施加污泥堆肥對鉛鋅尾礦中黑麥草長勢及重金屬穩定性影響

艾艷君，盧賽，李富平,3,4， 俞強， 謝雯倩， 谷海紅,3,4

(1.華北理工大學礦業工程學院，河北 唐山 063210；2.華北理工大學化學工程學院，河北 唐山 063210；3.河北省礦區生態修復產業技術研究院，河北 唐山 063210；4.河北省礦業開發與安全技術重點實驗室，河北 唐山 063210)

一般地，尾礦中的重金屬不能被生物降解，易在水蝕、淋洗和徑流等作用下污染周邊土壤和水體，甚至可能直接威脅到高等生物包括人類的生命健康[1]。如Cu和Zn雖然是植物動物和人體必須的微量元素，但當其含量超過較高允許濃度時，將會使動植物受到危害；Pb和Cd都是動、植物非必需的有毒有害元素。如果尾礦中的重金屬遷移到周邊土壤并累積，則有可能通過食物鏈進入人體，給人類帶來危害。我國鉛鋅礦產資源豐富，生產能力、消費量和出口量都居世界前列，是我國礦種。但鉛鋅尾礦由于酸性較強、重金屬含量高和理化性質不良等因素導致修復困難，單一修復效果有限，可以考慮綜合利用植物、微生物和化學等修復方法，進行聯合修復[2]。

1983年，美國科學家CHANEY[3]首次提出植物修復的概念。植物修復技術經濟性較好，對環境友好，能夠保持土壤生產力和無二次污染等優點，近年來一直是國內外重金屬污染礦山修復的研究熱點[4-5]。尾礦植被修復可以利用植物的根系穩定重金屬，有效控制重金屬的淋洗，同時植被恢復可以降低重金屬的有效態含量，使重金屬的活性降低，有效實現對尾礦庫重金屬污染的修復[6]。有研究顯示，黑麥草易于種植，生物量較大，對多種重金屬均具有的優勢較好的抗耐性，且具有一定的觀賞價值，是較好的修復被重金屬污染的土壤修復植物[7]。朱佳文等[8]在研究黑麥草、黑麥草聯合菜園土和赤泥等改良劑對鉛鋅尾礦的理化性質和微生物性狀的改良影響中證明，添加改良劑顯著增加了黑麥草的生物量，減少了黑麥草根部重金屬含量。

有研究發現，有機肥在改善土壤理化性質方面有特殊作用。目前我國城鎮化水平不斷提高，污水處理設施建設高速發展，污水處理廠的建設投運會產生大量的剩余污泥，按照預測，到2020年污泥產量將突破年6000萬t[9]。國內外城市污泥的處理和處置方法主要有填埋、焚燒和土地利用。污泥填埋需要投入較高的運輸成本，而且占用大量土地；而污泥焚燒和干化成本較高；露天堆放和外運成本高，而且容易造成環境污染。近年來，越來越多的人開始研究將污泥堆肥化處理制成有機肥。王建湘等[10]發現使用污泥堆肥作為栽培基質可以明顯改善鳳仙花的生長發育。Warman等[11]研究發現，施加污泥堆肥能為作物生長提供氮、磷和鉀等養分。不過，污水處理廠產生的污泥可能含有微生物病原體、微量金屬元素和有機污染物，Lakhdar等[12]人在麥田施加污泥堆肥后，小麥地上部分的Ni、Pb、Cu和Zn等重金屬含量顯著增加。因此，污泥堆肥對鉛鋅尾礦的修復作用還有待研究。

本研究以鉛鋅尾礦為研究對象，選用污泥堆肥作為改良劑，耐性較強的黑麥草作為修復植物，研究施加不同劑量的污泥堆肥對黑麥草生長情況以及對鉛鋅尾礦重金屬穩定效果的影響，為污泥堆肥的合理利用提供依據，并為礦區生態修復提供技術支持。

1 實驗原料和實驗方法

1.1 實驗原料

供試尾礦取自河北省保定市淶源縣鉛鋅尾礦庫，污泥堆肥取自河北省唐山市豐潤污水處理廠。尾礦及污泥堆肥基本理化性質見表1。

從表1可以看出，尾礦中氮和磷等養分含量很低，尾礦重金屬含量高，Cd、Zn、Pb和Cu的含量分別為GB 15618-2018《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準》的52.3、45.3、38.0和22.5倍，不適宜植物生長，并容易對周圍環境造成污染。而污泥堆肥中養分含量高，重金屬含量比較低，有利于改善尾礦環境質量。

表1 實驗材料基本理化性質/（mg·kg-1）Table 1 Basic physical and chemical properties of materials

1.2 實驗方法

污泥堆肥與尾礦質量比分別為0%（CK）、5%、10%、20%、30%、40%、50%和100%八個施加劑量。選用口徑12 cm，深度11 cm的花盆，每盆裝粒度2 mm的風干尾礦0.5 kg，表層覆蓋厚度4 cm不同劑量的污泥堆肥與尾礦混合物（2 mm），種植黑麥草并觀測其生長。植物培育60 d后收獲地上部分植株，收獲后采集尾礦樣品，收獲的植物105 ℃殺青，80 ℃烘干24 h。

1.3 分析方法

用堿解擴散法測定尾礦中速效氮含量。用碳酸氫鈉法測定尾礦中速效磷含量。尾礦NH4NO3提取態重金屬的測定：將2.0000 g土樣加入20 mL的1 mol/L NH4NO3溶液，20 ℃振蕩2 h，離心10 min（6000 r/min），過濾，加2滴稀硝酸，置于50 mL塑料瓶，采用電感耦合直讀光譜儀測定重金屬含量。

1.4 數據處理與分析

采用Excel 2007 軟件及SPSS 19.0軟件處理數據，并進行Duncan多重比較分析，Origin 9.0 軟件作圖。

2 實驗結果

2.1 施加污泥堆肥對黑麥草生物量的影響

施加污泥堆肥，可增加鉛鋅尾礦中黑麥草地上部的干鮮重，且隨污泥堆肥施加劑量的增加而增加（見圖1）。

圖1 黑麥草干鮮重Fig. 1 Dry weight and fresh weight of ryegrass

CK處理中的黑麥草可以生存，但長勢緩慢，生物量小，地上部干重只有1.47 g，鮮重只有2.60 g。污泥堆肥施加劑量為20%及30%時，黑麥草上部干鮮重顯著增加，其中干重分別為CK處理的1.67倍和2.33倍，鮮重分別為CK處理的3.68倍和2.15倍。污泥堆肥施加劑量為40%時，黑麥草地上部干鮮重均達到最大值，分別為4.16 g和14.63 g。可見，污泥堆肥施加劑量為30%及40%時則可有效促進鉛鋅尾礦中黑麥草的生長，有效增加黑麥草地上部的干鮮重。

2.2 污泥堆肥對鉛鋅尾礦中速效氮養分的影響

施加污泥堆肥可以使尾礦中速效氮含量增加。隨著污泥堆肥施加量的增加，上、下層速效氮含量均呈增長趨勢。不同處理上、下層速效氮含量見圖2。

圖2 尾礦中速效氮含量Fig. 2 Available nitrogen concentrations in tailings

CK處理速效氮含量少，其中上層和下層速效氮含量分別為31.9 mg/kg和22.14 mg/kg，均為各處理中最低，不適宜植物生長。施加污泥堆肥后，上層速效氮含量分別增長了2.3～18.7倍，污泥堆肥施加劑量達到20%后，速效氮含量隨施加量增加變化顯著，100%處理速效氮含量為各組處理較高；施加污泥堆肥后，下層速效氮含量分別增加了1.3～5.6倍，下層速效氮含量在CK處理到20%處理增速明顯，施加劑量達到30%后下層速效氮含量變化不明顯。由上可知，施加污泥堆肥有利于對尾礦中速效氮含量的增加，且污泥堆肥所占比例越大，速效氮含量越高。

2.3 污泥堆肥對鉛鋅尾礦中速效磷養分的影響

不同處理上、下層尾礦速效磷含量見圖3。

圖3 尾礦中速效磷含量Fig. 3 Available phosphorus concentrations in tailings

施加污泥堆肥有利于對尾礦中速效磷含量的增加，且隨污泥堆肥施加劑量增加顯著增加。CK處理上層和下層速效磷含量為2.30 mg/kg和2.37 mg/kg，不能滿足植物生長需要。污泥堆肥施加劑量達到20%時上層尾礦在速效磷的含量顯著增加，20%處理以后各處理的速效磷含量分別為CK處理的10.89、15.33、19.09和36.22倍；下層尾礦速效磷含量在施加污泥堆肥后呈先增加后減少趨勢，在施加劑量為20%時達到了峰值，為9.52 mg/kg，施加劑量達到20%之后各組處理之間差異不明顯。說明污泥堆肥有利于對尾礦中速效磷的增長，上層尾礦中污泥堆肥施加劑量越多，速效磷含量越高，下層尾礦中速效磷含量隨污泥堆肥施加劑量增加無明顯變化。

2.4 污泥堆肥對鉛鋅尾礦中有效態Pb含量的影響

污泥堆肥對尾礦中的Pb有穩定效果。不同處理上、下層尾礦NH4NO3提取態Pb含量見圖4。

圖4 尾礦中NH4NO3提取態Pb含量Fig. 4 Pb concentration extracted by NH4NO3 in tailings

施加污泥堆肥的各個處理上層尾礦中NH4NO3提取態Pb的含量均顯著低于CK處理，但其含量的變化隨著污泥堆肥施加劑量的增加呈先減少后增加趨勢。CK處理上層NH4NO3提取態Pb含量為8.01 mg/kg，施加劑量為10%時NH4NO3提取態Pb含量達到最低值，為2.54 mg/kg。10%處理后上層NH4NO3提取態Pb有所增加，30%、40%以及50%處理之間無顯著差異。下層尾礦中NH4NO3提取態Pb含量隨著污泥堆肥施加量的增加呈先增加后減少趨勢，只有40%、50%和100%處理NH4NO3提取態Pb含量略低于CK處理。以上說明施加污泥堆肥可有效降低上層尾礦中NH4NO3提取態Pb的含量，且10%處理效果較好。

2.5 污泥堆肥對鉛鋅尾礦中有效態Zn含量的影響

圖5為不同處理上、下層尾礦NH4NO3提取態Zn含量。在施加污泥堆肥后，上層尾礦中Zn的有效性顯著降低，下層尾礦Zn的有效性隨污泥堆肥施加劑量的增加呈先升高后降低的趨勢，且施加加量達到20%以后顯著降低。CK處理上層NH4NO3提取態Zn含量為807.31 mg/kg，施加劑量為30%之前的處理隨著污泥堆肥施加量的增加NH4NO3提取態Zn含量明顯減少，分別比CK處理減少了25.97%、42.40%、85.79%、93.10%和30%處理后NH4NO3提取態Zn含量無顯著性差異，施加劑量為100%的處理NH4NO3提取態Zn含量最低為4.34 mg/kg；污泥堆肥施加劑量為20% ～100%處理下層尾礦中NH4NO3提取態Zn含量分別為CK處理的85.67%、94.98%、85.75%、70.07%和59.39%。由上可知，污泥堆肥施加劑量達到20%以后，上下層尾礦中Zn的有效性均能顯著降低。

圖5 尾礦中NH4NO3提取態Zn含量Fig. 5 Zn concentration extracted by NH4NO3 in tailings

2.6 污泥堆肥對鉛鋅尾礦中有效態Cu含量的影響

施加污泥堆肥可有效抑制鉛鋅尾礦中Cu的活性（見圖6）。

圖6 尾礦中NH4NO3提取態Cu含量Fig. 6 Cu concentration extracted by NH4NO3 in tailings

且隨污泥堆肥施加量的增加，抑制作用增強。CK處理上層NH4NO3提取態Cu含量為193.25 mg/kg，污泥堆肥施加劑量達到20%時，NH4NO3提取態Cu的含量降到CK處理的16.75%，施加劑量為100%的處理NH4NO3提取態Cu的含量最低為2.03 mg/kg；CK處理下層NH4NO3提取態Cu含量為169.50 mg/kg，5%和10%處理與CK處理無顯著性差異，20%處理后與CK處理有顯著差異，20% ～40%各處理間無顯著差異。表明污泥堆肥施加劑量達到20%以后可有效降低鉛鋅尾礦中Cu的活性。

2.7 污泥堆肥對鉛鋅尾礦中有效態Cd含量的影響

施加污泥堆肥可使上層尾礦中NH4NO3提取態Cd被鈍化，下層尾礦中Cd呈現先活化后鈍化。不同處理上、下層尾礦NH4NO3提取態Cd含量見圖7。

圖7 尾礦中NH4NO3提取態Cd含量Fig. 7 Cd concentration extracted by NH4NO3 in tailings

與CK處理相比，污泥堆肥施加劑量達到10%后可使上層尾礦中NH4NO3提取態Cd含量明顯減少，30%處理后NH4NO3提取態Cd含量無顯著性差異，100%處理NH4NO3提取態Cd含量最低為0.11 mg/kg；污泥堆肥施加劑量在5%～40%之間下層尾礦在施加污泥堆肥后NH4NO3提取態Cd含量略有增加，50%處理后NH4NO3提取態Cd含量顯著低于CK處理，50%處理與100%處理NH4NO3提取態Cd含量無顯著差異。

3 討 論

本次研究結果顯示，隨著污泥堆肥在鉛鋅尾礦中所占比例的增加，黑麥草地上部干鮮重均有所增加。前人[13-15]實驗發現，經過污泥堆肥處理且經過調節pH值后的土壤，春小麥發芽率接近自然土，遠高于處理前的土壤；污泥堆肥等有機肥的使用能促進植物在鉛鋅尾礦基質上的成活和生長，還可以有效促進植物的積累生物量增加，金樹權等[16]分析了污泥堆肥草坪基質利用對草坪生長的影響，發現馬尼拉草的長勢隨草坪基質中污泥堆肥添加比例的提高而增強，與本次研究結果一致。前人[17]-18發現，植物生物量的增加主要是因為污泥堆肥等有機肥的施加可增加基質中有機質、氮、磷和鉀等營養元素含量，促進植物生長，并能顯著降低尾礦中重金屬有效態含量，與本次實驗結果一致。

Jin等發現由雞糞和農田廢棄物制成的生物炭在提高基質中磷和鉀等營養元素含量的同時也能顯著降低Cd、Cu和Pb的有效性。本研究也表明在施加污泥堆肥后鉛鋅尾礦中重金屬Pb、Zn、Cu和Cd的有效性降低。這可能有兩個原因，一是在施用改良劑后，土壤中重金屬形態和pH值發生變化，二是有機肥中的腐殖質通過絡合和螯合反應，固定重金屬，從而降低重金屬對作物的毒害。文星等[19]研究發現，使用以生石灰、白云石粉和海泡石制成的土壤改良劑能顯著提高土壤pH值，土壤中的Cd和Zn轉變為植物不易吸收的形態，土壤中有效態重金屬含量顯著減少。還有的研究發現，青椒根際土中重金屬含量高于基質土含量，由于青椒根系能分泌具有螯合固定和積累重金屬作用的物質，促使重金屬Cu、Zn、Cr和Cd向青椒根際土遷移。

有的研究表明，由于污泥堆肥中含有重金屬，施入量過大，重金屬會抑制污泥堆肥中養分的釋放，從而抑制作物對養分的吸收，當污泥堆肥施用量超過一定閾值時，草坪草吸收Zn和Cu不再增加，甚至減少。

4 結 論

（1）施加污泥堆肥有利于鉛鋅尾礦中黑麥草生物量增加，促進黑麥草生長。

（2）施加污泥堆肥可增加鉛鋅尾礦中速效氮、速效磷的含量，為尾礦中植物生長提供營養元素。

（3）施加污泥堆肥可有效降低鉛鋅尾礦中Pb、Zn、Cu和Cd的活性，施加劑量達到20% ～40%則可有效達到穩定鉛鋅尾礦中重金屬的效果。