基于城市固廢堆肥的尾礦庫表土植物修復研究

曲貴偉，宋 宇

（遼東學院城市建設學院，遼寧 丹東 118003）

葡萄牙S. Domingos礦區位于葡萄牙西南部（37°40′10.42″ N，7°29′39.28″ W），在19世紀初至20世紀中期以生產銅礦和硫礦為主，因資源匱乏于20世紀60年代停產關閉，但大規模的開采活動在地表堆積大量的尾礦，形成面積巨大的尾礦庫，在尾礦庫表層因長期風化和少量植物種類生長形成了厚度約1 m的初育土，該表土含有較多的重金屬污染物，容易隨著風蝕和水蝕進入周邊環境，從而造成重金屬污染［1］，因此亟需進行生態治理。

植物修復技術通過增加尾礦庫植被覆蓋，減少因流失所引起的污染物遷移，同時植物生長還可以提取重金屬，從而降低尾礦庫的環境風險，是目前尾礦庫生態修復中常用的技術手段［2-4］。然而尾礦庫表土pH低、養分匱乏、重金屬含量高以及水分保持能力差等惡劣條件會嚴重限制植株生長［5-6］，進而影響了植物修復技術的效果。因此，通過使用各種修復物如有機物質（城市污泥和農業廢棄物堆肥等）、石灰和化學肥料等輔助植物固定技術修復尾礦庫表土是一種行之有效的方法［7-9］。

城市固廢堆肥化技術作為城市固廢垃圾無害化和資源化的一種低成本、實用并對環境綠色友好的技術已經引起廣泛關注［10］，但是城市固廢堆肥中不同程度地含有重金屬，長期和大量使用可能會導致土壤中重金屬的積累，在重金屬污染土壤上的應用存在加劇環境污染的風險，因此在重金屬污染土壤上應用還需謹慎［11-12］。近年來大量研究表明，城市固廢堆肥可以明顯改善重金屬污染土壤的理化性質和微生物活性，同時降低重金屬活性，進而促進植株生長，但這些研究主要集中在發育良好的農業土壤上［13-16］。而城市固廢堆肥配合植物修復技術在發育不良的尾礦庫表土上的應用還很少［17］。此外，雖然城市固廢堆肥對重金屬污染土壤微生物和酶活性影響方面的研究較多，卻少有城市固廢堆肥與不同類型植株的交互作用對土壤微生物和酶活性影響方面的研究［18］。

植被恢復狀況是礦山尾礦庫生態修復效果最直接的表現，而植株個體生長狀況則是植被恢復狀況的集中反映。選擇適宜修復植株通常是尾礦庫植被恢復的首要目標。本研究選擇了兩種生長特點截然不同的草本植株果園草Dactylis glomerataL.（D. glomerata）和西班牙歐石楠Erica australisL.（E. australis），其 中D. glomerata是 多年生草本植物，可作牧草、干草、青貯飼料。在養分和水分供應充分的情況下，該種植株可以獲得較高產量且植株含糖量較高，可作為優秀飼料應用于畜牧業生產。目前尚未在該尾礦庫周邊發現該種植株，因此在本試驗中代表一種需要額外養分補充的外來植物。而E. australis是S.Domingos礦區尾礦庫表土上生長的一種灌木，可以在酸性、養分貧瘠和寡照的區域生長，對土壤中Al、As、Pb、Sb和Mn有一定的耐性，而且該種還是藥用植物，其提取物可用于消炎和止痛［1］，在本試驗中代表不需要額外化學肥料補充的本地植物。

土壤理化性質如土壤pH、土壤重金屬狀況以及土壤生物活性等常作為尾礦庫生態修復的重要評價指標［19］。而土壤酶活性可以表征土壤中物質、能量代謝旺盛程度和土壤質量變化，其中土壤脫氫酶活性的變化通常能夠反映微生物新陳代謝整體活性以及土壤氧化還原能力。而土壤葡萄糖苷酶、纖維素酶、脲酶、蛋白酶和酸性磷酸酶分別與土壤中有機物（如纖維素和糖類化合物等）降解以及N、P等養分的循環密切相關。在之前有關S.Domingos尾礦庫周邊重金屬污染土壤修復研究中，以上這些指標對不同修復措施的效果均發揮了良好的評價作用［20-21］。因此在本研究中，也被用于評價城市固廢和不同植株對尾礦庫表土的修復效果。

本研究以葡萄牙S.Domingos礦山尾礦庫表土植被恢復為目標，通過盆栽試驗研究城市固廢堆肥與兩種不同植株對該尾礦庫表土植被恢復的影響，主要目的包括：（1）明確城市固廢堆肥是否可以有效改善尾礦庫表土植株的生長，從而促進表土植被覆蓋；（2）探討城市固廢堆肥和兩種不同類型植株對土壤酶活性的交互作用，為選擇合理的修復方式提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試土壤樣本

土壤樣本采自葡萄牙S.Domingos礦區尾礦庫表土，土壤pH較低，養分匱乏，Pb和As的總量很高（表1）。

表1 供試土壤和堆肥的基本性質

1.2 供試城市固廢堆肥

供試城市固廢堆肥（MSWC）由葡萄牙里斯本大學高級農業研究所生物工程技術中心研制，主要由植物殘落物和城市生活垃圾等經人工堆漚而成，其基本性質見表1。堆肥中重金屬含量均在2001年歐盟環境理事會發布的第二草案規定的范圍之內［22］，也低于供試土壤。

1.3 供試植株

外來植株D. glomerata和礦區本土植株E.australis。

1.4 盆栽試驗設計

土壤樣本過8 mm篩，每千克土樣分別與0、15和30 g的MSWC均勻混合，每個栽培缽（上部直徑21 cm，高18 cm）添加4 kg處理后土樣。每個MSWC處理（含處理0）分別設置無植株生長［分別6個月（none6）和12個月（none12）］、種植D.glomerata6個月（D.glomerata）、種植E. australis12個月（E.australis）等共計12個處理，每個處理重復4次。E. australis幼苗（約10 cm高）直接采自礦區，然后每缽移栽一顆，土壤中不添加底肥，12個月后收獲植株。種植D. glomerata的土壤每千克土樣分別添加100 mg N（NH4NO3）、100 mg P［Ca（H2PO4）2］、120 mg K（K2SO4）和30 mg Mg（MgSO4）等化學肥料做底肥，混勻后播種，出苗兩周后間苗至60顆，然后分別在93、120、148和176 d收獲4茬，每茬留2 cm地上部植株并補充N 100 mg/缽。所有栽培缽每天稱重，并及時灌溉，以保證土壤含水量始終維持在土壤最大持水量的60%，以排除在春夏秋干旱季節因為水分豐缺所導致的植株生長的差異。盆栽試驗布置在里斯本大學高級農業研究所農業化學系網室內，當有降雨時移至臨近的溫室內。

1.5 樣本分析

植株地上部收獲后用去離子水清洗，在65℃下烘干、稱重后粉碎，用于測定植株體內P的含量（用于衡量底肥使用對植株生物量的貢獻，采用微波消解-ICP-AES法測定）。風干土樣用于測定土壤pH（1∶2.5土水比）和土壤中水溶性礦物質（含重金屬）含量［1∶50土水比，6 h振蕩后離心，上清液中P采用鉬銻抗比色法，As采用石墨爐原子吸收法，其他陽離子（Fe、Ca、Mg、K、Na、Mn、Cu、Pb、Zn等）采用火焰原子吸收法測定］。試驗結束后分別采集土壤樣本，新鮮的土樣用于測定土壤脫氫酶活性，冷凍（-24℃）保存的土樣分別用于測定土壤葡萄糖苷酶、酸性磷酸酶、纖維素酶、脲酶和蛋白酶等活性，以上這些酶活性的測定方法與之前研究中的方法相同［20］。

1.6 數據分析

采用通用線性模式（GLM）分析所有試驗數據之間的差異，平均值的差異顯著性比較使用Newman-Keuls法在0.05水平下檢驗。主成分分析（PCA）用于驗證MSWC和兩種不同植株的應用效果以及分析關鍵供試參數對數據差異的影響。

2 結果與分析

2.1 MSWC處理和不同植株對土壤pH和土壤中水溶性礦物質含量的影響

無論有無植株生長，土壤pH隨著MSWC的使用量的增加而提高，分別提高了0.7～2.1個單位，且不同用量之間差異顯著。然而兩種植株的生長對土壤pH產生明顯不同的影響，與沒有植株生長的處理相比，D. glomerata的生長在一定程度上降低了土壤pH，而E. australis則對土壤pH影響不大（表2）。

表2 MSWC處理和不同植株對土壤pH的影響

表3 結果表明，和不使用MSWC的處理相比，沒有植株生長的土壤水溶性P、Fe、K、Ca、Mg和Na隨著MSWC用量的增加而增加，分別增加了1.91～3.47、0.62～0.94、7.7～16.3、0～1.1、0.7～2.3和0.4～0.9倍。與其他處理相比，其中30 g/kg的處理增加最為顯著。植株生長則導致這些元素的含量普遍下降。除了0水平處理外，均與無植株處理存在明顯差異。

表3 MSWC處理對土壤中各種水溶性礦質元素含量（非重金屬）的影響（12個月）

土壤中水溶性重金屬的含量是評價重金屬生物有效性的重要指標之一。盡管As在化學屬性上屬于非金屬，但因其對人和生物的毒性較強，其作為污染物也常歸于重金屬污染類別中。從表4可以看出，除As外，無論有無植株的生長，MSWC使用對土壤水溶性重金屬如Mn、Cu、Zn和Pb的含量幾乎沒有影響，各個處理的數值分別為1.44、3.07、1.13和0.65 mg/kg干土左右，而土壤水溶性As則隨著MSWC使用數量的增加而顯著提高，分別比不使用MSWC處理提高了2.2～3.1倍，不同用量水平的處理間差異顯著，而且與其他重金屬相似，兩種植株的生長雖然在一定程度上造成了水溶性As含量下降的趨勢，但與無植株處理相比，差異并不顯著。

表4 MSWC處理和不同植株對土壤水溶性重金屬含量的影響

2.2 MSWC對植株生長的影響

圖1 結果顯示，MSWC顯著改善了兩種植株的生長，其中D. glomerata生物量比不使用堆肥的處理提高了0.69～0.91倍（圖1），處理間差異顯著；而E. australis則提高了7.75～8.83倍，然而30 g/kg的MSWC處理導致了該植株枝條出現了失綠現象，其生物量也略低于15 g/kg的處理。D. glomerata的生物量和植株體內P含量均明顯高于E. australis，分別提高了2.73～15.94倍和3.58～4.93倍。隨著堆肥用量的增加，兩種植株中P的含量均有所下降，其中30 g/kg堆肥處理的E. australis下降最明顯（圖1）。

2.3 城市固廢堆肥和不同植株對土壤酶活性的影響

從圖2可以看出，無植株生長的土壤上（6個月和12個月培養），MSWC的應用改善了所有供試土壤酶（脫氫酶、葡萄糖苷酶、纖維素酶、脲酶、蛋白酶和酸性磷酸酶）的活性，分別比無MSWC處理增加了228.31%～666.96%、161.24%～564.54%、55.06%～109.87%、59.86%～261.84%、136.68%～653.34%和31.64%～76.70%，差異顯著，而且脫氫酶、酸性磷酸酶和蛋白酶的活性還隨著MSWC用量的增加而明顯增加；此外，除脲酶外，使用MSWC處理的土壤酶活性均隨培養時間的延長而有所下降，其中葡萄糖苷酶、酸性磷酸酶和蛋白酶的活性顯著下降，相反脲酶活性卻在一定程度上顯著提高。兩種植株的生長對這些酶的活性產生了不同影響，在無MSWC處理中，生長D. glomerata的所有土壤酶活性均顯著高于E. australis；而使 用MSWC后，D. glomerata生長的土壤脫氫酶、酸性磷酸酶、葡萄糖苷酶、纖維素酶的活性增加更加明顯，分別比E. australis增加了176.08%～379.16%、186.53%～294.23%、195.27%～204.76%和395.64%～552.04%，而脲酶和蛋白酶的活性差異不顯著；圖2結果還表明，在沒有MSWC處理中，E. australis的生長對葡萄糖苷酶和纖維素酶的活性影響不大，而使用MSWC后，纖維素酶的活性卻得到一定改善；E. australis對脲酶的活性影響不顯著，卻對土壤蛋白酶的活性起到了明顯的促進作用，而且在無MSWC和30 g/kg MSWC處理的土壤酸性磷酸酶的活性以及15 g/kg MSWC處理的葡萄糖苷酶的活性都受到了明顯的抑制。

2.4 主成分分析

表5 中主成分分析的結果表明，除了脲酶外，所有參數分別在第一或第二主成分上有顯著的正載荷。生長D. glomerata的處理均處于第一主成分的正值區，而E. australis則處于第一主成分的負值區。這兩個處理隨著不同水平堆肥的應用逐漸由第二主成分的負值區向正值區轉變（圖3）。

表5 主成分分析中各參數在第一和第二主成分上的載荷

3 討論

3.1 土壤pH和水溶性礦物質含量

從表2可以看出，沒有植株生長的MSWC處理的土壤pH的提高應歸因于該堆肥本身較高的pH（表1），而D. glomerata的生長造成pH的顯著下降則表明堆肥中的有機質在提高土壤緩沖性能方面的積極作用［21］還不足以彌補由于植株生長改善導致的根系分泌物（低分子量有機酸等）和植物吸收導致的陰陽離子的失衡所帶來的酸性效應。而E. australis對土壤pH沒有附加額外的影響，這可能是因為該種植株生物量較低，根系分泌物較少，也可能是因為該種植株長期生長在尾礦庫重金屬脅迫環境中，應激產生的一種通過根系降低分泌質子氫的效應，從而使根際周圍土壤維持較高的pH［23］。

與他人研究結果一致［24-25］，在本試驗中，MSWC的應用明顯提高了尾礦庫表土中水溶性礦質元素（非重金屬）的有效性（表3），這也是MSWC能夠促進植株生長的主要原因之一，而且這種結果也可以從水溶性礦質養分含量下降得以佐證，這種作用對于養分匱乏的尾礦庫表土的植被恢復有十分重要的意義。

大多研究表明重金屬污染土壤中大多數重金屬的有效性會隨著MSWC的應用而降低［26-27］，但在本試驗中，盡管供試MSWC中含有多種重金屬，而且供試土壤中的重金屬總量（Pb、As等）也較高（表1），然而無論有無植株生長，在6個月和12個月的時間里，MSWC處理的尾礦庫表土中只有水溶性As的含量顯著增加（表4），這可能與土壤中P的有效性、有機質的分解和Fe含量的增加有關［28］，此外，As與有機質的親和度較低以及土壤pH的升高，也可能造成土壤中As有效性的提高［29-30］，而且不同植株生長并沒有對As的含量產生明顯影響，這可能是土壤中水溶性P的增加所致，尤其是對于外源P加入的D. glomerata處理，研究表明，As和P在根系吸收上由于使用相同的膜轉運蛋白，從而產生競爭關系［31］，然而對于E. australis而言，其較低的生物量以及本身可能是一種排斥As的耐As植物即可以在高As水平下生存卻不吸收As［32］，也可能是原因之一。Mei等［33］認為在多種重金屬污染的農業土壤上使用堆肥還需謹慎，因為往往會在降低其他重金屬含量的同時導致As活性的增加，而且在這些重金屬污染的農業土壤上，As活性的增加可能造成的潛在危害也更值得關注。然而本試驗主要目的之一是確定MSWC是否有助于尾礦庫表土的植被恢復和固定，而且As活性的明顯提高并未影響到植物生長和土壤酶活性，尤其在該表土中As的總量也很高的大背景下，這種程度變化對整個修復過程影響不大。由于本試驗未對植株體內的重金屬含量進行分析，長期使用MSWC對土壤重金屬有效性的影響以及植株對重金屬的富集效應（尤其是As）還需要進一步研究明確。

3.2 植株生長

表1 顯示供試尾礦庫表土為酸性土壤、養分匱乏且重金屬含量較高，這些均是限制植株生長的主要因素。然而在本研究中土壤pH（4.8）和土壤水溶性重金屬含量卻不是影響植株生長的主要因素，因為較低的土壤pH對D. glomerata的生長明顯沒有產生任何抑制作用，卻在較高的pH下抑制了E. australis的生長（圖1，表2），而且土壤水溶性重金屬的有效性也未發生明顯變化。MSWC的使用明顯改善了土壤的養分供應水平（表3），兩種植株的生長也因此得到顯著提高（圖1），MSWC對E. australis的增益效果要好于D. glomerata。D. glomerata與E. australis生物量上的明顯差異則應歸因于化學肥料（底肥）的參與，這一點也可以從兩種植株體內P含量的顯著差異得以佐證（圖1）。而E. australis甚至在高水平的MSWC處理下出現了植株失綠的現象，這可能是MSWC中較高的鹽分（表3土壤中的K和Na顯著提高），或者較高的pH以及MSWC中有機質的分解提高了土壤中如Ca、Mg、Fe等陽離子的活性（表3），造成了土壤中有效P和微量元素含量的下降，而實際上30 g/kg的MSWC處理該植株中P含量也顯著降低（圖1），以上結果充分說明養分如N、P、K和Mg等的匱乏才是該尾礦庫表土限制植株生長的主要因素。因此，這種尾礦庫表土適宜的植被恢復方法應是采用類似D.glomerata的快速生長的植株，在養分供應得到保證的情況下，在尾礦庫表土上獲得持續覆蓋，但成本也因連續施肥而增加；或者通過使用MSWC促進類似E. australis的本地植株的生長，盡管其生物量不高，但其養分需求較低（如P），成本也明顯下降，而且其對尾礦庫惡劣環境適應性較強，同時也能保證其表土在12個月時間里的植被覆蓋，進而降低表土因風蝕和水蝕而產生周邊環境污染風險。

3.3 土壤酶活性

MSWC的應用可以改善重金屬污染土壤酶的活性，這已經從眾多研究中得到證實［14，16，34］，本試驗也得到了相似的結果，而且這種增加在蛋白酶和脫氫酶的活性上表現更加顯著，Alverenga等［18］也發現在礦區土壤上使用25、50和100 t/hm2的MSWC時也得到相似的結論。主成分分析結果表明，MSWC處理在第一主成分和第二主成分上的土壤酶活性（除脲酶外）均有較高正載荷，呈現顯著相關，不同用量的處理也分別處于第一主成分和第二主成分的正值區并相互分開。在沒有植株生長的土壤上，土壤脫氫酶活性并沒有隨著時間增加而發生明顯變化，而且與土壤養分循環（C、N和P）相關的水解酶的活性還有所下降，這可能是由于隨著時間變化，土壤中易分解的有機質的減少以及相應的微生物種群的變化引起的。與其他的土壤酶活性相反，MSWC處理的脲酶活性隨時間延長而顯著提高，這一結果可能與土壤中水溶性As的含量增加有關，研究表明，在0～200 mg/kg的As濃度下，一年后土壤脲酶活性顯著提高［35］。

在本研究中兩種不同植株的生長對土壤酶活性的影響存在明顯差異（圖2），這一點可以從主成分分析圖中看出，D. glomerata生長使土壤脫氫酶、酸性磷酸酶、葡萄糖苷酶及纖維素酶活性獲得最大值，因此處于第一主成分的正值區，而E. australis生長主要對土壤pH和蛋白酶的活性有明顯的改善作用而處于第二主成分的正值區，兩個植株的處理明顯分開（圖3）。這種土壤酶活性的變化可能與D. glomerata快速良好的生長促進了根系分泌物等低分子易分解有機物的釋放，從而為微生物生長提供了良好碳源，以及施用底肥所帶來的速效養分增加在一定程度上調節了微生物所需的養分比例有關。但化學肥料對土壤酶活性的作用還不明確，有時會增加土壤酶活性，而有時也會產生抑制作用［36-37］。而植株生長通常都會促進礦區土壤酶活性的提高［38-39］。

與D. glomerata相比，E. australis的生長對土壤酶活性的影響就比較復雜。其植株根系分泌物顯然對土壤微生物的活性產生了一定的抑制作用，從而造成土壤脫氫酶、酸性磷酸酶、蔗糖酶活性的下降，因此，該處理一般處于第一主成分的負值區（圖3）。Carballeira［40］研究發現，在E. australis植株生長的土壤中發現了4種酚酸類化合物（對羥基苯甲酸、原兒茶酸、香草酸和對香豆酸），這些化合物都有抗菌和抑菌的作用，如對羥基苯甲酸可以明顯抑制土壤中微生物的活性，進而影響微生物群體結構［41-42］。羅紅艷等［43］研究也表明，土壤中除多酚氧化酶外，其他酶活性均因植物根系分泌的酚類物質而受到明顯抑制，所以這些酚類化合物可能是導致生長E. australis的土壤微生物活性較差的主要原因。E. australis與MSWC在對一些土壤酶活性的影響上存在一定的交互作用，如在沒有使用MSWC的處理中，土壤蔗糖酶、纖維素酶和脲酶的活性對E. australis的生長沒有明顯反應，但使用MSWC后，纖維素酶的活性有所改善，而蛋白酶的活性則提高顯著。Cecchi等［44］發現，酚類化合物的有效性可以通過與土壤粘粒和有機質的吸附與解吸而受到控制，因此在本研究中MSWC的使用增加了土壤有機質，提供了更多的吸附位點，從而減少了來自該種植株根系分泌物的酚類化合物對土壤酶和微生物的抑制作用，然而這種機制卻沒有對酸性磷酸酶和脫氫酶起到保護作用，具體的機理還有待于進一步研究。

4 結論

供試MSWC對所有的供試參數均起到了明顯的促進作用，而且并未導致尾礦庫表土重金屬活性發生明顯變化，因此可以作為一種安全的修復劑應用于該尾礦庫表土的植被恢復。

兩種不同類型植株的生長對土壤酶活性產生不同影響，這可能是兩種植株生物量和植株根系分泌物的差異所致。

D. glomerata生長對土壤養分依賴較高，用于尾礦庫植被恢復需要持續的化學肥料供應，適用于成本較高的集約化修復。

E. australis對土壤養分（尤其是P）需求較低，與MSWC結合使用也可維持表土的植被覆蓋，且有效降低修復成本，因此比D. glomerata更具優勢。