宋鳳敏+張興+李琛

摘要：針對陜西省略陽縣鐵尾礦庫廢棄地的復墾，以城市剩余污泥作為改良劑，選用4種短期生長葉類植物進行35 d盆栽試驗，研究植物在以尾礦和剩余污泥按4種不同質量配比所得的盆栽基質中的生長情況。盆栽基質是以尾礦與剩余污泥按質量100 ∶0、80 ∶20、60 ∶40、50 ∶50 混合而成，分別標記為T100、T80、T60、T50，T0為正常土壤對照。結果表明，尾礦與剩余污泥比例為60 ∶40的土壤改良組植物在發(fā)芽率、地面以上部分株高和鮮質量方面最高；在同一改良土壤組中，茼蒿生長高度、發(fā)芽率、地上鮮質量最高；植物地上莖葉中重金屬含量隨剩余污泥在混合基質中比例的升高而增長，同一土壤改良組中茼蒿莖葉重金屬含量最高。

關鍵詞：鐵礦尾礦；剩余污泥；土壤改良；盆栽；生態(tài)修復

中圖分類號： X171.4 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2016）11-0453-04

鐵尾礦別稱鐵尾砂，是鐵礦在開采后，將礦石經粉碎、浮選、精礦后產生的固體粉末，堆存起來不但占用大量土地，也是潛在的污染源[1-2]。據統(tǒng)計，我國每年產生6億～8億t尾礦，其中鐵礦尾礦6億余t[3]，其大多都累積堆放在尾礦庫，不但占用大量的土地、破壞生態(tài)系統(tǒng)，尾礦中污染物隨降雨淋溶滲濾對周圍水體、土壤造成污染[4-6]，若不能得到很好的治理甚至會影響周邊人群的身體健康。我國人口眾多，土地資源短缺，每年由于采礦等各種原因使土地資源不斷減少，人多地少的矛盾日益突出。如果可以通過對尾礦廢棄地進行有效的復墾，在一定程度上能夠緩解這種矛盾，并且使尾礦庫區(qū)的生態(tài)環(huán)境得以恢復。鐵尾礦砂養(yǎng)分含量低，保水保肥能力差，影響其復墾效果，因此尾礦砂復墾的關鍵因素是改良尾砂土壤結構，增加尾砂養(yǎng)分。城市剩余污泥為一種廢棄物，因其含有豐富的氮、磷、鉀和大量的有機質，經礦化后易被植物吸收[7]，成為一種良好的有機肥料資源，在農林上已有一定的應用，在尾礦的生態(tài)修復改良中可作為一種有效的改良劑來使用。國內外學者對污泥堆肥在礦山廢棄地復墾中的應用也有一些報道[8-9]。本研究針對陜西省略陽縣某鐵礦尾礦廢棄地的復墾，選取4種短期收獲的葉類植物在剩余污泥改良的尾礦中生長，利用盆栽試驗方法，研究尾礦與剩余污泥不同配比對葉類植物種子發(fā)芽和生長過程的影響，尋求植物生長的城市剩余污泥對鐵尾礦基質改變最佳配比，為鐵尾礦廢棄地復墾提供理論依據和實踐經驗。

1 材料與方法

1.1 盆栽試驗

1.1.1 試驗材料 供試植物為大白菜、黃秧朝天委陵菜、小葉茼蒿、大眾小青菜（即白菜），這4種葉類植物均為當地夏天易生長且周期短的葉類植物。

供試尾礦砂土采自陜西省略陽縣某鐵礦尾礦庫；城市剩余污泥采自陜西省漢中市城市污水處理廠污泥處理車間處理后的剩余污泥；自然土壤采自陜西理工學院校園花卉地。

1.1.2 盆栽方法 將尾礦與剩余污泥按不同比例（質量比）充分混合，設5個處理，即T0（100%自然土壤）、T50（50%尾礦+50%污泥）、T60（60%尾礦+40%污泥）、T80（80%尾礦+20%污泥）、T100（100%尾礦砂），每個處理設3個重復。將混合好的土壤裝入直徑為25 cm、深為23 cm的盆缽中，放置1周備用，每盆總質量為2.5 kg。選取無蟲蝕、發(fā)育良好的茼蒿、朝天委陵菜、大白菜、白菜種子經蒸餾水沖洗3次后播種于盆中，深0.5～1.0 cm。每盆播種15粒，每天澆自來水并自然光照，讓其自然生長，同一物種在同一混合方式上設3個重復。播種后3 d觀察其發(fā)芽情況，7 d對每盆進行間苗，5株以上隨機間苗為5株，5株以下保留原來株數不變，對其進行跟蹤測定。出芽后，記錄其生長狀況。測定項目為株高，每7 d測量1次。

1.2 樣品處理和分析方法

1.2.1 植物樣品處理 自播種后生長至第35天時，小心倒盆，將植株與基質分開用自來水清洗植株根系3次，再用蒸餾水沖洗，晾干，稱量其連帶莖葉和根系總鮮質量。然后在烘箱中105 ℃殺青30 min，80 ℃烘24 h，稱量其干質量及粉碎供測植物體內重金屬元素含量用。

1.2.2 分析方法 尾礦基質基本化學性質按常規(guī)分析方法測定，其中土壤速效氮含量采用堿解擴散法測定；土壤速效磷含量采用碳酸氫鈉浸提鉬藍比色法；土壤速效鉀含量采用NH4OAC浸提法；土壤有機質（OM）含量采用低溫外熱重鉻酸鉀氧化法；土壤pH值采用土液比1 ∶2.5進行配比，pH計法測定。尾礦基質中重金屬元素含量采用硝酸-氫氟酸-高氯酸高溫溶解，其中Fe、Pb、Cr含量用電感耦合等離子發(fā)射光譜法ICP-AES）測定，Cd含量用原子熒光分光光度法測定。

1.3 數據的處理和分析

數據用SPSS 19.0軟件處理，Excel 2013作圖。

2 結果與分析

2.1 不同尾礦處理基質中重金屬含量和營養(yǎng)元素水平

有機質、有效氮、有效磷、速效鉀等是植物生長所需要的營養(yǎng)成分。由表1可知，尾礦砂（T100）是一種營養(yǎng)成分缺乏、鐵含量極高、不利于植物生長的特殊基質，而剩余污泥營養(yǎng)成分很高，但是含有一定量的重金屬。尾礦與污泥、土壤混合后可顯著提高尾礦砂土中的速效氮和有效磷含量，當尾礦比重在80%以下時有效磷含量達到標準，土壤速效氮含量變化不大，沒有達到自然土壤含氮量，可提高尾礦砂土中的有機質和速效鉀含量，施加改良劑后土壤有機質和速效鉀均達到標準；改善后尾礦pH值基本控制在弱堿性范圍之中，適宜植物生長，其中尾礦比重為80%超過土壤環(huán)境質量二級標準7.5范圍，但超出率不大；改良后，土樣污泥中重金屬Cd超出土壤質量標準，其余2種金屬含量均在標準范圍內，理論上不會影響植物正常生長，在盆栽結束后對植株根部和莖葉進行重金屬檢測分析?？傊?，尾礦比重小于80%的土樣均比改良前各要素含量高，均達到標準含量，能夠保證作物可正常生長。

2.2 不同尾礦處理對植物種子發(fā)芽的影響

播種后4 d植物種子發(fā)芽數見表2。由表2可知，4種植物的出芽數為全尾礦土壤T100組最少，T60組最多，且T100組和T60組土壤植物出芽數與其他3組土壤各組差異顯著，而其他3組間（茼蒿的T0組與T50、T100組除外）出芽數差異不明顯。說明T60組土壤最適合4種植物種子發(fā)芽，對種子發(fā)芽抑制最小。結合表1改良后5種土壤中營養(yǎng)元素和重金屬含量分析，隨著剩余污泥施入量的增加，混合基質中有機質、速效氮、速效磷和速效鉀含量不斷增加，這些成分的增加使土壤中微生物新陳代謝加快，從而有利于土壤的礦化，增加植物生長過程中所需要的營養(yǎng)物質[10-11]。T100組雖然未檢出重金屬，但是土壤營養(yǎng)成分過低導致種子發(fā)芽率最低；T50組土壤營養(yǎng)成分含量最高，最有養(yǎng)分，但是Pb、Cr含量也最高，致使其種子發(fā)芽率受到很大影響；T60組營養(yǎng)元素含量均高于T80組土壤，重金屬含量低于T50組土壤，T80組重金屬（除Fe外）含量、營養(yǎng)元素也最低，所以T60組出芽率最高，其次是對照組T0。4種葉類植物在同一種改良土壤中出芽數相差不大，T60組朝天委陵菜和大白菜的平均出芽數最多，達到12株；其次是白菜，11株；最少的是茼蒿，說明朝天委陵菜和大白菜種子對改良尾礦砂的適應性好于白菜和茼蒿。

2.3 不同尾礦處理對植物生長高度變化的影響

不同剩余污泥施入量對各種植株地上部分生長作用見圖1。圖1總體顯示T100的尾礦砂不適宜4種葉類植物生長，雖然生長期前20 d有緩慢的生長，但是20 d左右都停止生長且死亡，所以后面的株高為0，主要原因是尾礦砂貧瘠營養(yǎng)元素缺乏，植物無法獲取營養(yǎng)繼續(xù)生長。而其余組所有植物株高持續(xù)增加，14～28 d植物株高增加明顯，這4種葉類植物的生長周期基本一致，為30 d左右，14～28 d根系吸水吸肥能力增強，促使地面以上部分生長發(fā)育良好。各個改良尾砂組隨著剩余污泥的加入，植物高度也呈現不同趨勢，T60組（剩余污泥添加量為40%處理）種植的植物在收獲期株高最大，其次是T0組，最后是T100組，另外在尾礦砂中增加一定量剩余污泥并添加黃黏土有利于提高植物在尾砂中生長，但加入剩余污泥量偏大則不利于植物生長。

不同配比混合基質對4種植物在生長初期和中期與不同剩余污泥施入量對生長的促進作用基本一致，說明在該階段基質中的營養(yǎng)成分可以滿足植物生長需求；在后期，即28～35 d呈現不同的趨勢，植物植株已經基本不再生長，有的出現黃葉，倒伏卷葉等現象。出現這種現象與2個方面有關：一方面是試驗用的尾礦和剩余污泥加土壤混合，基質相比正常土壤還是較少，在試驗后期營養(yǎng)成分不足以維持植物的生長；另一方面是由于活性氧在植物體內積累導致膜質過度氧化而破壞膜結構[12]，細胞內離子可能存在的重金屬離子大量外滲使植物合成葉綠素的預制能力下降[13]，導致供給植物生長的能量和物質減少，植物葉片出現黃葉。

2.4 不同尾礦處理對植物生長量的影響

4種葉類植物在5種土壤單株平均生物量見表3。由表3可知，生長35 d時，每種供試植物單株平均生物量在鐵尾礦與剩余污泥混合的4種基質之間差異顯著，僅T50、T80組朝天委陵菜與T50、T80組白菜2組無明顯差異，與其他組存在明顯差異。對于同一種改良組而言，4種供試葉類植物中茼蒿與其他3種植物差異明顯，朝天委陵菜、大白菜和白菜基本沒有差異，這與植物的品種有關。在4種改良基質中，4種植物的平均鮮質量均以T60組最高，其次是正常土壤，除了茼蒿T50組的鮮質量是T80組鮮質量的近2倍外，其他2種植物T50組與T80組鮮質量差別不大，大白菜T50與T80組差異顯著，T100組由于出芽后不久就停止生長，所以鮮質量最低。這個規(guī)律與基質對于植物種子發(fā)芽的影響和生長高度基本一致。

由于在整個盆栽過程中并沒有外源添加任何肥料，觀察整個生長過程，發(fā)現植物發(fā)芽后有少量植株倒伏和黃葉情況。T60組生長情況最好，倒伏和葉黃現象較少，比較健壯，結合理化性質可知，當土壤鉀供應較充足時，作物能有效地利用水分，并保持在體內，減少水分的蒸騰作用；鉀的另一特點是有助于作物的抗逆性，增強細胞對環(huán)境條件的調節(jié)作用，增強植物對各種不良狀況的忍受能力，如干旱、低溫、含鹽量、病蟲害、倒伏等[14-16]。T60組營養(yǎng)物質含量適中，較適宜作物正常生長。T0組生長情況較好，但少量在試驗過程中倒伏和死亡，且伴有黃葉。T50組和T80組倒伏和死亡狀況更勝于T0組，T100組生長較差，生長極其緩慢，說明當尾礦砂含量超過80%時作物基本難以成活。

2.5 不同尾礦處理對植物重金屬含量的影響

栽種35 d后4種植物地上部分重金屬含量見表4。由表4可知，全尾礦砂T100組植物生長時間短，收獲量很小，所測重金屬均未檢出，其他各組土壤栽種的4種植物中能夠檢出重金屬，4種植物在各改良組間有一定的差異，其中T50組4種植物中Pb、Cr、Cd含量最高，T80組Fe含量最高，這與改良土壤中重金屬含量高低一致，土壤中重金屬總含量越高，植物體內重金屬含量也越高[17]。同一改良土壤中，茼蒿體內4種重金屬含略高于其他3種植物，而其余3種植物體內重金屬在同一改良土壤中差別不大。GB 2762—2012《食品安全國家標準食品中污染物限量》要求Pb含量≤0.3 mg/kg、Cr含量≤0.5 mg/kg、Cd含量≤0.1 mg/kg，T50組茼蒿體內的Pb含量超標1倍，Cr含量超標0.5倍，Cd含量超標0.5倍；其余3種植物Cd含量均低于標準限值，Pb含量超標0.6～0.83倍，Cr含量超標0.2～0.3倍。T60組茼蒿體內的Pb含量超標0.57倍，Cd含量超標0.2倍，Cr含量接近限值未超標；其余3種植物僅Pb含量超標0.3～0.4倍，Cd未檢出，Cr未超標。T80組除了茼蒿體內Pb含量超標外，其余均在限值以內。各組Fe元素含量適合植物營養(yǎng)的范圍，Fe為礦質元素是植物體內合成各種化合物的物質基礎，其含量直接影響植物的生長、發(fā)育及其他代謝過程[18]，利用鐵尾礦中含鐵量明顯高于一般土壤，如果植物能夠吸收，在一定范圍內的Fe對植物的生長具有促進作用。

3 結論與討論

剩余污泥作為土壤改良劑添加在鐵尾礦中，改良后土壤理化性質符合土壤質量二級標準，可以種植植物。由盆栽試驗可知，施加剩余污泥后的鐵尾礦土壤均可以滿足種子發(fā)芽的基本要求，4種植物均能在5種土壤中發(fā)芽。其中T60組中的4種植物的出芽數均最高，而茼蒿的出芽率在4種植物中最高，達57.33%，全部是尾礦的土壤T100組出芽率最低，僅朝天委陵菜達到13.3%，其余3種植物都在6.67%。整個生長周期中植物植株高度以及收獲后植物的鮮質量以T60組最高，在同一土壤組中4種供試植物中茼蒿的植株高度和鮮質量最大。對收獲后的各組植物地上部分進行重金屬含量分析，發(fā)現改良土壤中重金屬能從土壤中向植株中遷移，使得供試植物體內重金屬在各個土壤改良組都有超標。其中，T50組超標最嚴重，4種植物Pb、Cr含量均超標；T60組茼蒿體內Pb、Cd含量均超標，其余3種植物僅Pb含量超標；T80組僅有茼蒿Pb含量超標，其余3種植物金屬含量未超標。說明剩余污泥直接用于尾礦土壤改良使用會使植物殘留重金屬尤其是種植葉類蔬菜，如果要達到食用標準，還須對污泥進行處理降低污泥中重金屬有效態(tài)含量，阻止其向植物中遷移。由于試驗改良土壤中未外加肥料，導致植物生長后期未達到植物生長最佳要求，植物生長過程中除了T100組所有植物僅存活20 d以外，其他4組土壤組植物都能存活到收獲期35 d，其中T0、T50、T80組有部分植物黃葉、死亡情況。

參考文獻：

[1]Lee S.Geochemistry and partitioning of trace metals in paddy soils affected by metal mine tailings in Korea[J]. Geoderma，2006，135：26-37.

[2]Rodriguez L，Ruiz E，Alonso-Azcárate J，et al.Heavy metal distribution and chemical speciation in tailings and soils around a Pb-Zn mine in Spain[J]. Journal of Environmental Management，2009，90（2）：1106-1116.

[3]常前發(fā). 我國礦山尾礦綜合利用和減排的新進展[J]. 金屬礦山，2010，39（3）：1-5.

[4]張國平，劉叢強，楊元根，等. 貴州省幾個典型金屬礦區(qū)周圍河水的重金屬分布特征[J]. 地球與環(huán)境，2004，32（1）：82-85.

[5]苗 莉，徐瑞松，朱照宇，等. 河臺金礦礦山土壤-植物系統(tǒng)微量元素地球化學和生物地球化學特征[J]. 地球與環(huán)境，2008，36（1）：64-71.

[6]李 藝. 有色多金屬礦山砷污染對生態(tài)環(huán)境的影響及其治理分析[J]. 地球與環(huán)境，2008，36（3）：256-260.

[7]陸 欣. 土壤肥料學[M]. 北京：中國農業(yè)大學出版社，2002.

[8]莫測輝，蔡全英，王江海，等. 城市污泥在礦山廢棄地復墾的應用探討[J]. 生態(tài)學雜志，2001，20（2）：44-47.

[9]孫永明，郭衡煥，孫輝明，等. 城市污泥在礦區(qū)廢棄地復墾中應用的可行性研究[J]. 環(huán)境科學與技術.2008，31（6）：22-25.

[10]劉美英，高 永，汪 季，等. 污泥堆肥對礦區(qū)復墾土壤栽培基質保水能力的影響[J]. 水土保持通報，2009，29（5）：102-104.

[11]羅根華，饒猛剛，王 帥，等. 煤矸石-土壤混合基質對小白菜生長的影響及Pb遷移規(guī)律[J]. 地球與環(huán)境，2015，43（1）：14-18.

[12]江行玉，趙可夫. 植物重金屬傷害及其抗性機理[J]. 應用與環(huán)境生物學報，2001，7（1）：92-99.

[13]宋勤飛，樊衛(wèi)國. 鉛脅迫對番茄生長及葉片生理指標的影響[J]. 山地農業(yè)生物科學，2004，23（2）：134-138

[14]郭煥茹，于海秋，蔣春姬，等. 低鉀下不同耐性玉米苗期根形態(tài)及鉀效率的差異[J]. 作物雜志，2009（2）：62-65.

[15]Lu Y X，Li C J，Zhang F S.Transpiration，potassium uptake and flow in tobacco as affected by nitrogen forms and nutrient levels[J]. Annals of Botany，2005，95（6）：991-998.

[16]Li X T，Cao P，Wang X G，et al.Comparison of gas exchange and chlorophyll fluorescence of low potassium tolerant and sensitive soybean[Glycine max （L.） Merr.]cultivars under low potassium stress condition[J]. Photo synthetica，2011，49（4）：633-636.

[17]戴樹桂. 環(huán)境化學[M]. 2版.北京：高等教育出版社，2006.

[18]張文君. 礦質營養(yǎng)對矮牽牛生長開花的影響與推薦施肥研究[D]. 武漢：華中農業(yè)大學，2012.