污泥植物處理后對玉米生長及土壤重金屬含量的影響

許田芬,謝方文,丘錦榮,衛澤斌,郭曉方,吳啟堂* (.華南農業大學資源環境學院,廣東省高校土壤環境與廢物資源農業利用重點實驗室,廣東 廣州 5064；.環境保護部華南環境科學研究所,廣東 廣州 50655)

污泥植物處理后對玉米生長及土壤重金屬含量的影響

許田芬1,謝方文1,丘錦榮2,衛澤斌1,郭曉方1,吳啟堂1*(1.華南農業大學資源環境學院,廣東省高校土壤環境與廢物資源農業利用重點實驗室,廣東 廣州 510642；2.環境保護部華南環境科學研究所,廣東 廣州 510655)

為了探明植物處理后污泥作為肥料施用后對后續作物和土壤的影響,將植物處理后的污泥混于土壤,種植后續作物玉米(Zea mays),測定作物產量以及土壤和作物的重金屬含量.結果表明,污泥施用 2a后仍有肥效,其玉米生物量顯著大于無污泥的對照處理,且單種植物處理后的污泥肥效要優于無植物或套種處理的污泥.施用污泥后的2a內,4季玉米的莖葉和籽粒Zn、Cd、Cu和Pb含量均符合飼料標準;但第 3季以后玉米籽粒才可作為食用.施用污泥后土壤重金屬含量隨時間而下降,Zn的年消失率為 32%～35%,Cd為 28%～33%,Cu為18%～30%,Pb為15%～23%;施用污泥的土壤重金屬年下降率高于對照和化肥處理.污泥施用于土壤2a后,表層土壤全Zn和全Pb含量與對照處理已無明顯差異.

植物處理；污泥農用；重金屬；玉米

污泥農用已成為世界上很多國家主要的污泥處置方式[1-2],但污泥農用后往往對土壤、植物和地表(下)水造成重金屬污染[3-10].目前關于污泥對后續植物和土壤重金屬的影響有不少報道,包括城市污泥和某些特種污泥(如電鍍工業污泥等)[11-14],但是長期田間試驗研究仍然很少.

很多學者研究將污泥經過一定的處理后來降低其重金屬的危害,如利用重金屬固定劑、吸附劑、微波照射等都能一定程度上降低施污泥土壤中重金屬的移動性[15-18],同時也有研究利用電動技術及加入螯合劑等將污泥重金屬去除[19-20].

植物修復成本低且無二次污染,在土地成本較低的城市具有應用和推廣的前景.目前,植物修復主要是指植物提取作用[21],即利用超富集植物對重金屬的超富集能力清除土壤重金屬污染的技術.但僅種植超富集植物時,不能收獲農產品,為此相關學者研究將超富集植物和其他作物間套種,在去除重金屬的同時,生產符合一定標準的農產品[22-25].因此污泥植物處理具有其他處理方式所沒有的優勢.但經過植物處理的污泥施用于土壤后對后續作物和土壤的影響如何尚不清楚.本研究主要是在前期對污泥進行了植物處理的基礎上[26],將處理后的城市污泥作為肥料和土壤混合后,隨著時間的推移,對后續多季作物的生長和土壤重金屬元素的影響,以期為植物處理后污泥農用提供科學依據.

1 材料與方法

1.1 供試材料

1.1.1 供試土壤 供試土壤的基本性質和重金屬含量見表1.

1.1.2 供試植物 玉米(Zea mays var. yunshi-5):種子購買于云南農科院育種中心,品種為云石5號.

表1 供試土壤的基本理化性質Table 1 Main characteristics of the studied soil

1.2 試驗設計

試驗在華南農業大學資環學院環境科學與工程系的網室進行,試驗用地約 50m2,地勢平坦、光照均一,形狀為2m×25m的長方形,每小區面積約為2m×1m.本試驗設置5個處理4個重復(表2).

表2 試驗設計Table 2 Design of experiments

本試驗從2007年7月開始,到2009年9月結束,后續作物種植 4季玉米,種植密度均為0.3m× 0.3m.具體種植時間分別為2007年7～10月(第1季),2008年4～7月(第2季),2009年3～6月(第3季),2009年7～9月(第4季).由于2009年6月收獲的玉米在生長時已經出現營養不足癥狀(化肥處理除外),所有處理在第 4季種植前都按化肥處理的化肥施用量施用了等量的復合肥.

1.3 樣品分析

1.3.1 土壤樣品分析 植物種植前及每次收獲后,及時用竹制取土器取0～20cm土壤樣品,每小區取5個點組成一混合樣品.在室內風干,去除碎石、根莖,過20目尼龍篩,之后再取1/4過100目尼龍篩,置于密封袋保存并登記,備測理化指標.基本理化指標測定參照《土壤農業化學分析法》[27],全量Zn、Cd、Cu、Pb分析測定方法參照相關中華人民共和國國家標準[28-29].施用污泥的土壤與普通土壤一樣取樣和分析.

土壤樣品的重金屬分析過程中加入國家標準土壤樣品(GSS-4)進行質量控制,4種重金屬的回收率均在允許范圍內(94%～98%).

1.3.2 植物樣品分析 稱取每小區玉米棒和莖葉總重后,每小區取3個代表性玉米棒稱重,脫粒,稱取玉米粒重,分別用自來水和去離子水洗凈,吸水紙吸干表面水,測定鮮重.將玉米籽粒樣品置于烘箱內105℃殺青20min,然后65℃烘至恒重(約48h),記錄干重.然后用粉碎機粉碎過 0.25mm的尼龍網篩,備測重金屬.植物重金屬含量測定采用干灰化－原子吸收光譜法,具體測定方法參考國家標準方法[30-33].植物樣品的重金屬分析過程中加入國家標準植物樣品(GSV-1)進行質量控制,4種重金屬的回收率均在允許范圍內(93%～96%).

1.4 數據處理與統計分析

數據用Excel 2003整理、作圖及方程擬合,采用SAS 8.1軟件對數據進行多重比較.

2 結果與分析

2.1 植物處理后的污泥施用對土壤重金屬的影響

2.1.1 土壤重金屬全量 不同處理的污泥和土壤混合后,土壤中全鋅、全鎘、全銅含量顯著增加(高于對照或化肥處理)(表3),但是,套種處理的污泥施用后土壤全鋅含量與對照處理無顯著差異,這是由于套種處理污泥時植物吸收鋅量大的緣故[22].污泥的加入未使土壤鉛含量顯著升高,在26個月之后各處理間全Pb含量仍無顯著差異,但均有所降低.在施用污泥 26個月后,各處理全Zn含量不僅降低,且各處理間已經沒有顯著性差異,這表明 2a后在本實驗污泥使用量下污泥Zn含量對表層土壤已沒有明顯影響.施用26個月后污泥處理全 Cd含量顯著降低,但仍明顯大于對照和化肥處理.土壤全Cu含量與Cd的情況相似.

2.1.2 土壤重金屬隨時間的變化率 為了更好地看出不同處理土壤全Zn、全Cd、全Cu和全Pb含量隨時間變化規律,將4個不同時期各處理重金屬含量除以初始含量得到的比值即為殘留率(y),殘留率與時間(x)進行回歸方程擬合,結果見表 4.,結果表明對照和化肥處理的土壤最優回歸方程R2多數小于 0.770 (df=3),且未達到顯著性,重金屬的降低與時間沒有明顯的相關性,這可能是由于穩定態重金屬的礦化速度很大程度上與有機質含量相關[34-36],而對照處理相比于污泥處理有機質含量要低很多,重金屬釋放和離開表層土壤不太明顯.除了套種污泥處理Pb直線回歸方程的R2小于0.770外,其余污泥處理的Zn、Cd、Cu和Pb直線回歸方程的R2均大于0.770,且有些大于0.920(達到極顯著水平),表明污泥處理土壤重金屬殘留率與時間有明顯的相關性,隨時間逐漸降低.各污泥處理土壤全Zn、全Cd、全Cu和全Pb直線回歸方程的斜率均大于對照和化肥處理(套種后污泥處理的Pb除外),表明污泥處理土壤的重金屬下降速率比對照和化肥處理更快.從直線回歸方程可以看出施用污泥后土壤Zn的年消失率為 32%～35%;Cd為 28%～33%;Cu為18%～30%;Pb為15%～23%.污泥處理的土壤重金屬的減少速度順序為:Zn＞Cd＞Cu＞Pb,這可能是由于初始污泥中Zn、Cd、Cu、Pb的DTPA有效態含量比例順序為:Cd(45.54%)＞Zn(22.11%)＞Cu(12.84%)＞Pb(0.67%),而且Zn又是植物需要量較大的微量元素.在污泥處理的土壤中, Zn、Cd、Cu和 Pb隨時間降低最快的均為單種后污泥處理,其次為無植物污泥處理,最慢的為套種后污泥處理.

表4 土壤重金屬殘留率(y)隨時間(x, a)變化的回歸方程Table 4 Regressions between the residue rate (y) of heavy metals in soil and the time (x, a)

2.2 城市污泥施用后對后續作物的影響

表5 不同處理玉米莖葉及籽粒生物量(g/plot)Table 5 Biomass of stems-leaves and grains of Zea mays under different treatments (g/plot)

2.2.1 對玉米莖葉和籽粒生物量的影響 在前3季玉米中,相比于對照處理,污泥施用后的2a內玉米莖葉和籽粒都增產,除套種后污泥處理的玉米有時未達到顯著性增產外,其余都顯著增產;與化肥處理相比,種植第1年(第1季和第2季)無植物污泥處理和單種后污泥處理的玉米莖葉生物量顯著提高,第2年(第3季)僅單種后污泥處理玉米莖葉和籽粒生物量顯著更高.第4季所有處理均施用化肥后,玉米莖葉及籽粒生物量已無顯著差異.這表明從玉米生物量來看,三個混污泥處理在 2a內仍有肥效,即顯著優于對照處理,而且較優的處理為單種后污泥處理.具體見表5.

2.2.2 對玉米重金屬含量的影響 不同處理污泥施用1a后收獲的玉米中(第1季和第2季),各處理玉米籽粒中Cd和Cu的含量符合食品衛生標準,Pb不符合該標準,但符合飼料標準[37],Zn在第1季玉米籽粒中符合食品衛生標準,但第2季有所升高且不符合食品衛生標準,這表明污泥在施用后1a內仍可能使玉米籽粒Zn含量超出食品中污染物限量(Cd≤0.1mg/kg,Cu≤10mg/kg, Pb≤0.2mg/kg, Zn≤50mg/kg)[38](表6).各處理Pb含量無顯著性差異,這表明玉米籽粒Pb含量不符合食品衛生標準與污泥使用沒有明顯相關,這可能與該實驗地的初始土壤 Pb有效態比例較大有關(DTPA提取態Pb占總量Pb的17.8%).第3季和第4季(施用后第2年)各處理玉米籽粒中Zn、Cd、Cu和Pb含量符合食品衛生標準(對照處理的Pb含量除外,但與其他處理無顯著差異).總的來說,不同處理的污泥施用后,收獲的玉米籽粒均符合飼料標準,可作為飼料使用.污泥施用后1年內,種植玉米作為食用仍有一定風險,施用后第 2年玉米籽粒可以考慮食用.

表6 不同處理玉米籽粒Zn、Cd、Cu和Pb含量(mg/kg)Table 6 Concentrations of Zn, Cd ,Cu and Pb in grains of Zea mays under different treatments (mg/kg)

表7 不同處理玉米莖葉Zn、Cd、Cu和Pb含量(mg/kg)Table 7 Concentrations of Zn, Cd ,Cu and Pb in stems-leaves of Zea mays (mg/kg)

從表 7可知,污泥施用后,4季玉米莖葉中Zn、Cd、Cu和Pb含量均符合飼料標準(Cd≤0.5 mg/kg,Pb≤5mg/kg,Zn及Cu尚未頒布限值)[34].不同處理的污泥施用后玉米莖葉Zn、Cd含量顯著升高,但第2季及第3季單種后污泥處理的玉米莖葉Cd含量及第4季時套種后污泥處理的玉米莖葉 Zn含量與對照處理無顯著差異,這表明植物處理后的污泥施用對玉米莖葉Zn、Cd的影響要小于無植物的污泥處理.在第4季時各處理玉米莖葉Cu和Pb含量已無顯著差異.隨著時間的推移土壤中Zn、Cd、Cu、Pb含量降低(具體降低規律見表4),但是玉米莖葉中Zn、Cd、Cu含量并沒有有規律地降低,這可能受季節和玉米生長狀況的影響;只有玉米莖葉 Pb含量基本呈現逐漸降低的趨勢,與其他研究者的研究成果一致[39].

3 結論

3.1 污泥農用的后效可維持3季玉米,玉米生物量顯著優于對照處理,而與化肥處理相當,且單種東南景天處理的污泥施用后玉米的生物量最大.

3.2 在本試驗條件下,施用污泥后種植的玉米其籽粒或莖葉均可作為飼料,但是在停止施用后第3季及以后種植的玉米才可以食用,且套種處理后的污泥其Zn等重金屬對玉米的影響小于經單種處理和無植物處理的污泥.

3.3 施用污泥后的土壤Zn的年消失率為32%～35%;Cd為 28%～33%;Cu為 18%～30%;Pb為15%～23%.2年4季玉米后施用污泥的土壤全Zn和全Pb含量與對照處理已無明顯差異.

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Maize growth and soil heavy metal changes after application of phyto-treated sewage sludge.

XU Tian-fen1, XIE Fang-wen1, QIU Jin-rong2, WEI Ze-bin1, GUO Xiao-fang1, WU Qi-tang1*(1.Key Laboratory of Soil Environment and Waste Reuse in Agriculture of Guangdong Higher Education Institutes, College of Natural Resources and Environment, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China；2.South China Institute of Environmental Sciences, Ministry of Environmental Protection, Guangzhou 510655, China). China Environmental Science, 2012,32(9)：1640～1646

phyto-treatment；sludge application；heavy metals；Zea mays

2011-11-29

廣東省科技計劃項目(2009B030802016,2010B031800006, 2009A020101005);國家自然科學基金資助項目(41071306)

* 責任作者, 教授, wuqitang@scau.edu.cn

X705

A

1000-6923(2012)09-1640-07

Abatract：In order to study the effect of the application of phyto-treated sewage sludge on heavy metals in soil and maize (Zea mays) growth, experiments in plots with successive maize crops after applying the phyto-treated sludge were conducted with the monitoring of heavy metals in soil and crop. Results showed that the application of sludge to soil was still beneficial to maize during 2 years and the maize biomass with sludge was better than that of control. The treatment with mono-crop treated sludge resulted in the highest yield. Concerning the concentrations of Zn, Cd, Cu and Pb in maize, all harvests of corn and the stem and leaves of maize could be used as animal feeds during 2 years. But only the corn grains of the third harvest and there-after could be conformed to the food standards. The concentrations of heavy metals in soil declined with time, the annual disappearance rates were 32%～35% for Zn, 28%～33% for Cd, 18%～30% for Cu and 15%～23% for Pb, and the disappearance rates were higher for the sludge treated soils than that of control and the chemical fertilizer treated soils. The total concentrations of Zn and Pb in the up-soil layer treated with sludge did not show significant difference with the control after 2 years.

許田芬(1982-),女,安徽東至人,博士后,主要從事污泥資源化利用和重金屬治理研究.發表論文4篇.