣品在試驗室內(nèi)自然風干，壓碎混勻，研磨過篩，密封保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3 試驗設計

試驗區(qū)赤泥基質(zhì)分配較均勻，各成分含量相差不大。對背景赤泥(BR)進行改良，以改良后未種植植物的赤泥(BR1)為對照，采用完全隨機試驗設計，分別種植檉柳、堿蓬、菌草、竹子、小麥和黑麥草6種植物，各種植植物的田間管理方式一致，主要為灌水，保證植物生長所需水分。

2016年8月份對赤泥基質(zhì)進行改良，添加青貯玉米秸稈、小麥秸稈、有機肥等改良劑，平衡一個月后，種植檉柳、堿蓬、菌草、竹子、小麥和黑麥草，其中檉柳、菌草和竹子采用人工移栽，堿蓬、小麥和黑麥草采用人工撒播，連續(xù)種植3年。檉柳、竹子、菌草移栽地的枯枝落葉返還土壤，小麥、堿蓬、黑麥草連作地翻耕去除原有干枯植被后撒播。

1.4 樣品分析

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種植植物改良赤泥交換性鈉變化

土壤交換性鈉指土壤吸收復合體吸附Na+的量，是土壤堿化的主要原因之一。由圖1可知，不同種植植物條件下改良赤泥的交換性鈉含量存在差異。BR1處理中的交換性鈉平均值為8.16 cmol/kg，種植黑麥草和檉柳的赤泥交換性鈉含量較高，分別為12.79 cmol/kg和8.85 cmol/kg，其原因可能是植物根系分布及根分泌的有機酸等活化黏土礦物中的鈉，從而使黏土礦物晶格中的鈉釋放并轉(zhuǎn)化為交換態(tài)鈉[19]，種植竹子、菌草、小麥和堿蓬的赤泥交換性鈉含量較BR1分別下降了56.50%、24.88%、13.73%和0.74%，其原因可能是種植植物后進行了土壤翻耕，降低了土壤容重，增加了孔隙度，增強了土壤的淋溶作用，便于鈉離子淋洗[20]。

圖1 不同種植植物赤泥交換性鈉含量

2.2 不同種植植物改良赤泥CEC變化

土壤CEC是指土壤膠體所能吸附各種陽離子的總量，是評價土壤保肥能力的重要依據(jù)，一般認為CEC在20 cmol/kg以上的為保肥力強的土壤，10～20 cmol/kg為保肥力中等的土壤。由圖2可知，BR1處理中的CEC平均值為13.33 cmol/kg，不同種植植物條件下改良赤泥的CEC與BR1相比，均呈現(xiàn)不同程度的增加趨勢?？傮w上看，種植小麥和堿蓬的改良赤泥的CEC的增效最佳，較BR1分別增加了62.04%和53.04%，土壤保肥能力較強，檉柳、菌草和竹子次之，分別增加了44.79%、40.29%和30.53%，土壤保肥能力處于中等水平。

圖2 不同種植植物赤泥CEC

2.3 不同種植植物改良赤泥ESP變化

ESP為交換性鈉與CEC的比值，可以表征土壤堿化程度，ESP在15%～20%以上為強堿化土壤。不同種植植物對赤泥堿化程度改良效果情況見圖3。BR1處理的ESP為61.18%，種植竹子對赤泥堿化程度改良效果最好，其ESP為20.40%，較BR1下降了66.65%，其次為種植小麥和菌草的改良效果，其ESP分別為32.78%和32.59%，較BR1分別下降了46.73%和46.42%，堿蓬和檉柳對赤泥堿化程度改良效果最低，其ESP分別下降了35.10%和25.09%。ESP下降的原因一方面是種植植物可以改善土壤結(jié)構(gòu)，增強土壤的淋溶作用，便于鈉離子淋洗，另一方面是可能是添加土壤改良劑帶入的K+和Mg2+，提高了CEC，從而降低了Na+的比例[21]。

圖3 不同種植植物赤泥ESP

2.4 種植植物改良赤泥陰離子組成變化

不同種植植物條件下改良赤泥的陰離子變化如表2所示。改良赤泥中主要陰離子有SO42-、HCO3-、Cl-和CO32-，改良后其含量依次為：竹子<小麥<菌草<檉柳<堿蓬<黑麥草。BR1處理中SO42-占陰離子總量的50.52%，種植檉柳、堿蓬、菌草和竹子等植物的改良赤泥中SO42-占陰離子總量的比例下降，種植堿蓬SO42-占陰離子總量最低，為12.66%，Cl-變化趨勢與SO42-正好相反，其在赤泥中占陰離子總量的比例從44.74%增加到84.05%，HCO3-在赤泥中占陰離子總量的4.53%，不同種植植物的改良赤泥中HCO3-變化不明顯，CO32-含量較低，在BR1處理和不同種植植物條件下改良赤泥中均未檢測到。

表2 不同種植植物赤泥的陰離子組成

2.5 Cl-/SO42-比值的變化

赤泥鹽分離子中陰離子含量以Cl-和SO42-為主，因此Cl-/SO42-比值的變化反映了土壤中陰離子組成的變化(圖4)。同時Cl-容易隨水分移動，而SO42-不易隨水移動，二者的比值可以作為鹽分的淋洗狀況的指標[22]。由圖4可以看出，不同種植植物土層的Cl-/SO42-比值均高于BR1處理(0.89)，其中竹子移栽地的Cl-/SO42-比值為0.99，與BR1相比，變化不大，處于穩(wěn)定狀態(tài)；檉柳和菌草移栽地的Cl-/SO42-比值較BR1分別提高了62.80%和168.62%，堿蓬、小麥和黑麥草連作地的Cl-/SO42-比值較BR1分別提高了 625.27%、54.85%和71.70%，具有積鹽趨勢，其原因一方面是春季氣溫上升，降水量少，地表裸露，土壤“返鹽”現(xiàn)象增加，另一方面是鹽生植物本身含有灰分，枯枝落葉返還土壤，又將鹽分帶回地表。

圖4 不同種植植物赤泥Cl-/SO42-比值

2.6 不同種植植物改良赤泥水溶態(tài)陽離子組成變化

赤泥水溶性鹽中的陽離子包括Na+、Ca2+、K+、Mg2+，由表3可知，不同種植植物條件下改良赤泥中的水溶態(tài)陽離子含量存在差異。Na+是赤泥中主要的水溶態(tài)陽離子，其次是Ca2+、K+、Mg2+。BR1處理中的水溶態(tài)Na+是含量為5.96 cmol/kg，占赤泥中水溶態(tài)陽離子的81.42%，種植檉柳、堿蓬、菌草和竹子等植物的改良赤泥中水溶態(tài)Na+占水溶態(tài)陽離子總量的比例下降，其中種植竹子水溶態(tài)Na+占水溶態(tài)陽離子總量最低，為61.92%，不同種植植物的改良赤泥中水溶態(tài)Mg2+和水溶態(tài)Ca2+(除堿蓬外)變化趨勢與水溶態(tài)Na+正好相反，其占赤泥中水溶態(tài)陽離子總量比例分別增加至3.97%～8.38%和15.75%～22.33%，不同種植植物的改良赤泥中水溶態(tài)K+變化趨勢不明顯。

表3 不同種植植物赤泥水溶態(tài)陽離子含量

2.7 鈉吸附比(SAR)變化

SAR是鈉離子濃度與鈣離子濃度、鎂離子濃度均值的平方根之比，主要用以表示鈉離子和土壤交換反應的相對活度，是反映鹽堿地堿度和利用與改良過程中土壤質(zhì)量變化的重要指標[22]。如圖5所示，基于水土比51的提取液的BR1處理SAR為8.93，不同種植植物條件下改良赤泥的SAR與BR1相比，均呈現(xiàn)不同程度的遞減趨勢；其中竹子移栽地的SAR降幅最大，為64.30%；其次是菌草、小麥和檉柳，分別下降了39.08%、36.36%和27.12%；堿蓬和黑麥草的降幅僅有9.92%和1.55%。說明種植檉柳、堿蓬、菌草、竹子、小麥和黑麥草可以在一定程度上降低土壤SAR，降低土壤堿度，其原因可能是表層土壤中Na+含量降低，Ca2+和Mg2+含量增加，從而導致土壤中可溶性鈉離子的比例下降。

圖5 不同種植植物赤泥SAR

3 結(jié) 論

(1)種植堿蓬、小麥、菌草和竹子可以降低土壤交換性鈉含量，提高CEC，增強土壤保肥能力，降低赤泥ESP，抑制土壤返鹽，緩解土壤的鹽化程度。

(2)改良赤泥中主要陰離子有SO42-、HCO3-、Cl-和CO32-，陰離子含量依次為：竹子<小麥<菌草<檉柳<堿蓬<黑麥草。竹子移栽地土壤的Cl-/SO42-比值與BR1處理相比變化不大，處于穩(wěn)定狀態(tài)。

(3)種植檉柳、堿蓬、菌草、小麥、黑麥草和竹子等植物均降低了土壤中水溶態(tài)Na+占水溶態(tài)陽離子總量的比例和SAR，降低了土壤堿度。

(4)檉柳對CO32-、Cl-、SO42-、K+、Na+、Ca2+、Mg2+具有明顯的富集效應，產(chǎn)生顯著的鹽島效應，增強了土壤表層的積鹽速率，可能會導致較高水平的鹽分累積和土壤退化。本研究基于3年試驗結(jié)果之上，所得結(jié)論存在一定的局限性，還需進一步研究和驗證。