污泥堆肥施用條件下銅和鋅在草坪草不同部位的分配特征

王 杰，劉靜姝，趙 煥，劉 利，陳忠林

(遼寧大學(xué) 環(huán)境學(xué)院，遼寧 沈陽 110036)

污泥是污水處理過程中產(chǎn)生的泥狀沉淀物質(zhì)[1]是一種副產(chǎn)物[2]，濕污泥的含水量約為97%～99%，脫水后仍高達(dá)80%.隨著我國處理效率的提高，污泥的產(chǎn)生量正在逐年增加.污泥含有豐富的有機(jī)質(zhì)，以及植物生長需要的氮和磷等養(yǎng)分元素[3-4].但是，污泥中也含有大量諸如重金屬、有機(jī)污染物、可溶鹽、寄生蟲卵和病源微生物等有害物質(zhì)[5].成分如此復(fù)雜的污泥，如果不經(jīng)處理直接排放，會(huì)給生態(tài)環(huán)境和人類健康帶來嚴(yán)重的危害.堆肥可有效地將污泥中不穩(wěn)定的有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化呈穩(wěn)定的產(chǎn)物，污泥堆肥常常被用作肥料或土壤改良劑[6-7].污泥堆肥用于草坪草種植可以避開食物鏈，是一種比較科學(xué)的污泥可持續(xù)處理處置途徑[8-10].

高羊茅、黑麥草和早熟禾是我國北方地區(qū)常見的草坪草，但隨著營養(yǎng)成分的遷移和流失，草坪土壤退化嚴(yán)重.將污泥堆肥用于草坪種植，可以增加土壤養(yǎng)分，促進(jìn)植物的吸收.Cu和Zn是污泥中含量較高的兩種重金屬，它們也是植物生長必需的微量營養(yǎng)元素.微量元素的缺乏或過多，都會(huì)影響植物的生長和發(fā)育.為此，筆者對污泥堆肥污泥堆肥施用條件下重金屬Cu和Zn在草坪草不同部位的分布特征進(jìn)行研究，以期為污泥堆肥用作草坪草培養(yǎng)基質(zhì)提供重要理論和技術(shù)支持.

1 材料與方法

1.1 材料

供試污泥來源為沈陽市北部污水處理廠，通過靜態(tài)垛式堆腐方法制成污泥堆肥[11，12]，供試草種為市售多年生黑麥草(LoliumperenneL.)、高羊茅(FestucaarundinaceaL.)和草地早熟禾(PoapratensisL.).供試土壤為遼寧大學(xué)校園內(nèi)退化草坪土壤.污泥堆肥和土壤理化性質(zhì)如表1所示.

表1 污泥堆肥和土壤性質(zhì)

1.2 盆栽試驗(yàn)

試驗(yàn)設(shè)計(jì)：盆栽試驗(yàn)采用塑料盆缽(上口徑15 cm、下口徑10 cm，高14 cm)，設(shè)置5個(gè)處理：CK、T1、T2、T3和T4，相應(yīng)的污泥堆肥施用量(以干質(zhì)量比計(jì))為0%、0.8%、2%、6%和10%，每個(gè)盆缽裝1 kg土壤.每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)，人工混勻，平整土壤表面，澆水，使土壤穩(wěn)定化.同時(shí)，挑選健壯飽滿的草坪草種子，在25 ℃ 培養(yǎng)箱中催芽24 h，選取60粒長勢較好的發(fā)芽種子均勻施在土壤表層，覆蓋1 mm厚的細(xì)沙，均勻噴灑去離子水使表土保持濕潤.視土壤干濕度，每天或隔幾天補(bǔ)充水分.待植株長至5 cm高時(shí)，每盆定植40株，觀察植株生長狀況，生長周期為60 d.

將植株根、葉分離后，分別采收，在105 ℃殺青30 min，70 ℃烘干至恒重，磨碎，過40目尼龍篩，用于植株中Cu和Zn含量測定.

1.3 測定方法

土壤中氮、磷等均采用常規(guī)方法測定[13].植株中Cu和Zn含量采用1mol·L-1HCl浸提-火焰原子吸收分光光度計(jì)(TAS-990型)測定.

1.4 數(shù)據(jù)處理

用Microsoft Excel 2003與 SPSS13.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析.污泥堆肥水平和草種及二者交互作用對植株重金屬含量的影響采用雙因素方差分析(two-way ANOVA)，同一草種不同污泥堆肥水平及同一污泥堆肥水平不同草種間重金屬含量差異采用單因素方差分析(one-way ANOVA)，并利用LSD法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)(P=0.05)，圖表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差.

2 結(jié)果與討論

2.1 污泥堆肥施用對Zn在草坪草中不同部位分布的影響

由表2可知，草種和污泥堆肥水平及二者的交互作用對3種草根和葉中Zn含量影響差異均顯著(P<0.05).

表2 草種和污泥堆肥水平對3種草坪草中Zn含量影響的雙因素方差分析

圖1 不同污泥堆肥施用量對3種草葉和根的Zn分配特征的影響(mg·kg-1)注：不同小寫字母代表同一草種不同處理間差異達(dá)顯著水平(P<0.05)

隨污泥堆肥施用量增加，3種草葉和根的Zn含量呈逐漸增加的變化規(guī)律，但增加的幅度略有差異(圖1).污泥堆肥施用使高羊茅葉和根的Zn含量增加較顯著，但施用量>6%時(shí)增勢變緩，增幅分別為231.91%～422.16%和45.77%～70.44%，T4處理時(shí)高羊茅葉和根的Zn含量最高，分別為121.09 mg·kg-1和164.90 mg·kg-1；污泥堆肥施用使黑麥草葉和根Zn含量分別較CK增加62.74%～148.77%和3.48%～41.44%，T4處理時(shí)黑麥草葉和根的Zn含量最高，分別為131.05 mg·kg-1和166.12 mg·kg-1；污泥堆肥施用使早熟禾葉和根Zn含量分別較CK增加67.19%～126.79%和36.39%～50.84%，T4時(shí)葉和根Zn含量最高，分別為105.48 mg·kg-1和294.08 mg·kg-1，表明污泥堆肥施用對3種草地上部分生長的影響大于對其地下部分的影響.隨污泥堆肥施用量增加，Zn在3種草葉和根的遷移能力提高，不同處理遷移系數(shù)分別為：0.24、0.55、0.68、0.73和0.73，黑麥草不同處理遷移系數(shù)分別為：0.45、0.71、0.76、0.78和0.79，早熟禾不同處理遷移系數(shù)分別為：0.23、0.29、0.34、0.35和0.36.Zn在3種草葉和根遷移能力大小表現(xiàn)為黑麥草>高羊茅>早熟禾，但是，3種草對Zn的吸收能力大小表現(xiàn)為早熟禾>黑麥草>高羊茅.污泥堆肥施入土壤后，重金屬向植物體內(nèi)的遷移能力與土壤性質(zhì)、重金屬形態(tài)和植物種類等有很大關(guān)系.

植物正常含鋅量一般為25～150 mg·kg-1(干重)，植物根系的含鋅量常高于葉，供鋅充足時(shí)，鋅可在根中累積，而其中一部分屬于奢侈吸收，一般認(rèn)為植物出現(xiàn)毒害的鋅含量>400 mg·kg-1[14].在本試驗(yàn)條件下，3種草中Zn的含量最高為294.08 mg·kg-1.與其它重金屬元素相比，鋅的毒性較小，作物的耐鋅能力較強(qiáng)[15].污泥堆肥施用于土壤后，3種草坪草體內(nèi)重金屬累積隨污泥堆肥施用量的增加而增大，尤以根系中重金屬的增加顯著，而莖葉中重金屬含量變化幅度相對低些.

2.2 污泥堆肥施用對Cu在草坪草中不同部位分布的影響

由表3可知，草種和污泥堆肥水平及二者的交互作用對3種草根和葉中Cu含量影響差異均顯著(P<0.05).

表3 草種和污泥堆肥水平對3種草坪草中Cu含量影響的雙因素方差分析

圖2 不同污泥堆肥施用量對3種草葉和根的Cu分配特征的影響(mg·kg-1)注：不同小寫字母代表同一草種不同處理間差異達(dá)顯著水平(P<0.05)

由圖2可以看出，隨污泥堆肥施用量增加，高羊茅葉和根中Cu含量呈先逐漸增加后降低的變化規(guī)律，黑麥草和早熟禾葉和根中Cu含量則呈逐漸增加的變化規(guī)律.T1～T4處理時(shí)高羊茅葉和根的Cu含量分別較CK增加了262.64%～958.05%和195.31%～396.69%，T3處理時(shí)含量最高，分別為18.41 mg·kg-1和98.55 mg·kg-1；黑麥草葉和根Cu含量隨污泥堆肥施用量的增加而增加，T1～T4處理分別較CK增加8.75%～37.93%和92.77%～271.75%，T4處理時(shí)含量最高，分別為20.80 mg·kg-1和84.35 mg·kg-1；早熟禾葉和根Cu含量也隨污泥堆肥施用量的增加而增加，T1～T4處理分別較CK增加24.43%～74.18%和81.08%～273.13%，T4處理時(shí)含量最高，分別為17.54 mg·kg-1和88.17 mg·kg-1.差異顯著性分析表明，T1～T4處理3種草葉和根Cu含量均與CK差異顯著，T1～T4各處理間差異也達(dá)顯著水平(P<0.05).隨污泥堆肥施用量的增加，3種草對Cu的吸收能力大小表現(xiàn)為高羊茅>早熟禾>黑麥草.隨著污泥堆肥施用量的增加，高羊茅地上部分較地下部分Cu吸收能力增強(qiáng)，而黑麥草和早熟禾則表現(xiàn)為地下部分較地上部分Cu吸收能力增強(qiáng)的特點(diǎn).并且高羊茅對Cu的吸收表現(xiàn)出一個(gè)閾值，污泥堆肥施用量>6%后，高羊茅對Cu的吸收能力下降.

植物對銅的需要量很少，大多數(shù)作物含銅量僅為2～25 mg·kg-1(干重).本研究中，3種草的Cu含量最高為18.41 mg·kg-1，并且Cu主要在3種草的地下部分積累.馬博強(qiáng)等研究也表明，土壤中 Cu和Zn的含量隨污泥堆肥施加量的增加而增大，85%以上的Cu和Zn殘留在土壤中[16].重金屬在植物中的富集作用和在土壤中的殘留作用與其理化性質(zhì)、施用污泥的性質(zhì)和用量、植物種類、土壤性質(zhì)、耕作措施和環(huán)境條件等諸多因素有關(guān).重金屬遷移系數(shù)大于1，表明該金屬易從植物根系向植物地上部遷移；而遷移系數(shù)小于 1，則表明重金屬更容易在植物根系累積.本研究中Cu和Zn在3種草葉和根的遷移系數(shù)均小于1，Cu和Zn容易在其根系中累積.

4 結(jié)論

施用污泥堆肥不同程度地增加了3種草地上部、地下部以及土壤中Cu和Zn元素的含量.但隨著污泥堆肥施用量的增加，高羊茅對Cu的吸收表現(xiàn)出一個(gè)閾值，污泥堆肥施用量>6%后，高羊茅對Cu的吸收能力略有下降.此外，Cu和Zn在3種草葉和根的遷移系數(shù)均小于1，表明Cu和Zn容易在其根系中累積.