改良剂与植被联合修复对赤泥...聚体养分和微生物特性的影响_万祖燕.pdf

文章栏目：固体废物处理与资源化DOI10.12030/j.cjee.202302022中图分类号X172文献标识码A万祖燕,罗有发,陈雨露,等.改良剂与植被联合修复对赤泥团聚体养分和微生物特性的影响J.环境工程学报，2023,17(6):1967-1977.WANZuyan,LUOYoufa,CHENYulu,etal.ThesynergisticremediationeffectsofamendmentandvegetationonnutrientandmicrobialpropertyinbauxiteresidueaggregatesJ.ChineseJournalofEnvironmentalEngineering,2023,17(6):1967-1977.改良剂与植被联合修复对赤泥团聚体养分和微生物特性的影响万祖燕1，罗有发2，3，4，陈雨露2，万乾松2，邹玉正2，吴永贵1，3，41.贵州大学资源与环境工程学院，贵阳550025；2.贵州大学喀斯特地质资源与环境教育部重点实验室，贵阳550025；3.贵州省劣境生态修复技术工程研究中心，贵阳550025；4.贵州喀斯特环境生态系统教育部野外科学观测研究站，贵阳550025摘要改良剂与植被联合修复是促进赤泥土壤化的关键，但其对赤泥团聚体中养分和微生物特性的影响尚不清晰。通过开展盆栽修复实验探究改良剂(磷石膏、木醋液、鱼粪、菌渣)与黑麦草联合修复对赤泥团聚体中养分、酶活性、微生物群落空间分异特征的影响。结果表明，在改良剂与植被联合修复赤泥后，大团聚体(0.25mm)和微团聚体(0.25mm)占比分别减少和增加。团聚体中有机质、养分质量分数、酶活性及微生物群落 Alpha 多样性指数显著增加(P0.05)，且主要分布于1mm 团聚体。此外，团聚体养分、酶活性、微生物群落间呈显著正相关(P0.05)。本研究结果可为深入了解赤泥土壤化过程中养分迁移转化机理及修复植物的养分自维持机制提供参考。关键词赤泥；植被恢复；团聚体；养分；酶活性；微生物群落；空间分异赤泥是铝土矿提取氧化铝过程中产生的一种盐碱化副产物1。全球每年产生赤泥(1.21.5)108t，截至 2020 年，全球赤泥库存已达 40108t2。尽管目前已有不少关于赤泥综合利用的尝试，如有价金属回收、开发建筑材料、环境修复等，但全球的赤泥利用率仍不足 10%3，这将导致大量的赤泥只能通过筑坝堆存4。由于赤泥具有高盐碱性、腐蚀性、浸出毒性等不良特性，其在堆存过程中易对周边水体、土壤、植被等造成严重破坏5。例如，赤泥中的碱性物质迁移至水体和土壤环境会对水生动物和植物产生毒性，从而抑制其正常生长甚至导致其死亡6-7。我国是全球最大的氧化铝生产和消费国8，氧化铝生产过程中产生的大量赤泥堆存造成的环境安全问题已严重制约氧化铝工业的可持续发展9。因此，消除赤泥的潜在环境风险刻不容缓。近年来，植被恢复已成为消除赤泥潜在环境风险的有效途径10。由于赤泥具有碱性强、养分贫瘠、物理结构差等极端立地特征，致使在赤泥堆场上成功开展植被恢复较为困难11。采取基质改良措施将赤泥转化为类土基质是决定赤泥堆场能否成功开展植被恢复的关键12。其中，团聚体是指示赤泥土壤化的重要指标，其作为最基本的土壤系统单元活跃地参与地球表层生态系统过程13-14。团聚体对土壤的物理、化学和生物过程起着关键的调控作用。目前，关于不同类型有机-收稿日期：2023-02-04；录用日期：2023-04-18基金项目：贵州省科技计划资助项目(黔科合支撑 2021 一般 479；黔科合重大专项字 20193010)第一作者：万祖燕(1998)，女，硕士研究生，；通信作者：罗有发(1992)，男，博士，副教授，环境工程学报Chinese Journal ofEnvironmental Engineering第 17 卷 第 6 期 2023 年 6 月Vol.17,No.6Jun.2023http:/E-mail:[phone]无机改良剂对赤泥理化性质、微生物特性、团聚体结构与稳定性影响的研究已有较多报道15-17。研究表明，由于不同粒径团聚体颗粒与有机物和矿物质的结合方式不同18，致使不同粒径团聚体中酶活性、微生物群落分布存在空间分异性19，进而影响团聚体中养分的分布及其生物有效性。赤泥团聚体结构及其有机碳分布受风化过程和植被的影响20，但关于改良剂与植被联合修复对赤泥团聚体中养分、酶活性、微生物空间分异特征影响的研究鲜有报道，这将制约对赤泥土壤化过程中养分生物地球化学过程以及能否在赤泥上成功建立稳定植被群落的认识。本研究拟通过开展盆栽修复实验，探究改良剂与植被联合修复下赤泥团聚体中养分、酶活性、微生物群落的空间分异特征及其彼此间的关系，旨在为深入理解改良剂与植被联合修复下赤泥土壤化过程中养分迁移转化特征及其潜在影响机理提供参考。1材料与方法1.1实验材料2021 年 7 月在位于贵州省清镇市站街镇的贵州广铝铝业有限公司的赤泥堆场(1062015E，263936N)采集赤泥样品。将采集的新鲜赤泥自然风干后去除杂物，研磨过 2mm 筛备用。木醋液 pH 为 2.99、电导率(EC)为 4.57mScm1；磷石膏采自贵州省福泉市瓮福磷石膏堆场，其组分为CaSO42H2O；菌渣采自某食用菌生产基地；鱼粪采自某水产养殖基地；黑麦草种子购于某园林公司。赤泥与改良剂的理化性质见表 1。1.2实验设计共设 5 个处理组：1)赤泥+纯水+黑麦草(R)；2)赤泥+2%木醋液+2%磷石膏+5%菌渣+5%鱼粪+黑 麦 草(RA1)；3)赤 泥+2%木 醋 液+5%磷 石 膏+5%菌 渣+5%鱼 粪+黑 麦 草(RA2)；4)赤泥+5%木醋液+2%磷石膏+5%菌渣+5%鱼粪+黑麦草(RA3)；5)赤泥+5%木醋液+5%磷石膏+5%菌渣+5%鱼粪+黑麦草(RA4)。每个处理设置 3 个平行。不同体积分数的木醋液为其原液用去离子水稀释所得。磷石膏、菌渣、鱼粪的添加量为赤泥质量的占比。赤泥盆栽修复实验方法为：分别称取 1500g 赤泥置于一系列塑料(口径和高度分别为 20、17cm)，按液固比为 12.5 分别添加不同体积分数的木醋液和纯水对赤泥进行碱性调控，稳定陈化 3d 后，再分别添加不同改良剂(磷石膏、菌渣、鱼粪)与赤泥混合均匀。每盆播种黑麦草种子 50 粒，定期浇水，维护植物生长(其中，对照组中黑麦草未正常发芽)，于室外遮雨棚中培养 90d 后，采集各处理组的赤泥样品。采用干筛法21将赤泥筛分为 12mm、0.51mm、0.250.5mm、0.25mm 的团聚体。将获得的赤泥团聚体样品分为 3 部分，一部分保存于80 冰箱用于分析微生物群落组成及多样性，一部分置于 4 冰箱保存用于测定酶活性，一部分于室内自然风干、研磨过筛后用于测定有机质与养分质量分数。1.3主要测试指标及测定方法赤泥团聚体养分与有机质质量分数参照鲁如坤22的方法测定，采用酶试剂盒(购自苏州科铭生物技术有限公司)并参照关松荫等23的方法测定赤泥团聚体酶活性。将赤泥样品送至上海某检测公司测定微生物群落组成及多样性，测定方法的概述详见参考文献 24。表1赤泥与改良剂的理化性质Table1Physicochemicalpropertiesofbauxiteresidueandamendments供试材料pHEC/(mScm1)全氮/(gkg1)全磷/(gkg1)有机质/(gkg1)有效氮/(mgkg1)有效磷/(mgkg1)速效钾/(mgkg1)赤泥10.861.000.142.307.811.593.98595磷石膏5.242.440.143.802.907.7257.2585.20鱼粪6.483.231.4056.1361.20275.58212.08880.00菌渣4.665.481.403.8055.30310.99648.156206.001968环境工程学报第17卷1.4数据处理采用 SPSS22.0 对各处理组进行单因素方差分析(One-WayANOVA)，各组间多重比较采用LSD 法，显著水平为 P0.05；采用 Origin2021 作图。微生物数据分析方法参考 TAN 等24的研究。2结果与讨论2.1改良剂与植被联合修复对赤泥团聚体组成特征的影响赤泥团聚体组成特征见图 1。R 组团聚体粒径主要集中在 12mm，大团聚体(20.25mm)与微团聚体(0.25mm)占比分别为 87.27%、10.89%。与 R 组 相 比，RA1、RA2、RA3、RA4 处理组大团聚体(20.25mm)占比分别降低至 80.42%、79.78%、78.17%、75.84%，微团聚 体(0.25mm)占 比 分 别 增 加 至 18.56%、18.41%、20.77%、22.64%。总体上，大团聚体占比均高于微团聚体，其原因可能包括：有机改良剂及植物根系分泌物中新鲜有机碳胶结形成的不稳定大团聚体易破坏为微团聚体25；随着赤泥生境的改善，微生物群落及酶活性增加促进赤泥中输入的有机物分解，导致大团聚体稳定性丧失，释放稳定的微团聚体26-27。同时，由于赤泥中交换性 Na+的半径较小，导致其具有较大的水合半径，造成水合斥力增大，从而使胶粒间引力减弱，破坏赤泥团聚体结构28-30。赤泥中 Fe3+的还原31、植物根系的破坏32和植物细根与菌丝形成核的分解33也可能导致微团聚体的形成。2.2改良剂与植被联合修复对赤泥团聚体中养分及有机质质量分数空间分异特征的影响赤泥团聚体中养分及有机质质量分数空间分异特征见图 2。与 R 组相比，RA1、RA2、RA3、RA4 处理组中不同粒径团聚体的养分质量分数显著增加，有效氮、有效磷、全氮、全磷、速效钾、有 机 质 的 质 量 分 数 分 别 增 加 8.29129.00、4.1729.39、2.6711.00、2.614.89、0.030.31、1.005.38 倍。整体上，有机质主要分布于1mm 团聚体(图 2(f)，这是由于小粒径团聚体中吸附的大量有机质通过胶结作用附着在大团聚体表面34-35，由于 12mm 团聚体易受破坏，增加1mm 团聚体的质量比例，导致有机质主要分布于1mm 团聚体。有效氮、有效磷、全氮、全磷、速效钾等亦主要分布于1mm 团聚体(图 2(a)图 2(e)，其原因可能是由于微生物的分解转化过程造成营养物质分布的差异36。此外，有机质的矿化作用也是增加团聚体中氮、磷、钾质量分数的重要原因37。全磷(图 2(d)、有效磷(图 2(b)分别主要分布在 0.51mm、0.25mm 团聚体中，2 者分布特征存在差异可能与赤泥微团聚体中高浓度的铁铝氧化物吸附磷素并增加磷的有效性有关38-39。整体上，养分及有机质主要分布于1mm 团聚体。2.3改良剂与植被联合修复对赤泥团聚体酶活性空间分异特征的影响赤泥团聚体中酶活性空间分异特征见图 3。与 R 组相比，其它处理组中各粒径团聚体的酶活性总体上均有不同程度的增加。过氧化氢酶活性在 12mm、0.25mm 团聚体中较高(图 3(a)；碱性磷酸酶和脲酶活性分别在 0.250.5mm 和0.25mm 团聚体中最高；蔗糖酶活性在 0.251mm、0.25mm 团聚体中较高。总体上，0.25mm 团聚体，这可能与微团聚体质量比例增加或微团聚体质量分数偏多有关。2.4改良剂与植被联合修复对赤泥团聚体中微生物群落空间分异特征的影响1)改良剂与植被联合修复对赤泥团聚体微生物群落多样性空间分异特征的影响。赤泥团聚体图2赤泥团聚体养分与有机质质量分数的空间分异特征Fig.2Spatialdifferentiationcharacteristicsofthemassfractionofnutrientandorganicmatterintheaggregatesofbauxiteresidue1970环境工程学报第17卷微生物群落多样性见表 2 和表 3。单个样本的覆盖率均大于 99%，表明测序结果能真实地反映赤泥样品中的细菌和真菌群落。R 组无微生物群落检出，其原因可能是新鲜赤泥的极端生境导致微生物无法生存，这与李辉等43的研究结果(新鲜赤泥中微生物数量极少导致有效序列数过低)相同。相比 R 组，其他处理组中细菌的 Alpha 多样性指数均不同程度增加。整体上 Shannon 指数在1mm团聚体中最高。Simpson 指数在0.25mm 的团聚体中最高，在 12mm 团聚体中最低。Ace 和Chao1 指数在1mm 团聚体中最高，而在 12mm 团聚体最低。真菌 Shannon 指数主要在 12mm 团聚体中最高，在0.25mm 团聚体中最低。真菌 Simpson 指数则主要在 0.250.5mm 团聚体最高。真菌 Ace 和 Chao1 指数在 0.52mm 团聚体中均最低，但在 0.250.5mm 团聚体中最高。由此可见，改良剂与植被联合修复主要增加了1mm 团聚体中微生物群落多样性与物种丰富度，其原因可能是由于不同粒径赤泥团聚体中微生物群落分布受养分分布特征的影响。LIAO 等19研究也表明，不同粒径土壤团聚体中养分分布不均匀，为微生物提供空间上不均匀的微生境。此外，由于团聚体周转27,36会造成大粒径团聚体外部的微生物脱落至较小粒径团聚体中。2)改良剂与植被联合修复对赤泥团聚体微生物群落组成空间分异特征的影响。赤泥团聚体微生物群落组成如图 4 所示，在门水平上(图 4(a)，主要优势细菌门为变形菌门(Proteobacteria)、放线菌门(Actinobacteriota)、拟杆菌门(Bacteriodota)、绿弯菌门(Chloroflexi)、厚壁菌门(Firmicutes)。其 中，Proteobacteria、Bacteriodota 的 相 对 丰 度 在 12 mm 团 聚 体 中 最 高，Actinobacteriota 和图3赤泥团聚体酶活性的空间分异特征Fig.3Spatialdifferentiationcharacteristicsofenzymeactivityintheaggregatesofbauxiteresidue第6期万祖燕等：改良剂与植被联合修复对赤泥团聚体养分和微生物特性的影响1971表2赤泥团聚体细菌群落多样性和丰富度指数Table2Thediversityandrichnessindicesofbacterialcommunityintheaggregatesofbauxiteresidue处理组粒径/mm群落多样性群落丰富度CoverageShannonSimpsonAceChao1R12000000.51000000.250.5000000.2500000RA1125.160.02Aa0.0170.001Ab1192.542.26Ab1185.543.35Aa0.9920.515.190.02Aa0.0170.001Bb1270.144.60Aa1285.133.92Aa0.9910.250.55.160.01Aa0.0180.000Ab1258.791.63Ba1255.875.54Ca0.9920.255.150.02Aa0.0240.001Aa1260.6926.90Aa1259.9353.69Aa0.992RA2125.150.03Aa0.0150.001Ab1220.1120.39Aa1233.1824.87Aa0.9920.515.070.03BCab0.0200.000ABb1236.3320.71Aa1260.8913.52Aa0.9920.250.55.170.04Aa0.0210.001Ab1262.561.99Ba1256.871.83Ca0.9920.255.000.03Bb0.0380.004Aa1254.816.80Aa1278.0710.05Aa0.992RA3125.140.03Aab0.0170.000Ab1229.6213.07Ac1271.4550.85Aa0.9910.515.000.00Cb0.0250.003Aab1247.3533.04Abc 1300.4741.87Aa0.9910.250.55.220.06Aa0.0200.002Aab1339.9312.02Aa1375.2312.93Aa0.9910.255.050.06ABab0.0320.005Aa1325.7826.14Aab 1341.5535.15Aa0.991RA4125.170.03Aa0.0170.002Ab1239.0526.15Aa1250.6132.81Aa0.9920.515.140.04ABab0.0190.001ABb1284.6539.02Aa1307.5664.90Aa0.9910.250.55.220.02Aa0.0200.001Ab1286.199.32Ba1285.892.21Ba0.9920.255.010.03ABb0.0340.004Aa1308.3544.03Aa1326.7953.21Aa0.991注：不同小写字母和大写字母分别表示相同处理组中不同粒径赤泥团聚体细菌Alpha多样性指数和不同处理组间同一粒径赤泥团聚体细菌Alpha多样性指数存在显著差异(P0.05)。表3赤泥团聚体真菌群落多样性和丰富度指数Table3Thediversityandrichnessindicesoffungalcommunityintheaggregatesofbauxiteresidue处理组粒径/mm群落多样性群落丰富度CoverageShannonSimpsonAceChao1R12000000.51000000.250.5000000.2500000RA1122.110.06Aa0.200.02Aa179.012.79Ba184.354.80Ba0.9990.512.060.05Aa0.230.01Ba247.0652.57Aa237.0835.68Aa0.9990.250.52.120.05Aa0.210.02Aa232.579.56ABa212.0316.97Aa0.9990.251.980.03Aa0.250.02Aa250.642.35Aa217.481.11Aa0.999RA2122.230.15Aa0.180.02Ab219.2815.60ABab203.262.21Aa0.9990.512.050.09Aa0.220.02Bab179.408.00Ab192.761.18Aa0.9990.250.51.950.03Ba0.260.01Aa251.393.11ABa204.4212.63Aa0.9990.252.050.02Aa0.230.00Aab243.6614.33Aa201.473.66Aa0.999RA3122.180.00Aa0.170.01Ab176.663.89Ba176.706.70Ba0.9990.512.030.06Ab0.230.01Ba195.196.53Aa199.205.96Aa0.9990.250.52.030.02ABb0.240.01Aa224.364.95Ba218.231.83Aa0.9990.252.000.01Ab0.230.01Aa202.4429.16Aa182.0620.50Aa0.999RA4122.030.17Aa0.230.05Aa234.1419.16Aa215.422.51Aa0.9990.511.860.03Aa0.300.01Aa208.9819.10Aa199.331.93Aa0.9990.250.51.970.03ABa0.260.01Aa278.1724.44Aa222.4510.86Aa0.9990.251.950.06Aa0.280.03Aa233.0517.11Aa214.4916.01Aa0.999注：不同小写字母和大写字母分别表示相同处理组中不同粒径赤泥团聚体真菌Alpha多样性指数和不同处理组间同一粒径赤泥团聚体真菌Alpha多样性指数存在显著差异(P0.05)。1972环境工程学报第17卷Chloroflexi 分别主要分布在0.25mm 和 0.51mm 团聚体。有研究表明，赤泥自然堆放 23a 后，由于其极端生境得到显著改善，Proteobacteria、Actinobacteriota 和 Firmicutes 的相对丰度显著增加43，这与本研究结果相似。在属水平上(图 4(b)，主要优势细菌属有链霉菌(Streptomyces)、短波单胞菌(Brevundimonas)、沃斯氏菌(Devosia)。其中，Streptomyces 和 Brevundimonas 的相对丰度分别在0.25mm 和 12mm 团聚体中最高。Devosia 的相对丰度在1mm 团聚体中最高，在 12mm 团聚体中最低。在门水平上(图 4(c)，优势真菌主要有子囊菌门(Ascomycota)、担子菌门(Basidiomycota)。不同处理组的不同粒径团聚体中 Ascomycota 的相对丰度达 89.5%以上，其分别在0.25mm 和 12mm团聚体中最高和最低。在属水平上(图 4(d)，优势真菌属主要有木霉菌属(Trichodema)、毛壳菌属(Chaetomium)、帚枝霉属(Sarocladium)、曲霉菌属(Aspergillus)、白腐真菌(Phanerochaete)、镰刀真菌(Fusarium)。真菌优势物种的相对丰度在门水平和属水平上大多在0.25mm)中，养分与酶活性、变形菌门、放线菌门、链霉菌属、短波单胞菌属、沃斯氏菌属、子囊菌门、木霉菌属、毛壳菌属、帚枝霉属间均呈显著(P0.05)或极显著(P0.01)正相关。酶活性与变形菌门、放线菌门、链霉菌属、短波单胞菌属、沃斯氏菌属、子囊菌门、木霉菌属、毛壳菌属、帚枝霉属、担图5赤泥团聚体养分、酶活性、微生物群落间的相关性分析Fig.5Correlationanalysisamongnutrient,enzymeactivity,andmicrobialcommunityintheaggregatesofbauxiteresidue1974环境工程学报第17卷子菌门间呈显著(P0.05)或极显著(P0.01)正相关。而养分(图 2)与酶活性(图 3)主要分布在1mm 团聚体中，这可能是真菌优势物种的相对丰度在门水平和属水平上大多在1mm 团聚体中最高的原因。大粒径团聚体的主要胶结物质为有机质等有机胶体44，有机质与全磷呈正相关，且0.51mm 团聚体中有机质处于较高水平(图 2(f)，这可能是导致 0.51mm 团聚体中全磷质量分数较高(图 2(d)的重要原因。在微团聚体(0.25mm)中，酶活性、养分、微生物间大多呈显著正相关(P0.05)。综上表明，改良剂与植被联合修复下，不同粒径赤泥团聚体中养分、酶活性、微生物群落间主要表现出协同关系，其能积极促进彼此的正向增长。3结论1)赤泥团聚体中有效氮、有效磷、全氮、全磷、速效钾、有机质质量分数分别增加了8.29129.00、4.1729.39、2.6711.00、2.614.89、0.030.31、1.005.38 倍，其主要分布于1mm 团聚体。2)赤泥团聚体中过氧化氢酶、碱性磷酸酶、脲酶、蔗糖酶活性分别增加了 6.5116.90、30.61174.49、60.51164.91、22.9036.25 倍；微生物群落丰度和多样性均不同程度增加；酶活性与微生物群落丰度和多样性大多在0.25 mm)andmicroaggregates(0.25 mm)reduced and increased in the amended and revegetated bauxite residue,respectively.The organic matter,nutrient,enzyme activity,and the alpha diversity indices of microbialcommunityinthebauxiteresidueaggregatesincreasedsignificantly(P0.05)underthesynergisticremediationofamendmentandvegetation,whichweremainlydistributedintheaggregateswithsizeof1mm.Inaddition,therewasasignificantpositivecorrelationamongthenutrient,enzymeactivity,andmicrobialcommunityinthebauxiteresidueaggregates(P0.05).Theseresultscanprovideareferenceforin-depthunderstandingofthemechanismsofthemigrationandtransformationofnutrientduringsoilformationofbauxiteresidueandthenutrientself-sustaininginplants.Keywords bauxite residue;phytoremediation;aggregates;nutrient;enzymatic activity;microbialcommunity;spatialdifferentiationcharacteristic第6期万祖燕等：改良剂与植被联合修复对赤泥团聚体养分和微生物特性的影响1977