改良磷石膏对黑麦草生长及渗滤液的影响_曾维.pdf

-28-第46卷第3期 非金属矿 Vol.46 No.32023年5月 Non-Metallic Mines May,2023改良磷石膏对黑麦草生长及渗滤液的影响曾 维1 尹 辉2 刘 方1,3 朱 健1,3*贺 宇1 翟 念1 安娜娜1 赵 菊1（1 贵州大学 资源与环境工程学院，喀斯特地质资源与环境教育部重点实验室，贵州 贵阳 550025；2 贵州省环境工程评估中心，贵州 贵阳 550002；3 贵州喀斯特环境生态系统教育部野外科学观测研究站，贵州 贵阳 550025）摘 要 将生物质炭、菌渣、赤泥等添加到磷石膏中进行改良，研究其对黑麦草生长及基质渗滤液组分的影响。结果表明，C 处理组（60%磷石膏+5%生物质炭+10%赤泥+10%菌渣混匀，5%生石灰中间层，10%菌渣作底层）效果最佳。改良后基质渗滤液 pH 升高，电导率（EC）和总溶解性固体（TDS）下降，重金属含量显著降低。同时，微生物群落多样性和丰富度增加，有效促进磷石膏基质中微生态环境建立，促进黑麦草的生长。生物质炭改良的磷石膏基质能够有效改善磷石膏理化性质，促进植物生长，固化重金属。本试验为磷石膏的资源化利用提供了科学依据。关键词 磷石膏；改良；黑麦草；重金属；微生物群落结构中图分类号：TQ09；X712文献标志码：A文章编号：1000-8098(2023)03-0028-05Effect of Modified Phosphogypsum on the Growth of Ryegrass and Leachate FiltrationZeng Wei1 Yin Hui2 Liu Fang1,3 Zhu Jian1,3*He Yu1 Zhai Nian1 An Nana1 Zhao Ju1（1 Key Laboratory of Karst Georesources and Environment,Ministry of Education,College of Resources and Environmental Engineering,Guizhou University,Guiyang,Guizhou 550025;2 Guizhou Environmental Engineering Assessment Center,Guiyang,Guizhou 550002;3 Guizhou Field Observation and Research Station of Karst Environment and Ecosystem,Ministry of Education,Guiyang,Guizhou 550025)Abstract This study investigates the effects of modifying phosphogypsum by adding biomass charcoal,bacterial residue,and red mud on the growth of ryegrass and the components of substrate leachate.The results show that the C treatment group(60%phosphogypsum+5%biomass charcoal+10%red mud+10%bacterial residue mixed uniformly,5%quicklime in the middle layer,and 10%bacterial residue as the bottom layer)has the most significant effect.The modified substrate leachate exhibits an increase in pH and a decrease in EC,TDS,and heavy metal content.Moreover,the diversity and abundance of the microbial community increase,effectively promote the establishment of a microbial ecosystem in the phosphogypsum substrate and enhance the growth of ryegrass.These findings suggest that modifying phosphogypsum substrate with biomass charcoal can improve its physicochemical properties,promote plant growth,and solidify heavy metals,thus providing a scientific basis for the resource utilization of phosphogypsum.Key words phosphogypsum;improvement;ryegrass;heavy metals;microbial community磷石膏（PG）是湿法生产磷酸产生的固体废物，含有较高的磷酸盐、硫酸盐、氟化物及微量金属元素，综合利用率仅为总产量的 15%1。目前，大多数磷石膏处理方式为堆放，占用大量耕地面积，受雨水渗漏还会对堆场周围环境造成污染2。因此，对磷石膏的资源化利用迫在眉睫。磷石膏含有磷酸盐和部分矿物元素等植物必须的营养组分，因此可将其改良后作为植物生长基质。研究表明，添加富含养分、有益微量元素且具备碱性的改良剂可明显改善磷石膏基质的性质3。杨丹4将磷石膏施入被菱镁矿粉尘污染的土壤中，可有效改善土壤理化性质，促进植物生长。罗希榕等5添加不同比例的磷石膏与城市垃圾堆肥组成基质，播种 4 种常见冷季型草坪草，发现添加磷石膏可促进多年生黑麦草和高羊茅的生长，提高草坪质量。生物质炭可促进基质真菌的大量繁殖，提高基质真菌的活性和基质中微生物群落多样性及丰富度6。黑麦草是常见的多年生冷季型草坪草，其须根发达、生长速度快，对重金属污染的土壤具有较强的适应能力7，而且在碱性环境下可积累脯氨酸来保护植物的稳定性8。同时，黑麦草在磷石膏基质中生长特性较好，对重金属具有一定吸收作用9。本试验以贵州省磷化集团堆存磷石膏为原料，将其改良后种植黑麦草，探究改良磷石膏基质对黑麦草生长和基质中微生物群落及渗滤液组分的影响，为磷石膏的资源化利用提供理论依据。1 试验部分1.1 原料 生物质炭为刺梨渣经 400 厌氧炭化所得；磷石膏，来自贵州磷化集团磷石膏堆场；菌渣，取自某香菇厂；赤泥，来自贵州广铝氧化铝有限公司。原料主要理化性质，见表 1。收稿日期：2023-04-13基金项目：贵州省科技计划项目黔科合支撑（20192864 号）。*通信作者，E-mail：。-29-表 1 部分基质基本理化性质原料pH速效磷/(g/kg)速效钾/(g/kg)碱解氮/(mg/kg)磷石膏3.854.9573.2116.80生物质炭8.120.8516.3445.85菌渣7.730.121.4832.25赤泥11.320.080.541.531.2 试验方法 将磷石膏、菌渣、赤泥破碎后在烘箱中于 60 烘干，分装在清洁自封袋内备用。盆栽试验设 6 个处理组，试验设计方案，见表 2。表 2 设计方案处理组方案CK100%磷石膏Q60磷石膏 5%生物质炭+10赤泥+5%生石灰+20%菌渣全部混匀NQ60磷石膏+5%生物质炭 10赤泥+20%菌渣全部混匀MQ 60磷石膏+5%生物质炭 10赤泥+10%菌渣+5%碳酸岩粉全部混匀，10%菌渣作底层MC 60磷石膏+5%生物质炭 10赤泥+10%菌渣混匀，5%碳酸岩粉作中间层，10%菌渣作底层C 60磷石膏+5%生物质炭 10赤泥+10%菌渣混匀，5%生石灰中间层，10%菌渣作底层根据表 2 将各基质充分混匀后，铺入底部有小孔的塑料花盆中。花盆底部小孔上铺 0.125 mm 孔径的尼龙筛网，花盆底部套有滤液收集盆。每盆基质总质量 750 g，每个处理设置 3 个平行。黑麦草种子用温水浸泡 12 h 后，挑选 150 粒颗粒饱满的种子用于盆栽试验，播种后保证采光、浇水量一致。定期收集自然降水产生的渗滤液，随后换上洁净的收集盆，重复上述步骤。1.3 分析方法 黑麦草种植后的第 7 d 测定种子发芽率；在第 75 d 采用直尺测量株高。盆栽结束后，采集黑麦草叶片采用乙醇提取后使用分光光度法测定光合色素含量。将其余黑麦草 105 杀青后烘干，采用质量法测定生物量；烘干后的黑麦草粉碎研磨采用 HNO3-HClO4消解，用电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）仪测定重金属含量；采用 HANNA-HI98130型便携式多参数测试仪测定渗滤液 pH、电导率（EC）和总溶解性固体（TDS）；采用氟试剂分光光度法测定氟离子浓度；采用 HNO3-HClO4高压消解后测定渗滤液中重金属浓度；采用钼锑抗比色法测定基质中速效磷含量10；采用火焰光度计测定速效钾含量11；采用碱解扩散法测定碱解氮含量12；采集附着在植株根部的部分基质送至生工（上海）生物工程有限公司测定基质中的微生物群落结构13。以上试验均重复 3 次。2 结果与讨论2.1 改良磷石膏基质对黑麦草生长情况影响 改良磷石膏基质对黑麦草生长情况的影响，见图 1。图 1 中不同处理组间字母不同表示存在显著性差异（Duncan 法，P0.05，下同)。a-发芽率、株高；b-光合色素；c-产量图1 混合磷石膏基质对黑麦草的生长影响情况从图 1a 可看出，改良磷石膏基质均能有效促进黑麦草萌发和生长，除 Q 组外均与对照组差异显著（P0.05）。由于磷石膏 pH 低，且遇水易板结，因此抑制了黑麦草种子萌发和幼苗的生长。其中 C 处理组中黑麦草种子发芽率和株高分别为 32.33%和35.09 cm，较对照组提高 32.33%和 29.7%。从图 1b可看出，各改良磷石膏基质的营养结构和物理结构更有利于黑麦草生长，改良组的黑麦草叶中叶绿素和类胡萝卜素含量均较对照组有所增加。从图1c可看出，光合色素含量增加可有效促进黑麦草的生长，随着改良组分的添加，黑麦草产量（干鲜重）显著提高，差异显著（P0.05）。表明添加改良基质可以促进黑麦草的生长，增加黑麦草产量，主要是因为各改良组分中含有的氮、磷、钾等养分促进了黑麦草的生长。C 处理组中，黑麦草鲜重增加 133%，干重增加 196%，因此，该处理组基质对黑麦草的生长更有益。2.2 改良磷石膏基质对渗滤液理化性质影响 基质渗滤液的 pH、EC、TDS 与植物营养元素的吸收有直接关系，通过影响基质养分存在状态、转化、有效性和植物根系对营养元素的吸收，从而影响植物的生长发育14。定期测定各处理组渗滤液的 pH、EC、TDS 的变化，结果见图 2。从图 2a 可看出，100%磷石膏基质渗滤液 pH 值为 3.60 左右，添加改良基质后 pH 值显著升至 8.00 左右，且在 75 d 内保持稳定。这是因为改良基质中加入的赤泥和生物质炭均为碱性，碳酸盐岩粉末可中和强CK Q NQ MQ MC C编号403020100发芽率/%403020100株高/cm发芽率株高CK Q NQ MQ MC C编号1.20.90.60.30.0叶绿素/(mg/g)1.00.80.60.40.20.0类胡萝卜素/(mg/g)叶绿素类胡萝卜素CK Q NQ MQ MC C编号1612840鲜重/g534210干重/g鲜重干重abcba ababaabaaadaccdaaaaabbcadcccbbaabcbcbaa 改良磷石膏对黑麦草生长及渗滤液的影响曾 维，尹 辉，刘 方，等-30-第46卷第3期 非金属矿 2023年5月酸，有效提高基质的 pH 值，更有利于黑麦草生长。从图 2b、2c 可看出，改良基质渗滤液的 EC 和TDS 相比 CK 处理组明显降低，且随淋溶时间的延长呈缓慢降低的趋势。渗滤液 EC 和 TDS 降低主要是因为加入改良剂显著提高了磷石膏基质的 pH，减少了各种酸溶性离子的溶出；同时，外加的生物质炭和菌包可有效吸附磷石膏和赤泥溶出的可溶性盐，显著降低渗滤液的 EC 与 TDS。在所有处理组中，C 处理组的 EC 与 TDS 值始终最低，减少了对黑麦草的盐胁迫，故此组黑麦草生长最好。图2 混合基质渗滤液中pH（a）、EC（b）、TDS（c）变化混合基质渗滤液中 F-、PO43-浓度变化，见图 3。图3 混合基质渗滤液中F-（a）、PO43-（b）浓度变化从图 3 可看出，加入的赤泥、生物质炭和菌渣等可有效固化磷石膏中的 F-和 PO43-，减少其进入渗滤液及对环境的污染，且随着试验时间增加，渗滤液中的污染物浓度逐渐递减。C 组对 F-的处理效果最佳，这是因为 Ca(OH)2中的 Ca2+可与 F-结合生成难溶性的 CaF2，与 PO43-反应生成 Ca2(PO4)3沉淀，同时，改良基质中添加的生物质炭15和菌渣16也可吸附F-和 PO43-，减少其溶出17。由 Q 组与 C 组渗滤液组分差异可见，分层铺设基质可有效阻控污染物的溶出。C 组渗滤液中的 F-和 PO43-分别较对照组（CK）减少 97.52%和 99.96%，对污染物的控制效果显著，黑麦草受环境胁迫作用更小，显著促进了黑麦草 生长。混合基质渗滤液中重金属质量浓度变化，见图4。a-Mn；b-Cu；c-Cr；d-Pb；e-As；f-Sb图4 混合基质渗滤液中重金属浓度变化从图 4 可看出，各改良组渗滤液中 Mn、Cr、Cu、Pb、As、Sb 均显著低于对照组，主要是因为赤泥和Ca(OH)2等碱性物质显著提高了基质的 pH，使基质中OH-浓度增大，与金属离子结合形成难溶的氢氧化物沉淀19；同时，基质中的生物质炭、菌渣等均可有效吸附重金属离子，从而降低渗滤液中重金属质量浓度，促进黑麦草生长。2.3 改良磷石膏基质对黑麦草中重金属含量影响 黑麦草中重金属浓度变化情况，见表 3。由表 3可知，改良基质显著降低了黑麦草中重金属含量。各改良组有效控制了重金属含量，除 Mn 下降 80%以上外，其余重金属均下降 90%以上，含量差异达到显著水平（P0.05）。其中，As 含量减少最显著，各改良组较对照处理减少 97%以上。改良后黑麦草中金属离子含量急剧下降，主要是因为改良组分提高了基质15 30 45 60 75时间/d6050403020100Mn/(mg/L)15 30 45 60 75时间/d4 0003 0002 0001 0000Cr/(g/L)CK Q NQ MQ MC CcCK Q NQ MQ MC Cb 15 30 45 60 75时间/d600450300150015 30 45 60 75时间/dCK Q NQ MQ MC C36271890Pb/(g/L)Cu/(g/L)ad 15 30 45 60 75时间/d3 6002 7001 8009000As/(g/L)CK Q NQ MQ MC Ce 15 30 45 60 75时间/d1007550250Sb/(g/L)CK Q NQ MQ MC CfCK Q NQ MQ MC C15 30 45 60 75时间/d86420-F/(mg/L)CK Q NQ MQ MC C 15 30 45 60 75时间/dCK Q NQ MQ MC C241812603-PO/(mg/L)4ab15 30 45 60 75时间/d1086420pH值15 30 45 60 75时间/dCK Q NQ MQ MC CCK Q NQ MQ MC C20 40015 30010 2005 1000EC/(s/cm)15 30 45 60 75时间/d129630TDS/(ng/L)CK Q NQ MQ MC Cabc-31-的 pH 值，偏碱性，Mn、Cr、Cu、Pb、As、Sb、Zn 等金属离子形成难溶的氢氧化物，从而减少了它们的生物可利用性。此外，生物质炭和菌渣均具有良好的吸附能力，可有效固化基质中的重金属离子，减少黑麦草的2.4 改良磷石膏基质对基质中微生物群落结构影响 微生物群落多样性作为衡量土壤质量和评价土壤生态系统稳定的重要生物学指标，能够反映土壤环境的微小变化20。混合磷石膏基质细菌、真菌门相对丰度，分别见表 4、表 5。表 4 混合磷石膏基质细菌门水平相对丰度/%细菌CKQNQMQMCC变形菌门76.477 0955.788 1164.417 4176.535 0764.106 6157.315 94拟杆菌门6.794 16 8.878 73 11.396 54 7.082 62 9.840 24 10.412 26厚壁菌门14.172 04 5.742 67 4.243 22 6.548 6 5.562 73 6.320 67放线菌门0.746 63 4.876 05 2.149 31 1.702 65 3.232 78 6.293 72浮霉菌门0.103 15 5.234 27 2.638 88 1.150 01 2.836 4 2.814 65疣微菌门0.199 76 3.515 29 3.369 11 1.450 22 2.964 92 3.015 46糖菌候选门0.161 28 2.000 59 2.381 04 0.992 62 2.411 39 1.549 17酸杆菌门0.062 22 1.280 4 1.647 63 0.479 72 1.439 83 1.338 93蓝藻-叶绿体 0.210 43.054 2 0.250 84 0.129 73 0.258 32 0.557 27衣原体门01.169 26 0.639 83 0.154 88 0.608 25 1.264 81未分类细菌0.722 07 6.152 7 5.034 57 2.932 11 5.532 83 7.643 43其他0.351 21 2.307 73 1.831 62 0.841 77 1.205 69 1.473 7表 5 混合磷石膏基质真菌门水平相对丰度/%真菌CKQNQMQMCC子囊菌门 66.349 97 51.157 63 56.186 96 80.474 1 67.681 49 93.094 49担子菌门 32.316 97 10.336 99 3.272 05 11.370 71 5.690 15 2.909 42罗兹菌门0.903 37 29.733 23 25.676 24 0.923 59 3.115 22 2.543 13真菌门02.676 27 2.311 85 2.022 12 9.354 230.563 4未分类真菌 0.419 626.077 4 12.511 08 5.102 74 14.128 9 0.798 87其他0.010 08 0.018 48 0.041 82 0.106 74 0.030 020.090 7由表 4 可知，改良处理可显著增加基质中细菌的丰度。在门水平上除了未被分类细菌类群和其他类群外，分布在 10 个细菌门类。其中变形菌门、拟杆菌门、厚壁菌门的相对丰度较高，属于几个处理组的共有细菌优势菌群。通过不同改良处理，细菌群落在门表 3黑麦草中重金属浓度变化情况/（mg/kg）重金属CKQNQMQMCCSb3.780.27a0.320.07b0.230.01b0.30.1b0.20.06b0.10.02bCr436.584.97a19.822.54d6.741.16d216.2924.1b57.541.7c42.220.89cPb17.531.61a0.790.05b1.320.17b1.330.11b1.070.29b0.60.04bCu127.120.56a16.193.84b 15.294.06b7.471.05cd10.681.86c3.490.75dZn91.542.03a48.079.71b 35.931.52b41.926.77b44.357.95b41.025.46bAs191.831.79a4.30.17b50.16b4.890.1b5.210.03b2.730.13cMn2087.5622.95a304.8346.12d 434.5812.23b38520.44c282.9426.75d322.1418.73d注：表中数据为平均值 标准差；不同小写字母表示不同处理组间存在显著性差异（Duncan 法，P0.05）。吸收，从而明显降低黑麦草中的重金属含量。综上所述，改良基质可显著抑制黑麦草对基质中重金属的吸收，降低重金属对黑麦草的毒害作用，促进黑麦草的生长。水平上的差异较显著。其中相对丰度最高的变形菌门在各处理组微生物群落结构中占主导地位，可适应各种复杂环境，是盐碱土中最常见的微生物类群21，可耐受磷石膏基质这种高盐环境。放线菌门适合在弱碱性基质中生存，可有效降低基质 pH22。加入改良基质后的几个处理组中拟杆菌门、放线菌门、浮霉菌门、疣微菌门等细菌相对丰度均大幅度增加。由表 5 可知，所测不同处理组磷石膏基质中的真菌主要分属 6 个门，包括未被分类细菌类群和其他、子囊菌门、担子菌门、罗兹菌门、壶菌。当添加改良基质方式不同，磷石膏基质中的真菌在门水平上的差异较显著。子囊菌门在各处理组中变化不大，在处理组C 中占比最大（93.09%），改良处理会降低基质中担子菌门的比例。各处理组根际基质微生物区系结构与对照处理明显不同，说明各改良措施均能提高基质中微生物的多样性和丰富度。综上可知，添加生物质炭等改良基质使磷石膏基质理化性质得到改善，更适宜微生物生存和繁殖，故细菌和真菌的数量及种类均得到提升。添加改良基质处理措施能提高拟杆菌门和放线菌门的相对丰度，但会降低厚壁菌门等有益菌门的相对丰度。基质中较高的微生物群落多样性对于基质良好结构的维持和物质养分的转化作用显著23-24，这也说明本研究改良基质对黑麦草生长有良好的促进作用。其中 C 处理组植物生长最好，子囊菌门占比最大，因为子囊菌门大多数为腐生菌，可以分解难降解性有机质，能够很好促进养分循环25，从而有效促进植物 生长。3 结论1.添加生物质炭、菌渣、赤泥等材料对磷石膏基 改良磷石膏对黑麦草生长及渗滤液的影响曾 维，尹 辉，刘 方，等-32-第46卷第3期 非金属矿 2023年5月质进行改良，可有效调控磷石膏基质渗滤液的 pH、EC 和 TDS，且显著降低渗滤液中 F-、PO43-、Mn、Cr、Cu、Pb、As、Sb 含量，各改良磷石膏基质渗滤液中以上组分含量随时间的增加而逐渐降低。2.改良磷石膏基质可有效促进黑麦草种子的萌发和生长，并降低重金属在其体内的富集，其中以60%磷石膏+5%生物质炭+10%赤泥+10%菌渣混匀，5%生石灰中间层，10%菌渣作底层（C 处理组）效果最佳。3.改良处理可显著增加磷石膏基质中细菌和真菌门丰度。其中变形菌门、拟杆菌门、厚壁菌门等细菌和子囊菌门、担子菌门、罗兹菌门等真菌的丰度显著提高。可适应各种复杂环境的变形菌门，可以有效降低基质 pH，使放线菌门所占比例显著提升，成为优势种群。这些菌群通过代谢作用可实现对磷石膏碱性的中和调控，有利于促进磷石膏生物修复。参考文献：1 SZAJERSKI P.Distribution of uranium and thorium chains radionu-clides in different fractions of phosphogypsum 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