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堿性廢渣，數(shù)量巨大且環(huán)境風險大，如何改良及篩選適生植物是其生態(tài)修復的關鍵。該研究通過摻拌不同比例的馬尾松葉2%，4%，6%（w/w），分析其對赤泥pH與有機質含量及蘆竹與翠蘆莉生長的影響。結果表明：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，有機質含量由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2個多月后死亡，但在摻拌4%馬尾松葉的赤泥上均能較好地生長。其中，蘆竹的生物量及相對生長速率（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生長速率與栽培土相比顯著降低，但B/A不受影響。

關鍵詞：赤泥，改良，馬尾松葉，蘆竹，翠蘆莉，生長

中圖分類號：Q948.116

文獻標識碼：A

文章編號：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，而且易通過粉塵飄散或附液下滲污染周邊生態(tài)環(huán)境，甚至因為潰壩造成巨大的生態(tài)災難（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，探索有效的生態(tài)修復方法與技術已迫在眉睫。

篩選適生植物進行植被重建是當今國際生態(tài)修復研究的熱點和前沿。然而，赤泥堆場鹽堿含量極高（pH 10～12）、有機質含量低、透水透氣性差等，植物難以生長（Jones & Haynes，2011；Banning et al，2014）。因此，尋求簡單有效的基質改良方法并篩選適生植物進行種植，是赤泥堆場生態(tài)修復的第一步。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，構建的植被已持續(xù)維持了20多年（Wehr et al，2006）。Xenidis et al（2005）通過添加5%（w/w）的污泥或7%～15%（w/w）的石膏，發(fā)現(xiàn)赤泥pH下降、有機質含量增加，而且植物能較好地生長。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）（張樂觀等，2010）也能顯著降低赤泥堿性且增加有機質含量。然而，海水法流程復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），或者易導致赤泥重金屬超標或表層可溶鹽堿增加等負效應（張樂觀等，2010；鄭業(yè)鵬等，2012）。故此，尋求新的改良方法及生態(tài)修復技術仍需不斷探索。

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)栽種易導致土壤酸化。Brunner & Sperisen（2013）也認為針葉樹凋落物含較多的蠟質、樹脂和木質素，它們不完全分解時易產生比闊葉樹凋落物更酸的腐殖質。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，分析其對赤泥pH及有機質含量的影響。在此基礎上，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情況，旨在為赤泥堆場的生態(tài)修復提供依據(jù)與參考。

1 材料與方法

1.1材料

赤泥采自中國鋁業(yè)股份有限公司廣西分公司的赤泥堆場，pH值為11～12，有機質含量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，有機質含量15.3 g·kg1。馬尾松（Pinus massoniana）葉為當年落葉，采集于廣西植物研究所內的馬尾松林，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、生長快、生物量大，植株可長至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，蘆竹適應性強，耐澇、耐旱、耐貧瘠、耐鹽堿、耐重金屬及有機污染物，可作為生態(tài)修復的首選植物。

翠蘆莉（Ruellia brittoniana），又稱藍花草，爵床科蘆莉草屬多年生草本植物，花期持久，耐高溫能力強，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可用于生態(tài)修復。

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。每個比例重復3次，常規(guī)澆水。在此期間，每隔1周取赤泥測量pH值。49 d后，測量有機質含量。其中，pH采用電位法（NY/T 13772007）測量，有機質含量采用重鉻酸鉀-硫酸加熱法（NY/T 1121.62006）測量。

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3次。另外，以純赤泥與栽培土為對照，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）。相對生長速率（RGR，mg·g1·d1）按以下公式計算：

RGR=（lnDW-lnDW0）/120×1 000。

1.3 統(tǒng)計方法

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間對赤泥pH影響采用雙因素方差分析（twoway ANOVA），摻拌比例對有機質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法進行檢驗。因為植株收獲時生物量、RGR與初始生物量有關，B/A與收獲時總生物量有關（Valladares et al，2000）。因此，盡管植株的初始大小類似，但為了抵消個體大小效應的影響，分析同一物種不同處理間的差異時仍采用單因素協(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以收獲時總生物量（DW）為協(xié)變量。

2 結果與分析

2.1 摻拌馬尾松葉對赤泥pH及有機質的影響

馬尾松葉摻拌比例及摻拌時間對赤泥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）。隨著摻拌時間的延長，赤泥pH先顯著下降，至第5周（35 d）時，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，赤泥有機質含量顯著上升（圖2）。其中，純赤泥（0%摻拌比例）的有機質含量僅為6.13 g·kg1，但摻拌6%馬尾松葉后，有機質含量上升至17.52 g·kg1，已超過了本研究栽培土的有機質含量。

2.2 改良赤泥對蘆竹與翠蘆莉生長的影響

直接在純赤泥上栽植蘆竹與翠蘆莉后，兩個物種均能存活2個月以上的時間，但最后相繼死亡。在改良赤泥上，兩物種至實驗結束時均存活。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生長速率，蘆竹的相對生長速率沒有顯著變化（圖4：A），而翠蘆莉的相對生長速率顯著降低（圖4：B）。

3 討論與結論

鹽堿含量高、有機質含量低是赤泥限制植物生長的重要因子（Wehr et al，2006；Xue et al，2016）。因此，尋求簡單的基質改良方法及篩選適生植物是大面積赤泥堆場生態(tài)修復的關鍵。與闊葉樹相比，由于針葉樹落葉含更多的蠟質和木質素，它們分解時易產生更酸的腐殖質（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。本研究結果表明，摻拌馬尾松葉35 d后，赤泥pH下降了約1.4個單位，但隨后趨于平穩(wěn)。薛生國等（2017）認為赤泥惡劣環(huán)境下微生物難以生存。因此，以上結果可能與赤泥的強堿及缺少微生物有關。當馬尾松葉摻拌入赤泥后，赤泥的強堿迅速對松葉產生腐蝕作用（水解反應與酸堿反應），赤泥pH隨之下降并隨摻拌比例的增加下降幅度增加；但隨著化學反應的完成，由于缺少微生物的分解作用，余下的有機成分（氨基酸和脂肪酸的鈉鹽）對赤泥pH基本沒有影響。甚至隨著某些化學結合堿（如鋁酸三鈣）的溶解，赤泥pH又出現(xiàn)了升高現(xiàn)象（薛生國等，2017）。同樣，摻拌的馬尾松葉與赤泥強堿發(fā)生化學反應后，余下的有機成分顯著增加了赤泥的有機質含量，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。與此相反，純赤泥上栽植的蘆竹與翠蘆莉全部死亡。說明馬尾松葉通過降堿及增加有機質含量促進了耐堿植物蘆竹與翠蘆莉在赤泥上的生長。另外，馬尾松的針葉無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。

Cross & Lambers（2017）認為，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照（栽培土），與之相比，改良赤泥顯著增加了蘆竹B/A，但對其生物量及相對生長速率無顯著影響。大多數(shù)研究者認為，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可能是對生理干旱的響應與適應，其結果是維持相對生長速率不受影響。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，但蘆竹的耐鹽性強于耐旱性。與蘆竹相反，改良赤泥上翠蘆莉的生物量及相對生長速率顯著低于栽培土，但B/A無顯著差異。劉志華和趙可夫（2005）認為大多數(shù)植物對高鹽堿環(huán)境的適應，如合成有機酸或滲透調節(jié)物質，消耗了大量能量，進而減緩了生長。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，蘆竹的相對生長速率不但沒有受到顯著影響，而且具有相對較高的數(shù)值，顯著高于翠蘆莉，可能使其采用了類似于濱藜（Atriplex amnicola）的生長稀釋策略（Aslam et al，1986），即通過快速生長稀釋細胞中的鹽堿，最終達到適應高鹽堿環(huán)境的目的。翠蘆莉除了減緩生長外，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、增加有機質含量，而且有利于蘆竹與翠蘆莉在赤泥上的生長。這不但說明摻拌馬尾松葉是一種簡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的耐堿性，可應用于赤泥堆場的生態(tài)修復。但是，兩個物種在改良赤泥上生長時采取了不同的適應策略。

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