污泥農用對盆栽蔬菜農藝性狀及重金屬富集的影響

摘 要：通過盆栽試驗，研究了不同污泥混合比例對菠菜和瓢兒菜農藝性狀及種植土壤理化性質的影響，并對蔬菜和土壤重金屬積累狀況進行評價。結果表明：供試土壤容重隨污泥比例的提高而降低，污泥配比為12%時，菠菜和瓢兒菜的種植土壤容重達最低水平，分別比對照降低了16.45%和17.33%；有機質、速效磷、速效鉀和全鉀含量，菠菜土壤分別提高19.95%、92.95%、37.77%、26.87%，瓢兒菜土壤分別拉高18.22%、88.37%、38.28%、25.19%；株高和鮮重，菠菜最高分別增加了48.31%和143.94%，瓢兒菜最高分別增加14.07%和96.13%。污泥配比超過6%，植株和土壤重金屬Cu、Pb、Cd、Cr的單項污染指數(shù)和綜合污染指數(shù)有超標風險。綜合分析，污泥配比不超過4%，能有效提高菠菜及瓢兒菜的鮮重和株高，同時確保植株及土壤重金屬含量符合國家污染物限量標準。

關鍵詞：污泥；土壤理化性質；菠菜；瓢兒菜；重金屬

中圖分類號：S63 文獻標識碼：A 文章編號：1006-060X（2018）06-0028-05

Effects of Sludge Rotation on Agronomic Characters and Enrichment of Heavy Mental in Potted Vegetable

ZI Jin，YANG An-xing，YANG Yuan-qin，CHEN Sha，LIU Kai-xiang，ZHAO Qin，WANG Li-juan

（Yunnan Yuntianhua Agricultural Technology Co. Ltd.， Kunming 650228， PRC）

Abstract： The effects of different sludge proportion on spinach and Brassica narinosa Bailey agronomic traits， soil physical and chemical properties were studied through pot experiment， in addition， the accumulation of plant and soil heavy metal were evaluated. The results indicated that the soil bulk density was reduced with increasing sludge proportion， the soil bulk density of spinach and Brassica narinosa Bailey was reduced by 16.45% and 17.33% compared with control when sludge proportion was 12%， respectively. The organic matter， available phosphorus， available potassium and total potassium of spinach increased by 19.95%， 92.95%， 37.77% and 26.87% respectively， those of Brassica narinosa Bailey increased by 18.22%， 88.37%， 38.28% and 25.19% respectively， plant height and fresh weight of spinach increased by 48.31%， 143.94%， and ， and that of Brassica narinosa Bailey increased by 14.07%， 96.13%. Sludge proportion was more than 6%， the Cu， Pb， Cd， Cr pollution index of plant and soil showed up a increased risk. Comprehensive analysis showed that the sludge proportion less than 4% could increase the fresh weight and plant height of both plants， and ensure the plant and soil heavy metal content comply with the national standard of pollutant limit at the same time.

Key words： sludge； soil physical and chemical properties； spinach； Brassica narinosa Bailey； heavy mental

隨著城市化和工業(yè)化水平的不斷提高，促使大量的農業(yè)人口轉移到城鎮(zhèn)，從而導致城市污水的排放量快速上升，在污水處理過程中產生的污泥成了新出現(xiàn)的嚴峻的環(huán)境問題[1]。以含水率80%計，全國年污泥總產生量很快將突破4 000萬t，預計到2020年污泥產量將突破年6 000萬t[2]。由于污泥中含有豐富的有機質和N、P、K等植物生長的必需營養(yǎng)物質，并且具有投資少、能耗低、運輸費用低等優(yōu)點，因此將城市污泥應用到農業(yè)生產上是污泥處理的一種可行辦

法[3]。污泥農用后，土壤中N、P、K等營養(yǎng)成分及田間持水量、團粒結構、土壤孔隙度都相應增加，土壤結構得到明顯改善，從而促進作物生長，同時污泥中富含多種微量元素也可保證蔬菜的品質形成[4]。城市污泥的合理農用有利于減少化肥污染、保持地力、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，在我國南方有機質缺乏的酸性紅壤上具有更明顯的作用，因此污泥農業(yè)利用將是今后城市污水廠污泥處置的主要途徑，將城市污泥農用具有重要的意義[5]。但由于污泥中含有重金屬、有機污染物和有害微生物等，且大多數(shù)污泥的施用方法也存在著盲目性和任意性，不僅沒有達到施用目的，反而造成局部土地污染，威脅生態(tài)環(huán)境和人類身體健康[6]。因此，實現(xiàn)城市污泥農用資源化對于城市和農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關鍵在于控制污泥中毒性污染物的含量，科學合理的施用[7]。進一步研究如何科學的處理城市污泥，在治理污染的同時，變廢為寶，實現(xiàn)資源的循環(huán)利用，具有較高的環(huán)境效益和經(jīng)濟效益，也是未來城市污泥處置的根本出路[8]。該項研究采用盆栽試驗，通過選取昆明市第四污水處理廠污泥作為肥料直接施用，研究污泥施用濃度對蔬菜生長和土壤理化性質的影響，旨在討論昆明市市政污泥農用的可行性及合理的污泥混合比例，為昆明市市政污泥的資源化利用提供參考和依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2017年在云農科技實驗室進行，土壤采自昆明市晉寧縣二街鎮(zhèn)尚家營村的荒地，為酸性棕壤，經(jīng)測定pH值為6.45，含水量為26.3%。污泥取自昆明市第四污水處理廠，pH值為7.2，含水率為82.5%。試驗前土壤及污泥基礎化學性質見表1，單位以干污泥計。經(jīng)測定污泥中重金屬含量符合國家對于污泥重金屬含量的控制標準[9]。

波菜和瓢兒菜均為安寧市八街鎮(zhèn)菜苗圃中的移栽期菜苗，選取同一環(huán)境下，長勢相同的菠菜菜苗和瓢兒菜菜苗作為供試材料。波菜菜苗的平均鮮重為2.61 g，

平均株高為11.03 cm；瓢兒菜菜苗的平均鮮重為4.15 g，平均株高為12.07 cm。

1.2 試驗設計

試驗采用室內盆栽的方法，取直徑20 cm、高18 cm的聚乙烯花盆，每盆裝種植土壤2 kg，該試驗共分為兩個試驗組，分別種植菠菜和瓢兒菜，每個試驗組共分為7個處理，將土壤和污泥按表2比例進行混合，每個處理設置4個重復，每盆種植3棵供試蔬菜。栽培過程中每天每盆定時澆灌100 mL蒸餾水，保證其健康生長，并保持室內通風良好和適當?shù)墓庹?。蔬菜培養(yǎng)周期為60 d，培養(yǎng)期結束后，采集菠菜和瓢兒菜，記錄其株高（cm）和鮮重（g）后，進行制樣檢測。

1.3 取樣與測定

1.3.1 土 壤 在蔬菜收獲后，將盆中土壤倒出并充分攪拌，取3個土樣，再次混勻后以四分法保留0.5 kg，為一個待測土壤樣品，剩余土壤以此法依次取樣。測定其理化性質及重金屬含量。

1.3.2 蔬 菜 蔬菜收獲后（采集植物地下樣品時，需要將植株表面的土壤洗凈，然后晾干），測量其株高和鮮重后對蔬菜進行殺青處理，將烘干的蔬菜樣品用粉碎機粉碎。測定其重金屬含量。

1.4 分析測定指標與評價方法

1.4.1 測定方法 土壤和污泥中Zn、Cu、Pb、Cd、Cr等金屬元素的測定按照標準GB 15618—1995[10]所記錄方法進行測定；土壤營養(yǎng)元素的測定則按照《土壤農化分析》[11]中所記錄的方法測定；采用環(huán)刀法和酸度計法測定土壤容重和pH值。

蔬菜中Zn、Cu、Pb的含量測定，按照GB 2762—

2017[12]標準方法進行，蔬菜中Cd、Cr的含量測定，則按照GB 5009—2014[13-14]標準方法進行。

1.4.2 分析評價方法 參考相關研究結果[15-16]，采用單因子污染指數(shù)法（公式1）、綜合污染指數(shù)法（公式2）和內梅羅綜合污染指數(shù)法（公式3）對土壤和蔬菜中的重金屬污染狀況進行評價。

式中：Pi為土壤（蔬菜）中污染物的單項污染指數(shù)，Ci為污染物i的實測值，Si為污染物的評價標準。

式中：P綜合為蔬菜質量綜合污染指數(shù)；（Ci/Si）max為污染物中污染指數(shù)最大值；（Ci/Si）ave為污染物中污染指數(shù)平均值。

式中：P綜為土壤綜合污染指數(shù)，為土壤中各污染物的指數(shù)平均值，Pimax為土壤中單項污染物的最大污染指數(shù)。

1.4.3 數(shù)據(jù)分析 采用Excel 2010進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計及圖表制作。

2 結果與分析

2.1 施用污泥對種植盆栽蔬菜土壤的影響

2.1.1 不同污泥配比對盆栽蔬菜土壤容重的影響 由圖1可知，隨著污泥摻混濃度升高，菠菜和瓢兒菜種植基質的容重皆呈現(xiàn)下降態(tài)勢。其中，當污泥混合比例為12%時，菠菜和瓢兒菜種植土壤容重相較于對照，分別降低了16.45%和17.33%。

2.1.2 不同污泥配比對盆栽蔬菜土壤理化性質的影響 由表3可知，與對照相比較，菠菜和瓢兒菜土壤pH值隨著污泥混合比例的增加而逐漸降低，而菠菜和瓢兒菜的土壤有機質、全氮、全磷、全鉀、速效氮、速效磷和速效鉀則隨著污泥混合比例的增加而增加，并且當污泥混合比例達到12%時，菠菜和瓢兒菜土壤的有機質、全氮、全磷、全鉀、速效氮、速效磷和速效鉀均達到最大值，分別增加了19.95%、72.06%、94.44%、26.87%、72.46%、92.95%、37.77%和18.23%、74.13%、88.30%、25.19%、74.63%、88.37%、38.28%。由此可見，不論是菠菜種植土壤還是瓢兒菜種植土壤，施用污泥作為肥料后，不僅能降低土壤pH值，還能有效改善土壤種植環(huán)境，進一步提高土壤各項營養(yǎng)指標含量。

2.2 施用污泥對盆栽蔬菜生長情況的影響

由表4可知，與對照相比，不同污泥混合比例對菠菜和瓢兒菜的株高和鮮重都產生了積極的影響。當污泥混合比例為8%時，株高和鮮重二者同時達到最大值，菠菜分別增加了48.31%和143.94%，瓢兒菜分別增加14.07%和96.13%，而污泥混合比例為8%～12%時，隨著污泥配比的增加，株高和鮮重又呈現(xiàn)出逐漸降低的態(tài)勢。整體來看，供試蔬菜的株高和鮮重都表現(xiàn)為先增加后減小的趨勢。說明一定范圍的混合比例內，施用污泥能夠促進菠菜和瓢兒菜的生長，但隨著污泥混合比例的增加又會對菠菜和瓢兒菜的生長產生抑制作用。

2.3 施用污泥對盆栽蔬菜重金屬含量的影響

由表5可知，隨著污泥混合比例的不斷增加，重金屬Pb、Cr、Cd在菠菜和瓢兒菜中的含量呈增長趨勢。當污泥混合比例為12%時，除Cd外，重金屬Pb和Cr在菠菜、瓢兒菜中的含量均達到最大值；與對照相比，隨著污泥混合比例的增加，菠菜重金屬Pb、Cr、Cd的含量最高分別增加了112.50%、137.50%和55.56%；而瓢兒菜最高分別增加了130.77%、104.17%和57.14%。此外，當污泥混合比例為8%、10%、12%時，菠菜中Pb的含量分別超過國家標準上限值3.33%、3.33%、13.33%；當污泥混合比例為12%時，瓢兒菜中

Pb含量達到國家標準限量。當污泥混合比例為12%時，菠菜中Cr含量超過國家標準14.00%；而瓢兒菜中Cr含量均未超過國家標準限量值。此外，菠菜與瓢兒菜中各施污處理組的重金屬Cd含量均未超標。

2.4 施用污泥對菠菜植株及種植土壤重金屬污染評價

由表6中菠菜各項重金屬的單項污染指數(shù)可知，當污泥混合比例小于6%時，Cu是造成蔬菜污染的主要因素；而當污泥混合比例大于6%時，Pb又成為了蔬菜污染的主要因素。對于綜合污染指數(shù)，隨著污泥混合比例的增加，菠菜中重金屬的綜合污染指數(shù)不斷增大。污泥混合比例為2%～10%這個范圍內，菠菜綜合污染指數(shù)均在0.7～1.0之間，屬于警戒限等級；當污泥配比為12%時，綜合污染指數(shù)為1.09，屬于輕污度染等級。

通過對菠菜單項污染指數(shù)和綜合污染指數(shù)的分析，將污泥混合比例控制在6%以內，重金屬Cu、Pb、Cd、Cr的單項污染指數(shù)和綜合污染指數(shù)均未超標。

從表7中單項污染指數(shù)可知，當污泥混合比例在4%以內時，土壤中的主要污染因子是Cu和Zn，當污泥混合比例超過4%時，土壤中主要的污染因子為Cd和Zn。而隨著污泥混合比例的增加，土壤重金屬Cu、Zn、Pb、Cr、Cd對土壤的綜合污染指數(shù)也增加，其中當污泥混合比例為2%時，土壤綜合污染指數(shù)小于0.7，處于清潔狀態(tài)，當污泥混合比例在4%～10%之間，土壤綜合污染指數(shù)在0.7～1之間，土壤處于警戒狀態(tài)，當污泥混合比例達到12%時，土壤綜合污染指數(shù)大于1，土壤受到輕度污染。

2.5 施用污泥對瓢兒菜植株及種植土壤重金屬污染評價

由表8可知，對于單項污染指數(shù)，雖然隨著污泥混合比例的增加，瓢兒菜中重金屬Pb、Cd、Cr的單項污染指數(shù)也隨之增大，但是除了Pb在12%處理組時含量超標，其余污泥混合比例下各重金屬均沒有超標。當污泥混合比例為2%～12%時，Cd和Cr單向污染指數(shù)在6%時出現(xiàn)短暫下降態(tài)勢后又隨著污泥混合比例的增加而增加。一直隨著污泥混合比例增加而單項污染指數(shù)增加的Pb在12%時單因子指數(shù)大于1，成為瓢兒菜污泥農用的主要限制因子。

對于綜合污染指數(shù)，隨著污泥混合比例的增加，瓢兒菜中重金屬的綜合污染指數(shù)不斷增大。污泥混合比例為2%～6%時，綜合污染指數(shù)均小于0.7，屬于安全等級；而污泥混合比例為8%～12%這個范圍內，瓢兒菜綜合污染指數(shù)均在0.7～1.0之間，屬于警戒限等級。

通過對瓢兒菜單項污染指數(shù)和綜合污染指數(shù)的分析，將污泥混合比例控制在6%以內，重金屬Cu、Pb、Cd、Cr的單項污染指數(shù)和綜合污染指數(shù)都沒有超標。

從表9中單項污染指數(shù)可知，當污泥混合比例為2%時，土壤中的主要污染因子是Cu和Zn，當污泥混合比例為4%～12%時，土壤中主要的污染因子為Cd。而隨著污泥混合比例的增加，土壤的綜合污染指數(shù)也增加，污泥混合比例在2%～4%之間土壤綜合污染指數(shù)小于0.7，土壤處于清潔狀態(tài)；當污泥混合比例為6%～12%時，土壤綜合污染指數(shù)超過1，土壤受到輕度污染。

3 結論與討論

污泥作為肥料施用，在一定范圍內對蔬菜有明顯的增產效果。各處理組的菠菜和瓢兒菜收獲后鮮重和株高都明顯高于空白對照，當污泥混合比例為8%時，盆栽菠菜和盆栽瓢兒菜鮮重和株高值最高。當污泥混合比例超過8%，盆栽菠菜和瓢兒菜的鮮重和株高又呈現(xiàn)出下降的態(tài)勢，這可能是污泥中的重金屬含量隨著污泥混合比例的增加而升高，過高的重金屬含量限制了盆栽菠菜和瓢兒菜的生長。具體原因還有待進一步研究。試驗結果顯示，土壤容重隨著污泥混合比例增加而逐漸降低，其原因可能是摻混在土壤的污泥增加了土壤有機質含量[17]。

隨著污泥混合比例的增加，菠菜土壤和瓢兒菜土壤中的重金屬Cu、Cd、Zn、Pb、Cr的含量也呈現(xiàn)增長的趨勢；從內梅羅綜合污染指數(shù)評價結果來看，菠菜和瓢兒菜土壤的綜合污染指數(shù)均隨污泥混合比例的增加而增加。污泥混合比例為4%時菠菜土壤處于警戒狀態(tài)；污泥混合比例為6%時瓢兒菜土壤綜合污染指數(shù)大于1，達到輕度污染；盆栽試驗的污泥混合比例在4%以下時，菠菜土壤和瓢兒菜土壤符合土壤環(huán)境質量標準的限定值并且未超過單因子污染指數(shù)和綜合污染指數(shù)的清潔評判標準，是最佳的污泥施用濃度范圍。另外，污泥農用試驗中Cd對于土壤的污染較為明顯，這也成為了污泥農用最大的限制因子。

將污泥作為肥料農用后，隨著污泥施用濃度的增加，重金屬Pb、Cd、Cr在菠菜和瓢兒菜中的含量呈增長趨勢；其中，Cd元素在菠菜和瓢兒菜中的累積變化與康少杰[18]的研究結論相似。當污泥混合比例為12%時，各重金屬在蔬菜中的含量均達到最大值；且同一污泥施用濃度下，菠菜對于重金屬Pb和Cr的積累量要高于瓢兒菜，而重金屬Cd的積累量相差不大。通過對菠菜、瓢兒菜單項污染指數(shù)和綜合污染指數(shù)的分析，將污泥配比控制在6%以內，各項重金屬的單項污染指數(shù)和綜合污染指數(shù)都沒有超標。

綜上可知，昆明市市政污泥的確能作為一種新型有機肥施用，可改善土壤的物理性質，并且提高土壤速效氮、磷、鉀含量，降低土壤pH值，這與金燕等[19]研究結果一致。但是其中的重金屬含量又是限制其施用的重要指標，根據(jù)試驗結果，將污泥混合比例控制在4%以內，不僅可以提高蔬菜株高和鮮重，還能有效改善土壤理化性質，且能把蔬菜和土壤中的重金屬控制在安全范圍內。至于土壤施用污泥后，隨著時間的推移，重金屬將會如何富集，是否會對來年種植作物造成重金屬污染，需下一步繼續(xù)進行研究。

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（責任編輯：夏亞男）