淋洗后污泥對3種蔬菜種子萌發(fā)的影響

彭崗 常紅 黃麗

摘要 ?以2種污泥（SA、SB）為材料，研究皂角苷和檸檬酸聯(lián)合淋洗后污泥（LSA、LSB）對蘿卜、白菜和生菜種子的發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和根伸長抑制率的影響。結(jié)果表明，淋洗后污泥（LSA、LSB）中的重金屬（Cd、Cu、Ni、Cr、Pb和Zn）和養(yǎng)分（有機質(zhì)、N、P）均降低。隨污泥添加量（總干質(zhì)量的5%～50%）的增加，3種蔬菜種子的發(fā)芽率減小；而淋洗后污泥提高了種子的發(fā)芽率，淋洗后污泥添加量為50%時，3種蔬菜種子的發(fā)芽率均在90%以上。3種蔬菜種子的發(fā)芽指數(shù)隨淋洗污泥（LSA、LSB）添加量的增加呈上升趨勢。與SA、SB相比，添加淋洗污泥后，3種蔬菜種子的根伸長抑制率增大，小白菜根伸長抑制率增加了32%～35%。

關(guān)鍵詞 ?污泥；淋洗；種子；發(fā)芽率；發(fā)芽指數(shù)；根伸長抑制率

中圖分類號 ?S 63 ??文獻標識碼 ?A ??文章編號 ?0517-6611（2023）05-0206-05

doi： 10.3969/j.issn.0517-6611.2023.05.047

開放科學（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

Effects of Sludge on Seed Germination of Three Vegetables after Leaching

PENG Gang， CHANG Hong， HUANG Li

（Huazhong Agricultural University/Key Laboratory of Arable Land Conservation in Middle and Lower Reaches of Yangtze River， Ministry of Agricultureand Rural Affairs， Wuhan，Hubei 430070）

Abstract ?The effects of sludge （LSA， LSB） after combined leaching of saponin and citric acid on the germination rate， germination index and root elongation inhibition rate of radish， cabbage and lettuce seeds were studied using two kinds of sludge （SA， SB） as materials. The results showed that the heavy metals （Cd， Cu， Ni， Cr， Pb and Zn） and nutrients （organic matter， N， P） in the sludge （LSA， LSB） were reduced after leaching. With the increase of sludge addition （5%-50% of the total dry mass）， the germination rate of the three seeds decreased;while the sludge increases the germination rate of the seeds after elution， and when the sludge addition amount is 50% after leaching， the germination rate of the three vegetables is above 90%. The germination index of the three vegetable seeds increased with the increase of the additive amount of leached sludge （LSA， LSB）. Compared with the unwashed sludge， after the addition of the leached sludge， the root elongation inhibition rate of the three vegetables increased， and the inhibition rate of root length of Chinese cabbage increased by 32%-35%.

Key words ?Sewage sludge;Leaching;Seed;Germination rate;Germiration index;Root elongation inhibition rate

隨著城市污水處理廠數(shù)量的激增、規(guī)模的擴大，其副產(chǎn)物污泥也逐年增加，預(yù)計在2025年我國污泥（以含水率80%計）的產(chǎn)量會趨近于9 000萬t［1］。 污泥中含有豐富的有機質(zhì)、N、P 及植物生長所必需的微量元素，是一種很好的有機肥源［2-4］。污泥的土地利用已被證明是城市污泥最有前景的處置方法［5］。然而，城市污泥含有Cd、Cu、Pb等重金屬，施用污泥必須控制重金屬總量和毒性［6］。

長期施用污泥會增加土壤中的重金屬，重金屬通過阻礙電子傳遞、降低酶的活性、損傷細胞膜等影響植物種子的發(fā)芽和根的伸長［7］。研究表明，污泥施用量較低（5%～15%）時，小麥出芽率會有不同程度的提高，而施用量較高（25%～30%）時，會明顯抑制小麥的出芽［8］。污泥對不同種子（如小白菜、生菜、青菜、黃瓜）具有不同程度的抑制作用［9-11］。而相比種子發(fā)芽率，其根長更易受到污染土壤的影響［10］。小白菜根伸長抑制作用隨污泥用量的增加而增加，并隨著時間推移呈現(xiàn)不同的趨勢［12］。

化學淋洗技術(shù)具有簡單、高效以及重金屬去除率較高等特點［13］。其中皂角苷和檸檬酸由于具有易生物降解、不會產(chǎn)生二次污染、對環(huán)境影響較小等優(yōu)點，作為一類環(huán)境友好型淋洗劑被廣泛地應(yīng)用于重金屬修復(fù)領(lǐng)域［14-15］。已有研究表明，皂角苷和檸檬酸聯(lián)合對污泥中的Cu、Pb 和Zn均有較好的去除效果，去除率分別可達43.16%、32.45%和38.69%［16］，使污泥中重金屬的移動性、生物有效性和潛在生態(tài)風險減弱［17］。污泥中的重金屬含量是影響種子萌發(fā)和根伸長的主要因素之一。低濃度的重金屬能夠提高種子的發(fā)芽率，而高濃度的重金屬（如Pb2+20.0～80.0 mg/L、Cd2+5.0～20.0 mg/L、Cr6+5.0～14.0 mg/L）會抑制種子的發(fā)芽率［18］。研究表明，淋洗后降低了重金屬含量，同時提高了高羊茅草的發(fā)芽率和株高等生長指標［19］。

雖然近年來污泥農(nóng)用潛力的研究較廣泛，但大多數(shù)污泥的農(nóng)用均為直接利用或者簡單處理。目前，污泥中的重金屬去除技術(shù)日漸完善，但對于去除重金屬后污泥的農(nóng)業(yè)利用研究較少。鑒于此，筆者以城市污泥為材料，研究皂角苷和檸檬酸聯(lián)合淋洗后污泥中重金屬及營養(yǎng)元素的變化，并分析淋洗前后污泥對蘿卜、小白菜和生菜種子的發(fā)芽率、根伸長抑制率和發(fā)芽指數(shù)的影響，以期為污泥的合理農(nóng)業(yè)利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤為武漢市華中農(nóng)業(yè)大學校內(nèi)試驗基地的水稻土。將土壤風干、研磨、過20目和100目篩后備用。供試土壤為水稻土，其基本性質(zhì)為pH 7.04、有機質(zhì)含量4.26 g/kg、全氮含量0.56 g/kg、全磷含量0.26 g/kg、全鉀含量10.69 g/kg。

污泥為武漢某污水處理廠2種污泥樣品（SA、SB），經(jīng)風干、剔除植物殘渣和石塊，研磨過100目篩備用。供試污泥SA、SB的含水量分別為77.99%、80.30%，燒失量分別為40.25%、41.04%，揮發(fā)性固體含量分別為37.74%、39.26%。

污泥淋洗制備：將皂角苷和檸檬酸聯(lián)合淋洗劑（檸檬酸濃度為0.1 mol/L，皂素質(zhì)量分數(shù)為1%，體積比為1 ∶5，液土比30 ∶1）分別加入SA和SB中，振蕩24 h，離心后過濾，并用去離子水清洗7～8次，凍干得到淋洗后的污泥樣品分別為LSA與LSB［16］。

供試作物的種子為蘿卜（韓白玉）、小白菜（新綠秀）、生菜（金色抽穗生菜）。

1.2 試驗設(shè)計

污泥按0（CK）、5%、10%、20%、50%的質(zhì)量比充分與土壤混合，各裝于直徑為9 cm的玻璃培養(yǎng)皿中（每個皿中總質(zhì)量為1 g），并用土壤作對照。加入10 mL去離子水，搖勻，再將大小適中的濾紙鋪在溶液表面上，使其濕潤。選擇光鮮飽滿的蘿卜、小白菜和生菜種子，按蘿卜每個發(fā)芽床15粒，生菜每個發(fā)芽床20粒，小白菜每個發(fā)芽床25粒，分別置于各發(fā)芽床上使之均勻分布，然后放入培養(yǎng)箱中于（25.0±0.5）℃條件下培養(yǎng)。其間，每隔24 h 觀察1 次發(fā)芽率，連續(xù)48 h 發(fā)芽率不再變化，試驗停止（蘿卜、小白菜、生菜種子的發(fā)芽時長分別為144、96、96 h）。測量平均根長（根和芽接點處到最長根尖的長度），計算其發(fā)芽率、根伸長抑制率和發(fā)芽指數(shù)。每個處理重復(fù)3次。種子發(fā)芽和根伸長的各項指標計算公式［20］如下：

種子發(fā)芽率＝發(fā)芽種子總數(shù)／供試種子數(shù)×100%

根伸長抑制率＝ （空白根長－各處理根長）／空白根長×100%

發(fā)芽指數(shù)（GI）＝∑（Gt/ Dt）

式中，Dt為發(fā)芽日數(shù)，Gt為與Dt相對應(yīng)的每天發(fā)芽種子數(shù)（取平均值）。

1.3 分析方法

污泥中的有機質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定；pH采用pH 計（Five easy，F(xiàn)E20）測定（水土比2.5 ∶1，mL/g）；全氮采用半微量開氏法測定；全磷、速效磷采用鉬銻抗比色法測定；全鉀、速效鉀采用火焰光度法測定；堿解氮采用堿解擴散法測定；重金屬元素的全量分析采用HF-HClO4-HNO3-HCl 消解，原子吸收光譜儀（40FS AA，美國瓦里安公司）測定。

2 結(jié)果與分析

2.1 淋洗前后污泥中養(yǎng)分與重金屬的變化

2.1.1 ????養(yǎng)分的變化。

從表1可以看出，污泥SA、SB中的有機質(zhì)、全氮和全磷含量均較高，全鉀含量則略低于供試土（10.69 g/kg）。淋洗后污泥的有機質(zhì)、全磷、速效磷、全氮、堿解氮含量均有不同程度的降低。淋洗后污泥LSA、LSB的有機質(zhì)含量分別為184.90和194.35 g/kg，與原污泥SA、SB相比分別下降了27.5%和34.6%；全磷含量的變化幅度較全氮的大，2種污泥的全磷含量分別降低63.0%和68.0%，而全氮含量分別下降了18.5%和14.0%。相比全量氮、磷，速效態(tài)的變化更為劇烈，其中速效磷含量降幅最大，LSA、LSB與SA、SB相比分別減少了80.1%和84.4%，堿解氮含量分別減少44.3%和63.9%，但全鉀與速效鉀含量的變化則不明顯。由于污泥淋洗后進行了多次（7～8次）清洗，另外淋洗劑中殘余的皂角苷可能與有機質(zhì)、氮、磷發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，從而導(dǎo)致一部分養(yǎng)分的損失，但大部分養(yǎng)分的含量仍遠高于供試土壤的。另外淋洗后2種污泥的pH變化較大，可能是淋洗采用的檸檬酸呈酸性，導(dǎo)致污泥的pH有一定程度的降低。

2.1.2 ???重金屬的變化。

從淋洗前后污泥的重金屬含量變化（表2）可以看出，SB中的Cd、Cu、Ni、Zn、Cr含量均高于SA，經(jīng)過皂角苷與檸檬酸聯(lián)合淋洗后污泥的重金屬含量有所降低。淋洗后污泥LSA各重金屬含量低于國家污泥農(nóng)用標準GB 18918—2002，而淋洗后污泥LSB中除Cd外，其他元素也低于國家污泥農(nóng)用標準。淋洗對Cu的去除效果最好，含量分別降低了31.0%和53.8%；Cd含量分別降低了31.9%和22.0%，而Ni與Cr的去除率均低于20.0%。這可能與重金屬的存在形態(tài)、皂角苷與重金屬的絡(luò)合能力有關(guān)［21］。有研究表明，皂角苷和檸檬酸都更容易與Cu2+形成配合物，導(dǎo)致Cu2+的整體去除率高于Cd2+［22-23］。另外，重金屬的去除率還與污泥的類型、有機質(zhì)含量、重金屬濃度、重金屬的存在形態(tài)絡(luò)合能力有關(guān)［24］。

2.2 污泥利用對蔬菜種子發(fā)芽的影響

2.2.1 ???發(fā)芽率。

從表3可以看出，SA、SB中，隨培養(yǎng)時間的延長，蘿卜種子的發(fā)芽率逐漸增加。48～120 h時SA污泥添加量為5%（SA-5%）處理的蘿卜種子發(fā)芽率高于對照（CK）的，這可能是施加污泥提高了培養(yǎng)基中液體的脂質(zhì)、糖、蛋白質(zhì)和礦質(zhì)養(yǎng)分等物質(zhì)，種子萌發(fā)吸水時，培養(yǎng)基內(nèi)的營養(yǎng)物質(zhì)一定程度上促進了種子發(fā)芽［25-26］；而培養(yǎng)到144 h時發(fā)芽率為96.7%，略低于CK的（發(fā)芽率100.0%），120 h以前重金屬能促進種子萌發(fā)或?qū)ΨN子萌發(fā)無影響，但隨著時間的延長，種子體內(nèi)重金屬濃度增加，抑制了種子的發(fā)芽［27］。隨污泥添加量的增加，蘿卜種子的發(fā)芽率降低，例如50%添加量的SA和SB 處理（SA-50%、SB-50%）在培養(yǎng)時間為144 h時，種子的發(fā)芽率分別僅為50.0%和46.6%，可見污泥施加量越大，重金屬含量越高，發(fā)芽率越低，這與砂質(zhì)土壤中添加城市污泥對小白菜萌發(fā)影響的結(jié)果類似［28］。

添加LSA與LSB培養(yǎng)96 h內(nèi)，各處理的發(fā)芽率均高于CK，其中96 h淋洗污泥LSA和LSB添加量為50%處理（LSA-50%、LSB-50%）的發(fā)芽率由CK的80%分別提升至96.6%和86.7%。在發(fā)芽試驗結(jié)束時，添加LSA與LSB污泥5%～50%處理的種子發(fā)芽率均在90.0%左右。

添加污泥SA、SB在0～144 h對蘿卜種子發(fā)芽率的影響趨勢是一致的。但SB-50%處理在培養(yǎng)48 h的種子發(fā)芽率（26.6%）低于SA-50%處理（46.7%），可能是SB污泥中的多數(shù)重金屬含量較高，重金屬能與種子細胞內(nèi)蛋白質(zhì)、核酸和脂質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，阻礙了種子的萌發(fā)與根系的生長［29］。

與蘿卜種子相比，污泥對小白菜種子的發(fā)芽率影響較大（表4）。添加SA培養(yǎng)24 h，5%、10%、20%、50%處理的發(fā)芽率分別為86%、82%、78%、78%，均低于對照（90%）。添加SB培養(yǎng)96 h，50%處理的發(fā)芽率最低，僅為86%，而其他處理的發(fā)芽率均在90%以上。

在48 h，添加LSA與LSB，10%、20%、50%處理相比于CK，種子的發(fā)芽率均有所提高。在72 h，LSA-50%處理能夠促進種子的萌發(fā)，發(fā)芽率比CK提高了2百分點，但LSB-50%處理對種子發(fā)芽率的影響不明顯。

整體上來看，2種污泥對蘿卜種子發(fā)芽率的影響大于小白菜種子發(fā)芽率，這可能與種子對重金屬的耐受程度不同有關(guān)。在96 h后，不同污泥添加對小白菜種子發(fā)芽率的影響不明顯，這可能是小白菜對重金屬有較強的吸收作用，也比較敏感［30］，導(dǎo)致小白菜處理間的種子發(fā)芽率變化不明顯。

從表5可以看出，96 h內(nèi)，相比于CK，添加SA、SB分別為10%、20%、50%的處理降低了生菜種子發(fā)芽率。SA-50%與SB-50%處理的發(fā)芽率均較低，在發(fā)芽試驗結(jié)束時（96 h）分別僅為62.5%和77.5%，而LSA-50%和LSB-50%處理的發(fā)芽率均提高至100%?？梢娏芟次勰啵↙SA-50%、LSB-50%）明顯提高了生菜種子發(fā)芽率。

2.2.2 ???發(fā)芽指數(shù)。

從表6可以看出，添加5%的SA污泥后，3種蔬菜種子的發(fā)芽指數(shù)均大于CK，說明一定量SA污泥對種子的萌發(fā)起到促進作用［31］。但是高用量（20%～50%）的污泥仍然對種子發(fā)芽有抑制作用，如在SB-50%處理時，蘿卜種子的發(fā)芽指數(shù)僅為9.20。相比于污泥淋洗前（SA、SB），淋洗后20%添加比例的各處理種子發(fā)芽指數(shù)有所增加，而50%添加比例的各處理（除LSA-50%小白菜除外）種子的發(fā)芽指數(shù)有不同程度的增加，LSB-50%處理的生菜種子發(fā)芽指數(shù)較SB-50%增加了21.88。3種蔬菜種子的發(fā)芽指數(shù)隨淋洗污泥（LSA、LSB）添加量的增加呈上升趨勢。

整體來看，3種蔬菜種子中，SA污泥的發(fā)芽指數(shù)均高于SB污泥，可能是因為SB污泥中的多數(shù)重金屬含量高于SA。

2.2.3 ???根伸長抑制率。

從圖1可以看出，3種蔬菜的根伸長抑制率均隨污泥添加量的增加而增大。SA-50%、SB-50%處理中，蘿卜、小白菜、生菜的根伸長抑制率均接近100%，可見增加污泥添加量對根長的抑制作用增大，這與城市污泥對青椒根系抑制作用的研究結(jié)果類似［32］。2種污泥相比，添加SB的處理根伸長抑制率較高于SA。

與SA、SB相比，LSA和LSB處理下的根伸長抑制率反而增大，其中小白菜的抑制率增幅最大，各處理增加32%～35%。3種蔬菜中小白菜的根伸長抑制率最高。

有研究表明，重金屬對種子根長的影響較發(fā)芽率更為顯著，均表現(xiàn)為根長隨著土壤中重金屬含量的增加而減?。?3-34］，重金屬是影響種子根長的重要因素。種子發(fā)芽時可從胚內(nèi)得到養(yǎng)分供應(yīng)，這使得重金屬對種子的毒害作用在一定范圍內(nèi)表現(xiàn)為部分抑制；而根從一開始就完全暴露于土壤中，其生長和發(fā)育全過程受重金屬污染的影響較大，所以根對重金屬污染的反應(yīng)更為敏感［35］。另外，該研究中添加淋洗后污泥的種子根伸長抑制率反而增大，這可能是淋洗后污泥的pH降低，影響細胞壁的組分和重金屬的生物有效性，進而抑制根系的生長［36］。

3 結(jié)論

淋洗會導(dǎo)致污泥中養(yǎng)分的淋失，使有機質(zhì)、氮、磷、鉀含量均有不同程度的下降，其中以磷的變化幅度最大。淋洗后各重金屬含量均降低，其中對Cu的去除效果較好，可達30%以上。

總體來看，隨原污泥（SA、SB）添加量的增加，3種蔬菜種子的發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)均降低，其中，在SA-50%和SB-50%處理下，蘿卜的發(fā)芽率均不高于50%。與SA相比，SB對蘿卜和生菜種子的發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)均降低。與原污泥（SA、SB）相比，淋洗后污泥（LSA、LSB）提高了種子發(fā)芽率，但不同添加量對種子的發(fā)芽率沒有顯著影響。3種蔬菜種子的發(fā)芽指數(shù)隨淋洗污泥（LSA、LSB）添加量的增加呈上升趨勢。

相比于SA和LSA，SB和LSB對種子的根生長抑制率更明顯。根伸長抑制率均隨污泥（SA、SB、LSA、LSB）添加量的增加而增大，當污泥（SA、SB、LSA、LSB）添加量為50%時，3種蔬菜根伸長抑制率均接近或達到100%。在添加污泥（SA、SB、LSA、LSB）處理下的小白菜根伸長抑制率高于蘿卜、生菜的根伸長抑制率。添加淋洗污泥后，種子的根伸長抑制率增大，其中對小白菜種子的根伸長抑制率增加了32%～35%。

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