稀土有工业“黄金”之称，被人们誉为新世纪高科技与功能材料的宝库，是不可再生的国家级战略资源^[1]。随着科技发展，稀土矿的开采工艺也由池浸、堆浸工艺转变为环境友好型的原地浸矿技术^[2-3]，但落后的生产工艺所引起的矿区废弃地植被破坏、水土流失等一系列生态环境问题并没有得到解决^[4-5]。稀土矿区废弃地土壤生态修复技术主要有工程技术措施、物理化学修复、生物修复以及联合修复^[1]。由于矿场生态系统修复工作大多数情况是在极端条件下开始的，需要达成一连串目标来实现^[6]，并且土壤中有机质和一些营养元素的含量均很低,平均背景值大致是正常植被覆盖土壤的20%~30%，依靠土壤自身养分很难进行植被恢复，所以大多数矿区恢复前期需要辅以人工措施，其中，增加土壤有机质的含量是矿区生态修复的重要基础^[7-9]。

城市污泥含有大量有机质以及氮、磷等多种养分元素，是一种速效的有机肥料，用于矿区修复，能够迅速有效地提高矿山废弃地的有机质含量和改变土壤团粒结构性能^[10]。有研究表明，随着污泥施用量的增加，矿区土壤的有机质含量增幅为32.58%~126.95%，碱解氮含量增幅为77.80%~300.60%，速效磷增幅为109.83%~596.41%^[11]。但城市污泥作为一种废弃物，含有重金属、有机污染物、病原菌、寄生虫(卵)等有害物质，进行土地利用之前需进行预处理^[12]。相关研究显示，石灰性物质、有机物料、磷酸盐等可作为土壤改良剂，通过离子吸附、交换、沉淀等钝化作用使土壤重金属的形态发生变化，从而降低其生物有效性^[13]。有机物料蔗渣具有多孔和比表面积大的优点，有研究者在老化的镉污染土壤中施加蔗渣，有效降低了可交换态镉含量，提高了小白菜的产量^[14]。土壤调理剂能明显提高土壤pH，有效增加土壤中的养分,有研究人员用以碱渣和城市污泥为原材料的土壤调理剂改良酸性菜园土，pH提高了0.69，盐基饱和度提高了33.18%^[15]。但大多数试验仅研究1种或者2种添加剂对土壤的改良，在污泥的基础上配施蔗渣和土壤调理剂改良土壤的研究鲜有报道。因此，对污泥、蔗渣和土壤调理剂混施于矿山废弃地进行土壤改良的可行性探究很有必要。

剑豆Canavalia gladiata为多年生藤本豆科植物，广泛分布于我国长江以南地区^[16]。豆科植物具有耐贫瘠、对重金属耐性强的特点，可在矿区废弃地植被恢复中充当先锋种^[17]。本研究以稀土矿废弃地土壤为研究对象，研究污泥添加对土壤的改良效果，并通过进一步添加蔗渣和土壤调理剂对改良效果进行强化，同时以剑豆为种植材料，通过盆栽试验验证土壤改良效果，研究不同处理对矿区土壤理化性质、剑豆生长状况的影响，以期为实现城市污泥的资源化利用提供依据，并将对稀土矿废弃地土壤的改良及对城市污泥资源化利用有着重要的理论意义和实际应用价值。

1 材料与方法 1.1 供试材料

土样取自广东省梅州市平远县仁居镇黄畲村稀土矿采矿迹地。在矿区迹地随机选取8个取样点，在0~60 cm土层取样，混合均匀，带回室内风干后备用；供试污泥取自广州市大坦沙污水处理厂，经二级处理活性污泥法工艺流程处理，含水率(w)为75%~80%，经60 d的露天好氧堆肥处理，风干后研磨过5 mm筛，备用；蔗渣取自广东省湛江市某糖厂，其理化性质：pH为6.12，容重为0.088 g·cm⁻³，灰化碱的质量摩尔浓度为3.40 cmol·kg⁻¹，碳质量分数为567 g·kg⁻¹，氮质量分数为4.2 g·kg⁻¹，碳氮质量比为135；土壤调理剂根据董坚^[18]的方法制作而成，主要原料为钼尾矿。土壤、污泥和蔗渣样品均过2 mm筛，取一部分研磨过100目筛，用于化学性质分析。原土(矿区土)、污泥和土壤调理剂的理化性质如表1所示，污泥基本理化性质均符合《GB/T24600—2009》^[19]要求(表1)。供试植物为剑豆，种植前选取1个月苗龄且生长高度一致的植株，供试塑料花盆高220 mm，口径195 mm，均购于广州市某花卉基地。

1.2 试验设计 1.2.1 植物栽培与管理

盆栽试验场所位于华南农业大学校内温室大棚，设3个处理：T1(矿区土壤与污泥按照干质量比6∶4混合均匀)、T2(在T1处理基础上添加基础质量2%的蔗渣)、T3(在T2处理基础上添加基础质量5%的土壤调理剂)，以矿区原土作为对照(CK)。试验中，CK和T1处理的盆栽土壤基础质量均为2.5 kg。每盆为1个处理，每处理5次重复，另设9盆用于测定种植前的土壤理化性质，共计29盆。盆栽试验自2016年8月15日开始，在剑豆幼苗期扦插竹竿辅助攀援，试验过程中定期浇水和除草，为期4个月，同年的12月15日采收。

1.2.2 样品采集方法

待种植前的土壤稳定15 d后，采集土壤样品，风干后按照四分法取其一部分研磨、过筛后备用；采集种植结束后的植物样品时，整株挖出，带回实验室，自来水冲洗掉附着的微粒，再用去离子水冲洗3次后放置室内晾干。将样品放入信封于90 ℃杀青0.5 h后，70 ℃条件下烘干至恒质量，称其干质量，并将地上部分(茎叶)和地下部分(根)分开。

1.3 样品分析方法

供试土壤样品测定指标为容重、毛管持水量、总孔隙度、pH，以及有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、速效磷和速效钾含量。土壤分析方法均按《土壤农化分析》^[20]，其中容重、毛管持水量和总孔隙度测定采用环刀法；pH测定采用pH计法(水土质量比为2.5∶1.0)；有机质含量测定采用重铬酸钾容量法；全氮、碱解氮含量测定采用碱解扩散法；全磷含量测定采用NaOH熔融−钼锑抗比色法；速效磷含量测定采用1/2 H₂SO₄硫酸法；全钾含量测定采用NaOH熔融−火焰分光光度计法；速效钾含量测定采用NH₄OAc浸提−火焰分光光度计法。

供试植物样品观测指标为植株高度、干质量。植株高度采用卷尺测量，干质量采用电子天平测量。化学分析指标为全氮、全磷、全钾含量，先用H₂SO₄-H₂O₂消煮植物样品获得待测液，氮含量用碱解扩散法测定，磷含量用钼锑抗比色法测定，钾含量用火焰分光光度计法测定。

1.4 数据分析方法

所有试验数据利用Excel进行录入、整理，采用OriginLab9.1绘制统计图。运用SPSS19.0对土壤理化性质和供试植物的生长指标进行单因素方差分析、主成分分析和模糊隶属函数分析。按公式(1)计算植株元素积累量^[21]，按公式(2)、(3)计算模糊隶属函数R(X_i)^[22]：

$ \begin{array}{c} {\text{植株氮}}({\text{磷或钾}}){\text{积累量}}=\\ {\text{植株氮}}({\text{磷或钾}}){\text{含量}} \times{\text{植株生物量}},\\ \end{array} $

(1)

$ R\left( {{X_i}} \right) = \left( {{X_i} - {X_{\min}}} \right)/\left( {{X_{\max}} - {X_{\min}}} \right), $

(2)

$ R\left( {{X_i}} \right) = 1 - \left( {{X_i} - {X_{{\rm{min}}}}} \right)/\left( {{X_{{\rm{max}}}} - {X_{{\rm{min}}}}} \right), $

(3)

式中，X_i为第i个指标测定值，X_max为所测指标的最大值，X_min为所测指标的最小值。若X指标与土壤改良效果呈正相关，用式(2)；若X指标与土壤改良效果呈负相关，用式(3)。最后将每个处理的各个指标的隶属值累加，并求平均值，平均值越大表示土壤改良效果越好。

2 结果与分析 2.1 不同处理对土壤物理性质的影响

不同处理对矿区土壤物理性质的影响如表2所示。与CK相比，T1~T3处理的土壤容重降低了27.64%~38.21%，总孔隙度增加了23.91%~31.90%，毛管持水量提高了42.41%~77.84%。T2和T3处理的容重均显著低于T1，且两者之间无显著差异。T2、T3处理的土壤总孔隙度显著高于T1，且两者之间无显著差异。T1的毛管持水量显著低于T2、T3。T2、T3处理的各项指标均优于T1，而T1处理的各项指标优于CK。

2.2 不同处理对土壤化学性质和养分含量的影响

不同处理对矿区土壤的化学性质和养分含量的影响如表3所示。土壤pH在T3处理达到最大(7.22)，较T2提高49.17%，土壤呈弱碱性，其余处理土壤呈酸性或强酸性，T2比T1提高0.32。T2、T3处理的有机质含量显著高于T1和CK，T2比T1提高25.9%，而T1又显著高于CK11.01倍。T1~T3处理土壤中养分含量丰富，全氮、全磷质量分数分别为5.97~9.64和8.44~11.42 g·kg⁻¹，T2、T3处理的全磷含量显著高于T1和CK，且相互间差异不显著；T1~T3处理的碱解氮质量分数为739.68~849.43 mg·kg⁻¹，且3个处理间无显著差异。T3处理的速效磷和速效钾含量均为最大值，其质量分数分别为695.35和1126.88 mg·kg⁻¹，分别比T2处理提高0.46%和11.05%；CK处理的土壤仅全钾含量显著高于其他处理，可能的原因是稀土矿区土壤全钾含量较高。整体来看，T1、T2和T3处理土壤养分含量丰富，T3处理土壤的化学性质优于其他处理。

2.3 不同处理对剑豆生长和养分吸收的影响

由表4可知，T1~T3处理条件下剑豆植株高度与CK处理无显著差异。地上部生物量最大值出现在T2处理，较T1处理增加了73.66%，与T3处理无显著差异。值得注意的是，植物地下部生物量的最大值出现在CK，显著高于T1和T3处理，与T2处理无显著差异，T1~T3处理条件下的植株地下部生物量无显著差异。T2、T3处理的全株生物量显著大于T1和CK，T1处理显著大于CK。

T1~T3处理条件下种植剑豆，其氮、磷、钾平均单株积累量显著高于CK(图1)。在T2处理条件下，氮、磷、钾的平均单株积累量在植株体内处于最大值，分别达到934.43、172.07、931.35 mg，分别为对照的3.29、17.33、5.49倍。T2、T3处理的剑豆植株氮、磷、钾的平均单株积累量无显著差异，但均显著高于T1。可见，植株氮、磷、钾的平均单株积累量总体变化趋势与地上部生物量、总生物量一致。

2.4 基于土壤和植物指标的对土壤改良效果的综合评价

运用主成分分析和模糊隶属函数对土壤的容重、总孔隙度、毛管持水量、pH以及有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、速效磷、速效钾含量，植株的高度、单株总生物量和单株氮、磷、钾积累量进行土壤改良效果的综合评价。由图2a可知，影响土壤改良效果评价的前3个主成分可以包含所测指标的大量信息，其特征值分别为14.488、1.072和0.440，线段斜率的绝对值越大则特征值越大，具有整体的大部分特征；反之则特征值越小，只代表小部分特征。从特征值可推算出，前3个主成分贡献率分别为90.549%、6.700%和2.751%，总贡献率100%。说明前3个主成分的指标能够解释4种处理对土壤的改良效果。通过图2b进一步分析各指标在3个主成分上的向量值，主成分1中向量绝对值大于0.7的指标有容重、总孔隙度、毛管持水量和有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、速效磷和速效钾含量以及植株高度、单株总生物量和单株氮、磷、钾积累量；主成分2的指标有pH；主成分3没有指标。

通过主成分分析筛选出16个指标，对其进行模糊隶属函数分析，计算出各性状的土壤改良效果系数，依据平均隶属函数值判断4种处理对土壤改良的效果。由表5可知，CK、T1、T2和T3处理的16个指标的平均隶属函数值分别为 0.06、0.56、0.83和0.90。由此可见，3种处理对稀土矿区土壤改良效果的排序为T3>T2>T1。

3 讨论与结论

污泥含有丰富的有机质，颗粒细微，对矿区土壤团粒结构和稳定性有促进作用^[23-24]。有学者认为改良沙土的土壤密度、土壤容重、总孔隙度与污泥施用量呈显著相关关系^[25]。施用有机质含量越高的污泥，对矿区土壤的持水保水能力提升越大，而良好的土壤保水能力对于植物修复矿区土壤的过程十分重要^[26]。本研究发现，单施污泥能有效改善矿区土壤的物理性质，这与前人研究结果^[25]一致。蔗渣也是一种保水性能良好的基质，它具有容重小、毛管孔隙度大(>50%)的特点^[27]。本研究中蔗渣的添加显著强化了污泥对土壤物理性质的改良效果，表明污泥和蔗渣混施比单一施用污泥对矿区土壤物理性质的改良效果更好。土壤调理剂的加入对土壤物理性质的影响不明显。

土壤pH影响着土壤溶液中的离子组成及化学反应，一般来说，pH为6.5~7.5对植物的生长发育最为有益^[28]。土壤pH控制土壤中重金属形态变化及在土壤−植物系统的迁移，有研究者对Cd质量分数为2.5 mg·kg⁻¹的黑土进行冻融试验，结果表明随着土壤pH提高，土壤中Cd的可交换态浓度逐渐降低，铁锰氧化态和残渣态的浓度逐渐升高^[29]。本研究也发现，添加污泥对土壤pH无显著影响，在添加污泥基础上加入蔗渣可显著提高土壤pH。蔗渣对酸性土壤的改良效果与灰化碱和氮含量有关，灰化碱和有机氮矿化使土壤pH升高^[30]。在添加了污泥和蔗渣基础上再加入土壤调理剂后，pH由4.84上升至7.22，这主要是因为土壤调理剂本身呈强碱性，pH为12.14。所以，蔗渣和土壤调理剂(尤其是后者)对于土壤pH有显著调节作用。

单施污泥，污泥和蔗渣混施，以及污泥、蔗渣和土壤调理剂混施均能改善矿区土壤养分状况。污泥能使土壤养分从极缺或缺乏状态提高到较丰富甚至丰富状态^[31]，主要原因是污泥含有丰富的有机质和氮、磷等各种养分；蔗渣的有机质含量高，可以改善赤泥中有机质以及碱解氮、速效磷和速效钾的含量，其含有的纤维素和少量蔗糖在某些情况下可以转化为单糖^[32]。本研究中单施污泥使稀土矿区土壤中有机质、全磷、碱解氮、速效磷和速效钾含量显著增加，这与前人研究结果一致^[31]。本研究还发现，添加蔗渣显著增加了土壤中全磷含量，这主要是因为蔗渣中含有大量的纤维素，在土壤中腐烂分解后，提高了土壤磷含量。值得一提的是，污泥、蔗渣和土壤调理剂的添加显著降低了土壤全钾含量，但显著提高了速效钾含量，这是因为稀土矿区土壤本身全钾含量远高于污泥和土壤调理剂，而污泥中速效钾含量大幅高于土壤，同时蔗渣和土壤调理剂的加入对钾可能起到活化作用。

有相关研究^[21，33-34]发现,污泥能够促进合果芋Syngonium podophyllum、香彩雀Angelonia salicariifolia、高羊茅Festuca arundinacea和万寿菊Tagetes erecta等草本植物生长。本研究中单施污泥、污泥和蔗渣混施均有效促进了剑豆地上部生物量、总生物量的增加以及植株体内氮、磷、钾养分元素的积累，主要原因可能是污泥施用提高了土壤养分含量，同时改变了土壤微生物和酶活性，提高了土壤的综合肥力，从而能够促进植物叶绿素含量和光合速率，因而促进植物生长。但植株地下部生物量最大值出现在CK处理，且显著高于单施污泥以及污泥、蔗渣和土壤调理剂混施，原因可能是污泥中含有的重金属对植物根系生长有抑制作用^[21]。正常生长的植物，全氮和全磷含量一般分别占干质量的1%~5%和0.2%~0.5%^[21]。矿区土(CK处理)种植的植株氮、磷、钾的质量分数分别为4.01%、0.14%、2.39%，其他处理植株3种营养元素的质量分数分别为3.87%~4.38%、0.66%~0.82%、3.86%~4.05%。4种处理的植株氮含量均处于正常值，除原土处理磷含量低于正常值外，其他处理的磷含量均高于正常值。说明在稀土矿区废弃地土壤施用污泥种植剑豆的过程中，均未发生因土壤中的重金属含量过高而引起植物吸收和转运营养元素能力下降的情况^[35]。在本研究中，污泥添加显著促进了剑豆生长和植株体内氮、磷、钾养分元素的积累，而蔗渣的加入进一步促进了剑豆生长和养分积累，蔗渣的强化效果显著，土壤调理剂有抑制剑豆生长和养分吸收的趋势。

近年来，主成分分析常用来综合评价土壤肥力状况，此法运用降维思想于原始的诸多变量线性组合，从中提取出较少且彼此独立的新变量来表达整体的信息，能够处理好变量之间的相关性，从而客观评价不同处理的土壤肥力质量差异^[36-37]。分析不同处理土壤的改良效果最直观的方法往往是在其土壤上种植植物，通过土壤肥力情况和植株的生长指标科学评判土壤质量及对植物的适应性^[38]。本研究依据土壤和植物的16个指标，采取主成分分析抽取3个主成分中特征值较大的指标，再利用模糊隶属函数对这些指标赋值定量分析，从而对土壤改良效果进行综合评判。此方法避免了传统评价中只强调土壤指标中某一项或某几项性状而忽略植物对基质适应性的偏差^[39]。本研究中，依据不同处理的模糊隶属函数平均值综合排名，得分最高为矿区土与污泥、蔗渣和土壤调理剂混施的土壤(T3处理)。当然，从简化操作和节约成本的角度出发，本研究中，不添加土壤调理剂亦可以达到改良土壤和促进剑豆生长的目的。另外，关于污泥和蔗渣的最合适的添加比例，以及污泥添加是否会带入重金属造成土壤污染，值得今后进行深入研究。