竹节树、湿地松对污泥重金属的吸附与耐受能力研究

王冰清 张学平 陈杰 谭家得 王志云

摘 要 为探究华南地区2种常见的园林绿化树种竹节树（Carallia brachiata）、湿地松（Pinus elliottii）对污泥中重金属的吸附与耐受能力，通过配制50%和100%不同污泥比例基质开展盆栽试验，分析竹节树、湿地松的生长发育及对重金属的吸附与转运能力。结果表明：50%比例污泥处理抑制了竹节树株高、地径的生长及生物量的积累，促进了湿地松株高、地径的生长及生物量的积累;100%比例污泥处理抑制了竹节树、湿地松株高、地径的生长，抑制了竹节树生物量的积累，对湿地松生物量积累无明显影响。不同浓度污泥处理下，竹节树耐受能力较差，湿地松耐受能力较强。竹节树对低浓度的Cu、Pb、Cd、Ni及高浓度的Zn有一定的吸附能力，湿地松对5种重金屬的吸附能力较弱。50%与100%比例污泥处理下，竹节树对Zn、Pb的转运能力较强，湿地松对Zn、Cd的转运能力较强。竹节树对污泥中重金属的吸附能力强于湿地松，湿地松对污泥的耐受能力强于竹节树。

关键词 竹节树;湿地松;重金属;耐受能力;转运能力

中图分类号：S719;X173     文献标识码：A   doi：10.13601/j.issn.1005-5215.2021.02.003

Abstract In order to explore the adsorbability and tolerance capacity  of heavy metals in sludge by two common landscaping tree species by Carallia brachiata & Pinus elliottii in South China，pot experiments were conducted to explore the growth and development of Carallia brachiata & Pinus elliottii，as well as the adsorbability and transport capacity of heavy metals under 50% & 100% sludge ratio. Result shows that： Fifty percent sludge treatment inhibit the growth of height and diameter and biomass accumulation of Carallia brachiata，promote the growth of height and diameter and biomass accumulation of Pinus elliottii;one hundred percent sludge treatment inhibit the growth of height & ground diameter of Carallia brachiata & Pinus elliottii，inhibit the biomass accumulation of Carallia brachiata，but has no significant effect on the biomass accumulation of Pinus elliottii.Under different concentrations of sludge treatment，the tolerance of Carallia brachiata is poor，while that of Pinus elliottii is strong.Result shows that Carallia brachiata has a certain adsorption capacity for low concentrations of Cu，Pb，Cd，Ni and high concentrations of Zn，while Pinus elliottii has a weak adsorbability for five heavy metals. Under the treatment of 50% & 100% sludge，the transport capacity of Zn & Pb by Carallia brachiata  is stronger，while that of Zn & Cd by Pinus elliottii is stronger. In conclusion，the adsorbability of sludges by Carallia brachiata is stronger than that by Pinus elliottii，and the tolerance of sludges by Pinus elliottii is stronger than that of Carallia brachiata.

Key words Carallia brachiata;Pinus elliottii;heavy metals;tolerance capacity;transport capacity

城市污泥是指城市污水在处理过程中形成的化学沉淀物，其中含有大量的无机及有机污染物。污泥中含水率高，含有各种胶体、有机质、病原菌微生物、重金属元素、有毒物质等，若未经恰当处理进入环境，将给水体和土壤带来二次污染[1]。尤其是重金属元素，在环境中难以被生物所降解，且能随食物链不断富集，对人体健康具有极大威胁。过去，对城市污泥的处理主要包括堆肥、填埋、焚烧及水体消纳，但是可能会导致一定程度的二次污染。近年来，将污泥土地进行利用越来越被认为是一种积极、有效、有前途的污泥处置方式，污泥施用于农田、林地、园林绿化建设中，能充分利用污泥中的营养成分和微量元素，增加土壤肥力，改善土壤结构[2]。但由于污泥中重金属含量普遍超标，土地施用后，会导致土壤重金属污染，危害植物生长，因此必须有效控制污泥中重金属的含量，寻找能在污泥中正常生长并对重金属元素有一定吸附能力的植物。

竹节树、湿地松是华南地区2种常见的园林绿化树种，适应性强，对环境条件要求不严，具有良好的抗逆性[3，4]，能在干旱、贫瘠、水湿环境中生长。本研究选择竹节树、湿地松为试验对象，通过探讨不同比例污泥处理下竹节树（Carallia brachiata）、湿地松（Pinus elliottii）的生长情况，以及对污泥的耐受性，比较2种植物对重金属的吸附与转运规律，为竹节树、湿地松在城市污泥土壤修复中的利用提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试植物为佛山市林业科学研究所苗圃播种繁育的红树科植物竹节树及松科植物湿地松幼苗。试验前置于佛山市林业科学研究所温室大棚内养护2周，养护后挑选长势良好、株高冠幅接近的苗木作為本次试验用苗。

供试土壤为不同比例配比的污泥和黄泥：污泥由佛山某污水处理厂提供;黄泥采自佛山林科所苗圃。对供试土壤进行干燥、除杂、过筛后备用。黄泥及河涌污泥重金属含量见表1。黄泥中5种重金属Pb、Cd、Ni、Cu、Zn含量均未超过DB 44/T 1415-2014[5]《土壤重金属风险评价筛选值 珠江三角洲》中规定的公共用地土壤重金属污染风险标准（以下简称“公共用地标准”），河涌污泥中Ni的含量远超过了GB 4284-2018[6]《农用污泥污染物控制标准》中规定的A级污泥农用时污染物浓度控制限值，Ni、Cu、Zn 3种重金属含量超过了珠三角地区公共用地标准。由于污泥中Pb、Cd含量较低，为了更好地了解植物对Pb、Cd、Ni、Cu、Zn 5种重金属的综合吸附能力，选择在河涌污泥中添加一定浓度的Pb、Cd，充分搅拌均匀后发酵稳定2周备用。

1.2 试验方法

试验于2019年在佛山市林业科学研究所温室大棚内进行。根据基质中污泥与黄泥不同配比设置3个处理组，分别为对照（纯黄泥）、50%比例污泥（黄泥∶污泥=1∶1，质量比）、100%比例污泥（纯污泥），将3种不同配比的基质分别加入到高20 cm、内径15 cm的塑料花盆中，每盆加入3.0 kg，3种不同配比的基质重金属含量见表2。选择大小一致，长势良好的竹节树、湿地松幼苗种植于花盆中，每盆种植1株，每种植物每个处理种植5株，种植时间 180 d，试验结束后收集植物样本。

1.3 试验数据调查及测定

1.3.1 生长指标测定

观察记录不同比例污泥施用条件下植物的生长状况，并测量试验前后植物的苗高、地径。苗高、地径采用直接测量法。

1.3.2 生物量测定

种植试验结束后，将收获的植物样本洗净，再用去离子水冲洗1～2遍，沥干水分后，将根、茎、叶分开。生物量的测定采用称量法，80 ℃杀青干燥至恒质量后分别对根、茎、叶进行称量。

1.3.3 重金属含量测定

将干燥后的样本磨碎后，分别测定根、茎、叶中Cu、Zn、Cd、Pb、Ni的含量。根据农业行业标准NY/T 1613-2008[7]，植物样本经HNO3-HClO4消解后，采用火焰原子吸收分光光度法测定5种重金属元素含量。

1.4 植物抗性评价

1.4.1 耐受能力评价

探究施加50%与100%比例污泥条件下植物对重金属的耐受能力。植物对重金属的耐受能力可以通过植物的耐性系数体现：当植物的耐性系数大于1时，表明植物耐受能力较强，能够较好的生长;当植物耐性系数小于1时，表明植物的耐受能力较差，生长受到了抑制[8，9]。计算公式为：

株高耐性系数=处理组株高/对照组株高

基径耐性系数=处理组基径/对照组基径

1.4.2 吸附能力评价

探究50%与100%比例污泥条件下，植物根、茎、叶对5种重金属的吸附能力。植物对重金属的吸附量能够很好地反映植物吸附能力。

1.4.3 转运能力评价

探究施加50%与100%比例污泥条件下，植物对重金属的转运能力。转运系数能够很好地说明重金属元素从土壤到植物中的迁移难易程度，转运系数越大，重金属从根系向地上部分转运的能力越强，当植物转运系数>1时，说明该植物能把大部分的重金属从地下迁移到地上部，有利于重金属的回收利用[10，11]。计算公式为：

转运系数=地上部分重金属含量/地下部分重金属含量。

1.5 数据处理

利用SPSS 21.0软件对数据进行处理，Excel 2010进行图形绘制。

2 结果与分析

2.1 不同比例污泥处理对植物生长的影响

施加不同比例污泥条件下，所有植物均能存活并生长。土壤中重金属对植物生长的影响主要从植物的苗高、地径、生物量的变化上体现出来。不同比例污泥处理180 d后，竹节树、湿地松株高、地径的增长及生物量的积累情况如表3所示。

2.1.1 不同比例污泥处理对植物株高、地径的影响

图1为施用不同比例污泥处理180 d后竹节树、湿地松的株高变化量。由图1可知，不同比例污泥处理条件下竹节树、湿地松的株高均能增长，但增长趋势有一定的差异。随着基质中污泥施用比例增多，竹节树株高增长量呈现逐渐降低的趋势，湿地松株高增长量呈现先增加后降低的趋势。50%及100%比例污泥施用条件下，竹节树株高增长量低于对照组，表明了施用污泥抑制了竹节树株高的生长。50%比例污泥施用条件下，湿地松株高增长量高于对照组，100%比例污泥处理下，株高增长量低于对照组，表明低浓度污泥处理能促进湿地松株高生长，而高浓度抑制湿地松的生长。

图2为施用不同比例污泥处理180 d后竹节树、湿地松的地径变化量。由图2可知，不同比例污泥处理条件下竹节树、湿地松的地径均能增长，但增长趋势有一定的差异。随着基质中污泥施用比例增多，竹节树地径增长量明显降低，湿地松地径增长量先增加后降低。50%及100%比例污泥施用条件下，竹节树株高增长量明显低于对照组，表明了施用污泥抑制了竹节树地径的生长。50%比例污泥施用条件下，湿地松地径增长量高于对照组，100%比例污泥处理下，地径增长量低于对照组，50%比例污泥处组与100%比例污泥组地径增长量有显著性差异，表明低浓度污泥处理能促进湿地松地径生长，而高浓度显著抑制生长。

2.1.2 不同比例污泥处理对植物生物量的影响

施用不同比例污泥对竹节树和湿地松根、茎、叶及总生物量的影响见图3、图4。由图3可知，施用50%比例与100%比例污泥条件下，竹节树根、茎、叶及总生物量积累均小于对照组，施用50%比例污泥组与对照组总生物量有显著性差异，施用50%与100%比例污泥组无显著性差异，说明施用不同比例污泥处理显著抑制了竹节树生物量的积累。由图4可知，施用50%比例污泥条件下，湿地松根、茎、叶及总生物量积累均大于对照组与100%比例污泥组，对照组与100%比例污泥处理组根、茎、叶及总生物量积累无明显差异，这说明低浓度污泥处理能促进湿地松生物量的积累，高浓度污泥处理对湿地松生物量积累无明显影响。

2.2 不同比例污泥处理下植物对重金属的耐受能力评价

不同比例污泥处理下，竹节树和湿地松苗高、地径的耐性系数如表4所示。由表4可知，50%与100%比例污泥处理下，竹节树株高、地径耐性系数均小于1，表明竹节树在污泥中生长的耐受性较差。50%比例污泥处理下，湿地松株高、地径耐性系数大于1，100%比例污泥处理下，湿地松株高耐性系数小于1，地径耐性系数大于1，表明湿地松在污泥中生长的耐受性较强。

2.3 不同比例污泥处理下植物对重金属的吸附能力评价

不同比例污泥处理条件下，竹节树和湿地松根、茎、叶中5种重金属含量分布情况见表5。由表5可知，竹节树在不同比例污泥处理条件下，根中Zn、Pb含量无显著性差异，Cd、Cu、Ni含量有显著性差异，50%比例污泥处理组中Cd含量显著高于对照组，Cu、Ni含量显著高于对照组与100%比例污泥处理组。不同比例污泥处理条件下，茎中Zn、Pb、Ni含量无显著性差异，Cu、Cd含量有显著性差异，50%比例污泥处理组中Cu、Cd含量显著高于对照组与100%比例污泥处理组。叶中Cu、Pb含量无显著性差异，Zn、Cd、Ni含量有显著性差异，100%比例污泥处理组中Zn含量显著大于对照组及50%污泥处理组，50%比例污泥处理组中Cd含量显著大于对照组及100%比例污泥处理组，Ni含量显著大于对照组;湿地松在不同比例污泥处理条件下，根、叶中5种重金属含量无显著性差异，茎中Cu、Pb、Cd、Ni含量无显著性差异，Zn含量有显著性差异，对照组Zn的含量显著高于50%比例污泥处理组。

综合来看，施加不同比例污泥后竹节树体内5种重金属含量都有不同程度的升高，在低浓度污泥处理下，植物体对Cu、Pb、Cd、Ni的吸附量大于高浓度处理组，对Zn的吸附量小于高浓度处理组，表明竹节树对低浓度的Cu、Pb、Cd、Ni及高浓度的Zn有一定的吸附能力;施加不同比例污泥后湿地松体内5种重金属含量无明显差异，表明湿地松对重金属吸附能力较差。

2.4 不同比例污泥处理下植物对重金属的转运能力评价

不同比例污泥处理下竹节树、湿地松对5种重金属的转运系数见表6。由表6可知，50%与100%比例污泥处理下，竹节树对Zn、Pb的转运系数大于1，对Cu、Cd、Ni的转运系数小于1，湿地松对Zn、Cd的转运系数大于1，对Cu、Pb、Ni的转运系数小于1，表明在50%与100%比例污泥条件下，竹节树对Zn、Pb的转运能力较强，能把大部分Zn、Pb从根系向茎、叶迁移，湿地松对Zn、Cd的转运能力较强，能把大部分Zn、Cd从根系向茎、叶迁移。

3 结论与讨论

50%比例污泥处理抑制了竹节树株高、地径的生长及生物量的积累，促进了湿地松株高、地径的生长及生物量的积累。100%比例污泥处理抑制了竹节树、湿地松株高、地径的生长，抑制了竹节树生物量的积累，对湿地松生物量积累无明显影响。所以，低浓度污泥处理抑制了竹节树的生长发育，促进了湿地松的生长发育，高浓度污泥处理抑制了竹节树和湿地松的生长发育。

50%与100%比例污泥处理下，湿地松的耐受能力较竹节树强。竹节树对低浓度的Cu、Pb、Cd、Ni及高浓度的Zn有一定的吸附能力，湿地松对5种重金属的吸附能力较弱。不同污泥浓度处理下，竹节树对Zn、Pb的转运能力较强，能把大部分Zn、Pb从根系向茎、叶迁移，湿地松对Zn、Cd的转运能力较强，能把大部分Zn、Cd从根系向茎、叶迁移。

综上所述，不同浓度污泥处理下，竹节树的生长差于对照组，这可能是由于竹节树对重金属有一定的吸附能力，且竹节树对重金属较为敏感，随着体内吸附的重金属含量的升高，一定程度上抑制了竹节树的生长。低浓度污泥处理下，湿地松的生长优于对照组，高浓度污泥处理下，湿地松的生长差于对照组，这是因为低浓度污泥处理下，湿地松对重金属的吸附能力较差，体内吸附的重金属含量较低，因此湿地松受到重金属的影响较小，而污泥中丰富的营养物质促进了湿地松的生长，但高浓度污泥处理抑制了湿地松对营养物质的吸收，因此高浓度污泥处理下生长较差。由于竹节树对污泥中大多数重金属有一定的吸附能力，湿地松对污泥有一定耐受能力，因此，竹节树可用于低浓度的Cu、Pb、Cd、Ni及高浓度Zn等重金属污染土地的修复，湿地松可应用于污泥施用土地的造林绿化。

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