污泥有機肥改良鉛鋅尾礦對4種草本植物生長和重金屬積累的影響

張 凱， 李 軍， 魏忠義， 劉 影

(沈陽農業(yè)大學 土地與環(huán)境學院， 遼寧 沈陽 110866)

污泥有機肥改良鉛鋅尾礦對4種草本植物生長和重金屬積累的影響

張 凱， 李 軍， 魏忠義， 劉 影

(沈陽農業(yè)大學 土地與環(huán)境學院， 遼寧 沈陽 110866)

摘要：[目的] 研究添加不同量的污泥有機肥對生長在鉛鋅尾礦中的黑麥草、白三葉、草木樨、沙打旺4種植物生長狀況和對Pb，Zn，Cu，Cr，Cd累積的影響，以期為合理利用污泥有機肥改良、修復尾礦庫提供理論依據(jù)。[方法] 采用盆栽試驗的方法。[結果] 20 g/kg處理水平下，4種植物株高、根長、地上鮮重、根鮮重均達到最大。施肥處理下，供試的4種植物葉綠素a+b含量均比對照高。隨著改良劑含量的增加，黑麥草、白三葉丙二醛含量呈下降趨勢。黑麥草、白三葉、草木樨體內Pb，Zn，Cd含量在10 g/kg處理水平下達到最大，在20 g/kg水平下降低。[結論] 隨著有機肥添加量的增加，重金屬量向植物體內轉移減少，有利于緩解重金屬的毒害作用。

關鍵詞：鉛鋅尾礦； 黑麥草； 白三葉； 污泥有機肥

尾礦是采選礦產生的工業(yè)固體廢物,其堆積形成的尾礦庫占有和破壞了大量的土地資源。尾礦基質不良的物理性質、貧瘠的營養(yǎng)環(huán)境、高濃度的重金屬積累對植物的生長造成了嚴重的影響[1-3]。由于地表植物種類稀少，水土流失嚴重，重金屬等污染物隨雨水和揚塵容易擴散，尾礦庫已成為嚴重的重金屬污染源。目前對尾礦治理的方法主要有覆土造田、有機廢棄物改良及植被重建3種。其中覆土方式已得到肯定，其缺點是土源缺乏，添加有機肥工程量大。利用有機廢棄物改良的方法可以克服占用大量土層、受尾礦性狀所限治理不便等弊端。而植被重建是控制尾礦重金屬污染，恢復礦山生態(tài)的最長效手段[4]。其方法是通過選取適當種子和改良劑使植物迅速發(fā)芽、成長以達到植被修復的目的。有研究[5]證明，污泥有機肥是一種優(yōu)良的土壤改良劑，可以改良尾礦的營養(yǎng)環(huán)境，改變重金屬活性，影響植物對重金屬的吸收和積累，有機肥改良尾礦成為種植重金屬耐性植物的一種經濟有效的措施。隨著我國城市污水處理廠越來越多，由此產生的污泥也越來越多。若不能有效處理這些污泥不僅造成大量的資源浪費，還會帶來嚴重的環(huán)境問題。近年來，將污泥堆肥化處理制成有機肥、研究其效果及應用范圍的有關研究受到了廣泛的關注。鐘熹光[6]等研究表明，污泥應用于養(yǎng)分水平低的砂質土效果較好。郭媚蘭[7]等試驗表明，污泥肥效相當于優(yōu)質農家肥。陳同斌[8]等盆栽試驗表明,城市污泥堆肥不僅可以明顯提高栽培基質的有效氮、磷含量,提供植物生長所需的養(yǎng)分,而且可以增強栽培基質的保水性能和植物的抗旱能力。若將這種有機肥用于尾礦庫改良修復，不僅可以減少土壤的用量，還能使污泥得到合理的利用。

尾礦庫惡劣的生態(tài)環(huán)境，依靠自然恢復困難大、周期長。要快速恢復植被覆蓋就要選擇播種、栽植容易，根系發(fā)達，生長速度快，生命力強，具有較強的抗逆性的植被。草本植物符合這些要求，能快速形成群落。為此，本試驗通過盆栽試驗研究尾礦中添加不同量污泥有機肥對4種植物生長狀況及某些生理指標的影響，以期為合理利用污泥有機肥改良、修復尾礦庫提供一定的理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1　供試材料

供試作物分別為黑麥草(Loliummultiflorum)，白三葉(Trifoliumrepens)，草木樨(Melilotussuaveolens)，沙打旺(Astragalusadsurgens)4種植物。

尾礦采自遼寧省某鉛鋅礦；污泥有機肥來自沈陽市某污泥堆肥處理廠，粉碎過60目篩。尾礦、污泥有機肥重金屬含量和pH值情況詳見表1。污泥有機肥堿解氮含量5 049.02 mg/kg，速效磷含量1 081.48 mg/kg，速效鉀含量1 265.30 mg/kg。

表1　尾礦砂和污泥有機肥的重金屬含量和pH值

1.2　試驗設計

盆栽試驗設4個處理(表2)，分別種植黑麥草、白三葉、草木樨、沙打旺4種植物，每個處理3次重復。用污泥有機肥作尾礦改良劑，將2 kg尾礦砂及相應的污泥有機肥裝入直徑15 cm、高20 cm的盆缽，混勻后加水平衡1周。試驗于2013年6月14日播種，每盆播種30粒。種子萌發(fā)后每盆保留20株健壯植株，于每天早上澆水1次，每次500 ml。60 d后收取植物樣品，每盆選取5株具有代表性的植株測定Cu，Pb，Zn，Cr含量、株高、根長、葉綠素含量、地上部生物量、地下部生物量以及黑麥草、白三葉的丙二醛含量(由于草木樨和沙打旺兩種植物生物量較低，無法測定丙二醛含量，因此只測定黑麥草和白三葉中的丙二醛含量)。

表2　盆栽試驗方案

1.3　分析與測定方法

植物樣重量采用天平稱重；葉綠素含量采用96%乙醇提取比色法測定[9]；pH值采用砂水比為1∶2.5的pH計測定[10]；丙二醛采用硫代巴比妥酸比色法測定[11]；植物體重金屬含量采用硝酸—高氯酸(4∶1)消煮，ICP-OES測定。

2結果與分析

2.1　鉛鋅尾礦添加改良劑對4種植物生長的影響

經過60 d的生長期，對照組中4種植物均可以生長。各植物株高、根長、生物量測定結果詳見表3。從表3中可以看出，隨著污泥有機肥施入量增加，黑麥草各指標不同程度增大。在Q20處理下生物量中各指標達到最大值，株高和對照比較增加了186%，根長增加了443%，地上鮮重增加了5 520%，根鮮重增加了10 067%。和對照比較，Q5水平下株高、根長差異顯著；Q10和Q20水平下株高、根長、地上鮮重和根鮮重差異顯著。與Q5比較，Q10水平下根長、地上鮮重和根鮮重差異顯著；Q20水平下各指標差異顯著。Q10與Q20比較各指標差異均顯著。白三葉株高、根長、生物量隨污泥有機肥施入量增加逐漸增大。Q20處理下白三葉生物量中各指標達到了最大。Q20處理和對照相比，白三葉株高增加了650%，根長增長了140%，地上鮮重增加了3 094%，根鮮重升高了1 889%。與CK比較，Q5水平下，株高差異顯著；Q10水平下株高、根長差異顯著；Q20水平下株高、根長、地上鮮重差異顯著。與Q5相比，Q10處理下根長差異顯著，Q20處理下株高、根長差異顯著。Q10與Q20比較株高差異顯著。草木樨株高、地上鮮重和根鮮重在Q20水平下達到最高。和對照比較，株高增加了584%，地上鮮重增加了1 953%，根鮮重增加了291%。草木樨根長在Q5處理下達到最長，比對照增加了17%。CK，Q5，Q10，Q20這4種處理之間株高差異顯著。沙打旺Q20處理下各指標達到最大。和對照比較，株高增加了67%，根長增長了10%，地上鮮重增加了79%，根鮮重升高了11%。CK，Q5，Q10，Q20這4種處理之間各指標差異不顯著。Q20處理下黑麥草株高、根長和生物量顯著高于其他3種植物,白三葉、草木樨和沙打旺之間株高差異顯著；白三葉和草木樨根長差異不顯著，但與沙打旺差異顯著。

表3　不同處理對植物株高、根長、生物量的影響

注：地上鮮重和根鮮重均為5株植物鮮重，不同的小寫字母表示處理間差異達5%顯著水平。下同。

2.2　鉛鋅尾礦添加改良劑對植物體內葉綠素的影響

對4種植物葉綠素含量檢測(表4)發(fā)現(xiàn)，對照中黑麥草葉綠素a含量為0.50 mg/g，葉綠素b為0.08 mg/g，添加有機肥后葉綠素a為0.53~0.71 mg/g，葉綠素b為0.10~0.18 mg/g。Q10處理下黑麥草葉綠素a，b，a+b值最大，CK與Q5比較差異不顯著；Q5與Q10比較葉綠素a，b，a+b含量差異顯著；Q10與Q20葉綠素各指標差異不顯著。說明在Q10處理下植物葉綠素受脅迫最低。對照中白三葉的葉綠素a含量0.69 mg/g，葉綠素b為0.09 mg/g，添加有機肥后葉綠素a為1.03~1.13 mg/g，葉綠素b為0.20~0.27 mg/g。CK與Q5相比較葉綠素a，a+b差異顯著。Q5與Q10比較葉綠素含量差異不顯著。Q10與Q20比較葉綠素b差異顯著。白三葉在Q20處理下受害最低。對照中草木樨的葉綠素a含量為0.77 mg/g，葉綠素b為0.04 mg/g，添加有機肥后葉綠素a為0.72~0.83 mg/g，葉綠素b為0.11~0.13 mg/g。葉綠素a，a+b在Q10處理下含量最高，葉綠素b在Q20處理下含量最高。CK，Q5，Q10，Q20之間葉綠素各指標差異不顯著。Q10最適合草木樨生長。對照中沙打旺葉綠素a含量為0.53 mg/g，葉綠素b為0.11 mg/g，添加有機肥后葉綠素a為0.61~0.72 mg/g，葉綠素b為0.14~0.19 mg/g。Q20處理下葉綠素a，a+b含量最高。CK與Q5比較葉綠素各指標差異不顯著；Q5與Q10比較葉綠素各指標差異不顯著；CK與Q10比較葉綠素a，a+b差異顯著。CK與Q20兩處理比較葉綠素a，a+b差異顯著；Q10與Q20比較各指標差異不顯著。

表4　不同植物在不同處理下的葉綠素含量　　mg/g

2.3　鉛鋅尾礦添加改良劑對黑麥草、白三葉體內丙二醛含量的影響

丙二醛是膜脂過氧化的產物，丙二醛含量間接反映了植物的受損程度。不同處理下，黑麥草、白三葉中丙二醛含量如圖1所示。由圖1可以看出，隨著改良劑含量增加，黑麥草和白三葉草中丙二醛含量呈下降趨勢。黑麥草丙二醛含量CK與Q5比較差異不顯著，Q5與Q10比較差異顯著，Q10與Q20比較差異不顯著，說明Q10和Q20處理水平的污泥有機肥有助于緩解重金屬對植物的脅迫，但Q10和Q20處理對緩解黑麥草生長重金屬脅迫沒有顯著差異。白三葉中丙二醛含量CK與Q5，Q10，Q20比較差異顯著。加改良劑的3個處理比較無顯著差異。說明污泥有機肥緩解了重金屬對白三葉的脅迫作用，但施肥量對于緩解效果影響不大。相同處理中，白三葉丙二醛含量要高于黑麥草，說明黑麥草更能適應逆境。

圖1　不同處理下，黑麥草、白三葉中丙二醛含量

2.4　鉛鋅尾礦添加改良劑對4中植物體內重金屬含量的影響

由圖2—6可知，黑麥草中Zn最大累積量為1 912.11 mg/kg，Pb最大吸收量為385.58 mg/kg，Cu最大量為55.80 mg/kg，Cr最大量3.19 mg/kg，Cd最大量7.75 mg/kg，隨著污泥有機肥含量增加，黑麥草中鋅、鉛、鎘的積累量在Q10處理下達到最大，在Q20處理下降低，Q10與Q20比較Zn累積量顯著下降。Cu和Cr的含量隨污泥有機肥含量增加不斷升高。白三葉Zn最大累積量為2 034.19 mg/kg，Pb最大吸收量為452.69 mg/kg，Cu最大量為59.54 mg/kg，Cr最大量8.58 mg/kg，Cd最大量為16.09 mg/kg，隨著污泥有機肥施入量增加，5種重金屬在白三葉體內富集量呈先增高后降低的趨勢，Zn，Pb，Cu，Cr在Q10處理下含量達到最大，在Q20處理下累積量下降，其中Zn累積量差異顯著，其余4種重金屬差異不顯著，說明有機肥含量加大有助于降低白三葉對Zn的吸收。草木樨Zn最大累積量為1 691.66 mg/kg，Pb最大吸收量為487.80 mg/kg，Cu最大量為75.86 mg/kg，Cr最大量8.33 mg/kg，Cd最大量10.87 mg/kg，隨著污泥有機肥含量增加，5種重金屬在其植物體內富集量先增高后降低，且都在Q10處理下達到最大值。Q10與Q20兩處理比較Zn，Pb，Cu，Cd累積量顯著下降。沙打旺中Zn最大累積量1559.59 mg/kg，Pb最大吸收量529.37 mg/kg，Cu最大量為88.99 mg/kg，Cr最大量15.55 mg/kg，Cd最大量10.18 mg/kg，隨著污泥有機肥含量增加，Zn，Pb，Cr這3種重金屬在其體內富集量不斷增高，在Q20處理下達到最大值。Cu在Q10處理下累積量最大，在Q20處理下顯著降低。

圖2　不同處理水平下，Zn在4種植物體內含量

圖3　不同處理水平下，Pb在4種植物體內含量

圖4　不同處理水平下，Cu在4種植物體內含量

圖5　不同處理水平下，Cr在4種植物體內含量

圖6　不同處理水平下，Cd在4種植物體內含量

3結果討論

污泥有機肥是在城市廢水處理過程中所產生的一種有機肥料，含有大量的有機質和礦物質，可以提供植物生長過程中所需要的養(yǎng)分。本試驗結果表明施加污泥有機肥可以促進植物生長，且在Q20處理水平下，植物黑麥草、白三葉和沙打旺的株高、根長、鮮重等指標均達到試驗的最大值。金樹權[12]等研究發(fā)現(xiàn)，草坪草馬尼拉的生長勢隨污泥堆肥添加比例提高而增加，與本試驗結果相似。從試驗結果可以看出，黑麥草在CK，Q5，Q10，Q20這4種處理下，根長差異顯著，根長的生長促進了植物對營養(yǎng)物質的吸收利用，促進植物生長。鉛鋅尾礦中重金屬Zn和Pb含量很高，在植物生長過程中很容易產生毒害作用。Pb進入植株后會在營養(yǎng)器官根莖葉中累積。Pb對植物生長影響主要是抑制根部生長。Q10處理下草木樨植株中Pb含量高于其他3個處理，進而造成草木樨Q10處理下根長小于Q5，這是由于有機肥在促進植物生長過程中吸收了過量的Pb，從而導致根部受損。植物在尾礦中生長根部受害最直接，由于重金屬濃度高致使根尖分生區(qū)細胞分裂受阻，根部吸收重金屬量最高，直接影響根的生長，表現(xiàn)為根長度的差異。根系的生長又會直接影響到植物的正常生長[13]。

本次試驗結果顯示，Q5，Q10，Q20與CK比較，黑麥草、白三葉、沙打旺葉綠素a和葉綠素b較增高。說明添加污泥有機肥有利于提高植物的葉綠素含量。李艷霞[14]等試驗也得出城市污泥堆肥沒可以明顯提高黑麥草葉綠素含量。丙二醛是膜脂過氧化的產物，丙二醛含量間接反應了植物的受損程度[15]。試驗研究結果顯示，隨污泥有機肥含量增加，黑麥草、白三葉中丙二醛的含量下降，污泥有機肥降低了尾礦的毒害作用。

有機肥改良不僅可以改良尾礦理化性質，還可以增加土壤肥力，一定程度上影響了植物根系的生長，其中腐殖質通過絡合、螯合反應降低有效態(tài)重金屬的含量[16-18]。污泥有機肥降低了重金屬的毒害作用，促進了鉛、鋅、銅、鎘、鉻的累積。隨著有機肥含量增加，黑麥草、白三葉、草木樨鉛、鋅、鎘含量在Q10處理達到最大值，在Q20處下降。白三葉、草木樨、沙打旺吸收銅的量在Q20處達到最大。這可能是達量污泥有機肥增加了尾礦中鉛、鋅、鎘重金屬結合態(tài)含量，重金屬有效態(tài)含量降低抑制了植物的吸收。祖艷群[18]等研究發(fā)現(xiàn)，豬糞能減少Zn向植物體內轉移，和本研究結果相似。

4結 論

污泥有機肥可以改良尾礦，促進草本植物的生長。隨著有機肥含量增高，4種植物的生物量，株高和根長都有不同程度的增加。Q20處理下黑麥草、白三葉和草木樨的生物量、株高提高程度最顯著。施加污泥有機肥可以提高植物體中的葉綠素a+b含量，還可以降低黑麥草白車軸草中的丙二醛含量。Q20處理水平下降低了黑麥草、白三葉、草木樨3種植物對鉛和鋅的富集量，降低了鉛鋅尾礦中的重金屬對植物的毒害作用。

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Effect of Lead-Zinc Mine Tailings Amended with Sewage Sludge Organic Fertilizer on Growth of Four Herbaceous Plants and Heavy Metal Accumulation

ZHANG Kai, LI Jun, WEI Zhongyi, LIU Ying

(CollegeofLandandEnvironment,ShenyangAgriculturalUniversity,Shenyang,Liaoning110866,China)

Abstract：[Objective] This paper aimed to understand the effects of sewage sludge organic fertilizer application on the amendment of lead-zinc mine tailings through the measurements of growth responses of four potted plants and heavy metal accumulation in them, in order to provide a theoretical basis for the repairing and improving of tailings by rational utilization of sludge organic fertilizer. [Methods] We adopted pot experiment and used four plants named Lolium multiflorum, Trifolium repens, Melilotus suaveolens and Astragalus adsurgens, as materials. [Results] It showed that the height, root length, biomass of plants reached the maximum when 20 g/kg fertilizer was applied. The chlorophyll a+b contents in the four plants with fertilization treatment were higher than that of the control without fertilization. The more sludge organic fertilizer was applied, the lower content of MDA in Lolium multiflorum,Trifolium repens were measured. The contents of Pb, Zn, Cd in Lolium multiflorum, Trifolium repens, Melilotus suaveolens reached the maximum when fertilizer was 10 g/kg, and decreased when fertilizer was 20 g/kg. [Conclusion] It indicates that with the increased application of sludge organic fertilizer, the amount of heavy metals in plants will decrease. Sludge organic fertilizer can help to alleviate the poisoning effects of heavy metals on plants.

Keywords:lead-zinc tailings; Lolium multiflorum; Trifolium repens; sludge organic fertilizer

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)02-0167-06

中圖分類號：X171.5

通信作者：李軍(1962—)，男(漢族)，遼寧省盤錦市人，博士，教授，主要從事環(huán)境工程領域研究。E-mail:syau_lijun@163.com。

收稿日期：2014-03-21修回日期：2014-04-14
資助項目：國土資源部公益性行業(yè)科研專項“典型工業(yè)區(qū)重金屬污染場地再利用技術與規(guī)范”(201111016-03)
第一作者：張凱(1988—)，男(漢族)，山西省潞城市人，碩士研究生，研究方向為土壤修復。E-mail:zk512599269@163.com。