改良赤泥的配方筛选及对小麦发芽的研究

杨玲，程琅，马幸，梁婉

（上海国惠环境科技股份有限公司，上海 201702）

国家统计局的相关数据显示，2021 年，我国赤泥的产生量高达1 亿吨，而赤泥在我国的处理方式主要为露天堆存，面积超过2 万亩。长期以来国内外对赤泥的综合利用进行了大量研究，如赤泥选铁[1—3]，制备陶粒[4,5]，生产水泥[6]、混凝土[7]、胶凝材料[8]，用于道路材料[9]等，但是赤泥的消耗量仍相当有限。

近年来较多研究表明，添加改良剂可以有效改善赤泥的理化性质，进而通过种植抗性植物恢复生态环境或者绿化护坡抑制水土流失。Lyu 等[10]将赤泥预先用酸处理至pH 值为6—7，并混合8%有机肥，考察黑麦草的生长情况，发现处理过的赤泥中植物生长较好，而未处理的赤泥中无黑麦草生长。Courtney等[11]将3%的石膏、25%的沙粒添加到赤泥中，该混合体系的pH 值可降至8.0，种植三叶草后具有较高的生物量。王琼丽等[12]将蚯蚓粪肥和石膏引入到赤泥体系中，经过60 天土培后，赤泥体系的pH 值从10.54 降至8.75，并且有机碳的含量从3.54g/kg增至14.31g/kg，水稳定性团聚体含量由12.0%增至33.9%，赤泥的物理结构和理化性质都得到改善，使赤泥趋向于土壤化，有利于植物的生长。赵雅等[13]选择耐盐性的植物种植在经过秸秆、有机肥、生物质锯末和脱硫石膏改性的赤泥中，种植3 年后，基本能实现赤泥堆场的复绿。李春林等[14]将团粒喷播技术应用在高碱性赤泥堆场中，发现堆场植被恢复效果明显，可有效改善堆场的生态环境。

石膏法是目前比较常用的赤泥堆场原位修复改良方法[15—17]，而固体废弃物磷石膏是其中一种，其酸性强、溶解度较小、迁移率低，能为赤泥体系持续不断地提供钙离子（Ca2+）。磷石膏可与赤泥中的一些碱性阴离子产生沉淀作用，降低赤泥的碱性，而且磷石膏一般露天存放，占用大量土地。因此，本着以废治废的原则，本文主要利用磷石膏联合泥炭土和蛭石等对赤泥进行改良，磷石膏可以降低赤泥的碱性，其他材料可以改善赤泥的养分、物理特性等，从而改善种植植物的发芽情况。本文选择的植物为小麦，在改良赤泥土壤的同时能够增加经济效益。

1 材料与方法

1.1 试验材料

赤泥产地山东、磷石膏产地贵州、泥炭土产地东北；蛭石产地河北、小麦产地河北。其中，赤泥和磷石膏的化学成分见表1。

1.2 试验方法

将赤泥、磷石膏、泥炭土和蛭石置于室内风干，采用正交试验设计配置改良赤泥（见表2），配制时先将磷石膏、泥炭土和蛭石混匀，再加入赤泥中。其中每盆赤泥用量800 g、蛭石用量4 wt%。

表1 试验材料化学成分

将不同配比的改良赤泥装入塑料花盆（M16 加仑盆）中，改良赤泥稳定1 周后，播种小麦种子100 粒/盆，然后浇水并使10 cm 土层深处的含水量为最大田间持水量的70%左右，之后根据土壤的干湿程度浇水，满足种子发芽、植株生长的需水量。定期观察小麦生长并作相关记录。实验时间为2021 年10 月至2022 年3 月。

表2 正交实验设计因素水平表

1.3 样品检测与数据处理

土壤样品进行初步处理，将土壤风干、磨碎后全部过2mm 孔筛用于测定本文中所列土壤理化性质。土样pH 值的检测根据《土壤检测 第2 部分：土壤pH 的测定》（NY/T 1121.2—2006）；含盐量的检测根据《土壤检测 第16 部分：土壤水溶性盐总量的测定》（NY/T 1121.16—2006）；土壤养分的检测根据《土壤分析技术规范（第二版）》。

数据处理：发芽率（%）=发芽总数/ 播种总数×100%；随机测量10 株小麦的株高，求平均值；随机测量10 株小麦的地上部分干重，求平均值。

2 结果与讨论

2.1 改良赤泥的化学性质

自由碱，即可溶性碱，是导致赤泥呈碱性的重要因素。薛生国等[18]认为可溶性碱与化学结合碱是赤泥的两种碱性形态，可通过沉淀作用、中和作用及抑制作用降低碱性。本文采用工业废弃物磷石膏来降低赤泥的碱性，考察磷石膏结合泥炭土和蛭石对赤泥基质pH 值及含盐量的影响，pH 值和含盐量在改良赤泥平衡1 周时进行检测，结果见表3、图1。

表3 改良赤泥的化学性质变化

从表3 可以看出，赤泥原泥的pH 值非常高，达到了12.4，在添加磷石膏、泥炭土和蛭石后，赤泥基质的pH 值有了明显下降，磷石膏的添加量越大，提供的Ca2+越多，结合的游离碱就越多，pH 值的降低程度也就越大。当磷石膏的添加量达到10%后，赤泥基质的pH 值降低到8.1—8.4，达到了部分植物能够承受的pH 值范围（5.5—9.0）[19]；继续增加磷石膏的添加量，虽然能进一步降低pH 值，但是体系的含盐量会随之升高，这是因为磷石膏虽然能提供Ca2+结合碱性阴离子，但是其本身也会提供阴离子，从而增加了整个体系的含盐量。当磷石膏的添加量相同时，不同质量泥炭土的添加对赤泥基质的pH 值和含盐量的影响较小，因为泥炭土的作用主要是改良赤泥体系、增加养分及改善物理结构。在种植小麦5 个月后，盆栽土壤的pH 值均降低到中性条件，这可能是因为随着磷石膏不断提供Ca2+，赤泥体系中游离碱完全被结合。

图1 改良赤泥pH 值和含盐量变化

2.2 改良赤泥中小麦的发芽及生长

在改良赤泥中播种小麦种子，小麦种子未作任何预处理，直接撒播在土壤中，考察小麦的发芽率、株高及地上部分干重。小麦的发芽率在播种2 周时进行统计，株高及地上部分干重在种植5 个月时进行测量统计。

在未改良的赤泥中播种小麦种子，小麦种子没有发芽，在改良赤泥中播种小麦种子，小麦种子有发芽现象。从表4 和图2 可以看出，随着磷石膏添加量的增加，小麦的发芽率先增大后减小，当磷石膏添加量为10%时，小麦的发芽率最高，可达到95%；当磷石膏添加量为12%时，小麦的发芽率急剧下降，虽然此时改良赤泥的pH 值为7.5—7.6，但其含盐量的进一步提高抑制了小麦种子的发芽。保持磷石膏的添加量不变，改变泥炭土的添加量，发现增加泥炭土的添加量后小麦种子的发芽率仅有小幅增长。因此，影响小麦种子发芽的决定性因素为磷石膏，并且需综合考量改良赤泥体系的pH 值和含盐量。

种植5 个月后，小麦有一定程度的生长，但其植株的高度未达到预期，均较为矮小，在磷石膏添加量为10%时，株高最高约为24cm，地上部分干重与株高成正比。株高相对较为矮小的原因为：（1）改良赤泥的含盐量较高（2.2%—2.5%），此含盐量达到了重度盐渍土的水平，在胁迫条件下小麦富集的Na 元素会影响渗透压而使植物吸水困难，细胞脱水后新陈代谢和光合作用无法正常进行，抑制了小麦的生长。（2）赤泥中Fe 和Al 等元素的含量非常高（见表1），这也对小麦的根系生长产生了明显的胁迫。一般土壤中的小麦在分蘖和越冬期前根系更加发达，为返青和抽穗阶段的生长蓄积能量，而在改良赤泥土壤的胁迫条件下，小麦根系的生长受到阻碍，Fe 和Al 元素会抑制植物根尖细胞分裂和伸长，影响植物细胞壁的生物合成及植株对营养物质的吸收，从而影响植株各组织的生长状态，导致植株整体生长情况低于预期。旱地小麦全生长周期为7—8 个月，株高为70—80cm。本实验中T5 组小麦种植5 个月后株高最高为25.46cm，而且后期一直未进入孕穗期。因此，改良赤泥对小麦生长的长期影响需要进一步研究。

表4 改良赤泥中小麦发芽及生长情况

图2 改良赤泥中小麦发芽及生长情况

2.3 改良赤泥的养分变化

土壤的养分与植物的生长密切相关，跟踪赤泥改良前后及种植植物后养分的动态变化至关重要。以小麦发芽率及生长情况最优的改良赤泥为研究对象，检测结果如表5 所示。

表5 改良赤泥的养分变化情况

从表5 可以看出，赤泥经过改良后，土壤的养分均有一定程度的增长，其中有效磷和速效钾的增加尤其明显，这可能是因为，原赤泥的碱性较强，经过改良之后，pH 值下降明显，在不同的pH 值条件下，磷和钾的形态发生了变化，从而使得有效磷和速效钾的含量明显增加。较低含量的有机质也是限制植物生长的重要因素，根据检测结果，原始赤泥的有机质含量仅为2.0g/kg，泥炭土的添加大幅度提高了改良赤泥土壤中的有机质含量，因为泥炭土中含有丰富的有机质，改良赤泥的有机质含量达60.5g/kg，已达到土壤有机质含量分级中菜地I 级标准以上（〉30g/kg）。经过5 个月的小麦种植，土壤的养分有了明显的降低，但是依然能够满足植物生长所需。因此，在改良赤泥中种植小麦无需额外补充氮肥、磷肥及钾肥，在初始阶段由于有机质含量较高，也无需补充有机肥等，但是随着种植时间的延长，土壤有机质的含量可能会匮乏，因此可以在改良时添加秸秆等。

2.4 改良赤泥的物理性质变化

土壤的物理性质对植物的生长有着较大的影响，如孔隙度、土壤容重及田间持水量等。其中，土壤非毛管孔隙度的大小是影响植物生长非常重要的因素之一。同时，植物的生长也会对土壤的物理特性产生影响，改变土壤原有结构[20]。

对比赤泥改良前、改良平衡后及种植植物后的土壤物理性质（见表6），发现改良后赤泥的容重从1.09g/cm3降低到0.68g/cm3，有较大程度的降低，土壤的容重越低，表明土壤的熟化程度越高、密实度越小，可以容纳更多的水分，这与田间持水量的大幅增加相一致。种植植物后，非毛管孔隙度从1.0%增大到5.2%，比种植前的改良赤泥有明显增加，这可能是因为植物的根系在土壤中生长并交织形成网状结构，从而使得非毛管孔隙增多，而根系自身又会挤占土壤空间位置影响孔隙，这与总孔隙度略下降的结果相一致。仅从土壤的物理性质出发，改良后的赤泥比较适合植物生长。

表6 改良赤泥的物理特性变化

3 结语

赤泥经过磷石膏、泥炭土和蛭石的改良后，pH值降低，土壤养分增加，物理结构得到改善，有利于小麦的发芽及生长，但同时也会增加土壤含盐量，在一定程度上抑制小麦的发芽。当磷石膏添加量为10%、泥炭土添加量为11%、蛭石添加量为4%时，小麦的发芽率可达95%以上。因此，同时添加磷石膏、泥炭土、蛭石等是一种较为有效的以废治废的赤泥改良方法，添加合适的改性剂对赤泥堆场植物修复可持续发展具有重要作用。