彭維新，楊源通，馮嘉儀，吳道銘，曾曙才

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)與風(fēng)景園林學(xué)院，廣東 廣州 510642)

稀土有工業(yè)“黃金”之稱，被人們譽為新世紀(jì)高科技與功能材料的寶庫，是不可再生的國家級戰(zhàn)略資源[1]。隨著科技發(fā)展，稀土礦的開采工藝也由池浸、堆浸工藝轉(zhuǎn)變?yōu)榄h(huán)境友好型的原地浸礦技術(shù)[2-3]，但落后的生產(chǎn)工藝所引起的礦區(qū)廢棄地植被破壞、水土流失等一系列生態(tài)環(huán)境問題并沒有得到解決[4-5]。稀土礦區(qū)廢棄地土壤生態(tài)修復(fù)技術(shù)主要有工程技術(shù)措施、物理化學(xué)修復(fù)、生物修復(fù)以及聯(lián)合修復(fù)[1]。由于礦場生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)工作大多數(shù)情況是在極端條件下開始的，需要達(dá)成一連串目標(biāo)來實現(xiàn)[6]，并且土壤中有機質(zhì)和一些營養(yǎng)元素的含量均很低,平均背景值大致是正常植被覆蓋土壤的20%～30%，依靠土壤自身養(yǎng)分很難進行植被恢復(fù)，所以大多數(shù)礦區(qū)恢復(fù)前期需要輔以人工措施，其中，增加土壤有機質(zhì)的含量是礦區(qū)生態(tài)修復(fù)的重要基礎(chǔ)[7-9]。

城市污泥含有大量有機質(zhì)以及氮、磷等多種養(yǎng)分元素，是一種速效的有機肥料，用于礦區(qū)修復(fù)，能夠迅速有效地提高礦山廢棄地的有機質(zhì)含量和改變土壤團粒結(jié)構(gòu)性能[10]。有研究表明，隨著污泥施用量的增加，礦區(qū)土壤的有機質(zhì)含量增幅為32.58%～126.95%，堿解氮含量增幅為77.80%～300.60%，速效磷增幅為109.83%～596.41%[11]。但城市污泥作為一種廢棄物，含有重金屬、有機污染物、病原菌、寄生蟲(卵)等有害物質(zhì)，進行土地利用之前需進行預(yù)處理[12]。相關(guān)研究顯示，石灰性物質(zhì)、有機物料、磷酸鹽等可作為土壤改良劑，通過離子吸附、交換、沉淀等鈍化作用使土壤重金屬的形態(tài)發(fā)生變化，從而降低其生物有效性[13]。有機物料蔗渣具有多孔和比表面積大的優(yōu)點，有研究者在老化的鎘污染土壤中施加蔗渣，有效降低了可交換態(tài)鎘含量，提高了小白菜的產(chǎn)量[14]。土壤調(diào)理劑能明顯提高土壤pH，有效增加土壤中的養(yǎng)分,有研究人員用以堿渣和城市污泥為原材料的土壤調(diào)理劑改良酸性菜園土，pH提高了0.69，鹽基飽和度提高了33.18%[15]。但大多數(shù)試驗僅研究1種或者2種添加劑對土壤的改良，在污泥的基礎(chǔ)上配施蔗渣和土壤調(diào)理劑改良土壤的研究鮮有報道。因此，對污泥、蔗渣和土壤調(diào)理劑混施于礦山廢棄地進行土壤改良的可行性探究很有必要。

劍豆Canavalia gladiata為多年生藤本豆科植物，廣泛分布于我國長江以南地區(qū)[16]。豆科植物具有耐貧瘠、對重金屬耐性強的特點，可在礦區(qū)廢棄地植被恢復(fù)中充當(dāng)先鋒種[17]。本研究以稀土礦廢棄地土壤為研究對象，研究污泥添加對土壤的改良效果，并通過進一步添加蔗渣和土壤調(diào)理劑對改良效果進行強化，同時以劍豆為種植材料，通過盆栽試驗驗證土壤改良效果，研究不同處理對礦區(qū)土壤理化性質(zhì)、劍豆生長狀況的影響，以期為實現(xiàn)城市污泥的資源化利用提供依據(jù)，并將對稀土礦廢棄地土壤的改良及對城市污泥資源化利用有著重要的理論意義和實際應(yīng)用價值。

1 材料與方法

1.1 供試材料

土樣取自廣東省梅州市平遠(yuǎn)縣仁居鎮(zhèn)黃畬村稀土礦采礦跡地。在礦區(qū)跡地隨機選取8個取樣點，在0～60 cm土層取樣，混合均勻，帶回室內(nèi)風(fēng)干后備用；供試污泥取自廣州市大坦沙污水處理廠，經(jīng)二級處理活性污泥法工藝流程處理，含水率(w)為75%～80%，經(jīng)60 d的露天好氧堆肥處理，風(fēng)干后研磨過5 mm篩，備用；蔗渣取自廣東省湛江市某糖廠，其理化性質(zhì)：pH為6.12，容重為0.088 g·cm?3，灰化堿的質(zhì)量摩爾濃度為 3.40 cmol·kg?1，碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 567 g·kg?1，氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 4.2 g·kg?1，碳氮質(zhì)量比為135；土壤調(diào)理劑根據(jù)董堅[18]的方法制作而成，主要原料為鉬尾礦。土壤、污泥和蔗渣樣品均過2 mm篩，取一部分研磨過100目篩，用于化學(xué)性質(zhì)分析。原土(礦區(qū)土)、污泥和土壤調(diào)理劑的理化性質(zhì)如表1所示，污泥基本理化性質(zhì)均符合《GB/T24600—2009》[19]要求 (表 1)。供試植物為劍豆，種植前選取1個月苗齡且生長高度一致的植株，供試塑料花盆高 220 mm，口徑 195 mm，均購于廣州市某花卉基地。

表1 供試原土、污泥、土壤調(diào)理劑的理化性質(zhì)及土地改良用泥國標(biāo)Table 1 Physicochemical properties of raw soil, sewage sludge, soil conditioner and national standard of sewage sludge for land improvement

1.2 試驗設(shè)計

1.2.1 植物栽培與管理 盆栽試驗場所位于華南農(nóng)業(yè)大學(xué)校內(nèi)溫室大棚，設(shè)3個處理：T1(礦區(qū)土壤與污泥按照干質(zhì)量比6∶4混合均勻)、T2(在T1處理基礎(chǔ)上添加基礎(chǔ)質(zhì)量2%的蔗渣)、T3(在T2處理基礎(chǔ)上添加基礎(chǔ)質(zhì)量5%的土壤調(diào)理劑)，以礦區(qū)原土作為對照(CK)。試驗中，CK和T1處理的盆栽土壤基礎(chǔ)質(zhì)量均為2.5 kg。每盆為1個處理，每處理5次重復(fù)，另設(shè)9盆用于測定種植前的土壤理化性質(zhì)，共計29盆。盆栽試驗自2016年8月15日開始，在劍豆幼苗期扦插竹竿輔助攀援，試驗過程中定期澆水和除草，為期4個月，同年的12月15日采收。

1.2.2 樣品采集方法 待種植前的土壤穩(wěn)定 15 d后，采集土壤樣品，風(fēng)干后按照四分法取其一部分研磨、過篩后備用；采集種植結(jié)束后的植物樣品時，整株挖出，帶回實驗室，自來水沖洗掉附著的微粒，再用去離子水沖洗3次后放置室內(nèi)晾干。將樣品放入信封于90 ℃殺青0.5 h后，70 ℃條件下烘干至恒質(zhì)量，稱其干質(zhì)量，并將地上部分(莖葉)和地下部分(根)分開。

1.3 樣品分析方法

供試土壤樣品測定指標(biāo)為容重、毛管持水量、總孔隙度、pH，以及有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷和速效鉀含量。土壤分析方法均按《土壤農(nóng)化分析》[20]，其中容重、毛管持水量和總孔隙度測定采用環(huán)刀法；pH測定采用pH計法(水土質(zhì)量比為2.5∶1.0)；有機質(zhì)含量測定采用重鉻酸鉀容量法；全氮、堿解氮含量測定采用堿解擴散法；全磷含量測定采用NaOH熔融?鉬銻抗比色法；速效磷含量測定采用1/2 H2SO4硫酸法；全鉀含量測定采用NaOH熔融?火焰分光光度計法；速效鉀含量測定采用NH4OAc浸提?火焰分光光度計法。

供試植物樣品觀測指標(biāo)為植株高度、干質(zhì)量。植株高度采用卷尺測量，干質(zhì)量采用電子天平測量?；瘜W(xué)分析指標(biāo)為全氮、全磷、全鉀含量，先用H2SO4-H2O2消煮植物樣品獲得待測液，氮含量用堿解擴散法測定，磷含量用鉬銻抗比色法測定，鉀含量用火焰分光光度計法測定。

1.4 數(shù)據(jù)分析方法

所有試驗數(shù)據(jù)利用Excel進行錄入、整理，采用OriginLab9.1繪制統(tǒng)計圖。運用SPSS19.0對土壤理化性質(zhì)和供試植物的生長指標(biāo)進行單因素方差分析、主成分分析和模糊隸屬函數(shù)分析。按公式(1)計算植株元素積累量[21]，按公式(2)、(3)計算模糊隸屬函數(shù)R(Xi)[22]：

式中，Xi為第i個指標(biāo)測定值，Xmax為所測指標(biāo)的最大值，Xmin為所測指標(biāo)的最小值。若X指標(biāo)與土壤改良效果呈正相關(guān)，用式(2)；若X指標(biāo)與土壤改良效果呈負(fù)相關(guān)，用式(3)。最后將每個處理的各個指標(biāo)的隸屬值累加，并求平均值，平均值越大表示土壤改良效果越好。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對土壤物理性質(zhì)的影響

不同處理對礦區(qū)土壤物理性質(zhì)的影響如表2所示。與CK相比，T1～T3處理的土壤容重降低了27.64%～38.21%，總孔隙度增加了23.91%～31.90%，毛管持水量提高了42.41%～77.84%。T2和T3處理的容重均顯著低于T1，且兩者之間無顯著差異。T2、T3處理的土壤總孔隙度顯著高于T1，且兩者之間無顯著差異。T1的毛管持水量顯著低于T2、T3。T2、T3處理的各項指標(biāo)均優(yōu)于T1，而T1處理的各項指標(biāo)優(yōu)于CK。

表2 不同處理對土壤物理性質(zhì)的影響Table 2 Effects of different treatments on soil physical properties

2.2 不同處理對土壤化學(xué)性質(zhì)和養(yǎng)分含量的影響

不同處理對礦區(qū)土壤的化學(xué)性質(zhì)和養(yǎng)分含量的影響如表3所示。土壤pH在T3處理達(dá)到最大(7.22)，較T2提高49.17%，土壤呈弱堿性，其余處理土壤呈酸性或強酸性，T2比T1提高0.32。T2、T3處理的有機質(zhì)含量顯著高于T1和CK，T2比T1提高25.9%，而T1又顯著高于CK11.01倍。T1～T3處理土壤中養(yǎng)分含量豐富，全氮、全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為 5.97～9.64 和 8.44～11.42 g·kg?1，T2、T3處理的全磷含量顯著高于T1和CK，且相互間差異不顯著；T1～T3處理的堿解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為739.68～849.43 mg·kg?1，且 3 個處理間無顯著差異。T3處理的速效磷和速效鉀含量均為最大值，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為 695.35 和 1126.88 mg·kg?1，分別比T2處理提高0.46%和11.05%；CK處理的土壤僅全鉀含量顯著高于其他處理，可能的原因是稀土礦區(qū)土壤全鉀含量較高。整體來看，T1、T2和T3處理土壤養(yǎng)分含量豐富，T3處理土壤的化學(xué)性質(zhì)優(yōu)于其他處理。

2.3 不同處理對劍豆生長和養(yǎng)分吸收的影響

由表4可知，T1～T3處理條件下劍豆植株高度與CK處理無顯著差異。地上部生物量最大值出現(xiàn)在T2處理，較T1處理增加了73.66%，與T3處理無顯著差異。值得注意的是，植物地下部生物量的最大值出現(xiàn)在CK，顯著高于T1和T3處理，與T2處理無顯著差異，T1～T3處理條件下的植株地下部生物量無顯著差異。T2、T3處理的全株生物量顯著大于T1和CK，T1處理顯著大于CK。

表3 不同處理對土壤化學(xué)性質(zhì)的影響1)Table 3 Effects of different treatments on soil chemical properties

表4 不同處理對植株生長的影響1)Table 4 Effects of different treatments on the growth of plants

圖1 不同處理對植株養(yǎng)分元素積累量的影響Fig.1 Effects of different treatments on nutrient element accumulations in plant

T1～T3處理條件下種植劍豆，其氮、磷、鉀平均單株積累量顯著高于CK(圖1)。在T2處理條件下，氮、磷、鉀的平均單株積累量在植株體內(nèi)處于最大值，分別達(dá)到 934.43、172.07、931.35 mg，分別為對照的 3.29、17.33、5.49倍。T2、T3處理的劍豆植株氮、磷、鉀的平均單株積累量無顯著差異，但均顯著高于T1?？梢姡仓甑?、磷、鉀的平均單株積累量總體變化趨勢與地上部生物量、總生物量一致。

2.4 基于土壤和植物指標(biāo)的對土壤改良效果的綜合評價

運用主成分分析和模糊隸屬函數(shù)對土壤的容重、總孔隙度、毛管持水量、pH以及有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷、速效鉀含量，植株的高度、單株總生物量和單株氮、磷、鉀積累量進行土壤改良效果的綜合評價。由圖2a可知，影響土壤改良效果評價的前3個主成分可以包含所測指標(biāo)的大量信息，其特征值分別為14.488、1.072和0.440，線段斜率的絕對值越大則特征值越大，具有整體的大部分特征；反之則特征值越小，只代表小部分特征。從特征值可推算出，前3個主成分貢獻率分別為90.549%、6.700%和2.751%，總貢獻率100%。說明前3個主成分的指標(biāo)能夠解釋4種處理對土壤的改良效果。通過圖2b進一步分析各指標(biāo)在3個主成分上的向量值，主成分1中向量絕對值大于0.7的指標(biāo)有容重、總孔隙度、毛管持水量和有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷和速效鉀含量以及植株高度、單株總生物量和單株氮、磷、鉀積累量；主成分2的指標(biāo)有pH；主成分3沒有指標(biāo)。

圖2 土壤改良效果綜合評價的主成分分析Fig.2 Principal component analysis of comprehensive evaluation on soil improvement effect

通過主成分分析篩選出16個指標(biāo)，對其進行模糊隸屬函數(shù)分析，計算出各性狀的土壤改良效果系數(shù)，依據(jù)平均隸屬函數(shù)值判斷4種處理對土壤改良的效果。由表5可知，CK、T1、T2和T3處理的16個指標(biāo)的平均隸屬函數(shù)值分別為 0.06、0.56、0.83和0.90。由此可見，3種處理對稀土礦區(qū)土壤改良效果的排序為T3>T2>T1。

表5 土壤理化性質(zhì)和植物生長狀況的隸屬函數(shù)值Table 5 Subordinate function values of soil physicochemical properties and plant growth status

3 討論與結(jié)論

污泥含有豐富的有機質(zhì)，顆粒細(xì)微，對礦區(qū)土壤團粒結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性有促進作用[23-24]。有學(xué)者認(rèn)為改良沙土的土壤密度、土壤容重、總孔隙度與污泥施用量呈顯著相關(guān)關(guān)系[25]。施用有機質(zhì)含量越高的污泥，對礦區(qū)土壤的持水保水能力提升越大，而良好的土壤保水能力對于植物修復(fù)礦區(qū)土壤的過程十分重要[26]。本研究發(fā)現(xiàn)，單施污泥能有效改善礦區(qū)土壤的物理性質(zhì)，這與前人研究結(jié)果[25]一致。蔗渣也是一種保水性能良好的基質(zhì)，它具有容重小、毛管孔隙度大(>50%)的特點[27]。本研究中蔗渣的添加顯著強化了污泥對土壤物理性質(zhì)的改良效果，表明污泥和蔗渣混施比單一施用污泥對礦區(qū)土壤物理性質(zhì)的改良效果更好。土壤調(diào)理劑的加入對土壤物理性質(zhì)的影響不明顯。

土壤pH影響著土壤溶液中的離子組成及化學(xué)反應(yīng)，一般來說，pH為6.5～7.5對植物的生長發(fā)育最為有益[28]。土壤pH控制土壤中重金屬形態(tài)變化及在土壤?植物系統(tǒng)的遷移，有研究者對Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 2.5 mg·kg?1的黑土進行凍融試驗，結(jié)果表明隨著土壤pH提高，土壤中Cd的可交換態(tài)濃度逐漸降低，鐵錳氧化態(tài)和殘渣態(tài)的濃度逐漸升高[29]。本研究也發(fā)現(xiàn)，添加污泥對土壤pH無顯著影響，在添加污泥基礎(chǔ)上加入蔗渣可顯著提高土壤pH。蔗渣對酸性土壤的改良效果與灰化堿和氮含量有關(guān)，灰化堿和有機氮礦化使土壤pH升高[30]。在添加了污泥和蔗渣基礎(chǔ)上再加入土壤調(diào)理劑后，pH由4.84上升至7.22，這主要是因為土壤調(diào)理劑本身呈強堿性，pH為12.14。所以，蔗渣和土壤調(diào)理劑(尤其是后者)對于土壤pH有顯著調(diào)節(jié)作用。

單施污泥，污泥和蔗渣混施，以及污泥、蔗渣和土壤調(diào)理劑混施均能改善礦區(qū)土壤養(yǎng)分狀況。污泥能使土壤養(yǎng)分從極缺或缺乏狀態(tài)提高到較豐富甚至豐富狀態(tài)[31]，主要原因是污泥含有豐富的有機質(zhì)和氮、磷等各種養(yǎng)分；蔗渣的有機質(zhì)含量高，可以改善赤泥中有機質(zhì)以及堿解氮、速效磷和速效鉀的含量，其含有的纖維素和少量蔗糖在某些情況下可以轉(zhuǎn)化為單糖[32]。本研究中單施污泥使稀土礦區(qū)土壤中有機質(zhì)、全磷、堿解氮、速效磷和速效鉀含量顯著增加，這與前人研究結(jié)果一致[31]。本研究還發(fā)現(xiàn)，添加蔗渣顯著增加了土壤中全磷含量，這主要是因為蔗渣中含有大量的纖維素，在土壤中腐爛分解后，提高了土壤磷含量。值得一提的是，污泥、蔗渣和土壤調(diào)理劑的添加顯著降低了土壤全鉀含量，但顯著提高了速效鉀含量，這是因為稀土礦區(qū)土壤本身全鉀含量遠(yuǎn)高于污泥和土壤調(diào)理劑，而污泥中速效鉀含量大幅高于土壤，同時蔗渣和土壤調(diào)理劑的加入對鉀可能起到活化作用。

有相關(guān)研究[21，33-34]發(fā)現(xiàn),污泥能夠促進合果芋Syngonium podophyllum、香彩雀Angelonia salicariifolia、高羊茅Festuca arundinacea和萬壽菊Tagetes erecta等草本植物生長。本研究中單施污泥、污泥和蔗渣混施均有效促進了劍豆地上部生物量、總生物量的增加以及植株體內(nèi)氮、磷、鉀養(yǎng)分元素的積累，主要原因可能是污泥施用提高了土壤養(yǎng)分含量，同時改變了土壤微生物和酶活性，提高了土壤的綜合肥力，從而能夠促進植物葉綠素含量和光合速率，因而促進植物生長。但植株地下部生物量最大值出現(xiàn)在CK處理，且顯著高于單施污泥以及污泥、蔗渣和土壤調(diào)理劑混施，原因可能是污泥中含有的重金屬對植物根系生長有抑制作用[21]。正常生長的植物，全氮和全磷含量一般分別占干質(zhì)量的1%～5%和0.2%～0.5%[21]。礦區(qū)土(CK處理)種植的植株氮、磷、鉀的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為4.01%、0.14%、2.39%，其他處理植株3種營養(yǎng)元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為3.87%～4.38%、0.66%～0.82%、3.86%～4.05%。4種處理的植株氮含量均處于正常值，除原土處理磷含量低于正常值外，其他處理的磷含量均高于正常值。說明在稀土礦區(qū)廢棄地土壤施用污泥種植劍豆的過程中，均未發(fā)生因土壤中的重金屬含量過高而引起植物吸收和轉(zhuǎn)運營養(yǎng)元素能力下降的情況[35]。在本研究中，污泥添加顯著促進了劍豆生長和植株體內(nèi)氮、磷、鉀養(yǎng)分元素的積累，而蔗渣的加入進一步促進了劍豆生長和養(yǎng)分積累，蔗渣的強化效果顯著，土壤調(diào)理劑有抑制劍豆生長和養(yǎng)分吸收的趨勢。

近年來，主成分分析常用來綜合評價土壤肥力狀況，此法運用降維思想于原始的諸多變量線性組合，從中提取出較少且彼此獨立的新變量來表達(dá)整體的信息，能夠處理好變量之間的相關(guān)性，從而客觀評價不同處理的土壤肥力質(zhì)量差異[36-37]。分析不同處理土壤的改良效果最直觀的方法往往是在其土壤上種植植物，通過土壤肥力情況和植株的生長指標(biāo)科學(xué)評判土壤質(zhì)量及對植物的適應(yīng)性[38]。本研究依據(jù)土壤和植物的16個指標(biāo)，采取主成分分析抽取3個主成分中特征值較大的指標(biāo)，再利用模糊隸屬函數(shù)對這些指標(biāo)賦值定量分析，從而對土壤改良效果進行綜合評判。此方法避免了傳統(tǒng)評價中只強調(diào)土壤指標(biāo)中某一項或某幾項性狀而忽略植物對基質(zhì)適應(yīng)性的偏差[39]。本研究中，依據(jù)不同處理的模糊隸屬函數(shù)平均值綜合排名，得分最高為礦區(qū)土與污泥、蔗渣和土壤調(diào)理劑混施的土壤(T3處理)。當(dāng)然，從簡化操作和節(jié)約成本的角度出發(fā)，本研究中，不添加土壤調(diào)理劑亦可以達(dá)到改良土壤和促進劍豆生長的目的。另外，關(guān)于污泥和蔗渣的最合適的添加比例，以及污泥添加是否會帶入重金屬造成土壤污染，值得今后進行深入研究。