酸性礦山廢水污染對稻田土壤氮循環的影響

何照

（貴州雛陽生態環保科技有限公司，貴州貴陽 550025）

全球大約有1.3 億hm2土地用于水稻生產，約占全球可耕土地的1/10， 它們處于常年水淹或臨時性水淹狀態[1]。氮是水稻生產過程中最主要的限制營養元素，在稻田生態系統中，氮固定、礦化、硝化作用、反硝化作用、厭氧氨氧化、氨揮發等生物化學過程會不同程度地影響土壤氮元素供給， 顯著影響水稻的產量和品質[2-3]。同時，水稻農田生態系統氮循環過程對水體富營養化、 溫室效應及部分氮氧化物空氣污染也有著重要影響[4-6]。

中國有約30%的耕地用于水稻種植， 同時中國也是以煤炭為主要能源的國家[7-8]。人們生產和日常生活要消耗大量能源，必然導致大量煤炭被開采。在煤炭開采過程中會伴隨大量的煤矸石產生， 一般每開采1 t 煤，會伴生10%~30%的煤矸石[9]。 近幾十年來，煤矸石的產生量迅速增加且資源化利用水平較低[9]，導致其大量堆積， 已成為我國排放量最大的工業廢渣之一。煤矸石中往往富含硫、錳、銅、鋅、砷、汞等伴生礦物[10-11]，在露天堆放過程中受水、氧氣、微生物等因素的聯合作用而產生酸性礦山廢水（AMD）[10，12]，其pH 值極低且含有高鹽度、高濃度的重金屬離子和其他有毒有害物質等，對周邊及下游水體、農田等自然環境及生態系統造成嚴重危害[13-14，10]。 由于煤矸石長年累月的產生和堆積， 礦區周邊及下游農田等生態系統中土壤酸化、鹽度增加，許多重金屬含量遠遠超過土壤標準限值，從而嚴重影響作物品質，或導致大片農田絕產、荒蕪，甚至寸草不生。 含硫煤礦區周邊污染已成為當今世界陸地生物圈最典型、 退化最嚴重的生態系統污染，AMD 污染所產生的一系列生態環境問題已成為嚴重制約地區可持續發展及區域生態安全的重大問題。

AMD 的持續污染會對稻田土壤微生物類群、氧化還原狀況、土壤pH 值等諸多特性產生顯著影響，會影響鐵、有機質等養分含量及其比例。以上這些因素都是稻田氮循環過程中的主要影響因子[15-20]。 然而，對于AMD 污染影響稻田土壤氮循環方面的研究較少。 本文針對AMD 主要污染特征，結合氮循環主要過程及主要影響因素探討AMD 污染對稻田氮循環可能產生的影響。

1 稻田土壤氮循環的主要環節

在稻田土壤氮循環過程中存在著各種生物、非生物的氮轉化過程，包括氨化、有機氮礦化固定、硝化、反硝化、硝酸鹽異化氨化、厭氧氨氧化以及固氮作用等[3]，具體循環過程如圖1 所示。

可以看出，在氧化層，從肥料中或有機質礦化過程中獲得的銨態氮逐漸氧化成亞硝酸鹽（硝化作用）。 硝酸鹽和亞硝酸鹽可以擴散到還原層中，在還原層中各種氮的化合物通過反硝化作用逐漸被還原成氣態產物（NO、N2O 和N2）。 在氧化層和還原層界面上以及根際范圍內，硝化-反硝化過程可以同時發生。硝酸鹽異化氨化在水稻土壤中產生并不顯著，但在條件允許下厭氧氨氧化過程將很可能發生。 硝化和不完全反硝化過程產生的N2O 可以被N2O 還原微生物還原為氮氣而流失。 由于稻田土壤中強烈的反硝化作用，硝酸鹽、亞硝酸鹽滲漏很少發生。此外，在大多數稻田土壤中因氨揮發造成的氮損失一般很小，氨揮發一般在pH 值>8.5 時才會明顯發生。 固氮作用可以在稻田表層水體發生， 或在根際微生物作用下發生[3]。

土壤氮是水稻氮肥供應的主要來源， 水稻固定的氮50%以上來自土壤[21]，土壤氮的輸入包括降雨、灌溉、施肥和生物固定；氮的損失包括氨揮發、徑流及滲漏損失以及反硝化作用造成氮損失。因此，土壤氮總是處于動態平衡過程中。

稻田土壤中的氨化反應（氮的礦化）在水稻氮供應過程中發揮著重要作用。 因為水稻及浮游植物的生長使水田土壤中的氨濃度處于很低的水平， 硝化作用不顯著。 同時，化肥施用、水稻不同生長階段需要、季節變換以及間歇性水淹等因素對稻田氮循環各環節都會產生重要影響[21，4，22]。

2 正常氮循環的主要影響因素

研究表明，稻田氮肥類型、來源、土壤微生物類群、氧化還原狀況、土壤pH 值和鐵、有機質等養分及其比例等都能對稻田氮循環產生顯著影響[16-19]。

水稻利用銨態氮作為主要的氮肥供應（在硝態氮和銨態氮同時存在時， 水稻秧苗利用銨態氮明顯快于硝態氮），因而氨態氮肥在水稻生產過程中廣泛應用[23]。 同時，傳統的有機肥在氮源中也占有重要比例，通過微生物作用將有機氮轉化為無機氨，其中有機物降解對稻田土壤氮礦質營養的提供有重要影響[24]。 其他類型氮肥則不利于水稻的利用，進而影響稻田系統的氮循環過程。

微生物類群在氮循環的各環節中發揮了重要作用，例如根瘤菌及藍細菌等固氮微生物、硝化過程中的氨氧化細菌和氨氧化真菌、亞硝酸鹽氧化細菌、反硝化過程中的亞硝酸還原古細菌及真菌以及厭氧氨氧化細菌等[25-29，17]。 硝化作用是通過連續的兩步反應將氨氧化成硝酸鹽， 整個過程由2 類占優勢的微生物類群控制：氨氧化由亞硝化單胞菌來控制完成；亞硝酸鹽氧化由硝化菌屬來完成[30]。 同時，溶解氧濃度、溫度、基質濃度、pH 值、硝化微生物數量和活性等都能影響土壤硝化作用過程。 這些因子之間大多相互影響，并且共同作用于硝化作用。在水系沉積物中，溶氧濃度是硝化作用的主要控制因素[31]：水系沉積物表層的1~5 mm 是溶氧擴散的有效深度， 溫度對此有明顯影響； 在6~8 mm 的深度硝化性能明顯降低，但依然存在，表明硝化細菌在表層以下的厭氧環境中仍能存活，但活性明顯降低[32]。 厭氧條件下的硝化細菌， 重新暴露在較高溶氧環境中可以在數小時內迅速復活[33]。 pH 值為7.0~8.5 的微堿環境最適于硝化細菌生長，在pH 值>8.5 的條件下，硝化菌屬受到明顯抑制（相對于亞硝化單胞菌），導致亞硝酸鹽大量積累[34]；在低pH 值條件下的情況尚未見報道。 對于反硝化作用，溫度、硝酸鹽濃度、有機碳、溶氧、反硝化細菌密度等因子對其過程有重要影響[35]。

土壤水分、CEC、土壤酸度及脲酶活性等土壤性質對土壤氨揮發有重要影響。有研究表明，土壤氨揮發的數量與土壤pH 值有非常明顯的線性關系[36，18]。同時， 以上因素也對N2O、NO 等微量氣體的釋放有顯著影響[37-39]。

土壤類型、 礦物養分及其比例在氮循環過程中也發揮著重要作用。 Ohta 等[40]研究表明，一種火山土類型土壤有非常強的磷酸鹽結合能力， 固氮微生物生長和活性因磷缺乏而受到抑制， 進而使微生物對大氣氮的固定作用減弱。 同時，研究表明，提高周圍水體及顆粒中氮磷比可以顯著提高土壤微生物或浮游藍細菌等微生物對氮的固定[41-43]。

此外，在淹水的稻田土壤中，土壤有機質對銨態氮的形成及氮礦化有重要影響[44-47]。 在水淹條件下，氮肥的供應主要依靠有機物的礦化或氨化來完成。有機物的降解和氨的產生在水田氮肥供應和調整水田初級生產方面發揮著重要作用。 Hargreaves[48]研究表明，在淺水池塘中（類似于水稻田），有機物的降解主要發生在沉積物-水界面上，是底泥和上覆水體氨氮的重要來源。 Caffrey[49]研究表明，氨氮的產率與沉積物中的碳、氮含量直接相關，大量的有機氮在底泥中沉積，并迅速礦化形成氨氮。

3 AMD 污染對稻田土壤氮循環的影響

除了土壤pH 值、氧化還原狀況、鹽分、CEC 及土壤有機質、鐵、其他養分及其比例等土壤理化特性指標， 土壤微生物類群及稻田作物等生物因素也在一定程度上對稻田氮循環過程產生顯著影響。 具有低pH 值、高鹽度、高Eh 值、高含量的高價鐵和錳離子以及富含多種有害金屬離子等典型特征的AMD持續污染， 會對稻田生態系統中土壤理化性狀及生物特性產生影響。現就AMD 污染可能對稻田土壤污染產生的影響作簡單探討。

AMD 富含Fe（Ⅲ）、Mn（Ⅳ）、SO42-等高價態離子，具有相當程度的氧化性能，呈現較高的氧化環境（Eh 值一般在500 mV 以上）。 在水田系統中， 包括O2/H2O-CO2/CH4等6 種氧化還原狀態，Eh 值一般維持在-300~100 mV[2]。 稻田土壤系統中主要的電子受體包括可溶氧、NO3-、Fe（Ⅲ）、SO42-和CO2，最終還原產物為Fe（Ⅱ）、H2S 和CH4，同時包括部分中間產物可溶性H2和H2S[50]。 在水淹條件下，溶解氧快速被厭氧土壤微生物消耗，接下來NO3-、Mn（Ⅳ）、Fe（Ⅲ）和SO42-作為電子受體， 在厭氧微生物呼吸作用中被利用[51]。 Gao 等[50]田間試驗研究表明，Eh 值與Mn（Ⅱ）（R2=0.76）、Fe（Ⅱ）（R2=0.73）等有較高的相關性。 因此，鐵、錳等物質含量高的較強氧化性AMD 持續進入，勢必會顯著影響稻田土壤氧化還原狀況。

大量的鐵隨著AMD 的持續污染進入正常的稻田系統中， 影響土壤氧化還原狀態并對稻田營養元素活性及釋放產生影響， 進而在影響土壤肥力動力學方面發揮著重要作用[52]。 將Fe（Ⅲ）還原到Fe（Ⅱ）可以顯著影響鐵、 錳及多種金屬離子的地球化學過程， 同時可以對其他重要的土壤特性和肥力狀態產生影響，進而顯著影響水稻生長和農業生產[53-54]。 例如，Sahrawat 等[55]對比西非15 種不同土壤的研究表明： 土壤中高含量的有機碳與可還原鐵可以形成高含量的礦化氮；反之，土壤有機碳或鐵含量低，則礦化氮的含量同樣會處于較低水平， 進一步可以通過土壤有機碳或可還原性鐵來表征土壤礦化氮形成。其中， 在厭氧條件下， 氮礦化或氨化同土壤有機碳（r=0.79，n=15）與EDTA 可提取鈦鐵（r=0.86）或草酸可提取態（r=0.75）有顯著相關性，而且鐵的還原作用可以顯著影響有機質降解代謝過程[56-58]。 此外，田間試驗條件下， 鐵的豐富度可以限制束毛菌屬對氮的固定[59-60]。鐵還可以以磷酸鹽結合態鐵形式強烈地結合磷[61]，使稻田土壤中的有效磷含量處于極低水平，同時使C、N、P 的比值發生變化[61]，進而限制固氮微生物的生長和活性[39]。

Zhang 等[62]研究了酸性礦山廢水（AMD）的低pH值結合高價鐵對土壤氮循環的影響，結果表明，亞硝酸鹽在pH 值為3.2 的Fe（Ⅲ）溶液中迅速消失。 然而，對AMD 諸多污染因子單一及復合污染對稻田氮循環的直接影響方面，以及通過稻田土壤理化性質、微生物生長和活性微生物類群變化等生物作用間接影響各個氮循環環節方面尚不清晰， 同時在西南喀斯特地貌大背景下，AMD 對稻田土壤氮循環的影響更為復雜。

持續淹沒和間歇性灌溉等水肥管理對稻田土壤氨硝化、 硝酸鹽的反硝化作用以及總氮氧化物的釋放有顯著差異[4]，AMD 持續污染下對于人為干預下的稻田生產（干濕交替）氮循環的影響也將是一個復雜的新命題。