河道疏浚底泥添加量對土壤理化性質和大豆苗期生長的影響

楊 丹,范欣柯,梁恩紅(.貴陽學院 生物與環(huán)境工程學院,貴州 貴陽 55005; .中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司,貴州 貴陽 550083)

河道疏浚底泥添加量對土壤理化性質和大豆苗期生長的影響

楊 丹1,范欣柯2,梁恩紅1
(1.貴陽學院 生物與環(huán)境工程學院,貴州 貴陽 550025; 2.中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司,貴州 貴陽 550083)

采用盆栽試驗研究添加不同比例(風干底泥∶風干土壤分別為0∶1、1∶1、1∶2、1∶3)河道疏浚底泥對土壤理化性質和大豆苗期生長的影響,以期為河道疏浚底泥的農業(yè)利用提供科學依據。結果表明,與未添加河道疏浚底泥處理(對照)相比,添加河道疏浚底泥顯著提高了土壤養(yǎng)分含量,其中有機質含量增加了24.3%～100.9%,堿解氮含量增加了20.4%～67.4%,速效磷含量增加了183.5%～433.1%,速效鉀含量增加了252.4%～665.2%;同時也顯著提高了重金屬Cu、Pb、Zn、Cd含量,且當河道疏浚底泥與土壤以1∶1混合時,土壤全Cd含量超過土壤環(huán)境質量標準二級標準限值。添加河道疏浚底泥總體上顯著提高大豆苗期的株高、地上部生物量、葉綠素含量及地上部分C、N、P含量,且上述指標隨河道疏浚底泥施用量的增加先增加后降低,當河道疏浚底泥與土壤添加比例為1∶2時最高,此時株高增加2 cm,地上部生物量增加60.6%,葉綠素a和葉綠素b含量分別增加60%和50.9%,地上部分植株C、N、P含量分別增加22.4%、9.0%、5.0%;當河道疏浚底泥與土壤添加比例增加到1∶1時,上述指標下降,且大豆地上部生物量反而略低于對照。綜上,添加河道疏浚底泥能促進大豆生長,但添加比例以1∶2為宜,不宜超過1∶1,以避免重金屬大量輸入可能引起的土壤污染及對植物生長的脅迫。

河道疏浚底泥; 混合基質; 葉綠素; 養(yǎng)分累積;大豆

河道底泥是沉積在水體底部的泥土、砂等基質顆粒物,含有大量碳、氮、磷等養(yǎng)分以及植物生長必需的其他微量元素。但近年來隨著社會經濟的迅速發(fā)展和城鎮(zhèn)化進程的加快,大量生活污水和工業(yè)廢水進入水體,其中攜帶的污染物,如重金屬等便沉積在底泥中,當水環(huán)境條件(如pH值、氧化還原電位、微生物活動等)發(fā)生變化時,底泥中的污染物可能會釋放出來,再次污染水體[1-3]。因此,為改善河流、湖泊等水體水質,許多城市河道進行了大規(guī)模的疏浚和清淤工程[4],產生了大量疏浚底泥。

目前,河道疏浚產生的底泥大多被作為固體廢物堆放在陸地,占用大量的土地。疏浚出的底泥中除含有豐富的氮、磷、有機質等養(yǎng)分外,還含有重金屬等污染物質,若處置不當,在雨水沖刷及淋濾作用下易造成土壤和地下水污染。因此,河道疏浚底泥的處置亦成為一個環(huán)保難題。由于底泥養(yǎng)分含量高,底泥農用是其較常見的處置方式[5]。在土壤中合理施用底泥可以改良土壤性質,增加土壤肥力等[6];且合理的施用量對青菜生長具有促進作用[7-8]。Ganet等[9]將西班牙Albufera湖的底泥添加到附近農田種植西紅柿和萵苣,結果發(fā)現,底泥的施用顯著增加了西紅柿和萵苣組織中的營養(yǎng)物質含量及萵苣產量,且未在西紅柿和萵苣組織中檢測到重金屬的富集。因此,河道疏浚底泥的合理利用,既能改善土壤性質,又能滿足植物生長對土壤養(yǎng)分的需求。國內外對于城市污泥在農業(yè)利用中的研究較多[10-14],而對于理化性質與城市污泥相似的河道疏浚底泥在提高土壤肥力和促進植物生長方面的報道非常少,主要集中于河道疏浚底泥對青菜種子的發(fā)芽率和出苗率[7]、高山羊茅及白三葉種子的發(fā)芽率[8]以及水稻產量[5]的影響等方面,但關于其不同施用比例對土壤理化性質和大豆苗期生長的影響研究尚未見報道。為此,探討了貴陽市南明河河道疏浚底泥不同添加比例對土壤養(yǎng)分及大豆苗期生長的影響,為河道疏浚底泥的農業(yè)利用提供科學依據,同時也為底泥的處置提供合理建議。

1 材料和方法

1.1 材料

在貴陽市龍洞堡片區(qū)隨機選取3塊旱地農田,每塊農田均由五點法采集0～20 cm土壤,最終土壤樣品由3塊農田的樣品混合組成。供試底泥為貴陽市南明河水口寺河段河道疏浚底泥。供試植物為大豆中黃13號。供試土壤、底泥的理化性質見表1。

表1 供試土壤和底泥的理化性質

1.2 試驗設計

試驗在貴陽學院試驗溫室中進行。首先分別將風干底泥與風干土壤以質量比0∶1(CK)、1∶1(T1)、1∶2(T2)、1∶3(T3)混合均勻,然后裝入高20 cm、內徑15 cm的塑料花盆中,每盆共裝基質3.0 kg,每個處理15個重復,在溫室內平衡30 d,然后每個處理隨機選取5盆測定混合基質理化性質,其余10盆用于植物生長盆栽試驗,每盆播種5粒,待出苗后每盆保留3株苗,出苗后45 d,觀測植物生長狀況。混合基質平衡及植物生長期間,基質含水量保持在田間持水量的70%。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 混合基質理化性質 混合基質有機質、堿解氮、速效磷、速效鉀含量及pH值,土壤全量Cu、Cd、Pb 、Zn含量的測定參照文獻[15]。其中,pH值采用電位法測定,有機質含量采用重鉻酸鉀法測定,堿解氮含量采用堿解擴散法測定,速效磷含量采用NaHCO3浸提—鉬銻抗比色法測定,速效鉀含量采用乙酸銨浸提—火焰光度法測定;土壤全量Cu、Cd、Pb、Zn含量采用硝酸—高氯酸消解—原子吸收分光光度法測定。

1.3.2 生物量 隨機選取5盆幼苗樣品,每盆選取3株收獲植株后用去離子水清洗,分別用直尺測量其最大根長;去根后將植株地上部分置于烘箱中105 ℃左右烘干,用天平測量其干質量。

1.3.3 色素含量 隨機選取5盆幼苗樣品,每盆選取3株幼苗,葉片剪碎后混合。胡蘿卜素含量采用紙層析法測定,葉綠素含量采用丙酮浸提分光光度法測定[16]。

1.3.4 植物樣品碳、氮、磷含量 將大豆幼苗地上部分烘干研磨后過0.20 mm篩,用混合酸(硝酸和高氯酸按體積比5∶1混合)消解,然后采用重鉻酸鉀法測定碳含量,采用凱氏定氮法測定氮含量,采用釩鉬黃吸光光度法測定磷含量[15]。

1.4 數據分析

數據經Excel 2010整理后,采用SPSS 19.0進行單因素方差分析和多重比較,采用OriginPro 8.5進行制圖。

2 結果與分析

2.1 河道疏浚底泥添加量對土壤理化性質的影響

2.1.1 養(yǎng)分含量 由表2可知,添加河道疏浚底泥對土壤pH值無顯著影響,但顯著增加土壤有機質、堿解氮、速效磷、速效鉀含量,且其含量均隨著河道疏浚底泥添加量的增加而顯著增加,以T1處理最高,T3處理最低。其中,T1、T2、T3處理有機質含量分別較對照增加100.9%、 61.4%、24.3%,堿解氮含量分別較對照增加67.4%、32.8%、20.4%,速效磷含量分別較對照增加433.1%、204.7%、183.5%,速效鉀含量分別較對照增加665.2%、412.2%、252.4%。相關性分析表明,混合基質中養(yǎng)分含量與底泥的添加比例呈顯著正相關(P<0.05)。綜上,河道疏浚底泥添加比例越高,混合基質中養(yǎng)分含量越高。

表2 不同處理混合基質中的養(yǎng)分含量

注：同列數據后不同小寫字母表示不同處理之間的差異顯著(P<0.05),下同。

2.1.2 重金屬含量 對照土壤中未檢測到Cd和Pb,但隨著河道疏浚底泥添加量的增加,混合基質中重金屬含量顯著增加,但T2、T3處理Cu、Pb、Zn、Cd含量均未超出土壤環(huán)境質量標準[17]二級標準限值,僅T1處理的全Cd含量超標0.44倍,其他重金屬元素也均未超標(表3)。綜上,河道疏浚底泥添加比例越高,混合基質中重金屬含量越高,且在底泥與土壤以1∶1混合時,全Cd含量超過土壤環(huán)境質量標準[17]二級標準限值。

表3 不同處理混合基質中重金屬含量及土壤環(huán)境質量標準 mg/kg

2.2 河道疏浚底泥添加量對大豆苗期生長的影響

2.2.1 株高、根長 由圖1可見,添加河道疏浚底泥增加了大豆苗期最長根長和株高,且株高隨著河道疏浚底泥添加比例的增加呈先增加后降低的趨勢,以T2處理最高。其中,T1、T2、T3處理大豆苗期株高分別較對照顯著增加1.0、2.0、1.5 cm;T1、T2、T3處理大豆苗期最大根長雖然均較對照增加,但差異不顯著。

不同小寫字母表示同一指標在不同處理之間差異顯著(P<0.05),下同圖1 不同處理大豆苗期最大根長和株高

2.2.2 地上部生物量 由圖2可見,總體上添加河道疏浚底泥會增加大豆苗期地上部生物量,且其隨著河道疏浚底泥添加比例的增加先增加后降低,以T2處理最高。其中,T2、T3處理大豆苗期地上部生物量分別較對照顯著增加60.6%、33.5%,T1處理較對照略低。

圖2 不同處理大豆苗期地上部生物量

2.2.3 葉片色素含量 由圖3可知,添加河道疏浚底泥可顯著增加大豆苗期葉片葉綠素a和葉綠素b含量,且其均隨著河道疏浚底泥添加比例的增加先增加后降低,以T2處理最高;但對胡蘿卜素含量影響不顯著。其中,T1、T2、T3處理葉片葉綠素a含量分別較對照顯著增加149.1%、160.0%、127.4%,葉綠素b含量分別較對照顯著增加46.5%、50.9%、42.1%。

2.2.4 地上部分營養(yǎng)元素含量 由表4可知,添加河道疏浚底泥可顯著提高大豆地上部分C、N、P含量,且其均隨著河道疏浚底泥添加比例的增加先增加后降低,以T2處理最高。與對照相比,T1、T2、T3處理大豆地上部分C含量分別顯著增加了16.9%、22.7%、12.9%,N含量分別顯著增加了72.6%、79.0%、20.9%,P含量分別顯著增加了26.7%、35.3%、24.8%。

圖3 不同處理大豆苗期葉片葉綠素和胡蘿卜素含量

表4 不同處理大豆地上部分營養(yǎng)元素含量 mg/g

3 結論與討論

3.1 疏浚底泥添加量對土壤理化性質的影響

一般認為,土壤中速效磷含量大于10 mg/kg時即可滿足作物的生長,速效鉀含量在100～160 mg/kg時,土壤供鉀能力較強,無需再施用鉀肥[18]。本試驗中對照土壤速效鉀含量為80.55 mg/kg,若不向土壤中增施鉀肥將造成植物生長供鉀不足。由于河道疏浚底泥中有機質、堿解氮、速效磷及速效鉀養(yǎng)分含量高于對照土壤,所以添加河道疏浚底泥能夠大大提高土壤速效養(yǎng)分含量,這與薄錄吉等[5]的研究結果一致;但同時也增加了土壤中全量Cu、Cd、Pb、Zn等重金屬的含量。 Ganet等[9]將底泥添加于農田土壤的試驗同樣發(fā)現,底泥的施用增加了土壤重金屬含量。底泥與土壤以1∶1混合時,土壤速效磷和速效鉀含量遠高于植物生長所需的營養(yǎng)水平,且全Cd含量超過土壤環(huán)境質量標準[17]二級標準限值,已造成土壤污染,不符合作物生長要求。因此,在施用河道疏浚底泥增加土壤肥效時,在考慮增加土壤養(yǎng)分和微量元素的同時,還應注意重金屬的輸入可能引起的土壤污染問題。

3.2 疏浚底泥添加量對大豆苗期生長的影響

朱廣偉等[19]在將景觀水體疏浚底泥進行園林利用的研究中發(fā)現,與未施底泥處理相比,施用底泥處理高山羊茅和白三葉生長90 d后,其鮮質量分別增加了3.9倍和2.0倍。祝長龍等[20]的研究結果表明,底泥能提高一串紅的長勢、生物量以及開花質量。薄吉錄等[5]在研究蘇南河道疏浚底泥農用對水稻生長的影響中也發(fā)現,水稻生物量、株高和產量隨著底泥用量的增加而顯著增加。本研究中,T2和T3處理使大豆地上部生物量顯著高于對照,與上述研究結果[5,19-20]類似。T1處理生物量反而略低于對照,主要原因可能是當底泥與土壤添加比例為1∶2和1∶3時,混合基質肥力已達到大豆生長所需要的水平,繼續(xù)增加底泥用量所提供的過剩養(yǎng)分對生物量增加無明顯效果,且由于底泥用量的增多,使得混合基質中Cu、Zn、Cd、Pb等重金屬含量增加,對植物生長產生脅迫[21],反而抑制大豆幼苗的生長發(fā)育。何軼飛等[10]的研究表明,施用污泥能提高小青菜產量,但大量施用會增加Cd、Cr等重金屬含量;劉善江等[13]對污泥肥效研究發(fā)現,施用污泥能提高西紅柿產量,但用量過高則導致減產;黃麗榮等[22]在研究城市污泥添加對樟子松幼苗生長的試驗中也發(fā)現,在幼苗承受范圍內,在土壤中添加污泥提高了幼苗的物質積累,使得幼苗鮮質量和干質量都顯著增加,但高比例的污泥添加導致土壤重金屬污染,反而使植物生物量降低。上述研究結果[10,13,22]與本研究結果類似。

土壤氮素和磷素對植物葉綠素具有重要意義。氮素是葉綠素的主要組成成分之一,氮素充足時,植物能夠合成較多的蛋白質,促進細胞的分裂和增長,使得植物葉面積增長較快,從而具有更大的葉面積來進行光合作用;磷能夠促進早期根系的形成和生長,在植物體內參與光合作用、呼吸作用等,對葉綠素的形成意義重大。本研究中添加河道疏浚底泥使大豆苗期葉片葉綠素a和葉綠素b含量顯著高于對照,但葉綠素a含量在T1、T2處理中差異不顯著,可能是由于底泥的添加,增加了土壤中氮、磷及其他養(yǎng)分含量,使大豆在苗期所需的養(yǎng)分含量充足,因此葉綠素含量得到提高;然而,植物生長發(fā)育所需的養(yǎng)分有一定限制,并不是養(yǎng)分含量越高,植物生長發(fā)育越好,當養(yǎng)分水平達到植物正常生長水平后,多余的養(yǎng)分并不會進一步促進其生長;底泥與土壤的添加比例繼續(xù)增加到1∶1時,大豆葉片中的葉綠素含量與T2處理中無顯著差異,由此推測當植物所需的養(yǎng)分達到一定水平時,繼續(xù)增加底泥用量所帶來的多余養(yǎng)分并不會進一步提高葉片葉綠素含量。另外,隨著河道底泥用量的增加,土壤重金屬含量也在增加,有研究表明重金屬含量會干擾營養(yǎng)元素向植物體的葉部運輸,使葉綠素的合成受到影響[23]。

Ganet等[9]發(fā)現,添加湖中的底泥使農作物組織中的營養(yǎng)物質含量顯著增加,本研究結果也表明添加河道疏浚底泥顯著提高了大豆地上部分C、N、P的含量。本研究還發(fā)現,當底泥與土壤混合比例達到1∶1時,植株C、N、P含量反而比添加比例為1∶2時有所下降,這可能與重金屬脅迫對植物生長的影響有關。根系是植物吸收養(yǎng)分的主要器官,隨著底泥添加量的增加,土壤中重金屬含量也顯著增加,根是重金屬累積及傷害的主要部位,根系附近若重金屬含量較高,將抑制根系的生長,影響根系活力,進而限制植物對養(yǎng)分的吸收[24],城市污泥在林地土壤上的應用研究也得到類似結果[25-27]。因此,添加河道疏浚底泥能夠顯著提高大豆苗期地上部分C、N、P的含量,隨著添加量的增加,植株體內養(yǎng)分含量也不斷增加,但當底泥添加量達到一定比例后,再繼續(xù)增加底泥的用量,將導致土壤重金屬污染,對植物生長造成脅迫,反而使植株養(yǎng)分吸收受到限制。

綜上所述,由于河道疏浚底泥的添加,土壤養(yǎng)分得到補充,大豆在苗期所需的養(yǎng)分含量充足,最大根長、株高、生物量、葉綠素含量及地上部分植株體內C、N、P含量得到提高。河道疏浚底泥與土壤混合比在1∶2時,大豆在苗期各項生長指標優(yōu)于其他處理;底泥與土壤混合比達1∶1時,土壤全Cd含量超過土壤環(huán)境質量標準二級標準限值,已造成土壤污染。因此,施用河道疏浚底泥作為提高土壤肥力、促進植物生長的基質,需控制好底泥的添加比例,以避免重金屬的輸入可能引起的土壤污染及對植物生長的脅迫。

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Effects of Dredged River Sediments Addition Amount on Soil Physico-chemical Properties and Growth of Soybean Seedlings

YANG Dan1,FAN Xinke2,LIANG Enhong1
(1.College of Biological and Environmental Engineering,Guiyang University,Guiyang 550025,China; 2.Guiyang Engineering Corporation Limited of POWERCHINA,Guiyang 550083,China)

A pot experiment was conducted to study the effect of different proportions(0∶1,1∶1,1∶2,1∶3) of dredged river sediment on soil physico-chemical properties and growth of soybean seedlings,so as to provide the basis for agricultural utilization of the dredged river sediment.The results showed that compared with the treatment without dredged river sediment (CK),the addition of dredged river sediment had significantly increased the content of soil nutrients.The organic matter content increased by 24.3%—100.9%,the alkali solution N content increased by 20.4%—67.4%,available P content increased by 183.5%—433.1%,and available K content increased by 252.4%—665.2%,and concentration of soil heavy metals such as Cu,Pb,Zn and Cd were also increased.When the mix proportion of dredged river sediment and soil reached 1∶1,soil Cd content had been more than the secondary standard of environmental quality standards for soils.The addition of dredged river sediment had significantly increased the height,biomass,chlorophyll content in the leaf,content of C,N and P in the above-ground part of soybean seedlings,and these indicators were increased at first and then gradually decreased with the increase of dredged river sediment,reached the highest values when the mix proportion of dredged river sediment and soil was 1∶2,compared with CK the average height of soybean seedlings had significantly increased by 2 cm,the biomass significantly increased by 60.6%,chlorophyll a and b significantly increased by 60% and 50.9% respectively,concentration of C,N and P in the above-ground part significantly increased by 22.4%,9.0% and 5.0% respectively.When the mix proportion of dredged river sediment and soil reached 1∶1,the above indicators started to decrease,the biomass of soybean seedlings was less than the CK.Therefore,the dredged river sediment could improve the growth of soybean,but the additive proportion should better be 1∶2,and not exceed 1∶1,so as to avoid soil pollution caused by heavy-metal input and its stress on plant growth.

dredged river sludge; mixed-substrate; chlorophyll; nutrient accumulation; soybean

2016-02-29

貴州省科學技術基金項目(黔科合J字[2013]2299號)；貴州省科學技術聯合基金項目(黔科合LH字[2014]7180號)

楊 丹(1982-)，女，貴州興義人，副教授，博士，主要從事農業(yè)土壤環(huán)境質量評價與污染防治研究。 E-mail：yangdansky@163.com

X705;S565.1

A

1004-3268(2016)09-0052-06