竹節(jié)樹、濕地松對(duì)污泥重金屬的吸附與耐受能力研究

王冰清 張學(xué)平 陳杰 譚家得 王志云

摘 要 為探究華南地區(qū)2種常見的園林綠化樹種竹節(jié)樹（Carallia brachiata）、濕地松（Pinus elliottii）對(duì)污泥中重金屬的吸附與耐受能力，通過(guò)配制50%和100%不同污泥比例基質(zhì)開展盆栽試驗(yàn)，分析竹節(jié)樹、濕地松的生長(zhǎng)發(fā)育及對(duì)重金屬的吸附與轉(zhuǎn)運(yùn)能力。結(jié)果表明：50%比例污泥處理抑制了竹節(jié)樹株高、地徑的生長(zhǎng)及生物量的積累，促進(jìn)了濕地松株高、地徑的生長(zhǎng)及生物量的積累;100%比例污泥處理抑制了竹節(jié)樹、濕地松株高、地徑的生長(zhǎng)，抑制了竹節(jié)樹生物量的積累，對(duì)濕地松生物量積累無(wú)明顯影響。不同濃度污泥處理下，竹節(jié)樹耐受能力較差，濕地松耐受能力較強(qiáng)。竹節(jié)樹對(duì)低濃度的Cu、Pb、Cd、Ni及高濃度的Zn有一定的吸附能力，濕地松對(duì)5種重金屬的吸附能力較弱。50%與100%比例污泥處理下，竹節(jié)樹對(duì)Zn、Pb的轉(zhuǎn)運(yùn)能力較強(qiáng)，濕地松對(duì)Zn、Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)能力較強(qiáng)。竹節(jié)樹對(duì)污泥中重金屬的吸附能力強(qiáng)于濕地松，濕地松對(duì)污泥的耐受能力強(qiáng)于竹節(jié)樹。

關(guān)鍵詞 竹節(jié)樹;濕地松;重金屬;耐受能力;轉(zhuǎn)運(yùn)能力

中圖分類號(hào)：S719;X173 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? doi：10.13601/j.issn.1005-5215.2021.02.003

Abstract In order to explore the adsorbability and tolerance capacity ?of heavy metals in sludge by two common landscaping tree species by Carallia brachiata & Pinus elliottii in South China，pot experiments were conducted to explore the growth and development of Carallia brachiata & Pinus elliottii，as well as the adsorbability and transport capacity of heavy metals under 50% & 100% sludge ratio. Result shows that： Fifty percent sludge treatment inhibit the growth of height and diameter and biomass accumulation of Carallia brachiata，promote the growth of height and diameter and biomass accumulation of Pinus elliottii;one hundred percent sludge treatment inhibit the growth of height & ground diameter of Carallia brachiata & Pinus elliottii，inhibit the biomass accumulation of Carallia brachiata，but has no significant effect on the biomass accumulation of Pinus elliottii.Under different concentrations of sludge treatment，the tolerance of Carallia brachiata is poor，while that of Pinus elliottii is strong.Result shows that Carallia brachiata has a certain adsorption capacity for low concentrations of Cu，Pb，Cd，Ni and high concentrations of Zn，while Pinus elliottii has a weak adsorbability for five heavy metals. Under the treatment of 50% & 100% sludge，the transport capacity of Zn & Pb by Carallia brachiata ?is stronger，while that of Zn & Cd by Pinus elliottii is stronger. In conclusion，the adsorbability of sludges by Carallia brachiata is stronger than that by Pinus elliottii，and the tolerance of sludges by Pinus elliottii is stronger than that of Carallia brachiata.

Key words Carallia brachiata;Pinus elliottii;heavy metals;tolerance capacity;transport capacity

城市污泥是指城市污水在處理過(guò)程中形成的化學(xué)沉淀物，其中含有大量的無(wú)機(jī)及有機(jī)污染物。污泥中含水率高，含有各種膠體、有機(jī)質(zhì)、病原菌微生物、重金屬元素、有毒物質(zhì)等，若未經(jīng)恰當(dāng)處理進(jìn)入環(huán)境，將給水體和土壤帶來(lái)二次污染[1]。尤其是重金屬元素，在環(huán)境中難以被生物所降解，且能隨食物鏈不斷富集，對(duì)人體健康具有極大威脅。過(guò)去，對(duì)城市污泥的處理主要包括堆肥、填埋、焚燒及水體消納，但是可能會(huì)導(dǎo)致一定程度的二次污染。近年來(lái)，將污泥土地進(jìn)行利用越來(lái)越被認(rèn)為是一種積極、有效、有前途的污泥處置方式，污泥施用于農(nóng)田、林地、園林綠化建設(shè)中，能充分利用污泥中的營(yíng)養(yǎng)成分和微量元素，增加土壤肥力，改善土壤結(jié)構(gòu)[2]。但由于污泥中重金屬含量普遍超標(biāo)，土地施用后，會(huì)導(dǎo)致土壤重金屬污染，危害植物生長(zhǎng)，因此必須有效控制污泥中重金屬的含量，尋找能在污泥中正常生長(zhǎng)并對(duì)重金屬元素有一定吸附能力的植物。

竹節(jié)樹、濕地松是華南地區(qū)2種常見的園林綠化樹種，適應(yīng)性強(qiáng)，對(duì)環(huán)境條件要求不嚴(yán)，具有良好的抗逆性[3，4]，能在干旱、貧瘠、水濕環(huán)境中生長(zhǎng)。本研究選擇竹節(jié)樹、濕地松為試驗(yàn)對(duì)象，通過(guò)探討不同比例污泥處理下竹節(jié)樹（Carallia brachiata）、濕地松（Pinus elliottii）的生長(zhǎng)情況，以及對(duì)污泥的耐受性，比較2種植物對(duì)重金屬的吸附與轉(zhuǎn)運(yùn)規(guī)律，為竹節(jié)樹、濕地松在城市污泥土壤修復(fù)中的利用提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試植物為佛山市林業(yè)科學(xué)研究所苗圃播種繁育的紅樹科植物竹節(jié)樹及松科植物濕地松幼苗。試驗(yàn)前置于佛山市林業(yè)科學(xué)研究所溫室大棚內(nèi)養(yǎng)護(hù)2周，養(yǎng)護(hù)后挑選長(zhǎng)勢(shì)良好、株高冠幅接近的苗木作為本次試驗(yàn)用苗。

供試土壤為不同比例配比的污泥和黃泥：污泥由佛山某污水處理廠提供;黃泥采自佛山林科所苗圃。對(duì)供試土壤進(jìn)行干燥、除雜、過(guò)篩后備用。黃泥及河涌污泥重金屬含量見表1。黃泥中5種重金屬Pb、Cd、Ni、Cu、Zn含量均未超過(guò)DB 44/T 1415-2014[5]《土壤重金屬風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)篩選值 珠江三角洲》中規(guī)定的公共用地土壤重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)（以下簡(jiǎn)稱“公共用地標(biāo)準(zhǔn)”），河涌污泥中Ni的含量遠(yuǎn)超過(guò)了GB 4284-2018[6]《農(nóng)用污泥污染物控制標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的A級(jí)污泥農(nóng)用時(shí)污染物濃度控制限值，Ni、Cu、Zn 3種重金屬含量超過(guò)了珠三角地區(qū)公共用地標(biāo)準(zhǔn)。由于污泥中Pb、Cd含量較低，為了更好地了解植物對(duì)Pb、Cd、Ni、Cu、Zn 5種重金屬的綜合吸附能力，選擇在河涌污泥中添加一定濃度的Pb、Cd，充分?jǐn)嚢杈鶆蚝蟀l(fā)酵穩(wěn)定2周備用。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)于2019年在佛山市林業(yè)科學(xué)研究所溫室大棚內(nèi)進(jìn)行。根據(jù)基質(zhì)中污泥與黃泥不同配比設(shè)置3個(gè)處理組，分別為對(duì)照（純黃泥）、50%比例污泥（黃泥∶污泥=1∶1，質(zhì)量比）、100%比例污泥（純污泥），將3種不同配比的基質(zhì)分別加入到高20 cm、內(nèi)徑15 cm的塑料花盆中，每盆加入3.0 kg，3種不同配比的基質(zhì)重金屬含量見表2。選擇大小一致，長(zhǎng)勢(shì)良好的竹節(jié)樹、濕地松幼苗種植于花盆中，每盆種植1株，每種植物每個(gè)處理種植5株，種植時(shí)間 180 d，試驗(yàn)結(jié)束后收集植物樣本。

1.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)調(diào)查及測(cè)定

1.3.1 生長(zhǎng)指標(biāo)測(cè)定

觀察記錄不同比例污泥施用條件下植物的生長(zhǎng)狀況，并測(cè)量試驗(yàn)前后植物的苗高、地徑。苗高、地徑采用直接測(cè)量法。

1.3.2 生物量測(cè)定

種植試驗(yàn)結(jié)束后，將收獲的植物樣本洗凈，再用去離子水沖洗1～2遍，瀝干水分后，將根、莖、葉分開。生物量的測(cè)定采用稱量法，80 ℃殺青干燥至恒質(zhì)量后分別對(duì)根、莖、葉進(jìn)行稱量。

1.3.3 重金屬含量測(cè)定

將干燥后的樣本磨碎后，分別測(cè)定根、莖、葉中Cu、Zn、Cd、Pb、Ni的含量。根據(jù)農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY/T 1613-2008[7]，植物樣本經(jīng)HNO3-HClO4消解后，采用火焰原子吸收分光光度法測(cè)定5種重金屬元素含量。

1.4 植物抗性評(píng)價(jià)

1.4.1 耐受能力評(píng)價(jià)

探究施加50%與100%比例污泥條件下植物對(duì)重金屬的耐受能力。植物對(duì)重金屬的耐受能力可以通過(guò)植物的耐性系數(shù)體現(xiàn)：當(dāng)植物的耐性系數(shù)大于1時(shí)，表明植物耐受能力較強(qiáng)，能夠較好的生長(zhǎng);當(dāng)植物耐性系數(shù)小于1時(shí)，表明植物的耐受能力較差，生長(zhǎng)受到了抑制[8，9]。計(jì)算公式為：

株高耐性系數(shù)=處理組株高/對(duì)照組株高

基徑耐性系數(shù)=處理組基徑/對(duì)照組基徑

1.4.2 吸附能力評(píng)價(jià)

探究50%與100%比例污泥條件下，植物根、莖、葉對(duì)5種重金屬的吸附能力。植物對(duì)重金屬的吸附量能夠很好地反映植物吸附能力。

1.4.3 轉(zhuǎn)運(yùn)能力評(píng)價(jià)

探究施加50%與100%比例污泥條件下，植物對(duì)重金屬的轉(zhuǎn)運(yùn)能力。轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)能夠很好地說(shuō)明重金屬元素從土壤到植物中的遷移難易程度，轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)越大，重金屬?gòu)母迪虻厣喜糠洲D(zhuǎn)運(yùn)的能力越強(qiáng)，當(dāng)植物轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)>1時(shí)，說(shuō)明該植物能把大部分的重金屬?gòu)牡叵逻w移到地上部，有利于重金屬的回收利用[10，11]。計(jì)算公式為：

轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)=地上部分重金屬含量/地下部分重金屬含量。

1.5 數(shù)據(jù)處理

利用SPSS 21.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，Excel 2010進(jìn)行圖形繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同比例污泥處理對(duì)植物生長(zhǎng)的影響

施加不同比例污泥條件下，所有植物均能存活并生長(zhǎng)。土壤中重金屬對(duì)植物生長(zhǎng)的影響主要從植物的苗高、地徑、生物量的變化上體現(xiàn)出來(lái)。不同比例污泥處理180 d后，竹節(jié)樹、濕地松株高、地徑的增長(zhǎng)及生物量的積累情況如表3所示。

2.1.1 不同比例污泥處理對(duì)植物株高、地徑的影響

圖1為施用不同比例污泥處理180 d后竹節(jié)樹、濕地松的株高變化量。由圖1可知，不同比例污泥處理?xiàng)l件下竹節(jié)樹、濕地松的株高均能增長(zhǎng)，但增長(zhǎng)趨勢(shì)有一定的差異。隨著基質(zhì)中污泥施用比例增多，竹節(jié)樹株高增長(zhǎng)量呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)，濕地松株高增長(zhǎng)量呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)。50%及100%比例污泥施用條件下，竹節(jié)樹株高增長(zhǎng)量低于對(duì)照組，表明了施用污泥抑制了竹節(jié)樹株高的生長(zhǎng)。50%比例污泥施用條件下，濕地松株高增長(zhǎng)量高于對(duì)照組，100%比例污泥處理下，株高增長(zhǎng)量低于對(duì)照組，表明低濃度污泥處理能促進(jìn)濕地松株高生長(zhǎng)，而高濃度抑制濕地松的生長(zhǎng)。

圖2為施用不同比例污泥處理180 d后竹節(jié)樹、濕地松的地徑變化量。由圖2可知，不同比例污泥處理?xiàng)l件下竹節(jié)樹、濕地松的地徑均能增長(zhǎng)，但增長(zhǎng)趨勢(shì)有一定的差異。隨著基質(zhì)中污泥施用比例增多，竹節(jié)樹地徑增長(zhǎng)量明顯降低，濕地松地徑增長(zhǎng)量先增加后降低。50%及100%比例污泥施用條件下，竹節(jié)樹株高增長(zhǎng)量明顯低于對(duì)照組，表明了施用污泥抑制了竹節(jié)樹地徑的生長(zhǎng)。50%比例污泥施用條件下，濕地松地徑增長(zhǎng)量高于對(duì)照組，100%比例污泥處理下，地徑增長(zhǎng)量低于對(duì)照組，50%比例污泥處組與100%比例污泥組地徑增長(zhǎng)量有顯著性差異，表明低濃度污泥處理能促進(jìn)濕地松地徑生長(zhǎng)，而高濃度顯著抑制生長(zhǎng)。

2.1.2 不同比例污泥處理對(duì)植物生物量的影響

施用不同比例污泥對(duì)竹節(jié)樹和濕地松根、莖、葉及總生物量的影響見圖3、圖4。由圖3可知，施用50%比例與100%比例污泥條件下，竹節(jié)樹根、莖、葉及總生物量積累均小于對(duì)照組，施用50%比例污泥組與對(duì)照組總生物量有顯著性差異，施用50%與100%比例污泥組無(wú)顯著性差異，說(shuō)明施用不同比例污泥處理顯著抑制了竹節(jié)樹生物量的積累。由圖4可知，施用50%比例污泥條件下，濕地松根、莖、葉及總生物量積累均大于對(duì)照組與100%比例污泥組，對(duì)照組與100%比例污泥處理組根、莖、葉及總生物量積累無(wú)明顯差異，這說(shuō)明低濃度污泥處理能促進(jìn)濕地松生物量的積累，高濃度污泥處理對(duì)濕地松生物量積累無(wú)明顯影響。

2.2 不同比例污泥處理下植物對(duì)重金屬的耐受能力評(píng)價(jià)

不同比例污泥處理下，竹節(jié)樹和濕地松苗高、地徑的耐性系數(shù)如表4所示。由表4可知，50%與100%比例污泥處理下，竹節(jié)樹株高、地徑耐性系數(shù)均小于1，表明竹節(jié)樹在污泥中生長(zhǎng)的耐受性較差。50%比例污泥處理下，濕地松株高、地徑耐性系數(shù)大于1，100%比例污泥處理下，濕地松株高耐性系數(shù)小于1，地徑耐性系數(shù)大于1，表明濕地松在污泥中生長(zhǎng)的耐受性較強(qiáng)。

2.3 不同比例污泥處理下植物對(duì)重金屬的吸附能力評(píng)價(jià)

不同比例污泥處理?xiàng)l件下，竹節(jié)樹和濕地松根、莖、葉中5種重金屬含量分布情況見表5。由表5可知，竹節(jié)樹在不同比例污泥處理?xiàng)l件下，根中Zn、Pb含量無(wú)顯著性差異，Cd、Cu、Ni含量有顯著性差異，50%比例污泥處理組中Cd含量顯著高于對(duì)照組，Cu、Ni含量顯著高于對(duì)照組與100%比例污泥處理組。不同比例污泥處理?xiàng)l件下，莖中Zn、Pb、Ni含量無(wú)顯著性差異，Cu、Cd含量有顯著性差異，50%比例污泥處理組中Cu、Cd含量顯著高于對(duì)照組與100%比例污泥處理組。葉中Cu、Pb含量無(wú)顯著性差異，Zn、Cd、Ni含量有顯著性差異，100%比例污泥處理組中Zn含量顯著大于對(duì)照組及50%污泥處理組，50%比例污泥處理組中Cd含量顯著大于對(duì)照組及100%比例污泥處理組，Ni含量顯著大于對(duì)照組;濕地松在不同比例污泥處理?xiàng)l件下，根、葉中5種重金屬含量無(wú)顯著性差異，莖中Cu、Pb、Cd、Ni含量無(wú)顯著性差異，Zn含量有顯著性差異，對(duì)照組Zn的含量顯著高于50%比例污泥處理組。

綜合來(lái)看，施加不同比例污泥后竹節(jié)樹體內(nèi)5種重金屬含量都有不同程度的升高，在低濃度污泥處理下，植物體對(duì)Cu、Pb、Cd、Ni的吸附量大于高濃度處理組，對(duì)Zn的吸附量小于高濃度處理組，表明竹節(jié)樹對(duì)低濃度的Cu、Pb、Cd、Ni及高濃度的Zn有一定的吸附能力;施加不同比例污泥后濕地松體內(nèi)5種重金屬含量無(wú)明顯差異，表明濕地松對(duì)重金屬吸附能力較差。

2.4 不同比例污泥處理下植物對(duì)重金屬的轉(zhuǎn)運(yùn)能力評(píng)價(jià)

不同比例污泥處理下竹節(jié)樹、濕地松對(duì)5種重金屬的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)見表6。由表6可知，50%與100%比例污泥處理下，竹節(jié)樹對(duì)Zn、Pb的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)大于1，對(duì)Cu、Cd、Ni的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)小于1，濕地松對(duì)Zn、Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)大于1，對(duì)Cu、Pb、Ni的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)小于1，表明在50%與100%比例污泥條件下，竹節(jié)樹對(duì)Zn、Pb的轉(zhuǎn)運(yùn)能力較強(qiáng)，能把大部分Zn、Pb從根系向莖、葉遷移，濕地松對(duì)Zn、Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)能力較強(qiáng)，能把大部分Zn、Cd從根系向莖、葉遷移。

3 結(jié)論與討論

50%比例污泥處理抑制了竹節(jié)樹株高、地徑的生長(zhǎng)及生物量的積累，促進(jìn)了濕地松株高、地徑的生長(zhǎng)及生物量的積累。100%比例污泥處理抑制了竹節(jié)樹、濕地松株高、地徑的生長(zhǎng)，抑制了竹節(jié)樹生物量的積累，對(duì)濕地松生物量積累無(wú)明顯影響。所以，低濃度污泥處理抑制了竹節(jié)樹的生長(zhǎng)發(fā)育，促進(jìn)了濕地松的生長(zhǎng)發(fā)育，高濃度污泥處理抑制了竹節(jié)樹和濕地松的生長(zhǎng)發(fā)育。

50%與100%比例污泥處理下，濕地松的耐受能力較竹節(jié)樹強(qiáng)。竹節(jié)樹對(duì)低濃度的Cu、Pb、Cd、Ni及高濃度的Zn有一定的吸附能力，濕地松對(duì)5種重金屬的吸附能力較弱。不同污泥濃度處理下，竹節(jié)樹對(duì)Zn、Pb的轉(zhuǎn)運(yùn)能力較強(qiáng)，能把大部分Zn、Pb從根系向莖、葉遷移，濕地松對(duì)Zn、Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)能力較強(qiáng)，能把大部分Zn、Cd從根系向莖、葉遷移。

綜上所述，不同濃度污泥處理下，竹節(jié)樹的生長(zhǎng)差于對(duì)照組，這可能是由于竹節(jié)樹對(duì)重金屬有一定的吸附能力，且竹節(jié)樹對(duì)重金屬較為敏感，隨著體內(nèi)吸附的重金屬含量的升高，一定程度上抑制了竹節(jié)樹的生長(zhǎng)。低濃度污泥處理下，濕地松的生長(zhǎng)優(yōu)于對(duì)照組，高濃度污泥處理下，濕地松的生長(zhǎng)差于對(duì)照組，這是因?yàn)榈蜐舛任勰嗵幚硐?，濕地松?duì)重金屬的吸附能力較差，體內(nèi)吸附的重金屬含量較低，因此濕地松受到重金屬的影響較小，而污泥中豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)促進(jìn)了濕地松的生長(zhǎng)，但高濃度污泥處理抑制了濕地松對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收，因此高濃度污泥處理下生長(zhǎng)較差。由于竹節(jié)樹對(duì)污泥中大多數(shù)重金屬有一定的吸附能力，濕地松對(duì)污泥有一定耐受能力，因此，竹節(jié)樹可用于低濃度的Cu、Pb、Cd、Ni及高濃度Zn等重金屬污染土地的修復(fù)，濕地松可應(yīng)用于污泥施用土地的造林綠化。

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