亚美马褂木幼苗对德兴铜矿HDS底泥的适应性

刘巧丽，徐志俊，李辉虎，余发新*

(1．江西省科学院生物资源研究所，江西省观赏植物遗传改良重点实验室，330096，南昌；2.燕山国有林场，237182，安徽，六安)

0 引言

高浓度泥浆法(High Density Slurry，HDS)底泥是在金属矿山酸性废水中回收有价金属元素之后，利用石灰乳或电石渣来进行酸碱中和(HDS工艺)处理所产生的底泥，属于Ι类工业固体废弃物[1-2]。德兴铜矿开采区酸性废水处理厂每年大约处理酸性水1 200万m3，由此每年产生的HDS底泥超过2×105t[3]。目前，HDS底泥一部分用作自循环料浆，其余绝大部分通过机械压滤脱水后直接排放到底泥堆场。大量未经处理的底泥堆存占用宝贵的矿区土地资源，既未实现固体废弃物的循环利用，也影响矿山的绿色发展。HDS底泥矿质养分、有机物等指标极低，不利于植物和微生物的生存[4]，其成土过程极其缓慢，造成裸露堆场尘土飞扬和空气污染。另外，HDS底泥粘粒比例过高，导致其结构松散，不利于存储水分，极易引发堆场的水土流失和坍塌等生态风险。最后，HDS底泥还含有较多的盐离子和重金属离子，通过尘土飞扬或者水土流失污染周边环境，给矿区周边人们的健康带来严重威胁。因此，大量HDS底泥处置问题成为矿山绿色生产过程中迫切需要解决的问题之一。

随着生态文明建设的深入推进，国家对矿区土地复垦和生态重建工作高度重视，大量的退化土壤修复手段被广泛应用于矿区土地的修复与复垦。目前矿区废弃地修复技术主要包括物理和化学方法，如客土法、稀释法、淋洗法、物理分离法和稳定化以及化学法等，但成本高、难于管理、易造成二次污染，且对环境扰动大[5]。近年来，以先锋植物为代表的植物修复技术因具有成本低、适合大规模的应用、利于土壤生态系统的恢复与保持、对环境基本没有破坏作用[6-7]等优势引起公众及科学界的广泛兴趣，成为矿山生态修复研究的重点。

植物修复技术是利用植物吸收、固定、挥发、降解的机能去除或分解转化污染物质，使土壤系统的功能得到恢复或改善，属于一种低成本、非破坏性的原位土壤修复与土壤资源保护方式。通过研究发现，蜈蚣草[8]、龙葵[9]、伴矿景天[10]和印度芥菜[11]等草本植物具有较好的污染、退化土地生态修复效果，但是单一物种构建的生态系统稳定性差、抵御外界干扰能力弱，在矿区废弃地的生态修复效果有限。另外，尽管超积累植物在退化土壤修复方面具有很好的应用前景，但是目前发现的超积累植物除少数几种外，大多数植物植株矮小，在退化土壤环境下生长缓慢，为实际应用带来了很大困难，限制了植物修复技术的推广应用。因此，我国学者赵芳莹等[12]提出了乔、灌、草、爬藤树种合理配置的立体生态修复理念，该理念基于乔、灌、草等的物种筛选以及合理搭配而进行的矿山等废弃地的生态修复。目前，利用木本植物修复退化土壤的研究主要集中在杨树和柳树上，对于其他树种的研究较少。

亚美马褂木和合欢是我国南方常见的落叶阔叶乔木树种，亚美马褂木为中国马褂木和北美马褂木的杂交后代，具有明显的杂种优势，可广泛应用于园林绿化、木材加工等方面；而合欢是一种豆科植物，在土壤改良方面具有较好的表现。本研究针对德兴铜矿HDS底泥，选择2种南方常见落叶阔叶乔木树种，研究HDS底泥对木本植物幼苗生长的影响，并比较豆科与非豆科木本植物对德兴铜矿HDS底泥的适应性差异。

1 材料与方法

1.1 培养基质材料

本试验使用的HDS底泥取自德兴铜矿，泥浆通过压滤形成泥饼，干燥粉碎后过2.00 mm土壤筛，该底泥呈弱碱性，其pH值为8.05，电导率为30.05 mS/cm，富含Al、Ca、Fe、Mg和Si等元素，其主要化学成分见表1。石英砂和草炭购自江西成林园艺有限公司，石英砂粒径约0.60～1.00 mm，草炭有机质含量为98.00%，粒径为0～6 mm，pH为6.01。

表1 德兴铜矿HDS底泥的主要化学成分(质量分数)

1.2 亚美马褂木和合欢种苗

亚美马褂木成熟种子采自江西省科学院院内，经沙藏、催芽并播种获得健壮3月龄苗(地径3.00 mm左右，高10.00 cm左右)，合欢种子购自江西省九江市柴桑区秀峰林木种苗场，经浸泡催芽后播种育成健壮3月龄苗(地径2.00 mm左右，高12.00 cm左右)。

1.3 试验设计

本试验包括6种栽培基质，包括纯底泥、底泥与草炭混合物(1:2，1:1和2:1，v/v)、底泥与石英砂混合物(1:1，v/v)以及石英砂与草炭混合物(1:1，v/v)，分别编号为0、1、2、3、4和5，选择亚美马褂木(M)和合欢(H)2种木本植物，共计12个处理，每个处理重复4次。2016年7月份开始试验，采用容积为900 mL的圆形花盆(口径120 mm，底径88 mm，高108 mm)作为栽培容器装入6种不同培养基质并移栽长势一致的健壮种苗，每盆移栽1株，采用称重补水法添加自来水以保持18%的含水量。植株生长90 d后进行收获，获取植物材料和培养基质样品。本试验在温室大棚中(湿度60%，温度27 ℃，光照不足时采用钠光灯补光)进行。

1.4 测定项目与方法

移栽90 d后，纯底泥处理的亚美马褂木和合欢多数死亡，因此该处理没有进行植物和土壤样品的收集和数据测定。收获前测定植株株高、基径和叶片数，然后迅速沿土壤表面分离植株地上部和根系，自来水冲洗干净，105 ℃杀青15 min后80 ℃烘干至恒重，测定植株地上部和根系干重。植株根系用蒸馏水清洗干净后， 采用加拿大REGENT INSTRUM ENT INC公司生产的根系扫描仪EPSON TWAIN PRO(32 bit)和专业的根系形态学与结构分析应用系统WINRhizo，对根系长度进行测定分析。根据文献农化分析方法，采用玻璃电极pH计(METTLER TOLEDO，FE28)测定培养基质pH(土：水=1:2.5)，利用电导率仪(上海雷磁，DDS-307A)测定电导率(土：水=1:5)。

1.5 数据分析

所有试验数据用Microsoft Excel进行均值和标准误计算并作图，使用SPSS统计软件(SPSS 16.0 for Windows，SPSS Inc，Chicago，USA)对数据进行统计分析，并进行独立样本t检验，确定各个处理间差异显著性。

2 结果与分析

2.1 植株生长状况

将底泥与其他物质混合作为基质培养亚美马褂木幼苗，不管是底泥与草炭混合还是与石英砂混合作为培养基质，植株生长都不如草炭与石英砂混合物基质，具体表现为植株株高和植株基径显著低于草炭与石英砂混合基质(P<0.05)，而在叶片数和植株根系上差异不明显(P>0.05)(图1)。底泥与草炭混合作为植物培养基质时，随着底泥所占比例的提高，亚美马褂木形态指标都呈现下降的趋势，同样在植株株高和植株基径上表现得更加明显。另外，底泥与草炭混合物作为培养基质时亚美马褂木生长指标都高于底泥与石英砂混合物基质(P<0.05)，这与草炭含有丰富养分有关。

以豆科木本植物合欢幼苗为培养对象，植株在生长方面表现出草炭与石英砂混合>底泥与草炭混合>底泥与石英砂混合，但是植株叶片数在底泥与草炭混合与底泥与石英砂混合之间差异不显著(图2)。底泥与草炭混合作为植物培养基质时，随底泥所占比例的提高，植株生长指标没有表现出显著性差异(P>0.05)，仅株高和叶片数表现出下降的趋势。

图1 不同栽培基质亚美马褂木形态指标(图中不同字母标记表示差异显著性)

图2 不同栽培基质合欢形态指标(图中不同字母标记表示差异显著性)

2.2 植株生物量

经过90 d的培养，不管是地上部还是根系，亚美马褂木生物量都表现为底泥与石英砂混合<底泥与草炭混合<草炭与石英砂混合，并且随着底泥与草炭混合基质中底泥比例的增加呈现出降低的趋势，在根系上表现更加显著。

利用底泥、石英砂和草炭等混合物培养合欢相同时间后，植株在底泥与草炭与底泥与石英砂混合基质中没有显著性差异，底泥与草炭混合基质不同底泥比例之间差异也不显著，并且都显著低于草炭与石英砂混合基质。

2.3 栽培基质pH和电导率

亚美马褂木和合欢收获后测定培养基质电导率和pH发现，亚美马褂木培养基质电导率表现为底泥与草炭混合>底泥与石英砂混合>草炭与石英砂混合，并且随着底泥与草炭混合基质中底泥比例的增加电导率逐渐增加，pH表现出与电导率相同的趋势。合欢培养基质的电导率和pH与亚美马褂木基本一致，但是底泥与石英砂混合基质的电导率显著高于底泥与草炭混合基质。

图3 不同栽培基质亚美马褂木生物量(图中不同字母标记表示差异显著性)

图4 不同栽培基质合欢生物量(图中不同字母标记表示差异显著性)

图5 亚美马褂木收获后不同栽培基质pH和电导率(图中不同字母标记表示差异显著性)

图6 合欢收获后不同栽培基质pH和电导率(图中不同字母标记表示差异显著性)

2.4 栽培基质性状与植物生长性状相关性

栽培基质性状与亚美马褂木和合欢生长性状间的相关性分析如表2和表3所示。结果表明，栽培基质pH和电导率间存在显著的正相关关系，并且合欢盆栽基质的这种正相关关系更是达到了极显著的水平(P<0.01)。针对亚美马褂木盆栽而言，只有栽培基质的电导率与植物根系干重间有显著的负相关关系(P<0.05)，并且亚美马褂木生长性状之间的相关性表现不明显，只有少数性状间有显著的相关(表2)。针对合欢而言，栽培基质的电导率和pH与植物生长性状基本呈现出极显著的负相关关系(P<0.01)，只有pH与植物株高(P<0.05)和叶片数(P>0.05)之间的相关性没有达到极显著水平，并且植物生长性状之间全部具有极显著的正相关关系(P<0.01)(表3)。

表2 栽培基质电导率和pH与亚美马褂木生长性状间的相关性分析

表3 栽培基质电导率和pH与合欢生长性状间的相关性分析

3 结论与讨论

HDS底泥是采用石灰乳或电石渣中和处理矿山酸性废水产生并通过压滤得到的固体废弃物，呈弱碱性，所以添加了HDS底泥的培养基质pH都在7.0以上(图5和图6)。一般而言，HDS底泥盐分浓度较高[13]，而本研究发现含有底泥的培养基质电导率远高于不含底泥的对照基质(图5和图6)，这可能跟HDS底泥通常含有高浓度的铁、铝、硅以及重金属离子如铜、锌、砷、金、银、铅、钙等重金属离子有关[14]。前人大量研究也表明，土壤含盐量跟电导率呈线性正相关[15-17]。土壤中可溶性盐分过高，会增加土壤溶液的渗透压，阻碍植物从土壤吸收其生活必须的水分和养分，从而影响植物的生长与存活。

HDS底泥影响植物生长方面的研究较少，特别是对木本植物的影响。盐害是底泥对植物的主要危害。和底泥与草炭混合基质相比，植物在底泥与石英砂混合基质中的生长抑制更为严重，说明底泥中养分的不足也是其对植物生长影响的一个方面。本研究发现底泥的添加对亚美马褂木和合欢的生长都有明显的抑制作用，在植物形态上表现更加突出(图3和图4)，主要体现在株高、基径以及根系长度等指标上(图1和图2)。随着培养基质中底泥浓度的增加，亚美马褂木主要形态指标都呈现出大幅下降的趋势，但在底泥的低浓度添加下跟对照相比差异不明显(图1和图3)，说明亚美马褂木对底泥的盐害具有一定的耐受性，而对于合欢而言，即使是底泥的低浓度添加植株的形态指标和生物量指标都远低于对照(图2和图4)，说明合欢对底泥的盐害较为敏感。另外，HDS底泥的生物学质量低下，缺少有益于植物生长的一些功能微生物，本研究中的合欢为一种典型豆科植物，但是结果发现豆科植物并没有表现出优异的恶劣环境适应能力，可能与固氮菌缺乏有关，因此功能微生物的引入对矿区底泥的利用或者修复可能具有重要的意义。

通过进一步建立栽培基质与植株生长性状之间相互关系，研究发现培养基质的电导率和pH与植物生长性状间相关性与植物种类有关(表2、表3)。亚美马褂木栽培基质pH和电导率与植物生长性状间相关关系不明显，而合欢栽培基质性状与植物生长性状间基本上呈现极显著的负相关(P<0.01)。栽培基质的电导率在一定程度上表征了基质中盐分的多少[15-17]，合欢栽培基质电导率与植物生长性状间极显著的负相关关系表明盐分是底泥抑制合欢生长的主要因子。高电导率栽培基质抑制合欢植株的生长，这非常符合盐害的基本特征。另外，本研究中亚美马褂木的生长明显受到底泥添加的抑制，但是其生长性状与栽培基质pH和电导率间无明显的相关关系，说明底泥中的盐分离子可能对亚美马褂木的生长不构成危害，起码不构成主要危害。已有研究表明较高浓度的盐离子强烈抑制植物的生长，包括盐生植物和非盐生植物[18]。本研究所选的植物均为我国南方亚热带常见落叶阔叶树种，它们对盐胁迫的耐受性也未有报道，但是本研究发现亚美马褂木对底泥的盐胁迫具有一定的耐受性，其耐受机制还有待进一步研究。

亚美马褂木是一种高大乔木树种，光合作用能力强，生长速度快[19]，并且其每年秋冬季节落下的大量纸质叶对土壤质量的改良具有显著的作用[20]，并且对盐胁迫具有一定的耐受性，可以作为德兴铜矿HDS底泥植物修复的潜在树种。