糠醛渣和磷石膏對菱鎂礦粉塵污染土壤的改良效果研究*

楊 丹

(貴陽學院生物與環境工程學院,貴州 貴陽 550005)

糠醛渣和磷石膏對菱鎂礦粉塵污染土壤的改良效果研究*

楊 丹

(貴陽學院生物與環境工程學院,貴州 貴陽 550005)

采用盆栽試驗，研究糠醛渣、磷石膏及兩者混合物施入菱鎂礦粉塵污染土壤后，土壤理化性質以及玉米幼苗生長狀況、生物量、葉綠素含量、超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)、過氧化物酶(POD)活性的變化，旨在了解糠醛渣和磷石膏對菱鎂礦粉塵污染土壤的改良作用與效果。結果表明：糠醛渣和磷石膏均能顯著增加土壤中微生物生物量碳和氮，糠醛渣能有效降低土壤pH，增加有機質含量；磷石膏能有效調節土壤水溶性Mg2+/Ca2+。糠醛渣和磷石膏混合施用時，玉米幼苗最大根長、株高、生物量、葉綠素含量及SOD、CAT、POD活性均優于其他處理組。可見，糠醛渣與磷石膏可有效改善菱鎂礦粉塵污染土壤理化性質，促進植物生長，且兩者混合施用效果優于單施。

菱鎂礦 土壤 糠醛渣 磷石膏 玉米

我國菱鎂礦資源儲量豐富，其開采、加工及出口量均居世界首位。然而，大規模菱鎂礦開采和加工嚴重破壞了礦區周邊環境。菱鎂礦在煅燒過程中釋放的粉塵(主要成分為氧化鎂和碳酸鎂)沉降于地表后在降雨等作用下形成致密結皮(4MgCO3·Mg(OH)2·4H2O)，使礦區土壤性質惡化，主要表現為pH急劇上升，土壤有機質、氮、磷和有效鈣含量等較低，土壤鎂鈣比例嚴重失調等[1-2]。菱鎂礦粉塵還對土壤酶活性造成影響，土壤中多種酶的活性均與鎂含量呈負相關關系[3]。隨著污染程度的增加，菱鎂礦煅燒廠附近土壤微生物纖維素酶活性、微生物群落呼吸強度、生物量和新陳代謝熵等均呈顯著下降趨勢[4]。由于菱鎂礦粉塵造成土壤性質改變，使得植被生長受到影響[5]，污染嚴重的地區草本植物幾乎不能生存，僅有少量灌木存活，從而導致森林和農田生產力急劇下降。

目前，菱鎂礦粉塵污染土壤的治理和修復尚無成熟的技術和經驗借鑒[6]。有學者提出通過施加硫酸鈣降低粉塵中鎂對土壤物理性質的影響[7]，或者對土壤改良后進行施肥，解決污染土壤中養分不足的問題，從而使農作物正常生長[8]。張立軍等[9]的研究表明，在菱鎂礦粉塵污染土壤中加入磷石膏后，不僅可增加有效鈣含量，降低土壤中水溶性Mg2+/Ca2+，緩解土壤中過量鎂的毒害作用，同時能降低土壤pH，提高有效磷含量，從而促進作物生長。若再施入豬糞，可使土壤的營養供給得到進一步改善，促進玉米根系發育，增大其根系活力[10]。VYSHPOLSKY等[11]在長期的田間實驗中發現，在鎂含量較高的地區，施加磷石膏能顯著提高當地棉花的產量。王泓泉等[12]發現，在菱鎂礦粉塵污染土壤中配施磷酸二氫鈣后，顯著促進了羊草、披堿草、剪股穎和堿茅的生長。可見，菱鎂礦粉塵污染土壤理化性質的改良是解決菱鎂礦區生態修復中植被構建問題的有效措施，是菱鎂礦區環境綜合治理的重點。

表1 土壤、糠醛渣和磷石膏的理化性質

本研究前期已對遼寧省海城市某菱鎂礦區土壤污染狀況進行了調查和分析，發現菱鎂礦粉塵污染土壤的改良主要是解決土壤pH較高、水溶性Mg2+含量較高、水溶性Mg2+/Ca2+失調和養分不足等問題[13-14]。工業固體廢棄物糠醛渣酸性較強，且富含有機質，可用來調節污染土壤中的pH，增加土壤養分；磷石膏中含有大量Ca2+和P，可用于調節污染土壤中水溶性Mg2+/Ca2+，提高土壤養分含量。因此，根據菱鎂礦粉塵污染土壤的特點，采用糠醛渣和磷石膏作為改良劑，研究不同改良劑添加方案對土壤理化性質和玉米生長及生理指標的影響，評價糠醛渣和磷石膏對菱鎂礦粉塵污染土壤的改良效果，旨在為菱鎂礦粉塵污染土壤的改良提供依據，進而為菱鎂礦區生態修復中的植被構建提供有效途徑。

1 材料與方法

1.1試驗材料

供試土壤采自遼寧省海城市內距某菱鎂礦煅燒廠300m左右的菱鎂礦粉塵污染廢棄地，土壤采樣深度0～20cm，為發育于黃土狀母質的棕壤；供試糠醛渣為某糠醛生產公司的廢棄物，磷石膏為某化肥廠生產磷銨的副產品。土壤、糠醛渣、磷石膏的理化性質見表1。

1.2試驗設計

土壤、糠醛渣、磷石膏均風干后過2mm篩。在預實驗中，將糠醛渣和磷石膏分別以5.0%(質量分數，下同)、10.0%、15.0%、20.0%、30.0%的添加量加入菱鎂礦粉塵污染土壤中，平衡45d后種植玉米。研究發現，糠醛渣、磷石膏的添加量為15.0%時玉米幼苗的長勢、株高和生物量均為最佳。為此，本試驗設計改良劑添加量為15.0%，單施糠醛渣處理記為F組，單施磷石膏處理記為P組，兩者混施(糠醛渣7.5%+磷石膏7.5%)處理記為F+P組。將改良劑與土壤混合均勻，每盆裝土2.5kg放于室內，每天稱重，土壤含水率始終保持在田間持水量的70%(質量分數)左右，平衡45d后種植玉米，同時設不加改良劑的對照處理(CK組)。玉米種子經消毒浸泡后，每盆撒種3粒，待出苗后每盆定植2株，每個處理種植6盆，其中3盆用于測定生長指標，3盆用于測定生理指標，45d后收獲。

1.3測定方法

土壤、糠醛渣及磷石膏的pH、全氮、全磷、硝態氮、銨態氮、堿解氮、速效磷，有機碳，水溶性Ca2+、水溶性Mg2+等理化性質的測定采用土壤農業化學分析法[15]；微生物生物量碳(MBC)的測定參照文獻[16]；微生物生物量氮(MBN)的測定參照文獻[17]；采用丙酮浸提/分光光度法測定葉綠素含量[18]；采用氮藍四唑(NBT)光還原法測定超氧化物歧化酶(SOD)活性[19]；采用愈創木酚法測定過氧化物酶(POD)活性[20]；采用過氧化氫法測定過氧化氫酶(CAT)活性[21]。

1.4數據處理

采用Microsoft Excel2010進行數據處理，所有數據均為3次重復平均值。采用最小顯著差異法(LSD)進行差異顯著性檢驗。

2 結果與討論

2.1改良劑對土壤理化性質的影響

不同處理組菱鎂礦粉塵污染土壤的基礎理化性質見表2。由表2可見，與CK組相比，F組、P組pH均有所下降，F組pH下降較P組明顯；F組有機碳明顯增加，P組有機碳沒有明顯變化；F組、P組土壤中銨態氮、硝態氮含量均有不同程度的增加，P組速效磷增幅較大，F組中水溶性Ca2+提高了66.7%，P組水溶性Ca2+增加了23.3倍。F組水溶性Mg2+/Ca2+(摩爾比)降低到10.68，而P組水溶性Mg2+/Ca2+降低到0.80，相比CK組降幅為94.3%，F+P組對各理化指標及水溶性Mg2+/Ca2+的調節作用也十分明顯。

表2 不同處理下菱鎂礦粉塵污染土壤的基礎理化性質1)

注：1)字母不同代表組間處理差異顯著(P<0.05)，圖1至圖5及表3同。

由表2可知，兩種改良劑對土壤均具有一定改良效果，分析原因，糠醛渣是用玉米芯生產糠醛后排出的固體廢棄物，含殘余硫酸，且含有豐富的有機質以及一定量的氮磷等速效養分[22]。由于本身酸性較強，糠醛渣能夠有效中和污染土壤的堿性，使土壤pH顯著降低，其中富含的有機質也顯著提高了土壤有機碳含量。磷石膏是生產磷肥排放的固體廢棄物，幾乎不含有機質，主要成分為磷酸鈣，并富含速效磷、水溶性Ca2+等，游離酸含量相對較少，因而對土壤pH調節效果不大，也不會增加土壤中的有機碳含量。堿性條件下銨態氮易揮發[23]，添加糠醛渣可有效調節土壤pH，且糠醛渣中的無機酸和有機酸與銨結合形成銨鹽，避免了土壤中銨態氮的揮發損失[24]。磷石膏中含有的少量無機酸也能與銨結合，提高土壤銨態氮含量。由于糠醛渣和磷石膏中都含有大量速效磷(見表1)，因此添加改良劑的處理組中速效磷含量均顯著高于CK組。磷石膏中所含的鈣提高了土壤中水溶性Ca2+含量，因而有效調節了土壤中的水溶性Mg2+/Ca2+，而糠醛渣含鈣量較低，對水溶性Mg2+/Ca2+的調節效果不顯著。

土壤中水溶性Mg2+/Ca2+是影響植物生長發育的一個重要因素，土壤中過量Mg2+對植物的危害不取決于水溶性Mg2+的絕對含量，而是取決于水溶性Mg2+/Ca2+。水溶性Mg2+/Ca2+過大時將對作物吸收Ca2+產生拮抗作用，導致作物缺鈣，從而發生Mg2+的毒害作用[25]。吳洪生等[26]研究發現，水溶性Mg2+/Ca2+小于1時，植物生長不受Mg2+的毒害；水溶性Mg2+/Ca2+為1～3時，某些作物的生長將受到一定的影響；水溶性Mg2+/Ca2+為3～9時，小麥種根受到明顯影響；水溶性Mg2+/Ca2+為9～15時，小麥種根無根毛，苗直立而葉卷縮，三葉期后種子胚乳耗盡；水溶性Mg2+/Ca2+為15～20時，所有作物和樹木都生根困難；水溶性Mg2+/Ca2+大于20時，所有植物種子都難以萌發。本研究中F組水溶性Mg2+/Ca2+為10.68，仍在10以上；P組、F+P組的水溶性Mg2+/Ca2+分別為0.80、1.11，P組、F+P組玉米生長狀況好于F組，可能與水溶性Mg2+/Ca2+的調節效果有關。

2.2 改良劑對土壤MBC、MBN及玉米生長的影響

不同處理組的MBC、MBN對比見圖1。由圖1可見，F組土壤MBC、MBN比CK組分別高出2.02、4.75倍；P組土壤MBC、MBN比CK組分別高出2.27、5.54倍；F+P組土壤MBC、MBN比CK組分別高出8.08、7.14倍。這是因為加入改良劑后土壤pH和養分狀況得到改善，且MBC、MBN與土壤水溶性Mg2+/Ca2+呈顯著負相關，因此微生物量得到增加。值得說明的是，F+P組土壤MBC、MBN明顯高于F組和P組，說明此條件下土壤pH、養分含量、水溶性Mg2+/Ca2+等更適宜微生物生長。

圖1 不同處理組的MBC、MBNFig.1 MBC and MBN of different treatment groups

不同處理組的玉米幼苗生長情況見表3。由表3可見，F組玉米幼苗最大根長、株高、地上生物量、根部生物量分別高于CK組1.05、1.15、1.46、1.52倍；P組玉米幼苗最大根長、株高、地上生物量、根部生物量分別高于CK組1.14、1.34、1.54、1.71倍；F+P組玉米幼苗最大根長、株高、地上生物量、根部生物量分別高于CK組1.27、2.20、1.54、2.29倍。其中，F+P組的玉米幼苗最大根長、株高、植株生物量明顯優于其他處理組，與土壤MBC、MBN改良效果相似。可見，兩種改良劑混合添加對于改良菱鎂礦粉塵污染土壤更為有效。

表3 不同處理組的玉米幼苗生長情況1)

注：1)地上生物量、根部生物量均以干質量計。

2.3 改良劑對玉米幼苗葉綠素及酶活性的影響

不同處理組玉米幼苗葉綠素含量見圖2。由圖2可見，F組、P組、F+P組的葉綠素含量顯著高于CK組，F組與P組葉綠素含量差異性不顯著，F+P組葉綠素高于CK組56%。葉綠素含量的高低反映了植物葉片光合能力的強弱。糠醛渣和磷石膏混合添加時，玉米幼苗葉片葉綠素含量顯著高于其他處理，說明此條件下玉米幼苗光合能力較強。弓建國等[27]的研究表明，有機肥與磷肥的施用能夠提高馬鈴薯葉綠素含量。糠醛渣富含豐富的有機質及腐殖酸，磷石膏富含大量的磷和鈣，糠醛渣和磷石膏混合對土壤的改良效果與有機肥和磷肥混合的改良效果類似。

不同處理組在玉米幼苗生長20、30、40 d時葉片及根部SOD活性對比見圖3。由圖3可見，F組、P組、F+P組玉米幼苗葉片及根部SOD活性均顯著高于CK組，F組與P組玉米幼苗葉片SOD活性無顯著差異， P組玉米幼苗根部SOD活性接近F+P組，顯著高于F組及CK組。

圖2 不同處理組的玉米幼苗葉綠素Fig.2 Chlorophyll content of maize seedlings in different treatment groups

不同處理組在玉米幼苗生長20、30、40 d時葉片及根部CAT活性對比見圖4，POD活性對比見圖5。由圖4可見，F組、P組、F+P組玉米幼苗葉片及根部CAT活性均顯著高于CK組，其中F+P組玉米幼苗葉片及根部CAT活性均最高，其次為P組。由圖5可見，F+P組玉米幼苗葉片POD活性最高，P組根部POD活性最高。總體而言，F+P組玉米幼苗葉片和根部抗氧化酶活性最好。

生物細胞在污染、鹽脅迫等逆境條件下會受到活性氧自由基的傷害[28-29]。SOD是清除體系中活性氧的關鍵酶，是防止超氧自由基對細胞膜系統造成傷害的保護酶；CAT參與活性氧代謝過程，其活性變化是植物對環境的一種生理生化反應；POD是與植物抵御不良環境如污染脅迫等有關的細胞內保護酶[30-31]。SOD、CAT、POD共同組成了活性氧清除系統，防止自由基的毒害，維護膜系統的穩定性，SOD、CAT和POD活性的高低，反映了植物細胞膜的抗氧化能力以及植物生長狀況[32]。在本研究中，添加改良劑的玉米幼苗SOD、CAT、POD活性均顯著高于對照組，說明改良劑可提高植物保護自身細胞膜系統的能力，有利于植物的生長發育。P組玉米幼苗葉片和根部SOD、CAT、POD活性均高于F組，可能與磷石膏對土壤中可溶性Mg2+/Ca2+的調節效果更佳有關。F+P組玉米幼苗葉片和根部的SOD、CAT、POD活性最高，說明此時植物保護自身細胞膜系統的能力強于其他處理組，結合玉米幼苗株高、生物量、葉綠素含量等玉米生長指標可知，糠醛渣與磷石膏的混合施用能更有效地改善菱鎂礦粉塵污染土壤的性質，促進植物生長發育。

圖3 不同處理組玉米幼苗的SOD活性Fig.3 The SOD activity of maize seedlings in different treatment groups

圖4 不同處理組玉米幼苗CAT活性Fig.4 The CAT activity of maize seedlings in different treatment groups

圖5 不同處理組玉米幼苗POD活性Fig.5 The POD activity of maize seedlings in different treatment groups

3 結 論

糠醛渣能夠有效降低菱鎂礦粉塵污染土壤pH、增加土壤有機質含量，磷石膏能夠顯著增加水溶性Ca2+含量，調節土壤水溶性Mg2+/Ca2+；將糠醛渣與磷石膏混合添加于菱鎂礦粉塵污染土壤中后種植玉米，玉米幼苗的株高、生物量、葉綠素含量、SOD、CAT及POD活性等明顯高于單施糠醛渣、單施磷石膏及對照組。由此可知，糠醛渣與磷石膏混合施用能更有效地改善菱鎂礦粉塵污染土壤性質，促進植物生長，有利于菱鎂礦區植被構建。

(致謝：感謝中國科學院沈陽應用生態研究所林業生態工程組為本研究提供實驗場所，感謝艾桂艷和李晶石在室內樣品處理及分析過程中的大力幫助！)

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Amelioratingeffectoffurfuralresidueandphosphogypsumonsoilcontaminatedbymagnesitedusts

YANGDan.

(CollegeofBiologicalandEnvironmentalEngineering,GuiyangUniversity,GuiyangGuizhou550005)

A pot experiment was conducted,in which furfural residue,phosphogypsum and their mixture were added to magnesite dusts contaminated soil. Soil physicochemical properties,as well as growth,biomass,chlorophyll concentration,superoxide dismutase (SOD),catalase (CAT) and peroxidase (POD) activities of maize seedlings were determined to analyze ameliorating effect of furfural residue and phosphogypsum on contaminated soil. The results showed that both furfural residue and phosphogypsum could obviously increase soil microbial biomass C and N；furfural residue could effectively decrease soil pH and increase organic matter; phosphogypsum could significantly adjust soil Mg2+/Ca2+. Mixed amendment addition could better increase the maximum root length,height,biomass,chlorophyll concentration,SOD,CAT and POD activities of maize seedlings than other treatments. Therefore,furfural residue and phosphogypsum could significantly improve physicochemical properties for such contaminated soil,promote plant growth,and their mixed addition had better ameliorating effect.

magnesite； soil； furfural residue； phosphogypsum； maize

作者：楊 丹，女，1982年生，博士，副教授，研究方向為土壤環境質量評價與污染防治。

*貴州省科學技術基金資助項目(黔科合J字[2013]2299號)；貴州省科學技術聯合基金資助項目(黔科合LH字[2014]7180號)。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.03.014

2016-08-20)