污泥堆肥施用条件下铜和锌在草坪草不同部位的分配特征

王 杰，刘静姝，赵 焕，刘 利，陈忠林

(辽宁大学 环境学院，辽宁 沈阳 110036)

污泥是污水处理过程中产生的泥状沉淀物质[1]是一种副产物[2]，湿污泥的含水量约为97%～99%，脱水后仍高达80%.随着我国处理效率的提高，污泥的产生量正在逐年增加.污泥含有丰富的有机质，以及植物生长需要的氮和磷等养分元素[3-4].但是，污泥中也含有大量诸如重金属、有机污染物、可溶盐、寄生虫卵和病源微生物等有害物质[5].成分如此复杂的污泥，如果不经处理直接排放，会给生态环境和人类健康带来严重的危害.堆肥可有效地将污泥中不稳定的有机质转化呈稳定的产物，污泥堆肥常常被用作肥料或土壤改良剂[6-7].污泥堆肥用于草坪草种植可以避开食物链，是一种比较科学的污泥可持续处理处置途径[8-10].

高羊茅、黑麦草和早熟禾是我国北方地区常见的草坪草，但随着营养成分的迁移和流失，草坪土壤退化严重.将污泥堆肥用于草坪种植，可以增加土壤养分，促进植物的吸收.Cu和Zn是污泥中含量较高的两种重金属，它们也是植物生长必需的微量营养元素.微量元素的缺乏或过多，都会影响植物的生长和发育.为此，笔者对污泥堆肥污泥堆肥施用条件下重金属Cu和Zn在草坪草不同部位的分布特征进行研究，以期为污泥堆肥用作草坪草培养基质提供重要理论和技术支持.

1 材料与方法

1.1 材料

供试污泥来源为沈阳市北部污水处理厂，通过静态垛式堆腐方法制成污泥堆肥[11，12]，供试草种为市售多年生黑麦草(LoliumperenneL.)、高羊茅(FestucaarundinaceaL.)和草地早熟禾(PoapratensisL.).供试土壤为辽宁大学校园内退化草坪土壤.污泥堆肥和土壤理化性质如表1所示.

表1 污泥堆肥和土壤性质

1.2 盆栽试验

试验设计：盆栽试验采用塑料盆钵(上口径15 cm、下口径10 cm，高14 cm)，设置5个处理：CK、T1、T2、T3和T4，相应的污泥堆肥施用量(以干质量比计)为0%、0.8%、2%、6%和10%，每个盆钵装1 kg土壤.每个处理3个重复，人工混匀，平整土壤表面，浇水，使土壤稳定化.同时，挑选健壮饱满的草坪草种子，在25 ℃ 培养箱中催芽24 h，选取60粒长势较好的发芽种子均匀施在土壤表层，覆盖1 mm厚的细沙，均匀喷洒去离子水使表土保持湿润.视土壤干湿度，每天或隔几天补充水分.待植株长至5 cm高时，每盆定植40株，观察植株生长状况，生长周期为60 d.

将植株根、叶分离后，分别采收，在105 ℃杀青30 min，70 ℃烘干至恒重，磨碎，过40目尼龙筛，用于植株中Cu和Zn含量测定.

1.3 测定方法

土壤中氮、磷等均采用常规方法测定[13].植株中Cu和Zn含量采用1mol·L-1HCl浸提-火焰原子吸收分光光度计(TAS-990型)测定.

1.4 数据处理

用Microsoft Excel 2003与 SPSS13.0软件对数据进行分析.污泥堆肥水平和草种及二者交互作用对植株重金属含量的影响采用双因素方差分析(two-way ANOVA)，同一草种不同污泥堆肥水平及同一污泥堆肥水平不同草种间重金属含量差异采用单因素方差分析(one-way ANOVA)，并利用LSD法进行差异显著性检验(P=0.05)，图表中数据为平均值±标准差.

2 结果与讨论

2.1 污泥堆肥施用对Zn在草坪草中不同部位分布的影响

由表2可知，草种和污泥堆肥水平及二者的交互作用对3种草根和叶中Zn含量影响差异均显著(P<0.05).

表2 草种和污泥堆肥水平对3种草坪草中Zn含量影响的双因素方差分析

图1 不同污泥堆肥施用量对3种草叶和根的Zn分配特征的影响(mg·kg-1)注：不同小写字母代表同一草种不同处理间差异达显著水平(P<0.05)

随污泥堆肥施用量增加，3种草叶和根的Zn含量呈逐渐增加的变化规律，但增加的幅度略有差异(图1).污泥堆肥施用使高羊茅叶和根的Zn含量增加较显著，但施用量>6%时增势变缓，增幅分别为231.91%～422.16%和45.77%～70.44%，T4处理时高羊茅叶和根的Zn含量最高，分别为121.09 mg·kg-1和164.90 mg·kg-1；污泥堆肥施用使黑麦草叶和根Zn含量分别较CK增加62.74%～148.77%和3.48%～41.44%，T4处理时黑麦草叶和根的Zn含量最高，分别为131.05 mg·kg-1和166.12 mg·kg-1；污泥堆肥施用使早熟禾叶和根Zn含量分别较CK增加67.19%～126.79%和36.39%～50.84%，T4时叶和根Zn含量最高，分别为105.48 mg·kg-1和294.08 mg·kg-1，表明污泥堆肥施用对3种草地上部分生长的影响大于对其地下部分的影响.随污泥堆肥施用量增加，Zn在3种草叶和根的迁移能力提高，不同处理迁移系数分别为：0.24、0.55、0.68、0.73和0.73，黑麦草不同处理迁移系数分别为：0.45、0.71、0.76、0.78和0.79，早熟禾不同处理迁移系数分别为：0.23、0.29、0.34、0.35和0.36.Zn在3种草叶和根迁移能力大小表现为黑麦草>高羊茅>早熟禾，但是，3种草对Zn的吸收能力大小表现为早熟禾>黑麦草>高羊茅.污泥堆肥施入土壤后，重金属向植物体内的迁移能力与土壤性质、重金属形态和植物种类等有很大关系.

植物正常含锌量一般为25～150 mg·kg-1(干重)，植物根系的含锌量常高于叶，供锌充足时，锌可在根中累积，而其中一部分属于奢侈吸收，一般认为植物出现毒害的锌含量>400 mg·kg-1[14].在本试验条件下，3种草中Zn的含量最高为294.08 mg·kg-1.与其它重金属元素相比，锌的毒性较小，作物的耐锌能力较强[15].污泥堆肥施用于土壤后，3种草坪草体内重金属累积随污泥堆肥施用量的增加而增大，尤以根系中重金属的增加显著，而茎叶中重金属含量变化幅度相对低些.

2.2 污泥堆肥施用对Cu在草坪草中不同部位分布的影响

由表3可知，草种和污泥堆肥水平及二者的交互作用对3种草根和叶中Cu含量影响差异均显著(P<0.05).

表3 草种和污泥堆肥水平对3种草坪草中Cu含量影响的双因素方差分析

图2 不同污泥堆肥施用量对3种草叶和根的Cu分配特征的影响(mg·kg-1)注：不同小写字母代表同一草种不同处理间差异达显著水平(P<0.05)

由图2可以看出，随污泥堆肥施用量增加，高羊茅叶和根中Cu含量呈先逐渐增加后降低的变化规律，黑麦草和早熟禾叶和根中Cu含量则呈逐渐增加的变化规律.T1～T4处理时高羊茅叶和根的Cu含量分别较CK增加了262.64%～958.05%和195.31%～396.69%，T3处理时含量最高，分别为18.41 mg·kg-1和98.55 mg·kg-1；黑麦草叶和根Cu含量随污泥堆肥施用量的增加而增加，T1～T4处理分别较CK增加8.75%～37.93%和92.77%～271.75%，T4处理时含量最高，分别为20.80 mg·kg-1和84.35 mg·kg-1；早熟禾叶和根Cu含量也随污泥堆肥施用量的增加而增加，T1～T4处理分别较CK增加24.43%～74.18%和81.08%～273.13%，T4处理时含量最高，分别为17.54 mg·kg-1和88.17 mg·kg-1.差异显著性分析表明，T1～T4处理3种草叶和根Cu含量均与CK差异显著，T1～T4各处理间差异也达显著水平(P<0.05).随污泥堆肥施用量的增加，3种草对Cu的吸收能力大小表现为高羊茅>早熟禾>黑麦草.随着污泥堆肥施用量的增加，高羊茅地上部分较地下部分Cu吸收能力增强，而黑麦草和早熟禾则表现为地下部分较地上部分Cu吸收能力增强的特点.并且高羊茅对Cu的吸收表现出一个阈值，污泥堆肥施用量>6%后，高羊茅对Cu的吸收能力下降.

植物对铜的需要量很少，大多数作物含铜量仅为2～25 mg·kg-1(干重).本研究中，3种草的Cu含量最高为18.41 mg·kg-1，并且Cu主要在3种草的地下部分积累.马博强等研究也表明，土壤中 Cu和Zn的含量随污泥堆肥施加量的增加而增大，85%以上的Cu和Zn残留在土壤中[16].重金属在植物中的富集作用和在土壤中的残留作用与其理化性质、施用污泥的性质和用量、植物种类、土壤性质、耕作措施和环境条件等诸多因素有关.重金属迁移系数大于1，表明该金属易从植物根系向植物地上部迁移；而迁移系数小于 1，则表明重金属更容易在植物根系累积.本研究中Cu和Zn在3种草叶和根的迁移系数均小于1，Cu和Zn容易在其根系中累积.

4 结论

施用污泥堆肥不同程度地增加了3种草地上部、地下部以及土壤中Cu和Zn元素的含量.但随着污泥堆肥施用量的增加，高羊茅对Cu的吸收表现出一个阈值，污泥堆肥施用量>6%后，高羊茅对Cu的吸收能力略有下降.此外，Cu和Zn在3种草叶和根的迁移系数均小于1，表明Cu和Zn容易在其根系中累积.