赤泥摻拌馬尾松葉對(duì)蘆竹與翠蘆莉生長(zhǎng)的影響

廖建雄 黃玉清 徐廣平 何文 李艷瓊 何成新

摘 要：赤泥是鋁土礦提煉氧化鋁后排放的強(qiáng)堿性廢渣，數(shù)量巨大且環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)大，如何改良及篩選適生植物是其生態(tài)修復(fù)的關(guān)鍵。該研究通過(guò)摻拌不同比例的馬尾松葉2%，4%，6%（w/w），分析其對(duì)赤泥pH與有機(jī)質(zhì)含量及蘆竹與翠蘆莉生長(zhǎng)的影響。結(jié)果表明：摻拌馬尾松葉35 d后，赤泥pH由11.08顯著下降至9.70，但隨后趨于平穩(wěn)；隨著摻拌比例的增加，赤泥pH呈下降趨勢(shì)，有機(jī)質(zhì)含量由6.13 g·kg1顯著增至17.52 g·kg1。蘆竹與翠蘆莉在純赤泥上生長(zhǎng)2個(gè)多月后死亡，但在摻拌4%馬尾松葉的赤泥上均能較好地生長(zhǎng)。其中，蘆竹的生物量及相對(duì)生長(zhǎng)速率（RGR）與栽培土相比不受影響，但地下/地上生物量比（B/A）顯著增加；相反，翠蘆莉的生物量和相對(duì)生長(zhǎng)速率與栽培土相比顯著降低，但B/A不受影響。

關(guān)鍵詞：赤泥，改良，馬尾松葉，蘆竹，翠蘆莉，生長(zhǎng)

中圖分類號(hào)：Q948.116

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：10003142（2018）06070406

Abstract：Red mud is a waste residue with strong alkalinity after extracting alumina from bauxite. Due to its huge production and high environmental risks，how to remedy it and how to choose suitable plant species are key for ecological restoration. In this study，we mixed different proportions of pine needles 2%，4% and 6% （w/w），with the objective to study the changes of pH and organic matter content of red mud，and their effects on growth of Arundo donax and Ruellia brittoniana，two alkalitolerant species. The results indicated pH of red mud reduced significantly from 11.08 to 9.70 after 35 d mixture with pine needles，and then leveled off. When the proportions of pine needles increased，pH of red mud decreased and organic matter content significantly increased from 6.13 to 17.52 g·kg1. When grown in pure red mud，Arundo donax and Ruellia brittoniana died after more than two months. However，they could grow well at amended red mud （mixed with about 4% pine needles）. Compared with limestone soil，Arundo donax had similar biomass and relative growth rate （RGR） but significantly higher below/aboveground biomass （B/A） in amended red mud，while Ruellia brittoniana showed significantly lower biomass and RGR but similar B/A.

Key words：red mud，amendment，pine needles，Arundo donax，Ruellia brittoniana，growth

赤泥是鋁土礦提煉氧化鋁后排放的紅色廢渣，數(shù)量巨大且呈強(qiáng)堿性。由于資源化利用難度非常大，赤泥主要采取露天堆存的處置方式。這不但占用了大量土地，而且易通過(guò)粉塵飄散或附液下滲污染周邊生態(tài)環(huán)境，甚至因?yàn)闈卧斐删薮蟮纳鷳B(tài)災(zāi)難（Gelencsér et al，2011； Ruyters et al，2011；Mayes et al，2016）。因此，在積極尋求赤泥綜合利用途徑的同時(shí)，探索有效的生態(tài)修復(fù)方法與技術(shù)已迫在眉睫。

篩選適生植物進(jìn)行植被重建是當(dāng)今國(guó)際生態(tài)修復(fù)研究的熱點(diǎn)和前沿。然而，赤泥堆場(chǎng)鹽堿含量極高（pH 10～12）、有機(jī)質(zhì)含量低、透水透氣性差等，植物難以生長(zhǎng)（Jones & Haynes，2011；Banning et al，2014）。因此，尋求簡(jiǎn)單有效的基質(zhì)改良方法并篩選適生植物進(jìn)行種植，是赤泥堆場(chǎng)生態(tài)修復(fù)的第一步。澳大利亞Alcan Gove鋁業(yè)公司利用臨近的海水中和赤泥后，再采用覆土的方式栽植耐堿植物，構(gòu)建的植被已持續(xù)維持了20多年（Wehr et al，2006）。Xenidis et al（2005）通過(guò)添加5%（w/w）的污泥或7%～15%（w/w）的石膏，發(fā)現(xiàn)赤泥pH下降、有機(jī)質(zhì)含量增加，而且植物能較好地生長(zhǎng)。另外，摻拌酸性廢液（如糖蜜酒精廢液）（鄭業(yè)鵬等，2012）或廢渣（如磷石膏）（張樂(lè)觀等，2010）也能顯著降低赤泥堿性且增加有機(jī)質(zhì)含量。然而，海水法流程復(fù)雜且需要海水這樣的先決條件，其它方法需要很大比例的添加物（Wehr et al，2006；姜丁丁和羅海波，2010；Jones & Haynes，2011），或者易導(dǎo)致赤泥重金屬超標(biāo)或表層可溶鹽堿增加等負(fù)效應(yīng)（張樂(lè)觀等，2010；鄭業(yè)鵬等，2012）。故此，尋求新的改良方法及生態(tài)修復(fù)技術(shù)仍需不斷探索。

Reich et al（2005）發(fā)現(xiàn)，裸子植物凋落物一般交換性鹽基離子少，因此連續(xù)栽種易導(dǎo)致土壤酸化。Brunner & Sperisen（2013）也認(rèn)為針葉樹(shù)凋落物含較多的蠟質(zhì)、樹(shù)脂和木質(zhì)素，它們不完全分解時(shí)易產(chǎn)生比闊葉樹(shù)凋落物更酸的腐殖質(zhì)。受這些研究的啟發(fā)，本研究以馬尾松葉為赤泥脫堿和改良的材料，分析其對(duì)赤泥pH及有機(jī)質(zhì)含量的影響。在此基礎(chǔ)上，比較潛在適生植物蘆竹與翠蘆莉在純赤泥、改良赤泥及栽培土上的生長(zhǎng)情況，旨在為赤泥堆場(chǎng)的生態(tài)修復(fù)提供依據(jù)與參考。

1 材料與方法

1.1材料

赤泥采自中國(guó)鋁業(yè)股份有限公司廣西分公司的赤泥堆場(chǎng)，pH值為11～12，有機(jī)質(zhì)含量5～7 g·kg1。栽培土為黑色石灰土，采自廣西桂林市雁山，pH值為8.0，有機(jī)質(zhì)含量15.3 g·kg1。馬尾松（Pinus massoniana）葉為當(dāng)年落葉，采集于廣西植物研究所內(nèi)的馬尾松林，曬干待用。

蘆竹（Arundo donax）為禾本科蘆竹屬多年生草本植物，根狀莖發(fā)達(dá)、生長(zhǎng)快、生物量大，植株可長(zhǎng)至6 m或更高，是一種集燃料、發(fā)電、造紙等多種用途的潛在能源植物。而且，蘆竹適應(yīng)性強(qiáng)，耐澇、耐旱、耐貧瘠、耐鹽堿、耐重金屬及有機(jī)污染物，可作為生態(tài)修復(fù)的首選植物。

翠蘆莉（Ruellia brittoniana），又稱藍(lán)花草，爵床科蘆莉草屬多年生草本植物，花期持久，耐高溫能力強(qiáng)，是夏季花壇不可多得的花材。另外，它還耐旱、耐濕、耐貧瘠、耐鹽堿，因此用于景觀美化的同時(shí)可用于生態(tài)修復(fù)。

1.2 方法

在廣西植物研究所的遮雨大棚中，將馬尾松葉與赤泥按0%、2%、4%、6%（w/w）混勻后置于24 cm × 24 cm（口徑×高）塑料花盆中。裝盆前，先在盆底排水孔處墊上一層尼龍紗布，然后加混合物5.0 kg。每個(gè)比例重復(fù)3次，常規(guī)澆水。在此期間，每隔1周取赤泥測(cè)量pH值。49 d后，測(cè)量有機(jī)質(zhì)含量。其中，pH采用電位法（NY/T 13772007）測(cè)量，有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀-硫酸加熱法（NY/T 1121.62006）測(cè)量。

將上述2%、4%、6%的改良赤泥混勻后置于24 cm × 24 cm（口徑×高）塑料花盆中，然后將大小相似的蘆竹苗與翠蘆莉苗栽入，每盆改良赤泥5.0 kg，植物1株，每物種重復(fù)3次。另外，以純赤泥與栽培土為對(duì)照，按同樣的方法栽入蘆竹與翠蘆莉，常規(guī)澆水。蘆竹與翠蘆莉移栽前，先測(cè)量它們的初始鮮重，然后根據(jù)備用植株的干鮮比估算初始干重（DW0）。4個(gè)月后，將所有存活的植株從花盆中取出，洗凈后分為地上與地下部分（包括根狀莖）。裝入信封后，先用105 ℃固定殺青20 min，然后80 ℃烘至少24 h。稱重得地上生物量、地下生物量、地下/地上生物量比（B/A）以及總生物量（DW）。相對(duì)生長(zhǎng)速率（RGR，mg·g1·d1）按以下公式計(jì)算：

RGR=（lnDW-lnDW0）/120×1 000。

1.3 統(tǒng)計(jì)方法

所有數(shù)據(jù)處理與分析均利用SPSS 20.0軟件（SPSS Inc.，Chicago，USA）完成。摻拌馬尾松葉比例及摻拌時(shí)間對(duì)赤泥pH影響采用雙因素方差分析（twoway ANOVA），摻拌比例對(duì)有機(jī)質(zhì)含量影響采用單因素方差分析（oneway ANOVA），它們隨后的多重比較用LSD法進(jìn)行檢驗(yàn)。因?yàn)橹仓晔斋@時(shí)生物量、RGR與初始生物量有關(guān)，B/A與收獲時(shí)總生物量有關(guān)（Valladares et al，2000）。因此，盡管植株的初始大小類似，但為了抵消個(gè)體大小效應(yīng)的影響，分析同一物種不同處理間的差異時(shí)仍采用單因素協(xié)方差分析（oneway ANCOVA），其中生物量與RGR以初始干重（DW0）為協(xié)變量，B/A以收獲時(shí)總生物量（DW）為協(xié)變量。

2 結(jié)果與分析

2.1 摻拌馬尾松葉對(duì)赤泥pH及有機(jī)質(zhì)的影響

馬尾松葉摻拌比例及摻拌時(shí)間對(duì)赤泥pH均有顯著影響（圖1），但它們的交互作用不顯著（數(shù)據(jù)未列出）。與對(duì)照（0%摻拌比例）相比，各摻拌比例均顯著降低了赤泥pH，并隨摻拌比例的增加效果越顯著（圖1：A）。隨著摻拌時(shí)間的延長(zhǎng)，赤泥pH先顯著下降，至第5周（35 d）時(shí)，赤泥pH由11.08降至9.70，但隨后趨于平穩(wěn)（圖1：B）。

隨著馬尾松葉摻拌比例的增加，赤泥有機(jī)質(zhì)含量顯著上升（圖2）。其中，純赤泥（0%摻拌比例）的有機(jī)質(zhì)含量?jī)H為6.13 g·kg1，但摻拌6%馬尾松葉后，有機(jī)質(zhì)含量上升至17.52 g·kg1，已超過(guò)了本研究栽培土的有機(jī)質(zhì)含量。

2.2 改良赤泥對(duì)蘆竹與翠蘆莉生長(zhǎng)的影響

直接在純赤泥上栽植蘆竹與翠蘆莉后，兩個(gè)物種均能存活2個(gè)月以上的時(shí)間，但最后相繼死亡。在改良赤泥上，兩物種至實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)均存活。但與栽培土相比，改良赤泥上蘆竹的葉明顯變小；而翠蘆莉出現(xiàn)莖彎曲、葉背葉脈紫紅色并有老葉脫落、葉緣有白色分泌物等癥狀。

分析改良赤泥與栽培土植株的生物量與地下/地上生量比（B/A），發(fā)現(xiàn)兩種植物有不同的表現(xiàn)。與栽培土相比，蘆竹的B/A顯著增加，但生物量無(wú)顯著下降（圖3：A）；翠蘆莉保持B/A不變，但地上地下生物量均顯著下降（圖3：B）。

比較改良赤泥與栽培土植株的相對(duì)生長(zhǎng)速率，蘆竹的相對(duì)生長(zhǎng)速率沒(méi)有顯著變化（圖4：A），而翠蘆莉的相對(duì)生長(zhǎng)速率顯著降低（圖4：B）。

3 討論與結(jié)論

鹽堿含量高、有機(jī)質(zhì)含量低是赤泥限制植物生長(zhǎng)的重要因子（Wehr et al，2006；Xue et al，2016）。因此，尋求簡(jiǎn)單的基質(zhì)改良方法及篩選適生植物是大面積赤泥堆場(chǎng)生態(tài)修復(fù)的關(guān)鍵。與闊葉樹(shù)相比，由于針葉樹(shù)落葉含更多的蠟質(zhì)和木質(zhì)素，它們分解時(shí)易產(chǎn)生更酸的腐殖質(zhì)（Brunner & Sperisen，2013），所以采用摻拌針葉的方法也許能中和赤泥部分堿性。本研究結(jié)果表明，摻拌馬尾松葉35 d后，赤泥pH下降了約1.4個(gè)單位，但隨后趨于平穩(wěn)。薛生國(guó)等（2017）認(rèn)為赤泥惡劣環(huán)境下微生物難以生存。因此，以上結(jié)果可能與赤泥的強(qiáng)堿及缺少微生物有關(guān)。當(dāng)馬尾松葉摻拌入赤泥后，赤泥的強(qiáng)堿迅速對(duì)松葉產(chǎn)生腐蝕作用（水解反應(yīng)與酸堿反應(yīng)），赤泥pH隨之下降并隨摻拌比例的增加下降幅度增加；但隨著化學(xué)反應(yīng)的完成，由于缺少微生物的分解作用，余下的有機(jī)成分（氨基酸和脂肪酸的鈉鹽）對(duì)赤泥pH基本沒(méi)有影響。甚至隨著某些化學(xué)結(jié)合堿（如鋁酸三鈣）的溶解，赤泥pH又出現(xiàn)了升高現(xiàn)象（薛生國(guó)等，2017）。同樣，摻拌的馬尾松葉與赤泥強(qiáng)堿發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后，余下的有機(jī)成分顯著增加了赤泥的有機(jī)質(zhì)含量，并且隨著摻拌比例的增加而增加。

盡管摻拌馬尾松后赤泥pH（>9.0）仍高于一般植物的忍受范圍（Mendez & Maier，2007），但蘆竹與翠蘆莉均能較好地生長(zhǎng)。與此相反，純赤泥上栽植的蘆竹與翠蘆莉全部死亡。說(shuō)明馬尾松葉通過(guò)降堿及增加有機(jī)質(zhì)含量促進(jìn)了耐堿植物蘆竹與翠蘆莉在赤泥上的生長(zhǎng)。另外，馬尾松的針葉無(wú)需破碎就能與赤泥充分接觸，使赤泥疏松度及透氣能力增強(qiáng)也可能是原因之一。堿性尾礦一般缺磷或磷有效性低（Ward & Summers，1993；Cross & Lambers，2017），而植物缺磷易導(dǎo)致葉背葉脈變紫紅并落葉（武維華，2008）。因此，本研究中翠蘆莉生長(zhǎng)在改良赤泥上葉背葉脈呈紫紅色并出現(xiàn)老葉脫落可能與缺磷有關(guān)。

Cross & Lambers（2017）認(rèn)為，堿性尾礦與發(fā)育早期的石灰土類似，因此早期石灰土的年代序列可作為堿性尾礦生態(tài)恢復(fù)的模板。本研究正好選用發(fā)育初始期的黑色石灰土作為對(duì)照（栽培土），與之相比，改良赤泥顯著增加了蘆竹B/A，但對(duì)其生物量及相對(duì)生長(zhǎng)速率無(wú)顯著影響。大多數(shù)研究者認(rèn)為，鹽堿脅迫易造成植物生理干旱（Parida & Das，2005；Zhang et al，2015；Qiu et al，2017）。因此，蘆竹增加B/A可能是對(duì)生理干旱的響應(yīng)與適應(yīng)，其結(jié)果是維持相對(duì)生長(zhǎng)速率不受影響。Sánchez et al（2015）也發(fā)現(xiàn)，鹽脅迫與干旱脅迫均顯著增加了蘆竹的根冠比，但蘆竹的耐鹽性強(qiáng)于耐旱性。與蘆竹相反，改良赤泥上翠蘆莉的生物量及相對(duì)生長(zhǎng)速率顯著低于栽培土，但B/A無(wú)顯著差異。劉志華和趙可夫（2005）認(rèn)為大多數(shù)植物對(duì)高鹽堿環(huán)境的適應(yīng)，如合成有機(jī)酸或滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，消耗了大量能量，進(jìn)而減緩了生長(zhǎng)。本研究中翠蘆莉可能就基于此，而蘆竹可能反其道而行之。改良赤泥上，蘆竹的相對(duì)生長(zhǎng)速率不但沒(méi)有受到顯著影響，而且具有相對(duì)較高的數(shù)值，顯著高于翠蘆莉，可能使其采用了類似于濱藜（Atriplex amnicola）的生長(zhǎng)稀釋策略（Aslam et al，1986），即通過(guò)快速生長(zhǎng)稀釋細(xì)胞中的鹽堿，最終達(dá)到適應(yīng)高鹽堿環(huán)境的目的。翠蘆莉除了減緩生長(zhǎng)外，其葉緣出現(xiàn)白色分泌物的癥狀也表明其具有分泌鹽堿的適應(yīng)策略。

綜上所述，赤泥摻拌馬尾松葉后能顯著降低pH、增加有機(jī)質(zhì)含量，而且有利于蘆竹與翠蘆莉在赤泥上的生長(zhǎng)。這不但說(shuō)明摻拌馬尾松葉是一種簡(jiǎn)單且可行的赤泥改良措施，而且表明蘆竹與翠蘆莉具有很強(qiáng)的耐堿性，可應(yīng)用于赤泥堆場(chǎng)的生態(tài)修復(fù)。但是，兩個(gè)物種在改良赤泥上生長(zhǎng)時(shí)采取了不同的適應(yīng)策略。

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