基于pH与交换性钠调控的工程土中黑麦草生长、化学与微生物特性研究：以铝土矿残渣为基础的新材料开发

《Communications in Soil Science and Plant Analysis》：Growth of Lolium perenne, Chemical, and Microbial Properties in a Newly Developed Engineered Soil Based on Bauxite Residue as Affected by pH and Exchangeable Na

本文推荐一篇探讨利用酸化铝土矿残渣（Bauxite residue）制备新型工程土（engineered soil）的重要研究。文章系统评估了制造pH值（6.4至8.7）对材料性质及黑麦草（Lolium perenne）长达26周生长的影响，揭示了高pH下高交换性钠（exchangeable Na， ESP）是限制植物生长的关键因素，并详细分析了pH变化对土壤有效阳离子交换量（ECEC）、金属元素有效性与土壤微生物群落活性的影响，为工业固体废弃物的资源化利用与可持续农业生产提供了科学依据。

　　

引言

铝土矿残渣是氧化铝生产过程中产生的一种碱性、盐化/钠质固体废物。尽管相关研究已超过50年，但其全球利用率仍然很低。位于阿联酋的阿联酋环球铝业公司（EGA）因其新建炼厂的环境许可要求，需为所有产生的残渣寻找实际应用途径，由此催生了一种以铝土矿残渣为主要成分的新型工程土产品（Turba）。该产品旨在替代沙丘沙，用于景观美化、园艺和作物生产。铝土矿残渣初始pH值高达11-13，且钠含量高，对植物生长的限制因素包括盐度、钠质度和碱度。Turba的生产过程涉及在24-48小时内对残渣进行处理（用HCl酸化、淋洗、添加有机物、干燥和固化），以达到与现场植被恢复相似的物料状态。研究最初将Turba的生产目标pH_水设定在8.0左右，但高pH可能诱发植物微量元素缺乏以及铝、钼、硼等元素的毒性。此外，高pH还会限制土壤微生物群落的规模和活性。本研究旨在评估制造pH值低于8是否有利于土壤化学和微生物性质、植物生长及植物矿物含量，并探究制造过程中pH变化如何影响这些性质。鉴于Turba的潜在初期用途是培养草坪草，本研究选用多年生黑麦草作为测试植物。

材料与方法

研究材料来自阿布扎比Al Taweelah氧化铝精炼厂的铝土矿残渣，经酸化和淋洗去除积累的盐分。通过添加不同量的1 M HCl（1.34 至 2.59 mmol H⁺kg^?1）并获得最终pH值为6.4、6.8、6.9、7.3、8.1、8.3和8.6的物料，随后添加堆肥绿化废物（10% w/w），经过滤、干燥、粉碎后备用。温室实验将不同pH处理的样品置于盆中，播种黑麦草，在24-28°C下生长26周，期间进行四次施肥。在第6、12、18和26周分别收获地上部分，第26周后提取根系。对土壤和植物样品进行了全面的化学与微生物分析，包括pH、电导率（EC）、交换性阳离子（Ca、Mg、K、Na）、有效阳离子交换量（ECEC）、交换性钠百分比（ESP）、可提取金属元素、可溶性有机碳（soluble C）、微生物生物量碳（microbial biomass C）、基础呼吸（basal respiration）以及土壤酶活性等。植物组织则分析了大量、中量、微量元素及金属含量。数据使用Minitab软件进行方差分析和Tukey检验。

结果

土壤化学性质方面，随着制造pH的降低，土壤有效阳离子交换量（ECEC）、交换性钙和钠显著下降。初始交换性钠在pH 8.7时为52.1 mmol_ckg^?1，在pH 6.4时为21.7 mmol_ckg^?1。交换性钠百分比（ESP）在pH 7.3-8.7处理中为24-25%，在pH 6.4-6.9处理中为20-21%。经过26周植物生长后，所有处理的交换性钠含量均下降，而交换性钙含量增加，ECEC值也高于初始值。pH_水值在26周后普遍降低。可提取金属元素呈现规律性变化：随着pH降低，可提取砷（As）、铬（Cr）、钼（Mo）和钒（V）的浓度显著下降；而可提取锰（Mn）、镍（Ni）、铅（Pb）和硒（Se）的浓度显著增加；可提取铁（Fe）、铜（Cu）和锌（Zn）则在极高和极低pH下提取量较高。

土壤微生物参数显示，总有机碳含量（24-26 g C kg^?1）不受pH或时间影响。然而，可溶性碳、微生物生物量碳和基础呼吸均随pH降低而显著下降。在初始样品中，β-葡萄糖苷酶和磷酸单酯酶活性随pH降低而增加；26周后，β-葡萄糖苷酶和芳基硫酸酯酶活性随pH降低呈下降趋势。经过26周黑麦草生长，所有处理的土壤微生物活性和酶活性（pH 6.9及以上）均高于初始值。

植物生长和组织元素含量方面，在第一次收获（H1）时，pH 8.1、8.3和8.7处理的干物质产量显著低于pH 6.4、6.7和6.9处理。在后续收获中，较低pH处理（尤其是6.4-7.3）的产量普遍高于高pH处理。总地上部生物量和根生物量在pH 6.4、6.7和6.9处理中也更高。植物组织中，氮（N）、钙（Ca）、钠（Na）和硫（S）的浓度随处理pH降低而显著下降。组织钠浓度在pH 8.7时为17.6 g kg^?1，在pH 6.4时为12.9 g kg^?1。随着处理pH降低，组织铝（Al）、砷（As）、钼（Mo）、钒（V）和硒（Se）的浓度显著下降，而锰（Mn）、铁（Fe）、镍（Ni）、铅（Pb）和硼（B）的浓度则趋于上升。所有处理的钼浓度均超过了牛饲料的最大耐受水平（MTL）。

讨论

Turba中主要的交换性阳离子是Na⁺和Ca²⁺。随着pH降低，可变电荷矿物和有机质所带负电荷减少，导致ECEC下降，进而使得在淋洗过程中损失更多的交换性钠和钙。pH降低导致可提取砷、钼、钒下降的原因是这些以氧阴离子形式存在的元素在铁氧化物表面的特异性吸附增强；而可提取锰、镍、铅增加则是因为它们作为阳离子，在表面负电荷减少时吸附减弱、解吸增强。

在26周的实验期间，交换性钠因从方钠石中释放、淋失或被植物吸收而大幅减少，而交换性钙则因碳酸钙等沉淀物的溶解而增加。pH和EC在26周后均有所下降，主要归因于密集草根系统及其相关根际微生物群呼吸产生二氧化碳，形成碳酸所致。

Turba制造时添加的10%绿化废物堆肥引入了碳源和分解者微生物群落，使其具有类土壤的微生物特性。可溶性碳、微生物生物量碳和基础呼吸随pH降低而下降，反映了较高pH下有机质溶解度增加。26周的黑麦草生长通过根际沉积作用增加了可溶性碳，进而提升了微生物群落的规模和活性。

植物组织元素含量的变化反映了pH对元素有效性的影响：随着Turba pH降低，氧阴离子溶解度下降，阳离子溶解度上升。高pH（≥8.1）下，叶片锰浓度较低，可能出现缺锰。限制黑麦草干物质产量的主要因素似乎是交换性钠（及ESP）和钠在植物地上部的积累。在pH 8.1、8.3和8.7处理中，初始交换性钠>50 mmol_ckg^?1（ESP 24-26%），植物产量较低；而在pH 6.9、6.7和6.4处理中，初始交换性钠<30 mmol_ckg^?1（ESP 20-21%），产量较高。数据表明，在本研究使用的黑麦草品种中，Turba的ESP阈值约为18-21%。交换性钠和ESP在26周生长期间的下降意味着Turba随着时间的推移变得更加适合植物生长。

结论

降低Turba制造过程中的pH值（增加酸添加量）会导致产品ECEC、交换性钙、钠和ESP下降，同时增加可提取砷、钼、钒和硒。pH降低通常会降低土壤微生物群落的规模和活性，因为可溶性碳浓度下降；而26周的植物生长则提高了这些参数。pH高于7.3时对黑麦草生长的抑制与高交换性钠（>30 mmol kg^?1）、高ESP（>20%）以及钠在植物组织中的积累（>13 g kg^?1）有关。因此，从植物生长的角度来看，将Turba制造过程中的pH降至8以下（至7.0左右）是理想的，因为这也会将ESP降至20%或更低。然而，铝土矿残渣在pH 8以下缓冲能力很强，这可能使该目标在实践中难以实现。一个替代方案是未来的研究应集中于在制造过程中通过添加另一种一价阳离子（如K⁺或NH₄⁺）作为置换离子，来置换和去除更多的钠。