種植耐鹽植物對赤泥堆場有機質及微生物數量的影響

趙 雅，劉鐘森，王驥博，岳晶晶，龔巍崢

（1.河南省地質環境規劃設計院有限公司，河南鄭州450007；2.鄭州市土壤污染防治利用工程技術研究中心，河南鄭州450007；3.河南省地質環境勘查院，河南鄭州450007）

鋁是國防建設和國民經濟發展必不可少的金屬材料，生產鋁的主要原料是氧化鋁[1-2]，赤泥是氧化鋁在工業生產過程中的固體廢棄物。由于赤泥強堿性（pH 值高達10～12）、高鹽含量、缺乏有機質和養分，一般植物很難生長[3-4]，而且赤泥庫的環境十分惡劣，對于周邊生態環境具有嚴重危害。赤泥處置問題已成為國內外氧化鋁行業亟待解決的問題之一。

赤泥的理化性質與普通土壤有很大不同，其物理結構較差，對植物根系的生長有著嚴重的影響[5]。因此，可以通過對赤泥的物理結構進行改良，使其成為一種類似土壤的生長基質。XUE 等[6]提出可以通過赤泥土壤化來解決赤泥規模化處置的問題，但目前相關研究還處于起步階段，需加強環境風險防控管理。赤泥土壤化處理技術的研究以及赤泥場植被的重建和生態恢復的實現，是一種很有前景的赤泥規模化處置方法。研究發現，可以通過種植合適的植物來改善土壤性質、促進土壤發育、提高土壤肥力，這對于維持土壤生態系統的結構和功能很重要[7-8]。孟廣濤等[9]研究發現，礦區植被恢復可以改善群落物種多樣性。COURTNEY 等[10]發現，植被重建可以顯著減少赤泥表層的風蝕和水蝕現象，減少環境污染，并促進赤泥建立有機碳庫。

基質改良和篩選耐性植物對于赤泥堆場的植被重建具有基礎性意義。盡管國內外學者對赤泥的生態化處置和土壤化進行了一些探索性研究，但是對赤泥堆場土壤有機質和微生物數量的系統研究還相對缺乏。

本試驗以赤泥為研究對象，在氧化鋁赤泥堆場上添加合適的改良劑進行土壤修復，并在改良后的土壤上種植不同的耐鹽植物，3 a 后測定赤泥土壤化后植物根際土壤的有機質含量和土壤微生物數量，并分析土壤有機質含量與微生物數量之間的相關性，以期充分認識土壤有機質與微生物的相互作用機制，從生態重建角度考慮更適合的植物種類，為篩選能夠適應強堿性環境的優良耐性植物、赤泥土壤化處置和植被重建提供參考。

1 材料和方法

1.1 研究地區概況

試驗區位于河南省焦作市修武縣，屬于暖溫帶大陸性季風氣候，其特點是春旱多風，夏熱多雨，秋高氣爽，冬寒少雪，年平均蒸發量2 040.8 mm，主要集中在夏季；赤泥粒徑在0.02～2.00 mm 的占75%，孔隙度為58.20%。赤泥的物理化學性質列于表1。赤泥堆場周邊為荒山，植被覆蓋率較低，且以草本植物為主。該區域無地表水體，但在暴雨條件下較易形成洪水，平時干枯。

表1 赤泥的物理化學性質

試驗場地位于坡面階地上，面積約0.47 hm2，改良時間為3 a。2016 年8 月開始對試驗區土壤進行基質改良（改良材料主要有秸稈、有機肥、生物鋸末、FeSO4和脫硫石膏），并種植耐鹽植物。由于赤泥的高堿性特征，試驗場地無植被生長。場地上赤泥干結后龜裂分布，赤泥質地致密堅硬，返鹽返堿現象嚴重。因此，壩體坡面和庫頂的植被生態恢復是目前急需解決的問題。

1.2 耐鹽植物的選擇

選擇適合的植物種類是保證氧化鋁赤泥堆場植被恢復成功的重點工作，根據赤泥庫和礦區附近的場地條件，并結合試驗區域的天氣、降水等因素，所選擇的植物應具有適應能力強、生命力旺盛、根系發達、播種栽培較容易及成活率高等特點[11-12]。根據以上原則，初步選擇的植物品種有檉柳、堿蓬、菌草和竹子。種植3 a 后，蓋度高達95%以上，基本實現了氧化鋁赤泥堆場的復綠。

1.3 土壤樣品采集

供試土樣選取的地塊為赤泥直接堆放地（原狀土）和種植耐鹽植物的區域，在所選取的6 個具有代表性的樣地上進行取樣。其中包括赤泥直接堆放地（實驗室中原狀土的取樣地，CK）、種植4 種耐鹽植物（檉柳、堿蓬、菌草和竹子）的地塊（采取植物根際土壤）和僅經過基質改良不種植植物的空地。

采用多點混合采樣法采集0～20 cm 耕層土壤，樣品質量約1 kg。將采集到的土壤樣品稱質量，記錄后帶回室內，將樣品分為2 份，其中一份用于測定微生物數量，樣品需放冰箱保存（0～5 ℃），另一份樣品風干后，挑去植物細根后研磨、過篩，密封放置，備測。

1.4 測定項目及方法

土壤的有機質含量采用文獻[13]的方法進行測定；土壤微生物數量采用文獻[14]的方法進行測定。

1.5 數據處理

試驗數據采用Microsoft Office Excel 2007 進行處理，采用IBMSPSS 22.0 進行相關性分析。

2 結果與分析

2.1 種植耐鹽植物對赤泥庫土壤有機質含量的影響

本研究測定了基質改良和種植4 種不同耐鹽植物3 a 后土壤的有機質含量，其測定結果見表2。由表2 可知，種植不同植物的土壤中有機質含量大小順序為竹子＞堿蓬＞檉柳＞菌草＞空地＞赤泥。其中，種植竹子和堿蓬的土壤有機質含量提高較為明顯，與赤泥（CK）相比，土壤有機質含量分別提高103.80%和101.27%；與不種植植物的空地相比，土壤有機質含量分別提高99.38%和96.90%。土壤有機質主要來自動植物殘體以及植物生長過程中的根系分泌物。種植竹子和堿蓬的土壤有機質含量較高，是由于竹子和堿蓬的根系發達，改善了土壤的通氣狀況，使得植物枯落物及根系殘體更易轉化為有機質；種植檉柳和菌草的土壤有機質含量較低，可能是由于檉柳樹冠較大，阻擋了部分光照和降水，地面凋落物形成有機質的必要條件不足，菌草的枯枝落葉等凋落物較少，所以造成了有機質含量較低。

表2 種植不同植物的土壤有機質含量比較

2.2 種植耐鹽植物對赤泥庫土壤微生物數量的影響

本研究表明，氧化鋁赤泥堆場通過基質改良和種植耐鹽植物能夠增加土壤養分，改善其生態環境，促進土壤微生物活動。由表3 可知，與對照土壤相比，種植耐鹽植物的土壤根系微生物數量增加了幾倍甚至幾十倍。種植不同植物的土壤中細菌數量大小順序為堿蓬＞竹子＞空地＞檉柳＞赤泥＞菌草；真菌數量大小順序為堿蓬＞檉柳＞空地＞菌草＞竹子＞赤泥；放線菌數量大小順序為堿蓬＞竹子＞檉柳＞空地＞菌草＞赤泥；微生物總數大小順序為堿蓬＞竹子＞空地＞檉柳＞赤泥＞菌草。

表3 種植不同植物的土壤微生物數量比較

微生物總數為細菌、真菌和放線菌的總和。由表3 可以看出，細菌數量在微生物總數中所占比例最大。細菌是土壤中的主要微生物類群，個體小，繁殖方法簡單，速度快，耐高溫、耐酸堿、抗逆性強。本研究于4 月末采集根系土壤進行研究，適宜的水熱條件為細菌的生長發育提供了良好環境。

未種植耐鹽植物的裸地土壤，微生物數量較少，經過對基質改良和種植4 種不同耐鹽植物3 a后，土壤微生物總量和細菌、真菌、放線菌的數量均有不同程度的增加，堿蓬在提高土壤微生物數量上有明顯優勢。種植堿蓬的土壤中，細菌數量達1.20×108個/g，真菌數量達1.70×106個/g，放線菌數量達2.90×107個/g，微生物總數達1.507×108個/g。與赤泥（CK）相比，分別提高164.90%、942.94%、244.01%和179.59%；與不種植植物的空地相比，分別提高83.21%、301.89%、215.90%和100.67%。影響土壤微生物生長活動的重要因素為溫度、水分和土壤通氣性。堿蓬生長密集且根系較發達，改善了土壤的通氣透水性，增加了有機質的積累。死亡的根系和根系分泌物可以作為微生物生長所需的能源物質，促進微生物的生長。且種植堿蓬的土壤鹽分含量低，更適宜微生物生長。微生物數量的變化反映了土壤的理化性質和微生物環境得到了改善，這些變化也有利于植物的生長。

與赤泥（CK）相比，僅進行基質改良的空地微生物總數提高39.33%。這是由于改良劑中的有機肥等物質為微生物的生長繁殖提供了所需的營養物質，使土壤中的微生物活性增強[15]，同時也調控了土壤的微生物區系，從而促進植物對土壤中營養物質的吸收與利用。

2.3 土壤微生物數量與土壤有機質含量之間的相關性分析

土壤中有機質的含量與土壤中微生物數量之間有一定的相關性，土壤中微生物的數量在一定程度上受到土壤中有機質含量的影響。土壤質量取決于土壤理化性質、礦物質營養成分和微生物特性，且兩兩之間的相關系數超過0.98[16]。

由圖1 可知，不同處理的土壤有機質含量與微生物總數的變化趨勢基本一致。其中，種植堿蓬的土壤有機質含量和微生物總數最高，種植菌草的土壤有機質含量和微生物數量較低。

由表4 可以看出，有機質含量與細菌、真菌、放線菌數量和微生物總數的相關系數分別為0.893、0.397、0.755 和0.875，呈現正相關性。這主要是由于植物在土壤中生長時，產生的凋落物、殘留根系及其分泌物增加了土壤有機質含量，土壤N 素和土壤微生物數量也隨之增加；土壤微生物的活動增強，植物根部呼吸產生的CO2形成的碳酸以及植物根系分泌的檸檬酸等有機酸促進了P、K、Ca 和其他鹽類的溶解，從而提高了土壤肥力并促進了植物的生長，整個微生態系統處于良性循環中。

表4 有機質含量與微生物數量的相關性分析

3 結論與討論

土壤有機質作為衡量土壤質量的重要指標之一，是土壤生態系統的物質基礎，對土壤肥力具有重要影響。它與土壤的物理、化學、生物學性質及良好的生產力有關。土壤有機質是一種穩定長效的N源物質，能夠為植物和微生物的生長提供所需的多種營養元素，增強土壤的保肥、供肥能力和土壤養分的有效性，改善土壤的通氣透水性和蓄水能力，增強土壤的緩沖性等。

土壤微生物作為生態系統的重要組分之一，是土壤生命活體的重要組成部分，主要包括細菌、真菌和放線菌，其參與了大部分的土壤活動，在土壤中主要起分解作用。微生物可以將土壤上枯枝落葉中的有機物分解成無機物，并向土壤中釋放一定量的營養物質，以維持土壤養分和植物生長。

微生物數量受溫度、濕度、土壤養分、植物凋落物、枯死根系、根系活動及分泌物等以及人為因素的影響，并且隨季節變化而變化。本次采樣時間處于春末夏初，溫度升高且降水增加，植被生長旺盛，根系微生物活動增強，大量的根系分泌物促進了土壤微生物的生長和繁殖，是一年中微生物數量增長最快的時期[17-18]。因此，在最適宜的溫度和濕度條件下，有機質含量與細菌、真菌、放線菌和微生物總數之間就呈現顯著相關。

土壤微生物的數量不僅反映了土壤的養分和通氣透水性，其也是土壤中微生物活性[19-20]的具體體現。土壤有機質影響著土壤結構、土壤肥力和土壤微生物的特性，它提供了土壤微生物生命活動所需的養分和能量，也參與了土壤中所有動植物以及微生物的生物化學過程。但是，土壤有機質含量和微生物數量會受到季節等條件的不同程度的影響，因此，不同季節條件下，有機質含量與微生物數量的相關性還有待進一步研究。

本研究結果表明，通過對氧化鋁赤泥堆場進行基質改良和種植不同耐鹽植物，土壤有機質含量和微生物數量總體上比赤泥（原狀土）有明顯的提高。種植不同植物的土壤中有機質含量大小順序為竹子＞堿蓬＞赤泥＞空地＞檉柳＞菌草；微生物總數大小順序為堿蓬＞竹子＞空地＞檉柳＞赤泥＞菌草。其中，種植堿蓬和竹子的土壤，有機質含量和微生物數量有較為明顯的提高。有機質含量與微生物數量呈顯著相關。有機質含量與細菌、真菌、放線菌數量和微生物總數的相關系數分別為0.893、0.397、0.755 和0.875，呈現正相關性。