施用污泥堆肥对龙葵生长及富集重金属的影响

朱秀红 温道远 韩晓雪 杨金橘 茹广欣

摘要：研究了施用不同比例（0、5%、10%、15%、20%）的城市污泥堆肥对龙葵生长和重金属含量的影响以及混合土壤理化性质、重金属含量的变化，以探究城市污泥堆肥农用潜力。结果表明，城市污泥堆肥不同施用比例下，土壤氮磷钾和有机质含量均显著增加，施用污泥堆肥不同比例的龙葵植株干重从大到小顺序为5%、10%、15%、 0（CK）、20%，当施用比例为5% 时，龙葵的干重达最大值5.04 g，较对照不施城市污泥堆肥提高了49.81%。土壤中的重金属 Cu、Zn、Pb、Cr、Cd 等含量均随污泥施用比例的增加逐渐升高，但均不超过污泥农用泥质B级标准。混合土壤中的重金属被龙葵富集，富集量随堆肥的用量逐渐升高。低浓度下（施用比例为5%）龙葵生长良好，对混合土壤有很強的耐受性，高浓度（施用比例为15%～20%）会对龙葵植株产生毒害作用，甚至导致植株凋亡。综上分析，低浓度（5%）为最适宜龙葵生长的污泥堆肥施用浓度。

关键词：城市污泥堆肥;龙葵;植物生长变化;重金属

Abstract：The effects of different proportions （0%，5%，10%，15% and 20%） of municipal sludge compost on plant growth and heavy metal content and the changes of physical and chemical properties and heavy metal content of mixed soil were studied to explore the agricultural potential of municipal sludge compost. The results showed that the soil nitrogen， phosphorus， potassium and organic matter content increased significantly under different sludge composting ratios. The order of dry weight of Solanum nigrum L. plants under each treatment was 5% > 10% > 15% > 0（CK） > 20%， when the sludge composting ratio is 5%， the dry weight of Solanum nigrum L. reaches a maximum of 5.04 g， which is 49.81% higher than that of without municipal sludge composting（CK）. The contents of heavy metals such as Cu， Zn， Pb， Cr and Cd in the soil increased gradually with the increase of the proportion of sludge application， but they did not exceed the B grade standard for Sludge Agricultural Mud. The heavy metals in the mixed soil were enriched by Solanum nigrum L.， and the enrichment amount gradually increased with the amount of compost. The experiment showed that Solanum nigrum L. grew well at low concentration and was highly tolerant to mixed soil， high concentration（15%～20%） may cause toxic effects on Solanum nigrum plants and even cause plant apoptosis. In summary， the low concentration（5%） is the most suitable concentration of fertilizer for the growth of Solanum nigrum L.

城市污泥中含有丰富的有机质、N、P及植物生长所必需的微量元素，是一种很好的有机肥源[1 ]。大量研究表明，城市污泥通过混合添加剂进行堆肥，可稀释重金属浓度，提高污泥堆肥养分含量，改善土壤结构和性能，从而进行农业利用[2 ]。城市污泥中含有大量重金属，高温堆肥虽能有效降低其重金属的生物有效性，降低其毒性，但其含量并不会消减，因此堆肥污泥资源化利用不可避免的会将有毒有害的重金属带入到土壤中[3 ]。国内外学者利用污泥改良土壤种植超富集植物，在植株生长期通过施肥、适时刈割等农业措施，可以提高超富集植物对土壤中重金属的去除能力[4 ]。陈启敏[5 ]研究发现，施加3%污泥堆肥时土壤性质得以改善，紫花苜蓿（Medicago sativa）的生长量提高，且堆肥量在15%以下均为安全用量。王婧等[6 ]发现施用污泥堆肥既促进了合果芋（Syugouium podophyllum）生长，又降低了土壤重金属污染的风险。植物对污泥改良土壤的效应和对重金属富集、转移系数都高度依赖于污泥施用比例。刘强等[7 ]研究发现，高羊茅（Festuca arundinacea Schreb）和万寿菊（Tagetes erecta）在污泥堆肥施加比例分别为10%和5%时植物生物量、株高达到最大值，且对污泥混配土壤中的Zn和Cu有较好去除效果;Orman等[8 ]发现紫苜蓿（Medicago sativa）对重金属的富集系数和转移系数大小与污泥施用量有明显的相关性。污泥堆肥施用最佳比例因植物而异，因此，污泥堆肥剂量对植物生长及其重金属吸收能力的影响还需开展更多研究。

龙葵（Solanum nigrm L.）是一种镉超富集植物，为茄科茄属一年生或多年生草本植物。由于其生长周期短、富集能力强、生物量较大，即便在高浓度重金属环境中其生长也不会受到影响，具有显著的生态价值和经济效益，因此成为植物修复机理研究和应用的良好材料[9 ]。我们采用龙葵盆栽试验，将城市污泥与玉米秸秆堆肥作为肥料施入土 壤[10 ]，研究了不同污泥施用比例对龙葵生长变化及土壤理化性质的影响，为以后城市污泥的资源化利用提供参考。

1   材料与方法

1.1   供试材料

供试植物为龙葵（Solanum nigrum L.），种子为野生龙葵良种，购买于郑州市某种子公司。供试土壤为河南農业大学第三生活区0～20 cm表层褐土。供试污泥为含水率80%的脱水污泥，由郑州市五龙口污水处理厂提供。

1.2   试验设计

以脱水污泥为堆肥基质，以碎至2 cm的玉米秸秆为堆肥填充料，污泥与秸秆的质量配比为3∶1，堆肥时间为30 d[11 ]。选用河南农业大学第三生活区0～20 cm表层土作为盆栽基质，土壤经自然风干后去除杂质过20目筛。城市污泥堆肥后自然晾干、粉碎过20目筛，以底肥的形式按质量比0%（CK）、5%（T1）、10%（T2）、15%（T3）和20%（T4） 充分混匀后—次性施入直径18 cm、高16 cm的塑料盆钵，每盆装混合土3 kg，下带托盘。供试材料基本理化性质与重金属含量见表1。堆肥产品中有机质含量、重金属含量和其他养分均符合我国《城镇污水处理厂污泥处置——农用泥质标准》（见表1）[12 ]。龙葵种子经恒温培养催芽后选取长势一致的幼苗于4月5日移入盆钵，每盆栽4株，每处理3个重复，种植于河南农业大学第三生活区透光塑料大棚。

1.3   测定指标及方法

从2018年4月15日至2018年6月4日，每10 d测定1次盆中植株株高，连续测定6次[13 ]。土壤及堆肥产品的pH采用1∶2.5土水比电位法测定[14 ]。将供试植物用蒸馏水清除杂质，再用去离子水反复冲洗干净后放入105 ℃烘箱，2 h后置于80 ℃下烘干至恒质量，称量干重[15 ]。土壤基本理化性质参照《土壤农化分析》测定[16 ]。样品消解采用HNO3-HF-HCl 微波消解法，重金属总量采用火焰原子吸收分光光度计测试[17 - 18 ]。

1. 4   数据处理

采用Excel 2007 进行数据统计; 用SPSS 19. 0 统计软件进行单因素方差分析;用Origin 9.2绘制图表。

2   结果与分析

2.1   施用污泥堆肥对土壤的影响

2.1.1    对土壤重金属含量的影响    从表2可以看出，混合土壤中Cr、Cu、Zn、Cd、Pb的含量大都显著高于CK，重金属的含量随污泥堆肥用量的增加而显著上升。T1处理、T2处理下，施肥混合土壤中重金属含量均低于土壤环境质量二级标准（GB 15618 — 1995），重金属没有对施肥混合土壤造成严重危害和污染[18 ];而在T3处理、T4处理下（污泥堆肥施用比例为15%、20%时）施肥混合土壤中Zn含量已超出或逼近土壤环境质量二级标准，这可能是因为城市污水管道中含有Zn镀层，而Cd常与Zn、Pb共存，导致Cd含量也超出或逼近临界值。另外土壤背景值的各重金属含量除Zn外均小于土壤环境质量一级标准，Zn、Cd相比其他重金属更容易被农作物所吸附[19 ]，因此污泥堆肥中的重金属在土壤中的残留累积必然会成为其在土地利用中连续施用的潜在危害，施用量以及施用周期等均需严格控制。短期或者间隔一定年限施用可以达到农田安全利用的要求[2 ]。

2.1.2    对土壤养分含量的影响    污泥堆肥施入土壤后可改变土壤的物理、化学及微生物特性[19 ]。城市污泥经过堆肥后呈中性，将风干后的表层土样与污泥堆肥按不同比例混合后发现，其对土壤具有缓冲作用，混合土壤随污泥堆肥用量增加pH逐渐降低。污泥堆肥以底肥形式施入土壤后，混合土壤中有机质、全氮、全磷、全钾含量随施用比例逐渐增加（表3）。T1、T2、T3、T4处理的混配土壤中，有机质含量比CK分别提高了143.90%、283.91%、339.13%、540.34%，全氮分别是CK的645.95%、843.24%、865.54%、925.57%;全磷分别是CK的102.19%、149.18%、269.95%、370.49%;全钾分别是CK的197.14%、368.57%、330.29%、540.57%。说明施用堆肥可以显著提高土壤中有机质和全氮、全磷、全钾等营养元素的含量，可能是因为堆肥产品与土壤混配后有机态营养物质发生矿化，提高了有机质及营养元素的含量[13 ]。

2.2   施用污泥堆肥对龙葵植株的影响

2.2.1    对龙葵株高变化的影响    龙葵在施加污泥堆肥后，株高的增长量变化差异明显。施用污泥堆肥20 d内，各处理下龙葵株高差异不显著。施加污泥20 d后，在T4浓度（污泥堆肥施用比例为20%）下，龙葵逐渐表现出重金属毒害症状，具体表现为叶片边缘焦枯，下层叶片失绿脱落，植株生长缓慢;其余处理下毒害作用轻微或无不良现象，并于5月10日前后进入速生期，在污泥堆肥施用比例为5%～15%的范围内，堆肥产品的肥效营养作用促进了龙葵生长，而T4（污泥堆肥施用比例为20%）处理抑制了龙葵生长并出现死株，说明过量施加污泥堆肥产品会抑制植物生长。从图1可以看出，不同处理的污泥堆肥在龙葵生长初期对其生长变化影响不明显，随着生长期延长，各处理呈现差异性。其中在T1处理下，龙葵株高达到最大值32.3 cm，相对于CK增长了49.54%。而在T4处理下，龙葵生长发育迟缓，叶片失绿变黄且过早脱落，株高低于对照最终凋亡。这可能是因为城市污泥中的有害物质超过了龙葵耐受性的最大阈值[20 ]。T2处理、T3处理在龙葵生长期内略高于对照，植株收获时比CK分别增长29.17%、25.00%。

2.2.2    对龙葵生物量的影响    生物量是指某一时刻单位面积内实存生活的有机物质（干重）总量，植株的干重与有机物的积累有 关[21 ]。从图2可以看出，T1处理、T2处理、T3处理的植株生物量均高于CK，比CK 分别增加了49.81%、35.85%、20.75%。T1处理、T2处理的龙葵可以正常生长，T1处理的干重最高，达5.04 g。T3处理的植株出现轻微毒害症状，叶缘淡黄微焦，叶片枯黄，干重为4.07 g。表明龙葵对重金属具有一定程度的耐受性，其生物量随污泥堆肥施用比例的增加呈先增加后减少的趋势。植物受到的迫害越严重，干质量和鲜质量的减少量越大[22 ]。T1处理的龙葵生物量最高，说明污泥堆肥在低比例范围内更有利于龙葵的生长;而T4处理的龙葵生物量与CK相比降低了36.11%，说明高比例处理对龙葵生长抑制作用明显。周丽丽[23 ]研究发现，污泥堆肥除含有机质，N、P、K等营养元素外，同时也含有对植株生长有抑制作用的物质，当这些物质的浓度超过植株的伤害阈值，植物就会出现伤害症状;当这些物质的浓度超过其致死浓度时，就会使植株死亡。表明T1处理（污泥堆肥施用比例为5%）是适合龙葵生长的最优施用量，T3处理（污泥堆肥施用比例为15%）和T4处理（污泥堆肥施用比例为20%）会使龙葵生长受到抑制甚至凋亡。

2.2.3    对龙葵植株重金属含量的影响    图3表明，施用污泥堆肥后，各组处理的龙葵植株地上部Zn、Cu、Cr和Cd含量均高于CK处理，且随污泥施用比例的增加而显著增加，Pb含量除T4处理外，其余处理均高于CK，说明污泥中的重金属被植株富集，这与李淑芹等[24 ]施用城市污泥堆肥对大豆种植研究结果相同。Cd和Zn的含量远远超过CK且存在明显相关性。魏树和等[25 ]发现，龙葵是Cd的超积累植物，在Cd投加浓度为25 mg/kg条件下，龙葵茎和叶中 Cd含量超过了Cd超积累植物的临界含量标准（100 mg/kg），且植物的生长未受抑制，这与本试验结果相似。重金属Pb和Cr的含量随污泥用量出现呈先增加后下降的趋势，可能是由于T4处理的植物生长缓慢并逐渐凋亡，导致其积累能力较低。重金属Cu的含量各处理间差异不显著。

从图4可以看出，施用污泥堆肥后，各组处理龙葵地下部根系的Zn、Pb、Cu、Cr和Cd含量均高于对照。重金属Cd、Pb和Zn含量在T3时达到最大值，分别为0.64、5.39、225.64 mg/kg，这是因为T3处理的混合土壤中重金属含量较高，此时有害物质的浓度已超过龙葵的伤害阈值，龙葵在生长过程中表现出明显伤害症状。重金属Cu在龙葵地下部分的含量随污泥浓度增加而增加且在T4处理时达到最大值。林义章等[26 ]发现，Cu污染会抑制叶绿素合成和根系生长，T4处理的龙葵生长缓慢，根部有腐烂现象，与本次试验结果相似。施用堆肥后，高浓度处理下重金属Cr含量升高，低浓度下差别不显著，说明龙葵对重金属Cr富集能力较弱。

3   结论与讨论

试验表明，施用堆肥产品对龙葵株高及生物量均有不同的影响，城市污泥堆肥施用比例为5%、10%、15%时均可以促进植株生长，当城市污泥堆肥施用比例为20%时会抑制植物生长甚至凋亡。城市污泥堆肥施用比例为5%的施用比是有利龙葵生长的最佳施用量。城市污泥堆肥施用比例为5%时混合土壤中重金属 Cu、Zn、Pb、Cr、Cd含量分别为34.70、131.72、17.68、44.28、0.12 mg/kg，符合我国土壤环境质量（GB15618—1995）二级标准。即城市污泥作用于混配土壤，使其全氮、全磷、全钾及有机质的含量随施用量的增加而显著增加，改善了土壤质量，达到了资源化利用的目的。龙葵作为超积累植物，对低浓度（5%）污泥堆肥表现出较好的耐受性，而过高浓度（15%～20%）则会超过其伤害阈值，出现毒害症状甚至凋亡。在龙葵生长期进行适时刈割，可以达到去除土壤重金属的效用。污泥的渗出液中含有重金属和N、P、K等营养元素，当其通过地表径流进入河流、湖泊或者海洋中，易造成水体富营养化，重金属迁移等环境问题[15 ]，因此城市污泥产品用量不宜长期大量施用。

本研究发现，城市污泥与玉米秸秆混合堆肥后作为底肥改善了土壤理化性质，混合土壤有机质以及氮磷钾等元素均随着堆肥产品用量的增加而逐渐升高，在农业方面具有资源化利用的效果。堆肥产品总体上呈中性，与土壤混合后5%、10%、15%、20%处理的pH分别为7.45、7.26、7.25、7.19。混合土壤的pH小幅度降低，说明施用堆肥产品具有一定的缓冲作用。低浓度施用污泥堆肥产品对植株的株高和生物量均有显著促进作用，而过高浓度則会导致植株死亡。其可能的原因一是污泥堆肥产品中含有激素类物质、有机物质以及丰富的氮磷钾等元素，增加了混合土壤的肥效，对植物的生长发育具有促进作用。但随着施用量的增加，龙葵的株高、生物量均呈现降低趋势，说明过量施用堆肥产品会抑制植物的生长[18 ];二是污泥堆肥产品中重金属含量较高，龙葵作为超富集植物对重金属胁迫具有快速响应的特点，当重金属含量超过其最大阈值就会导致植株死亡。施用城市污泥堆肥后，初期各处理的植物长势差别不明显，后期表现出促进植物生长的效果，这可能是由于一是污泥堆肥作为有机肥其肥效持续时间较长，在植物生长初期可利用物质含量较少，但随着时间的延长，堆肥产品中物质发生转化，逐渐表现出堆肥产品的肥效营养作用[2 ];二是污泥中起抑制作用的激素类物质和有机污染物等物质被土壤微生物逐渐分解流失，导致其含量逐渐降低，抑制作用减弱[21 ];三是随着植物的生长，其对环境的适应能力增强，抗逆性提高。施用污泥堆肥会使施肥土壤中的重金属增加，引起植物体内重金属含量的增加。污泥堆肥中的重金属被添加到土壤中后，少量具有生物有效性的重金属被植株吸收，大部分重金属渐趋于稳定被截留在土壤中[2 ]。马可婧等[27 ]、马双进等[28 ]研究重金属淋溶迁移的结果显示，重金属Cd、Pb具有较强的迁移性，因此污泥堆肥农用需控制污泥堆肥施用量，在施用污泥堆肥时，除考虑重金属残留累积的危害外也应注意重金属迁移、危害水资源等问题。

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（本文责编：郑立龙）