亞美馬褂木幼苗對德興銅礦HDS底泥的適應(yīng)性

劉巧麗，徐志俊，李輝虎，余發(fā)新*

(1．江西省科學院生物資源研究所，江西省觀賞植物遺傳改良重點實驗室，330096，南昌；2.燕山國有林場，237182，安徽，六安)

0 引言

高濃度泥漿法(High Density Slurry，HDS)底泥是在金屬礦山酸性廢水中回收有價金屬元素之后，利用石灰乳或電石渣來進行酸堿中和(HDS工藝)處理所產(chǎn)生的底泥，屬于Ι類工業(yè)固體廢棄物[1-2]。德興銅礦開采區(qū)酸性廢水處理廠每年大約處理酸性水1 200萬m3，由此每年產(chǎn)生的HDS底泥超過2×105t[3]。目前，HDS底泥一部分用作自循環(huán)料漿，其余絕大部分通過機械壓濾脫水后直接排放到底泥堆場。大量未經(jīng)處理的底泥堆存占用寶貴的礦區(qū)土地資源，既未實現(xiàn)固體廢棄物的循環(huán)利用，也影響礦山的綠色發(fā)展。HDS底泥礦質(zhì)養(yǎng)分、有機物等指標極低，不利于植物和微生物的生存[4]，其成土過程極其緩慢，造成裸露堆場塵土飛揚和空氣污染。另外，HDS底泥粘粒比例過高，導致其結(jié)構(gòu)松散，不利于存儲水分，極易引發(fā)堆場的水土流失和坍塌等生態(tài)風險。最后，HDS底泥還含有較多的鹽離子和重金屬離子，通過塵土飛揚或者水土流失污染周邊環(huán)境，給礦區(qū)周邊人們的健康帶來嚴重威脅。因此，大量HDS底泥處置問題成為礦山綠色生產(chǎn)過程中迫切需要解決的問題之一。

隨著生態(tài)文明建設(shè)的深入推進，國家對礦區(qū)土地復墾和生態(tài)重建工作高度重視，大量的退化土壤修復手段被廣泛應(yīng)用于礦區(qū)土地的修復與復墾。目前礦區(qū)廢棄地修復技術(shù)主要包括物理和化學方法，如客土法、稀釋法、淋洗法、物理分離法和穩(wěn)定化以及化學法等，但成本高、難于管理、易造成二次污染，且對環(huán)境擾動大[5]。近年來，以先鋒植物為代表的植物修復技術(shù)因具有成本低、適合大規(guī)模的應(yīng)用、利于土壤生態(tài)系統(tǒng)的恢復與保持、對環(huán)境基本沒有破壞作用[6-7]等優(yōu)勢引起公眾及科學界的廣泛興趣，成為礦山生態(tài)修復研究的重點。

植物修復技術(shù)是利用植物吸收、固定、揮發(fā)、降解的機能去除或分解轉(zhuǎn)化污染物質(zhì)，使土壤系統(tǒng)的功能得到恢復或改善，屬于一種低成本、非破壞性的原位土壤修復與土壤資源保護方式。通過研究發(fā)現(xiàn)，蜈蚣草[8]、龍葵[9]、伴礦景天[10]和印度芥菜[11]等草本植物具有較好的污染、退化土地生態(tài)修復效果，但是單一物種構(gòu)建的生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性差、抵御外界干擾能力弱，在礦區(qū)廢棄地的生態(tài)修復效果有限。另外，盡管超積累植物在退化土壤修復方面具有很好的應(yīng)用前景，但是目前發(fā)現(xiàn)的超積累植物除少數(shù)幾種外，大多數(shù)植物植株矮小，在退化土壤環(huán)境下生長緩慢，為實際應(yīng)用帶來了很大困難，限制了植物修復技術(shù)的推廣應(yīng)用。因此，我國學者趙芳瑩等[12]提出了喬、灌、草、爬藤樹種合理配置的立體生態(tài)修復理念，該理念基于喬、灌、草等的物種篩選以及合理搭配而進行的礦山等廢棄地的生態(tài)修復。目前，利用木本植物修復退化土壤的研究主要集中在楊樹和柳樹上，對于其他樹種的研究較少。

亞美馬褂木和合歡是我國南方常見的落葉闊葉喬木樹種，亞美馬褂木為中國馬褂木和北美馬褂木的雜交后代，具有明顯的雜種優(yōu)勢，可廣泛應(yīng)用于園林綠化、木材加工等方面；而合歡是一種豆科植物，在土壤改良方面具有較好的表現(xiàn)。本研究針對德興銅礦HDS底泥，選擇2種南方常見落葉闊葉喬木樹種，研究HDS底泥對木本植物幼苗生長的影響，并比較豆科與非豆科木本植物對德興銅礦HDS底泥的適應(yīng)性差異。

1 材料與方法

1.1 培養(yǎng)基質(zhì)材料

本試驗使用的HDS底泥取自德興銅礦，泥漿通過壓濾形成泥餅，干燥粉碎后過2.00 mm土壤篩，該底泥呈弱堿性，其pH值為8.05，電導率為30.05 mS/cm，富含Al、Ca、Fe、Mg和Si等元素，其主要化學成分見表1。石英砂和草炭購自江西成林園藝有限公司，石英砂粒徑約0.60～1.00 mm，草炭有機質(zhì)含量為98.00%，粒徑為0～6 mm，pH為6.01。

表1 德興銅礦HDS底泥的主要化學成分(質(zhì)量分數(shù))

1.2 亞美馬褂木和合歡種苗

亞美馬褂木成熟種子采自江西省科學院院內(nèi)，經(jīng)沙藏、催芽并播種獲得健壯3月齡苗(地徑3.00 mm左右，高10.00 cm左右)，合歡種子購自江西省九江市柴桑區(qū)秀峰林木種苗場，經(jīng)浸泡催芽后播種育成健壯3月齡苗(地徑2.00 mm左右，高12.00 cm左右)。

1.3 試驗設(shè)計

本試驗包括6種栽培基質(zhì)，包括純底泥、底泥與草炭混合物(1:2，1:1和2:1，v/v)、底泥與石英砂混合物(1:1，v/v)以及石英砂與草炭混合物(1:1，v/v)，分別編號為0、1、2、3、4和5，選擇亞美馬褂木(M)和合歡(H)2種木本植物，共計12個處理，每個處理重復4次。2016年7月份開始試驗，采用容積為900 mL的圓形花盆(口徑120 mm，底徑88 mm，高108 mm)作為栽培容器裝入6種不同培養(yǎng)基質(zhì)并移栽長勢一致的健壯種苗，每盆移栽1株，采用稱重補水法添加自來水以保持18%的含水量。植株生長90 d后進行收獲，獲取植物材料和培養(yǎng)基質(zhì)樣品。本試驗在溫室大棚中(濕度60%，溫度27 ℃，光照不足時采用鈉光燈補光)進行。

1.4 測定項目與方法

移栽90 d后，純底泥處理的亞美馬褂木和合歡多數(shù)死亡，因此該處理沒有進行植物和土壤樣品的收集和數(shù)據(jù)測定。收獲前測定植株株高、基徑和葉片數(shù)，然后迅速沿土壤表面分離植株地上部和根系，自來水沖洗干凈，105 ℃殺青15 min后80 ℃烘干至恒重，測定植株地上部和根系干重。植株根系用蒸餾水清洗干凈后， 采用加拿大REGENT INSTRUM ENT INC公司生產(chǎn)的根系掃描儀EPSON TWAIN PRO(32 bit)和專業(yè)的根系形態(tài)學與結(jié)構(gòu)分析應(yīng)用系統(tǒng)WINRhizo，對根系長度進行測定分析。根據(jù)文獻農(nóng)化分析方法，采用玻璃電極pH計(METTLER TOLEDO，F(xiàn)E28)測定培養(yǎng)基質(zhì)pH(土：水=1:2.5)，利用電導率儀(上海雷磁，DDS-307A)測定電導率(土：水=1:5)。

1.5 數(shù)據(jù)分析

所有試驗數(shù)據(jù)用Microsoft Excel進行均值和標準誤計算并作圖，使用SPSS統(tǒng)計軟件(SPSS 16.0 for Windows，SPSS Inc，Chicago，USA)對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，并進行獨立樣本t檢驗，確定各個處理間差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 植株生長狀況

將底泥與其他物質(zhì)混合作為基質(zhì)培養(yǎng)亞美馬褂木幼苗，不管是底泥與草炭混合還是與石英砂混合作為培養(yǎng)基質(zhì)，植株生長都不如草炭與石英砂混合物基質(zhì)，具體表現(xiàn)為植株株高和植株基徑顯著低于草炭與石英砂混合基質(zhì)(P<0.05)，而在葉片數(shù)和植株根系上差異不明顯(P>0.05)(圖1)。底泥與草炭混合作為植物培養(yǎng)基質(zhì)時，隨著底泥所占比例的提高，亞美馬褂木形態(tài)指標都呈現(xiàn)下降的趨勢，同樣在植株株高和植株基徑上表現(xiàn)得更加明顯。另外，底泥與草炭混合物作為培養(yǎng)基質(zhì)時亞美馬褂木生長指標都高于底泥與石英砂混合物基質(zhì)(P<0.05)，這與草炭含有豐富養(yǎng)分有關(guān)。

以豆科木本植物合歡幼苗為培養(yǎng)對象，植株在生長方面表現(xiàn)出草炭與石英砂混合>底泥與草炭混合>底泥與石英砂混合，但是植株葉片數(shù)在底泥與草炭混合與底泥與石英砂混合之間差異不顯著(圖2)。底泥與草炭混合作為植物培養(yǎng)基質(zhì)時，隨底泥所占比例的提高，植株生長指標沒有表現(xiàn)出顯著性差異(P>0.05)，僅株高和葉片數(shù)表現(xiàn)出下降的趨勢。

圖1 不同栽培基質(zhì)亞美馬褂木形態(tài)指標(圖中不同字母標記表示差異顯著性)

圖2 不同栽培基質(zhì)合歡形態(tài)指標(圖中不同字母標記表示差異顯著性)

2.2 植株生物量

經(jīng)過90 d的培養(yǎng)，不管是地上部還是根系，亞美馬褂木生物量都表現(xiàn)為底泥與石英砂混合<底泥與草炭混合<草炭與石英砂混合，并且隨著底泥與草炭混合基質(zhì)中底泥比例的增加呈現(xiàn)出降低的趨勢，在根系上表現(xiàn)更加顯著。

利用底泥、石英砂和草炭等混合物培養(yǎng)合歡相同時間后，植株在底泥與草炭與底泥與石英砂混合基質(zhì)中沒有顯著性差異，底泥與草炭混合基質(zhì)不同底泥比例之間差異也不顯著，并且都顯著低于草炭與石英砂混合基質(zhì)。

2.3 栽培基質(zhì)pH和電導率

亞美馬褂木和合歡收獲后測定培養(yǎng)基質(zhì)電導率和pH發(fā)現(xiàn)，亞美馬褂木培養(yǎng)基質(zhì)電導率表現(xiàn)為底泥與草炭混合>底泥與石英砂混合>草炭與石英砂混合，并且隨著底泥與草炭混合基質(zhì)中底泥比例的增加電導率逐漸增加，pH表現(xiàn)出與電導率相同的趨勢。合歡培養(yǎng)基質(zhì)的電導率和pH與亞美馬褂木基本一致，但是底泥與石英砂混合基質(zhì)的電導率顯著高于底泥與草炭混合基質(zhì)。

圖3 不同栽培基質(zhì)亞美馬褂木生物量(圖中不同字母標記表示差異顯著性)

圖4 不同栽培基質(zhì)合歡生物量(圖中不同字母標記表示差異顯著性)

圖5 亞美馬褂木收獲后不同栽培基質(zhì)pH和電導率(圖中不同字母標記表示差異顯著性)

圖6 合歡收獲后不同栽培基質(zhì)pH和電導率(圖中不同字母標記表示差異顯著性)

2.4 栽培基質(zhì)性狀與植物生長性狀相關(guān)性

栽培基質(zhì)性狀與亞美馬褂木和合歡生長性狀間的相關(guān)性分析如表2和表3所示。結(jié)果表明，栽培基質(zhì)pH和電導率間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系，并且合歡盆栽基質(zhì)的這種正相關(guān)關(guān)系更是達到了極顯著的水平(P<0.01)。針對亞美馬褂木盆栽而言，只有栽培基質(zhì)的電導率與植物根系干重間有顯著的負相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，并且亞美馬褂木生長性狀之間的相關(guān)性表現(xiàn)不明顯，只有少數(shù)性狀間有顯著的相關(guān)(表2)。針對合歡而言，栽培基質(zhì)的電導率和pH與植物生長性狀基本呈現(xiàn)出極顯著的負相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，只有pH與植物株高(P<0.05)和葉片數(shù)(P>0.05)之間的相關(guān)性沒有達到極顯著水平，并且植物生長性狀之間全部具有極顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)(表3)。

表2 栽培基質(zhì)電導率和pH與亞美馬褂木生長性狀間的相關(guān)性分析

表3 栽培基質(zhì)電導率和pH與合歡生長性狀間的相關(guān)性分析

3 結(jié)論與討論

HDS底泥是采用石灰乳或電石渣中和處理礦山酸性廢水產(chǎn)生并通過壓濾得到的固體廢棄物，呈弱堿性，所以添加了HDS底泥的培養(yǎng)基質(zhì)pH都在7.0以上(圖5和圖6)。一般而言，HDS底泥鹽分濃度較高[13]，而本研究發(fā)現(xiàn)含有底泥的培養(yǎng)基質(zhì)電導率遠高于不含底泥的對照基質(zhì)(圖5和圖6)，這可能跟HDS底泥通常含有高濃度的鐵、鋁、硅以及重金屬離子如銅、鋅、砷、金、銀、鉛、鈣等重金屬離子有關(guān)[14]。前人大量研究也表明，土壤含鹽量跟電導率呈線性正相關(guān)[15-17]。土壤中可溶性鹽分過高，會增加土壤溶液的滲透壓，阻礙植物從土壤吸收其生活必須的水分和養(yǎng)分，從而影響植物的生長與存活。

HDS底泥影響植物生長方面的研究較少，特別是對木本植物的影響。鹽害是底泥對植物的主要危害。和底泥與草炭混合基質(zhì)相比，植物在底泥與石英砂混合基質(zhì)中的生長抑制更為嚴重，說明底泥中養(yǎng)分的不足也是其對植物生長影響的一個方面。本研究發(fā)現(xiàn)底泥的添加對亞美馬褂木和合歡的生長都有明顯的抑制作用，在植物形態(tài)上表現(xiàn)更加突出(圖3和圖4)，主要體現(xiàn)在株高、基徑以及根系長度等指標上(圖1和圖2)。隨著培養(yǎng)基質(zhì)中底泥濃度的增加，亞美馬褂木主要形態(tài)指標都呈現(xiàn)出大幅下降的趨勢，但在底泥的低濃度添加下跟對照相比差異不明顯(圖1和圖3)，說明亞美馬褂木對底泥的鹽害具有一定的耐受性，而對于合歡而言，即使是底泥的低濃度添加植株的形態(tài)指標和生物量指標都遠低于對照(圖2和圖4)，說明合歡對底泥的鹽害較為敏感。另外，HDS底泥的生物學質(zhì)量低下，缺少有益于植物生長的一些功能微生物，本研究中的合歡為一種典型豆科植物，但是結(jié)果發(fā)現(xiàn)豆科植物并沒有表現(xiàn)出優(yōu)異的惡劣環(huán)境適應(yīng)能力，可能與固氮菌缺乏有關(guān)，因此功能微生物的引入對礦區(qū)底泥的利用或者修復可能具有重要的意義。

通過進一步建立栽培基質(zhì)與植株生長性狀之間相互關(guān)系，研究發(fā)現(xiàn)培養(yǎng)基質(zhì)的電導率和pH與植物生長性狀間相關(guān)性與植物種類有關(guān)(表2、表3)。亞美馬褂木栽培基質(zhì)pH和電導率與植物生長性狀間相關(guān)關(guān)系不明顯，而合歡栽培基質(zhì)性狀與植物生長性狀間基本上呈現(xiàn)極顯著的負相關(guān)(P<0.01)。栽培基質(zhì)的電導率在一定程度上表征了基質(zhì)中鹽分的多少[15-17]，合歡栽培基質(zhì)電導率與植物生長性狀間極顯著的負相關(guān)關(guān)系表明鹽分是底泥抑制合歡生長的主要因子。高電導率栽培基質(zhì)抑制合歡植株的生長，這非常符合鹽害的基本特征。另外，本研究中亞美馬褂木的生長明顯受到底泥添加的抑制，但是其生長性狀與栽培基質(zhì)pH和電導率間無明顯的相關(guān)關(guān)系，說明底泥中的鹽分離子可能對亞美馬褂木的生長不構(gòu)成危害，起碼不構(gòu)成主要危害。已有研究表明較高濃度的鹽離子強烈抑制植物的生長，包括鹽生植物和非鹽生植物[18]。本研究所選的植物均為我國南方亞熱帶常見落葉闊葉樹種，它們對鹽脅迫的耐受性也未有報道，但是本研究發(fā)現(xiàn)亞美馬褂木對底泥的鹽脅迫具有一定的耐受性，其耐受機制還有待進一步研究。

亞美馬褂木是一種高大喬木樹種，光合作用能力強，生長速度快[19]，并且其每年秋冬季節(jié)落下的大量紙質(zhì)葉對土壤質(zhì)量的改良具有顯著的作用[20]，并且對鹽脅迫具有一定的耐受性，可以作為德興銅礦HDS底泥植物修復的潛在樹種。