齐洪涛 白莉萍 陆海波 李 萍 伏亚萍
(中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所,北京,100091)
责任编辑:任 俐。
城市污泥是指城市生活污水、工业废水处理过程中产生的固体废弃物。据估计,我国每年城市污泥生产量为0.1 Gt 以上,但处理率仅有7%(约产生0.4 Mt 的干污泥)[1]。因此,随着污泥量的日益增加,如何对数量巨大的城市污泥进行合理处置,已成为目前环境科学研究领域中亟待解决的重大课题。
城市污泥富含有机质和有效营养成分等,对土壤修复或改良均有积极的、甚至是长期的促进作用[2-5]。譬如,我国城市污泥的总氮和总磷质量分数显著高于猪粪、牛粪和鸡粪[6]。
因此,污泥作为有机肥料日益成为一种普遍措施。特别是近年来,城市污泥在造林地的应用日益受到重视,其不仅增加生物产量,而且在速生林地应用的肥效最为直接和明显[7-9]。尤其在杨树、泡桐、油松林木上施用干污泥,林木高度和直径都随污泥施用量增加而增加[10]。而在丘陵地区,施用污泥可有效促进树木生长发育,增加株高和地径,对林中的灌、草层植被也有促进作用[11]。
然而,污泥的重金属污染却日益成为关注的问题。研究表明,污泥施入土壤后,重金属有效态质量分数会有所增加[12];随着污泥施用量的增加,土壤重金属Cu 和Zn 质量分数增幅越大[13]。特别是在长期施用污泥的土壤中,一些土壤重金属(Cu、Mn、Zn)的形态会有所变化,且有Cu 污染的潜在风险[14]。
杨树(Populus)是我国主要速生丰产树种之一,具有生长快、适应性广、抗逆性强等特点[15],是重要的经济和生态树种。特别是生长快的杂交杨树已被认为是植物修复金属污染地区的较好材料[16-17]。因此,本研究通过温室盆栽试验,选择两个杂交杨品种(凌丰三号(Populus × euramaricanacl ‘Lingfeng 3’)和欧美杨108 号(Populus ×euramericana‘Guariento’))作为研究对象,研究堆肥污泥对杨树幼苗各部分的重金属富集变化的影响,评价杨树用于吸收富集堆肥污泥中重金属的能力,从而为速生杨林修复污泥金属污染以及合理、有效处置污泥提供理论依据。
供试树种为欧美杨108 号和凌丰三号,前者引种于意大利,为美洲黑杨与欧洲黑杨的人工杂种无性系,适于我国不同地区种植的最为成熟的优良品种之一;后者为生长量大、适应性、抗逆性较好的新品种。在2011年3月6日,将200 穗条插于装有草炭土的黑色营养钵内(20 cm ×10 cm),定值成活6周后,选择大小、个体生物量、树高和冠幅基本一致,且生长健壮、无病虫害的扦插苗,于4月20日移栽至花盆(底径为20 cm,高为24 cm,口径为30 cm)。每盆栽植1 株。供试土壤充分混匀,每盆土壤约5.8 kg。4 周后,在表层0~5 cm,均匀施用污泥。水分管理和病虫害管理均为一致,并按常规管理。
初始城市污泥均来自北京市昌平区南口污水处理厂的污泥,并采用一种高速活性堆肥工艺进行处理(HiRos System,专利号为CN 101508603 A,且委托北京绿创生态科技有限公司处理)。该工艺采用机械热化学稳定及活化法,处理工艺中的所有反应釜、储槽、传送器等均为密闭系统,在高温高压下,完全杀菌及杀寄生虫、并可分解有毒有机化合物,有效去除重金属,从而将有机固体废弃物转化为无味无臭、高品质的有机肥。之后再进行风干、碾碎及过筛,把污泥中的较大块物体等进行细化,经过筛选使之粒度达到60~80 目,备用。供试土壤为北京市海淀区田村北路锦绣大地附近土壤(表层20~40 cm),为碳酸盐褐土,轻壤质。供试污泥及土壤的理化性质采用常规测定方法[18],pH 值采用pH 酸度计法(HANNA,pH211 酸度计),汞(Hg)、砷(As)质量分数测定采用原子荧光光度计测定(AFS3000,北京科创海光仪器有限公司),全磷、全钾及Cu、Zn 和Cd 等其他金属质量分数的测定采用酸溶—等离子发射光谱法测定(等离子发射光谱仪IRIS Intrepid II XSP,美国Thermo 公司)。以上测定均在国家林业局森林生态环境重点实验室进行(表1)。
表1 供试土壤和堆肥污泥的理化性质及金属质量分数
盆栽试验在中国林业科学研究院自动化温室内进行(透光率约为70%)。试验设置4 个处理,每个处理设置20 个重复。CK 为对照(不添加污泥),LS、MS、HS 代表不同的污泥用量(表2,风干质量)。
表2 堆肥污泥处理量
植物各部分的取样:污泥施用后,分别于杨树幼苗生长中期(7月25日)和收获期(10月11日)进行叶、茎、根取样。即叶片取样,取完全展开的功能叶(基本为中上部绿色叶片);茎部取样,取茎全部;根部取样,全根部(包括粗根和细根)。植物各部分样品依次用自来水和蒸馏水冲洗,去除泥土和污物,在105 ℃下烘30 min 后,再于70 ℃烘至恒质量,将烘干植物样品粉碎、磨细、过40 目筛。植物各部分的Hg、As 质量分数测定和Cu、Zn 和Cd 质量分数测定方法同上。
数据分析采用SPSS19.0 软件分析,采用双因素方差分析(two -way ANOVA)和Duncan 多重比较(Duncan’s multiple range test)(P <0.05),并比较品种内各处理间的显著差异。
由表3可知,在Ⅰ、Ⅱ期,叶、根部的Cu 质量分数在品种间差异均显著(P <0.05),而茎部在Ⅰ期品种间不显著,Ⅱ期则表现显著。污泥处理导致叶、茎、根部的Cu 质量分数在Ⅰ、Ⅱ期均差异显著。品种与污泥处理之间的交互作用,在Ⅰ、Ⅱ期,叶、茎、根部的Cu 质量分数差异均为显著。
表3 不同杨树品种幼苗重金属质量分数的变化
凌丰三号幼苗在Ⅰ、Ⅱ期的Cu 质量分数分布特征由大到小的顺序均为根、叶、茎。凌丰三号幼苗在Ⅰ期,叶、茎、根部的Cu 质量分数,随污泥用量的增加,基本呈现增加趋势;在叶、茎部各污泥处理的Cu 质量分数普遍低于对照,且茎部的Cu 质量分数在对照和各污泥处理间差异均不显著;而在根部,HS 分别与CK、LS、MS 处理之间差异显著,且HS 处理的Cu 质量分数分别较CK、LS、MS 增加了18.53%、12.85%、18.74%。凌丰三号幼苗在Ⅱ期,叶、茎部的Cu 质量分数均显示一致趋势,即随着污泥量的增加,Cu 质量分数有所降低;而在根部,Cu 质量分数趋势则与叶、茎部相反,且根部LS、MS 和HS 处理的Cu 质量分数分别较CK 提高了12.64%、16.13%和39.94%。
108 号幼苗在Ⅰ、Ⅱ期的Cu 质量分数分布的基本特征由大到小的顺序均为根、叶、茎。总体而言,随着污泥用量的增加,108 号幼苗叶、茎部的Cu 质量分数在Ⅰ期基本表现为增加趋势,但在Ⅱ期则呈现相反的趋势;而根部的Cu 质量分数在Ⅰ、Ⅱ期表现均为增加趋势。
108 号幼苗在Ⅰ期,根部经LS、MS 和HS 处理的Cu 质量分数分别较CK 增加了36.01%、52.41%和58.24%。而在Ⅱ期,根部经LS、MS、HS 处理的Cu 质量分数较CK 则分别提高了2.59%、76.42%和119.47%。
由表3可知,在Ⅰ、Ⅱ期,叶、茎部的Zn 质量分数在品种间、污泥处理间差异均显著(P <0.05);而根部在Ⅰ期品种间、污泥处理间均不显著,在Ⅱ期则表现品种间显著、污泥处理间不显著。品种与污泥处理之间的交互作用,除了叶部在Ⅰ期不显著外,其他均呈现显著。
凌丰三号幼苗在Ⅰ、Ⅱ期的Zn 质量分数分布特征由大到小的顺序均为根、叶、茎,且叶、茎的Zn 质量分数在Ⅰ、Ⅱ期的趋势基本一致,即基本呈现随污泥用量的增加而增加,而根部Zn 质量分数在两期则表现的趋势与之相反。叶在两期的动态变化,即各处理的Zn 质量分数均表现为Ⅱ期<Ⅰ期。根在两期的动态变化,即各处理的Zn 质量分数均亦表现为Ⅱ期<Ⅰ期。
108 号幼苗在Ⅰ、Ⅱ期的Zn 质量分数分布特征由大到小的顺序均为根、叶、茎,且叶、茎、根在两期各处理的动态趋势基本一致,即随污泥量的增加,Zn 质量分数基本呈现增加趋势,且叶、茎、根在两期各处理的动态变化均为Ⅱ期<Ⅰ期。在Ⅰ期,经LS、MS 和HS 处理的叶部Zn 质量分数分别较CK 提高了7.71%、10.11%和55.67%,茎部分别提高了28.67%、47.22%和78.00%,根部则分别提高了19.53%、75.51%和145.05%。在Ⅱ期,特别是经HS 处理的叶、茎和根部的Zn 质量分数达到最大,即分别较CK提高了75.18%、68.41%和35.10%。
由表3可知,在Ⅰ、Ⅱ期,叶、茎、根部的As 质量分数在品种间差异均显著(P <0.05)。污泥处理导致叶、根部的As 质量分数在Ⅰ期均差异不显著,Ⅱ期均表现显著;而茎部在Ⅰ期差异显著,Ⅱ期则表现不显著。品种与污泥处理之间的交互作用,在Ⅰ、Ⅱ期,叶、茎部的差异均为显著,而根部均不显著。
凌丰三号和108 号幼苗在Ⅰ、Ⅱ期的As 质量分数的分布特征由大到小的顺序均为根、叶、茎。凌丰三号幼苗在Ⅰ、Ⅱ期,随污泥用量的增加,叶、茎部的As 质量分数没有表现出明显规律;而在Ⅱ期,根部则基本呈现增加趋势,且LS、MS 和HS 处理的根部As 质量分数较CK 分别提高了15.43%、11.17%和28.13%。随污泥用量的增加,108 号幼苗叶部的As质量分数,在Ⅰ期基本呈现增加趋势,而在Ⅱ期则相反;茎部在Ⅰ、Ⅱ期均表现为递增趋势,且Ⅱ期<Ⅰ期;而根部在Ⅱ期,As 质量分数则有明显的增加趋势,且经LS、MS 和HS 处理的As 质量分数较CK 分别提高了10.63%、16.20%和54.45%。
由表3可知,在Ⅰ期,叶、茎部的Hg 质量分数在品种间、污泥处理间的差异均显著(P <0.05);而在Ⅱ期,叶部仍均显著,茎部则表现均不显著。在Ⅰ期,根部品种间不显著,污泥处理间显著;而在Ⅱ期,根部在品种间显著、污泥处理间则不显著。品种与污泥处理的交互作用,叶部的Hg 质量分数在Ⅰ期交互作用显著,Ⅱ期则不显著;茎部在Ⅰ、Ⅱ期差异均不显著;而根部在两期均差异显著。
凌丰三号的Hg 质量分数在Ⅰ、Ⅱ期的分布特征由大到小的顺序基本为根、茎、叶;108 号幼苗的Hg 质量分数在Ⅰ期的分布特征由大到小的顺序为根、茎、叶,而在Ⅱ期的分布特征由大到小的顺序则为根、叶、茎。随着污泥用量的增加,凌丰三号幼苗的叶、茎部的Hg 质量分数在Ⅰ、Ⅱ期表现一致,均为增加趋势;而其根部在Ⅰ、Ⅱ期基本表现为降低趋势。108 号幼苗叶部的Hg 质量分数在Ⅰ、Ⅱ期,以及其根部在Ⅱ期均表现为增加趋势,其他则无明显趋势。在两期的动态变化中,凌丰三号和108 号幼苗的叶部Hg 质量分数均为Ⅱ期>Ⅰ期;两个品种的茎部基本表现为Ⅱ期<Ⅰ期。
凌丰三号幼苗在Ⅰ期,叶部经LS、MS 和HS 处理的Hg 质量分数分别较CK 增加了90.26%、127.14%和174.56%,茎部则分别增加了13.10%、37.70%和52.40%,而根部的LS、MS、HS 处理的Hg 质量分数却分别较CK 降低了33.68%、44.64% 和34.14%。而在Ⅱ期,叶部经HS 处理的Hg 质量分数分别较CK、LS、MS 提高了59.84%、58.50% 和42.49%,茎部则分别提高了10.91%、8.97% 和2.62%,而在根部经HS 处理的Hg 质量分数则分别较CK、LS、MS 降低了30.35%、32.48%和26.56%。
108 号幼苗在Ⅰ期,叶部经HS 处理的Hg 质量分数分别较CK、LS 和MS 提高了51.08%、55.16%和24.56%,茎部则分别提高了38.99%、28.27%和44.21%,而在根部,经HS 处理的Hg 质量分数却分别较CK、LS 和MS 降低了5.36%、2.89%和6.46%。而在Ⅱ期,除了根部的CK 与HS 处理之间差异显著外,在叶、茎和根部,其他处理之间的差异均不显著,且根部经LS、MS 和HS 处理的Hg 质量分数分别较CK 提高了34.43%、42.86%和46.97%。
由表3可知,在Ⅰ、Ⅱ期,叶、茎部的Cd 质量分数在品种间差异均显著(P <0.05);而根在Ⅰ期品种间差异显著,Ⅱ期表现不显著。污泥处理导致叶、根部的Cd 质量分数在Ⅰ、Ⅱ期均差异显著;而茎部在Ⅰ期差异显著,Ⅱ期表现差异不显著。品种与污泥处理之间的交互作用,叶、根部的Cd 质量分数在Ⅰ期均差异不显著,在Ⅱ期均差异显著,而茎部在Ⅰ、Ⅱ期均为差异不显著。
凌丰三号的Cd 质量分数在Ⅰ期的分布基本特征由大到小的顺序为叶、根、茎,而在Ⅱ期基本为叶、茎、根,108 号幼苗的Cd 质量分数在Ⅰ、Ⅱ期的分布特征由大到小的顺序基本表现为叶、根、茎;在两个时期中,两个品种均表现为Ⅱ期<Ⅰ期。随着污泥用量的增加,凌丰三号和108 号幼苗的叶、茎部Cd质量分数在Ⅰ、Ⅱ期基本表现为增加趋势;凌丰三号的根部在Ⅱ期的趋势为递减,108 号的根部在Ⅱ期的趋势为递增。
凌丰三号幼苗在Ⅰ期,叶部经LS、MS 和HS 处理的Cd 质量分数分别较CK 增加了9.54%、59.04%和102.49%,茎部则分别增加了49.16%、73.20%和66.98%,根部则分别增加了46.47%、78.19%和38.48%。而在Ⅱ期,叶部经LS、MS 和HS 处理的Cd 质量分数分别较CK 增加了32.91%、45.15%和39.96%,茎部则分别增加了27.30%、45.80%和1.31%,而在根部,经HS 处理的Cd 质量分数却分别较CK、LS、MS 降低了126.02%、118.61%、127.22%。
108 号幼苗在Ⅰ期,叶部经LS、MS 和HS 处理的Cd 质量分数分别较CK 增加了6.78%、24.09%和115.29%,茎部则分别增加了47.79%、69.85%和109.44%,根部则分别增加了56.06%、37.59%和35.34%。而在Ⅱ期,叶部经MS 和HS 处理的Cd 质量分数分别较CK 增加了109.32%和166.72%;茎部经LS、MS 和HS 处理的分别较CK 增加了5.12%、21.18%和32.88%;根部经LS、MS 和HS处理的则分别较CK 增加了46.09%、184.44%和205.36%。
本研究显示,堆肥污泥对杨树幼苗Cu、Zn、As、Hg 和Cd 重金属富集变化的影响显著,且因品种、污泥用量、生长时期和植物各部分而异。其中因品种而产生的差异,则与Tsakou et al.[19]和Sebastiani et al.[20]的研究结果一致,且不同杨树品种的差异可能是重金属富集不一的原因。
本研究进一步表明,除了Cd 主要富集于叶部外,其他Cu、Zn、As、Hg 4 种重金属则主要富集于根部,即Cu、Zn 和As 富集的基本特征由大到小的顺序为根、叶、茎,而Hg 由大到小的顺序基本表现为根、茎、叶,Cd 由大到小的顺序基本表现为叶、根、茎。在其他植物的重金属富集研究亦表明,Cu 和Zn 在小麦、大豆植株中主要富集于根部[21-22]。由于植物根部是植物在土壤中的主要吸收器官,重金属污染物通过根部进入植物体后,首先沉积在根的皮层细胞壁和表层细胞壁,通过非共质体通道或共质体通道,迁移到植物体内的各器官并沉积下来,其具体迁移方式和沉积部位由植物自身特性及重金属的特点所决定[23],尤其植物根部聚集了大量微生物,增强了根部对重金属的富集和吸收能力[24],这可能就是造成植物不同器官重金属质量分数不同,而根部质量分数较高的原因。Cd 在植物不同部位的富集多寡则与其他4 种重金属有所差异,即在不同杨树品种幼苗Ⅰ、Ⅱ期的富集主要在于叶片,这与大豆植株中Cd 富集特征相似,即茎叶大于根部[22],但是却与其他植物有所不同,即小麦中的Cd 大部分富集于根部[21,25],特别是在印度芥菜的研究中,亦显示Cd 更多富集于根部,这是由于其根部有较强的Cd 耦合蛋白的存在,限制了Cd 从根部向地上部的迁移[26]。
本研究显示,随着污泥用量的增加,在植物叶、茎和根部的重金属富集态势,大部分呈现递增趋势,且在根部表现尤为明显。随污泥施用量的增加,杨树幼苗的5 种重金属(Cu、Zn、As、Hg、Cd)富集趋势和差异,亦因品种、生长时期和植物各部分而异,这可能与污泥施用量和施用时期、土壤条件以及树木各部分的敏感程度等因素有关。因此,今后应加强重金属富集及其转移机制以及植物各部分在不同时期对不同重金属富集和转移能力差异的相关机制研究。
综上所述,杨树各部分均能吸收并富集城市污泥中的重金属(Cu、Zn、As、Hg、Cd),这与杨树能吸收工业有机废物以及制革污泥中的各种有毒金属(譬如Cu、Cd、Zn 等)的基本结论不悖[20,27]。由此可见,杨树将有利于对污泥重金属进行植物修复,亦可能有利于土壤重金属(污泥)的治理修复。因此,今后速生杨修复污泥的重金属污染以及合理处置污泥,将可能不失为一种有效措施。
感谢:感谢中国林业科学研究院林业研究所苏晓华课题组为本试验提供了杨树品种材料。
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