張文妍　高常卉　吳冠男

摘要：以稻殼炭鈍化后的城市污泥為對象，研究對蘿卜種子發(fā)芽和幼苗生長的影響。結(jié)果表明，與單獨施加污泥相比，稻殼炭鈍化污泥促進了蘿卜種子的發(fā)芽，減輕了污泥對種子根伸長的抑制，提高了發(fā)芽指數(shù)；與對照土壤相比，稻殼炭鈍化污泥的施用顯著促進了蘿卜幼苗生物量的提高，增加了幼苗對鉀的吸收，且幼苗鉀含量與基質(zhì)中稻殼炭含量呈顯著正相關(guān)，但對幼苗氮磷含量無顯著影響；稻殼炭鈍化污泥的施用使蘿卜幼苗中Zn、Pb和Cu含量顯著上升，而對Cd含量沒有顯著影響，回歸分析結(jié)果，蘿卜幼苗中的Zn、Pb、Cu含量與基質(zhì)中污泥含量呈顯著正相關(guān)，Zn、Pb含量與稻殼炭含量呈顯著負相關(guān)，表明稻殼炭抑制了蘿卜幼苗對污泥中重金屬的吸收。

關(guān)鍵詞：稻殼炭；污泥；鈍化；種子發(fā)芽；幼苗

中圖分類號： X703；S631.104文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2015）01-0158-04

收稿日期：2014-02-25

基金項目：江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程項目（編號：PAPD）；南京林業(yè)大學(xué)科技創(chuàng)新基金（編號：163020090）；大學(xué)生實踐創(chuàng)新訓(xùn)練計劃。

作者簡介：張文妍（1978—），女，安徽蕪湖人，講師，主要從事生物質(zhì)炭材料、固廢資源化研究。E-mail：627389011@qq.com。城市污泥農(nóng)用在世界范圍內(nèi)已經(jīng)比較普遍，2002年，美國城市污泥堆肥及土地利用占其污泥產(chǎn)量的60%，歐洲也有超過40%的污泥用于農(nóng)業(yè)土地[1-2]，城市污泥對作物產(chǎn)量、品質(zhì)促進和對土壤改良效果已經(jīng)得到公認[3-6]。但污泥中的高濃度鹽分、重金屬和其他有害物質(zhì)也可能對植物的生長產(chǎn)生生態(tài)毒性，尤其是對于植物種子發(fā)芽和幼苗生長[7-8]。

生物炭（biochar）是生物質(zhì)發(fā)電或產(chǎn)能的副產(chǎn)物[9]，是生物質(zhì)在完全或部分缺氧情況下，經(jīng)熱解炭化產(chǎn)生的一類高度芳香化、難熔性的固態(tài)物質(zhì)[10]，屬于廣義概念上的黑碳（black carbon）的一種。近年來，生物炭的農(nóng)用價值越來越受到關(guān)注，生物炭被證明不僅可以改善土壤理化性質(zhì)、增加土壤肥力、促進作物生長，還可以顯著降低土壤中重金屬和有毒有害物質(zhì)的生物有效性[11-13]。生物炭在土壤中極為穩(wěn)定，可長期將碳固存于土壤，有助于減少溫室氣體的排放[14-15]。

雖然污泥和生物炭的農(nóng)用潛力作為近年來的熱點已經(jīng)被廣泛研究，但大多報道僅局限于污泥或生物炭單獨作用于土壤的效應(yīng)，兩者聯(lián)合施用于土壤的相關(guān)報道較少。事實上，污泥豐富的有機質(zhì)和氮磷含量正是生物炭所缺乏的，而生物炭發(fā)達的空隙結(jié)構(gòu)和所含微量元素可以降低污泥中有害物質(zhì)的有效性、減少污泥施用中養(yǎng)分淋失，而且生物炭含豐富的鉀，可以彌補污泥鉀素的缺乏，兩者在農(nóng)學(xué)效應(yīng)和環(huán)境效應(yīng)上優(yōu)勢互補。鑒于此，本研究采用生物炭的一種——稻殼炭作為穩(wěn)定劑對城市污泥中的重金屬和有毒物質(zhì)進行鈍化，然后將鈍化后的污泥（稻殼炭鈍化污泥）以不同配比施入土壤，通過蘿卜種子發(fā)芽和幼苗生長試驗，研究稻殼炭鈍化污泥對植物的生態(tài)毒性和生長發(fā)育的影響，以期明確污泥和稻殼炭共同用于改良土壤的可行性，為城市污泥的安全農(nóng)用和生物質(zhì)氣化發(fā)電副產(chǎn)物的高效利用提供新途徑。

1材料與方法

1.1材料

土壤取自南京林業(yè)大學(xué)校園內(nèi)風(fēng)景區(qū)0～15 cm的表層未擾動土壤。該土壤為南京地區(qū)的典型黃棕壤，屬于粉沙壤土。供試污泥取自南京江心洲污水處理廠，該廠是目前南京市最大的污水處理廠，日污水處理量為64萬t，污水主要來源于城市居民的生活污水，經(jīng)過A/O工藝處理。剩余污泥經(jīng)離心脫水，含水率約為75%～80%。供試稻殼炭來自于本課題組的“農(nóng)林生物質(zhì)同時制取氣、炭、液產(chǎn)品”項目的產(chǎn)物之一——生物炭。炭化溫度為600～700 ℃。稻殼炭除了具有一般生物炭的特點外，還具有粒徑大小適中且均勻、不需要額外粉碎，容易與土壤和污泥摻混的特點。供試土壤、污泥和稻殼炭的基本理化性質(zhì)見表1。

表1土壤、污泥和稻殼炭的理化性質(zhì)

理化性質(zhì)指標土壤污泥稻殼炭pH值6.75±0.037.30±0.129.49±0.14*電導(dǎo)率（mS/cm）0.06±0.011.69±0.030.56±0.04有機質(zhì)（%）8.18±1.3638.25±1.4556.78±2.88比重（g/cm3）2.51±0.021.95±0.013.59±0.03容重（g/cm3）1.02±0.020.56±0.010.15±0.01陽離子交換量10.11±1.4917.48±1.29（cmol/kg）堿解氮（mg/kg）50.68±6.462 454.00±90.4015.15±5.67有效磷（mg/kg）7.74±2.00271.00±4.52288±2.51速效鉀（mg/kg）56.04±2.38223.00±0.551 481.00±54.22Zn（mg/kg）66.93±2.63980.38±108.9173.59±7.49Cd（mg/kg）2.24±0.18Pb（mg/kg）28.83±1.39118.67±2.846.12±1.10Cu（mg/kg）64.91±1.98226.12±37.3515.10±2.38沙粒（%）6.88粉粒（%）77.17黏粒（%）15.95比表面積（m2/g）188.12注：數(shù)據(jù)為“平均值±標準差”?！?”表示稻殼炭pH值的測定采用1 ∶10的土水比。

供試作物種子為蘿卜（Raphanus sativus L.），購于安徽華新種業(yè)有限公司。

1.2方法

1.2.1鈍化污泥培養(yǎng)脫水污泥取來后，在室溫下風(fēng)干至含水率60%左右并過10目篩，然后分別加入其鮮重的0、5%、10%、20%、40%的稻殼炭，充分混勻后，在室溫中用恒重法維持50%～60%的含水率培養(yǎng)35 d，其間每天添加去離子水維持處理組的重量不變，使污泥中重金屬和有毒物質(zhì)充分鈍化，成為含稻殼炭0、5%、10%、20%、40%的稻殼炭鈍化污泥，簡稱鈍化污泥，分別以B0、B5、B10、B20、B40表示。

1.2.2混合基質(zhì)配制將鈍化污泥（B0、B5、B10、B20、B40）分別按1 ∶1和1 ∶4（鈍化污泥、土壤干重比）與土壤均勻混合，分別設(shè)1 ∶1B0、1 ∶1B5、1 ∶1B10、1 ∶1B20、1 ∶1B40、1 ∶4B0、1 ∶4B5、1 ∶4B10、1 ∶4B20、1 ∶4B40處理組，另設(shè)1組土壤作為對照（CK），試驗共設(shè)11個處理組。按鮮污泥含水率60%計，稻殼炭和土壤含水率忽略不計，各處理組稻殼炭、污泥和土壤干質(zhì)量的配比見表2。表2各處理組稻殼炭、污泥和土壤含量

基質(zhì)基質(zhì)干質(zhì)量配比（%）CK1 ∶1B01 ∶1B51 ∶1B101 ∶1B201 ∶1B401 ∶4B01 ∶4B51 ∶4B101 ∶4B201 ∶4B40稻殼炭006101725024710污泥050444033252018161310土壤10050505050508080808080

1.2.3種子發(fā)芽和根伸長抑制（1）種子消毒：將種子鋪在白紙上，剔除雜質(zhì)和有缺陷的種子后，放入2%的雙氧水中浸泡10 min消毒。再用自來水和去離子水充分沖洗后，將種子放在濾紙上吸干水分。（2）發(fā)芽床準備：每個處理組分別準確稱取1 g土樣，置于內(nèi)徑為15 cm的培養(yǎng)皿中，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。（3）發(fā)芽試驗：選擇光鮮飽滿的蘿卜種子，按每個發(fā)芽床25粒，分別置于各發(fā)芽床上使之均勻分布，放入培養(yǎng)箱中于（25±0.5） ℃條件下培養(yǎng)，每隔12 h觀察1次發(fā)芽率，按胚芽長度達到種子的50%為標準，計算發(fā)芽率。連續(xù)48 h發(fā)芽率不再變化，試驗停止，測量平均根長（根和芽接點處到最長根尖的長度），每個處理重復(fù)3次。

1.2.4幼苗生長采用室內(nèi)盆栽的方法培育蘿卜幼苗。將每個處理組的混合基質(zhì)裝入高13 cm、口徑15 cm的塑料花盆中（每盆裝填高度約為10 cm），均勻播撒50粒飽滿的蘿卜種子，生長過程中以去離子水澆灌，苗期生長至10 d取樣，洗凈晾干后，測各處理組鮮質(zhì)量（地上和地下部分總和），再置于恒溫箱中于70 ℃烘72 h，取出剪碎后測植株氮、磷、鉀和重金屬含量。

1.3分析與測定

種子發(fā)芽和根伸長的各項指標計算公式如下[16-18]：發(fā)芽率=（正常發(fā)芽種子數(shù)/供試種子數(shù)）×100%；發(fā)芽指數(shù)=（處理組發(fā)芽率/對照組發(fā)芽率）×（處理組根伸長/對照組根伸長）×100%。植株中氮、磷、鉀和重金屬測定方法參照NY/T 2017—2011《植物中氮、磷、鉀的測定》。

1.4數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)用SPSS 21.0處理，方差分析采用One-way ANOVA檢驗，回歸分析采用線性回歸，多重比較采用LSD檢驗。圖表處理在Origin75中完成。

2結(jié)果與分析

2.1稻殼炭鈍化污泥對蘿卜種子發(fā)芽的影響

不同處理組蘿卜種子發(fā)芽率、根伸長和發(fā)芽指數(shù)見表3。所有處理蘿卜種子發(fā)芽率均高于對照，說明鈍化污泥的添加對蘿卜種子發(fā)芽有促進作用。其中1∶1B20、1∶1B40、1 ∶4B5 處理發(fā)芽率顯著高于其他組，達70%以上，而1 ∶4B0

表3稻殼炭鈍化污泥對蘿卜種子發(fā)芽相關(guān)指數(shù)的影響

表中數(shù)據(jù)為平均值，同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示差異顯著（P<0.05）。表4、表6同。

處理發(fā)芽率最低，僅57%，與對照組差異不顯著。根伸長僅有 1 ∶4B20 處理的根長為32 mm，高于對照，其他處理根長均受到顯著抑制，其中1 ∶1B0、1 ∶4B0處理根長最短，只有對照組的61%和68%。

發(fā)芽指數(shù)包含了土壤對于植物種子發(fā)芽率和根伸長抑制的綜合結(jié)果，可以用來綜合評判土壤對種子胚芽的毒性[8]。從表3可以看出，多數(shù)處理的發(fā)芽指數(shù)大于100，說明鈍化污泥在多數(shù)情況下，對蘿卜種子萌發(fā)起到促進作用，這主要是鈍化污泥對發(fā)芽率的促進作用掩蓋了其對根伸長的抑制作用。1 ∶4B5 處理發(fā)芽指數(shù)最高，達到136，表明該處理污泥和稻殼炭的含量對于種子發(fā)芽最為適宜。1 ∶1B0、1 ∶4B0處理的發(fā)芽指數(shù)顯著比其他組低，發(fā)芽指數(shù)分別為73、70。

2.2稻殼炭鈍化污泥對蘿卜幼苗生長的影響

2.2.1對幼苗生物量的影響由圖1可見，不同處理組蘿卜幼苗鮮質(zhì)量均顯著大于對照，沒有出現(xiàn)抑制情況，不同處理每盆蘿卜幼苗鮮質(zhì)量比對照組的增幅達157%～327%。1 ∶1B40 處理蘿卜幼苗鮮質(zhì)量顯著高于其他處理，1 ∶1B0、1 ∶4B40 處理蘿卜幼苗鮮質(zhì)量顯著低于其他處理。

2.2.2對幼苗養(yǎng)分含量的影響從表4可以看出，鈍化污泥并沒有顯著提高蘿卜幼苗氮含量，不同處理氮含量差異不顯

著，與對照差異不顯著，僅1 ∶4B0處理氮含量略高。不同處理蘿卜幼苗磷含量略高于對照，但差異不顯著。不同處理鉀含量有顯著差異，顯著高于對照。為了進一步分析稻殼炭鈍化污泥對蘿卜幼苗鉀含量的影響，將污泥和稻殼炭含量作為因素，與蘿卜幼苗鉀含量進行線性回歸分析，結(jié)果（表5）表明，蘿卜幼苗鉀含量與稻殼炭含量呈顯著線性正相關(guān)，而污泥含量被排除，即污泥含量與幼苗鉀含量無顯著相關(guān)關(guān)系。

表4不同處理蘿卜幼苗氮、磷、鉀含量比較

處理養(yǎng)分含量（g/kg）氮磷鉀CK22.5ab8.83a12.37e1 ∶1B020.7b10.65a47.96cd1 ∶1B522.5ab10.93a60.15c1 ∶1B1018.7b10.96a62.55bc1 ∶1B2022.5ab11.50a66.29bc1 ∶1B4019.6b11.18a86.74a1 ∶4B032.3a10.73a20.93e1 ∶4B526.3ab10.75a34.52d1 ∶4B1024.4ab11.11a42.05d1 ∶4B2021.6ab10.51a59.28c1 ∶4B4019.4b9.16a72.94b

表5污泥/稻殼炭含量與蘿卜幼苗鉀含量線性回歸分析

方程r顯著性已排除的變量y=2.405x+33.7260.6840.001污泥含量注：表中y為蘿卜幼苗鉀含量（g/kg），x為稻殼炭含量（%）。

2.2.3對幼苗重金屬含量的影響污泥中含有較多重金屬，本試驗考察了不同處理蘿卜幼苗主要重金屬含量，結(jié)果見表6。由表6可以看出，不同處理蘿卜幼苗Zn含量比對照組顯著增加，1 ∶1B0處理Zn含量最高，達134.49 mg/kg，是對照的3倍，表明鈍化污泥中的Zn能較容易被植物吸收。隨著污泥含量的減少，不同處理蘿卜幼苗Zn含量也逐漸降低，1 ∶4B40 處理Zn含量已與對照相差不大。鈍化污泥并沒有顯著增加蘿卜幼苗的Cd含量，不同處理間沒有顯著差異，且Cd含量很低。不同處理蘿卜幼苗Pb含量雖然均較低，但處理間有顯著差異，鈍化污泥含量較多的處理，蘿卜幼苗Pb含量顯著比對照升高。鈍化污泥的施用也使蘿卜幼苗中Cu含量顯著增加，不同處理中隨污泥含量的增加Cu含量有上升的趨勢。目前，我國已經(jīng)取消了食品中Zn和Cu的限量標準，參照澳大利亞新西蘭食品標準（2002）中關(guān)于Zn和Cu的規(guī)定，食品中Zn和Cu的最大限值分別為150 mg/kg和10 mg/kg，本試驗中所有處理Zn和Cu含量均達標。我國《食品中污染物限量》（GB 2762—2005）中，對葉類蔬菜Cd和Pb的限值分別為0.2 mg/kg和0.3 mg/kg，試驗所有處理也均達標。

表6不同處理蘿卜幼苗重金屬含量比較

為了進一步分析稻殼炭鈍化污泥對于蘿卜幼苗重金屬含量的影響，將污泥和稻殼炭含量作為因素，與蘿卜幼苗重金屬含量分別進行線性回歸，分析結(jié)果見表7。表7污泥/稻殼炭含量與蘿卜幼苗重金屬含量線性回歸分析

重金屬方程R2顯著性已排除的變量Zny=1.594x1-1.525x2+49.0370.930<0.001Cd污泥含量、稻殼炭含量Pby=0.001x1-0.001x2+0.0140.7890.001Cuy=0.070x1+3.4120.4340.016稻殼炭含量注：表中y為相應(yīng)蘿卜幼苗重金屬含量（mg/kg），x1為污泥含量（%），x2為稻殼炭含量（%）。

從表7 可以看出，Zn含量回歸方程的顯著性小于0.001，相關(guān)系數(shù)高達0.930，且與污泥、稻殼炭含量均有關(guān)系，與污泥含量呈線性正相關(guān)，與稻殼炭含量呈線性負相關(guān)。Cd含量與污泥和稻殼炭含量均無關(guān)。Pb含量的回歸公式也有統(tǒng)計意義，顯著性達0.001，相關(guān)系數(shù)達0.789，與污泥含量和稻殼炭含量分別呈線性正相關(guān)和負相關(guān)。Cu含量的回歸方程排除了稻殼炭含量，只與污泥含量呈線性正相關(guān)，顯著性和相關(guān)系數(shù)也比Zn和Pb有所下降。

3結(jié)論與討論

為了充分利用城市污泥所含豐富的有機質(zhì)和氮磷，避免其所含鹽分、重金屬等有毒物質(zhì)對植物的生態(tài)毒性，本研究用稻殼炭將污泥鈍化后農(nóng)用，通過測定稻殼炭鈍化污泥對蘿卜種子發(fā)芽和幼苗生長的影響，明確了城市污泥和稻殼炭共同施用于土壤的效果。

從發(fā)芽率數(shù)據(jù)來看，鈍化污泥促進了蘿卜種子的發(fā)芽。發(fā)芽率較高處理有兩個特點：污泥含量適中（污泥在基質(zhì)中干重比為18%～33%）且含有稻殼炭處理，因一定含量的污泥可以給種子發(fā)芽提供充足營養(yǎng)，一定比例稻殼炭可以減輕污泥中的毒性物質(zhì)對種子的毒害?；|(zhì)中污泥含量過高，或不含稻殼炭的處理，就會因污泥中有毒物質(zhì)過高而影響種子發(fā)芽[19-20]。從根伸長的數(shù)據(jù)看，鈍化污泥對種子根長有抑制作用，蘿卜根伸長比種子發(fā)芽率更容易受到有毒物質(zhì)的影響。因種子發(fā)芽過程主要受胚內(nèi)養(yǎng)分供應(yīng)影響，即使土壤污染也不會間斷胚內(nèi)養(yǎng)分供應(yīng)；而根從一開始就完全暴露于土壤中，其生長發(fā)育很大程度上受到土壤條件的控制[21]，相關(guān)研究也發(fā)現(xiàn)了發(fā)芽率對污染土壤的敏感性不及根伸長[22-24]。從發(fā)芽指數(shù)來看，不含稻殼炭的1 ∶1B0和1 ∶4B0處理的發(fā)芽指數(shù)最低，表明沒有經(jīng)稻殼炭鈍化的污泥對作物有一定的生態(tài)毒性。但經(jīng)過稻殼炭的鈍化，其毒性大為降低，所有含稻殼炭的處理發(fā)芽指數(shù)均顯著上升，甚至出現(xiàn)了發(fā)芽指數(shù)大于100，體現(xiàn)了稻殼炭對污泥中有毒物質(zhì)的鈍化作用和對種子發(fā)芽的促進作用。

鈍化污泥顯著促進了蘿卜幼苗生物量的增加，這一方面是蘿卜幼苗在生長的過程中適應(yīng)了環(huán)境，另一方面也是因為鈍化污泥所含營養(yǎng)元素，有效促進了蘿卜幼苗的生長。1 ∶1B40 處理污泥和稻殼炭的比例合適，既能提供蘿卜生長所需的營養(yǎng)元素，又能提供疏松透氣的土壤環(huán)境，能最大程度促進幼苗生長，所以生物量最高。1 ∶1B0處理污泥含量較高，又沒有稻殼炭的鈍化，所含有害成分影響了蘿卜幼苗正常生長，蘿卜幼苗生物量降低，而1 ∶4B40處理污泥含量最少，稻殼炭含量相對較多，可能是營養(yǎng)不足或土壤碳氮比過高導(dǎo)致蘿卜幼苗生長受阻。

盡管鈍化污泥含有極豐富的堿解氮和有效磷，但蘿卜幼苗并沒有能從污泥中吸收大量的氮和磷，可能是幼苗時期蘿卜對氮磷的吸收有限。但不同處理蘿卜幼苗鉀含量卻差別很大，因為鉀是蘿卜生長過程中需求最大的礦物質(zhì)元素，幼苗時期吸收量比其他元素都多[25]。通過線性回歸分析，蘿卜幼苗鉀含量主要是因為處理中的稻殼炭引起，與污泥含量無關(guān)，表明稻殼炭所含豐富的鉀素可以被蘿卜幼苗吸收利用，因稻殼炭添加對于蘿卜鉀素的吸收有重要意義。

稻殼炭鈍化污泥的添加，使蘿卜幼苗Zn、Pb和Cu含量顯著上升，而對Cd含量沒有顯著影響。主要是因植物從土壤中吸收的重金屬量往往與土壤重金屬含量有線性關(guān)系[26-27]，城市污泥中Zn、Pb和Cu含量相對較高，蘿卜幼苗對其吸收量也高，而污泥中Cd含量相對較低，因此蘿卜幼苗吸收量也少。經(jīng)線性回歸分析可知，蘿卜幼苗Zn、Pb含量與處理組中污泥含量呈顯著正相關(guān)，與稻殼炭含量呈顯著負相關(guān)，表明蘿卜幼苗中的Zn和Pb來源于污泥，由于稻殼炭存在而顯著減少，體現(xiàn)了稻殼炭抑制了植物對重金屬的吸收。Cd含量與污泥和稻殼炭含量均無顯著關(guān)系，可能是處理中Cd含量很少，被植物吸收量也不顯著。蘿卜幼苗的Cu含量與污泥呈正相關(guān)，而與稻殼炭含量無關(guān)，說明污泥增加了蘿卜苗的Cu含量，但稻殼炭并未能阻止其對Cu的吸收，可能因為Cu也是植物生長所需元素[28]，蘿卜苗會主動吸收一定量的Cu。參照目前國內(nèi)外對食品中Zn、Cd、Pb、Cu的規(guī)定，本研究中所有處理蘿卜幼苗均達標，但蘿卜的生長期較長，在后期的生長中蘿卜中的重金屬是否會繼續(xù)富集，還有待進一步研究。

稻殼炭鈍化污泥能顯著促進蘿卜種子發(fā)芽和幼苗生長，由于稻殼炭的鈍化作用，降低了單獨污泥施加對作物的生物毒性，降低了作物對重金屬的吸收。污泥和稻殼炭優(yōu)勢互補，聯(lián)合施用于土壤既能為植物提供豐富的營養(yǎng)和合適的土壤環(huán)境，又能降低污泥中的毒性物質(zhì)對植物的生態(tài)毒性。

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