植物對城市污泥改良土壤中重金屬的富集

摘要：通過室內(nèi)盆栽試驗、現(xiàn)場小區(qū)試驗，研究利用城市污泥改良土壤后，油麥菜、黃嬋2種植物的生長狀況及它們對土壤中重金屬元素的富集作用。結(jié)果表明：利用污泥改良土壤后，試驗組植株的各項生長指標均優(yōu)于對照，盆栽試驗中土壤與污泥混合比為5 ∶[KG-*3]2、5 ∶[KG-*3]3（干質(zhì)量比）時試驗組植株長勢較好，小區(qū)試驗中土壤與污泥混合比為8 ∶[KG-*3]2、7 ∶[KG-*3]3（干質(zhì)量比）時試驗組植物長勢較佳；2組試驗中重金屬元素在植物中均有不同程度累積，黃嬋中重金屬元素累積量高于油麥菜，且大部分重金屬含量已經(jīng)超過食品中重金屬含量標準值。因此在利用污泥改良紅壤時，要控制污泥施用量，避免對土壤環(huán)境及種植作物造成重金屬污染。

關(guān)鍵詞：城市污泥；土壤；植物富集；重金屬

中圖分類號： S156.6文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2016）12-0425-03

收稿日期：2015-11-10

基金項目：福建省科技計劃社會發(fā)展重點項目（編號：2013Y0006）。

作者簡介：劉鑫堯（1984—），男，福建泉州人，碩士，工程師，主要從事地質(zhì)環(huán)境研究。E-mail：rollkey@163.com 。

紅壤是我國重要的土壤資源，主要分布于長江以南地區(qū)。紅壤耕地以占全國耕地面積36%的比例生產(chǎn)出占全國一半以上的糧食。由于近些年對紅壤資源的不合理利用，導(dǎo)致我國紅壤資源出現(xiàn)一系列嚴重的生態(tài)問題，如水土流失、養(yǎng)分貧瘠化、土壤酸化以及環(huán)境污染等。因此，如何合理開發(fā)、利用、治理紅壤資源已成為當前亟待解決的問題[1-4]。城市污泥是污水處理廠在凈化污水過程中產(chǎn)生的廢棄物，隨著我國污水處理技術(shù)的提高，污泥產(chǎn)生量越來越多。目前對城市污泥的處理方式主要有投海、填埋、焚燒、農(nóng)用等，但投海、填埋、焚燒方式均存在較大的限制性，且城市污泥中含有豐富的有機質(zhì)及氮、磷、鉀（N、P、K）等營養(yǎng)成分，可以促進農(nóng)作物生長，因此農(nóng)用成為城市污泥利用最廣的處理方式[5-10]。用城市污泥改良土壤后，顯著提高了作物的生物量、產(chǎn)量，但城市污泥中同時含有較多的銅（Cu）、鉛（Pb）、鋅（Zn）、砷（As）、汞（Hg）、鎘（Cd）、鉻（Cr）、鎳（Ni）等重金屬元素，施入土壤中會造成混合土壤重金屬含量增加，進而導(dǎo)致農(nóng)作物中重金屬元素累積，這種累積會通過食物鏈進入人體，危害人體健康[11-13]。本研究探討了不同土壤與污泥配比混合后植株生長狀況以及重金屬在植株中的富集，以期為尋求利用污泥改良土壤的最佳混合比例提供依據(jù)。

1材料與方法

1.1試驗材料

供試植物為黃嬋（Allemanda neriifolia Hook.），取自泉州花圃園的同一批黃嬋花苗；油麥菜（Lactuca sativa var. longifolia f. Lam），種子購自當?shù)厥袌觥?/p>

供試土壤是福建省永春縣的山地紅壤，污泥來自永春縣某污水處理廠。供試土壤與污泥理化性質(zhì)見表1。對照為GB 4284—1984《農(nóng)用污泥中污染物控制標準》，可見供試污泥的有機質(zhì)含量及pH值均在污泥農(nóng)用標準值范圍內(nèi)，而總氮、堿解氮、總磷、有效磷、總鉀含量高于GB 4284—1984《農(nóng)用污泥中污染物控制標準》。除As外，污泥各重金屬含量均遠高于土壤中重金屬含量。小區(qū)試驗前對各項生物指標及其重金屬含量進行測試，測試結(jié)果：生物指標，株高33.76 cm、葉數(shù)18.71張、葉面積71.29 cm2、根生物量1.53 g、莖葉生物量626 g；重金屬含量（mg/kg），Cu 19.41、Pb 3.55、Zn [JP2]8.26、As 0.25、Hg 0.03、Cd 0.313、Cr 63.18、Ni 50.9。

1.2試驗設(shè)計

1.2.1小區(qū)試驗

共設(shè)計5組小區(qū)試驗處理：對照（SCK），不混摻污泥；處理1（ST1），土壤與污泥混摻比例為 9 ∶[KG-*3]1（干質(zhì)量比，下同）；處理2（ST2），土壤與污泥混摻比例為8 ∶[KG-*3]2；處理3（ST3），土壤與污泥混摻比例為7 ∶[KG-*3]3；處理4（ST4），土壤與污泥混摻比例為6 ∶[KG-*3]4。每個處理2次重復(fù)。每個小區(qū)面積為1 m×2 m，試驗小區(qū)周圍用隔離磚或隔離板隔離，避免相互影響。每塊試驗田一端布置展示板，另一端留有觀測坑。觀測坑中靠近小區(qū)剖面一側(cè)用透明有機玻璃隔擋，便于觀測土壤剖面。

每個小區(qū)重構(gòu)土壤剖面高50 cm，其中底部充填20cm厚的礦渣或廢石塊，上部充填土壤或土壤與污泥的混摻物。上部土壤按原狀土壤的初始容重和含水量，分層均勻充填壓實。小區(qū)高出原地平面20 cm。在試驗小區(qū)栽種黃嬋，定期養(yǎng)護和田間管理，并觀測植物生長情況。2015年6月最后1次監(jiān)測植物生長情況，采集植物樣品，分析其生長狀況及重金屬含量。

1.2.2盆栽試驗

試驗用塑料盆高30 cm，上底直徑20 cm，下底直徑15 cm。底部裝填10 cm礦渣，上部覆20 cm土壤或土壤與污泥混摻物料。裝填時，按照現(xiàn)場監(jiān)測的土壤含水量、容重，將物料分層充填壓實（5 cm為1層）。共設(shè)5個處理：對照（PCK），不混摻污泥；盆栽處理1（PT1），土壤與污泥混[JP2]摻比例為5 ∶[KG-*3]1；盆栽處理2（PT2），土壤與污泥混摻比例為 5 ∶[KG-*3]2；盆栽處理3（PT3），土壤與污泥混摻比例為5 ∶[KG-*3]3；盆栽處理4（PT4），土壤與污泥混摻比例為5 ∶[KG-*3]4。每個處理5次重復(fù)。

[FK（W12][HT6H][WTHZ][JZ]表1供試土壤與污泥理化性質(zhì)[HTSS]

[HJ*5][BG（！][BHDFG3，WK10，WK5*2。2，WK6*2。6W]來源有機質(zhì)含量（g/kg）pH值總氮含量（g/kg）速效氮含量（mg/kg）總磷含量（g/kg）速效磷含量（mg/kg）總鉀含量（g/kg）速效鉀含量（mg/kg）

[BHDG1*2，WK10，WK5*2。2，WK6*2。6W]土壤12.696.4911.3959.6310.7452.186.2324.89

[BHDW]污泥226.31 6.25 213.98493.30137.55 112.4566.1925.03

[BHDWG3，WK10，WK5*2。2，WK39W]GB 4284—1984《農(nóng)用污泥中污染物控制標準》≥200.005.5～9.0總氮+總磷+總鉀含量≥30 g/kg

[BHDSG3，WK10，WK5*2。2，WK6*2。6W]來源Cu含量（mg/kg）Pb含量（mg/kg）Zn含量（mg/kg）As含量（mg/kg）Hg含量（mg/kg）Cd含量（mg/kg）Cr6+含量（mg/kg）Ni含量（mg/kg）

[BHDG1*2]土壤35.8354.7781.327.250.16—30.8921.93

[BHDW]污泥602.20 83.44 2 817.00 7.33 1.60 1.39 69.36 45.90 [BG）F]

注：“—”表示檢出值在檢出限以下。下同。

1.2.3植物監(jiān)測

對于小區(qū)試驗，監(jiān)測移栽前及試驗結(jié)束后黃嬋的各項生物指標（株高、根深、葉數(shù)、葉面積、根生物量、莖葉生物量）及各重金屬含量，并對試驗過程中黃嬋生長狀況進行統(tǒng)計描述。對于盆栽試驗，監(jiān)測試驗過程中油麥菜的出芽率和生長狀況；試驗結(jié)束后監(jiān)測油麥菜的株高、葉面積、莖葉生物量，并分析各重金屬元素在油麥菜中的富集情況。

應(yīng)用統(tǒng)計方法計算植物出芽率，用直接測量法測量株高及根深，采用80 ℃烘干稱質(zhì)量法獲得生物量，采用直接測量計算法測定葉面積。應(yīng)用原子吸收分光光度計測定植物中Cd、Pb、Cr、Cu、Zn、Ni含量，應(yīng)用原子熒光分光光度計測定植物中Hg、As含量。

1.2.4數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用Excel 2007軟件對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析及處理。

2結(jié)果與分析

2.1植物生長描述

2.1.1植物生長表觀描述

觀察小區(qū)試驗植物生長狀況發(fā)現(xiàn)，6月份對照田塊植株矮小，葉片呈淺綠至微黃色，葉面積較小，植株長勢較差，而試驗組田塊植株葉片呈深綠色，葉面積較大，長勢較旺盛，但ST4組植株葉片呈深綠色甚至有些發(fā)黑，田塊植株長勢不均勻，邊角長勢較差，中間較好。第1組試驗小區(qū)中，ST3、ST4田塊長勢最好，SCK田塊長勢最差。第2組試驗小區(qū)中，ST2田塊長勢最好，SCK田塊長勢最差。

7月份對照植株長勢均勻，植株矮小、稀疏；ST1組植株長勢較均勻，植株高大，植物葉片面積大，茂密，呈深綠色，少部分葉片變黃變黑；ST2組植株長勢較均勻，植株高大，葉片面積大，茂密，呈深綠色，少部分葉變黑；ST3組植株高大，最旺盛但不均一，靠路或墻的一側(cè)植株矮小，植物葉片面積大，茂密，呈深綠色；ST4組植株長勢較均勻，植株高大、茂密、旺盛，植物葉子葉片面積大，茂密，深綠色，少部分葉片變黃。對于植物枝、莖而言，對照的植物枝、莖短且細；而不同土壤與污泥配比處理下的植物枝、莖粗且長，且ST3組中植物長勢更好。通過測量各處理試驗小區(qū)收獲后的植物根深發(fā)現(xiàn)，ST3、ST4處理植物根深略小于對照，3組小區(qū)植物根深均小于20 cm；而ST1、ST2處理植物根深明顯大于對照，2組小區(qū)植物根深均大于20 cm，其中ST1處理植物根深平均達23 cm。與植物長勢、莖葉等表觀特征基本一致。這表明城市污泥的施用對植物生長有明顯促進作用；但城市污泥施用量過多時，將會降低土壤透氣性等，限制植物生長。

盆栽試驗中，在油麥菜種子播種5 d后，試驗組和對照組均有出芽跡象，但相對試驗組而言，對照組油麥菜出芽率很低。在出芽期，對照組5個重復(fù)油麥菜的出芽率均較低，PT1組出芽率情況稍好。播種15 d后，油麥菜植株株高3～4 cm，部分盆中的油麥菜出現(xiàn)死苗現(xiàn)象。

2.1.2植物生長指標描述

利用城市污泥改良土壤后，紅壤養(yǎng)分含量必然發(fā)生變化，其養(yǎng)分含量變化會影響植物出芽與生長狀況[14]。但是污泥施用量的多少對植物生長的影響存在差異，本研究通過盆栽試驗和小區(qū)試驗對其進行研究。

由表2可見，試驗組油麥菜出芽率、平均株高、葉面積均高于對照，且當土壤與污泥的配比小于5 ∶[KG-*3]3時，油麥菜的出芽率、平均株高、葉面積隨污泥施用量的增加而增加，這說明土壤與污泥配比小于5 ∶[KG-*3]3的處理中重金屬等有害物質(zhì)并沒有使植物生長發(fā)育受到抑制，反而土壤與污泥配比的增加使混合樣中的有機質(zhì)含量增加，促進了植物的發(fā)芽和生長。但當土壤與污泥配比大于5 ∶[KG-*3]3時，隨著污泥施加量的繼續(xù)增加，植物的出芽率、平均株高、葉面積會出現(xiàn)降低，這說明污泥施用量的增加導(dǎo)致混摻物中有毒、有害物質(zhì)含量超標，阻礙了植物發(fā)芽和生長。在PT2組，莖葉生物量達到最大值，其后隨污泥施用量的增加開始下降，這表明在利用污泥改良土壤時，并不是污泥施用量越多，植物長勢就越強，而是存在一定限值。因此，土壤與污泥配比5 ∶[KG-*3]3有利于植物的發(fā)芽和生長。

城市污泥密度較小，有機質(zhì)含量高，將污泥施入到土壤中后，會因為土壤孔隙度增加而降低土壤容重，容重的降低為植物生長提供更多的孔隙水分和空氣，有利于植物生長[15]。由表3可見，與對照相比，施用污泥的處理組植株株高、葉片數(shù)、葉面積、根生物量、莖葉生物量均有所提高，但不同處理組及植株不同生物指標提高的幅度存在差異。黃嬋的株高在ST1組中出現(xiàn)最大值，為53.90 cm，隨著污泥施用量增加，黃嬋株高開始出現(xiàn)下降趨勢，在ST4組出現(xiàn)最小值，僅為46.50 cm，接近對照。有研究認為，將污泥摻入土壤后會導(dǎo)致土壤團聚體結(jié)構(gòu)和數(shù)量發(fā)生變化，改善土壤養(yǎng)分條件，從而促進植物根部生長[15]。在本試驗中，除ST1、ST2組植物根深大于對照外，其他2組植物根深均低于對照，且ST1組黃嬋根最深，為23.00 cm，隨污泥施用量的進一步增加，黃嬋根深開始變小，表現(xiàn)出與株高隨污泥施用量的變化關(guān)系的相似性。這可能是因為當污泥施用量較高時，其中的有毒有害物質(zhì)也較高，從而限制植物根部生長。

2.2植物對重金屬元素的富集

2.2.1油麥菜對重金屬元素的富集

將污泥施入土壤中會造成土壤中重金屬累積，從而使植物中重金屬含量高于自然土壤種植植物中重金屬含量[16-17]。由表4可見，本研究中，并不是所有重金屬含量都隨著污泥施用量的增加而增加，且單一元素在植被中的累積也不是隨污泥施用量的增加一直呈增加趨勢。試驗組油麥菜中Cu、Pb、Zn、Ni含量均高于對照，試驗組其他重金屬含量有低于對照的現(xiàn)象。Cu、Pb、Zn、Cd含量在PT3處理下達到最大值，分別為3.860、1.796、35.62、0.022mg/kg；之后隨污泥施用量的增加出現(xiàn)下降趨勢；As、Hg、Ni含量在PT2處理下達到最大值，分別為0.009、0.008、0.23mg/kg，之后隨污泥施用量的增加開始下降；Cr6+含量的最大值出現(xiàn)在PT1處理下，為0.06mg/kg，之后隨污泥施用量的增加，油麥菜中Cr6+含量基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。

2.2.2黃嬋對重金屬元素的富集

由表5可見，小區(qū)試驗結(jié)束后黃嬋中重金屬含量與盆栽試驗的油麥菜重金屬含量存在差異。黃嬋為移栽植株，與栽種前黃嬋中重金屬含量（見“11”節(jié)）相比，試驗結(jié)束后黃嬋中Cu、Cr6+、Ni含量反而出現(xiàn)下降趨勢，且Cr6+、Ni含量下降幅度非常大，栽種前其含量約為栽種后的數(shù)十倍，造成這種現(xiàn)象的原因尚待研究。其他幾種重金屬元素在植株中均不同程度累積，其中以Zn元素累積較為嚴重，在ST2處理下黃嬋中Zn含量達到最高值，為 1 008.90 mg/kg，之后在ST3處理下出現(xiàn)下降趨勢，在ST4處理下又上升。黃嬋中Cu含量與Zn含量表現(xiàn)出相同的變化趨勢。黃嬋中Pb含量在ST2處理下出現(xiàn)最大值，為 5.87 mg/kg，之后一直下降。除Zn含量外，黃嬋中其他幾種重金屬在不同處理下累積量差異較小，且變化趨勢波動較小。

根據(jù)GB 2762—2012《食品中污染物限量》，蔬菜中Cu、Pb、Zn、As、Hg、Cd、Cr6+、Ni含量上限值分別為10、0.2、20、05、0.01、0.05、0.5、1.0 mg/kg。本研究中，所有盆栽試驗組油麥菜中Pb、Zn含量均超過食品安全國家標準值，其他重金屬元素含量均處于標準值以內(nèi)。與盆栽試驗油麥菜中重金屬含量相比，小區(qū)試驗黃嬋中重金屬含量超標率較高。除對照組Cu元素含量外，其他試驗組黃嬋中重金屬含量均超過國家標準。因此，在利用污泥改良土壤時，要控制污泥的施入量，避免造成作物中重金屬元素的大量積累。2組試驗中不同植株中重金屬含量的變化趨勢存在差異，但總體表現(xiàn)為隨污泥施用量的增加而呈現(xiàn)出先增加后減少的趨勢。造成這種現(xiàn)象的原因可能是當污泥施用量較低時，土壤中有機質(zhì)及養(yǎng)分條件得到改善，植株生長茂盛，對重金屬元素的吸收也較多；之后當污泥施用量達到一定限值后，土壤中重金屬含量超標，反而限制了植物生長，從而導(dǎo)致植物對重金屬元素的吸收量也有所下降[18]。本試驗中植物對Zn的累積量較高，我國土壤與人體普遍缺鋅，表明將污泥施加到土壤中不僅可以改良土壤，還可以通過食物鏈的方式補給人體所缺元素。

3結(jié)論

本研究通過室內(nèi)盆栽試驗、小區(qū)試驗研究利用城市污泥改良土壤對植物生長狀況的影響，以及植物對城市污泥改良土壤中重金屬元素的富集，主要得出以下結(jié)論。（1）從植物表觀特征來看，施用污泥可以有效促進植物生長，但并不是污泥施用量越大，越能促進植株生長。盆栽試驗中，PT2、PT3處理下植物長勢最好；小區(qū)試驗中，ST2、ST3處理下植物長勢最好。（2）利用污泥改良土壤后，盆栽試驗與小區(qū)試驗中植物生長狀況均優(yōu)于對照。盆栽試驗中油麥菜在試驗組中的出芽率、平均株高、葉面積、莖葉生物量均高于對照，且當土壤與污泥的配比小于5 ∶[KG-*3]3時，油麥菜的各項生物指標隨著污泥施用量的增加而增加；當土壤與污泥混合比例超過5 ∶[KG-*3]3時，各項指標出現(xiàn)下降趨勢。小區(qū)試驗中土壤與污泥混合比例為 9 ∶[KG-*3]1、8 ∶[KG-*3]2的處理下植物長勢較好，植物株高比對照高10 cm以上，不同配比中植物葉面積均大于對照，這說明城市污泥改良后的紅壤對植物生長有促進作用。（3）城市污泥在改良土壤的同時，也提高了土壤中重金屬含量，從而導(dǎo)致重金屬元素在植物中的富集。不同重金屬元素在不同處理下的油麥菜、黃嬋中均不同程度地富集，但黃嬋中重金屬元素的檢出值高于油麥菜。植株中重金屬含量并不是隨著污泥施用量的增加一直呈增加趨勢，而是在污泥施用量達到一定比例后，植株中重金屬含量開始減少。這主要是因為土壤中高含量重金屬限制了植株生長，從而導(dǎo)致植物對重金屬元素的吸收也開始減少[CM（25]。因此在利用城市污泥改良土壤時，要注意控制污泥施用[CM）]

量，避免造成土壤及植物中重金屬元素累積，進而通過食物鏈危害人體健康。

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