污泥-五種植物協同對赤礦泥土壤化處置的促進作用

徐 敏 ,成官文 ,岳遠隋 ,徐曉宇 ,杜誠豪 ,王云龍 ,曾玉輝,馮 杰,農國武,黃振藝

(1.桂林理工大學 環(huán)境科學與工程學院,廣西 桂林 541006;2.中國鋁業(yè)股份有限公司 廣西分公司,廣西 平果 531400)

赤泥是鋁土礦提煉氧化鋁后排出的鋁工業(yè)大宗固廢,而提煉1 t 氧化鋁產生1～2 t 赤泥[1-2],2018年,赤泥全球庫存達到46 ×108t,年均增長約2 ×108t,我國赤泥年產量達到6 900 ×104t[3];礦泥是洗礦中產生的礦業(yè)固體廢物以漿狀形式排出后形成的沉淀物[4],我國礦泥堆存量已超過3.5 ×108t,利用率不足4%,赤泥、礦泥的堆存為環(huán)境與安全帶來巨大風險[5]。

目前,礦泥資源化的主要途徑是制備氧化鐵紅、聚合氯化鋁鐵、高鋁水泥、煤矸石磚等[6];赤泥綜合利用的主要途徑是用于制備生產建筑材料、陶瓷和吸附材料,還可以提取有價金屬等[7],但受技術可操作性、產品競爭力、生產成本、物理費用以及放射性等局限,難以推廣和實施[8],因而赤泥土壤化修復的技術思路逐漸引起學者的關注。COURTNEY和薛生國[9]研究發(fā)現利用石膏無機礦物材料作為改良劑,可以在一定程度上改善赤泥的土壤性質,有效降低可交換鈉比例,促進植物生長;胡樹翔等[10]發(fā)現添加生物質可大幅度提升赤泥基質中微生物群落的活性和多樣性,并增強土壤酶活性。但目前為止尚沒有成熟的推廣技術方法。經課題組初步探究,張宇玲等[11]研究發(fā)現黑麥草種子發(fā)芽率在控堿赤泥與脫水礦泥組合成的赤礦泥基質達到99.67%;段紹彥等[12]研究發(fā)現,礦坑周邊坡耕地土壤理化性質與赤泥-礦泥土壤化處置赤礦泥基質特性較為互補,能夠為赤泥-礦泥土壤化處置提供適宜環(huán)境空間。在此研究基礎上,課題組進行了實際生態(tài)處置工程應用,開展赤泥-礦泥土壤化礦坑原位生態(tài)復墾研究,要考察外源施加污泥及不同種類的植物下赤礦泥基質的鹽堿、養(yǎng)分、酶活、微生物多樣性的變化特征及相互關系,以期為赤泥、礦泥土壤化處置和規(guī)?；{提供技術依據。

1 材料與方法

1.1 試驗場地及材料

赤泥和脫水礦泥取自中國鋁業(yè)股份有限公司廣西分公司。赤泥pH 值為11.12～11.18;脫水礦泥pH 值為7.01～7.06。赤泥和脫水礦泥主要化學成分見表1。

表1 赤泥、脫水礦泥的化學組分Table 1 Chemical compositions of red mud and dehydrated mineral slime %

示范研究場地位于北緯23°22′52″、東經107°30′57″,屬于中國鋁業(yè)股份有限公司廣西分公司礦山采空區(qū)。根據前期研究成果[11,13],赤泥按3.3 g·kg-1石膏粉、5 g·kg-1FeCl3、3.3 g·kg-1MgCl2配比控堿,陳化90 d 后與脫水礦泥按1∶4(干重比)在采礦礦坑進行土壤化處置:混勻、攤平、壓實后,再表層覆蓋10 cm 場地整理雜土,選取其中長16 m、寬3.5 m的示范研究場地作為污泥-五種植物協同作用對控堿赤泥、脫水礦泥土壤化礦坑原位生態(tài)復墾進行研究。試驗選擇經小試初步篩選的翠蘆綠(R)、鬼針草(S)、狗牙根(B)3 種草本植物和桑樹(M)、桉樹(E)2 種喬木植物,分別種植在5 塊同等大小的樣區(qū)(每塊樣區(qū)面積:2.8 m×3.5 m=9.8 m2),且植物種類區(qū)域間隔為0.5 m。在2021 年4 月施加一次污泥肥料。

場地土壤化處置覆土前赤礦泥基質鹽堿及其養(yǎng)分指標:pH 值8.86,全鹽5.02 g·kg-1,有機質2.23 g·kg-1,全氮0.62 g·kg-1,全磷0.73 g·kg-1,速效鉀269.33 mg·kg-1。與正常耕地土相比,試驗場地赤礦泥基質具有高鹽堿,除速效鉀外其他養(yǎng)分含量呈現較低的特征。

1.2 試驗方法與分析

按“S”形選取5 個采樣點,采集20 cm 處赤泥-礦泥處置赤礦泥基質樣品,等量混勻為1 個混合樣。將取回的土樣分成4 部分:其一烘箱烘干后過10 目(孔徑約1.65 mm)篩測定pH 值;其二室內自然風干(全干狀態(tài))后過100 目(孔徑約0.165 mm)篩測定水溶性鹽分和養(yǎng)分;其三室內自然風干(半濕半干狀態(tài))后過10 目篩,存于4 ℃冰箱內用于測定赤礦泥基質酶活性;其四保存于裝有干冰的保溫箱中用于土壤微生物群落分析。

本文微生物多樣性采用16SRNA 擴增子測序技術;對赤礦泥基質的脲酶活性、堿性磷酸酶活性分別用苯酚-次氯酸鈉比色法、磷酸苯二鈉比色法進行測定;赤礦泥基質pH 值、全鹽含量、有機質、全磷、速效鉀分別用電位法、殘渣烘干質量法、水合熱重鉻酸鉀氧化-比色法、酸溶-鉬銻抗比色法、乙酸銨提取法進行測定;全氮用元素分析儀測定。赤礦泥基質養(yǎng)分基于第二次全國土壤普查養(yǎng)分分級指標進行評估[14]。采用Excel 與SPSS22.0 統計軟件進行數據處理及統計分析,用QIIME2(2019.4)和R 語言ggplot2 進行微生物物種組成分析,用皮爾森(Person)相關系數進行相關性分析。

2 結果與討論

2.1 污泥-五種植物協同作用對赤礦泥基質鹽堿的影響

污泥-五種植物作用下礦泥土壤化處置20 cm處赤礦泥基質的鹽、堿測定結果統計見圖1。

圖1 污泥-五種植物協同下赤礦泥基質的鹽堿變化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長,強化了植物的蒸騰作用及其全鹽的遷移,并隨地表徑流而減少,不同植物種類赤礦泥基質全鹽含量下降大小排序為:B ＞S ＞R ＞E ＞M。其中,種植B 赤礦泥基質全鹽含量下降了2.07 g·kg-1,低于輕度鹽漬化標準,其他植物類型也降到了輕度鹽漬化區(qū)間,五種植物都有較好的去鹽效果,其中植物B 效果顯著。進入2021 年、2022 年季節(jié)輪替時,植物進入休眠期,氣候變得較為干旱,毛細管及水分蒸發(fā)作用導致全鹽向表層遷移進入冬春年輪更替,全鹽含量明顯增加;進入夏季,植物生長旺盛,除R 植物組外,其他S、M、B、E 植物組全鹽含量又分別減少了0.02、0.96、0.33、1.88 g·kg-1,顯示植物生長能不同程度地消減赤礦泥基質全鹽量。植物能通過擴散過程或載體、離子泵的主動轉運對鹽離子進行吸收,后利用莖葉中的鹽腺排出,推進了赤礦泥基質全鹽量的降低[15]。

赤礦泥基質的pH 值在2021 年呈現下降趨勢,pH 值達到了礦山生態(tài)環(huán)境保護與恢復治理技術規(guī)范的要求,2021 年R、S、M、B、E 各種類赤礦泥基質pH 值分別下降了1.83、0.70、0.75、1.42、0.88,均有不同程度的控堿作用,2022 年伴隨全鹽的運移轉化,赤礦泥基質的pH 值呈現類似上升趨勢,除M、B 植物組外pH 值仍低于8.50。污泥提供養(yǎng)分維持植物正常生長,植物產生的根系分泌物中的草酸、氨基酸、乳酸等有機酸[16],降低赤礦泥基質中的pH 值。

赤礦泥基質鹽、堿顯示類似的年度變化規(guī)律,說明其鹽、堿物質具有類似的遷移轉化或變化規(guī)律:污泥促進了植物生長,植物生長強化了鹽、堿物質的遷移,二者的協同作用使赤泥礦泥土壤化處置赤礦泥基質的鹽、堿達到了正常范圍,也表明污泥-植物的協同作用更利于赤泥礦泥土壤化處置赤礦泥基質的控鹽與控堿。

2.2 污泥-五種植物協同作用下赤礦泥基質養(yǎng)分的變化

施加污泥后五種不同植物作用下的赤泥礦泥土壤化處置20 cm 處赤礦泥基質的有機質、氮磷鉀測定結果統計見圖2 和圖3。

圖3 污泥-五種植物協同下赤礦泥基質全磷、速效鉀的變化Fig.3 Changes of total phosphorus and available potassiumin red mineral mud substrate under the coordination of sludge and five kinds of plants

赤礦泥基質有機質含量的變化見圖2(a)。污泥有機質較高,施加污泥后的赤礦泥基質有機質含量從2.23 g·kg-1增加到了20.00 g·kg-1,達到了全國第二次土壤普查第三級標準以上[14]。2021 年,不同植物的生長周期、生長特性、凋落物及其分解過程的差異導致各植物在赤泥礦泥土壤化處置中的有機質含量呈現較大差異,R、S、M、B、E 組赤礦泥基質有機質含量分別增加了20.08、15.39、8.41、-3.28、5.09 g·kg-1,一年生植物R、S 進入冬季整株枯萎腐爛,而多年生植物M、B、E 進入休眠期,僅葉子凋落腐爛,使得種植植物R、S 的赤礦泥基質有機質增加量明顯高于M、B、E 組赤礦泥基質,低矮草本植物B 因生物量低、根系作用淺,對取樣深度范圍內赤礦泥基質有機質的補償少。進入來年,為研究植物生長對赤礦泥基質肥分及其赤礦泥基質的改良效果,未追加污泥。2022 年,種植多年生植物M、B、E 赤礦泥基質有機質下降量為:11.93、3.46、7.71 g·kg-1,小于種植一年生植物R、S 赤礦泥基質有機質的下降量:20.84、16.86 g·kg-1,表明一年生植物在春季枝葉復蘇對有機質需求量大。

不同植物種類的全氮、全磷、速效鉀含量統計見圖2(b)和圖3(a)、圖3(b)。赤泥礦泥土壤化處置赤礦泥基質在施加污泥后的全氮含量均在1 g·kg-1及以上(圖2(b)),達到了全國第二次土壤普查第三級標準以上,全磷含量均在1 g·kg-1及以上(圖3(a)),達到了全國第二次土壤普查第一級標準以上,速效鉀含量均在50 mg·kg-1及以上(圖3(b)),處于全國第二次土壤普查標準第三級中等以上[14],達到了植物正常生長需求范圍。從不同植物類型看,氮磷鉀含量發(fā)生了較大差異。土壤氮以有機態(tài)氮為主[17],有機氮的升高直接增加全氮含量,2021 年7 月為控堿赤泥、脫水礦泥土壤化礦坑原位生態(tài)復墾初期,剛施加的污泥能為赤礦泥基質提供大量有機氮,污泥對全氮的供應量大于植物生長吸收量,此時全氮含量較高;2022 年7 月輸入赤礦泥基質的有機殘茬量減少的累積效應降低了有機質生成,導致有機態(tài)氮減少,此外植物處于生長期對氮的需求量也增加,全氮的供應量低于植物生長吸收量,致使2022 年7 月時的五種不同植物類型的赤礦泥基質中全氮含量均低于2021 年7 月的同期水平土壤全氮降低。除植物R 外,種植植物S、M、B、E 赤礦泥基質全氮含量變化趨勢一樣,全氮含量在2021年10 月、2022 年呈現下降,究其原因可能與植物生長有關。氮是植物體內蛋白質和葉綠素的主要成分,植物快速生長對氮的吸收導致土壤中的全氮含量下降。2022 年5 月,E 地塊赤礦泥基質全氮含量為1.14 g·kg-1,低于其他植物,這是因為桉樹生長的生物量大,且一直吸收氮素用于細胞的增長和分裂。2021 年種植S、M、B、E 植物組赤礦泥基質全磷含量一直增加,植物B 赤礦泥基質全磷增加量為1.14 g·kg-1,高于其他植物組的增加量,磷元素主要促進植物發(fā)芽和生根,植物B 的生物量最小,對全磷的吸收量較少,使得全磷積累量最大。由圖3(b)可知赤礦泥基質速效鉀含量處于較缺狀態(tài),是因為速效鉀是可被作物直接吸收利用的鉀素部分[18],再加上水溶性鉀、可交換性鉀是速效鉀主要形態(tài),也是土壤中鉀流失的主要形態(tài)[19],區(qū)域強烈的淋溶作用使其受到耗損,共同導致赤礦泥基質速效鉀含量處于較缺狀態(tài)。2021 年7 月,種植S 后赤礦泥基質速效鉀含量為47.03 mg·kg-1,明顯低于其他植物組,表明草本植物S 的快速生長對速效鉀需求量大。

節(jié)點安全連通度能夠反映網絡安全性能的高低,節(jié)點的安全連通度越大節(jié)點與更多的鄰居節(jié)點存在共享密鑰,網絡的安全性能越高。

2.3 污泥-五種植物協同作用下赤礦泥基質微生物多樣性與酶活性

土壤酶作為土壤中各種生物化學反應的重要催化劑,其能反映土壤中各種生化過程的動向與強度,其活性還在一定程度上表征了土壤中微生物的狀態(tài)、土壤理化性質及肥力狀況[20-21]。表2、圖4 為2022 年7 月赤礦泥基質的多樣性指數和細菌門水平下物種豐富度統計。表明群落豐富度的Chao 指數和物種指數分別在3 000、2 800 以上,綜合考慮群落的豐富度和均勻度的香農指數和辛普森指數分別在8.7、0.99 以上,與純赤泥的Chao 指數、香農指數和辛普森指數934.05、7.83、0.99[22]相比,污泥-植物協同下赤礦泥基質的Chao 指數、香農指數明顯大于純赤泥,辛普森指數無變化。OTUs 歸類結果顯示,赤礦泥基質中相對豐度大于1%的菌門共有5個,分別為變形菌門(Roeobacteria) 34.08%～49.44%、放線菌(Atinbaternr)27.14%～41.44%、酸桿菌門(Aidobacteral)6.97%～11.15%,綠彎菌門(Chloroflexi)4.11%～7.03%、芽單胞菌門(Gemmatimonadetes)1.92%～4.40%,這5 種菌門相對豐度占細菌總OTUs 的90.17%～95.44%。說明污泥-植物協同作用為微生物提供了良好的生存環(huán)境,致使赤礦泥基質微生物多樣性、豐富度發(fā)生了明顯提升。污泥的添加和植物的生長有效地促進了微生物在赤泥礦泥土壤化處置過程中大量定殖擴增及優(yōu)勢種群的建立。

圖4 2022 年7 月份赤礦泥基質細菌門水平的群落組成Fig.4 Community composition at the level of matrix bacteria phylum in red mineral mud in July 2022

表2 2022 年7 月份赤礦泥基質細菌的生物多樣性指數Table 2 Biodiversity index of red mineral mud matrix bacteria in sludge area in July 2022

微生物和土壤酶之間存在共代謝效應,土壤微生物多樣性的提升對應著酶活性的提升。圖5 為試驗場地施加污泥后不同植物協同作用下的赤泥礦泥土壤化處置20 cm 處赤礦泥基質的酶活性測定結果。

圖5 污泥-五種植物協同下赤礦泥基質的酶活性變化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組赤礦泥基質堿性磷酸酶、脲酶的酶活性呈增加趨勢,酶活與植物生長、植物根際范圍內赤礦泥基質養(yǎng)分及微生物豐富度之間關系密切[23],污泥施加使得基質肥力、微生物豐富度增加致使酶活性增強。各植物屬性及生物量存在明顯差異,導致各植物組赤礦泥基質酶濃度也存在著較大區(qū)別。圖5(a)顯示各植物組赤礦泥基質堿性磷酸酶活性在2022 年5 月達到最高值,后經夏季生長,而在2022 年7 月又降到低值;圖5(b)顯示脲酶活性在當年12 月達到最高值,來年5 月有所降低,但7 月又有所抬升。堿性磷酸酶的積累滯后脲酶活性,并在來年5 月彼此分別處于峰頂與峰谷,出現時空差,產生這種差異在于赤礦泥基質酶活性是由赤礦泥基質性質、水熱條件、赤礦泥基質生物種類及數量以及植物物種組成等多種因素決定的,同時不同種類酶的活性對環(huán)境變化的敏感程度也不完全相同[24]。從植物類別看E 組的堿性磷酸酶、脲酶活性均偏低,而S、R 組的堿性磷酸酶、脲酶活性高于E 組。出現這一現象可能與植物根系深度作用范圍有關,S 為一年生草本植物,生物量大、覆蓋度較高,赤礦泥基質中根系發(fā)達,其分泌物和脫落細胞提高了酶活性,地表植物枯枝落葉的分解又使赤礦泥基質酶活性得到不同程度增強。

2.4 赤礦泥基質鹽堿、養(yǎng)分、酶活性的相關性分析

圖6 為赤礦泥基質鹽堿、養(yǎng)分、酶活性之間的相關性統計。赤泥礦泥土壤化處置赤礦泥基質的鹽堿與速效鉀呈極顯著正相關,與其他養(yǎng)分、酶活指標之間呈極顯著負相關。說明污泥中速效鉀含量能使赤礦泥基質的鹽堿變高,而投加污泥或赤礦泥基質有機質和氮磷元素的增加、酶活性的提升能促進赤泥礦泥土壤化處置赤礦泥基質鹽堿調控效果,促進土壤化處置赤礦泥基質改良或者生態(tài)修復。

圖6 赤礦泥基質鹽堿、養(yǎng)分、酶活性的相關性Fig.6 Correlation of salt,alkali,nutrient and enzyme activity in red mineral mud substrate

脲酶與有機質、全氮、全磷呈極顯著正相關,與速效鉀呈極顯著負相關;堿性磷酸酶與有機質、全氮呈極顯著正相關,與速效鉀、全磷呈極顯著負相關?？梢娒富钚耘c養(yǎng)分之間具有一定的相互作用,赤泥礦泥土壤化處置赤礦泥基質施加或補充有機質、全氮、全磷有助于植物及其根際微生物的生長繁殖,從而促進或影響脲酶與堿性磷酸酶的活性;與此同時,赤礦泥基質中的脲酶、堿性磷酸酶活性反過來又參與植物和微生物殘體的分解、污泥物質組分的轉化,以及赤礦泥基質養(yǎng)分固定與釋放,如磷酸酶為適應性酶,在赤礦泥基質有效磷含量低時磷酸酶活性增強[25]?？梢?對于營養(yǎng)組分匱乏的赤泥礦泥土壤化處置赤礦泥基質,適量補充含有有機質、氮、磷的肥料利于植物生長及其根系的發(fā)育、植物根際土壤微生物系統的構建與土壤酶活性的提高,但鉀的增加具有負面影響。

脲酶、堿性磷酸酶間存在顯著正相關,表明在赤泥礦泥土壤化處置生態(tài)修復過程中,當同一底物被多種酶同時作用時,幾種酶之間既能相互釋放多種信號物質刺激對方,影響赤礦泥基質的生物活性與肥力,進而改良赤礦泥基質的理化性質、肥力狀況與微生物群落[20],又維持自身相對獨立的酶促反應。

3 結論

2)污泥-植物協同作用一個生長周期后,赤泥礦泥土壤化處置赤礦泥基質的有機質、全氮、全磷含量達到了全國第二次土壤普查標準中三級水平。

3)施加污泥有助于植物生長、根系分泌物的脫落及其根際微生物的生長與繁殖,使得脲酶與堿性磷酸酶的活性得到明顯提升。

4)污泥-耐鹽堿植物協同是赤泥礦泥土壤化處置規(guī)模化原位生態(tài)修復的有效方法。