朱秀紅 溫道遠 韓曉雪 楊金橘 茹廣欣

摘要：研究了施用不同比例（0、5%、10%、15%、20%）的城市污泥堆肥對龍葵生長和重金屬含量的影響以及混合土壤理化性質、重金屬含量的變化，以探究城市污泥堆肥農(nóng)用潛力。結果表明，城市污泥堆肥不同施用比例下，土壤氮磷鉀和有機質含量均顯著增加，施用污泥堆肥不同比例的龍葵植株干重從大到小順序為5%、10%、15%、 0（CK）、20%，當施用比例為5% 時，龍葵的干重達最大值5.04 g，較對照不施城市污泥堆肥提高了49.81%。土壤中的重金屬 Cu、Zn、Pb、Cr、Cd 等含量均隨污泥施用比例的增加逐漸升高，但均不超過污泥農(nóng)用泥質B級標準?；旌贤寥乐械闹亟饘俦积埧患患侩S堆肥的用量逐漸升高。低濃度下（施用比例為5%）龍葵生長良好，對混合土壤有很強的耐受性，高濃度（施用比例為15%～20%）會對龍葵植株產(chǎn)生毒害作用，甚至導致植株凋亡。綜上分析，低濃度（5%）為最適宜龍葵生長的污泥堆肥施用濃度。

關鍵詞：城市污泥堆肥;龍葵;植物生長變化;重金屬

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.

城市污泥中含有豐富的有機質、N、P及植物生長所必需的微量元素，是一種很好的有機肥源[1 ]。大量研究表明，城市污泥通過混合添加劑進行堆肥，可稀釋重金屬濃度，提高污泥堆肥養(yǎng)分含量，改善土壤結構和性能，從而進行農(nóng)業(yè)利用[2 ]。城市污泥中含有大量重金屬，高溫堆肥雖能有效降低其重金屬的生物有效性，降低其毒性，但其含量并不會消減，因此堆肥污泥資源化利用不可避免的會將有毒有害的重金屬帶入到土壤中[3 ]。國內外學者利用污泥改良土壤種植超富集植物，在植株生長期通過施肥、適時刈割等農(nóng)業(yè)措施，可以提高超富集植物對土壤中重金屬的去除能力[4 ]。陳啟敏[5 ]研究發(fā)現(xiàn)，施加3%污泥堆肥時土壤性質得以改善，紫花苜蓿（Medicago sativa）的生長量提高，且堆肥量在15%以下均為安全用量。王婧等[6 ]發(fā)現(xiàn)施用污泥堆肥既促進了合果芋（Syugouium podophyllum）生長，又降低了土壤重金屬污染的風險。植物對污泥改良土壤的效應和對重金屬富集、轉移系數(shù)都高度依賴于污泥施用比例。劉強等[7 ]研究發(fā)現(xiàn)，高羊茅（Festuca arundinacea Schreb）和萬壽菊（Tagetes erecta）在污泥堆肥施加比例分別為10%和5%時植物生物量、株高達到最大值，且對污泥混配土壤中的Zn和Cu有較好去除效果;Orman等[8 ]發(fā)現(xiàn)紫苜蓿（Medicago sativa）對重金屬的富集系數(shù)和轉移系數(shù)大小與污泥施用量有明顯的相關性。污泥堆肥施用最佳比例因植物而異，因此，污泥堆肥劑量對植物生長及其重金屬吸收能力的影響還需開展更多研究。

龍葵（Solanum nigrm L.）是一種鎘超富集植物，為茄科茄屬一年生或多年生草本植物。由于其生長周期短、富集能力強、生物量較大，即便在高濃度重金屬環(huán)境中其生長也不會受到影響，具有顯著的生態(tài)價值和經(jīng)濟效益，因此成為植物修復機理研究和應用的良好材料[9 ]。我們采用龍葵盆栽試驗，將城市污泥與玉米秸稈堆肥作為肥料施入土 壤[10 ]，研究了不同污泥施用比例對龍葵生長變化及土壤理化性質的影響，為以后城市污泥的資源化利用提供參考。

1? ?材料與方法

1.1? ?供試材料

供試植物為龍葵（Solanum nigrum L.），種子為野生龍葵良種，購買于鄭州市某種子公司。供試土壤為河南農(nóng)業(yè)大學第三生活區(qū)0～20 cm表層褐土。供試污泥為含水率80%的脫水污泥，由鄭州市五龍口污水處理廠提供。

1.2? ?試驗設計

以脫水污泥為堆肥基質，以碎至2 cm的玉米秸稈為堆肥填充料，污泥與秸稈的質量配比為3∶1，堆肥時間為30 d[11 ]。選用河南農(nóng)業(yè)大學第三生活區(qū)0～20 cm表層土作為盆栽基質，土壤經(jīng)自然風干后去除雜質過20目篩。城市污泥堆肥后自然晾干、粉碎過20目篩，以底肥的形式按質量比0%（CK）、5%（T1）、10%（T2）、15%（T3）和20%（T4） 充分混勻后—次性施入直徑18 cm、高16 cm的塑料盆缽，每盆裝混合土3 kg，下帶托盤。供試材料基本理化性質與重金屬含量見表1。堆肥產(chǎn)品中有機質含量、重金屬含量和其他養(yǎng)分均符合我國《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置——農(nóng)用泥質標準》（見表1）[12 ]。龍葵種子經(jīng)恒溫培養(yǎng)催芽后選取長勢一致的幼苗于4月5日移入盆缽，每盆栽4株，每處理3個重復，種植于河南農(nóng)業(yè)大學第三生活區(qū)透光塑料大棚。

1.3? ?測定指標及方法

從2018年4月15日至2018年6月4日，每10 d測定1次盆中植株株高，連續(xù)測定6次[13 ]。土壤及堆肥產(chǎn)品的pH采用1∶2.5土水比電位法測定[14 ]。將供試植物用蒸餾水清除雜質，再用去離子水反復沖洗干凈后放入105 ℃烘箱，2 h后置于80 ℃下烘干至恒質量，稱量干重[15 ]。土壤基本理化性質參照《土壤農(nóng)化分析》測定[16 ]。樣品消解采用HNO3-HF-HCl 微波消解法，重金屬總量采用火焰原子吸收分光光度計測試[17 - 18 ]。

1. 4? ?數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2007 進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計; 用SPSS 19. 0 統(tǒng)計軟件進行單因素方差分析;用Origin 9.2繪制圖表。

2? ?結果與分析

2.1? ?施用污泥堆肥對土壤的影響

2.1.1? ? 對土壤重金屬含量的影響? ? 從表2可以看出，混合土壤中Cr、Cu、Zn、Cd、Pb的含量大都顯著高于CK，重金屬的含量隨污泥堆肥用量的增加而顯著上升。T1處理、T2處理下，施肥混合土壤中重金屬含量均低于土壤環(huán)境質量二級標準（GB 15618 — 1995），重金屬沒有對施肥混合土壤造成嚴重危害和污染[18 ];而在T3處理、T4處理下（污泥堆肥施用比例為15%、20%時）施肥混合土壤中Zn含量已超出或逼近土壤環(huán)境質量二級標準，這可能是因為城市污水管道中含有Zn鍍層，而Cd常與Zn、Pb共存，導致Cd含量也超出或逼近臨界值。另外土壤背景值的各重金屬含量除Zn外均小于土壤環(huán)境質量一級標準，Zn、Cd相比其他重金屬更容易被農(nóng)作物所吸附[19 ]，因此污泥堆肥中的重金屬在土壤中的殘留累積必然會成為其在土地利用中連續(xù)施用的潛在危害，施用量以及施用周期等均需嚴格控制。短期或者間隔一定年限施用可以達到農(nóng)田安全利用的要求[2 ]。

2.1.2? ? 對土壤養(yǎng)分含量的影響? ? 污泥堆肥施入土壤后可改變土壤的物理、化學及微生物特性[19 ]。城市污泥經(jīng)過堆肥后呈中性，將風干后的表層土樣與污泥堆肥按不同比例混合后發(fā)現(xiàn)，其對土壤具有緩沖作用，混合土壤隨污泥堆肥用量增加pH逐漸降低。污泥堆肥以底肥形式施入土壤后，混合土壤中有機質、全氮、全磷、全鉀含量隨施用比例逐漸增加（表3）。T1、T2、T3、T4處理的混配土壤中，有機質含量比CK分別提高了143.90%、283.91%、339.13%、540.34%，全氮分別是CK的645.95%、843.24%、865.54%、925.57%;全磷分別是CK的102.19%、149.18%、269.95%、370.49%;全鉀分別是CK的197.14%、368.57%、330.29%、540.57%。說明施用堆肥可以顯著提高土壤中有機質和全氮、全磷、全鉀等營養(yǎng)元素的含量，可能是因為堆肥產(chǎn)品與土壤混配后有機態(tài)營養(yǎng)物質發(fā)生礦化，提高了有機質及營養(yǎng)元素的含量[13 ]。

2.2? ?施用污泥堆肥對龍葵植株的影響

2.2.1? ? 對龍葵株高變化的影響? ? 龍葵在施加污泥堆肥后，株高的增長量變化差異明顯。施用污泥堆肥20 d內，各處理下龍葵株高差異不顯著。施加污泥20 d后，在T4濃度（污泥堆肥施用比例為20%）下，龍葵逐漸表現(xiàn)出重金屬毒害癥狀，具體表現(xiàn)為葉片邊緣焦枯，下層葉片失綠脫落，植株生長緩慢;其余處理下毒害作用輕微或無不良現(xiàn)象，并于5月10日前后進入速生期，在污泥堆肥施用比例為5%～15%的范圍內，堆肥產(chǎn)品的肥效營養(yǎng)作用促進了龍葵生長，而T4（污泥堆肥施用比例為20%）處理抑制了龍葵生長并出現(xiàn)死株，說明過量施加污泥堆肥產(chǎn)品會抑制植物生長。從圖1可以看出，不同處理的污泥堆肥在龍葵生長初期對其生長變化影響不明顯，隨著生長期延長，各處理呈現(xiàn)差異性。其中在T1處理下，龍葵株高達到最大值32.3 cm，相對于CK增長了49.54%。而在T4處理下，龍葵生長發(fā)育遲緩，葉片失綠變黃且過早脫落，株高低于對照最終凋亡。這可能是因為城市污泥中的有害物質超過了龍葵耐受性的最大閾值[20 ]。T2處理、T3處理在龍葵生長期內略高于對照，植株收獲時比CK分別增長29.17%、25.00%。

2.2.2? ? 對龍葵生物量的影響? ? 生物量是指某一時刻單位面積內實存生活的有機物質（干重）總量，植株的干重與有機物的積累有 關[21 ]。從圖2可以看出，T1處理、T2處理、T3處理的植株生物量均高于CK，比CK 分別增加了49.81%、35.85%、20.75%。T1處理、T2處理的龍葵可以正常生長，T1處理的干重最高，達5.04 g。T3處理的植株出現(xiàn)輕微毒害癥狀，葉緣淡黃微焦，葉片枯黃，干重為4.07 g。表明龍葵對重金屬具有一定程度的耐受性，其生物量隨污泥堆肥施用比例的增加呈先增加后減少的趨勢。植物受到的迫害越嚴重，干質量和鮮質量的減少量越大[22 ]。T1處理的龍葵生物量最高，說明污泥堆肥在低比例范圍內更有利于龍葵的生長;而T4處理的龍葵生物量與CK相比降低了36.11%，說明高比例處理對龍葵生長抑制作用明顯。周麗麗[23 ]研究發(fā)現(xiàn)，污泥堆肥除含有機質，N、P、K等營養(yǎng)元素外，同時也含有對植株生長有抑制作用的物質，當這些物質的濃度超過植株的傷害閾值，植物就會出現(xiàn)傷害癥狀;當這些物質的濃度超過其致死濃度時，就會使植株死亡。表明T1處理（污泥堆肥施用比例為5%）是適合龍葵生長的最優(yōu)施用量，T3處理（污泥堆肥施用比例為15%）和T4處理（污泥堆肥施用比例為20%）會使龍葵生長受到抑制甚至凋亡。

2.2.3? ? 對龍葵植株重金屬含量的影響? ? 圖3表明，施用污泥堆肥后，各組處理的龍葵植株地上部Zn、Cu、Cr和Cd含量均高于CK處理，且隨污泥施用比例的增加而顯著增加，Pb含量除T4處理外，其余處理均高于CK，說明污泥中的重金屬被植株富集，這與李淑芹等[24 ]施用城市污泥堆肥對大豆種植研究結果相同。Cd和Zn的含量遠遠超過CK且存在明顯相關性。魏樹和等[25 ]發(fā)現(xiàn)，龍葵是Cd的超積累植物，在Cd投加濃度為25 mg/kg條件下，龍葵莖和葉中 Cd含量超過了Cd超積累植物的臨界含量標準（100 mg/kg），且植物的生長未受抑制，這與本試驗結果相似。重金屬Pb和Cr的含量隨污泥用量出現(xiàn)呈先增加后下降的趨勢，可能是由于T4處理的植物生長緩慢并逐漸凋亡，導致其積累能力較低。重金屬Cu的含量各處理間差異不顯著。

從圖4可以看出，施用污泥堆肥后，各組處理龍葵地下部根系的Zn、Pb、Cu、Cr和Cd含量均高于對照。重金屬Cd、Pb和Zn含量在T3時達到最大值，分別為0.64、5.39、225.64 mg/kg，這是因為T3處理的混合土壤中重金屬含量較高，此時有害物質的濃度已超過龍葵的傷害閾值，龍葵在生長過程中表現(xiàn)出明顯傷害癥狀。重金屬Cu在龍葵地下部分的含量隨污泥濃度增加而增加且在T4處理時達到最大值。林義章等[26 ]發(fā)現(xiàn)，Cu污染會抑制葉綠素合成和根系生長，T4處理的龍葵生長緩慢，根部有腐爛現(xiàn)象，與本次試驗結果相似。施用堆肥后，高濃度處理下重金屬Cr含量升高，低濃度下差別不顯著，說明龍葵對重金屬Cr富集能力較弱。

3? ?結論與討論

試驗表明，施用堆肥產(chǎn)品對龍葵株高及生物量均有不同的影響，城市污泥堆肥施用比例為5%、10%、15%時均可以促進植株生長，當城市污泥堆肥施用比例為20%時會抑制植物生長甚至凋亡。城市污泥堆肥施用比例為5%的施用比是有利龍葵生長的最佳施用量。城市污泥堆肥施用比例為5%時混合土壤中重金屬 Cu、Zn、Pb、Cr、Cd含量分別為34.70、131.72、17.68、44.28、0.12 mg/kg，符合我國土壤環(huán)境質量（GB15618—1995）二級標準。即城市污泥作用于混配土壤，使其全氮、全磷、全鉀及有機質的含量隨施用量的增加而顯著增加，改善了土壤質量，達到了資源化利用的目的。龍葵作為超積累植物，對低濃度（5%）污泥堆肥表現(xiàn)出較好的耐受性，而過高濃度（15%～20%）則會超過其傷害閾值，出現(xiàn)毒害癥狀甚至凋亡。在龍葵生長期進行適時刈割，可以達到去除土壤重金屬的效用。污泥的滲出液中含有重金屬和N、P、K等營養(yǎng)元素，當其通過地表徑流進入河流、湖泊或者海洋中，易造成水體富營養(yǎng)化，重金屬遷移等環(huán)境問題[15 ]，因此城市污泥產(chǎn)品用量不宜長期大量施用。

本研究發(fā)現(xiàn)，城市污泥與玉米秸稈混合堆肥后作為底肥改善了土壤理化性質，混合土壤有機質以及氮磷鉀等元素均隨著堆肥產(chǎn)品用量的增加而逐漸升高，在農(nóng)業(yè)方面具有資源化利用的效果。堆肥產(chǎn)品總體上呈中性，與土壤混合后5%、10%、15%、20%處理的pH分別為7.45、7.26、7.25、7.19?；旌贤寥赖膒H小幅度降低，說明施用堆肥產(chǎn)品具有一定的緩沖作用。低濃度施用污泥堆肥產(chǎn)品對植株的株高和生物量均有顯著促進作用，而過高濃度則會導致植株死亡。其可能的原因一是污泥堆肥產(chǎn)品中含有激素類物質、有機物質以及豐富的氮磷鉀等元素，增加了混合土壤的肥效，對植物的生長發(fā)育具有促進作用。但隨著施用量的增加，龍葵的株高、生物量均呈現(xiàn)降低趨勢，說明過量施用堆肥產(chǎn)品會抑制植物的生長[18 ];二是污泥堆肥產(chǎn)品中重金屬含量較高，龍葵作為超富集植物對重金屬脅迫具有快速響應的特點，當重金屬含量超過其最大閾值就會導致植株死亡。施用城市污泥堆肥后，初期各處理的植物長勢差別不明顯，后期表現(xiàn)出促進植物生長的效果，這可能是由于一是污泥堆肥作為有機肥其肥效持續(xù)時間較長，在植物生長初期可利用物質含量較少，但隨著時間的延長，堆肥產(chǎn)品中物質發(fā)生轉化，逐漸表現(xiàn)出堆肥產(chǎn)品的肥效營養(yǎng)作用[2 ];二是污泥中起抑制作用的激素類物質和有機污染物等物質被土壤微生物逐漸分解流失，導致其含量逐漸降低，抑制作用減弱[21 ];三是隨著植物的生長，其對環(huán)境的適應能力增強，抗逆性提高。施用污泥堆肥會使施肥土壤中的重金屬增加，引起植物體內重金屬含量的增加。污泥堆肥中的重金屬被添加到土壤中后，少量具有生物有效性的重金屬被植株吸收，大部分重金屬漸趨于穩(wěn)定被截留在土壤中[2 ]。馬可婧等[27 ]、馬雙進等[28 ]研究重金屬淋溶遷移的結果顯示，重金屬Cd、Pb具有較強的遷移性，因此污泥堆肥農(nóng)用需控制污泥堆肥施用量，在施用污泥堆肥時，除考慮重金屬殘留累積的危害外也應注意重金屬遷移、危害水資源等問題。

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（本文責編：鄭立龍）