赤泥掺拌马尾松叶对芦竹与翠芦莉生长的影响

廖建雄 黄玉清 徐广平 何文 李艳琼 何成新

摘 要：赤泥是铝土矿提炼氧化铝后排放的强碱性废渣，数量巨大且环境风险大，如何改良及筛选适生植物是其生态修复的关键。该研究通过掺拌不同比例的马尾松叶2%，4%，6%（w/w），分析其对赤泥pH与有机质含量及芦竹与翠芦莉生长的影响。结果表明：掺拌马尾松叶35 d后，赤泥pH由11.08显著下降至9.70，但随后趋于平稳；随着掺拌比例的增加，赤泥pH呈下降趋势，有机质含量由6.13 g·kg1显著增至17.52 g·kg1。芦竹与翠芦莉在纯赤泥上生长2个多月后死亡，但在掺拌4%马尾松叶的赤泥上均能较好地生长。其中，芦竹的生物量及相对生长速率（RGR）与栽培土相比不受影响，但地下/地上生物量比（B/A）显著增加；相反，翠芦莉的生物量和相对生长速率与栽培土相比显著降低，但B/A不受影响。

关键词：赤泥，改良，马尾松叶，芦竹，翠芦莉，生长

中圖分类号：Q948.116

文献标识码：A

文章编号：10003142（2018）06070406

Abstract：Red mud is a waste residue with strong alkalinity after extracting alumina from bauxite. Due to its huge production and high environmental risks，how to remedy it and how to choose suitable plant species are key for ecological restoration. In this study，we mixed different proportions of pine needles 2%，4% and 6% （w/w），with the objective to study the changes of pH and organic matter content of red mud，and their effects on growth of Arundo donax and Ruellia brittoniana，two alkalitolerant species. The results indicated pH of red mud reduced significantly from 11.08 to 9.70 after 35 d mixture with pine needles，and then leveled off. When the proportions of pine needles increased，pH of red mud decreased and organic matter content significantly increased from 6.13 to 17.52 g·kg1. When grown in pure red mud，Arundo donax and Ruellia brittoniana died after more than two months. However，they could grow well at amended red mud （mixed with about 4% pine needles）. Compared with limestone soil，Arundo donax had similar biomass and relative growth rate （RGR） but significantly higher below/aboveground biomass （B/A） in amended red mud，while Ruellia brittoniana showed significantly lower biomass and RGR but similar B/A.

Key words：red mud，amendment，pine needles，Arundo donax，Ruellia brittoniana，growth

赤泥是铝土矿提炼氧化铝后排放的红色废渣，数量巨大且呈强碱性。由于资源化利用难度非常大，赤泥主要采取露天堆存的处置方式。这不但占用了大量土地，而且易通过粉尘飘散或附液下渗污染周边生态环境，甚至因为溃坝造成巨大的生态灾难（Gelencsér et al，2011； Ruyters et al，2011；Mayes et al，2016）。因此，在积极寻求赤泥综合利用途径的同时，探索有效的生态修复方法与技术已迫在眉睫。

筛选适生植物进行植被重建是当今国际生态修复研究的热点和前沿。然而，赤泥堆场盐碱含量极高（pH 10～12）、有机质含量低、透水透气性差等，植物难以生长（Jones & Haynes，2011；Banning et al，2014）。因此，寻求简单有效的基质改良方法并筛选适生植物进行种植，是赤泥堆场生态修复的第一步。澳大利亚Alcan Gove铝业公司利用临近的海水中和赤泥后，再采用覆土的方式栽植耐碱植物，构建的植被已持续维持了20多年（Wehr et al，2006）。Xenidis et al（2005）通过添加5%（w/w）的污泥或7%～15%（w/w）的石膏，发现赤泥pH下降、有机质含量增加，而且植物能较好地生长。另外，掺拌酸性废液（如糖蜜酒精废液）（郑业鹏等，2012）或废渣（如磷石膏）（张乐观等，2010）也能显著降低赤泥碱性且增加有机质含量。然而，海水法流程复杂且需要海水这样的先决条件，其它方法需要很大比例的添加物（Wehr et al，2006；姜丁丁和罗海波，2010；Jones & Haynes，2011），或者易导致赤泥重金属超标或表层可溶盐碱增加等负效应（张乐观等，2010；郑业鹏等，2012）。故此，寻求新的改良方法及生态修复技术仍需不断探索。

Reich et al（2005）发现，裸子植物凋落物一般交换性盐基离子少，因此连续栽种易导致土壤酸化。Brunner & Sperisen（2013）也认为针叶树凋落物含较多的蜡质、树脂和木质素，它们不完全分解时易产生比阔叶树凋落物更酸的腐殖质。受这些研究的启发，本研究以马尾松叶为赤泥脱碱和改良的材料，分析其对赤泥pH及有机质含量的影响。在此基础上，比较潜在适生植物芦竹与翠芦莉在纯赤泥、改良赤泥及栽培土上的生长情况，旨在为赤泥堆场的生态修复提供依据与参考。

1 材料与方法

1.1材料

赤泥采自中国铝业股份有限公司广西分公司的赤泥堆场，pH值为11～12，有机质含量5～7 g·kg1。栽培土为黑色石灰土，采自广西桂林市雁山，pH值为8.0，有机质含量15.3 g·kg1。马尾松（Pinus massoniana）叶为当年落叶，采集于广西植物研究所内的马尾松林，晒干待用。

蘆竹（Arundo donax）为禾本科芦竹属多年生草本植物，根状茎发达、生长快、生物量大，植株可长至6 m或更高，是一种集燃料、发电、造纸等多种用途的潜在能源植物。而且，芦竹适应性强，耐涝、耐旱、耐贫瘠、耐盐碱、耐重金属及有机污染物，可作为生态修复的首选植物。

翠芦莉（Ruellia brittoniana），又称蓝花草，爵床科芦莉草属多年生草本植物，花期持久，耐高温能力强，是夏季花坛不可多得的花材。另外，它还耐旱、耐湿、耐贫瘠、耐盐碱，因此用于景观美化的同时可用于生态修复。

1.2 方法

在广西植物研究所的遮雨大棚中，将马尾松叶与赤泥按0%、2%、4%、6%（w/w）混匀后置于24 cm × 24 cm（口径×高）塑料花盆中。装盆前，先在盆底排水孔处垫上一层尼龙纱布，然后加混合物5.0 kg。每个比例重复3次，常规浇水。在此期间，每隔1周取赤泥测量pH值。49 d后，测量有机质含量。其中，pH采用电位法（NY/T 13772007）测量，有机质含量采用重铬酸钾-硫酸加热法（NY/T 1121.62006）测量。

将上述2%、4%、6%的改良赤泥混匀后置于24 cm × 24 cm（口径×高）塑料花盆中，然后将大小相似的芦竹苗与翠芦莉苗栽入，每盆改良赤泥5.0 kg，植物1株，每物种重复3次。另外，以纯赤泥与栽培土为对照，按同样的方法栽入芦竹与翠芦莉，常规浇水。芦竹与翠芦莉移栽前，先测量它们的初始鲜重，然后根据备用植株的干鲜比估算初始干重（DW0）。4个月后，将所有存活的植株从花盆中取出，洗净后分为地上与地下部分（包括根状茎）。装入信封后，先用105 ℃固定杀青20 min，然后80 ℃烘至少24 h。称重得地上生物量、地下生物量、地下/地上生物量比（B/A）以及总生物量（DW）。相对生长速率（RGR，mg·g1·d1）按以下公式计算：

RGR=（lnDW-lnDW0）/120×1 000。

1.3 统计方法

所有数据处理与分析均利用SPSS 20.0软件（SPSS Inc.，Chicago，USA）完成。掺拌马尾松叶比例及掺拌时间对赤泥pH影响采用双因素方差分析（twoway ANOVA），掺拌比例对有机质含量影响采用单因素方差分析（oneway ANOVA），它们随后的多重比较用LSD法进行检验。因为植株收获时生物量、RGR与初始生物量有关，B/A与收获时总生物量有关（Valladares et al，2000）。因此，尽管植株的初始大小类似，但为了抵消个体大小效应的影响，分析同一物种不同处理间的差异时仍采用单因素协方差分析（oneway ANCOVA），其中生物量与RGR以初始干重（DW0）为协变量，B/A以收获时总生物量（DW）为协变量。

2 结果与分析

2.1 掺拌马尾松叶对赤泥pH及有机质的影响

马尾松叶掺拌比例及掺拌时间对赤泥pH均有显著影响（图1），但它们的交互作用不显著（数据未列出）。与对照（0%掺拌比例）相比，各掺拌比例均显著降低了赤泥pH，并随掺拌比例的增加效果越显著（图1：A）。随着掺拌时间的延长，赤泥pH先显著下降，至第5周（35 d）时，赤泥pH由11.08降至9.70，但随后趋于平稳（图1：B）。

随着马尾松叶掺拌比例的增加，赤泥有机质含量显著上升（图2）。其中，纯赤泥（0%掺拌比例）的有机质含量仅为6.13 g·kg1，但掺拌6%马尾松叶后，有机质含量上升至17.52 g·kg1，已超过了本研究栽培土的有机质含量。

2.2 改良赤泥对芦竹与翠芦莉生长的影响

直接在纯赤泥上栽植芦竹与翠芦莉后，两个物种均能存活2个月以上的时间，但最后相继死亡。在改良赤泥上，两物种至实验结束时均存活。但与栽培土相比，改良赤泥上芦竹的叶明显变小；而翠芦莉出现茎弯曲、叶背叶脉紫红色并有老叶脱落、叶缘有白色分泌物等症状。

分析改良赤泥与栽培土植株的生物量与地下/地上生量比（B/A），发现两种植物有不同的表现。与栽培土相比，芦竹的B/A显著增加，但生物量无显著下降（图3：A）；翠芦莉保持B/A不变，但地上地下生物量均显著下降（图3：B）。

比较改良赤泥与栽培土植株的相对生长速率，芦竹的相对生长速率没有显著变化（图4：A），而翠芦莉的相对生长速率显著降低（图4：B）。

3 讨论与结论

盐碱含量高、有机质含量低是赤泥限制植物生长的重要因子（Wehr et al，2006；Xue et al，2016）。因此，寻求简单的基质改良方法及筛选适生植物是大面积赤泥堆场生态修复的关键。与阔叶树相比，由于针叶树落叶含更多的蜡质和木质素，它们分解时易产生更酸的腐殖质（Brunner & Sperisen，2013），所以采用掺拌针叶的方法也许能中和赤泥部分碱性。本研究结果表明，掺拌马尾松叶35 d后，赤泥pH下降了约1.4个单位，但随后趋于平稳。薛生国等（2017）认为赤泥恶劣环境下微生物难以生存。因此，以上结果可能与赤泥的强碱及缺少微生物有关。当马尾松叶掺拌入赤泥后，赤泥的强碱迅速对松叶产生腐蚀作用（水解反应与酸碱反应），赤泥pH随之下降并随掺拌比例的增加下降幅度增加；但随着化学反应的完成，由于缺少微生物的分解作用，余下的有机成分（氨基酸和脂肪酸的钠盐）对赤泥pH基本没有影响。甚至随着某些化学结合碱（如铝酸三钙）的溶解，赤泥pH又出现了升高现象（薛生国等，2017）。同样，掺拌的马尾松叶与赤泥强碱发生化学反应后，余下的有机成分显著增加了赤泥的有机质含量，并且随着掺拌比例的增加而增加。

尽管掺拌马尾松后赤泥pH（>9.0）仍高于一般植物的忍受范围（Mendez & Maier，2007），但芦竹与翠芦莉均能较好地生长。与此相反，纯赤泥上栽植的芦竹与翠芦莉全部死亡。说明马尾松叶通过降碱及增加有机质含量促进了耐碱植物芦竹与翠芦莉在赤泥上的生长。另外，马尾松的针叶无需破碎就能与赤泥充分接触，使赤泥疏松度及透气能力增强也可能是原因之一。碱性尾矿一般缺磷或磷有效性低（Ward & Summers，1993；Cross & Lambers，2017），而植物缺磷易导致叶背叶脉变紫红并落叶（武维华，2008）。因此，本研究中翠芦莉生长在改良赤泥上叶背叶脉呈紫红色并出现老叶脱落可能与缺磷有关。

Cross & Lambers（2017）认为，碱性尾矿与发育早期的石灰土类似，因此早期石灰土的年代序列可作为碱性尾矿生态恢复的模板。本研究正好选用发育初始期的黑色石灰土作为对照（栽培土），与之相比，改良赤泥显著增加了芦竹B/A，但对其生物量及相对生长速率无显著影响。大多数研究者认为，盐碱胁迫易造成植物生理干旱（Parida & Das，2005；Zhang et al，2015；Qiu et al，2017）。因此，芦竹增加B/A可能是对生理干旱的响应与适应，其结果是维持相对生长速率不受影响。Sánchez et al（2015）也发现，盐胁迫与干旱胁迫均显著增加了芦竹的根冠比，但芦竹的耐盐性强于耐旱性。与芦竹相反，改良赤泥上翠芦莉的生物量及相对生长速率显著低于栽培土，但B/A无显著差异。刘志华和赵可夫（2005）认为大多数植物对高盐碱环境的适应，如合成有机酸或渗透调节物质，消耗了大量能量，进而减缓了生长。本研究中翠芦莉可能就基于此，而芦竹可能反其道而行之。改良赤泥上，芦竹的相对生长速率不但没有受到显著影响，而且具有相对较高的数值，显著高于翠芦莉，可能使其采用了类似于滨藜（Atriplex amnicola）的生长稀释策略（Aslam et al，1986），即通过快速生长稀释细胞中的盐碱，最终达到适应高盐碱环境的目的。翠芦莉除了减缓生长外，其叶缘出现白色分泌物的症状也表明其具有分泌盐碱的适应策略。

综上所述，赤泥掺拌马尾松叶后能显著降低pH、增加有机质含量，而且有利于芦竹与翠芦莉在赤泥上的生长。这不但说明掺拌马尾松叶是一种简单且可行的赤泥改良措施，而且表明芦竹与翠芦莉具有很强的耐碱性，可应用于赤泥堆场的生态修复。但是，两个物种在改良赤泥上生长时采取了不同的适应策略。

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