改良赤泥的配方篩選及對小麥發(fā)芽的研究

楊玲，程瑯，馬幸，梁婉

（上海國惠環(huán)境科技股份有限公司，上海 201702）

國家統(tǒng)計局的相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2021 年，我國赤泥的產(chǎn)生量高達(dá)1 億噸，而赤泥在我國的處理方式主要為露天堆存，面積超過2 萬畝。長期以來國內(nèi)外對赤泥的綜合利用進(jìn)行了大量研究，如赤泥選鐵[1—3]，制備陶粒[4,5]，生產(chǎn)水泥[6]、混凝土[7]、膠凝材料[8]，用于道路材料[9]等，但是赤泥的消耗量仍相當(dāng)有限。

近年來較多研究表明，添加改良劑可以有效改善赤泥的理化性質(zhì)，進(jìn)而通過種植抗性植物恢復(fù)生態(tài)環(huán)境或者綠化護(hù)坡抑制水土流失。Lyu 等[10]將赤泥預(yù)先用酸處理至pH 值為6—7，并混合8%有機(jī)肥，考察黑麥草的生長情況，發(fā)現(xiàn)處理過的赤泥中植物生長較好，而未處理的赤泥中無黑麥草生長。Courtney等[11]將3%的石膏、25%的沙粒添加到赤泥中，該混合體系的pH 值可降至8.0，種植三葉草后具有較高的生物量。王瓊麗等[12]將蚯蚓糞肥和石膏引入到赤泥體系中，經(jīng)過60 天土培后，赤泥體系的pH 值從10.54 降至8.75，并且有機(jī)碳的含量從3.54g/kg增至14.31g/kg，水穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量由12.0%增至33.9%，赤泥的物理結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)都得到改善，使赤泥趨向于土壤化，有利于植物的生長。趙雅等[13]選擇耐鹽性的植物種植在經(jīng)過秸稈、有機(jī)肥、生物質(zhì)鋸末和脫硫石膏改性的赤泥中，種植3 年后，基本能實現(xiàn)赤泥堆場的復(fù)綠。李春林等[14]將團(tuán)粒噴播技術(shù)應(yīng)用在高堿性赤泥堆場中，發(fā)現(xiàn)堆場植被恢復(fù)效果明顯，可有效改善堆場的生態(tài)環(huán)境。

石膏法是目前比較常用的赤泥堆場原位修復(fù)改良方法[15—17]，而固體廢棄物磷石膏是其中一種，其酸性強(qiáng)、溶解度較小、遷移率低，能為赤泥體系持續(xù)不斷地提供鈣離子（Ca2+）。磷石膏可與赤泥中的一些堿性陰離子產(chǎn)生沉淀作用，降低赤泥的堿性，而且磷石膏一般露天存放，占用大量土地。因此，本著以廢治廢的原則，本文主要利用磷石膏聯(lián)合泥炭土和蛭石等對赤泥進(jìn)行改良，磷石膏可以降低赤泥的堿性，其他材料可以改善赤泥的養(yǎng)分、物理特性等，從而改善種植植物的發(fā)芽情況。本文選擇的植物為小麥，在改良赤泥土壤的同時能夠增加經(jīng)濟(jì)效益。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

赤泥產(chǎn)地山東、磷石膏產(chǎn)地貴州、泥炭土產(chǎn)地東北；蛭石產(chǎn)地河北、小麥產(chǎn)地河北。其中，赤泥和磷石膏的化學(xué)成分見表1。

1.2 試驗方法

將赤泥、磷石膏、泥炭土和蛭石置于室內(nèi)風(fēng)干，采用正交試驗設(shè)計配置改良赤泥（見表2），配制時先將磷石膏、泥炭土和蛭石混勻，再加入赤泥中。其中每盆赤泥用量800 g、蛭石用量4 wt%。

表1 試驗材料化學(xué)成分

將不同配比的改良赤泥裝入塑料花盆（M16 加侖盆）中，改良赤泥穩(wěn)定1 周后，播種小麥種子100 粒/盆，然后澆水并使10 cm 土層深處的含水量為最大田間持水量的70%左右，之后根據(jù)土壤的干濕程度澆水，滿足種子發(fā)芽、植株生長的需水量。定期觀察小麥生長并作相關(guān)記錄。實驗時間為2021 年10 月至2022 年3 月。

表2 正交實驗設(shè)計因素水平表

1.3 樣品檢測與數(shù)據(jù)處理

土壤樣品進(jìn)行初步處理，將土壤風(fēng)干、磨碎后全部過2mm 孔篩用于測定本文中所列土壤理化性質(zhì)。土樣pH 值的檢測根據(jù)《土壤檢測 第2 部分：土壤pH 的測定》（NY/T 1121.2—2006）；含鹽量的檢測根據(jù)《土壤檢測 第16 部分：土壤水溶性鹽總量的測定》（NY/T 1121.16—2006）；土壤養(yǎng)分的檢測根據(jù)《土壤分析技術(shù)規(guī)范（第二版）》。

數(shù)據(jù)處理：發(fā)芽率（%）=發(fā)芽總數(shù)/ 播種總數(shù)×100%；隨機(jī)測量10 株小麥的株高，求平均值；隨機(jī)測量10 株小麥的地上部分干重，求平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 改良赤泥的化學(xué)性質(zhì)

自由堿，即可溶性堿，是導(dǎo)致赤泥呈堿性的重要因素。薛生國等[18]認(rèn)為可溶性堿與化學(xué)結(jié)合堿是赤泥的兩種堿性形態(tài)，可通過沉淀作用、中和作用及抑制作用降低堿性。本文采用工業(yè)廢棄物磷石膏來降低赤泥的堿性，考察磷石膏結(jié)合泥炭土和蛭石對赤泥基質(zhì)pH 值及含鹽量的影響，pH 值和含鹽量在改良赤泥平衡1 周時進(jìn)行檢測，結(jié)果見表3、圖1。

表3 改良赤泥的化學(xué)性質(zhì)變化

從表3 可以看出，赤泥原泥的pH 值非常高，達(dá)到了12.4，在添加磷石膏、泥炭土和蛭石后，赤泥基質(zhì)的pH 值有了明顯下降，磷石膏的添加量越大，提供的Ca2+越多，結(jié)合的游離堿就越多，pH 值的降低程度也就越大。當(dāng)磷石膏的添加量達(dá)到10%后，赤泥基質(zhì)的pH 值降低到8.1—8.4，達(dá)到了部分植物能夠承受的pH 值范圍（5.5—9.0）[19]；繼續(xù)增加磷石膏的添加量，雖然能進(jìn)一步降低pH 值，但是體系的含鹽量會隨之升高，這是因為磷石膏雖然能提供Ca2+結(jié)合堿性陰離子，但是其本身也會提供陰離子，從而增加了整個體系的含鹽量。當(dāng)磷石膏的添加量相同時，不同質(zhì)量泥炭土的添加對赤泥基質(zhì)的pH 值和含鹽量的影響較小，因為泥炭土的作用主要是改良赤泥體系、增加養(yǎng)分及改善物理結(jié)構(gòu)。在種植小麥5 個月后，盆栽土壤的pH 值均降低到中性條件，這可能是因為隨著磷石膏不斷提供Ca2+，赤泥體系中游離堿完全被結(jié)合。

圖1 改良赤泥pH 值和含鹽量變化

2.2 改良赤泥中小麥的發(fā)芽及生長

在改良赤泥中播種小麥種子，小麥種子未作任何預(yù)處理，直接撒播在土壤中，考察小麥的發(fā)芽率、株高及地上部分干重。小麥的發(fā)芽率在播種2 周時進(jìn)行統(tǒng)計，株高及地上部分干重在種植5 個月時進(jìn)行測量統(tǒng)計。

在未改良的赤泥中播種小麥種子，小麥種子沒有發(fā)芽，在改良赤泥中播種小麥種子，小麥種子有發(fā)芽現(xiàn)象。從表4 和圖2 可以看出，隨著磷石膏添加量的增加，小麥的發(fā)芽率先增大后減小，當(dāng)磷石膏添加量為10%時，小麥的發(fā)芽率最高，可達(dá)到95%；當(dāng)磷石膏添加量為12%時，小麥的發(fā)芽率急劇下降，雖然此時改良赤泥的pH 值為7.5—7.6，但其含鹽量的進(jìn)一步提高抑制了小麥種子的發(fā)芽。保持磷石膏的添加量不變，改變泥炭土的添加量，發(fā)現(xiàn)增加泥炭土的添加量后小麥種子的發(fā)芽率僅有小幅增長。因此，影響小麥種子發(fā)芽的決定性因素為磷石膏，并且需綜合考量改良赤泥體系的pH 值和含鹽量。

種植5 個月后，小麥有一定程度的生長，但其植株的高度未達(dá)到預(yù)期，均較為矮小，在磷石膏添加量為10%時，株高最高約為24cm，地上部分干重與株高成正比。株高相對較為矮小的原因為：（1）改良赤泥的含鹽量較高（2.2%—2.5%），此含鹽量達(dá)到了重度鹽漬土的水平，在脅迫條件下小麥富集的Na 元素會影響滲透壓而使植物吸水困難，細(xì)胞脫水后新陳代謝和光合作用無法正常進(jìn)行，抑制了小麥的生長。（2）赤泥中Fe 和Al 等元素的含量非常高（見表1），這也對小麥的根系生長產(chǎn)生了明顯的脅迫。一般土壤中的小麥在分蘗和越冬期前根系更加發(fā)達(dá)，為返青和抽穗階段的生長蓄積能量，而在改良赤泥土壤的脅迫條件下，小麥根系的生長受到阻礙，F(xiàn)e 和Al 元素會抑制植物根尖細(xì)胞分裂和伸長，影響植物細(xì)胞壁的生物合成及植株對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收，從而影響植株各組織的生長狀態(tài)，導(dǎo)致植株整體生長情況低于預(yù)期。旱地小麥全生長周期為7—8 個月，株高為70—80cm。本實驗中T5 組小麥種植5 個月后株高最高為25.46cm，而且后期一直未進(jìn)入孕穗期。因此，改良赤泥對小麥生長的長期影響需要進(jìn)一步研究。

表4 改良赤泥中小麥發(fā)芽及生長情況

圖2 改良赤泥中小麥發(fā)芽及生長情況

2.3 改良赤泥的養(yǎng)分變化

土壤的養(yǎng)分與植物的生長密切相關(guān)，跟蹤赤泥改良前后及種植植物后養(yǎng)分的動態(tài)變化至關(guān)重要。以小麥發(fā)芽率及生長情況最優(yōu)的改良赤泥為研究對象，檢測結(jié)果如表5 所示。

表5 改良赤泥的養(yǎng)分變化情況

從表5 可以看出，赤泥經(jīng)過改良后，土壤的養(yǎng)分均有一定程度的增長，其中有效磷和速效鉀的增加尤其明顯，這可能是因為，原赤泥的堿性較強(qiáng)，經(jīng)過改良之后，pH 值下降明顯，在不同的pH 值條件下，磷和鉀的形態(tài)發(fā)生了變化，從而使得有效磷和速效鉀的含量明顯增加。較低含量的有機(jī)質(zhì)也是限制植物生長的重要因素，根據(jù)檢測結(jié)果，原始赤泥的有機(jī)質(zhì)含量僅為2.0g/kg，泥炭土的添加大幅度提高了改良赤泥土壤中的有機(jī)質(zhì)含量，因為泥炭土中含有豐富的有機(jī)質(zhì)，改良赤泥的有機(jī)質(zhì)含量達(dá)60.5g/kg，已達(dá)到土壤有機(jī)質(zhì)含量分級中菜地I 級標(biāo)準(zhǔn)以上（〉30g/kg）。經(jīng)過5 個月的小麥種植，土壤的養(yǎng)分有了明顯的降低，但是依然能夠滿足植物生長所需。因此，在改良赤泥中種植小麥無需額外補(bǔ)充氮肥、磷肥及鉀肥，在初始階段由于有機(jī)質(zhì)含量較高，也無需補(bǔ)充有機(jī)肥等，但是隨著種植時間的延長，土壤有機(jī)質(zhì)的含量可能會匱乏，因此可以在改良時添加秸稈等。

2.4 改良赤泥的物理性質(zhì)變化

土壤的物理性質(zhì)對植物的生長有著較大的影響，如孔隙度、土壤容重及田間持水量等。其中，土壤非毛管孔隙度的大小是影響植物生長非常重要的因素之一。同時，植物的生長也會對土壤的物理特性產(chǎn)生影響，改變土壤原有結(jié)構(gòu)[20]。

對比赤泥改良前、改良平衡后及種植植物后的土壤物理性質(zhì)（見表6），發(fā)現(xiàn)改良后赤泥的容重從1.09g/cm3降低到0.68g/cm3，有較大程度的降低，土壤的容重越低，表明土壤的熟化程度越高、密實度越小，可以容納更多的水分，這與田間持水量的大幅增加相一致。種植植物后，非毛管孔隙度從1.0%增大到5.2%，比種植前的改良赤泥有明顯增加，這可能是因為植物的根系在土壤中生長并交織形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而使得非毛管孔隙增多，而根系自身又會擠占土壤空間位置影響孔隙，這與總孔隙度略下降的結(jié)果相一致。僅從土壤的物理性質(zhì)出發(fā)，改良后的赤泥比較適合植物生長。

表6 改良赤泥的物理特性變化

3 結(jié)語

赤泥經(jīng)過磷石膏、泥炭土和蛭石的改良后，pH值降低，土壤養(yǎng)分增加，物理結(jié)構(gòu)得到改善，有利于小麥的發(fā)芽及生長，但同時也會增加土壤含鹽量，在一定程度上抑制小麥的發(fā)芽。當(dāng)磷石膏添加量為10%、泥炭土添加量為11%、蛭石添加量為4%時，小麥的發(fā)芽率可達(dá)95%以上。因此，同時添加磷石膏、泥炭土、蛭石等是一種較為有效的以廢治廢的赤泥改良方法，添加合適的改性劑對赤泥堆場植物修復(fù)可持續(xù)發(fā)展具有重要作用。