疏浚底泥改良土壤理化性质促进芦苇快速定植研究

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黄翔峰, 王志, 叶广宇, 李双强, 李世阳, 刘佳
同济大学环境科学与工程学院, 污染控制与资源化研究国家重点实验室, 长江水环境教育部重点实验室, 上海 200092
收稿日期: 2019-05-29; 修回日期: 2019-08-26; 录用日期: 2019-08-26
基金项目: 国家水体污染控制与治理科技重大专项（No.2017ZX07204002，2017ZX07204004）；中央高校基本科研业务费专项（No.0400219375）
作者简介: 黄翔峰(1974-), 男, E-mail:hxf@tongji.edu.cn
通讯作者（责任作者）: 刘佳, E-mail:liujia@tongji.edu.cn

摘要：采用盆栽实验考察了湖泊疏浚底泥和河道疏浚底泥不同利用方式下对土壤基底性质的改良进而促进水生植物芦苇快速定植扩繁效果.试验结果表明，湖泊底泥在竹炭改良利用方式下（L-A实验组）可提高芦苇单位面积分蘖数增长率，最高可达（3.06±0.36）m^-2·d^-1，在与绿化土壤混合利用方式下（L-M实验组）可提高芦苇株高，最高达（155.5±0.7）cm；而河道底泥在与绿化土壤混合利用方式下（R-M实验组）芦苇的单位面积分蘖数增长率和株高效果最优，分别可达（4.76±0.18）m^-2·d^-1和（139.5±3.5）cm.分析原因发现，施加底泥可以明显降低土壤容重，并提高有机质和磷含量，从而促进芦苇分蘖数增长率的提高.基底微生物群落多样性和群落中Micrococcaceae（微球菌）的丰度也显著提高，进一步证实了施加底泥可以改良基底理化性质从而促进芦苇快速定植.
关键词：土壤改良疏浚底泥竹炭定植分蘖
Improvement of soil physico-chemical properties by dredged sediments to promote the rapid colonization of Phragmites
HUANG Xiangfeng, WANG Zhi, YE Guangyu, LI Shuangqiang, LI Shiyang, LIU Jia
State Key Laboratory of Pollution Control and Resource Reuse, Ministry of Education Key Laboratory of Yangtze River Water Environment, College of Environmental Science and Engineering, Tongji University, Shanghai 200092
Received 29 May 2019; received in revised from 26 August 2019; accepted 26 August 2019
Abstract: To promote the rapid colonization of aquatic plant Phragmites,the plot experiments were conducted to investigate the enhancement of the soil basal properties with the different utilization mode of lake and river sediment. The experimental results showed that the lake sediment can improve the tillers growth rate of Phragmites to (3.06±0.36) m^-2·d^-1 under the utilization mode of charcoal(L-A experimental group). With the utilization of soil mixed mode(L-M experimental group),the height of Phragmites increased to (155.5±0.7) cm. Regarding to river sediment,tillers growth rate and height of Phragmites showed greatest enhancement under the mixed mode of soil and river sediment (R-M experimental group),which reached up to (4.76±0.18) m^-2·d^-1 and (139.5±3.5) cm respectively. The application of sediment can significantly reduce the soil bulk density and increase organic matter and phosphorus content of plants,which is conducive to the improvement of Phragmites tillers growth rate. The diversity of basal microbial community and the abundance of Micrococcaceae in the community were also significantly improved,indicating that the application of sediment can improve the physico-chemical properties of the substrate and promote the rapid colonization of Phragmites.
Keywords: soil improvementdredged sedimentcharcoalcolonizationtillers
1 引言(Introduction)在城市河道和富营养化湖泊的治理过程中, 底泥疏浚作为一种有效减少水体污染和水质改善的方法被广泛采用, 而如何安全合理处置疏浚产生的底泥成为疏浚工程能否顺利实施的关键因素之一(朱广伟等, 2001a; 2001c).底泥在运输、贮存、处理过程中需要耗费大量的人力物力, 在不具备处置条件下直接作为固体废弃物堆放, 不但占用大量场地(Huang et al., 2017), 而且在雨水冲刷的作用下易对土壤和地下水造成二次污染(Ahlberg et al., 2006;Zhang et al., 2012).同时, 疏浚出的底泥中含有丰富的有机质等养分, 因此, 如何资源化处理疏浚底泥也是河流湖泊生态建设中重要的研究内容.
已有研究表明, 污染程度低的疏浚底泥可以作为生态修复中的基底改良剂, 具有成本低、简单易行等特点(Park et al., 2016).有研究发现, 疏浚底泥与土壤结构性质接近, 在土壤中合理施加底泥可以改良土壤性质, 提升土壤肥力, 增加土壤孔隙度、团聚度等(杨丹等, 2017).然而, 也有研究指出底泥中虽含有大量氮、磷元素, 但总有机炭与植物性氮、磷营养含量不充足, 在实际应用中存在后期土壤有机质流失导致促进效果乏力的问题(Zhu et al., 2015).有研究者将有机肥、无机肥、生物质炭、膨润土等与底泥混合使用, 以达到协同改良基底性质的目的.例如, 刘宏等(2017)的研究表明, 粉煤灰、膨润土和稻壳的添加能够有效提高疏浚底泥的营养成分, 与空白组相比底泥容重降低了24.22%；周麒麟(2011)的研究表明, 利用有机肥、秸秆、草木灰等对底泥进行复合调节, 能显著提高狗牙根种子出苗率(高达112.01%).除以上研究之外, 近年来发现生物质炭作为改良剂可以补充提供磷等植物营养物质(Song et al., 2019), 同时生物质炭在降低土壤容重和提升保水能力上效果更突出(Ahmed et al., 2018; Wang et al., 2019), 但生物质炭存在成本较高的问题.因此, 如何高效、合理地利用不同种类底泥同时解决营养元素供给与基底长效改良的问题是资源化过程中需要重点考虑的问题.
以长三角部分地区为代表的城市河道生态护岸土壤存在结构致密、容重低、缺乏矿物营养等问题, 导致河道植物定植缓慢从而不利于生态快速恢复.基于此, 本文考察湖泊底泥和河道底泥在3种不同利用方式下对土壤基底性质的改良, 以及对芦苇分蘖数、株高、生物量积累和光合能力等变化的影响, 探讨底泥资源化利用的合适方式, 初步揭示施加改良剂的作用机制.
2 材料与方法(Materials and methods)2.1 实验材料试验土壤取自无锡某湿地公园护岸绿化自然土壤, 湖泊底泥取自无锡某湖泊疏浚底泥, 河道底泥取自无锡市区某河道疏浚底泥, 竹炭购自时科生物科技(上海)有限公司, 理化性质如表 1所示.供试植物选择为本地常见的具有经济和景观效用的芦苇幼苗, 其来源于无锡贡湖湾湿地公园内的湿地植物种植区.
表 1(Table 1)

表 1 实验材料的理化性质 Table 1 Physico-chemical properties of the experimental materials

实验材料	容重	pH	有机质/(g·kg^-1)	全氮/(mg·kg^-1)	碱解氮/(mg·kg^-1)	全磷/(mg·kg^-1)	速效磷/(mg·kg^-1)
土壤	1.79	7.12	7.73	792	129.0	349	24.8
湖泊底泥	1.74	8.15	20.80	1020	57.6	878	11.6
河道底泥	1.49	7.36	39.00	2280	481.0	740	22.6
竹炭	0.32	10.15	369.00	2410	51.0	704	79.9

2.2 实验设计实验设置了两种底泥在3种利用方式下的实验组和1个空白组, 每组(表 2)设置3个盆栽平行样, 实验盆栽为25 cm(d₁)×50 cm(d₂)×40 cm(h)的塑料花盆, 面积约为0.2 m², 体积约为0.05 m³.每个盆栽实验包含25~30株芦苇, 植株密度为130~150株·m^-2.所有实验组每2 d灌溉一次, 每次灌水时, 水只浸没顶部土壤的表面, 盆栽的土壤被润湿而没有水停滞, 在植物生长期间土壤含水量保持在田间持水量的70%.
表 2(Table 2)

表 2 实验组别设置 Table 2 Experimental group settings

实验对象	利用方式	实验条件	简称
绿化土壤	空白	100%土壤	BL
	单独利用	100%湖泊底泥	L-S
湖泊底泥(L)	混合利用	50%湖泊底泥+50%土壤	L-M
	改良利用	50%湖泊底泥+5%竹炭+45%土壤	L-A
	单独利用	100%河道底泥	R-S
河道底泥(R)	混合利用	50%河道底泥+ 50%土壤	R-M
	改良利用	50%河道底泥+5%竹炭+45%土壤	R-A

2.3 实验取样和分析2018年5—11月, 每20 d定期在每组3盒盆栽内随机选取3株植物, 连续测定并记录这3株植物的分蘖数和株高, 利用GFS-3000便携式光合测定仪原位测定饱和光强下芦苇叶片的净光合速率(Pn)、蒸腾速率(E)及水分利用效率(WUE), 具体方法参考已发表文献(孙景宽, 2013).2018年11月上旬, 将试验组中的植物全部取出, 并对其根系土壤和须根进行取样, 经琼脂凝胶电泳和PCR扩增鉴定后进行测序等实验获取完整的根系微生物DNA数据, 最终获取微生物基因丰度数据并进行分析处理；将植物先放入105 ℃的烘箱中杀青30 min, 随后放入65 ℃的烘箱低温烘至恒重, 采用重量法测量盆栽中植物生物量, 使用奈氏比色法和钒钼黄吸光光度法测定植物全氮和全磷含量, 具体方法参照已发表文献(肖博文等, 2015;邹晓霞等, 2018).
本试验数据采用Excel等软件进行处理, 采用origin8.5进行相应的图表绘制.
3 结果与讨论(Results and discussion)3.1 底泥施加方式对基底性质的影响有研究表明, 将底泥和生物质炭施加到低营养和低有机质含量的土壤中时, 可以通过降低容重和提高水分保持率、有机质及营养元素含量从而促进植物生长(朱广伟等, 2001b; El-Naggar et al., 2018).本文针对两种底泥开展3种利用方式下对土壤理化性质的影响研究, 结果见表 3.在土壤物理性质方面, 两种底泥的施加都可以降低土壤的容重, 提升土壤的含水率和孔隙度, 湖泊底泥在改良利用方式下与空白组相比, 容重降低了23.18%, 含水率和孔隙度分别提高了16.80%、30.57%；河道底泥在直接利用方式下与空白组相比, 容重降低了23.84%, 含水率和孔隙度分别提高了50.44%、31.06%.有研究表明, 土壤含水率在很大程度上受有机质含量和土壤粒径等的影响(崔珍, 2018), 而容重也与土壤有机质含量紧密相关(Soane, 1990).本研究中河道底泥的有机质含量高于湖泊底泥、土壤, 且大部分有机质呈胶体状态, 具有亲水性, 因此, 有助于抑制和减缓土壤水分的蒸发(Joergensen et al., 1990)；同时, 有机质会增加土壤的团粒结构进而改善土壤性质(谢瑞桃, 2017), 底泥的施加通过降低容重、增加团粒结构、增大孔隙率多种作用提高土壤表面水分渗透性, 从而提高含水率.
表 3(Table 3)

表 3 实验组基底理化性质 Table 3 Physicochemical properties of the experimental group

组别	容重	含水率	孔隙度	pH	有机质/(g·kg^-1)	全氮/(mg·kg^-1)	全磷/(mg·kg^-1)	碱解氮/(mg·kg^-1)	有效磷/(mg·kg^-1)
BL	1.51^a	23.57%^b	43.14%^b	7.12^b	7.73^b	792^b	349^b	129.0^b	24.8^a
L-S	1.34^a	35.35%^a	49.26%^a	8.15^a	20.80^a	1020^b	878^a	136.8^b	11.6^b
L-M	1.41^a	22.53%^b	46.78%^a	7.75^a	14.30^b	848^b	673^a	54.8^b	42.7^a
L-A	1.16^b	28.33%^a	56.33%^a	7.95^a	28.10^a	1220^b	595^a	66.6^b	24.5^a
R-S	1.15^b	35.46%^a	56.54%^a	7.36^b	39.00^a	2280^a	740^a	481.0^a	43.5^a
R-M	1.33^a	27.22%^a	49.93%^a	7.34^b	21.00^a	1080^b	721^a	74.9^b	22.6^a
R-A	1.23^b	29.88%^a	53.48%^a	7.65^a	26.80^a	318^c	496^a	94.5^b	45.3^a
注：同列数据后不同小写字母表示不同处理之间的差异显著(p < 0.05), 下同.

在土壤化学性质方面, 底泥的施加可以在不同程度上增加基底有机质、全氮、有效磷含量.在有机质含量提升效果上, R-S>L-A>R-M, 相比空白组分别提高了4.04、2.64、1.72倍；在全氮含量提升效果上, 同样也是R-S>L-A>R-M, 相比空白组分别提高了1.88、0.54、0.36倍；在有效磷含量提升效果上, R-A>R-S>L-M, 相比空白组分别提高了0.83、0.75、0.72倍.说明两种底泥有机质和速效磷等养分含量较高, 可以提高混合基质的营养水平；河道底泥的提升效果优于湖泊底泥, 这可能是河道底泥接纳的水体中含有高浓度的有机污染物和营养元素, 其含有的高浓度有机质和速效磷促进了芦苇的生长.薄录吉等(2015)通过盆栽实验研究了污染底泥和无污染底泥农田应用对土壤和水稻生长的影响, 结果表明, 污染底泥由于氮、磷、有机质含量高于无污染底泥, 导致混合基质中相应养分含量更高, 与本研究结果一致.
3.2 底泥施加方式对芦苇分蘖数增长率的影响在底泥施加的作用下, 在0~160 d内连续观测芦苇的分蘖数并对其增长率进行分析, 结果如图 1所示.分蘖数表征了植株对营养同化的效果及对定植繁衍扩繁的能力, 同时高分蘖数增长率代表着在单位时间内植物可以达到更高的植被覆盖面积, 可以实现快速定植.对于湖泊底泥, 在改良利用方式下芦苇分蘖数增长率优于混合利用和直接利用, L-A实验组芦苇单位面积分蘖数增长率最高可达(3.06±0.36) m^-2·d^-1.出现这种现象的原因可能是一方面在改良利用方式下降低土壤容重并提升土壤含水率、有机质和全氮含量的效果更加明显；另一方面可能与竹炭含有的高浓度的植物可直接吸收同化速效磷有关.有研究指出在植物生长中磷元素的摄取至关重要(Liu et al., 2017), 对于植物叶绿素的生产起着重要作用.在湖泊底泥改良利用方式下, 由于底泥结构与土壤类似, 且在水下条件下各种腐殖质在厌氧微生物的作用下更能适合微生物与根系分泌物间的联合分解同化利用, 因此, 表现出两者联用提高了芦苇分蘖数增长率.
图 1(Fig. 1)

图 1 两种疏浚底泥改良作用下芦苇单位面积分蘖数增量 Fig. 1Phragmites unit area tillers increment box-plot under the effect of two dredged sediments

对于河道底泥, 混合利用方式和直接利用方式下芦苇分蘖数增长率无明显差别, 但均显著高于改良利用方式, R-M实验组芦苇单位面积分蘖数增长率最高可达(4.76±0.18) m^-2·d^-1.出现这种现象的原因是河道底泥中含有高浓度的有机质、全氮和速效磷, 在降低土壤容重并提升土壤孔隙度和养分含量上效果明显, 竹炭的投加导致营养元素过高产生了限制, 因此, 河道底泥可选择混合利用或直接利用.
3.3 底泥施加方式对芦苇株高和生物量的影响底泥施加作用下各试验组芦苇株高如图 2a所示.对于两种底泥, 都是混合利用的效果优于直接利用和改良利用, L-M实验组芦苇的株高最高可达(155.5±0.7) cm, R-M实验组芦苇的株高最高可达(139.5±3.5) cm, 株高的增长代表着植物在单位时间内茎秆生物量的固定及氮、磷营养的同化效率, 对于表征植物地上部分的生长情况具有良好贡献.
图 2(Fig. 2)

图 2 两种疏浚底泥改良作用下芦苇株高相图和生物量直方图(图中不同小写字母表示不同处理之间的差异显著(p < 0.05), 下同) Fig. 2Phragmites height box-plot and biomass histogram under the effect of two dredged sediments

在培养芦苇160 d后进行收割和生物量的测定, 结果如图 2b所示.底泥混合利用在一定程度上可以促进芦苇地下生物量的积累, 河道底泥相比湖泊底泥更有利于提升植物的地下积累, L-M和R-M实验组的地下生物量与空白组相比分别提高了8.00%和102.98%.地下生物量的活动是植物生命活动中运输矿质元素的主要动力, 根部通过吸收土壤中的矿质元素并输送到植株各个部位, 供给生命活动所需的能量(陈有军等, 2015).在植物生长所需的营养元素中, 磷对分生组织生长、尤其根的生长具有重要的促进作用, 已有研究普遍认为磷对根系的促进作用比冠部强(辛小娟等, 2014).当土壤中养分资源供应不均匀时, 植物根系可以表现出较强的可塑性反应, 如主根生长受到抑制、侧根和根毛形成增多、伸长增大(Hansen et al., 1998;Abel et al., 2002), 从而促进植物摄取生长所需的磷养分.通过分析可知, 富含磷营养的底泥加入土壤后显著提升了土壤肥力, 从而促进了芦苇地下生物量的增加.值得注意的是, 当底泥增加的养分含量达到芦苇生长所需水平时, 多余的养分对芦苇的生长已无显著影响, 反而会对芦苇的生长产生抑制作用.杨丹等(2016)的研究也表明随着底的用量泥增多, 反而会抑制油菜幼苗的生长发育, 使生物量降低.这一结果说明河道底泥混合利用对于增加地下生物量、促进芦苇定植更有利.
3.4 底泥施加方式对芦苇氮、磷含量和光和特性的影响对收割的芦苇植株分析测试其营养含量, 结果如图 3所示.由图可知, 底泥的施加可以有效提升芦苇地下氮、磷含量.在地下氮含量上, 湖泊底泥的混合利用效果优于直接利用和改良利用；在促进地下部分氮含量方面, 河道底泥的直接利用效果优于混合利用和改良利用, L-M和R-S实验组的地下氮含量与空白组相比分别提高了7.23%和115.96%.在地下部分磷含量上, 湖泊底泥的直接利用效果优于混合利用和改良利用, 而河道底泥改良利用效果优于混合利用和直接利用, L-S和R-A实验组的地下磷含量与空白组相比分别提高了116.22%和43.24%.氮、磷元素充足时植物能够合成较多的核酸、蛋白质和酶, 促进细胞分裂及早期根系的形成和生长, 特别是促进侧根和细根的发育(宋云鹏等, 2018;吕林等, 2019)及地下部分根系物质的积累, 这与前面底泥的施加促进地下生物量积累的结论相符合.以上分析也验证了芦苇根系密集、叶片旺盛的现象.
图 3(Fig. 3)

图 3 两种疏浚底泥改良作用下芦苇氮和磷含量 Fig. 3Phragmites N and P concentration under the effect of two dredged sediments

在芦苇生长过程中使用光合测定仪器测定饱和光强下芦苇叶片的净光合速率、平均蒸腾速率和水分利用效率, 结果如图 4所示.在净光合速率提升效果上, R-A>L-A>L-M, 分别提升了2.31、2.15、1.30 μmol·m^-2·s^-1；在水分利用效率提升效果上, L-A>R-A>R-S, 分别提升了2.46、1.48、1.19 g·kg^-1.净光合作用的提升证明了芦苇全氮含量的提高对于植株叶片能量的获取与固定有着良好的促进效果, 这有利于植物在短期内利用更多的能量以满足其定植和快速扩繁的需求.而水分利用效率得到有效提升可能与底泥提升了基底环境的含水率, 降低了土壤容重有关, 这也与前面的结论相符合.
图 4(Fig. 4)

图 4 两种疏浚底泥改良作用下芦苇平均净光合、蒸腾和水分利用效率 Fig. 4Phragmites average net photosynthetic、transpiration rate and WUE under the effect of two dredged sediments

3.5 底泥施加方式对微生物群落特性的影响底泥的施加会对植物根际微生物群落丰度与部分细菌代谢活性带来决定性影响, 这种变化反映了根际微环境的变化及对植物生长的作用效果.本文分析了各组的微生物群落多样性和丰度, 结果如表 4所示.对于湖泊底泥, 基底微生物群落多样性和丰度在改良利用方式下的提升效果优于混合利用和直接利用, 这与上述改良利用效果最佳一致.对于河道底泥, 基底微生物群落多样性和丰度在直接利用方式下的效果优于改良利用和混合利用.两种底泥对基底微生物数量的影响与芦苇分蘖规律一致, 说明基质微生物群落结构的变化与其对植物生长的促进效果表现一致, 也说明不同来源底泥因营养成分不同其施加方式也应不同.底泥的施加可以改变基底结构和营养水平, 为微生物群落提供丰富的代谢来源(Perez-Piqueres et al., 2006), 形成的各种共生结构可以促进植物对磷元素的吸收, 促进根系土壤中磷酸盐溶解细菌的特异性发挥(Anderson et al., 2011)(分泌植酸酶等或有机酸)和植物根系分泌酸性磷酸酶, 促进有机磷矿化或无极磷酸盐的溶解, 最终使其促进植物的吸收利用.
表 4(Table 4)

表 4 两种疏浚底泥改良作用下基底微生物多样性和丰度指数 Table 4 Basal microbial diversity and abundance index under the effect of two dredged sediments

组别	Shannon指数	Simpson指数	Ace指数	Chao指数
BL	6.5481^a	0.0055^b	3048.216^a	3100.527^a
L-S	6.2292^b	0.0122^a	2728.359^b	2747.411^b
L-M	6.5664^a	0.0044^b	3062.544^a	3081.777^a
L-A	6.5917^a	0.0059^b	3303.696^a	3308.125^a
R-S	6.6315^a	0.0049^b	3181.122^a	3194.972^a
R-M	6.1318^a	0.0109^a	2808.801^a	2814.479^a
R-A	6.2018^b	0.0087^a	2624.362^b	2618.906^b

对植物收割时各实验组芦苇根系的土壤经过筛取样、脂凝胶电泳和PCR扩增鉴定后进行测序等实验, 分析获得对应的植物根系微生物群落组成柱状图和样本与物种关系共现性关系图(图 5).微生物群落中Acidobacteria(酸杆菌)和Micrococcaceae (微球菌)的丰度随底泥利用方式的不同而变化, 在Acidobacteria(酸杆菌)丰度上, L-S>L-A>R-A；在Micrococcaceae(微球菌)丰度上, L-S>R-M>L-A, 与空白组相比分别提高了186.32%、96.60%和82.57%.酸杆菌属的生长不仅受土壤pH的影响, 还受到土壤有机质及作物生长状况等其他因素的影响(Liu et al., 2014).研究表明, 酸杆菌的相对丰度与养分有效性显著正相关(Navarrete et al., 2015), 其能够降解基质中的复杂物质从而提高植物所需养分含量.微球菌属为严格好氧型(Sims et al., 1986), 土壤孔隙度越大, 氧气含量越充足, 越有利于其生长.说明底泥施加改善了基底土壤结构, 对微生物和植物生长起到了促进作用.
图 5(Fig. 5)

图 5 两种疏浚底泥改良作用下植物根系微生物群落组成(a)和样本与物种关系共现性关系图(b) Fig. 5Phragmites rhizosphere microorganism community bar-plot (a) and co-occurrence relationship diagram (b) of sample and species under the effect of two dredged sediments

4 结论(Conclusions)河道底泥在混合利用方式下对芦苇分蘖的促进效果优于湖泊底泥的改良利用方式, L-A实验组芦苇单位面积分蘖数增长率最高可达(3.06±0.36) m^-2·d^-1, R-M实验组芦苇单位面积分蘖数增长率最高可达(4.76±0.18) m^-2·d^-1, 说明底泥来源不同、营养物质含量不同, 利用方式应有所差异.两种底泥的施加都可以有效降低土壤容重, 提升基底含水率, 增加土壤中速效磷含量.底泥的施加也可以提升基底微生物的群落多样性和群落中Micrococcaceae(微球菌)的丰度, 从而有利于植物定植和扩繁.本研究结果为不同来源、不同性质疏浚底泥资源化利用方式提供了借鉴, 可以应用于河道、湖泊、公路等护岸土壤改良及植被生态恢复.

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