淋洗后污泥对3种蔬菜种子萌发的影响

彭岗 常红 黄丽

摘要  以2种污泥（SA、SB）为材料，研究皂角苷和柠檬酸联合淋洗后污泥（LSA、LSB）对萝卜、白菜和生菜种子的发芽率、发芽指数和根伸长抑制率的影响。结果表明，淋洗后污泥（LSA、LSB）中的重金属（Cd、Cu、Ni、Cr、Pb和Zn）和养分（有机质、N、P）均降低。随污泥添加量（总干质量的5%～50%）的增加，3种蔬菜种子的发芽率减小；而淋洗后污泥提高了种子的发芽率，淋洗后污泥添加量为50%时，3种蔬菜种子的发芽率均在90%以上。3种蔬菜种子的发芽指数随淋洗污泥（LSA、LSB）添加量的增加呈上升趋势。与SA、SB相比，添加淋洗污泥后，3种蔬菜种子的根伸长抑制率增大，小白菜根伸长抑制率增加了32%～35%。

关键词  污泥；淋洗；种子；发芽率；发芽指数；根伸长抑制率

中图分类号  S 63   文献标识码  A   文章编号  0517-6611（2023）05-0206-05

doi： 10.3969/j.issn.0517-6611.2023.05.047

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Effects of Sludge on Seed Germination of Three Vegetables after Leaching

PENG Gang， CHANG Hong， HUANG Li

（Huazhong Agricultural University/Key Laboratory of Arable Land Conservation in Middle and Lower Reaches of Yangtze River， Ministry of Agricultureand Rural Affairs， Wuhan，Hubei 430070）

Abstract  The effects of sludge （LSA， LSB） after combined leaching of saponin and citric acid on the germination rate， germination index and root elongation inhibition rate of radish， cabbage and lettuce seeds were studied using two kinds of sludge （SA， SB） as materials. The results showed that the heavy metals （Cd， Cu， Ni， Cr， Pb and Zn） and nutrients （organic matter， N， P） in the sludge （LSA， LSB） were reduced after leaching. With the increase of sludge addition （5%-50% of the total dry mass）， the germination rate of the three seeds decreased;while the sludge increases the germination rate of the seeds after elution， and when the sludge addition amount is 50% after leaching， the germination rate of the three vegetables is above 90%. The germination index of the three vegetable seeds increased with the increase of the additive amount of leached sludge （LSA， LSB）. Compared with the unwashed sludge， after the addition of the leached sludge， the root elongation inhibition rate of the three vegetables increased， and the inhibition rate of root length of Chinese cabbage increased by 32%-35%.

Key words  Sewage sludge;Leaching;Seed;Germination rate;Germiration index;Root elongation inhibition rate

隨着城市污水处理厂数量的激增、规模的扩大，其副产物污泥也逐年增加，预计在2025年我国污泥（以含水率80%计）的产量会趋近于9 000万t［1］。 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［2-4］。污泥的土地利用已被证明是城市污泥最有前景的处置方法［5］。然而，城市污泥含有Cd、Cu、Pb等重金属，施用污泥必须控制重金属总量和毒性［6］。

长期施用污泥会增加土壤中的重金属，重金属通过阻碍电子传递、降低酶的活性、损伤细胞膜等影响植物种子的发芽和根的伸长［7］。研究表明，污泥施用量较低（5%～15%）时，小麦出芽率会有不同程度的提高，而施用量较高（25%～30%）时，会明显抑制小麦的出芽［8］。污泥对不同种子（如小白菜、生菜、青菜、黄瓜）具有不同程度的抑制作用［9-11］。而相比种子发芽率，其根长更易受到污染土壤的影响［10］。小白菜根伸长抑制作用随污泥用量的增加而增加，并随着时间推移呈现不同的趋势［12］。

化学淋洗技术具有简单、高效以及重金属去除率较高等特点［13］。其中皂角苷和柠檬酸由于具有易生物降解、不会产生二次污染、对环境影响较小等优点，作为一类环境友好型淋洗剂被广泛地应用于重金属修复领域［14-15］。已有研究表明，皂角苷和柠檬酸联合对污泥中的Cu、Pb 和Zn均有較好的去除效果，去除率分别可达43.16%、32.45%和38.69%［16］，使污泥中重金属的移动性、生物有效性和潜在生态风险减弱［17］。污泥中的重金属含量是影响种子萌发和根伸长的主要因素之一。低浓度的重金属能够提高种子的发芽率，而高浓度的重金属（如Pb2+20.0～80.0 mg/L、Cd2+5.0～20.0 mg/L、Cr6+5.0～14.0 mg/L）会抑制种子的发芽率［18］。研究表明，淋洗后降低了重金属含量，同时提高了高羊茅草的发芽率和株高等生长指标［19］。

虽然近年来污泥农用潜力的研究较广泛，但大多数污泥的农用均为直接利用或者简单处理。目前，污泥中的重金属去除技术日渐完善，但对于去除重金属后污泥的农业利用研究较少。鉴于此，笔者以城市污泥为材料，研究皂角苷和柠檬酸联合淋洗后污泥中重金属及营养元素的变化，并分析淋洗前后污泥对萝卜、小白菜和生菜种子的发芽率、根伸长抑制率和发芽指数的影响，以期为污泥的合理农业利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试土壤为武汉市华中农业大学校内试验基地的水稻土。将土壤风干、研磨、过20目和100目筛后备用。供试土壤为水稻土，其基本性质为pH 7.04、有机质含量4.26 g/kg、全氮含量0.56 g/kg、全磷含量0.26 g/kg、全钾含量10.69 g/kg。

污泥为武汉某污水处理厂2种污泥样品（SA、SB），经风干、剔除植物残渣和石块，研磨过100目筛备用。供试污泥SA、SB的含水量分别为77.99%、80.30%，烧失量分别为40.25%、41.04%，挥发性固体含量分别为37.74%、39.26%。

污泥淋洗制备：将皂角苷和柠檬酸联合淋洗剂（柠檬酸浓度为0.1 mol/L，皂素质量分数为1%，体积比为1 ∶5，液土比30 ∶1）分别加入SA和SB中，振荡24 h，离心后过滤，并用去离子水清洗7～8次，冻干得到淋洗后的污泥样品分别为LSA与LSB［16］。

供试作物的种子为萝卜（韩白玉）、小白菜（新绿秀）、生菜（金色抽穗生菜）。

1.2 试验设计

污泥按0（CK）、5%、10%、20%、50%的质量比充分与土壤混合，各装于直径为9 cm的玻璃培养皿中（每个皿中总质量为1 g），并用土壤作对照。加入10 mL去离子水，摇匀，再将大小适中的滤纸铺在溶液表面上，使其湿润。选择光鲜饱满的萝卜、小白菜和生菜种子，按萝卜每个发芽床15粒，生菜每个发芽床20粒，小白菜每个发芽床25粒，分别置于各发芽床上使之均匀分布，然后放入培养箱中于（25.0±0.5）℃条件下培养。其间，每隔24 h 观察1 次发芽率，连续48 h 发芽率不再变化，试验停止（萝卜、小白菜、生菜种子的发芽时长分别为144、96、96 h）。测量平均根长（根和芽接点处到最长根尖的长度），计算其发芽率、根伸长抑制率和发芽指数。每个处理重复3次。种子发芽和根伸长的各项指标计算公式［20］如下：

种子发芽率＝发芽种子总数／供试种子数×100%

根伸长抑制率＝ （空白根长－各处理根长）／空白根长×100%

发芽指数（GI）＝∑（Gt/ Dt）

式中，Dt为发芽日数，Gt为与Dt相对应的每天发芽种子数（取平均值）。

1.3 分析方法

污泥中的有机质采用重铬酸钾容量法-外加热法测定；pH采用pH 计（Five easy，FE20）测定（水土比2.5 ∶1，mL/g）；全氮采用半微量开氏法测定；全磷、速效磷采用钼锑抗比色法测定；全钾、速效钾采用火焰光度法测定；碱解氮采用碱解扩散法测定；重金属元素的全量分析采用HF-HClO4-HNO3-HCl 消解，原子吸收光谱仪（40FS AA，美国瓦里安公司）测定。

2 结果与分析

2.1 淋洗前后污泥中养分与重金属的变化

2.1.1     养分的变化。

从表1可以看出，污泥SA、SB中的有机质、全氮和全磷含量均较高，全钾含量则略低于供试土（10.69 g/kg）。淋洗后污泥的有机质、全磷、速效磷、全氮、碱解氮含量均有不同程度的降低。淋洗后污泥LSA、LSB的有机质含量分别为184.90和194.35 g/kg，与原污泥SA、SB相比分别下降了27.5%和34.6%；全磷含量的变化幅度较全氮的大，2种污泥的全磷含量分别降低63.0%和68.0%，而全氮含量分别下降了18.5%和14.0%。相比全量氮、磷，速效态的变化更为剧烈，其中速效磷含量降幅最大，LSA、LSB与SA、SB相比分别减少了80.1%和84.4%，碱解氮含量分别减少44.3%和63.9%，但全钾与速效钾含量的变化则不明显。由于污泥淋洗后进行了多次（7～8次）清洗，另外淋洗剂中残余的皂角苷可能与有机质、氮、磷发生络合反应，从而导致一部分养分的损失，但大部分养分的含量仍远高于供试土壤的。另外淋洗后2种污泥的pH变化较大，可能是淋洗采用的柠檬酸呈酸性，导致污泥的pH有一定程度的降低。

2.1.2    重金属的变化。

从淋洗前后污泥的重金属含量变化（表2）可以看出，SB中的Cd、Cu、Ni、Zn、Cr含量均高于SA，经过皂角苷与柠檬酸联合淋洗后污泥的重金属含量有所降低。淋洗后污泥LSA各重金属含量低于国家污泥农用标准GB 18918—2002，而淋洗后污泥LSB中除Cd外，其他元素也低于国家污泥农用标准。淋洗对Cu的去除效果最好，含量分别降低了31.0%和53.8%；Cd含量分别降低了31.9%和22.0%，而Ni与Cr的去除率均低于20.0%。这可能与重金属的存在形态、皂角苷与重金属的络合能力有关［21］。有研究表明，皂角苷和柠檬酸都更容易与Cu2+形成配合物，导致Cu2+的整体去除率高于Cd2+［22-23］。另外，重金属的去除率还与污泥的类型、有机质含量、重金属浓度、重金属的存在形态络合能力有关［24］。

2.2 污泥利用对蔬菜种子发芽的影响

2.2.1    发芽率。

从表3可以看出，SA、SB中，随培养时间的延长，萝卜种子的发芽率逐渐增加。48～120 h时SA污泥添加量为5%（SA-5%）處理的萝卜种子发芽率高于对照（CK）的，这可能是施加污泥提高了培养基中液体的脂质、糖、蛋白质和矿质养分等物质，种子萌发吸水时，培养基内的营养物质一定程度上促进了种子发芽［25-26］；而培养到144 h时发芽率为96.7%，略低于CK的（发芽率100.0%），120 h以前重金属能促进种子萌发或对种子萌发无影响，但随着时间的延长，种子体内重金属浓度增加，抑制了种子的发芽［27］。随污泥添加量的增加，萝卜种子的发芽率降低，例如50%添加量的SA和SB 处理（SA-50%、SB-50%）在培养时间为144 h时，种子的发芽率分别仅为50.0%和46.6%，可见污泥施加量越大，重金属含量越高，发芽率越低，这与砂质土壤中添加城市污泥对小白菜萌发影响的结果类似［28］。

添加LSA与LSB培养96 h内，各处理的发芽率均高于CK，其中96 h淋洗污泥LSA和LSB添加量为50%处理（LSA-50%、LSB-50%）的发芽率由CK的80%分别提升至96.6%和86.7%。在发芽试验结束时，添加LSA与LSB污泥5%～50%处理的种子发芽率均在90.0%左右。

添加污泥SA、SB在0～144 h对萝卜种子发芽率的影响趋势是一致的。但SB-50%处理在培养48 h的种子发芽率（26.6%）低于SA-50%处理（46.7%），可能是SB污泥中的多数重金属含量较高，重金属能与种子细胞内蛋白质、核酸和脂质发生反应，阻碍了种子的萌发与根系的生长［29］。

与萝卜种子相比，污泥对小白菜种子的发芽率影响较大（表4）。添加SA培养24 h，5%、10%、20%、50%处理的发芽率分别为86%、82%、78%、78%，均低于对照（90%）。添加SB培养96 h，50%处理的发芽率最低，仅为86%，而其他处理的发芽率均在90%以上。

在48 h，添加LSA与LSB，10%、20%、50%处理相比于CK，种子的发芽率均有所提高。在72 h，LSA-50%处理能够促进种子的萌发，发芽率比CK提高了2百分点，但LSB-50%处理对种子发芽率的影响不明显。

整体上来看，2种污泥对萝卜种子发芽率的影响大于小白菜种子发芽率，这可能与种子对重金属的耐受程度不同有关。在96 h后，不同污泥添加对小白菜种子发芽率的影响不明显，这可能是小白菜对重金属有较强的吸收作用，也比较敏感［30］，导致小白菜处理间的种子发芽率变化不明显。

从表5可以看出，96 h内，相比于CK，添加SA、SB分别为10%、20%、50%的处理降低了生菜种子发芽率。SA-50%与SB-50%处理的发芽率均较低，在发芽试验结束时（96 h）分别仅为62.5%和77.5%，而LSA-50%和LSB-50%处理的发芽率均提高至100%。可见淋洗污泥（LSA-50%、LSB-50%）明显提高了生菜种子发芽率。

2.2.2    发芽指数。

从表6可以看出，添加5%的SA污泥后，3种蔬菜种子的发芽指数均大于CK，说明一定量SA污泥对种子的萌发起到促进作用［31］。但是高用量（20%～50%）的污泥仍然对种子发芽有抑制作用，如在SB-50%处理时，萝卜种子的发芽指数仅为9.20。相比于污泥淋洗前（SA、SB），淋洗后20%添加比例的各处理种子发芽指数有所增加，而50%添加比例的各处理（除LSA-50%小白菜除外）种子的发芽指数有不同程度的增加，LSB-50%处理的生菜种子发芽指数较SB-50%增加了21.88。3种蔬菜种子的发芽指数随淋洗污泥（LSA、LSB）添加量的增加呈上升趋势。

整体来看，3种蔬菜种子中，SA污泥的发芽指数均高于SB污泥，可能是因为SB污泥中的多数重金属含量高于SA。

2.2.3    根伸长抑制率。

从图1可以看出，3种蔬菜的根伸长抑制率均随污泥添加量的增加而增大。SA-50%、SB-50%处理中，萝卜、小白菜、生菜的根伸长抑制率均接近100%，可见增加污泥添加量对根长的抑制作用增大，这与城市污泥对青椒根系抑制作用的研究结果类似［32］。2种污泥相比，添加SB的处理根伸长抑制率较高于SA。

与SA、SB相比，LSA和LSB处理下的根伸长抑制率反而增大，其中小白菜的抑制率增幅最大，各处理增加32%～35%。3种蔬菜中小白菜的根伸长抑制率最高。

有研究表明，重金属对种子根长的影响较发芽率更为显著，均表现为根长随着土壤中重金属含量的增加而减小［33-34］，重金属是影响种子根长的重要因素。种子发芽时可从胚内得到养分供应，这使得重金属对种子的毒害作用在一定范围内表现为部分抑制；而根从一开始就完全暴露于土壤中，其生长和发育全过程受重金属污染的影响较大，所以根对重金属污染的反应更为敏感［35］。另外，该研究中添加淋洗后污泥的种子根伸长抑制率反而增大，这可能是淋洗后污泥的pH降低，影响细胞壁的组分和重金属的生物有效性，进而抑制根系的生长［36］。

3 结论

淋洗会导致污泥中养分的淋失，使有机质、氮、磷、钾含量均有不同程度的下降，其中以磷的变化幅度最大。淋洗后各重金属含量均降低，其中对Cu的去除效果较好，可达30%以上。

总体来看，随原污泥（SA、SB）添加量的增加，3种蔬菜种子的发芽率和发芽指数均降低，其中，在SA-50%和SB-50%处理下，萝卜的发芽率均不高于50%。与SA相比，SB对萝卜和生菜种子的发芽率和发芽指数均降低。与原污泥（SA、SB）相比，淋洗后污泥（LSA、LSB）提高了种子发芽率，但不同添加量对种子的发芽率没有显著影响。3种蔬菜种子的发芽指数随淋洗污泥（LSA、LSB）添加量的增加呈上升趋势。

相比于SA和LSA，SB和LSB对种子的根生长抑制率更明显。根伸长抑制率均随污泥（SA、SB、LSA、LSB）添加量的增加而增大，当污泥（SA、SB、LSA、LSB）添加量为50%时，3种蔬菜根伸长抑制率均接近或达到100%。在添加污泥（SA、SB、LSA、LSB）处理下的小白菜根伸长抑制率高于萝卜、生菜的根伸长抑制率。添加淋洗污泥后，种子的根伸长抑制率增大，其中对小白菜种子的根伸长抑制率增加了32%～35%。

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