污泥堆肥對海濱木槿生長及元素吸收的影響

彭 藝，姜 睿，肖祖飛，張北紅，李 鳳

(南昌工程學院 江西省樟樹繁育與開發利用工程研究中心，江西 南昌330099)

污泥是污水處理廠污水凈化后產生的固體或流體狀物質，含有豐富的營養物質，可供植物利用，但也含有大量的病原物體、寄生蟲(卵)、重金屬等有害物質，會對環境產生一定的危害[1]。污泥進行有氧或厭氧堆置漚熟能夠有效地殺滅病原物體、寄生蟲(卵)等，但重金屬難以去除，污泥堆肥用于作物的栽培，其重金屬會污染土壤，在作物內積累，有可能經過食物鏈危害動物和人類的健康，造成嚴重的生態破壞[2]。污泥堆肥用于園林植物的栽培基質，不僅可以避開食物鏈，而且還可減少肥料的施用，重金屬也可以富集到植物體內，減少污染，是目前研究的熱點。有研究表明，污泥堆肥與腐殖山基土配比用于羽衣甘藍的栽培基質，能夠促進株高、莖粗、冠幅、花幅的生長，污泥堆肥與腐殖山基土的比值為6∶4時最適合羽衣甘藍的生長[3]。污泥堆肥能夠提高早熟禾株高、葉面積、生物量和葉綠素含量等，提高早熟禾葉片凈光合速率、蒸騰速率和水分利用率，與2%、4%、6%和10%的污泥堆肥施用量相比較，施用8%(80 g污泥+920 g土壤)時效果最好[4];污泥施用量過大會對植物生長產生抑制作用[5]。海濱木槿(Hibiscushamabo)屬錦葵科木槿屬植物，樹冠濃密，花大且呈金黃色，花期長，葉子入秋后變紅，是優良的觀花觀葉園林植物[6]。海濱木槿耐鹽堿，具有很強的抗風能力，能耐-10 ℃低溫和40 ℃高溫，也是優良的防風護林和綠化的樹種[7]。本文以海濱木槿2年生扦插苗為材料，研究了污泥堆肥對海濱木槿生長及元素吸收的影響，以期為污泥堆肥的利用提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

污泥取自江西南昌市青山湖污水處理有限公司，其污水來源為城市生活污水。污泥用薄膜覆蓋，進行厭氧堆置漚熟75 d之后風干，制備成污泥堆肥，碾碎過3 mm篩待用。紅壤土取自南昌工程學院園林實訓基地，風干后碾碎，過3 mm篩待用。污泥堆肥與紅壤土的理化性質見表1。海濱木槿為2年生扦插苗，生長健壯，長勢一致。栽培盆選用外口徑29 cm、內口徑25 cm、高26 cm的塑料盆。

1.2 試驗設計

污泥堆肥與紅壤土按不同體積比均勻混合，作為栽培基質。本試驗共設5個處理，分別為對照：紅壤土(無污泥堆肥)、處理1：污泥堆肥∶紅壤土=1∶3、處理2：污泥堆肥∶紅壤土=2∶3、處理3：污泥堆肥∶紅壤土=1∶1、處理4：污泥堆肥∶紅壤土=3∶2，其理化性質見表1。每個處理10盆，3次重復，完全隨機區組排列。

表1 污泥堆肥、紅壤土及其不同配比的理化性質

試驗場地設置在南昌工程學院園林實訓基地，位于南昌市東部，緊鄰艾溪湖濕地公園和瑤湖森林公園，東經115°27′～116°35′、北緯28°09′～29°11′，屬亞熱帶濕潤季風性氣候，日照充足，降雨量充沛，年無霜期長、冰凍期短。試驗于2018年5月14日開始，同年9月14日結束。每盆裝基質8 kg，每盆栽苗1株，栽前對每株苗木的株高和地徑進行測定。根據盆栽水分狀況，進行澆水管理，以保證植物正常生長。

1.3 測定指標與方法

2018年8月14日上午9:00～11:30測定光合參數，每個處理挑選3株具代表性的植株，每株再選出有代表性的當年生成熟葉片3片(從枝條頂部開始第5～7片葉片)為待測材料，采用Li-6400XT光合儀測定葉片凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導度和胞間CO2濃度等參數，光源為儀器的紅藍光，葉室大小為2 cm×3 cm，光照強度為1000 μmol/m2·s，測定溫度設為25 ℃，氣源為試驗區3 m 以外的空氣。同時，每個處理隨機挑取3盆，將植株整體挖出，洗凈，葉片取自從枝條頂部開始第5～8片，根系選取二級側根，迅速包好放入液氮罐中保存，帶回實驗室采用丙酮浸提法[8, 9]測定葉綠素和類胡蘿卜素含量。

2018年9月14日結束試驗，將剩下的試驗苗整體挖出，先用自來水沖洗，再用去離子水洗凈晾干，測量樹高、地徑和鮮重；之后將地上部分與地下部分分開，分別測定鮮重；再用根系分析儀WinRHIZO掃描根系，測定單株總根長、根面積、根體積和細根直徑，并在105 ℃下殺青0.5 h，70 ℃下烘至恒量，稱干重。將植物樣品磨碎過0.25 mm篩，用于測定N、P、K、Cu、Zn、Cd 含量。先用濃H2SO4-H2O2消煮植物樣品，獲得待測液，N 含量用堿解擴散法測定，P 含量用鉬銻抗比色法測定，K含量用火焰分光光度計法測定。重金屬Cu、Zn、Cd等的含量 采用干灰化-原子吸收分光光度計法測定。

栽培基質各指標測定方法如下[10]：pH值采用pH計法(水土比為 2.5∶1)測定；有機質含量采用重鉻酸鉀容量法測定;全N、堿解N的含量采用堿解擴散法測定；全P含量采用NaOH熔融-鉬銻抗比色法測定;速效P含量采用HCl和H2SO4溶液浸提-鉬銻抗比色法測定；全K含量采用NaOH熔融-火焰分光光度計法測定;速效K含量采用NH4OAc浸提-火焰分光光度計法測定；重金屬含量采用HF-HNO3-HClO4消煮-原子吸收分光光度法測定。

1.4 數據分析

植物重金屬耐性指數[11]=重金屬污染基質中生長的植物平均生物量/園林土壤(沒有重金屬污染)中生長的植物平均生物量

重金屬富集系數(BAF)[12]=植物某部位重金屬含量/土壤重金屬含量

轉移系數(TF)[13]=地上部植物中重金屬含量/地下部植物中重金屬含量

所有實驗數據先用Excel 2010計算、整理，再用SPSS 19.0進行單因素方差分析(one-way ANOVA)和Duncan多重比較，顯著性水平為P<0.05。

2 結果與分析

2.1 污泥堆肥對海濱木槿生長的影響

2.1.1 污泥堆肥對海濱木槿株高、地徑和生物量的影響 由表2可知，海濱木槿株高、地徑、地上部分生物量、地下部分生物量和總生物量隨著污泥堆肥使用量的增加而增加。各處理株高、地徑、生物量相較于對照有顯著提高。在所有處理中，處理4的海濱木槿生長最好，株高、地徑分別是對照的1.78、1.66倍，地上部分生物量是對照的6.49倍，地下部分生物量是對照的3.89倍，總生物量是對照的5.6倍。根冠比隨污泥堆肥使用量的增加而降低，與對照相比，處理4的根冠比下降了41%。重金屬耐性指數也隨污泥堆肥使用量的增加而增加，處理4的耐性指數是對照的5.60倍。表明污泥堆肥對海濱木槿的生長具有顯著促進作用，其中對地上部分的生長促進作用最顯著，同時海濱木槿對污泥堆肥具有較強的抗性。

表2 污泥堆肥對海濱木槿株高、地徑和生物量的影響

2.1.2 污泥堆肥對海濱木槿根系生長的影響 由表3可知，各處理海濱木槿的總根長、根面積和根體積顯著大于對照組。總根長以處理4最大，與處理1、處理2和處理3比較，總根長分別增加了25.61%、53.47%和28.68%；總根面積和總根體積各處理間差異不顯著。細根直徑最大的是處理3，其次是處理2，兩者之間差異不顯著，但均顯著高于處理4、處理1和對照組。因此，污泥堆肥對海濱木槿的根系生長具有促進作用。

表3 污泥堆肥對海濱木槿根系生長的影響

2.2 污泥堆肥對海濱木槿色素含量和光合參數的影響

2.2.1 污泥堆肥對海濱木槿葉片葉綠素和類胡蘿卜素含量的影響 由表4可知，各處理間海濱木槿葉片葉綠素a、葉綠素b、總葉綠素含量差異不顯著，但均顯著高于對照組。與對照組比較，處理1至處理4葉綠素a含量分別增加了49.02%、49.51%、52.83%和44.59%，葉綠素b含量分別增加了87.98%、70.54%、70.54%和60.47%，葉綠素含量分別增加了58.40%、54.57%、57.09%和48.41%。對照組的類胡蘿卜素含量顯著高于各處理，隨污泥堆肥施用量的增加而有所降低。對照組的葉綠素a∶葉綠素b的值約為3∶1，各處理葉綠素a∶葉綠素b的值接近3∶1，各處理與對照組差異不顯著。對照組葉綠素∶類胡蘿卜素的值約為4∶1，而各處理葉綠素與類胡蘿卜素的值約為7～8∶1，是對照組的1.75～2.00倍，顯著高于對照組。表明污泥堆肥促進海濱木槿葉片葉綠素a、葉綠素b和總葉綠素的合成，降低類胡蘿卜素的合成。

表4 污泥堆肥對海濱木槿葉片葉綠素和類胡蘿卜素含量的影響 mg/kg

2.2.2 污泥堆肥對海濱木槿光合參數的影響 由表5可知，海濱木槿葉片凈光合速率、氣孔導度、胞間CO2濃度和蒸騰速率隨污泥堆肥使用量的增加而增加，各處理顯著高于對照。處理4海濱木槿葉片凈光合速率、氣孔導度、胞間CO2濃度和蒸騰速率顯著高于處理1和處理2，與處理3差異不顯著。與對照相比較，處理4的葉片凈光合速率、氣孔導度、胞間CO2濃度和蒸騰速率分別增加了21.82%、45.71%、17.71%和48.68%。因此，海濱木槿最適污泥堆肥量是處理3和處理4中的用量。

表5 不同處理的污泥堆肥對海濱木槿光合參數的影響

2.3 不同污泥堆肥處理下海濱木槿對N、P和K的吸收

由表6可知，海濱木槿葉片、莖和根中N、P和K的含量隨污泥使用量的增加而增加，各處理顯著高于對照組，各處理間也存在差異。處理4下，葉和莖中N、P含量顯著高于各處理，與處理1、處理2和處理3相比較，葉中N含量分別增加了35.20%、20.24%和14.92%，莖中N含量分別增加了37.06%、15.66%和13.53%；葉中P含量分別增加了46.44%、26.36%和24.55%，莖中P含量分別增加了59.58%、33.01%和24.48%。處理4葉、莖中K含量顯著高于處理1和處理2，葉片中K含量分別增加了36.68%和33.49%，莖中K含量分別增加了27.35%和11.20%;處理4與處理3間葉、莖中K含量差異不顯著。葉中N、P和K的含量最高，其次是莖，根中含量較少。

表6 不同污泥堆肥處理下海濱木槿葉、莖和根對N、P和K的富集 g/kg

2.4 不同污泥堆肥處理下海濱木槿對重金屬的吸收和富集

2.4.1 不同污泥堆肥處理下海濱木槿不同器官對重金屬的吸收 由表7可知，海濱木槿能夠吸收污泥堆肥中的重金屬銅、鋅和鎘，吸收量表現為Zn>Cu>Cd。海濱木槿地上部分和地下部分Cu、Zn和Cd的含量隨污泥使用量的增加而增加，各處理地上部分和地下部分Cu、Zn和Cd的含量顯著高于對照，各處理間也存在差異。處理4的地上部分和地下部分Cu、Zn和Cd含量高于其它處理，與處理1、處理2和處理3相比較，處理4的地上部分Cu含量分別增加了41.97%、23.28%和3.28%，地下部分Cu含量分別增加了30.40%、17.92%和10.92；處理4地上部分Zn含量分別增加了25.41%、18.90%和13.35%，地下部分Zn含量分別增加了35.52%、25.66%和12.93；處理4地上部分Cd含量分別增加了29.55%、27.27%和18.18%，地下部分Cd含量分別增加了40.98%、26.23%和19.67%。海濱木槿地下部分銅和鎘含量顯著高于地上部分，鋅的含量在地上部分和地下部分間差異不顯著。

表7 不同污泥堆肥處理下海濱木槿葉、莖和根對重金屬的吸收 mg/kg

2.4.2 不同污泥堆肥處理下海濱木槿不同器官對重金屬的富集系數和轉移系數 由表8 可見，污泥堆肥使用量對海濱木槿地上、地下部的重金屬富集系數均有顯著影響，隨污泥堆肥使用量的增加，海濱木槿地上部分和地下部分Cu、Zn和Cd的富集系數增大。海濱木槿地下部分對Cu和Cd的富集系數大于地上部分，地上部分和地下部分對Zn的富集系數的差異不大。

由表9可知，各處理間Cu、Zn和Cd的轉移系數差異不顯著；在不同污泥堆肥處理中，海濱木槿對Zn的轉移系數最大，轉移系數接近1.0;其次是Cd，轉移系數0.7左右；Cu的轉移系數最小，轉移系數0.4左右。

3 結論與討論

3.1 污泥堆肥對海濱木槿生長的影響

有研究表明，污泥堆肥的施用能夠顯著促進黃梁木株高、地徑和生物量的增長[14]。當污泥堆肥含量達到30%時，油松苗高、地徑和生物量達到最大值；當低于或高于30%時均達不到最佳生長效果[15]。本研究發現，污泥堆肥顯著促進海濱木槿株高、地徑、生物量和根系的生長，當污泥堆肥∶紅壤土為3∶2時，海濱木槿生長最佳。污泥堆肥能夠促進海濱木槿的生長主要與含有豐富的氮、磷、鉀等有關，試驗中污泥堆肥有機碳、堿解氮、有效磷和有效鉀含量分別為166.14 g/kg、237.88 mg/kg、669.68 mg/kg、475.62 mg/kg，分別是對照的67倍、58倍、74倍和9倍左右。此外，還可能與污泥堆肥能夠改良土壤理化性質有關。有研究表明，連續在沙質潮土地施用污泥堆肥，能顯著提高土壤含水率、有機碳含量、全氮含量和速效養分的含量，污泥堆肥施用量達到30～45 t/hm2，可作為沙質潮土的改良材料[16]。

3.2 污泥堆肥對海濱木槿葉片葉綠素含量和光合參數的影響

植物的生長離不開光合作用，葉綠素與光合作用息息相關，葉綠素含量和凈光合速率能夠在一定范圍內反映植物光合能力的強弱。本研究表明，污泥堆肥的施用能夠顯著促進海濱木槿葉片葉綠素a、葉綠素b和總葉綠素的合成，海濱木槿葉片凈光合速率、氣孔導度、胞間CO2濃度和蒸騰速率也隨污泥使用量的增加而增加。有研究表明，施用污泥堆肥有利于提高楊樹幼苗葉片的凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導度、胞間 CO2摩爾分數等光合參數，60 t/hm2的污泥堆肥施用量對各光合參數最有利[17]。施用污泥堆肥能增加海濱木槿葉片葉綠素含量，促進葉片的光合作用，這與株高、地徑、根系、生物量等生長指標吻合。

3.3 污泥堆肥對海濱木槿營養元素吸收的影響

氮、磷和鉀是植物生長必需的重要營養元素，在植物的生長過程中發揮重要作用。施用污泥堆肥后，海濱木槿根、莖、葉中氮、磷、鉀含量顯著增加，并且隨著污泥堆肥的使用量增加而增加，因此，當污泥堆肥∶紅壤土為3∶2時，海濱木槿生長最佳。此外，莖、葉中氮、磷、鉀含量高于根中，根部吸收的N、P、K大部分運輸到莖和葉，主要供地上部分生長，這與根冠比隨污泥堆肥施用量增加而降低的結果一致。

3.4 污泥堆肥對海濱木槿重金屬元素吸收的影響

污泥堆肥除含有植物生長所需的營養元素外，還含有大量重金屬，對植物的生長產生毒害作用。有研究表明，10%污泥堆肥(質量比)會對草莓的生長產生抑制作用，20%污泥堆肥會使草莓死亡，主要是因為重金屬毒害。耐性指數是植物抗逆性的一個重要指標。本試驗中，海濱木槿耐性指數隨污泥堆肥施用量的增加而增加，施用60%污泥堆肥(污泥堆肥∶紅壤土=3∶2，體積比)，海濱木槿生長最好；基質中銅含量達到216.91 mg/kg，鋅含量達到460.81 mg/kg，鎘含量達到0.67 mg/kg，超過了國家土壤環境二級標準，表明海濱木槿對污泥堆肥具有較強適應性和抗重金屬能力。

重金屬富集系數是用來評價植物對土壤重金屬積累能力的一個指標，植物的重金屬富集系數越大，其重金屬積累能力越強。海濱木槿對重金屬Cu、Zn和Cd的富集系數表現為Cd>Zn>Cu，海濱木槿對Cu的富集系數在污泥堆肥體積比達到40%時基本不變，對Zn的富集系數在污泥堆肥體積比達到50%時基本不變，對Cu和Zn的富集系數均小于1，對Cd的富集系數在污泥堆肥比例達到60%時達到最大，并且在不同污泥堆肥處理下對Cd的富集系數都大于1，表明海濱木槿是重金屬Cd富集高效的植物，有望用于Cd污染土壤的修復。海濱木槿地下部分對Cu和Cd的富集系數大于地上部分，地上部分和地下部分對Zn的富集系數差異不大，這與Cu和Cd在植物體內的轉移難易程度有關，還與植物對Zn的需求量大于Cu和Cd有關。

轉移系數表示植物將重金屬從根轉移到可收割的地上部分的能力。在各污泥堆肥處理間Cu、Zn和Cd的轉移系數差異不顯著，但海濱木槿對重金屬Cu、Zn和Cd的轉移系數有顯著差異，Zn的轉移系數最大，接近1.0；其次是Cd(0.7左右)；Cu的轉移系數最小(0.4左右)。這可能是因為Zn是植物生長必需的微量元素，植物各器官均有需求；Cd為有害元素，被滯留在根部，減輕對地上部分的毒害；Cu雖然是植物生長的必需微量元素，但需求量少，且在植物體內較難移動，因而大部分滯留在根部。