亞美馬褂木幼苗對德興銅礦HDS底泥的適應性

劉巧麗，徐志俊，李輝虎，余發新*

(1．江西省科學院生物資源研究所，江西省觀賞植物遺傳改良重點實驗室，330096，南昌；2.燕山國有林場，237182，安徽，六安)

0 引言

高濃度泥漿法(High Density Slurry，HDS)底泥是在金屬礦山酸性廢水中回收有價金屬元素之后，利用石灰乳或電石渣來進行酸堿中和(HDS工藝)處理所產生的底泥，屬于Ι類工業固體廢棄物[1-2]。德興銅礦開采區酸性廢水處理廠每年大約處理酸性水1 200萬m3，由此每年產生的HDS底泥超過2×105t[3]。目前，HDS底泥一部分用作自循環料漿，其余絕大部分通過機械壓濾脫水后直接排放到底泥堆場。大量未經處理的底泥堆存占用寶貴的礦區土地資源，既未實現固體廢棄物的循環利用，也影響礦山的綠色發展。HDS底泥礦質養分、有機物等指標極低，不利于植物和微生物的生存[4]，其成土過程極其緩慢，造成裸露堆場塵土飛揚和空氣污染。另外，HDS底泥粘粒比例過高，導致其結構松散，不利于存儲水分，極易引發堆場的水土流失和坍塌等生態風險。最后，HDS底泥還含有較多的鹽離子和重金屬離子，通過塵土飛揚或者水土流失污染周邊環境，給礦區周邊人們的健康帶來嚴重威脅。因此，大量HDS底泥處置問題成為礦山綠色生產過程中迫切需要解決的問題之一。

隨著生態文明建設的深入推進，國家對礦區土地復墾和生態重建工作高度重視，大量的退化土壤修復手段被廣泛應用于礦區土地的修復與復墾。目前礦區廢棄地修復技術主要包括物理和化學方法，如客土法、稀釋法、淋洗法、物理分離法和穩定化以及化學法等，但成本高、難于管理、易造成二次污染，且對環境擾動大[5]。近年來，以先鋒植物為代表的植物修復技術因具有成本低、適合大規模的應用、利于土壤生態系統的恢復與保持、對環境基本沒有破壞作用[6-7]等優勢引起公眾及科學界的廣泛興趣，成為礦山生態修復研究的重點。

植物修復技術是利用植物吸收、固定、揮發、降解的機能去除或分解轉化污染物質，使土壤系統的功能得到恢復或改善，屬于一種低成本、非破壞性的原位土壤修復與土壤資源保護方式。通過研究發現，蜈蚣草[8]、龍葵[9]、伴礦景天[10]和印度芥菜[11]等草本植物具有較好的污染、退化土地生態修復效果，但是單一物種構建的生態系統穩定性差、抵御外界干擾能力弱，在礦區廢棄地的生態修復效果有限。另外，盡管超積累植物在退化土壤修復方面具有很好的應用前景，但是目前發現的超積累植物除少數幾種外，大多數植物植株矮小，在退化土壤環境下生長緩慢，為實際應用帶來了很大困難，限制了植物修復技術的推廣應用。因此，我國學者趙芳瑩等[12]提出了喬、灌、草、爬藤樹種合理配置的立體生態修復理念，該理念基于喬、灌、草等的物種篩選以及合理搭配而進行的礦山等廢棄地的生態修復。目前，利用木本植物修復退化土壤的研究主要集中在楊樹和柳樹上，對于其他樹種的研究較少。

亞美馬褂木和合歡是我國南方常見的落葉闊葉喬木樹種，亞美馬褂木為中國馬褂木和北美馬褂木的雜交后代，具有明顯的雜種優勢，可廣泛應用于園林綠化、木材加工等方面；而合歡是一種豆科植物，在土壤改良方面具有較好的表現。本研究針對德興銅礦HDS底泥，選擇2種南方常見落葉闊葉喬木樹種，研究HDS底泥對木本植物幼苗生長的影響，并比較豆科與非豆科木本植物對德興銅礦HDS底泥的適應性差異。

1 材料與方法

1.1 培養基質材料

本試驗使用的HDS底泥取自德興銅礦，泥漿通過壓濾形成泥餅，干燥粉碎后過2.00 mm土壤篩，該底泥呈弱堿性，其pH值為8.05，電導率為30.05 mS/cm，富含Al、Ca、Fe、Mg和Si等元素，其主要化學成分見表1。石英砂和草炭購自江西成林園藝有限公司，石英砂粒徑約0.60～1.00 mm，草炭有機質含量為98.00%，粒徑為0～6 mm，pH為6.01。

表1 德興銅礦HDS底泥的主要化學成分(質量分數)

1.2 亞美馬褂木和合歡種苗

亞美馬褂木成熟種子采自江西省科學院院內，經沙藏、催芽并播種獲得健壯3月齡苗(地徑3.00 mm左右，高10.00 cm左右)，合歡種子購自江西省九江市柴桑區秀峰林木種苗場，經浸泡催芽后播種育成健壯3月齡苗(地徑2.00 mm左右，高12.00 cm左右)。

1.3 試驗設計

本試驗包括6種栽培基質，包括純底泥、底泥與草炭混合物(1:2，1:1和2:1，v/v)、底泥與石英砂混合物(1:1，v/v)以及石英砂與草炭混合物(1:1，v/v)，分別編號為0、1、2、3、4和5，選擇亞美馬褂木(M)和合歡(H)2種木本植物，共計12個處理，每個處理重復4次。2016年7月份開始試驗，采用容積為900 mL的圓形花盆(口徑120 mm，底徑88 mm，高108 mm)作為栽培容器裝入6種不同培養基質并移栽長勢一致的健壯種苗，每盆移栽1株，采用稱重補水法添加自來水以保持18%的含水量。植株生長90 d后進行收獲，獲取植物材料和培養基質樣品。本試驗在溫室大棚中(濕度60%，溫度27 ℃，光照不足時采用鈉光燈補光)進行。

1.4 測定項目與方法

移栽90 d后，純底泥處理的亞美馬褂木和合歡多數死亡，因此該處理沒有進行植物和土壤樣品的收集和數據測定。收獲前測定植株株高、基徑和葉片數，然后迅速沿土壤表面分離植株地上部和根系，自來水沖洗干凈，105 ℃殺青15 min后80 ℃烘干至恒重，測定植株地上部和根系干重。植株根系用蒸餾水清洗干凈后， 采用加拿大REGENT INSTRUM ENT INC公司生產的根系掃描儀EPSON TWAIN PRO(32 bit)和專業的根系形態學與結構分析應用系統WINRhizo，對根系長度進行測定分析。根據文獻農化分析方法，采用玻璃電極pH計(METTLER TOLEDO，FE28)測定培養基質pH(土：水=1:2.5)，利用電導率儀(上海雷磁，DDS-307A)測定電導率(土：水=1:5)。

1.5 數據分析

所有試驗數據用Microsoft Excel進行均值和標準誤計算并作圖，使用SPSS統計軟件(SPSS 16.0 for Windows，SPSS Inc，Chicago，USA)對數據進行統計分析，并進行獨立樣本t檢驗，確定各個處理間差異顯著性。

2 結果與分析

2.1 植株生長狀況

將底泥與其他物質混合作為基質培養亞美馬褂木幼苗，不管是底泥與草炭混合還是與石英砂混合作為培養基質，植株生長都不如草炭與石英砂混合物基質，具體表現為植株株高和植株基徑顯著低于草炭與石英砂混合基質(P<0.05)，而在葉片數和植株根系上差異不明顯(P>0.05)(圖1)。底泥與草炭混合作為植物培養基質時，隨著底泥所占比例的提高，亞美馬褂木形態指標都呈現下降的趨勢，同樣在植株株高和植株基徑上表現得更加明顯。另外，底泥與草炭混合物作為培養基質時亞美馬褂木生長指標都高于底泥與石英砂混合物基質(P<0.05)，這與草炭含有豐富養分有關。

以豆科木本植物合歡幼苗為培養對象，植株在生長方面表現出草炭與石英砂混合>底泥與草炭混合>底泥與石英砂混合，但是植株葉片數在底泥與草炭混合與底泥與石英砂混合之間差異不顯著(圖2)。底泥與草炭混合作為植物培養基質時，隨底泥所占比例的提高，植株生長指標沒有表現出顯著性差異(P>0.05)，僅株高和葉片數表現出下降的趨勢。

圖1 不同栽培基質亞美馬褂木形態指標(圖中不同字母標記表示差異顯著性)

圖2 不同栽培基質合歡形態指標(圖中不同字母標記表示差異顯著性)

2.2 植株生物量

經過90 d的培養，不管是地上部還是根系，亞美馬褂木生物量都表現為底泥與石英砂混合<底泥與草炭混合<草炭與石英砂混合，并且隨著底泥與草炭混合基質中底泥比例的增加呈現出降低的趨勢，在根系上表現更加顯著。

利用底泥、石英砂和草炭等混合物培養合歡相同時間后，植株在底泥與草炭與底泥與石英砂混合基質中沒有顯著性差異，底泥與草炭混合基質不同底泥比例之間差異也不顯著，并且都顯著低于草炭與石英砂混合基質。

2.3 栽培基質pH和電導率

亞美馬褂木和合歡收獲后測定培養基質電導率和pH發現，亞美馬褂木培養基質電導率表現為底泥與草炭混合>底泥與石英砂混合>草炭與石英砂混合，并且隨著底泥與草炭混合基質中底泥比例的增加電導率逐漸增加，pH表現出與電導率相同的趨勢。合歡培養基質的電導率和pH與亞美馬褂木基本一致，但是底泥與石英砂混合基質的電導率顯著高于底泥與草炭混合基質。

圖3 不同栽培基質亞美馬褂木生物量(圖中不同字母標記表示差異顯著性)

圖4 不同栽培基質合歡生物量(圖中不同字母標記表示差異顯著性)

圖5 亞美馬褂木收獲后不同栽培基質pH和電導率(圖中不同字母標記表示差異顯著性)

圖6 合歡收獲后不同栽培基質pH和電導率(圖中不同字母標記表示差異顯著性)

2.4 栽培基質性狀與植物生長性狀相關性

栽培基質性狀與亞美馬褂木和合歡生長性狀間的相關性分析如表2和表3所示。結果表明，栽培基質pH和電導率間存在顯著的正相關關系，并且合歡盆栽基質的這種正相關關系更是達到了極顯著的水平(P<0.01)。針對亞美馬褂木盆栽而言，只有栽培基質的電導率與植物根系干重間有顯著的負相關關系(P<0.05)，并且亞美馬褂木生長性狀之間的相關性表現不明顯，只有少數性狀間有顯著的相關(表2)。針對合歡而言，栽培基質的電導率和pH與植物生長性狀基本呈現出極顯著的負相關關系(P<0.01)，只有pH與植物株高(P<0.05)和葉片數(P>0.05)之間的相關性沒有達到極顯著水平，并且植物生長性狀之間全部具有極顯著的正相關關系(P<0.01)(表3)。

表2 栽培基質電導率和pH與亞美馬褂木生長性狀間的相關性分析

表3 栽培基質電導率和pH與合歡生長性狀間的相關性分析

3 結論與討論

HDS底泥是采用石灰乳或電石渣中和處理礦山酸性廢水產生并通過壓濾得到的固體廢棄物，呈弱堿性，所以添加了HDS底泥的培養基質pH都在7.0以上(圖5和圖6)。一般而言，HDS底泥鹽分濃度較高[13]，而本研究發現含有底泥的培養基質電導率遠高于不含底泥的對照基質(圖5和圖6)，這可能跟HDS底泥通常含有高濃度的鐵、鋁、硅以及重金屬離子如銅、鋅、砷、金、銀、鉛、鈣等重金屬離子有關[14]。前人大量研究也表明，土壤含鹽量跟電導率呈線性正相關[15-17]。土壤中可溶性鹽分過高，會增加土壤溶液的滲透壓，阻礙植物從土壤吸收其生活必須的水分和養分，從而影響植物的生長與存活。

HDS底泥影響植物生長方面的研究較少，特別是對木本植物的影響。鹽害是底泥對植物的主要危害。和底泥與草炭混合基質相比，植物在底泥與石英砂混合基質中的生長抑制更為嚴重，說明底泥中養分的不足也是其對植物生長影響的一個方面。本研究發現底泥的添加對亞美馬褂木和合歡的生長都有明顯的抑制作用，在植物形態上表現更加突出(圖3和圖4)，主要體現在株高、基徑以及根系長度等指標上(圖1和圖2)。隨著培養基質中底泥濃度的增加，亞美馬褂木主要形態指標都呈現出大幅下降的趨勢，但在底泥的低濃度添加下跟對照相比差異不明顯(圖1和圖3)，說明亞美馬褂木對底泥的鹽害具有一定的耐受性，而對于合歡而言，即使是底泥的低濃度添加植株的形態指標和生物量指標都遠低于對照(圖2和圖4)，說明合歡對底泥的鹽害較為敏感。另外，HDS底泥的生物學質量低下，缺少有益于植物生長的一些功能微生物，本研究中的合歡為一種典型豆科植物，但是結果發現豆科植物并沒有表現出優異的惡劣環境適應能力，可能與固氮菌缺乏有關，因此功能微生物的引入對礦區底泥的利用或者修復可能具有重要的意義。

通過進一步建立栽培基質與植株生長性狀之間相互關系，研究發現培養基質的電導率和pH與植物生長性狀間相關性與植物種類有關(表2、表3)。亞美馬褂木栽培基質pH和電導率與植物生長性狀間相關關系不明顯，而合歡栽培基質性狀與植物生長性狀間基本上呈現極顯著的負相關(P<0.01)。栽培基質的電導率在一定程度上表征了基質中鹽分的多少[15-17]，合歡栽培基質電導率與植物生長性狀間極顯著的負相關關系表明鹽分是底泥抑制合歡生長的主要因子。高電導率栽培基質抑制合歡植株的生長，這非常符合鹽害的基本特征。另外，本研究中亞美馬褂木的生長明顯受到底泥添加的抑制，但是其生長性狀與栽培基質pH和電導率間無明顯的相關關系，說明底泥中的鹽分離子可能對亞美馬褂木的生長不構成危害，起碼不構成主要危害。已有研究表明較高濃度的鹽離子強烈抑制植物的生長，包括鹽生植物和非鹽生植物[18]。本研究所選的植物均為我國南方亞熱帶常見落葉闊葉樹種，它們對鹽脅迫的耐受性也未有報道，但是本研究發現亞美馬褂木對底泥的鹽脅迫具有一定的耐受性，其耐受機制還有待進一步研究。

亞美馬褂木是一種高大喬木樹種，光合作用能力強，生長速度快[19]，并且其每年秋冬季節落下的大量紙質葉對土壤質量的改良具有顯著的作用[20]，并且對鹽脅迫具有一定的耐受性，可以作為德興銅礦HDS底泥植物修復的潛在樹種。